Dispositivo para el suministro de vapor de agua a través de un intercambiador de calor a una cámara de combustión y procedimiento asociado.

Dispositivo para una cámara de combustión que presenta un intercambiador de calor (1),

un suministro de gas deescape, un sistema de aspiración de aire de combustión y una fuente de vapor de agua, caracterizado porque elintercambiador de calor (1)

- es un intercambiador de calor tubular de varias paredes,

- en el que el flujo de gas de escape caliente se conduce desde la cámara de combustión (19) a través delsuministro de gas de escape, y el medio acuoso a calentar se conduce desde la fuente de vapor de agua, alintercambiador de calor (1) en capas de revestimiento (5, 6, 7) separadas, de modo que el medio acuoso acalentar está en contacto por ambos lados con respectivamente una capa de revestimiento (5, 7) que contieneun flujo de gas de escape caliente, y

- en el que el sistema de aspiración de aire de combustión está interconectado con la capa de revestimiento parael medio acuoso a calentar, para el suministro de un medio gaseoso calentado que contiene vapor de agua delintercambiador de calor (1) a la cámara de combustión (19), en el que

- el medio acuoso se suministra tangencialmente, transversalmente a la dirección de circulación delintercambiador de calor tubular a fin de conducir el flujo de vapor de agua calentado dando vueltas alrededor deleje de la dirección de marcha del intercambiador de calor tubular.

Dispositivo para el suministro de vapor de agua a través de un intercambiador de calor a una cámara de combustión y procedimiento asociado.

El objeto de la invención es un dispositivo para el suministro de vapor de agua a través de un intercambiador de calor a una cámara de combustión y un procedimiento usando el dispositivo.

Se conoce inyectar agua o vapor de agua en un motor de energía térmica en las cámaras de combustión. Ejemplos para un modo de proceder semejante son el documento WO 03/104635 A2 (RGP ENGINEERING LLC) , el EP 0619417 A1 (ISHIKAWAJIMA HARIMA HEAVY IND) , el EP 0 681 099 A2 (ABB MANAGEMENT AG et al.) y el WO 2004/106718 A1 (EUROTURBINE AB et al.) La inyección de agua en la cámara de combustión de motores diesel consigue, por ejemplo, la reducción de óxidos de nitrógeno y humo negro. Además se conoce que el suministro de vapor de agua a la cámara de combustión puede aumentar la eficiencia energética de los combustibles usados. Para el calentamiento de agua y transferencia a la fase vapor se han propuesto intercambiadores de calor tubulares. El documento US 2007/039725 A1 propone para ello, por ejemplo, una estructura según la cual el flujo de vapor de agua experimenta un cambio de dirección y el medio acuoso a calentar no se pone en contacto en cada capa de revestimiento por ambos lados con respectivamente una capa de revestimiento que contiene el medio caliente.

La presente invención tiene el objetivo de poner a disposición una configuración especialmente ventajosa para la producción del vapor de agua calentado para la alimentación a la cámara de combustión de un motor de energía térmica.

El objetivo se resuelve mediante el objeto de las reivindicaciones independientes. Configuraciones ventajosas son objeto de las reivindicaciones dependientes o se describen a continuación.

Las cámaras de combustión que son apropiadas para la realización de la invención pueden ser parte de motores de energía térmica o también quemadores de calefacción. Los motores de energía térmica en el sentido de la invención son motores de pistón de movimiento alternativo, como por ejemplo, motores de dos tiempos, Otto y/o diesel. Pero junto a ello también son apropiados motores de pistón epicicloidal y rotativo, así como turbinas de gas. Los motores de energía térmica o quemadores de calefacción disponen de un suministro de combustible y uno de aire de combustión (aire de aspiración) , así como de un transporte para gases de combustión calientes (gases de escape) .

Los combustibles apropiados son sustancias oxidables con obtención de calor. Por ejemplo son hidrocarburos y sus derivados. Derivados apropiados son aceites vegetales, biodiesel, como éster de ácidos grasos saturados o insaturados, en particular éster metílico y/o éster etílico, o alcoholes, como etanol, propanol o metanol.

Parte del dispositivo según la invención es un intercambiador de calor tubular de varias paredes.

Según una configuración el intercambiador de calor presenta un tubo interior, un tubo envolvente interior y un tubo envolvente exterior. El recubrimiento interior se forma por el tubo interior y el tubo envolvente interior, el recubrimiento exterior por el tubo envolvente interior y exterior. El tubo interior (primer recubrimiento) y el recubrimiento exterior del intercambiador de calor tubular son atravesados respectivamente por el gas de escape caliente del motor de energía térmica. El recubrimiento exterior está delimitado hacia fuera de forma estanca a gases mediante el tubo envolvente exterior. En el recubrimiento interior, por un lado delimitado de forma estanca a gases por el tubo interior, por otro lado delimitado de forma estanca a gases mediante el tubo envolvente interior, se guía el medio gaseoso que contiene vapor de modo que éste se aspira por la tubuladura de aspiración del motor de energía térmica. Preferentemente el tubo interior y tubo envolvente exterior se atraviesan con el mismo sentido con un gas de escape caliente y el medio gaseoso que contiene vapor de agua se introduce a contracorriente.

El medio gaseoso que contiene vapor se suministra tangencialmente y en particular con un ángulo de 45 a 135º respecto a la dirección de flujo en el intercambiador de calor en referencia a la dirección de marcha del intercambiador de calor, por ejemplo, se suministra a través de una admisión con sección transversal mayor que el tubo envolvente interior y se evacúa independientemente de ello tangencialmente a través de una sección transversal mayor. El gas de escape se suministra y/o evacúa preferentemente tangencial, respectivamente preferentemente a través de una sección transversal de admisión mayor.

El gas de escape calienta el medio gaseoso que contiene vapor de agua en el intercambiador de calor a una temperatura sobre 550 ºC, preferentemente 600 a 900 ºC, en particular 650 a 800 ºC.

Es especialmente preferido si es en sentido opuesto el torbellino cíclico creado mediante el suministro tangencial con una sección transversal mayor. El gas de escape se conduce, por ejemplo, preferentemente de forma dextrógira en el intercambiador de calor y el medio gaseoso que contiene vapor de agua de forma levógira (o a la inversa) .

Si se considera que, por ejemplo, en el motor de combustión Otto durante la apertura de la válvula de salida el gas tiene una velocidad de salida de hasta aproximadamente 2000 km/h y este gas se conduce directamente al collarín del gas de

escape en recorridos tangenciales, se puede presentar la enorme turbulencia cíclica.

El/los recubrimiento (s) que evacúa (n) el gas de escape rodea (n) por ambos lados el recubrimiento interior situado en el centro y conectado con el lado de aspiración de la cámara de combustión para ambos tipos de intercambiadores de calor con el medio gaseoso que contiene vapor de agua. El intercambiador de calor se realiza de forma especialmente efectiva a través de dos superficies de intercambio.

El suministro del medio gaseoso que contiene vapor de agua al motor se realiza en la zona de aspiración para el aire de combustión, ventajosamente a través de una brida de Venturi con ranura en un punto más estrecho, en particular en el punto más estrecho. Para ello con el medio gaseoso que contiene vapor de agua también se pueden suministrar ventajosamente al mismo tiempo otros combustibles.

Las superficies de intercambio de los recubrimientos presentan ventajosamente en la superficie de intercambio exterior y/o la interior irregularidades en forma de depresiones y/o abombamientos en formas geométricas cualesquiera, por ejemplo, acanaladuras periféricas, en forma de S, rectilíneamente o escotaduras espirales, cilíndricamente, cónicamente, cilíndricamente con descenso cónico, esféricamente o semiesféricamente. Las depresiones y/o abombamientos aplicados en el material sirven para el aumento de la superficie para el intercambio de calor, pero también tienen un significado fluidotécnico, ya que deben dirigir los flujos de gases de modo que estos se arremolinen, preferentemente concéntricamente alrededor del eje del intercambiador de calor. En este caso también se pueden conseguir microtorbellinos, según se han causado, por ejemplo, mediante nanoperforaciones del material.

Es especialmente apropiada una microperforación o nanoperforación. La microperforación o nanoperforación se puede aplicar en el material mediante un tratamiento láser. El intercambiador de calor y sus paredes están fabricados preferentemente de acero inoxidable, vidrio, aluminio, latón y/o cobre.

El medio gaseoso que contiene vapor de agua se expone por consiguiente a un gran calor y se calienta, generando el sistema de suministro de aire de aspiración al mismo tiempo una depresión por lo que se baja el punto de ebullición. Además, la mezcla de gases experimenta un fuerte cizallamiento al fluir tangencial, unido dado el caso con el mecanizado del material descrito.

Sin querer estar ligado a la teoría se supone además que la debido al desplazamiento en sentido contrario de los flujos de gases calientes y fríos se generan campos electrostáticos / electromagnéticos que actúan de forma ionizante y/o polarizante.

Más allá los flujos de aire turbulentos, conducidos tangencialmente actúan de forma autolimpiante e impiden una obstrucción del intercambiador de calor.

El medio gaseoso que contiene vapor de agua se puede obtener, por ejemplo, de agua que se origina durante la combustión en la zona posterior poco antes de la salida de la instalación de gases de escape mediante condensación. Para ello el gas de escape se puede enfriar, por ejemplo, mediante un laberinto de chapas de impacto escalonadas a fin de condensar el agua, y el... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo para una cámara de combustión que presenta un intercambiador de calor (1) , un suministro de gas de escape, un sistema de aspiración de aire de combustión y una fuente de vapor de agua, caracterizado porque el intercambiador de calor (1)

- es un intercambiador de calor tubular de varias paredes,

-en el que el flujo de gas de escape caliente se conduce desde la cámara de combustión (19) a través del suministro de gas de escape, y el medio acuoso a calentar se conduce desde la fuente de vapor de agua, al intercambiador de calor (1) en capas de revestimiento (5, 6, 7) separadas, de modo que el medio acuoso a calentar está en contacto por ambos lados con respectivamente una capa de revestimiento (5, 7) que contiene

un flujo de gas de escape caliente, y

-en el que el sistema de aspiración de aire de combustión está interconectado con la capa de revestimiento para el medio acuoso a calentar, para el suministro de un medio gaseoso calentado que contiene vapor de agua del intercambiador de calor (1) a la cámara de combustión (19) , en el que

-el medio acuoso se suministra tangencialmente, transversalmente a la dirección de circulación del

intercambiador de calor tubular a fin de conducir el flujo de vapor de agua calentado dando vueltas alrededor del eje de la dirección de marcha del intercambiador de calor tubular.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque todas las capas de revestimiento abastecidas con gas de escape caliente son operadas a contracorriente respecto a las capas de revestimientos abastecidas del medio acuoso.

3. Dispositivo según al menos una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se utiliza un intercambiador de calor tubular y el tubo interior (2) , realizado dado el caso como primer recubrimiento (5) , dispone como primera capa de revestimiento de una admisión con sección transversal de paso mayor que la sección transversal de paso media del tubo interior y el gas de escape se suministra tangencialmente, transversalmente a la dirección de circulación del intercambiador de calor tubular.

4. Dispositivo según al menos una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se utiliza un intercambiador de calor tubular (1) y la capa de revestimiento (7) exterior dispone de una admisión (8b) con sección transversal de paso mayor que la sección transversal de paso media de la capa de revestimiento (7) exterior y el gas de escape se suministra tangencialmente, transversalmente a la dirección de circulación del intercambiador de calor tubular.

5. Dispositivo según al menos una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se usa un intercambiador de calor tubular (1) y la capa de revestimiento media dispone de una admisión (11a) con sección transversal de paso mayor que la sección transversal de paso media de la capa de revestimiento media y el medio acuoso se suministra tangencialmente, transversalmente a la dirección de circulación del intercambiador de calor tubular.

6. Dispositivo según al menos una de las reivindicaciones 2 a 5, caracterizado porque hay más de tres capas de revestimiento, presentando las capas de revestimiento adicionales preferentemente una estructura correspondiente y un abastecimiento correspondiente.

7. Dispositivo según al menos una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las capas de revestimiento presentan irregularidades en forma de depresiones y/o abombamientos en una o ambas superficies para el intercambiador de calor.

8. Dispositivo según al menos una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el intercambiador de calor (1) , el suministro para el medio acuoso, gaseoso y/o el agua antes de la evaporación se pone en contacto con un imán permanente o electroimán.

9. Dispositivo según al menos de una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el medio que contiene vapor de agua se suministra junto con los combustibles al intercambiador de calor (1) de la cámara de combustión (19) .

10. Procedimiento para el suministro de un medio gaseoso que contiene vapor a través del sistema de aspiración de aire de combustión a la cámara de combustión de un quemador de calefacción o un motor de energía térmica, que presenta 45 los pasos siguientes

-generación de un medio acuoso,

-calentamiento del medio acuoso en un intercambiador de calor tubular de varias paredes,

-en el que el flujo de gas de escape caliente y el medio acuoso a calentar se le suministran al intercambiador de calor en capas de revestimiento separadas, de modo que el medio acuoso a calentar está en contacto por ambos lados con respectivamente una capa de revestimiento del flujo de gas de escape caliente sin mezcla con el otro medio respectivo, y

en el que el sistema de aspiración del aire de combustión extrae, de la capa de revestimiento para el medio acuoso a calentar, vapor de agua caliente para el suministro del vapor de agua, dado el caso enriquecido con combustibles y/o 5 hidrógeno, a la cámara de combustión, en el que al menos el flujo de vapor de agua calentado se suministra dando vueltas alrededor del eje de la dirección de marcha del intercambiador de calor tubular.

11. Procedimiento según la reivindicación 10, caracterizado porque el medio acuoso calentado contiene además hidrógeno.

12. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones 10 u 11, caracterizado porque el flujo de vapor de agua calentado y el flujo de gas de escape se suministran dando vueltas alrededor del eje de la dirección de marcha del intercambiador de calor tubular (1) , respectivamente con otra dirección de circulación en referencia al otro flujo adyacente respectivo.

13. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones 10 a 12, caracterizado porque el dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 9 se usa en el procedimiento.