ES2660907B2

ES2660907B2 - Combustion furnace for heating fluid in a high temperature range

Info

Publication number: ES2660907B2
Application number: ES201800004A
Authority: ES
Inventors: Francesc Martínez-Val Piera
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-01-09
Filing date: 2018-01-09
Publication date: 2018-10-04
Anticipated expiration: 2038-01-09
Also published as: ES2660907A1

Abstract

Horno de combustión para calentamiento de fluido en un rango alto de temperaturas, conformado por dos circuitos fluidos no miscibles entre sí, con una frontera común de separación, que es la superficie de transferencia térmica, por la cual fluye el calor desde el circuito de humos al circuito del fluido portador de calor, que es el objeto a calentar, en un rango alto de temperaturas. Para mantener ese rango tan alto, se recirculan los humos en una determinada fracción, dentro de la cámara de combustión, y la fracción de humos que escapa a la atmósfera cede su calor al aire limpio entrante. Para hacer viable la recirculación, se emplean bombas de chorro de aire.Combustion furnace for heating fluid in a high temperature range, consisting of two fluid circuits not miscible with each other, with a common separation boundary, which is the thermal transfer surface, through which heat flows from the smoke circuit to the heat carrier fluid circuit, which is the object to be heated, in a high temperature range. To keep that range so high, the fumes are recirculated in a certain fraction, within the combustion chamber, and the fraction of fumes that escapes into the atmosphere gives heat to the incoming clean air. To make recirculation viable, air jet pumps are used.

Description

HORNO DE COMBUSTIÓN PARA CALENTAMIENTO DE FLUIDO EN COMBUSTION OVEN FOR FLUID HEATING IN

UN RANGO ALTO DE TEMPERATURAS A HIGH RANGE OF TEMPERATURES

SECTOR DE LA TÉCNICA SECTOR OF THE TECHNIQUE

La invención pertenece al campo de la ingeniería térmica, particularmente en aplicaciones de alta temperatura, como son las fases de calentamiento de fluidos previas a la expansión de éstos en turbinas. The invention belongs to the field of thermal engineering, particularly in high temperature applications, such as the heating phases of fluids prior to their expansion in turbines.

PROBLEMA TÉCNICO A RESOLVER Y ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN TECHNICAL PROBLEM TO BE RESOLVED AND BACKGROUND OF THE INVENTION

El problema consiste en calentar, aun más, un fluido que venga caliente de un proceso anterior. Por ejemplo, un fluido portador de The problem is to heat, even more, a fluid that comes hot from a previous process. For example, a carrier fluid of

calor se ha podido calentar hasta una temperatura dada en un campo de heliostatos de concentración de la radiación solar, y con objeto de alcanzar mayor rendimiento en el ciclo termodinámico en el que se va a aprovechar el calor captado, se eleva la temperatura del fluido con cierto calor adicional, proveniente de la combustión de un combustible químico, como el metano. Esto suele denominarse hibridación con heat has been able to be heated to a given temperature in a field of heliostats of concentration of solar radiation, and in order to achieve greater performance in the thermodynamic cycle in which the captured heat is to be used, the temperature of the fluid is raised with certain additional heat, coming from the combustion of a chemical fuel, such as methane. This is usually called hybridization with

metano de una planta termosolar. methane from a solar thermal plant.

Para producir ese calentamiento del fiuido portador, éste va conducido por dentro de unos tubos o conductos, que son calentados por los humos resultantes de la combustión, así como por la radiación de las paredes, reflejando y reemitiendo parte de la radiación emitida por las llamas V objetos ultra calientes. To produce this heating of the carrier fiuido, it is conducted inside pipes or ducts, which are heated by the fumes resulting from combustion, as well as by the radiation from the walls, reflecting and re-emitting part of the radiation emitted by the flames V ultra hot objects.

El problema consiste en efectuar ese calentamiento de manera eficaz y eficiente, logrando que una alta fracción de la entalpía liberada en la combustión, se gaste precisamente en calentar el fluido portador; teniendo en cuenta que dicho fluido ya llega con una temperatura elevada, por lo que solo servirá, para ese calentamiento, el humo que esté a temperatura superior a la temperatura a la que llega el fluido portador. The problem consists in effecting that heating in an effective and efficient manner, achieving that a high fraction of the enthalpy released in combustion is spent precisely in heating the carrier fluid; taking into account that said fluid already arrives at an elevated temperature, so that only the smoke that is at a temperature higher than the temperature at which the carrier fluid arrives will serve for that heating.

Ejemplos de hornos para calentar diversos tipos de materiales hay gran número de ellos, pues los hornos son pOSiblemente el Examples of furnaces for heating various types of materials are large numbers of them, because the furnaces are possibly the

dispositivo técnico más antiguo ideado por la Humanidad, acompañado por lo común por el mito del fuego, y en definitiva, la combustión. oldest technical device devised by Humanity, usually accompanied by the myth of fire, and ultimately, combustion.

A pesar de esa realidad de precedentes incluso prehistóricos, para la resolución de la problemática señalada hay una bibliografía limitada, y precedentes directos de la invención que aquí se propone, no parecen existir, o al menos no son fácilmente identificables. Despite this reality of prehistoric precedents, there is a limited bibliography for solving the problem indicated, and direct precedents of the invention proposed here do not seem to exist, or at least are not easily identifiable.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN EXPLANATION OF THE INVENTION

La invención se compone de dos circuitos separados que comparten una frontera común, a la que llamaremos superficie de transferencia térmica, fluyendo por dichos circuitos dos fluidos, que son The invention is composed of two separate circuits that share a common boundary, which we will call thermal transfer surface, two fluids flowing through said circuits, which are

el fluido portador de calor, que va por el interior de unas conducciones estancas, salvo en su entrada y su salida, que va impulsado por bombas o máquinas similares, teniendo las conducciones una configuración que se selecciona entre las diversas modalidades de los intercambiadores de calor, que esencialmente son conducciones de forma tubular, o conducciones de sección recta rectangular, quedando en todo caso la parte externa de las conducciones bañada por el fluido del segundo circuito, abarcando dicho baño lo que constituye la superficie de transferencia térmica; y por el otro lado de dicha frontera común se encuentra el segundo fluido, que es: el flujo mezcla de aire con productos de la combustión, cuyo movimiento se activa o desactiva por la acción máquinas impulsoras, seleccionadas entre compresores, ventiladores y bombas de chorro de aire, que descargan sus chorros a través de dispositivos tipo venturi emplazados en los lugares que se detallan en las explicaciones subsiguientes; produciéndose en el circuito mezcla de aire y humos una recirculación parcial de los productos de la combustión, incluyendo en éstos no sólo las moléculas resultantes de un reacción química de oxidación-reducción, sino los gases the heat-carrying fluid, which goes inside airtight pipes, except at its entrance and its exit, which is driven by pumps or similar machines, the pipes having a configuration that is selected from the various modalities of heat exchangers , which are essentially tubular-shaped conduits, or conduits of rectangular straight section, the outer part of the conduits being bathed by the fluid of the second circuit being in any case, said bath covering what constitutes the thermal transfer surface; and on the other side of said common border is the second fluid, which is: the mixture of air flow with combustion products, whose movement is activated or deactivated by the driving machines, selected from compressors, fans and jet pumps of air, which discharge their jets through venturi devices located in the places detailed in the subsequent explanations; producing a partial recirculation of combustion products in the air and smoke mixture circuit, including not only the molecules resulting from a chemical oxidation-reduction reaction, but the gases

acompañantes en el flujo de entrada, por lo cual el circuito companions in the inflow, so the circuit

por donde fluye la mezcla de aire y humos se compone de las where the mixture of air and fumes flows consists of

siguientes partes físicas: el conducto de aspiración de aire limpio atmosférico, en cuya boca se emplaza una máquina impulsora, con descarga hacia following physical parts: the atmospheric clean air intake duct, in whose mouth a driving machine is placed, with discharge towards

dentro; inside;

el paso de la corriente de aire limpio por el recuperador de calor, donde se calienta con la energía térmica que lleva la mezcla de humos que va camino de la evacuación al aire, por la chimenea; el conducto de entrada de aire a la cámara de combustión, the passage of the clean air flow through the heat recuperator, where it is heated with the thermal energy that carries the smoke mixture that is on its way to the air evacuation, through the chimney; the air inlet duct to the combustion chamber,

donde están los mecheros o quemadores, conformándose where are the lighters or burners, conforming

una llama de pre-mezcla al principio, que se completa con llama de difusión en la parte alta de la misma, en la zona denominada cajón de llamas, de paredes refractarias, y adiabático-rerradiantes, y que además contiene perforaciones que comunican el interior del cajón de llamas con el espacio anular a su alrededor, que es el espacio de aportación de flujo recirculado; la caja de mezcla de aire y humos, donde las llamas y los productos inmediatos de la combustión reciben a la fracción recirculada de humos, fluyendo a partir de ahí todo ello mezclado; bóveda de canalización de la citada mezcla gaseosa, hacia el cuerpo fundamental del horno, que es calentador, que esencialmente es un intercambiador de calor donde están ubicadas las conducciones del fluido portador de calor, cuyo flujo se separa del de la mezcla de aire y humos mediante la frontera, común, o área de transferencia térmica; a pre-mix flame at the beginning, which is completed with a diffusion flame in the upper part of it, in the area called drawer of flames, refractory walls, and adiabatic-rerradiants, and also contains perforations that communicate the interior of the drawer of flames with the annular space around it, which is the recirculated flow contribution space; the air and smoke mixing box, where the flames and immediate combustion products receive the recirculated fraction of fumes, flowing from there all mixed; channeling vault of the aforementioned gaseous mixture, towards the fundamental body of the oven, which is a heater, which is essentially a heat exchanger where the conduits of the heat-carrying fluid are located, whose flow is separated from that of the mixture of air and fumes by border, common, or thermal transfer area;

saliendo la mezcla de aire y humos por el lado opuesto al que leaving the mixture of air and fumes on the opposite side to the one

han entrado en el calentador; bifurcándose en su salida en dos flujos distintos: they have entered the heater; branching off at two different flows:

un flujo de recirculación, que va canalizado hasta el espacio anular alrededor de la caja de llamas, teniendo por encima al a recirculation flow, which is channeled to the annular space around the flame box, with the above

cajón de mezcla; mixing drawer;

un flujo de escape, que se dirige hacia la chimenea o dispositivo de evacuación de humos, que van mezclados con aire residual de la combustión: pasando este flujo de escape por un intercambiador de calor denominado recuperador, en el que cede parte de su entalpía al aire limpio de entrada, que es el que circula por el conducto de aspiración de aire limpio atmosférico, presentado en la primera línea de la descripción de este circuito. an exhaust flow, which is directed towards the chimney or smoke evacuation device, which are mixed with residual combustion air: passing this exhaust flow through a heat exchanger called recuperator, in which part of its enthalpy is transferred to the clean inlet air, which is the one that circulates through the aspiration duct of atmospheric clean air, presented in the first line of the description of this circuit.

La fórmula química del combustible, su poder calorífico inferior, la tasa de combustible, en masa quemada en los quemadores por unidad de tiempo, el flujo másico de aire limpio introducido en el horno, medido en su exceso sobre el aire justo para hacer la combustión según la estequiometría de la reacción, y la fracción de recirculación, determinan el balance de entalpía que permite calentar el ftuido portador de calor, según se prescribe en el método de materialización de la invención. The chemical formula of the fuel, its lower calorific value, the fuel rate, in mass burned in the burners per unit of time, the mass flow of clean air introduced into the oven, measured in excess over the air just to make the combustion according to the stoichiometry of the reaction, and the recirculation fraction, determine the enthalpy balance that allows heating the heat-bearing ftuid, as prescribed in the method of materialization of the invention.

La fracción de recirculación, y el movimiento general de los gases, están determinados por el perfil de presiones que se crea en las diversas partes del circuito de humo y aire, gracias a la acción de todo tipo de máquinas impulsoras, como son los ventiladores, compresores y bombas de chorro. Estas son particularmente útiles en condiciones de muy alta temperatura, y se activan por la descarga de un gas, usualmente aire limpio, previamente comprimido, atemperado hasta la temperatura que requiere el caso, para que la velocidad del sonido en el fluido adquiera el valor que se desee, e igualmente se alcance el número de Mach apropiado para una aplicación concreta. The recirculation fraction, and the general movement of the gases, are determined by the pressure profile that is created in the various parts of the smoke and air circuit, thanks to the action of all types of driving machines, such as fans, jet compressors and pumps. These are particularly useful in very high temperature conditions, and are activated by the discharge of a gas, usually clean, previously compressed air, tempered to the temperature required by the case, so that the speed of sound in the fluid acquires the value that desired, and also the appropriate Mach number for a specific application is reached.

Un objetivo fundamental de la invención es conseguir alto rendimiento en la transmisión del calor de la combustión al fluido portador, para lo cual se han de evitar muy altas temperaturas en los productos de la combustión, pues de haberlas, aumentarían las pérdidas térmicas. A fundamental objective of the invention is to achieve high performance in the transmission of heat from combustion to the carrier fluid, for which very high temperatures in the products of combustion have to be avoided, since if there were, they would increase thermal losses.

la Indispensable regulación de la recirculación se realiza activando con mayor o menor presión dinámica los inyectores de las bombas de chorro, definiendo dicha presión por la mitad del producto de la densidad por el cuadrado de la velocidad. Cuando se mide temperatura demasiado alta en los sensores termométricos ubicados en el cajón de mezcla, se ha de recuperar la temperatura apropiada incrementando la fracción de recirculación. Y viceversa, la fracción debe disminuir cuando la mezcla de humos y aire, está por debajo de la temperatura de referencia. The indispensable regulation of the recirculation is carried out by activating the jet pump injectors with greater or lesser dynamic pressure, defining said pressure by half the product of the density by the square of the velocity. When the temperature is measured too high in the thermometric sensors located in the mixing drawer, the appropriate temperature must be recovered by increasing the recirculation fraction. And vice versa, the fraction should decrease when the mixture of fumes and air is below the reference temperature.

La activación de la mezcla también se produce de manera natural, mediante los orificios que atraviesan la pared que separa el cajón de llamas, del anillo periférico de llegada de la mezcla de humos-aire a la cámara de combustión. Cuando las llamas son muy vivas, producen aceleración de sus humos, y por ende una succión o depresión, que arrastra al humo periférico a través de los orificios mencionados, con lo que la mezcla comienza antes, y la llama se atenúa. Por el contrario, si el aire limpio que llega, con el combustible, al cajón de llamas, produce poca viveza de la llama, no se producirá el efecto de succión con tanta intensidad, por lo que la mezcla entre llamas y fiujo recirculado se producirá más tarde, cuando ambos fluidos hayan alcanzado el cajón de mezcla. Así se habrá tenido tiempo de desarrollarse la combustión completa en la llama, si ésta está más mortecina. Activation of the mixture also occurs naturally, through the holes that pass through the wall that separates the drawer of flames, from the peripheral ring of arrival of the smoke-air mixture to the combustion chamber. When the flames are very alive, they produce acceleration of their fumes, and therefore a suction or depression, which drags the peripheral smoke through the mentioned holes, with which the mixture begins earlier, and the flame is attenuated. On the contrary, if the clean air that arrives, with the fuel, into the drawer of flames, produces little liveliness of the flame, the suction effect will not occur with such intensity, so that the mixture between flames and recirculated fiujo will occur later, when both fluids have reached the mixing drawer. This will have had time to develop complete combustion in the flame, if it is more deadly.

En cuanto al circuito del fluido portador de calor, en lo que concierne a la invención, éste se limita a una pluralidad de tubos o conducciones que ocupan una alta fracción de volumen del intercambiador calentador; y la superficie exterior de dichos tubos o conducciones es la frontera común del fiuido portador de calor, con el fiujo de mezcla de aire y humos, siendo esa frontera lo que funciona como área de transferencia térmica en el intercambiador calentador. As regards the circuit of the heat-carrying fluid, as regards the invention, this is limited to a plurality of tubes or pipes that occupy a high volume fraction of the heating exchanger; and the outer surface of said pipes or conduits is the common boundary of the heat-carrying fiuido, with the fiujo of mixture of air and fumes, that boundary being what functions as a thermal transfer area in the heating exchanger.

EXPLICACIÓN DE LAS FIGURAS EXPLANATION OF THE FIGURES

Las figuras, en general, no están a escala, pues los tamaños relativos de los elementos son muy dispares, y no se apreciarían todos The figures, in general, are not to scale, since the relative sizes of the elements are very different, and not all of them would be appreciated

los elementos; pero son representativas principios de funcionamiento. The elements; but they are representative operating principles.: de la invención y de sus from the invention Y from their

La figura 1 muestra dispositivo en su conjunto. Figure 1 shows device as a whole.: un esquema, en sección recta, del a scheme, in section straight, of the

La figura 2 muestra el esquema de la parte dispositivo, que es la caja de llamas y las zonas de mezcla. Figure 2 shows the scheme of the device part, which is the flame box and the mixing zones.: c entral del C entral of the

La figura 3 muestra un haz de tubos por dentro de los cuales pasa el fluido portador de calor, siendo la sección recta de dicho haz, una disposición cuadrangular. Figure 3 shows a bundle of tubes through which the heat carrier fluid passes, the straight section of said beam being a quadrangular arrangement.

La figura 4 corresponde precisamente a una vista de detalle de la citada disposición cuadrangular. Figure 4 corresponds precisely to a detail view of said quadrangular arrangement.

La figura 5 corresponde a la sección recta del calentador en su extremo más alejado de la zona de combustión, señalándose la parte periférica por la que retorna el flujo recirculado a dicha zona de combustión. Figure 5 corresponds to the straight section of the heater at its furthest end of the combustion zone, the peripheral part through which the recirculated flow to said combustion zone returns.

La figura 6 representa una bomba de chorro de aire. Figure 6 represents an air jet pump.

La figura 7 representa una escala de temperaturas en la que se esquematiza el proceso de recirculación. Figure 7 represents a temperature scale in which the recirculation process is schematized.

La figura 8 es una representación cartesiana cualitativa que en abscisas refleja la localización relativa de los componentes, y la longitud que tienen éstos, y en ordenadas se representa el valor de la presión. Figure 8 is a qualitative Cartesian representation that in abscissa reflects the relative location of the components, and the length that these have, and in ordinates the pressure value is represented.

Para facilitar la comprensión de las figuras de la invención, y de sus modos de realización, a continuación se relacionan los elementos relevantes de la misma: In order to facilitate the understanding of the figures of the invention, and of their embodiments, the relevant elements thereof are listed below:

1. one.: Quemadores o mecheros Burners or lighters

2. 2.: Caja de llamas Flame box

3. 3.: Paredes de la caja de llamas Walls of the flame box

4. Espacio anular de aportación del flujo de recirculación 4. Annular space for recirculation flow contribution

S. Aislante separador del flujo de ida y del recirculado S. Isolator for outflow and recirculation flow

6. Conducto de recirculación 6. Recirculation duct

7. 7.: Cajón de mezcla Mixing drawer

8. 8.: Bóveda del horno Furnace Vault

9. 9.: Bomba de chorro de aire Air jet pump

10. 10.: Haz de tubos que configura el calentador. En la figura 8 se identifica con lOh el circuito de humos que pasa por el exterior Tube bundle that configures the heater. In Figure 8 the smoke circuit that passes through the outside is identified with 10

del haz 10. of beam 10.

11. Placa de cierre de la salida de los tubos del haz 10 11. Beam tube outlet closure plate 10

12. Salida del haz 10, del conjunto del horno 12. Outlet of beam 10, from the oven assembly

13. Aislante interior que separa el flujo fluido en el seno del 13. Internal insulator that separates the fluid flow within the

calentador, del de recirculación heater, recirculation

14.Pared externa (aislada o aislante) del conjunto del dispositivo 14.Outer wall (insulated or insulated) of the device assembly

lS.Recirculation duct, which wraps around the entire heater

16. Placa de cierre de la entrada del haz 17.Entrada del haz 16. Beam inlet closure plate 17. Beam input

18. Colector por el que sale el fluido mezcla, tras su paso por el 18. Manifold through which the fluid mixes, after passing through the

calentador Heater

19. 19.: Parte o fracción del flujO del calentador, que se evacúa Part or fraction of heater flow, which is evacuated

20. twenty.: Fracción del flujo mezcla que, a su salida del calentador, se recircula. Fraction of the mixture flow that, at its outlet from the heater, is recirculated.

21. twenty-one.: Recuperador de calor humo a aire. Tiene lógicamente dos circuitos separados, con una superficie frontera común. Un circuito es el de aire limpio, identificado por 21a¡ y otro es el de salida de humos, identificado como 21h. Adicionalmente, el recuperador del calor de los humos a evacuar puede destinarse a calentar el aire limpio, ya comprimido, que se utiliza en las Heat recovery smoke to air. It has logically two separate circuits, with a common border surface. One circuit is that of clean air, identified by 21a¡ and another is that of smoke outlet, identified as 21h. Additionally, the heat recuperator of the fumes to be evacuated can be used to heat the clean, compressed air used in the

bombas de chorro 9, y que emplean el tanque 36 para almacenamiento del aire comprimido. Este aire se puede calentar usando el humo antedicho, lo cual se haría en una sección del recuperador, que identificamos como 21c. jet pumps 9, and employing tank 36 for compressed air storage. This air can be heated using the above smoke, which would be done in a section of the recuperator, which we identify as 21c.

22. 22: Extractor de humos Smoke extractor

23. 2. 3.: Evacuación de humos Smoke evacuation

24. 24.: Conducción de aire limpio hacia los quemadores Driving clean air to the burners

25. 25.: Impulsor de aire limpio Clean air impeller

26. 26.: Entrada de aire limpio Clean air inlet

27. 27.: Pre-mezcladores aire-combustible 2B.Taladros pasantes en las paredes (3) de la caja de llamas Air-fuel pre-mixers 2B. Through holes in the walls (3) of the flame box

29. Conjunto de tubos de un haz cuyos ejes virtuales coinciden en un mismo plano virtual. A dicho conjunto se de denomina plancha de tubos. 29. Set of tubes of a beam whose virtual axes coincide in the same virtual plane. This set is called a tube plate.

30.Recta virtual que alinea a los centros de los codos de todos los tubos de una plancha de ellos, de un haz cuadrangular. 30. Virtual line that aligns to the center of the elbows of all the tubes of an iron of them, of a quadrangular beam.

31. 31.: Linea que marca la orientación de los tubos de una plancha, antes de un determinado codo. Al ángulo agudo formado por las rectas 30 y 31 se le denomina ángulo de proyección. Line that marks the orientation of the tubes of an iron, before a certain elbow. The acute angle formed by lines 30 and 31 is called the projection angle.

32. 32: Tubo de una disposición cuadrangular Tube of a quadrangular arrangement

33. 33.: Puntos extremos del lado de un cuadrado del retículo de tubos del haz de un intercambiador calentador Extreme points on the side of a square of the beam tube reticule of a heater exchanger

34. 3. 4.: Chorro de la bomba de chorro Jet pump jet

35. 35: Válvula de la bomba de chorro Jet pump valve

36. 36.: Depósito de sobrepresión de la bomba de chorro Jet pump overpressure tank

37. 37.: Compresor de aire de alimentación de la bomba de chorro Jet pump feed air compressor

38. 38.: Toma de aire de la bomba de chorro Jet pump air intake

39. 39.: Venturi, para inducir mayor velocidad al fluido de base Venturi, to induce higher speed to the base fluid

40. 40: Conducción (de sección recta cualquiera, no un tubo necesariamente) en la que actúa una bomba de chorro Conduction (of any straight section, not necessarily a tube) in which a jet pump operates

41. 41.: Transmisión de calor desde el flujo mezcla, al fluido portador del calor Heat transmission from the mixing flow, to the heat-carrying fluid

42. 42: Transmisión de calor desde el flujo mezcla evacuado, al aire limpio que entra. Heat transmission from the evacuated mixture flow, to the clean air that enters.

Además de los números anteriores, en la figura 7 se utilizan etiquetas identificativas compuestas de la letra T seguida de un número, con lo cual se indica la temperatura (absoluta) del punto indicado por el número en cuestión. In addition to the previous numbers, in Figure 7 identifying labels composed of the letter T are used followed by a number, which indicates the (absolute) temperature of the point indicated by the number in question.

Similarmente, en la figura 8 se utilizan etiquetas identificativas compuestas de la letra P seguida de un número, con lo cual se indica la presión del punto indicado por el número en cuestión. Similarly, in Figure 8, identifying labels composed of the letter P are used followed by a number, indicating the pressure of the point indicated by the number in question.

También se utilizan las siguientes letras mayúsculas, representando el flujo o gasto másico (en kg/s) que fluye por el conducto que se indica, y que corresponde a The following capital letters are also used, representing the mass flow or expense (in kg / s) that flows through the indicated conduit, and that corresponds to

: A : gasto másico de aire limpio insuflado a la cámara de combustión A: Mass consumption of clean air blown into the combustion chamber

: H : gasto másico inyectado de combustible H: mass fuel injection

: J : gasto másico de las bombas de chorro de aire (en principio, aire limpio pre-comprimido J: mass expenditure of air jet pumps (in principle, pre-compressed clean air

: B : gasto másico de flujo evacuado= A+H+J B: mass flow rate evacuated = A + H + J

: R : gasto másico recirculado (igual a x-M) R: recirculated mass expenditure (equal to x-M)

: M : gasto másico que circula por el calentador, correspondiente al flujo de mezcla, que va por el exterior de los tubos. M: mass expenditure circulating through the heater, corresponding to the mixture flow, which goes outside the tubes.

G: gasto másico del fluido que porta el calor, y va por dentro de los tubos O conducciones del haz 10 G: mass consumption of the fluid that carries the heat, and goes inside the tubes OR conduits of the beam 10

MODO DE REALIZACiÓN DE LA INVENCiÓN MODE OF INVENTION

La invención se construye como conjunción del circuito de los humos recirculados y el haz de tubos o conducciones que constituyen The invention is constructed as a conjunction of the circuit of recirculated fumes and the bundle of pipes or pipes that constitute

el circuito por el que va el fluido portador del calor, que lo empleará the circuit through which the heat-carrying fluid goes, which will use it

para el fin que sea pertinente. for the purpose that is relevant.

los materiales de la cámara de combustión y de su circuito de recirculación de humos mezclados con aire son de tipo refractario, incluyendo aceros refractarios, si bien la opción de seleccionar una envoltura cerámica o metálica se podrá hacer por el proyectista en función de las temperaturas de funcionamiento, presupuesto disponible, y duración prevista de la instalación. the materials of the combustion chamber and its recirculation circuit of fumes mixed with air are of the refractory type, including refractory steels, although the option of selecting a ceramic or metallic envelope can be made by the designer depending on the temperatures of operation, available budget, and expected duration of installation.

Es de señalar, en el tema de las medidas, que al realizarse la combustión a nivel de presión atmosférica, los tamaños han de ser grandes, pues no caben altas densidades de potencia, a no ser que el aire y los humos se movieran a velocidades muy altas. Esto sería contraproducente de cara a la recirculación, que exige un mapa de presiones que ahora se detalla, y que es tanto más difícil de cumplir cuanto mayores son las pérdidas de carga manométrica en las diversas secciones del circuito de humos; lo cual aumenta más cuanto más deprisa se realiza el movimiento. It should be noted, on the issue of measurements, that when combustion is carried out at atmospheric pressure level, the sizes must be large, since there are no high power densities, unless the air and fumes moved at speeds very high This would be counterproductive in the face of recirculation, which requires a pressure map that is now detailed, and that it is all the more difficult to meet the greater the manometric load losses in the various sections of the smoke circuit; which increases more the faster the movement is performed.

Nótese que la presión en el punto 18 a la salida del intercambiador, circuito de humos, será menor que la presión en la bóveda de la cámara de combustión 8, que a su vez será algo menor que la del espacio anular alrededor de la caja de llamas (2) y del espacio anular (4), siendo este último el volumen al que ha de llegar el flujo recirculado. Ello obliga a que las bombas de chorro (9) aporten un efecto de impulsión, por arrastre de los chorros sobre el humo, que supere la pérdida de carga manométrica que haya desde el volumen Note that the pressure at point 18 at the outlet of the exchanger, smoke circuit, will be less than the pressure in the vault of the combustion chamber 8, which in turn will be somewhat less than that of the annular space around the box of flames (2) and the annular space (4), the latter being the volume to which the recirculated flow has to reach. This forces the jet pumps (9) to provide a driving effect, by dragging the jets on the smoke, that overcomes the loss of manometric load from the volume

(4) hasta el (18) pasando por la bóveda (8) y todo el intercambiador (4) to (18) through the vault (8) and the entire exchanger

calentador. Heater.

Las bombas de chorro tendrán una presión dinámica que será la The jet pumps will have a dynamic pressure that will be the

mitad de la densidad del fluido que inyecten por el cuadrado de su half the density of the fluid they inject by the square of their

velocidad. Dicho fluido, en general aire limpio, podrá calentarse tras la fase de compresión previa, para darle la sobrepresión que luego se convierta en energía cinética del chorro. En el propio depósito a presión se puede calentar el aire, con los humos residuales que se descargan como flujo no recirculado: Desde dicho depósito se produce la propulsión del chorro, al abrir la válvula correspondiente, que tendrá una sección recta X (m2) una densidad Y (kg/mJ) y una velocidad speed. Said fluid, in general clean air, may be heated after the pre-compression phase, to give it the overpressure that then becomes kinetic energy of the jet. In the pressure tank itself, the air can be heated, with the residual fumes that are discharged as a non-recirculated flow: From this tank the jet propulsion takes place, when the corresponding valve is opened, which will have a straight section X (m2) a Y density (kg / mJ) and a speed

Z(m/s) que habrán de cumplir Z (m / s) to be met

X·Y·Z' > (m'/rho)'AP'_1B X · Y · Z '> (m' / rho) 'AP'_1B

Siendo el último término, .1P4-18 la pérdida de carga manométrica desde 4 a 18, en valor absoluto; rho la densidad del fiuido recirculado, y m' el gasto másico (kg/s) recirculado. Being the last term, .1P4-18 the loss of manometric load from 4 to 18, in absolute value; rho the density of the recirculated fiuido, and m 'the mass expenditure (kg / s) recirculated.

En la figura 8 no se puede ir para arriba sin fuerza ascensional, lo que puede conseguirse por convección natural, (al añadir calor, aumentar la temperatura y disminuir la densidad) o bien por impulsión mecánica, con algún tipo de bomba, incluyendo las de chorro (9) o de impulsión (25) o de extracción (22). In Figure 8 you cannot go up without ascending force, which can be achieved by natural convection, (by adding heat, increasing the temperature and decreasing density) or by mechanical drive, with some type of pump, including those of jet (9) or discharge (25) or extraction (22).

Para ser más precisos en la explicación de cómo se lleva a cabo la invención, se va a utilizar como combustible un alcano del rango de los gasóleos, el decano, C10H22, cuya ecuación de combustión es la siguiente, siendo n el multiplicador de aportación de aire sobre el valor de estequiometria, que sería el de n=1 To be more precise in the explanation of how the invention is carried out, an alkane of the diesel range, the dean, C10H22, whose combustion equation is the following, will be used as fuel, n being the contribution multiplier of air over the stoichiometry value, which would be that of n = 1

C10H22+ n(31/2)02+ 3,9n(31/2)N2~ 10 C02+ 11 H20+ (n1)(31/2)02+ 3,9n(31/2)N2 C10H22 + n (31/2) 02+ 3.9n (31/2) N2 ~ 10 C02 + 11 H20 + (n1) (31/2) 02+ 3.9n (31/2) N2

Es de señalar que 142 9 de decano generan unos humos cuya It should be noted that 142 9 dean generate smoke whose

masa es (en gramos) de 142 + 2189n. La mayor parte de la masa es mass is (in grams) of 142 + 2189n. Most of the dough is

el nitrógeno del propio aire utilizado para aportar el oxígeno. the nitrogen of the air itself used to provide oxygen.

En la ecuación precedente se ha usado una composición simplificada del aire, que correspondería a 3,9 moléculas de nitrógeno por cada una de oxígeno. (El argón del aire, menos de 1% en fracción molar, se considera acumulado al N2, aunque son de propiedades algo distintas, pero ambos inertes). In the preceding equation a simplified composition of air has been used, which would correspond to 3.9 molecules of nitrogen for each of oxygen. (The argon of the air, less than 1% in molar fraction, is considered accumulated to the N2, although they are of somewhat different properties, but both inert).

Para determinar la termometría de la combustión, se parte del To determine combustion thermometry, we start from

valor del poder calorlfico inferior del decano, evaluado en 42,S MJ/ kg. value of the lower calorific value of the dean, evaluated at 42, S MJ / kg.

En la combustión de un mol de decano, 142 gramos, el calor In the combustion of one mole of dean, 142 grams, heat

desprendido sería de 6,05 MJ. detached would be 6.05 MJ.

Si admitimos un calor específico isóbaro de 1,1 J/g·K para el humo (mezcla de varias moléculas, mayoría de N2), el incremento de temperatura acaecido, suponiendo que todo el calor va a los humos producidos, es decir, el incremento adiabático, .óTa, es If we admit a specific isobar heat of 1.1 J / g · K for the smoke (mixture of several molecules, most of N2), the temperature increase occurred, assuming that all the heat goes to the fumes produced, that is, the adiabatic increase, .óTa, is

6,05 . lO· ~Ta = 71,-=1-.-;(-=-14:-:2;-+-:-:;2::-1:::S;;"9n"""7) 6.05. lO ~ ~ Ta = 71, - = 1 -.-; (- = - 14: -: 2; - + -: - :; 2 :: - 1 ::: S ;; "9n" "" 7)

Para la estequiometria pura (n=l), el incremento adiabático sería de 2.536 K, suponiendo Que se pudiera quemar todo (lo cual requeriría un tiempo tendente a infinito, pues las últimas moléculas de alcano no encontrarían fácilmente oxígeno para reaccionar). For pure stoichiometry (n = 1), the adiabatic increase would be 2,536 K, assuming that everything could be burned (which would require a time tended to infinity, since the last alkane molecules would not easily find oxygen to react).

Respecto de los flujos másicos, o gastos, se denomina con x la fracción recirculada (y l-x es la no recirculada, o emanada por el tubo de escape o chimenea). With respect to mass flows, or expenses, the recirculated fraction is called x (and l-x is the non-recirculated, or emanated from the exhaust pipe or chimney).

Por tanto, x es la fracción reciclada de M, que es el gasto global Therefore, x is the recycled fraction of M, which is the overall expense

de humo, siendo el gasto reciclado, R. A su vez, hay que contar con tres aportaciones de masa al circuito del quemador, desde fuera, que son of smoke, being the cost recycled, R. In turn, we must have three contributions of mass to the burner circuit, from the outside, which are

H= gasto másico de fuel, (masa por unidad de tiempo). l= gasto másico de la bomba o bombas de chorro (Jet) que activan la recirculación, a base de descargar en un conducto de recirculación, un chorro o corriente de aire (comprimido y calentado ligeramente), siendo por tanto aire no viciado que se ha de contabilizar como tal, además del efecto de arrastre que posee debido a su presión dinámica H = mass fuel expenditure, (mass per unit of time). l = mass expenditure of the pump or jet pumps (Jet) that activate the recirculation, based on discharge into a recirculation duct, a jet or stream of air (compressed and slightly heated), being therefore non-vitiated air to be counted as such, In addition to the drag effect it has due to its dynamic pressure

(pv'/2). Nótese que con una densidad de 1 kg/m3 y una v= 10 mIs, dicha presión es de 50 Pa, muy del nivel de las presiones de succión en recirculación de aire. A= gasto (kgjs) de aire atmosférico insuflado mecánicamente en el ftujo de carga del quemador. (pv '/ 2). Note that with a density of 1 kg / m3 and a v = 10 mIs, said pressure is 50 Pa, very much the level of suction pressures in air recirculation A = expenditure (kgjs) of atmospheric air mechanically insufflated in the Burner loading method.

B= suma de las tres aportaciones antedichas, que se cuentan juntas, pues no hace falta detallarlas a nivel muy preciso, dadas otras B = sum of the three aforementioned contributions, which are counted together, it is not necessary to detail them at a very precise level, given other

incertidumbres: B=A+H+l uncertainties: B = A + H + l

Medido en masa, la misma cantidad B(kg/s) se inyecta en la cámara Measured in mass, the same amount B (kg / s) is injected into the chamber

de combustión, que la que se deriva del escape del calentador hacia el of combustion, which is derived from the exhaust of the heater to the

escape definitivo definitive escape

La reacción de combustión del decano, embebida en una tasa de The combustion reaction of the dean, embedded in a rate of

5 5: recirculación x de sus propios humos, implica una situación en la que recirculation x of its own fumes, implies a situation in which

hay que aportar y quemar por completo un determinado gasto de a certain expense of

aleano, para liberar la potencia térmica E que se necesita, y hay que aleano, to release the thermal power E that is needed, and you have to

hacerlo repartiendo ese calor entre las moléculas de un gasto M(g/s) do it by distributing that heat between the molecules of an expense M (g / s)

de tal forma que se alcance el incremento de T en el gasto de humo in such a way that the increase of T in the smoke expenditure is reached

10 10: que corresponda al incremento de T que se requiere en el fluido corresponding to the increase in T required in the fluid

portador de calor ( con gasto G y calor específico e, a presión heat carrier (with expense G and specific heat e, under pressure

constante) por lo cual se tiene constant) so you have

E(W)= G·e·(T12-T17) E (W) = G · e · (T12-T17)

Dado que el peI del decano es 42,5 MJ/kg, se puede escribir Since the peI of the dean is 42.5 MJ / kg, you can write

1S 1S: E(W)= g'(g/s)·42.500·~, E (W) = g '(g / s) 42,500 · ~,

Donde g' es el gasto del decano. Where g 'is the expense of the dean.

Téngase en cuenta que el decano no se introduce solo, sino con aire, Note that the dean is not introduced alone, but with air,

con un exceso marcado por el factor de dosificación n. Eso hace que with an excess marked by the dosage factor n. That makes

introduzcamos en la cámara de llamas no solamente g', sino una let's introduce not only g 'into the flame chamber, but a

20 twenty: cantidad de aire que pesa 2.189n gramos por cada 142 gramos de amount of air that weighs 2,189n grams per 142 grams of

decano inyectado. Si contamos por (g/s), el gasto de la parte de injected dean. If we count for (g / s), the expense of the part of

aportación sería: contribution would be:

g'(l + 15,4n) g '(l + 15.4n)

A lo que hay que añadir la parte reciclada, que es la fracción x de lo To which we must add the recycled part, which is the fraction x of what

25 25: que está circulando por el quemador, lo cual se va acumulando según which is circulating through the burner, which accumulates according to

la serie geométrica the geometric series

1+x+x' +x' +x' + ... =l/(l-x) 1 + x + x '+ x' + x '+ ... = l / (l-x)

La recirculación se saturará con una rapidez que requerirá menos Recirculation will saturate with a speed that will require less

tiempo cuanto menor sea la fracción de recirculación. Por ejemplo, The shorter the recirculation fraction. For example,

30 30: para x=O,2 sobrará 3 veces el tiempo de residencia tr medio de una for x = O, 2 will exceed 3 times the average residence time of a

molécula de humo en el quemador, que se mide por la distancia a smoke molecule in the burner, which is measured by the distance to

recorrer a lo largo del circuito, partido por la velocidad media de los travel along the circuit, broken by the average speed of the

humos. Para x=0,5 se necesitará unas 9 veces ese tiempo \:... smoke For x = 0.5 it will take about 9 times that time \: ...

En equilibrio estacionario, el gasto circulante de humos, M(g/s) para una dosificación n, y una fracción de recirculación x, es M= g"(1+15,4n)/(1-x) Se puede ahora determinar unívocamente los valores que se In stationary equilibrium, the circulating smoke flow, M (g / s) for a dosage n, and a recirculation fraction x, is M = g "(1 + 15.4n) / (1-x) It can now be determined uniquely the values that are

5 seleccionan en x o en n para obtener los valores que se desean, en n o en x; y se determina el valor absoluto de g' para dar una determinada potencia E en el calentador. En el primer caso, la relación entre x y n no depende de g', porque ésta interviene linealmente en los dos términos, de masa y energía. El 5 select in x or in n to obtain the desired values, in n or in x; and the absolute value of g 'is determined to give a certain power E in the heater. In the first case, the relationship between x and n does not depend on g ', because it intervenes linearly in both terms of mass and energy. He

10 valor del incremento LIT en los humos (siendo 1,1 J/g·K el calor específico isobare de los humos) corresponde a (1 -x) . 42.500 10 value of the LIT increase in fumes (being 1.1 J / g · K the specific heat isobar of the fumes) corresponds to (1 -x). 42,500

l!.T = ';-;'--,;'-:--c= = l! .T = '; -;' -,; '-: - c = =

1.1. (1 +15.4 n)

En definitiva, la invención se materializa mediante la agregación ordenada de componentes según se describe en la lista descriptiva de In short, the invention is embodied by the orderly aggregation of components as described in the descriptive list of

15 los elementos de las figuras; y en los párrafos precedentes se ha explicado la invención en función de las dos variables termodinámicas intensivas principales, Presión y Temperatura, con las cuales se justifica la materialización de la invención. 15 the elements of the figures; and in the preceding paragraphs the invention has been explained in terms of the two main intensive thermodynamic variables, Pressure and Temperature, with which the materialization of the invention is justified.

20 Una vez descrita de forma clara la invención, se hace constar que las realizaciones particulares anteriormente descritas son susceptibles de modificaciones de detalle siempre que no alteren el principio fundamental y la esencia de la invención. Once the invention has been clearly described, it is noted that the particular embodiments described above are subject to modifications in detail as long as they do not alter the fundamental principle and essence of the invention.

Claims

1 - Combustion environment for heating fluid in a high temperature range, characterized in that the invention is composed of two separate circuits that share a common boundary, which we will call a thermal transfer surface, two fluids flowing through said circuits, which They are

the heat-carrying fluid, which goes inside some

watertight pipes, except at your entrance and exit, which

It is driven by pumps or similar machines, having the

conductions a configuration that is selected among the

various modalities of heat exchangers, which

they are essentially tubular ducts, or

conduits of rectangular straight section, remaining in everything

case the external part of the pipes bathed by the

fluid of the second circuit, said bath covering what

constitutes the thermal transfer surface; and on the other

side of said common border is the second fluid,

What is it:

the flow mixes air with combustion products, whose

movement is activated or deactivated by the machines action

drives, selected among compressors, fans and

air jet pumps, which discharge their jets to

through venturi devices; occurring in the

air and smoke mixture circuit a partial recirculation of

combustion products, including in these not only

the molecules resulting from a chemical reaction of

OXIDE-reduction, but the accompanying gases in the flow

input, so that the circuit through which the

air and smoke mixture consists of the following parts

physical:

the atmospheric clean air intake duct, in whose

mouth a driving machine (25) is placed, with discharge

inward;

the passage of the clean air stream through the heat recuperator (21), where it is heated with the thermal energy that carries the smoke mixture that is on its way to the air evacuation

by the chimney or exhaust (23); the air inlet duct (24) to the chamber of

combustion, where are the lighters or burners (l), forming a pre-mix flame at the beginning, which is completed with diffusion flame at the top of it, in the area called drawer of flames (2), walls refractory, and adiabatic-rerradiants, and that also contains perforations (28) that communicate the interior of the drawer of flames with the annular space (4) around it, which is the space for providing recirculated flow;

the air and smoke mixing box (7), where the flames and the

immediate combustion products receive the fraction

recirculated smoke, flowing from there all of it

mixed;

channeling vault (8) of said gas mixture,

towards the fundamental body of the oven, which is a heater, which is essentially a heat exchanger where

the conduits (10) of the carrier fluid of

heat, whose flow is separated from that of the mixture of air and fumes by the common border, or thermal transfer surface;

leaving the mixture of air and fumes on the opposite side (18)

who have entered the heater; branching off at two different flows: a recirculation flow (20), which is channeled to the annular space around the flame box, taking for over to the mixing drawer;

an exhaust flow (19), which is directed towards the chimney or

smoke evacuation device, which is mixed with residual combustion air:

passing this exhaust flow through a heat exchanger called recuperator (21), in which part of its enthalpy yields to the clean inlet air, which is the one that circulates through the aspiration duct of atmospheric clean air (24).

2 - Combustion oven for heating fluid in a range

high temperatures, according to claim one, characterized in that the recirculation fraction, and the general movement of the gases, are determined by the pressure profile that is created in the various parts of the smoke and air circuit, thanks to the action of all type of driving machines, such as fans, compressors and jet pumps (9); these being particularly useful in very high temperature conditions, and are activated by the discharge of a gas, usually clean, previously compressed air, tempered to the temperature considered; and the recirculation is carried out by activating the injectors of the jet pumps with greater or lesser dynamic pressure, said pressure defining half the product of the density by the square of the velocity; so that when the temperature is measured too high in the thermometric sensors located in the mixing drawer, the recirculation fraction is increased giving more dynamic pressure to the jet; and the dynamic pressure of the jets is reduced when the mixture in the mixing drawer (7) is below the reference temperature.

3 - Combustion environment for heating fluid in a high temperature range, according to claim one or two, characterized in that the activation of the mixture also occurs naturally, by means of the holes (28) that cross the wall

(3) separating the flame drawer (2), from the peripheral ring (4) of the arrival of the smoke-air mixture to the combustion chamber; and when the flames are very alive, they produce acceleration of their fumes, and therefore a suction or depression, which drags the peripheral smoke through the mentioned holes, with which the mixture begins earlier, and the flame is attenuated; and on the contrary, if the clean air that arrives, with the fuel, to the drawer of flames, produces little liveliness of the

.

flame, the suction effect will not occur with such intensity, so the mixture between flames and recirculated flow will occur later, when both fluids have reached the mixing drawer (7).