WO2022077130A1 - Dispositivo de intercambio de calor no presurizado que comprende: un ducto cañón, que se conecta a una caja de tubos de primera etapa de transferencia que incluye los tubos que se conectan a una caja de transferencia entre la primera y segunda etapa; proceso asociado - Google Patents

Dispositivo de intercambio de calor no presurizado que comprende: un ducto cañón, que se conecta a una caja de tubos de primera etapa de transferencia que incluye los tubos que se conectan a una caja de transferencia entre la primera y segunda etapa; proceso asociado Download PDF

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Sergio Eduardo URIBE RAMOS
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Uribe Ramos Sergio Eduardo
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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    • F28F9/22—Arrangements for directing heat-exchange media into successive compartments, e.g. arrangements of guide plates

Definitions

  • the present invention corresponds to a non-pressurized heat exchange device with a high heat transfer power with less energy consumption.
  • This exchanger is made up of a barrel duct (1) with a first inlet from the burner to the furnace, which in turn is connected to a box of first transfer stage tubes (2) that includes the tubes of the first transfer stage ( 3), which are connected in turn to a transfer case between the first and second stage of tubes (4), which is physically connected in addition and simultaneously to tubes of a second transfer stage (5), where the structure
  • the second stage tube assembly is physically connected to a transfer case that includes an outlet to the heater chimney (6).
  • the applications of the described heat exchanger are limitless, being oriented to all the areas in which water or hot air without pressure is required.
  • By means of the proposed exchanger device it is possible to heat water for domestic and/or industrial use, reaching temperatures of 30-75°C.
  • By means of the heat exchanger device it is possible to achieve temperatures of 30-210°C when it comes to air.
  • the present invention relates to heat exchangers and more particularly to a non-pressurized heat exchanger device.
  • a heat exchanger is a radiator-type device used to transfer thermal energy between two or more fluids, or between the surface of a solid and a fluid ( moving or not ) or between solid particles and a fluid .
  • Heat exchangers are generally used for the heating or cooling of a fluid, and for the evaporation and condensation of a single or multiple fluid. In other applications, they are used to recover or remove heat, sterilize, pasteurize, fractionate, distill, concentrate, crystallize, or control the temperature of a fluid that is part of a process (Aiyubbhai A. et al., 2013).
  • heat exchangers There are various types of heat exchangers, the main classification parameter being whether or not there is contact between the fluids during the transfer process:
  • Direct contact heat exchanger Heat is transferred by direct contact between both fluids, thus producing a combination or physical mixture of the fluids.
  • This type of exchanger does not include storage systems or components. Their usefulness is rather limited due to the contamination of the fluids when they are in contact, and they are generally used in cooling towers where direct physical contact between water and atmospheric air does not matter.
  • Indirect or regenerative contact exchanger There is heat exchange between fluids at different temperatures (hot and cold) but without them coming into direct contact.
  • this type of device includes components that allow the separation of fluids by a wall or physical space, and components for storage and release of thermal energy through the surface or matrix of the heat exchanger device.
  • heat is transmitted by convection and conduction through the wall that separates the fluids.
  • pressurized systems are pressurized steam-generating boilers, which circulate steam through coils to accumulator tanks. This type of structure entails the loss of energy during its operation, implying a higher cost and time of operation to obtain the desired temperatures.
  • Pressurized devices are generally bulky, expensive, and inefficient.
  • An alternative option is non-pressurized heat exchange tanks, which are cheaper, simpler, easier to install, clean and efficient in operation.
  • Document US 6557774 presents a non-pressurized space heating system and apparatus by which heated fluids can be circulated through coils that are inserted inside structures, such as houses.
  • This system includes a tank that allows liquids to be heated, which in turn contains pipes connected to the heat tank that receive the heated liquid.
  • said system includes a means for releasing the air contained within the pipe. This release of air allows the liquid to circulate continuously throughout the system, being isolated from the atmosphere by the structure to prevent the entry of air and the formation of bubbles.
  • Document CN202719778 (U) presents a non-pressure-bearing solar water heater comprising a water storage tank and a heat exchange device, in which the water storage tank and the heat exchange device they are connected to each other.
  • the heat exchange device comprises a heat exchange water tank, a heat collecting tube and a "heat exchange tube”.
  • Document CN103574946 (U) presents a non-pressurized heat exchange system for a solar water heater.
  • the complete system comprises a water tank body, as well as a heat exchange device disposed in the water tank body and a middle liner connected with the heat exchange device.
  • the apparatus also includes a visible liquid level gauge and a middle injection pipe is provided at the upper end of the middle casing. The variation condition of the amount of the heat exchange medium can be conveniently monitored by the user in the non-closed heat exchanger type split solar water tank described in CN103574946 (U).
  • Figure 1 Representative diagrams of the non-pressurized heat exchanger structure.
  • a front view of the representative diagram of the heat exchanger is presented, including in (1) transfer case first stage of tubes with second stage of tubes and in (2) transfer case second stage of tubes to the gas outlet By the chimney.
  • Figure 2. Non-pressurized heat exchanger structure technical drawing.
  • Technical drawing of the heat exchanger device components inlet to the burner home duct to the first stage tube box (1), a first stage tube box of transfer case (2), first stage transfer tubes (3), a transfer case between the first and second stage of tubes (4), second stage transfer tubes (5) and a second stage transfer case of tubes with an outlet to a heater chimney ( 6).
  • the present invention relates to a non-pressurized heat exchange device or non-pressurized heat exchanger with a high energy transfer power.
  • the non-pressurized heat exchange device comprises a series of stainless steel tubes for operation with water, and carbon steel for air.
  • the exchanger is made up of a barrel duct (1) which is the home where the burner is connected, which is connected to a first transfer case (2) for the tubes of the first stage (3), which end in a second transfer box (4) to which the pipes of the second stage (5) are connected, which end in a third box which is the one that is connected to the gas outlet chimney (6).
  • the non-pressurized heat exchange device of the present invention accesses 3 stages or transfer zone, reaching different temperatures.
  • the tubes of the first stage of transfer In the tubes of the first stage of transfer
  • the particular design proposed in the present invention is based on the relationship between the required energy consumption that will determine the diameter and length of the flame, and from this, the dimensions of the exchange areas and the number of tubes required by the flame are defined. exchanger. Particularly, it is the spatial arrangement, dimensions and proportions of the different components of the heat exchange device that allow defining a better or larger transfer area and taking advantage of the flow towards the chimney, making the heat exchange process more efficient.
  • the area of the first stage of tubes (3) must be in proportion to 3/5 of the area of the barrel duct, and the area of the second stage of tubes (5) must correspond in proportion to 2/5 of the area of the canyon duct.
  • the heat exchange device comprises a series of stainless steel tubes for operation with water, and carbon steel for air.
  • the design, type of operation (non-pressurized system) and the arrangement of each of the components of the proposed heat exchanger allows for an exchanger with better efficiency in energy transfer, in a shorter operating time and with less energy expenditure (lower fuel volume expenditure) .
  • a more efficient and less expensive heat exchanger is available in terms of its operation.
  • the applications of the described heat exchanger device are limitless, being oriented to all the areas in which water or hot air without pressure is required.
  • the proposed exchanger it is possible to heat water for domestic and/or industrial use to reach temperatures of up to 75°C in water, without the need to pressurize.
  • the exchanger can be used with water and achieve temperatures of 30 to 75°C degrees, and in air to achieve working temperatures of 30-210°C. This, working with high efficiency and with great uniformity in the handling area.
  • a heat exchanger structure is proposed whose components are physically arranged in such a way as to achieve these high working temperatures.
  • a process for exchanging heat with a fluid comprises: a) feeding a gas to the heat exchanger device according to claims 1-4, where the gas is drawn into the gas barrel duct inlet (1) to be entrained to a first transfer stage tube box (2) that includes the first transfer stage tubes (3) where the first transfer reaches a temperature of 800°C, b) the gas is dragged to a transfer case between the first and second stages of tubes (4) and to the tubes of a second transfer stage (5), where a temperature of
  • the gas continues and is drawn to a transfer case that includes an outlet to the heater chimney (6), where the outlet gas has a temperature of 150°C.
  • non-pressurized water heater comprising a water storage tank and a non-pressurized heat exchange device according to what is described in the present invention, where the water storage tank and the device heat exchangers are installed and connected in a closed circuit.
  • the water heater may be, without limitation, solar or electric.
  • the exchanger is "non-pressurized", this means that it is made up of an exchange unit that does not have pressure.
  • the non-pressurized heat exchanger has a better energy transfer efficiency, it implies that the heat transfer process is more efficient.
  • efficiency corresponds to energy efficiency and time efficiency.
  • the temperature of the flame in the center is 1,300°C and the temperature of the gases in the chimney at the outlet is 150°C. This leads to savings in consumption and energy of the device.
  • the applications of the described heat exchanger are limitless, being oriented to all the areas in which water or hot air without pressure is required.
  • By means of the proposed exchanger device it is possible to heat water for domestic and/or industrial use, reaching temperatures of 30-75°C.
  • By means of the heat exchanger device it is possible to achieve temperatures of 30-210°C when dealing with air.
  • the Energy Efficiency Ratio corresponds to the ratio between the volume of diesel (L) or gas consumed by the exchanger of the present invention and the volume of fuel consumed by the commercial accumulator, in a given time. certain.
  • the heat exchange device has improved design and operating characteristics, having greater energy transfer efficiency, shorter operating time, and consequently, lower consumption for its operation.
  • the proposed device also allows uniformity of the working temperature during its operation, due to the spatial arrangement of its parts.
  • Example 1 Non-pressurized heat exchanger and water heater comprising it
  • the present invention corresponds to a non-pressurized heat exchanger that, according to its structure and design, allows for a high energy transfer power.
  • the heat exchanger device comprises a barrel duct (1) with a first entrance to the furnace burner, which in turn is connected to a box of first transfer stage tubes (2) that includes the tubes of the first transfer stage. (3) , which in turn connect to a transfer case between the first and second stage of tubes (4), which is physically connected in addition and simultaneously to tubes of a second transfer stage (5), where the structure of tubes of the second stage is physically connected to a transfer case that includes an outlet to the heater chimney (6).
  • the tube box of the first transfer stage (2) which includes in its structure an inlet to the burner's home duct (1), is connected to the first tube structure of the first transfer stage (3), which in turn, it is connected to a transfer case that works between the first and second stage of tubes (4).
  • a second tube structure of the second transfer stage (5) is connected to the transfer case (4), which in turn physically forms part of a transfer case of the second stage of tubes that includes an outlet to the heater chimney (6) (see figures 1 and 2).
  • the area of the first stage of tubes (3) must be in proportion 3/5 of the area of the barrel duct
  • the area of the second stage of tubes (5) must correspond in proportion to 2/5 of the area of the cannon duct.
  • Example 2 Heat exchange device of the present invention for a burner of 85,000 k/cal hour
  • a heat exchange device according to the following measurements and diameters for each component of the device is for a burner of 85,000 k/cal hour:
  • first stage tubes 28 of 350mm length and 40mm diameter;
  • second transfer case width 960mm, height 401mm and depth 200mm;
  • Second stage tubes 18 of 350mm length and 40mm diameter;
  • Third transfer case width 440mm, height 401mm and depth 200mm.
  • the test consisted of determining the outlet and return temperature as measured by the operating time of the exchanger and the commercial accumulator. The samples were taken with normal operation and without stopping the equipment. Fuel consumption was determined according to the capacity of the installed nozzle, which in this case is 1.5 gallons per hour, that is, 5.68 L.
  • the operation of the exchanger proposed by the inventors was compared to a Maqpower SIOUX series equipment whose capacity is 1,000 gallons (3,784.3 liters) and which has a consumption of 3 million BTU or 879 KW. Based on the operating energy in Kcal, the Maqpower equipment uses 756,493.21 Kcal. This energy consumption value is much higher than that of the disclosed heat exchanger equipment, which for 4,500 L uses 106,063.02 Kcal in two hours. Consequently, the heat exchanger has improved characteristics in design and operation, which allow greater energy transfer efficiency and, therefore, lower consumption for its operation.

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Abstract

Dispositivo de intercambio de calor no presurizado que comprende: un ducto cañón (1) con una primera entrada del quemador al hogar, que se conecta a su vez a una caja de tubos de primera etapa de transferencia (2) que incluye los tubos de la primera etapa de transferencia (3), los que se conectan a su vez a una caja de transferencia entre la primera y segunda etapa de tubos (4), la que físicamente se conecta además y simultáneamente a tubos de una segunda etapa de transferencia (5), donde la estructura de tubos de la segunda etapa se encuentra físicamente conectada a una caja de transferencia que incluye una salida a chimenea del calentador (6). Uso y proceso para el intercambiador de calor.

Description

Memoria descriptiva.
Descripción de la invención.
La presente invención corresponde a un dispositivo de intercambio de calor no presurizado de gran poder de transferencia de calor con un menor gasto energético. Este intercambiador se compone de un ducto cañón (1) con una primera entrada del quemador al hogar, que se conecta a su vez a una caja de tubos de primera etapa de transferencia (2) que incluye los tubos de la primera etapa de transferencia (3) , los que se conectan a su vez a una caja de transferencia entre la primera y segunda etapa de tubos (4) , la que físicamente se conecta además y simultáneamente a tubos de una segunda etapa de transferencia (5) , donde la estructura de tubos de la segunda etapa se encuentra físicamente conectada a una caja de transferencia que incluye una salida a chimenea del calentador (6) .
Las aplicaciones del intercambiador de calor descrito son ilimitadas, estando orientadas a todas las áreas en las que se requiera de agua o aire caliente sin presión. Por medio del dispositivo intercambiador propuesto es posible calentar agua parauso doméstico y/o industrial alcanzando temperaturas de 30-75°C.A su vez, mediante el dispositivo intercambiador de calor es posible lograr temperaturas de 30-210°C cuando se trata de aire.
CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona con intercambiadores de calory más particularmente con un dispositivo intercambiador de calor no presurizado .
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Un intercambiador de calor es un dispositivo tipo radiador utilizado para transferir energía térmica entre dos o más fluidos, o entre la superficie de un sólido y un fluido ( en movimiento o no ) o entre partículas sólidas y un fluido .
Los intercambiadores de calor son generalmente utili zados para el calentamiento o enfriamiento de un fluido , y para la evaporación condensación de un fluido único o múltiple . En otras aplicaciones , se utili zan para recuperar o eliminar el calor, esterili zar, pasteuri zar, fraccionar, destilar, concentrar, cristali zar o controlar la temperatura de un fluido parte de un proceso (Aiyubbhai A. et al . , 2013 ) .
Tipos de intercambiadores de calor
Existen diversos tipos de intercambiadores de calor, siendo el parámetro de clasi ficación principal si durante el proceso de trans ferencia existe o no contacto entre los fluidos :
Intercambiador de calor de contacto directo : El calor se trans fiere por contacto directo entre ambos fluidos , produciéndose entonces una combinación o mezcla física de los fluidos . Este tipo de intercambiador no incluye sistemas o componentes de almacenamiento . Su utilidad es más bien limitada debido a la contaminación de los fluidos cuando están en contacto , siendo generalmente utili zados en torres de refrigeración donde no importa que exista contacto físico directo entre el agua y el aire atmos férico .
Intercambiador de contacto indirecto o regenerador : Existe intercambio de calor entre fluidos a di ferentes temperaturas ( calientes y fríos ) pero sin que estos entren en contacto directo . Para esto, este tipo de dispositivo incluye componentes que permiten la separación de los fluidos por una pared o espacio físico , y componentes de almacenamiento y liberación de la energía térmica a través de la superficie o matri z del dispositivo intercambiador de calor . En este tipo de intercambiador, el calorse transmite por convección y conducción a través de la pared que separa los fluidos . Ej emplos de sistemas presuri zados son las calderas presuri zadas generadoras de vapor, las que hacen circular el vapor por serpentines hacia estanques acumuladores . Este tipo de estructura conlleva la pérdida de energía durante su funcionamiento , implicando un mayor costo y tiempo de la operación para obtener las temperaturas deseadas .
Dispositivos no presuri zados
Los dispositivos presuri zados son en general voluminosos , caros e ineficientes . Una opción alternativa son los tanques de intercambio de calor no presuri zado , los que son más económicos , simples , fáciles de instalar, de funcionamiento limpio y eficiente .
El documento US 6557774 (Bl ) presenta un sistema y aparato de calefacción de espacio no presuri zado por el cual se puede hacer circular fluidos calentados a través de serpentines que van insertos dentro de estructuras , como por ej emplo viviendas . Este sistema incluye un tanque que permite calentar líquidos , el que asu vez contiene tuberías conectadas al tanque de calor que reciben el liquido calentado . Además , dicho sistema incluye un medio de liberación de aire contenido dentro de la tubería . Esta liberaciónde aire permite que el liquido pueda circular de forma continua por todo el sistema, quedando por estructura aislado de la atmos fera para evitar el ingreso de aire y la formación de burbuj as .
En el documento CN202719778 (U) se presenta un calentador solar de agua que no soporta presión que comprende un tanque de almacenamiento de agua y un dispositivo de intercambio de calor, en el que el tanque de almacenamiento de agua y el dispositivo de intercambio de calor están conectados entre si . El dispositivo de intercambio de calor comprende un tanque de agua de intercambio de calor, un tubo de recogida de calor y un tubo de intercambio de calor . En el documento CN103574946 (U) se presenta sistema de intercambio de calor no presurizado para un calentador solar de agua. El sistema completo comprende un cuerpo de tanque de agua, asi como un dispositivo de intercambio de calor dispuesto en el cuerpo del tanque de agua y un revestimiento medio conectado con eldispositivo de intercambio de calor. El aparato incluye también unmedidor de nivel de liquido visible y se dispone de tubería de inyección media en el extremo superior del revestimiento medio. Lacondición de variación de la cantidad del medio de intercambio de calor puede ser convenientemente monitoreada por el usuario en el tanque de agua solar dividido del tipo de intercambiador de calor no cerrado descrito en CN103574946 (U) .
El problema de los intercambiadores no presurizados existentes es que corresponden a dispositivos más pequeños y menos complejos de menor área superficial de transferencia de calor, y, por tanto, menor eficiencia en la transferencia de calor.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS DE LA INVENCIÓN.
Figura 1.- Esquemas representativos de la estructura de intercambiador de calor no presurizado. En a) se presenta una vista frontal del esquema representativo del intercambiador de calor, incluyendo en (1) caja de transferencia primera etapa de tubos con segunda etapa de tubos y en (2) caja de transferencia segunda etapa de tubos a la salida de gases por la chimenea.
En b) se presenta (1) como la conexión a la caja de transferenciadel hogar con primera etapa de tubos del intercambiador de calorno presurizado y (2) entrada al quemador del hogar, con dimensionesen una de las formas de la invención.
Figura 2.- Dibujo técnico estructura intercambiador de calor no presurizado. Dibujo técnico componentes dispositivo intercambiador de calor: entrada al ducto hogar del quemador a caja de tubos primera etapa (1) , una caja de tubos de primera etapa de transferencia (2) , tubos primera etapa transferencia (3) , una caja de transferencia entre primera y segunda etapa de tubos (4) , tubos segunda etapa transferencia (5) y una caja de transferencia segunda etapa de tubos con salida a chimenea calentador (6) .
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN.
La presente invención se refiere a un dispositivo de intercambio de calor no presurizado o intercambiador de calor no presurizado de gran poder de transferencia de energía.
El dispositivo de intercambio de calor no presurizado comprende una serie de tubos de acero inoxidable para su funcionamiento conagua, y acero al carbono cuando se trata de aire. Particularmente, el intercambiador se compone de un ducto cañón (1) que es el hogar donde se conecta el quemador, el cual está unido a una primera caja de transferencia (2) para los tubos de la primera etapa (3) , los cuales terminan en una segunda caja de transferencia (4) a lacual se conectan los tubos de la segunda etapa (5) , los cuales terminan en una tercera caja que es la que se conecta a la chimeneade salida de gases ( 6) .
Durante el arrastre de los gases en el dispositivo de intercambiode calor no presurizado de la presente invención, éste accede a 3 etapas o zona de transferencia, alcanzando dif erentestemperaturas . En los tubos de la primera etapa de transferencia
(3) se alcanza una temperatura de 800°C, en los tubos de una segunda etapa de transferencia (5) , se alcanza una temperatura de 400°C. En la salida a la chimenea del calentador (6) la temperatura de los gases es de 150°C.
El diseño particular propuesto en la presente invención se basa en la relación entre el consumo de energía requerida que determinará el diámetro y largo de la flama, y a partir de esto, se definen las dimensiones de las áreas de intercambio y la cantidad de tubosque requiera el intercambiador. Particularmente, es la disposición espacial, dimensiones y proporciones de los diferentes componentes del dispositivo de intercambio de calor que permiten definir una mejor o mayor área de transferencia y el aprovechamiento del flujo hacia la chimenea, siendo más eficiente el proceso de intercambio de calor.
Para esto, el área de la primera etapa de tubos (3) debe ser en proporción 3/5 del área del ducto cañón, y el área de la segunda etapa de tubos (5) debe corresponder en proporción a 2/5 del área del ducto cañón. Estas proporciones y la disposición física espacial de los componentes permiten las temperaturas de flujo ya definidas: en los tubos de la primera etapa de transferencia (3) se alcanza una temperatura de 800°C, en los tubos de una segunda etapa de transferencia (5) , se alcanza una temperatura de 400°C. En la salida a la chimenea del calentador (6) la temperatura de los gases es de 150°C.
El dispositivo de intercambio de calor comprende una serie de tubos de acero inoxidable para su funcionamiento con agua, y acero al carbono cuando se trata de aire.
El diseño, tipo de funcionamiento (sistema no presurizado) y la disposición de cada uno de los componentes del intercambiador de calor propuesto permite disponer de un intercambiador con una mejor eficiencia en la transferencia de energía, en un menor tiempo de funcionamiento y con un menor gasto energético (menor gasto de volumen de combustible) . Es decir, se dispone de un intercambiadorde calor más eficiente y menos costoso en cuanto a su funcionamiento.
Las aplicaciones del dispositivo intercambiador de calor descrito son ilimitadas, estando orientadas a todas las áreas en las que se requiera de agua o aire caliente sin presión. Por medio del intercambiador propuesto es posible calentar agua para uso doméstico y/o industrial para alcanzar temperaturas de hasta 75°C en agua, sin la necesidad de presurizar. En una de las formas de la invención, el intercambiador puede ser utilizado con agua y lograr temperaturas de 30 a 75°C grados, y en aire lograr temperaturas de trabajo de 30-210°C. Esto, funcionando con alta eficiencia y con gran uniformidad en el área de manejo.
Se propone una estructura de intercambiador de calor cuyos componentes se disponen físicamente de tal manera de lograr estas altas temperaturas de trabajo.
Como parte del alcance de la invención se incluye un proceso para intercambiar calor con un fluido porque el proceso comprende: a) alimentar un gas al dispositivo intercambiador de calor de acuerdo con las reivindicaciones 1-4, donde el gas es arrastrado al ducto cañón de entrada (1) para ser arrastrado a una caja de tubos de primera etapa de transferencia (2) que incluye los tubos de la primera etapa de transferencia (3) donde la primera transferencia alcanza una temperatura de 800°C, b) el gas es arrastrado a una caja de transferencia entre la primera y segunda etapa de tubos (4) y a los tubos de una segunda etapa de transferencia (5) , donde se alcanza una temperatura de
400°C. c) el gas continúa y es arrastrado a una caja de transferencia que incluye una salida a chimenea del calentador (6) , donde el gas de salida tiene una temperatura de 150°C.
Es parte del alcance de la invención un calentador de agua no presurizado que comprende un tanque de almacenamiento de agua y un dispositivo de intercambio de calor no presurizado de acuerdo con lo descrito en la presente invención, donde el tanque de almacenamiento de agua y el dispositivo de intercambio de calor se instalan y conectan en un circuito cerrado. Donde, el calentador de agua puede ser, sin limitarse, solar o eléctrico. Cuando en la presente invención se indica que el intercambiador es "no presurizado" esto significa que se compone de una unidad de intercambio que no tiene presión.
Cuando se señala que el intercambiador de calor no presurizado tiene una mejor eficiencia de transferencia de energía, implica que el proceso de transferencia de calor es más eficiente. Donde, la eficiencia corresponde a eficiencia en energía y eficiencia en tiempo. La temperatura de la llama en el centro es de 1.300°C y la temperatura de los gases en la chimenea en la salida es de 150°C. Esto conlleva un ahorro en el consumo y energía del dispositivo.
Las aplicaciones del intercambiador de calor descrito son ilimitadas, estando orientadas a todas las áreas en las que se requiera de agua o aire caliente sin presión. Por medio del dispositivo intercambiador propuesto es posible calentar agua para uso doméstico y/o industrial alcanzando temperaturas de 30-75°C.A su vez, mediante el dispositivo intercambiador de calor es posible lograr temperaturas de 30-210°C cuando se trata de aire.
Cuando se presenta la Relación Eficiencia Energia (intercambiador/ acumulador comercial) , ésta corresponde a la razón entre el volumende diésel (L) o gas consumido por el intercambiador de la presente invención y el volumen de combustible consumido por el acumulador comercial, en un tiempo determinado.
Cuando se hace referencia a la Relación Eficiencia Tiempo ( intercambiador/acumulador comercial) , ésta corresponde a la razón entre el tiempo en que el intercambiador de la presente invención alcanza 40°C y tiempo que le tomó al acumulador comercial lograr esta misma condición.
De acuerdo con los resultados observados en el ensayo comparativo entre el funcionamiento del dispositivo de intercambio de calor parte de la presente invención y un acumulador comercial, al calentar 1.000 L de agua a 40°C, el tiempo necesario de funcionamiento es 3, 68 veces menos con el dispositivo intercambiador de calor que el acumulador comercial.
En otra comparación teórica, se comparó el funcionamiento del intercambiador propuesto por con un equipo Maqpower serie SIOUX con una capacidad de 1.000 galones (3.784,3 litros) y que presentaun consumo de 3 millones BTU o 879 KW (756.493,21 Kcal) . Este valorde consumo energético es mucho mayor que el del equipo intercambiador de calor divulgado, el que para 4.500 L utiliza endos horas, 106.063,02 Kcal.
El dispositivo de intercambio de calor presenta características mejoradas en diseño y funcionamiento, teniendo una mayor eficiencia de transferencia energética, menor tiempo de funcionamiento, y por consiguiente, un menor consumo para su funcionamiento. El dispositivo propuesto permite además uniformidad de la temperatura de trabajo durante sufuncionamiento, esto debido a la disposición espacial de sus partes.
Los ejemplos de aplicación presentados a continuación permiten demostrar el funcionamiento del intercambiador de calor no presurizado, sin limitar su alcance.
EJEMPLOS DE APLICACIÓN.
Ejemplo 1: Intercambiador de calor no presurizado y calentador de agua que lo comprende
La presente invención corresponde a un intercambiador de calor no presurizado que de acuerdo con su estructura y diseño permite que exista un alto poder de transferencia de energía.
El dispositivo intercambiador de calor comprende un ducto cañón (1) con una primera entrada al quemador del hogar, que se conecta a su vez a una caja de tubos de primera etapa de transferencia (2) que incluye los tubos de la primera etapa de transferencia (3) , los que se conectan a su vez a una caja de transferencia entre la primera y segunda etapa de tubos (4) , la que físicamente se conecta además y simultáneamente a tubos de una segunda etapa de transferencia (5) , donde la estructura de tubos de la segunda etapa se encuentra físicamente conectada a una caja de transferencia que incluye una salida a chimenea del calentador (6) .
Espacialmente, la caja de tubos de primera etapa de transferencia (2) que incluye en su estructura una entrada al ducto hogar del quemador (1) se encuentra conectada a la primera estructura de tubos de la primera etapa de transferencia (3) , la que a su vez se encuentra conectada a una caja de transferencia que funciona entre la primera y segunda etapa de tubos (4) . De forma simultánea, a la caja de transferencia (4) se conecta una segunda estructura de tubos de la segunda etapa de transferencia (5) , la que a su vez forma físicamente parte de una caja de transferencia de la segunda etapa de tubos que incluye una salida a la chimenea del calentador (6) (ver figuras 1 y 2) .
Según las necesidades de energía, es posible fabricar dispositivos de intercambio de diferentes dimensiones. De acuerdo con el dispositivo de intercambio de calor, para definir las dimensiones de tubos se deben considerar las siguientes proporcionalidades entre sus componentes:
- El área de la primera etapa de tubos (3) debe ser en proporción 3/5 del área del ducto cañón,
- El área de la segunda etapa de tubos (5) debe corresponder en proporción a 2/5 del área del ducto cañón.
Estas proporciones y la disposición física espacial de los componentes permiten que en los tubos de la primera etapa de transferencia (3) se alcance una temperatura de 800°C, en los tubos de una segunda etapa de transferencia (5) se alcance unatemperatura de 400°C, y en la salida a la chimenea del calentador
(6) la temperatura de los gases sea de 150°C. Ejemplo 2: Dispositivo de intercambio de calor de la presente invención para un quemador de 85.000 k/cal hora
En una de las modalidades de la invención, es posible fabricar un dispositivo de intercambio de calor de acuerdo con las siguientes medidas y diámetros para cada componente del dispositivo es para un quemador de 85.000 k/cal hora:
1) cañón: diámetro 300mm, longitud 550mm, espesor 3mm;
2) primera caja de transferencia: alto 901mm, ancho 520mm y profundidad 200mm;
3) tubos de primera etapa: son 28 de 350mm de longitud y diámetro 40mm;
4) segunda caja de transferencia: ancho 960mm, alto 401mm y profundidad 200mm;
5) tubos de segunda etapa: son 18 de 350mm de longitud y diámetro de 40mm;
6) tercera caja de transferencia: ancho 440mm, alto 401mm y profundidad 200mm.
Ejemplo 3: Comparación eficiencia intercambiador de calor con equipo intercambiador comercial
En este ejemplo de aplicación se presenta la comparación experimental entre el funcionamiento del intercambiador de calor divulgado por los inventores y un con equipo intercambiador comercial correspondiente a un termo o acumulador Trotter industrial Modelo Jumbo 1.000 con una potencia de 112 KW.
El ensayo consistió en determinar la temperatura de salida y retorno en medida del tiempo de funcionamiento del intercambiadory del acumulador comercial. Las muestras fueron tomadas con funcionamiento normal y sin detener el equipo. El consumo de combustible se determinó de acuerdo con la capacidad de la boquilla instalada, la cual en este caso es de 1,5 galones hora, es decir, 5, 68 L.
A partir de la medición se calculó la energía generada por el dispositivo, el tiempo de funcionamiento y parámetros de consumo energético de ambos equipos (tabla 1) .
Tabla 1 Parámetros comparación eficiencia intercambiador de calor con equipo intercambiador comercial
Figure imgf000015_0002
Figure imgf000015_0001
A partir de la información del ensayo comparativo entre el funcionamiento del intercambiador de calor descrito por los inventores y el acumulador comercial de características ya presentadas, se calculó la relación de eficiencia de energía y eficiencia en tiempo entre ambos equipos:
Relación Eficiencia Energia Relación Eficiencia Tiempo (in ter cambiador/ acumulador (intercambiador/ acumulador comercial) comercial)
1, 10/1 3, 68/1
Estos valores implican que para poder calentar 1.000 L de agua se necesita menos energía en el intercambiador divulgado. Respecto del tiempo, para calentar 1.000 L de agua a 40°C, el tiempo necesario de funcionamiento es 3, 68 veces menos en el intercambiador de calor que el acumulador comercial.
En otra comparación teórica, se comparó el funcionamiento del intercambiador propuesto por los inventores respecto de un equipo Maqpower serie SIOUX cuya capacidad de 1.000 galones (3.784,3 litros) y que presenta un consumo de 3 millones BTU o 879 KW. En función de la energía de funcionamiento en Kcal, el equipo Maqpower utiliza 756.493,21 Kcal. Este valor de consumo energético es mucho mayor que el del equipo intercambiador de calor divulgado, el que para 4.500 L utiliza en dos horas, 106.063,02 Kcal. En consecuencia, el intercambiador de calor presenta características mejoradas en diseño y funcionamiento, que permiten tener una mayor eficiencia de transferencia energética, y, por tanto, un menor consumo para su funcionamiento .

Claims

Reivindicaciones
1.- Dispositivo de intercambio de calor no presurizado CARACTERIZADO porque comprende: un ducto cañón (1) con una primera entrada del quemador al hogar, que se conecta a su vez a una caja de tubos de primera etapa de transferencia (2) que incluye los tubos de la primera etapa de transferencia (3) , los que se conectan a su vez a una caja de transferencia entre la primera y segunda etapa de tubos (4) , la que físicamente se conecta además y simultáneamente a tubos de una segunda etapa de transferencia (5) , donde la estructura de tubos de la segunda etapa se encuentra físicamente conectada a una caja de transferencia que incluye una salida a chimenea del calentador (6) .
2.- Dispositivo de intercambio de calor no presurizado de acuerdo con la reivindicación 1 CARACTERIZADO porque el área de la primera etapa de tubos (3) debe ser en proporción 3/5 del área del ducto cañón, y el área de la segunda etapa de tubos (5) de corresponder en proporción a 2/5 del área del cañón.
3.- Dispositivo de intercambio de calor no presurizado de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 2 CARACTERIZADO porque en los tubos de la primera etapa de transferencia (3) se alcanza una temperatura de 800°C.
4.- Dispositivo de intercambio de calor no presurizado de acuerdo con las reivindicaciones 1-3 CARACTERIZADO porque en los tubos de la segunda etapa de transferencia (5) , se alcanza una temperatura de 400°C.
5.- Dispositivo de intercambio de calor no presurizado de acuerdo con las reivindicaciones 1-4 CARACTERIZADO porque en la salida a la chimenea del calentador (6) la temperatura es de 150°C.
6.- Uso de intercambiador de calor no presurizado de acuerdo con las reivindicaciones 1-5 CARACTERIZADO por servir para obtener temperaturas de trabajo de 30-75°C en agua, funcionando con alta eficiencia y uniformidad.
7.- Uso de intercambiador de calor no presurizado de acuerdo con de acuerdo con las reivindicaciones 1-5 CARACTERIZADO por servir para obtener temperaturas de trabajo de 30-210°C en aire, funcionando con alta eficiencia y uniformidad.
8. Un proceso para intercambiar calor con un fluido CARACTERIZADO porque el proceso comprende: a) alimentar un gas al dispositivo intercambiador de calor de acuerdo con las reivindicaciones 1-5, donde el gas es arrastrado al ducto cañón de entrada (1) para ser arrastrado a una caja de tubos de primera etapa de transferencia (2) que incluye los tubos de la primera etapa de transferencia (3) donde la primera transferencia alcanza una temperatura de 800°C, b) el gas es arrastrado a una caja de transferencia entre la primera y segunda etapa de tubos (4) y a los tubos de una segunda etapa de transferencia (5) , donde se alcanza una temperatura de 400°C. c) el gas continúa y es arrastrado a una caja de transferencia que incluye una salida a chimenea del calentador (6) , donde el gas de salida tiene una temperatura de 150°C.
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