CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención consiste en un intercambiador de calor de alta eficiencia, para aplicarse en calentadores de agua de almacenamiento y de rápida recuperación de funcionamiento vertical, para uso residencial y comercial, el cual alcanza la condensación del vapor de agua que se produce en la combustión y puede ser desmontable.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En la actualidad los calentadores de agua de almacenamiento, de rápida recuperación y de funcionamiento vertical, como se fabrican normalmente, emiten los gases de combustión a muy altas temperaturas, de hasta 250° C y por ello no son eficientes en el aprovechamiento del calor que contienen los gases de combustión; además, los calentadores de agua que sí alcanzan una alta eficiencia térmica en la actualidad, normalmente tienen un aito costo de fabricación, lo cual es ocasionado por las técnicas que se aplican actualmente en los intercambiadores de calor que se utilizan en dichos calentadores de agua; dichas técnicas que se aplican en la actualidad, generalmente son como io descrito en las siguientes patentes: La patente US1935919, La patente US4380215, la patente US6354248, la patente EP1475579 y la patente EP2476988. Lo descrito en las patentes ya mencionadas, representa el estado de la técnica que más se utiliza actualmente en los calentadores de agua de almacenamiento y de rápida recuperación; al aplicar dichas técnicas, generalmente se dispone al menos un tubo de humo en el interior del tanque del calentador de agua, por el cual fluyen los gases de combustión y en el interior de los tubos de humo, se utilizan por ejemplo, bailes, deflectores, aletas, pero dichas técnicas ya son obsoletas, por ello en la actualidad se tienen muy altos costos de fabricación en los calentadores de agua de alta eficiencia térmica. Con la finalidad de suprimir los inconvenientes ya mencionados, el principal objeto de la presente invención, es el de proporcionar un intercambiador de calor simplificado y eficiente, que puede ser desmontable y alcanza la condensación de los vapores de agua que contienen los gases de combustión, con el cual se pueden fabricar calentadores de agua de alta eficiencia térmica y de bajo costo.

Un objeto más de la presente invención, es el de proporcionar un intercambiador de calor que, por ser desmontable, facilita realizar el mantenimiento al intercambiador de calor y al interior del tanque del calentador de agua durante la vida útil de ambos.

Objetos adicionales se harán evidentes a la lectura de la descripción y las reivindicaciones de la presente invención.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

Un intercambiador de calor simplificado, para calentadores de agua de alta eficiencia térmica y de funcionamiento vertical, que puede ser desmontable y requiere un ventilador electro mecánico para forzar los gases de combustión a fluir en el interior del intercambiador de calor, el cual está constituido por una brida de forma elíptica y en la brida se suelda la cámara de combustión y al menos dos ductos para recuperar el calor de los gases de combustión, por lo tanto, en la brida queda fijado con soldadura el intercambiador de calor completo, con el cual se alcanza la condensación del vapor de agua que se genera en la combustión; el intercambiador de calor es fijado preferentemente con tornillos por medio de la brida elíptica y funciona en posición horizontal, en el extremo inferior y dentro del tanque del calentador de agua.

BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS

La figura 1 muestra una vista lateral de un calentador de agua para uso residencial y de funcionamiento vertical, en cuyo interior se aprecia el presente intercambiador de calor. La figura 2 muestra una vista lateral del intercambiador de calor, que incluye la brida en la que están fijados con soldadura los ductos y la cámara de combustión.

La figura 3 muestra como ejemplo la sección de un ducto para gases de combustión, el cual forma parte del presente intercambiador de calor. La figura 4 muestra el lado interno de una pared del ducto de gases y se aprecian los separadores que forman los retornos y la dirección en que fluyen los gases de combustión.

La figura 5 muestra una sección opcional que pueden tener los ductos para gases de combustión, del presente intercambiador de calor.

La figura 6 muestra una alternativa más para fabricar los ductos para gases de combustión, del presente intercambiador de calor.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La presente descripción se hace con fines ilustrativos, no limitativos y se hace referencia a las figuras y a los signos numéricos que se acompañan. La figura 1 muestra una vista lateral esquemática del tanque de un calentador de agua 1 para uso residencial, de funcionamiento vertical y se aprecia en su interior el presente intercambiador de calor 2 en posición horizontal.

La figura 2 muestra una vista lateral del intercambiador de calor 2 completo, que incluye una brida

3 con la forma preferentemente elíptica, una cámara de combustión 4 con la forma cilindrica y se aprecia como ejemplo un ducto 5 que tiene la forma preferentemente rectangular, los cuales recuperan el calor de los gases de combustión. Como se puede apreciar, la cámara de combustión

4 se posiciona preferentemente en la parte superior de la brida 3 y los ductos 5 se posicionan preferentemente en la parte inferior de la brida 3, esta posición es la preferida para que ia parte inferior de los ductos 5 esté en contacto con el agua fría que entra en la parte inferior del tanque del calentador 1 y así se produce la condensación del vapor de agua que se genera en la combustión; la posición ya descrita de la cámara 4 y los ductos 5 en la brida elíptica 3, aunque es ia preferida, no es limitativa, porque se puede cambiar en el diseño la posición de la brida elíptica 3 y puede quedar girada a 90° y así los ductos 5 quedarían a un lado de ia cámara 4, adicionalmente la brida elíptica 3 podría girarse a 180° sin cambiar diseño original y asi los ductos 5 quedarían en la parte superior de la brida 3, El intercambiador de calor 2 puede ser preferentemente desmontable y en su caso, la brida 3 es fijada con tornillos en la parte inferior del tanque del calentador 1; opcionalmente la brida 3 puede ser fijada en la parte inferior del tanque del calentador l, por medio de un cordón de soldadura en todo el contorno de la brida 3, lo cual mantiene a la brida 3 unida de forma permanente con el tanque del calentador 1; en cualquiera de las dos opciones con que sea fijada la brida 3 en el tanque del calentador 1, previamente se deben soldar en la brida 3, la cámara de combustión 4 y los ductos 5, por lo cual todo el intercambiador de calor 2, queda fijado con soldadura en la brida 3 y así se forma un solo cuerpo con la brida 3; además, para conectar la cámara de combustión 4 con los ductos 5, se dispone un distribuidor de gases de combustión, el cual por uno de los lados se fija con soldadura en el fondo piano de la cámara de combustión 4 y se dispone un orificio que comunica la cámara 4 con un iado del distribuidor de gases, en cuyo lado opuesto se hacen las aberturas en donde se suelda la entrada 7 de los ductos 5 por donde fluyen los gases calientes de combustión hada los ductos 5; en el lado inferior de los ductos 5, por donde salen los gases fríos de combustión y el condensado, se dispone un colector de gases, el cual recibe los gases fríos y el condensado por la salida 8 de los ductos 5 y conduce los gases fríos hacia afuera del intercambiador de calor atreves de un orificio que se dispone en la parte inferior de la brida 3; el presente colector de gases, se suelda a la parte inferior de los duelos 5 y a la parte inferior de la brida 3, igual a lo descrito para el distribuidor de gases, de tal forma que los gases calientes de combustión circulan por la entrada 7 de los ductos 5 y fluyen por dentro de los ductos 5 y finalmente salen los gases fríos por la salida inferior 8 de los ductos 5. El presente intercambiador de calor 2 que muestra ai menos un ducto 5 para recuperar el calor residual de los gases de combustión, no es limitativo, porque el intercambiador de calor 2 puede estar constituido por al menos dos ductos 5, o puede estar constituido por una pluralidad de ductos 5. El presente intercambiador de calor 2 debe funcionar preferentemente en posición horizontal respecto a su longitud como se aprecia en la figura 1 y respecto a lo ancho de los ductos 5, estos quedan alineados verticalmente y paralelos entre sí, con una separación de ai menos 8 mm entre los ductos 5 por donde fluye el agua verticalmente y se forman las corrientes convectivas al calentarse el agua que fiuye por el área de paso que queda entre los ductos 5, así se genera un alto coeficiente de transferencia de calor entre las dos paredes 6 de Sos ductos 5 y el agua fría que entra en la parte inferior del tanque del calentador 1. En el presente intercambiador de calor 2, se requiere que los gases de combustión sean impulsados por un ventilador electro mecánico, para forzarlos a fluir a alta velocidad en el interior de los ductos 5, lo cual es un tiro forzado; también se puede disponer un ventilador electro mecánico para que succione los gases fríos de combustión, lo cual es un tiro inducido.

La figura 3 muestra individualmente la sección de un ducto 5 con la forma preferentemente rectangular, que cuenta con una entrada 7 por donde fluyen los gases calientes de combustión, la cual puede tener la forma cilindrica, elíptica, o rectangular y en la parte inferior del ducto 5 cuenta con una salida 8 por donde Huyen los gases fríos y el condensado, la cual también puede tener la forma cilindrica, elíptica, o rectangular; el ducto 5 no requiere bafles, deflectores, o aletas en su interior y las dos paredes 6 que constituyen el ducto 5, solo cuentan con la superficie que tienen las láminas que las constituyen; los ductos 5 pueden ser formados preferentemente por medio de troquelado en dos mitades iguales, las cuales se disponen contrapuestas entre sí con los bordes de ambas mitades haciendo contacto y en dichos bordes se aplica la soldadura, ya sea por proyección, con arco eléctrico o con rayos laser y así queda formado un ducto 5 con una separación interior de al menos 3 mm entre las dos paredes 6 por donde fluyen los gases de combustión; opcionalmente los ductos 5 pueden formarse de una sola pieza por medio de la técnica de hidroformado; la separación interior preferida entre las dos paredes 6 de los ductos 5 es de, entre 4 mm y 6 mm, no obstante, dicha separación interna entre ias dos paredes 6 puede ser mayor a 6 mm, lo cual depende de la longitud de los ductos 5 y del coeficiente de transferencia de calor deseado, porque cuanto más cerca estén ias dos paredes 6, el coeficiente de transferencia de calor es más alto y viceversa. Las dimensiones preferidas de los ductos 5 pueden ser por ejemplo, de 150 mm de ancho, 5 mm de separación interior entre ias dos paredes 6 y la longitud preferida puede ser de unos 350 mm, pero se pueden forzar los gases de combustión para fluir por una distancia mucho mayor en el interior de los ductos 5 del ejempio, lo cual se logra preferentemente formando retornos en el interior de los ductos 5, los cuates pueden ser tres, por medio de dos separadores 9 y así los gases de combustión fluyen por una distancia de unos 1,050 mm antes de salir de los ductos 5; ias dimensiones mencionadas como ejemplo, pueden variar totalmente según sean los requerimientos específicos en cada diseño del intercambiador de calor 2. Los retornos en el interior de los ductos 5 con la sección preferentemente rectangular, aunque se prefieren, no son limitativos, porque si los ductos 5 tienen una longitud considerable, los gases de combustión pueden fluir desde la entrada 7 en forma directa hasta ia salida 8 fluyendo sin retornos por todo lo ancho de los ductos

5.

La figura 4 muestra el lado interno de una pared 6 del ducto 5 y se aprecian como ejemplo dos separadores 9, los cuales forman tres retornos en el interior del ducto 5, tal y como se describe en el ejemplo de la figura 3, además se aprecian las flechas 10 que indican la dirección en la que fluyen los gases de combustión horizontalmente y en cada retorno descienden verticalmente para salir por la parte inferior del ducto 5, por lo cual, los gases de combustión realmente fluyen a contra flujo respecto a el agua que fluye hacia arriba por fuera de los ductos 5 y así se logra la condensación de los vapores de agua que se generan en la combustión al hacer contacto con el agua fría que entra por la parte inferior del tanque del calentador 1, Los dos separadores 9 que se muestran como ejemplo, no son limitativos, porque la cantidad de separadores 9 depende de la cantidad de retornos que se requieran en el interior de los ductos 5, porque la longitud de los ductos 5 tiene que definirse de acuerdo al diámetro del tanque del calentador 1; por ejemplo, si el tanque del calentador 1 tiene el diámetro pequeño, entonces los ductos 5 tendrán una longitud pequeña, ya que estos se disponen en posición horizontal en el interior del tanque del calentador 1 que funciona en posición vertical y por ello se requiere una mayor cantidad de separadores 9 para formar una mayor cantidad de retornos y así los gases de combustión fluyen por una distancia de al menos 900 mm en el interior de los ductos 5, lo cual se logra con una longitud pequeña de los ductos 5, pero con una mayor cantidad de retornos; de esta forma se puede recuperar todo el calor que contienen los gases de combustión, aun en los calentadores 1 con diámetro pequeño. Los separadores 9 pueden formarse en las paredes 6 al mismo tiempo que se les da forma a las paredes 6, ya sea por medio del troquelado, o por la técnica de hidroformado; además, los separadores 9 pueden fabricarse con tiras de lámina, a las cuales se les hace un doblez longitudinal de 90° para que quede con la forma de "L" y uno de los lados se fija con puntos de soldadura por proyección en el lado interno de una de las paredes 6 del duda 5 y el lado libre del separador 9 mantiene la separación entre ias dos paredes 6 del ducto 5; los separadores 9 no solo forman los retornos, también cumplen la función adicional de aportar resistencia estructural en los ductos 5 que tienen ia forma rectangular, para que éstos resistan la presión externa que ejerce el agua del caientador 1 en las dos paredes 6 de los ductos 5; opcionalmente los separadoras 9 pueden fabricarse con alambre, el cual debe tener el diámetro adecuado para mantener ia separación deseada entre las dos paredes 6 de los ductos 5.

La figura 5 muestra otra forma de la sección que pueden tener los ductos 5, porque la sección rectangular de los ductos 5, aunque es la preferida, no es limitativa, ya que los ducto 5 pueden fabricarse por troquelado, o por hidroformado con la sección elíptica, o pueden fabricarse con ia sección cilindrica igual a los tubos; con las presentes dos secciones de los ductos 5, Sos retornos y los separadores 9 se forman en una pared 6 o en las dos paredes 6 con el mismo procesa de formación de las paredes 6 de los ductos 5, como ya se describió. La figura 6 muestra una alternativa más para formar los ductos 5, los cuales se pueden fabricar con tubos, cuyo diámetro preferido es de 1", pero pueden utilizarse tubos de cualquier otro diámetro; en los ductos 5 que se fabrican con tubos, los retarnos se forman con Sos dobleces de los tubos, por ejemplo, para disponer de un ducto 5 en el que los gases de combustión fluyen desde la entrada 7 hasta la salida 8 por una distancia de 1050 mm, se pueden formar 3 dobleces, que es igual a tres retornos y el presente ducto 5 alcanza una longitud aproximada de 350 mm, pero ia distancia en la que fluyen los gases de combustión es de 1,050 mm antes de llegar a la salida 8 del presente ducto

5.

REALIZACIÓN PREFERIDA DE LA INVENCIÓN

Se proporciona como ejemplo un calentador de agua .1 de almacenamiento y de funcionamiento vertical, con una capacidad de 190 lts (50 galones), en el cual se dispone el presente intercambiador de calor 2 en la versión desmontable y se fija con una brida 3 de forma elíptica en la parte inferior del calentador de agua 1 en posición horizontal conforme a la figura 1, utilizando para ello 10 tornillos, El intercambiador de calor 2 cuenta con una cámara de combustión 4 de forma cilindrica con el diámetro de 130 mm, la cual está ubicada en la parte superior de la brida 3 y cuenta con tres ductos 5 con la sección rectangular, los cuales están ubicados en la parte inferior de la brida 3; cuenta con un distribuidor de gases calientes que fluyen por la entrada 7 de los ductos 5, los cuaies tienen el ancho de 150 mm y la separación interna entre ias dos paredes 6 es de 5 mm; la longitud de los ductos 5 es de 350 mm y cuentan con 3 retornos por medio de dos separadores 9 fabricadas con lámina, por lo cual, los gases de combustión fluyen por una distancia de 1050 mm por el interior de los ductos 5, los cuales cuentan con un colector de gases fríos que fluyen hada afuera del intercambiador 2 por la salida 8 de los ductos 5 y a través de un orificio en la parte inferior de la brida 3. La potencia del quemador es de 52,741 kj/h (50,000 btu/h) en base al poder calorífico superior del gas combustible y los gases de combustión salen de los ductos 5 con una temperatura de 30° C y el agua fría entra con una temperatura de 20° C en la parte inferior del tanque del calentador 1.

El presente Intercambiador de calor se puede aplicar en calentadores de agua de funcionamiento vertical y horizontal, de alta eficiencia térmica, de almacenamiento y de rápida recuperación y se puede aplicar en cualquier tipo de calentador de agua de diferentes dimensiones y capacidades, para uso residencial y comercial