WO2016179674A1 - Aquecedor de ar indireto a vapor com circuito fechado de condensado e recuperação de calor dos gases da chaminé - Google Patents

Aquecedor de ar indireto a vapor com circuito fechado de condensado e recuperação de calor dos gases da chaminé Download PDF

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Alcione Mario Costa CORDEIRO
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Cordeiro Alcione Mario Costa
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D1/00—Steam central heating systems
    • F24D1/08—Feed-line arrangements, e.g. providing for heat-accumulator tanks, expansion tanks

Definitions

  • the following descriptive report for utility model aims at an air heater model, in which heating is done by a steam generator boiler that supplies the system with three heat sources, the first heat source being the surface. outside the boiler, the second heat source is the steam heat exchanger and the third source is the tubular fire heat exchanger.
  • hot air is important in various industrial processes, such as heating of breeding and greenhouses, drying of grains and leaves of various agricultural products, etc.
  • the generation of this hot air can be achieved through various fuels, for example, wood for logs, wood chips, sawdust, rice husk, agricultural waste, sugarcane bagasse, gas, oil, etc., which are used to generate fire. which heats the air directly or indirectly, and this heated air is demanded into the shed, pavilion, greenhouse, poultry house, etc., with temperature and humidity control, and the process can be manual or fully automated.
  • FIG. 7301440-0 An example of a boiler used for wood drying can be seen in document MU 7301440-0, which operates by steam produced by a boiler located outside the greenhouse and driven by a main duct, inflating the steam in an internal network. evenly located inside the greenhouse, has reversing fans whose function is to distribute the hot air inside the stove as well as, when reversed, to allow it to escape through the ventilation ducts located at the top of the stove.
  • CN document describes a heating oven using hot wind.
  • the proposed technique is that the heating furnace comprises an oven and an evacuation duct, the inner wall of the heating furnace closes the furnace to form an annular coating of the heating furnace together with the outer wall of the heating furnace, an inlet. is disposed at the bottom of the casing and a hot blow outlet is arranged at the top of the casing.
  • FIGURE 1 shows internal details of the proposed model
  • FIGURE 2 shows the air flow circulating through the heater
  • FIGURE 3 shows internal details in a side view
  • FIGURE 4 shows a perspective view
  • the heating is done by a steam generator boiler (1) which supplies the system with three heat sources: the first heat source is the boiler external metal surface itself constituted by the outer surface of the body furnace and the boiler smoke box, which, being devoid of thermal insulation, transmits to the air that enters the system the heat radiated throughout this surface.
  • the second heat source is a radiator-type steam heat exchanger (2), which utilizes all the heat from steam generated by the boiler (1) as heating fluid and the third source is a tubular fire-type heat exchanger (3), which uses smoke heat resulting from combustion as a heating fluid.
  • the entire boiler is covered by a cowling (4) that directs the air flow that enters from the bottom, over the entire external surface of the boiler absorbing the heat radiated by it.
  • the fairing (4) has plates that direct the air flow (10) by first passing it through the steam radiator and then through the tubular fire heat exchanger.
  • the external surface of the boiler provides an air preheat that is directed to the two heat exchangers installed in series, namely: a steam radiator heat exchanger through which steam circulates internally and externally the preheated air (7) and the second tubular heat exchanger, where the boiler combustion gases pass into the pipes and the already warmer air from the steam radiator passes outside the pipes completing the air heating (9).
  • Typical assembly of the air heater is with the steam heat exchanger, radiator, positioned over the boiler so that steam enters the top of the radiator and the resulting condensate returns into the boiler by gravity, as the heat exchange takes place between air and steam, thus constituting a closed heat exchange system where 100% (one hundred percent) of the heat contained in the steam is used.
  • the tubular fire heat exchanger is also positioned over the boiler at the gas outlet, before the chimney, and in front of the radiator. so that air that has been heated by the steam radiator enters the heat exchanger tubular fire completing the heating.
  • This heater can, in addition to the compact format, in which the steam and tubular heat exchangers are positioned over the boiler have versions in which the heat exchangers can be positioned on the sides or the distance being heat driven through. of isolated pipes or not.
  • the fuel used in the boiler may be biomass in general, in any of the forms presented, natural gas, LPG or methane, among others, or liquids, regardless of their toxicity, because the air is heated indirectly without contact with combustion gases.
  • the boiler may operate by generating saturated or overheated steam and in various pressure ranges thus providing air temperature control as a function of the steam quality available to the radiator.
  • Fuel delivery to the boiler furnace may be manual or automated regardless of the type of fuel used.
  • the heater model described transfers more heat from the fuel to the fluid to be heated, air, by using the two types of heat exchangers, steam and tubular fire,
  • the boiler construction may be fire tubular, aquatubular or mixed depending on the best choice for each application as long as the operating principles described above are preserved.
  • the variables for better heat utilization of this heater model are: boiler size, working pressure and heat exchange surfaces of both heat exchangers that are sized according to the volume and air temperature at be heated.
  • the material used in the manufacture of the heater may be carbon steel or stainless steel, the plates being used, shaped, bent, calendered and welded to obtain their constructive form.
  • the materials used for making the tube bundles may also be carbon steel and stainless steel and may be fixed to the mirrors by means of tip expansion or welding.
  • the heater can draw fresh air from the medium to inflate into the system, or circulate system air which improves system throughput due to the higher inlet temperature.
  • the indirect condensate closed loop steam air heater with chimney gas heat recovery consists of the use of a radiator-type steam heat exchanger (2) and a tubular fire heat exchanger (3) installed above a steam generator boiler (1), a fairing (4) and flow direction plates being mounted around this assembly air (10),
  • the ambient temperature cold air flow enters under the fairing skirt (4) and is directed to the steam radiator inlet (2) by the direction plates (10). During this path the cold air receives heat from the heated outside surface without thermal insulation of the boiler (1) increasing the temperature to 40 ° C. The now preheated air flow passes through the steam radiator (2) raising the temperature to 90 9 C, and finally goes through the heat exchanger. heat tubular fire (3) leaving with temperature of 150 ° C,
  • the radiator (2) operates due to the difference in height from its lower part to the water level inside the boiler as shown in figure 02 and figure 03.
  • Steam entering the radiator (2) through the pipe vapor (14) condenses when exchanging heat with preheated air flow (7).
  • the condensate thus formed descends by the effect of gravity through the condensate circulation tubes (15) and returns to the boiler at the same steam temperature, thus obtaining a great energy gain for the new closed loop evaporation, which is one of the points. fundamental to the efficiency of the heater in question.
  • the differential of this heater compared to the existing ones is the utilization of the heat of the combustion gases through the tubular fire heat exchanger (3), which does not suffer degradation due to the reduction of the temperature of the superheated gases from the 800 furnace. ° C to 350 ° C with the use of the boiler that absorbs this temperature difference in the form of energy accumulated in the steam.
  • the boiler size (1) and the amount of fuel needed to heat a given air mass are halved because The heat to complete the heating of this preheated air mass by the steam radiator (2) is complemented by the tubular fire heat exchanger (3) using only the energy contained in the volume of the combustion gases after the heat exchange inside the boiler. results in a gas mass of 350 ° C sufficient to complete heating of the air mass from 90 ° C to 150 ° C,
  • the present heater allows hot air to be obtained at various temperatures and flow rates by simply sizing it as a function of working pressure and boiler size (1) and sizing of heat exchangers (2 and 3). , when working with water, or working with appropriate thermal fluid.
  • thermal fluid can generate hot air with a temperature equal to the working temperature of this fluid, ie up to 350 ⁇ O.

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Abstract

Aquecedor de ar indireto a vapor com circuito fechado de condensado e recuperação de calor dos gases da chaminé, no qual o aquecimento é feito por uma caldeira (13) geradora de vapor que fornece três fontes de calor ao sistema, sendo a primeira fonte de calor a superfície metálica externa da caldeira, a segunda fonte de calor é o trocador de calor a vapor (2) e a terceira fonte é o trocador de calor tipo fogo tubular (3).

Description

AQUECEDOR DE AR INDIRETO A VAPOR COM CIRCUITO FECHADO DE CONDENSADO E RECUPERAÇÃO DE CALOR DOS GASES DA CHAMINÉ CAMPO TÉCNICO
[001 ] O seguinte relatório descritivo para modelo de utilidade tem por objetivo um modelo de aquecedor de ar, no qual o aquecimento é feito por uma caldeira geradora de vapor que fornece três fontes de calor ao sistema, sendo a primeira fonte de calor a superfície metálica externa da caldeira, a segunda fonte de calor é o trocador de calor a vapor e a terceira fonte é o trocador de calor tipo fogo tubular.
ESTADO DA ARTE
[002] A utilização de ar quente é importante em diversos processos industriais, tais como no aquecimento de criadouros e estufas, secagem de grãos e folhas de diversos produtos agrícolas, etc. A geração deste ar quente pode ser conseguida por meio de combustíveis diversos, por exemplo, lenha em toras, cavacos de madeira, serragem, casca de arroz, resíduos agrícolas, bagaço de cana, gás, óleo, etc , que são utilizados para gerar fogo que aquece o ar de modo direto ou de modo indireto, sendo este ar aquecido demandado para dentro do galpão, pavilhão, estufa, aviário, etc , com controle de temperatura e umidade, podendo ser manual o processo ou totalmente automatizado. Um exemplo de caldeira usada para a secagem de madeira pode ser vista no documento MU 7301440-0, que funciona por meio de vapor produzido por uma caldeira localizada externamente à estufa e conduzido a mesma por um duto principal, insuflando o vapor numa rede interna de dutos localizados uniformemente dentro da estufa, possui ventiladores de reversão automática, cuja função e distribuir o ar quente dentro da estufa bem como, quando revertido, permitir a saída do mesmo através de dutos de ventilação localizados na parte superior da estufa.
[003] O documento CN descreve um forno de aquecimento usando vento quente. A técnica proposta é que o forno de aquecimento compreende um forno e um conduto de evacuação, a parede interna da fornalha de aquecimento fecha o forno para formar um revestimento anular do forno de aquecimento em conjunto com a parede exterior do forno de aquecimento, uma entrada está disposta na parte inferior do revestimento e uma saída de sopro a quente está disposta na parte superior do invólucro.
SUMÁRIO
[004] Os exemplos trazidos do estado da arte revelam que existem muitos modelos diferentes de se aquecer o ar para ser usado em aplicações industriais. No entanto, o objetivo de utilizar a caldeira como fonte de calor é de abaixar a temperatura dos gases superaquecidos resultante da combustão no interior da fornalha, que podem atingir temperaturas acima de 850°C, para temperaturas na faixa de 200°C a 350°C, através da troca térmica com a água no interior da caldeira. Com a redução da temperatura abaixo de 350°C é possível a utilização do trocador de calor tipo fogo tubulares fabricado com aço carbono comum tornando economicamente viável a industrialização deste sistema de aquecimento.
DESCRIÇÃO
[004] A caracterização do presente documento para modelo de utilidade é feita por meio de desenhos representativos do aquecedor de ar indireto a vapor com circuito fechado de condensado e recuperação de calor dos gases da chaminé, de tal modo que o equipamento possa ser integralmente reproduzido por técnica adequada, permitindo plena caracterização da funcionalidade do objeto pleiteado.
[005] A partir das figuras elaboradas que expressam a melhor forma ou forma preferencial de se realizar o produto ora idealizado, se fundamenta a parte descritiva do relatório, através de uma numeração detalhada e consecutiva, onde esta esclarece aspectos que possam ficar subentendidos pela representação adotada, de modo a determinar claramente a proteção ora pretendida.
[006] Estas figuras são meramente ilustrativas, podendo apresentar variações, desde que não fujam do inicialmente pleiteado.
[007] Neste caso se tem que:
Í0081 - A FIGURA 1 mostra detalhes internos do modelo proposto;
Í0091 - A FIGURA 2 mostra o fluxo de ar que circula pelo aquecedor;
[01 01 - A FIGURA 3 mostra detalhes internos em uma vista lateral e,
[01 1 ] - A FIGURA 4 mostra uma perspectiva com vista
interna do aquecedor.
[01 2] No aquecedor proposto o aquecimento é feito por uma caldeira geradora de vapor (1 ) que fornece três fontes de calor ao sistema: a primeira fonte de calor é a própria superfície metálica externa da caldeira constituída pela superfície externa da fornalha do corpo e da caixa de fumaça da caldeira, as quais, sendo desprovidas de isolamento térmico transmitem ao ar que entra no sistema o calor irradiado por toda esta superfície. A segunda fonte de calor é um trocador de calor a vapor tipo radiador (2), que utiliza todo o calor do vapor gerado peia caldeira (1 ) corno fluido de aquecimento e a terceira fonte é um trocador de calor tipo fogo tubular (3), que utiliza o calor da fumaça resultante da combustão como fluido de aquecimento. Para possibilitar a troca térmica do ar com a superfície externa da caldeira, toda a caldeira é coberta por uma carenagem (4) que direciona o fluxo de ar que entra pela parte inferior, sobre toda a superfície externa da caldeira absorvendo o calor por eia irradiado. Internamente, a carenagem (4) conta com placas que direcionam o fluxo de ar (10) fazendo-o passar primeiro peio radiador a vapor e, posteriormente, pelo trocador de calor fogo tubular. Assim, a superfície externa da caldeira proporciona um preaquecimento do ar que é direcionado aos dois trocadores de calor instalados em série, sendo: um trocador de calor tipo radiador a vapor pelo qual circula internamente vapor e externamente o ar preaquecido (7) e o segundo trocador de calor tipo tubular, por onde os gases resultantes da combustão da caldeira passam por dentro dos tubos e o ar já mais aquecido vindo do radiador a vapor passa por fora dos tubos completando o aquecimento do ar (9).
[013] A montagem típica do aquecedor de ar é feita com o trocador de calor a vapor, radiador, posicionado sobre a caldeira, de modo que o vapor entre na parte superior do radiador e o condensado resultante retorne para dentro da caldeira por gravidade, à medida que a troca térmica seja feita entre o ar e o vapor, constituindo-se assim um sistema fechado de troca térmica, onde é aproveitado 100% (cem por cento) do calor contido no vapor. O trocador de calor fogo tubular é posicionado também sobre a caldeira na saída dos gases, antes da chaminé, e em frente ao radiador a vapor, de modo que o ar que foi aquecido pelo radiador a vapor entre no trocador de calor fogo tubular completando o aquecimento.
[014] Este aquecedor pode, além do formato compacto, no qual os trocadores de calor a vapor e fogo tubular estarem posicionados sobre a caldeira ter as versões nas quais os trocadores de calor poderão ser posicionados nas laterais ou a distancia sendo o calor conduzido através de dutos isolados, ou não.
[015] O combustível utilizado na caldeira poderá ser biomassa em geral, em qualquer das formas apresentadas, gás natural, GLP ou metano, entre outros, ou líquidos, não importando seu grau de toxidade, pois o ar é aquecido indiretamente sem contato com os gases resultantes da combustão.
[016] A forma de tiragem dos gases resultantes da combustão no interior da fornalha da caldeira poderá ser forçada ou natural dependendo das características e necessidades de cada instalação.
[017] A caldeira poderá operar gerando vapor saturado ou superaquecido e em diversas faixas de pressão proporcionando assim, um controle de temperatura do ar em função da qualidade do vapor disponível para o radiador.
[018] A alimentação de combustível na fornalha da caldeira poderá ser manual ou automatizada independentemente do tipo de combustível utilizado.
[019] O modelo de aquecedor descrito transfere maior quantidade de calor do combustível ao fluido a ser aquecido, ar, por utilizar-se dos dois tipos de trocadores de calor, a vapor e fogo tubular,
[020] A forma construtiva da caldeira poderá ser fogo tubular, aquatubular ou mista em função da melhor escolha para cada aplicação desde que preservados os princípios de funcionamento descritos anteriormente.
[021 ] As variáveis para maior aproveitamento do calor deste modelo de aquecedor são: tamanho da caldeira, a pressão de trabalho e as superfícies de troca térmica de ambos os trocadores de calor que são dimensionadas de acordo com o volume e a temperatura do ar a ser aquecido.
[021 ] O material utilizado na fabricação do aquecedor poderá ser o aço carbono ou o aço inoxidável , sendo as chapas utilizadas, conformadas, dobradas, calandradas e soldadas para a obtenção da sua forma construtiva.
[022] Os materiais utilizados para a confecção dos feixes de tubos podem igualmente ser o aço carbono e o aço inoxidável, podendo ser fixados aos espelhos por meio de expansão das pontas ou por solda.
[023] Com pressão adequada podem ser obtidas temperaturas que possibilitem sua utilização em estufas de pintura eletrostática alcançando temperaturas acima de 2009C.
[024] O aquecedor pode captar ar novo do meio para insuflar no sistema, ou circular o ar do sistema o que melhora o rendimento do sistema devido a temperatura de entrada ser mais alta.
[025] O aquecedor indireto de ar a vapor com circuito fechado de condensado e recuperação de calor dos gases da chaminé, consiste na utilização de um trocador de calor a vapor tipo radiador (2) e um trocador de calor fogo tubular (3) instalados sobre uma caldeira geradora de vapor (1 ) , sendo montada em volta deste conjunto uma carenagem (4) e as placas de direcionamento de fluxo de ar (10),
[026] O fluxo de ar frio com temperatura ambiente entra sob a saia da carenagem (4) e é direcionado para a entrada do radiador a vapor (2) pelas placas de direcionamento (10), Durante este percurso o ar frio recebe calor da superfície externa aquecida e desprovida de isolamento térmico da caldeira (1 ) aumentando a temperatura para 40°C, O fluxo de ar agora preaquecido passa peio radiador a vapor (2) aumentando a temperatura para 909C, e por fim atravessa o trocador de calor fogo tubular (3) saindo com temperatura de 150°C,
[027] O funcionamento do radiador (2) se dá devido a diferença de altura da sua parte inferior com o nível de água no interior da caldeira conforme observamos na figura 02 e figura 03. O vapor que entra no radiador (2) peio tubo de vapor (14) condensa ao trocar calor com o fluxo de ar preaquecido (7). O condensado assim formado desce pelo efeito da gravidade pelos tubos de circulação de condensado (15) retomando para a caldeira na mesma temperatura do vapor, obtendo-se assim um grande ganho de energia para a nova evaporação em circuito fechado, sendo este um dos pontos fundamentais para a eficiência do aquecedor em questão.
[028] O diferencial deste aquecedor em relação aos existentes é o aproveitamento do calor dos gases resultantes da combustão através do trocador de calor fogo tubular (3), o qual não sofre degradação devido a redução da temperatura dos gases superaquecidos oriundos da fornalha de 800°C para 350°C com a utilização da caldeira que absorve esta diferença de temperatura em forma de energia acumulada no vapor. Com esse sistema o tamanho da caldeira (1 ) e a quantidade de combustível necessários para aquecer uma determinada massa de ar são reduzido a metade, pois o calor para completar o aquecimento dessa massa de ar preaquecida pelo radiador a vapor (2) é complementado pelo trocador de calor fogo tubular (3) utilizando apenas a energia contida no volume dos gases resultantes da combustão, após a troca térmica no interior da caldeira que resulta em uma massa de gás à temperatura de 350°C suficiente para completar o aquecimento da massa de ar de 90°C para 150°C,
[029] O presente aquecedor permite que se obtenha ar quente a diversas temperaturas e vazões, bastando para isto o seu dimensionamento em função da pressão de trabalho e o tamanho da caldeira (1 ) e o dimensionamento dos trocadores de calor (2 e 3), quando se trabalhar com água, ou trabalhando-se com fluído térmico apropriado.
[030] Ao se utilizar água como fluido de aquecimento, a relação de temperatura do ar a ser obtida se dará em função da pressão da utilizada na caldeira (1 ),
[031 ] A utilização de fluido térmico apropriado pode gerar ar quente com temperatura igual à temperatura de trabalho deste fluído, ou seja, ate a faixa de 350~O.

Claims

REIVINDICAÇÃO:
1- AQUECEDOR DE AR INDIRETO A VAPOR COM CIRCUITO FECHADO DE CONDENSADO E RECUPERAÇÃO DE CALOR DOS GASES DA CHAMINÉ, caracterizado por:
- contar com uma fornalha (13) disposta em linha com uma caldeira (1) e com a caixa de fumaça (11), sendo este conjunto disposto sobre uma base (16 e 17) e envolto por uma carenagem (4), onde dita carenagem apresenta abertura frontal correspondente à porta (6) da fornalha (13) e a chaminé (5) disposta sobre a caixa de fumaça (11);
- dita carenagem (4) permitir a entrada de ar frio (18) pela parte inferior e saída de ar aquecido à temperatura desejada peia parte posterior (9);
- ser dotado de um radiador a vapor (2) posicionado sobre a caldeira (1) e ligado a ela por intermédio de tubulação de vapor (14) e placas (10) para direcionamento do fluxo do ar aquecido, onde o radiador (2) conta também com um tubo de circulação do condensado (15) para dentro da caldeira (1);
- apresentar um trocador flama tubular (3) que fica na saída do ar aquecido (9), disposto sobre a caixa de fumaça (11) e contendo uma abertura (12) de acesso ao trocador (3).
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