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

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 .