ES2228813T3 - Horno de calentamiento por tubos. - Google Patents
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Abstract
Sistema de calefacción, en especial instalación (1) para procesos térmicos, con una disposición (2) de pared, que limita al menos parcialmente una cámara (3) interior, que puede ser calentada, con tubos (4) calentadores para la conducción de uno o de varios fluidos, que deban ser calentados, dispuestos en la cámara (3) esencialmente paralelos entre sí, con quemadores (6), que, para el calentamiento de la cámara (3) interior, se disponen transversales con relación a los tubos (4) calentadores y orientados con su chorro de aire y combustible contra una parte (21) opuesta de la disposición (2) de pared, al mismo tiempo, que los tubos (4) están dispuestos en una fila (10), que posee al menos dos tramos (11, 12) de filas de tubos, que no están orientados paralelamente entre sí y que forman entre sí un ángulo, que se abre alejándose de los quemadores (6).
Description
Horno de calentamiento por tubos.
El invento se refiere a un sistema de
calefacción, en especial una instalación para procesos térmicos en
la que una corriente de producto es calentada indirectamente en
tubos.
En las instalaciones para procesos térmicos se
calientan indirectamente fluidos, con frecuencia sometidos a
presión, al mismo tiempo, que la energía térmica es aprovechada
para un calentamiento, una transformación de fases, como calor de
reacción (reacción endotérmica) o para varios de estos efectos. Los
fluidos se conducen en tubos calentadores, que se cargan en la
mayoría de los casos hasta su límite térmico. En este procedimiento
no se deben producir sobrecalentamientos locales.
A través del documento
EP-A-0 079 980 se conoce una caldera
para agua caliente, agua recalentada o vapor con hogar de gas o de
gasóleo. La caldera está formada por una cámara de combustión
construida con forma de tronco de cono. En su extremo más pequeño
está dispuesto un quemador, que hace penetrar una llama axialmente
en la cámara de combustión. La llama es rodeada por tubos dispuestos
como anillos concéntricos con relación al eje central del quemador.
Otro grupo de tubos anulares con un diámetro mayor está dispuesto
concéntricamente con relación al primer grupo de tubos anulares, de
manera, que visto en sección longitudinal se forma una disposición
en zig-zag. Sin embargo, esta está orientada
paralelamente al eje longitudinal del quemador.
En las figuras 7 y 8 se representan instalaciones
1 para procesos térmicos conocidas en la práctica. Las instalaciones
1 para procesos térmicos poseen siempre una cámara interior rodeada
por ejemplo por una pared 2 de mampostería del horno en la que están
dispuestos los tubos 4 calentadores. Para el calentamiento de estos
se disponen quemadores 6 en orificios de la pared 2 del horno. Los
tubos calentadores 4 están dispuestos en la forma de ejecución según
la figura 7 en sentido vertical y uno junto al otro en filas, de
manera, que entre las filas 7 de tubos se forman por pares un
pasadizo 8. Los quemadores 6 imprimen al combustible y al aire un
impulso se salida axial, que se propagan al pasadizo 8, al mismo
tiempo, que el calor es transmitido a los tubos 4 calentadores,
sobre todo, por la radiación de las llamas y del gas. La radiación
procedente de la pared 2 del horno incide de manera irregular en los
tubos 4 calentadores.
Se obtiene una transmisión de calor relativamente
pequeña. Además, esta disposición no está preparada para la
utilización de quemadores con oxidación sin llama, que generan zonas
relativamente grandes de atmósfera reductora perjudicial para los
tubos 4 calentadores.
En la instalación 1 para procesos térmicos de la
figura 8 se disponen los tubos 4 calentadores en una fila
aproximadamente en el centro de la cámara 3 interior. En orificios
de la pared 2 del horno se prevén quemadores 6' rotativos, que
imprimen al combustibles y al aire de combustión aportado un
impulso de salida esencialmente radial. La llama y las zonas
calientes de la pared 2 del horno generan una zona caliente, que
transmite la mayor parte de la energía de la llama por radiación a
los tubos 4 calentadores. Las zonas con una intensidad grande de
radiación son pequeñas, por lo que es preciso instalar una cantidad
grande de quemadores 6' giratorios.
Partiendo de aquí, el objetivo del invento es
crear una disposición, que haga posible un calentamiento uniforme de
los tubos evitando sobrecalentamientos de los tubos. Al mismo
tiempo, se debe obtener una disposición lo más compacta posible.
Los quemadores generan en la pared opuesta, con
la disposición según el invento de los quemadores y de los tubos
calentadores, una zona grande de alta temperatura, que se halla en
intercambio de radiación sin la formación de sombras con los tubos
calentadores. La energía es transmitida de manera uniforme por
radiación de cuerpos sólidos (pared - tubo), por radiación de gas
(zona de reacción - tubo) y por convección (productos de combustión
que han reaccionado totalmente - tubos).
Los quemadores imprimen al chorro de combustible
y aire saliente con preferencia un impulso axial de salida grande.
Este es con preferencia tan grande, que el chorro alcanza la pared
opuesta y genera en ella una mancha/zona caliente. Los quemadores
pueden poseer orificios de salida para la mezcla de combustible y
aire u orificios de salida separados para combustible y aire. Este
cede la radiación de calor a los tubos calentadores.
Si se utilizan quemadores, que trabajen según el
principio de la oxidación sin llama, no se forman puntas de
temperatura en la proximidad de los quemadores, de manera, que los
tramos de filas de tubos dispuestos formando un ángulo se pueden
disponer relativamente próximos delante del quemador. La
recirculación en un espacio grande de los gases de combustión hace
posible, en especial en el caso de la oxidación sin llama, una
reducción óptima de la emisión de NO_{x}, incluso con un
precalentamiento máximo del aire. Las zonas reductoras relativamente
grandes, que se forman, no entran en contacto, debido a la
disposición de los tubos, con los tubos calentadores. La disposición
de los tubos hace, además, posibles una construcción compacta de la
instalación y una transmisión grande de calor sin puntas de
temperatura en los tubos calentadores.
Además, los quemadores apropiados para la
oxidación sin llama hacen también posible la utilización de
combustibles problemáticos o de combustibles con una composición
variante, que generalmente crearían problemas de estabilidad en la
formación de una llama.
Otros detalles de formas de ejecución ventajosas
son objeto del dibujo, de la descripción o de las reivindicaciones
subordinadas.
En el dibujo se representan ejemplos de ejecución
del invento. En él muestran:
La figura 1, en una representación esquemática en
sección horizontal, una instalación para procesos térmicos con la
disposición según el invento de los quemadores y de los tubos
calentadores.
La figura 2, en una representación en sección
horizontal, una forma de ejecución modificada de la instalación para
procesos térmicos.
La figura 3, en una vista esquemática en
perspectiva, la instalación para procesos térmicos según la figura 1
o la figura 2.
La figura 4, una forma de ejecución modificada de
la instalación para procesos térmicos.
La figura 5, otra forma de ejecución modificada
de la instalación para procesos térmicos.
La figura 6, en un representación esquemática en
sección y de principio, un quemador de la instalación para procesos
térmicos.
Las figuras 7 y 8 representan, además,
instalaciones para procesos térmicos según el estado de la
técnica.
En la figura 1 se representa una instalación 1
para procesos térmicos con una pared 2 (2a, 2b) de horno de
mampostería, que limita una cámara 3 de horno y forma una
disposición de pared. En la cámara 3 del horno están dispuestos
tubos 4 calentadores en los que circula un fluido, que debe ser
calentado o mantenido a una temperatura alta. El fluido puede estar
expuesto a transformaciones químicas en su camino a través de los
tubos 4 calentadores.
Los tubos 4 calentadores están dispuestos, como
muestra la figura 1, con sus ejes paralelos y distanciados entre sí
en una fila 10 con forma de zig-zag. Los grupos 11 y
12 de tubos 4 calentadores forman siempre un tramo de fila de tubos,
que no están alineados paralelos entre sí y que forman entre sí un
ángulo distinto de cero, con preferencia agudo (por ejemplo
30º...80º). Los ángulos formados por los tramos 11, 12 de tubos se
abren alternativamente hacia una o la otra pared 2a, 2b del horno
mutuamente enfrentadas. En el ejemplo de ejecución según la figura
1, los tramos de fila formados por los grupos 11, 12 son en sí
rectos, al mismo tiempo, que los tramos del grupo 11 son paralelos
entre sí. También los tramos de fila del grupo 12 son rectos y
paralelos entre sí en este ejemplo. Sin embargo, también es posible
disponer los tubos 4 calentadores de tal modo, que los tramos de
fila de los grupos 11 y 12 estén curvados u ondulados.
Para el calentamiento de los tubos 4 calentadores
se prevén quemadores 6a, 6b situados en orificios correspondientes
de la pared 2a., respectivamente 2b del horno. En la forma de
ejecución según la figura 1, los quemadores 6a, 6b son quemadores
preparados para la oxidación sin llama. Generan un chorro de
combustible y aire, es decir un chorro 14a, 14b cuantitativo con
impulso de salida axial orientado contra la pared 2a, 2b del horno
opuesta en cada caso. En la salida de los quemadores se evita, por
medio de una configuración correspondiente desde el punto de vista
de la circulación, la estabilización de una llama.
El chorro 14a, 14b cuantitativo procedente del
quemador 6a, 6b se halla siempre entre dos tubos 4 calentadores
adyacentes, de los que uno pertenece al grupo 11 y el otro al grupo
12. Entonces se forma una corriente de recirculación en un espacio
grande representada en la figura 1 con flechas 15, al mismo tiempo,
que entre los tramos de filas de los grupos 11, 12 se forma una zona
16 de reacción grande.
Los quemadores 6a, 6b se construyen como
quemadores recuperadores o quemadores regeneradores, que permiten un
precalentamiento grande del aire. A título de ejemplo se representa
en la figura 6 un esquema de principio de un quemador 6 recuperador.
Este posee una tubería 17 central de entrada de combustible, que
deja salir el combustible con un impulso de salida axial. Además, el
quemador 6 posee una entrada 18 de aire, que confiere igualmente al
aire de combustión saliente un impulso de salida axial. La entrada
18 de aire se halla a través de un tubo 19 recuperador en
intercambio de calor con un chorro de gas de escape, que se extrae
de la cámara del horno en contracorriente por medio de una tubería
20 de gas de escape. El tubo 19 recuperador es un intercambiador de
calor. Con la evacuación de los gases de escape por medio de los
quemadores 6 se consigue, que las zonas de regulación de la
temperatura se influyan poco mutuamente.
Como muestra la figura 3, se pueden disponer en
cada pared 2a, 2b del horno una fila con varios quemadores 6, al
mismo tiempo, que los quemadores 6 (6a, 6b) generan siempre un
impulso de salida orientado transversalmente con relación a los
tubos 4 calentadores y están dispuestos por grupos en filas
orientadas paralelas a los tubos 4 calentadores. Los quemadores 6 se
pueden disponer con separaciones iguales o con separaciones
desiguales. Así por ejemplo, en el caso de un chorro de fluido
dirigido hacia abajo se puede prever en una primera zona una
cantidad de quemadores mayor (densidad de quemadores) para calentar
en primer lugar de manera rápida el chorro de fluido entrante,
mientras que en las zonas 2, 3 situadas debajo son suficientes menos
quemadores 6 para mantener la temperatura alcanzada.
Adicionalmente se pueden prever quemadores 6''
orientados paralelamente a los tubos 4 quemadores y que poseen con
ello un impulso de salida paralelo a estos tubos 4 calentadores.
Estos calentadores se disponen con preferencia en
zig-zag por encima, respectivamente por debajo de
las zonas 16, limitadas aproximadamente con forma de triángulo por
los grupos 11, 12 (figura 1) de la cámara 3 del horno. Pueden servir
para el arranque de la instalación, es decir para un primer
calentamiento, por el hecho de que calientan en sentido paralelo a
los tubos 4 calentadores y después se desconectan, se conmutan a
oxidación sin llama o se mantienen en funcionamiento. En una forma
de ejecución preferida los quemadores 6'' son quemadores equipados
con mantenedores de llama, que producen una llama, mientras que los
quemadores 6a, 6b son quemadores sin mantenedores de la llama
preparados para la oxidación sin llama, que sólo se conectan en
estado caliente. Sin embargo, en caso necesario se pueden prever
como quemadores 6a, 6b quemadores conmutables, que primeramente
trabajan con llama para el encendido y que, una vez alcanzada la
temperatura necesaria, pasan a funcionamiento sin llama.
La instalación 1 para procesos térmicos descrita
hasta aquí funciona como sigue:
Los quemadores 6a, 6b generan durante el
funcionamiento un chorro de combustible y aire transversal a los
tubos 4 calentadores aproximadamente perpendicular a la pared 6a, 6b
del horno y dirigido hacia la pared 2a, 2b opuesta del horno. El
chorro pasa a través de tubos 4 calentadores adyacentes y alcanza la
zona 16 de oxidación en la que tiene lugar la oxidación sin llama.
El calor liberado aquí llega con el chorro de gas a la pared 2b, 2a
del horno en la que se forma una zona 21 correspondiente muy
caliente. La radiación de calor procedente de esta zona 21 incide,
igual que la radiación de calor procedente de la zona 16 de
oxidación, en los tubos 4 calentadores sin apantallamientos. La
distribución del calor es relativamente uniforme, es decir, que
todos los tubos 4 calentadores reciben aproximadamente la misma
cantidad de calor.
Debido al impulso, dirigido alternativamente en
sentidos opuestos, de los quemadores 6a, 6b tiene lugar una
circulación en un espacio grande, como se indica con las flechas 15.
La recirculación en un espacio grande abarca siempre los tubos 4
calentadores de cada grupo 11, 12, con lo que se obtiene una
transmisión de calor por convección uniforme. Los tubos 4
calentadores se hallan fuera de la zona 16 de oxidación, en la que
reina una atmósfera reductora, lo que evita el correspondiente
desgaste de los tubos.
Los tubos 4 calentadores están dispuestos en el
ejemplo de ejecución representado en la figura 1 con separaciones
mutuas iguales en general. Por medio de la cantidad de tubos
calentadores, sus separaciones y el ángulo que forman entre sí los
tramos de los grupos 11, 12 se puede influir de manera definida en
la distribución del calor entre los tubos 4 calentadores. Por medio
del ángulo, de la cantidad y se la separación de los tubos
calentadores se puede determinar la relación entre la superficie de
la pared 2 del horno y la superficie de los tubos, intentando con
preferencia alcanzar aproximadamente la igualdad entre la superficie
de los tubos y la superficie de la pared del horno.
Los quemadores 6 pueden ser regulados con
preferencia así como conectados y desconectados individualmente. De
esta manera se puede influir adicionalmente de modo definido en la
distribución del calor en la cámara 3 del horno.
En la figura 2 se representa una forma de
ejecución modificada de las instalación 1 para procesos térmicos
según el invento. En lugar de los quemadores previstos para la
oxidación sin llama se prevén aquí quemadores 6, que lanzan una
llama contra la correspondiente pared 2a, 2b opuesta del horno. La
disposición en zig-zag de los tubos 4 calentadores y
las condiciones de circulación en un espacio grande son, sin
embargo, análogas a las de la forma de ejecución según la figura 1.
Igualmente se pueden prever quemadores 6'' adicionales, como se
desprende de la figura 3.
Como muestra la figura 4, es también posible
disponer los tubos 4 calentadores, tanto con quemadores con llama,
como también con quemadores sin llama, en una fila ondulada.
También esta fila posee nuevamente tramos formados por grupos 11, 12
de tubos 4 calentadores no alineados paralelamente entre sí. Sin
embargo, en concordancia con la forma de ejecución según las
figuras 1 y 2, los grupos 11 y 12 poseen con preferencia la misma
cantidad de tubos 4 calentadores, al mismo tiempo, que las
separaciones entre los tubos 4 calentadores del grupo 11 y los tubos
4 calentadores del grupo 12 aumenta desde el quemador 6
correspondiente hasta la pared opuesta del horno. No es necesario,
que el aumento de la separación sea lineal. Igualmente, tampoco es
necesario, que las separaciones entre los tubos 4 calentadores sean
equidistantes.
Como muestra la figura 5, se pueden prever en
caso necesario tubos 4' calentadores adicionales, que sirven por
ejemplo como tubos de sobrecalentamiento, que se asignan a otra fase
del proceso o que fundamentalmente deben cumplir condiciones
distintas de las de los tubos 4 calentadores. Sin embargo, se
intentará disponer los tubos 4' adicionales de tal modo, que no
influyan esencialmente en el funcionamiento descrito de la
instalación 1 para procesos térmicos.
Una instalación 1 para procesos térmicos posee
tubos 4 calentadores dispuesto en una fila ondulada en una cámara de
horno. Tanto en las "crestas", como en los "valles" de la
ondulación se prevén quemadores, que generan un chorro de gas
dirigido contra la pared opuesta del horno. El calor de radiación de
la pared del horno y de la zona de reacción (calor de combustión)
calienta los tubos calentadores.
Claims (8)
1. Sistema de calefacción, en especial
instalación (1) para procesos térmicos, con una disposición (2) de
pared, que limita al menos parcialmente una cámara (3) interior, que
puede ser calentada, con tubos (4) calentadores para la conducción
de uno o de varios fluidos, que deban ser calentados, dispuestos en
la cámara (3) esencialmente paralelos entre sí, con quemadores (6),
que, para el calentamiento de la cámara (3) interior, se disponen
transversales con relación a los tubos (4) calentadores y orientados
con su chorro de aire y combustible contra una parte (21) opuesta
de la disposición (2) de pared, al mismo tiempo, que los tubos (4)
están dispuestos en una fila (10), que posee al menos dos tramos
(11, 12) de filas de tubos, que no están orientados paralelamente
entre sí y que forman entre sí un ángulo, que se abre alejándose de
los quemadores (6).
2. Sistema de calefacción según la reivindicación
1, caracterizado porque los tubos están dispuestos
distanciados entre sí en una fila (10) con forma de
zig-zag, ondulada o con forma de meandro, que se
extiende entre dos paredes (2a, 2b) paralelas entre sí de la
disposición (2) de pared.
3. Sistema de calefacción según la reivindicación
1, caracterizado porque los quemadores están alineados de tal
modo, que el chorro de gas procedente del correspondiente quemador
(6) está orientado entre dos tubos (4) calentadores mutuamente
adyacentes hacia una zona esencialmente libre de la cámara
interior.
4. Sistema de calefacción según la reivindicación
1, caracterizado porque varios de los quemadores (6) están
dispuestos en un grupo (6a), en el que están dispuestos en una fila
y están alineados paralelos entre sí.
5. Sistema de calefacción según la reivindicación
1, caracterizado porque los quemadores (6'') adicionales
están orientados esencialmente paralelos a los tubos (4)
calentadores.
6. Sistema de calefacción según la reivindicación
1, caracterizado porque los quemadores (6) están provistos de
un dispositivo para el precalentamiento del aire.
7. Sistema de calefacción según la reivindicación
1, caracterizado porque los quemadores (6) están preparados
para la creación de las condiciones en las que se produce la
oxidación sin llamas del combustible inyectado en la cámara (3)
interior.
8. Sistema de calefacción según la reivindicación
1, caracterizado porque los quemadores imprimen al
combustible y al aire de combustión introducidos en la cámara (3)
interior un impulso de salida predominantemente axial con una
rotación pequeña o nula.
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