INTERCA BIADOR DE CALOR DE LECHO LLUVIOSO Y MÉTODOS DE USO
Antecedentes de la Invención Esta invención se refiere a intercambiadores de calor y sus métodos de uso. Los intercambiadores de calor proveen una estructura en la cual la energía térmica puede ser transferida de un medio caliente a un medio frió. En particular, un intercambiador de calor puede proveer una estructura en la cual una flama o gases calientes calientan, derriten o impulsan reacciones químicas en un material en partículas. Por ejemplo, en la manufactura de vidrio, un horno derrite el material de alimentación de carga de vidrio y vidrios rotos (vidrio reciclado) usando una flama formada de gas natural, petróleo, o carbón, y aire de combustión pre-calentado . La radiación de la flama y el alojamiento del horno transfieren calor al fundido. En algunos casos, un intercambiador de calor separado pre-calienta la carga de vidrio y los vidrios rotos usando gases de escape calientes del horno. En otro ejemplo, un horno calcinador calienta caliza (CaC03) para expulsar bióxido de carbono (C02) y calcinar la caliza en cal (CaO) . Un tipo de calcinador incluye un par de silos conectados en los cuales se quema gas natural entre los silos. Durante su uso, la caliza es alimentada a cada uno de los silos. Entonces, se aspira aire hacia uno de los silos y pasa a través de la flama de gas natural, la cual calienta el aire. El aire caliente pasa entonces a través del segundo silo y transfiere el calor a la caliza en ese silo para impulsar la reacción de calcinación. Después de un tiempo, se invierte la dirección del flujo de aire entre silos para calentar la caliza en el primer silo. Un horno giratorio también puede ser usado como calcinador. Un horno giratorio incluye un gran tubo que gira orientado a un pequeño ángulo con tierra. El material en partículas fluye a través del tubo de la parte superior a la parte inferior y es calentado con gases calientes en contraflujo. La rotación del tubo mezcla y rompe el flujo de materiales en partículas, para proporcionar calentamiento uniforme. Además, el horno giratorio puede incluir cadenas que cuelgan dentro del tubo para romper adicionalmente el flujo de materiales en partículas y transferir calor al material en partículas. En todos los casos, el diseño del intercambiador de calor intenta optimizar la eficiencia del proceso de transferencia térmica. Los tamaños del material en partículas pueden afectar esta eficiencia. Por ejemplo, en el calcinador de silo conectado, los espacios entre los trozos de caliza alimentados en los silos deben ser suficientemente grandes para proporcionar un pasaje para el flujo de aire con una caida de presión aceptable. Asimismo, en el horno giratorio, pequeños materiales en particu-las pueden "cubrir" los materiales en partículas mas grandes e impedir transferencia de calor a estos materiales en partículas mas grandes. Otra preocupación es la pérdida de materiales en partículas pequeños en los gases de escape del intercambiador de calor. Compendio de la Invención La invención se refiere a un intercambiador de calor en el cual gases que se elevan calientes (o frios) introducidos en la parte inferior del intercambiador de calor, calientan (o enfrian) un lecho lluvioso de material en partículas que cae introducido en la parte superior del intercambiador de calor. El intercambiador de calor incluye deflectores que retardan el material que cae e incrementan el tiempo de contacto entre los gases y el material. El intercambiador de calor puede ser usado para pre-calentar y calcinar parcialmente caliza antes de entregar la caliza pre-calentada a un horno calcinador que calcina la caliza por completo en cal. El intercambiador de calor puede enfriar eficientemente los gases de escape del horno calcinador usándolos como los gases calientes de entrada en el intercambiador de calor. El intercambiador de calor incluye deflectores enfriados por aire y aislamiento interno para acomodar las elevadas temperaturas requeridas para pre-calentar y calcinar parcialmente caliza. El intercambiador de calor puede también ser usado para pre-calentar cargas de vidrio y material de alimentación de vidrios rotos antes de derretir el material de alimentación en un horno de vidrio. Hay una sección de desvinculación en la parte superior del intercambiador de calor para separar de los gases que se elevan los materiales en partículas mas pequeños atrapados por los gases . La sección de desvinculación incluye una malla que impide la depuración de los gases que se elevan y produce una distribución de velocidad mas uniforme en la vecindad de la malla. Como resultado, los materiales en partículas atrapados se asientan fuera del flujo de gas, tanto arriba como abajo de la malla. Aquellos materiales en partículas que se asientan sobre la malla pueden asentarse sobre y posteriormente caer de regreso a través de la malla. Al asentarse los materiales en partículas fuera del flujo de gas, pueden acumularse y aglomerarse entre si, con ello formando materiales en partículas mas grandes que caen de regreso a través del intercambiador de calor sin ser re-atrapados por los gases que se elevan. En una forma de realización alternativa, puede un colocarse un filtro tal como una cavidad de bolsa en la sección de desvinculación en lugar de la malla. La porosidad del filtro permite que pasen los gases que se elevan a través del filtro y atrapa los materiales en partículas atrapados por los gases . Un separador ciclónico puede ser usado junto con el intercambiador de calor para recapturar adicionalmente materiales en partículas que permanecen atrapados en el flujo de gases después de pasar a través de la sección de desvinculación. Un tubo conecta la base del separador ciclónico al intercambiador de calor de modo que un mecanismo generador de flujo, tal como un eductor o una válvula giratoria, puede re-integrar continuamente al intercambiador de calor los materiales en partículas capturados por el separador ciclónico. En general, en un aspecto, la invención incluye un intercambiador de calor de lecho lluvioso que incluye: un apilamiento hueco; una entrada de alimentación ubicada cerca de la parte superior del apilamiento para introducir material en partículas al apilamiento de modo que el material caiga a través del apilamiento; una entrada de gas ubicada cerca de la parte inferior del apilamiento para introducir gases que se elevan al apilamiento de modo que los gases fluyan contrarios al material que cae; una pluralidad de deflectores sostenidos dentro del apilamiento entre las entradas de alimentación y de gas para retardar el material que cae y prolongar su exposición a los gases; y una sección de desvinculación ubicada cerca de la parte superior del apilamiento para separar los materiales en partículas en los gases atrapados por los gases que se elevan. La sección de desvinculación incluye una malla colocada dentro del apilamiento y teniendo una pluralidad de espacios libres a través de los cuales pasan los gases que se elevan a fin de separar suficientemente los materiales en partículas atrapados . El intercambiador de calor puede incluir cualquiera de los siguientes aspectos. La entrada de alimentación introduce el material en partículas al apilamiento debajo de la malla. Los espacios libres en la malla pueden estar distribuidos de manera uniforme. El área total de los espacios libres puede ser menor de alrededor de un quinto del área total de la malla, o menor de alrededor de un décimo del área total de la malla. El intercambiador de calor puede también incluir un vibrador mecánico conectado a la malla. La malla puede incluir superficies inclinadas hacia abajo que se angostan entre si para proveer la pluralidad de espacios libres. Por ejemplo, la malla puede incluir una pluralidad de vastagos teniendo sección transversal triangular, donde los vastagos son espaciados entre si para proporcionar la pluralidad de espacios libres. Asimismo, el área en sección transversal de la sección de desvinculación puede incrementarse con la altura. La sección de desvinculación puede incluir un ducto en un lado del apilamiento a través del cual salen del intercambiador de calor los gases que se elevan, y donde el volumen interior de la sección de desvinculación sobre la malla se incrementa en la dirección del ducto. Al menos uno de los deflectores en el intercambiador de calor puede incluir un tubo hueco y aislamiento refractario que rodea el tubo hueco. El interior del tubo hueco puede comunicarse con el ambiente para enfriar el deflector. El tubo hueco puede hacerse de acero. Al menos uno de los deflectores puede también incluir una capa resistente a la abrasión que cubre al menos la porción superior del material refractario. La capa resistente a la abrasión puede ser hecha de acero inoxidable, azulejo refractario, o vidrio. En otro aspecto, la invención incluye un sistema intercambiador de calor que incluye el intercambiador de calor antes descrito, un separador ciclónico, y un ducto que conecta la sección de desvinculación al separador ciclónico y donde los gases que se elevan pasan a través del ducto al separador ciclónico . El sistema intercambiador de calor puede incluir cualquiera de los aspectos siguientes. El sistema puede incluir un tubo que conecta la base del separador ciclónico al apilamiento debajo de la sección de desvinculación de modo que los materiales en partículas separados de los gases por el separador ciclónico sean re-introducidos al apilamiento. El sistema puede incluir un eductor para aspirar los materiales en partículas separados por el separador ciclónico a través del tubo y hacia el intercambiador de calor. El sistema puede incluir una válvula giratoria en el tubo para impulsar los materiales en partículas separados por el separador ciclónico a través del tubo y hacia el intercambiador de calor. En general, en otro aspecto, la invención incluye un intercambiador de calor de lecho lluvioso, que incluye: un apilamiento hueco; una entrada de alimentación ubicada cerca de la parte superior del apilamiento para introducir material en partículas hacia el apilamiento de modo que el material caiga a través del apilamiento; una entrada de gas ubicada cerca de la parte inferior del apilamiento para introducir gases que se elevan hacia el apilamiento de modo que los gases fluyan contrarios al material que cae; y una pluralidad de deflectores sostenidos dentro de las entradas de alimentación y de gas para retardar el material que cae y prolongar su exposición a los gases . Al menos uno de los deflectores comprende un tubo hueco y aislamiento refractario que rodea el tubo hueco. El intercambiador de calor puede incluir cualquiera de los siguientes aspectos. El tubo hueco puede estar hecho de acero. El interior del tubo hueco puede comunicarse con el ambiente para enfriar el deflector. Al menos uno de los deflectores puede incluir una capa resistente a la abrasión que cubre al menos una porción superior del aislamiento refractario. La capa resistente a la abrasión puede ser hecha de acero inoxidable, azulejo refractario, o vidrio. En general, en otro aspecto, la invención incluye un sistema intercambiador de calor que incluye: un intercambiador de calor de lecho lluvioso que tiene un apilamiento hueco, una entrada de alimentación ubicada cerca de la parte superior del apilamiento para introducir material en partículas al apilamiento de modo que el material caiga a través del apilamiento, una entrada de gas ubicada cerca de la parte inferior del apilamiento para introducir gases que se elevan al apilamiento de modo que los gases fluyan contrarios al material que cae, una pluralidad de deflectores sostenidos dentro del apilamiento entre las entradas de alimentación y de gas para retardar el material que cae y prolongar su exposición a los gases, y un ducto en el apilamiento arriba de la entrada de alimentación a través del cual salen del intercambiador de calor los gases que se elevan; un separador ciclónico conectado al intercambiador de calor por medio del ducto para separar de los gases materiales en partículas atrapados por los gases en el intercambiador de calor; un tubo que conecta la base del separador ciclónico al intercambiador de calor debajo de la entrada de alimentación de modo que los materiales en partículas separados de los gases por el separador ciclónico sean re-introducidos al intercambiador de calor, y un mecanismo generador de flujo adaptado para jalar de manera continua los materiales en partículas separados por el separador ciclónico a través del tubo y hacia el intercambiador de calor. El sistema generador de flujo en el sistema intercambiador de calor puede ser, por ejemplo, un eductor o una válvula giratoria. En general, en otro aspecto, la invención incluye un intercambiador de calor de lecho lluvioso que incluye: un apilamiento hueco; una entrada de alimentación ubicada cerca de la parte superior del apilamiento para introducir material en partículas al apilamiento de modo que el material caiga a través del apilamiento; una entrada de gas ubicada cerca de la parte inferior del apilamiento para introducir gases que se elevan al apilamiento de modo que los gases fluyan" contrarios al material que cae; una pluralidad de deflectores sostenidos dentro del apilamiento entre las entradas de alimentación y de gas para retardar el material que cae y prolongar su exposición a los gases; y una sección de desvinculación ubicada cerca de la parte superior del apilamiento para separar de los gases los materiales en partículas atrapados por los gases que se elevan. La sección de desvinculación incluye un filtro colocado dentro del apilamiento teniendo una porosidad que permite que pasen los gases que se elevan a través del filtro y atapar los materiales en partículas atrapados por los gases que se elevan. El intercambiador de calor puede incluir blindaje en el apilamiento debajo del filtro para formar una zona quiescente. Asimismo, la entrada de alimentación puede incluir un ducto que introduce material en partículas al apilamiento debajo del filtro. En general, en otro aspecto, la invención incluye un método de calcinar caliza en cal, que implica los pasos de: introducir caliza a un intercámbiador de calor cerca de su parte superior; permitir que la caliza caiga hacia abajo a través del intercambiador de calor mientras se introducen gases calientes cerca de la parte inferior del intercambiador de calor; permitir que los gases calientes hagan directamente contacto con y fluyan contrarios a la caliza que cae, con ello calentando la caliza; retardar la caliza que cae dentro del intercambiador de calor y con ello alargar el tiempo de contacto entre la caliza y los gases calientes; y recolectar la caliza caliente y entregarla a un horno calcinador para calcinar por completo la caliza caliente en cal . El método de calcinación puede incluir cualquiera de los aspectos siguientes. Los gases calientes pueden ser gases de escape del horno calcinador. Los gases calientes que son introducidos en el intercambiador de calor pueden tener una temperatura mayor de 1,600'F, o en el rango de alrededor de 1,900 a 2,000'F. La caliza puede ser calentada en el intercambiador de calor a una temperatura de mas de alrededor de 1,200'F. La invención incluye muchas ventajas. Por ejemplo, el intercambiador de calor puede enfriar de manera eficiente los gases de escape de un proceso corriente arriba usándolos como los gases de entrada en el intercambiador de calor. La sección de desvinculación reduce la fracción de materiales en partículas atrapados en los gases de escape del intercambiador de calor. En particular, la malla permite que materiales en partículas pequeños, atrapados asienten fuera del flujo de gas, se aglomeren entre si, y caigan de regreso a través del intercambiador de calor donde se recolectan de manera subsecuente. A mayor abundamiento, la malla requiere poco mantenimiento, si acaso. El separador ciclónico y el mecanismo generador de flujo re-capturan adicionalmente los materiales en partículas atrapados y los regresan al intercambiador de calor. La re-captura de materiales en partículas reduce la emisión de materiales en partículas al ambiente e impide el desperdicio de material de alimentación. A mayor abundamiento, pueden introducirse pequeños materiales en partículas (por ejemplo, menores de un cuarto de pulgada de diámetro) en el intercambiador de calor y pre-calentarse efectivamente sin perderse a los gases de escape. Asimismo, re-capturando y re-introduciendo continuamente los materiales en partículas capturados por el flujo de gas, la composición del material en partículas alimentado al intercambiador de calor es sustancialmente la misma que el producto de material en partículas precalentado de la base del intercambiador de calor. Otros aspectos y ventajas de la invención serán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada, y a partir de las reivindicaciones. Breve Descripción de los Dibu?os La figura 1 es una vista esquemática de un intercambiador de calor de lecho lluvioso. La figura 2 es una vista esquemática de una porción representativa de la sección activa en el intercambiador de calor mostrado en la figura 1. Las figuras 3A, 3B y 3C son diagramas en sección transversal que ilustran diversas formas de deflector. Las figuras 4A y 4B son vistas perpendiculares en sección transversal de un deflector de alta temperatura. Las figuras 5A, 5B y 5C son vistas esquemáticas de dos formas de realización de la sección de desvinculación en el intercambiador de calor mostrado en la figura 1. Las figuras 6A y 6B son vistas en sección transversal y en planta, respectivamente, de una malla para la sección de desvinculación mostrada en las figuras 5A, 5B y 5C. La figura 7 es una vista esquemática de una sección de tolva activa para el intercambiador de calor mostrado en la figura 1. La figura 8 es una vista esquemática de una forma de realización alternativa del intercambiador de calor en el cual la sección de desvinculación emplea una cavidad de bolsa en lugar de la malla. Descripción Detallada Intercambiador de Calor Haciendo referencia a la figura 1, se muestra un esquema de un intercambiador de calor de lecho lluvioso 10. El intercambiador de calor incluye un apilamiento hueco 11 que es tipicamente de alrededor de 25 a 35 pies de altura y tipicamente tiene una área interna rectangular en sección transversal de alrededor de 8 a 100 pies cuadrados. El perfil externo del apilamiento, incluyendo aislamiento y columnas de soporte, tipicamente tiene un área en sección transversal de alrededor de 25 a 140 pies cuadrados. Un sistema alimentador 12 suministra material sólido en partículas al apilamiento 11 a través de una sección de distribución 14 cerca de la parte superior del intercambiador de calor 10. El material en partículas cae dentro del apilamiento 11 impulsado por las fuerzas de gravedad desde la sección de distribución 14 a través de una sección de activación 16. Los gases calientes introducidos a través de una entrada de gas caliente 18 fluyen hacia arriba a la sección activa 16 y calientan el material en partículas que cae. Un ventilador 19 en el separador ciclónico 52 conectado al apilamiento 11 cerca de la parte superior del intercambiador de calor aspira los gases hacia arriba en la dirección de la flecha 13. El material calentado en partículas se recolecta en una sección de tolva 20, la cual libera subsecuentemente al material recolectado a un cargador inferior 22 que lleva el material caliente a un sitio de procesamiento subsecuente o almacenamiento. El intercambiador de calor puede ser usado como un precalentador para un proceso subsecuente que procesa adicionalmente, por ejemplo derrite o hace reaccionar térmicamente, el material en partículas calentado. En este caso, el pre-calenta-dor pre-calienta el material en partículas a una temperatura a la cual el material permanece fácil de manejar, por ejemplo el material no está derretido ni es pegajoso, y que incrementa la eficiencia y la velocidad del proceso corriente abajo. Tipicamente, gases de escape calientes del proceso subsecuente son enfriados de manera eficiente usándolos como gases de entrada caliente en el pre-calentador . Por ejemplo, el pre-calentador puede pre-calentar carga de vidrio y vidrios rotos a una temperatura de alrededor de 1,000'F usando gases de escape a 1,300'F de un horno de vidrio, que subsecuentemente derrite la carga de vidrio y vidrios rotos pre-calentados . Los arreglos para integrar eficientemente un pre-calentador, tal como el intercambiador de calor 10, con un horno de vidrio, son descritos por DeSaro y colaboradores (patente de los Estados Unidos No. 4,875,919), cuyo contenido es incorporado por referencia. Como se describirá en mayor detalle mas adelante, el intercambiador 10 puede también ser usado como un pre-calentador para calcinar parcialmente caliza en cal usando gases de escape de un calcinador como gases calientes de flujo de entrada para el precalentador. El sistema alimentador 12 incluye una tolva de carga 24, la cual recibe el material en partículas por calentarse de un elevador de cubeta o sistema de transporte neumático. La tolva de carga 24 deja caer el material en un cargador superior 26 que contiene un alimentador de tornillo giratorio que impulsa el material en partículas a la sección de distribución 14. El material en el alimentador de tornillo y sobre el cargador superior 26 provee un sello que impide que aire externo se infiltre en la sección de distribución 14 donde la presión es tipicamente de 2 a 5 pulgadas de agua por debajo de la presión atmosférica. Una banda transportadora 15 que se extiende hacia la sección de distribución 14 lleva el material en partículas a través de la sección transversal central del intercambiador de calor. El motor para la banda transportadora está ubicado fuera de la sección de distribución, donde las temperaturas son mas moderadas. Desviadores (no mostrados, ubicados inmediatamente sobre y a lo largo de la longitud de la banda transportadora) , sacan el material en partículas de la banda y esparcen el flujo de material en partículas a través de la sección de distribución. Después de que los desviadores empujan el material fuera de la banda, el material cae en una serie de deflectores, que dividen adicionalmente y esparcen el material en partículas . Los desviadores y deflectores en la sección de distribución son típicamente hechos de acero inoxidable u otro material de alta aleación y se extienden desde, y son sostenidos por, los lados del intercambiador de calor 10. Juntos, la banda transportadora, los desviadores y los deflectores esparcen uniformemente el material en partículas que cae a través de toda la sección transversal del intercambiador de calor. En otras formas de realización, por ejemplo, el sistema alimentador puede incluir tolvas y cargadores múltiples de modo que el material en partículas entre en la sección de distribución desde mas de un lugar. Un alimentador de malla vibratoria puede también ser usado en lugar de o en adición al alimentador de tornillo giratorio. Desde la sección de distribución 14, el material en partículas distribuido uniformemente cae en una sección activa 16. Haciendo referencia a la figura 2, la sección activa 16 incluye varios deflectores colocados estratégicamente 30 que desvían el material en partículas que cae y lo guian a lo largo de una trayectoria en zig-zag 32, con ello retardando el material que cae e incrementando su tiempo de residencia dentro de la sección activa 16. Este tiempo de residencia incrementado incrementa el calor transferido al material en partículas que cae desde los gases calientes que fluyen hacia arriba 34, que también son desviados por los deflectores. Los deflectores 30 se extienden desde un lado del intercambiador de calor a lo largo de una dirección perpendicular a la vista en sección transversal mostrada en la figura 2 y aportan una superficie inclinada hacia abajo para el material en partículas que cae. Los espaciamientos entre los deflectores determinan la máxima velocidad de los gases que fluyen hacia arriba y el tiempo de contacto entre el material en partículas que cae y los gases que se elevan. El ángulo descendente "A" y la longitud descendente "L" de los deflectores 30, asi como la altura global de la sección activa de calentamiento 16, determinan el tiempo de residencia del material en partículas. El tamaño del ángulo "A" y lo liso de las superficies de los deflectores son suficientes para permitir que el material en partículas calentado deslice a lo largo de las superficies de los deflectores sin pegarse en ellas. Materiales tales como acero inoxidable de terminado liso, metales de super-aleación lisos, carburo de silicio de terminado liso, o un metal refractario de granos finos, proveen un carácter suficientemente liso para los deflectores 30. Por ejemplo, un material apropiado es acero inoxidable con un terminado 2B, que está disponible de Ryerson Company (Chicago, Illinois, Estados Unidos) . Un ángulo adecuado de deflector "A" está en el rango de alrededor de 20 a 70", o mas particularmente, en el rango de alrededor de 40 a 60'. La longitud del deflector "L" es tal que el material en partículas 35 tipicamente aterriza sobre el tercio superior de un deflector inferior (por ejemplo, el deflector 30a) cuando desliza de un deflector superior (por ejemplo, el deflector 30b) . Una longitud adecuada de deflector está en el rango de alrededor de 4 a 18 pulgadas, o mas particularmente en el rango de alrededor de 7 a 12 pulgadas. Al aterrizar el material sobre el deflector inferior, se detiene, luego comienza a deslizar al extremo inferior del deflector, después de lo cual el material ha recolectado suficiente velocidad para llevarlo a través del flujo de gases que se elevan a un deflector subsecuente (por ejemplo, el deflector 30c) . Geometrías, espaciamientos y ubicaciones óptimos para los deflectores en la sección activa 16 también son descritos en el antecedente de DeSaro y colaboradores (patente de los Estados Unidos No. 4,875,919), cuyo contenido es incorporado en la presente por referencia. En adición al deflector en forma de "V" invertida 30 mostrado en la figura 2 y diagramado como forma deflectora 33 en la figura 3A, los deflectores en la sección activa 16 pueden también tener otras formas, tales como un deflector de tres aletas 35, como en la figura 3B, y un deflector en forma de diamante 36, como en la figura 3C. Las figuras 3A, 3B y 3C ilustran estas formas deflectoras con dimensiones ejemplares. También son posibles mezclas de estas formas deflectoras. Para intercambiadores de calor usados a temperaturas moderadas, por ejemplo aquéllas por debajo de alrededor de 1,400'F, los deflectores en la sección activa 16 son típicamente hechos de láminas de acero inoxidable de un cuarto de pulgada de grosor. A temperaturas superiores, tales como aquéllas que son alcanzadas si se usa el intercambiador de calor 10 para pre-calcinar caliza, muchos metales, incluyendo acero inoxidable, exhibirán "arrastre", es decir el metal se combará y doblará. El arrastre en los deflectores afectar la aerodinámica dentro de la sección activa 16 y afectará negativamente el desempeño del intercambiador de calor. En estos casos, los deflectores en la sección activa 16 deben incluir soporte adicional. Un diseño de deflector de alta temperatura, adecuado, es mostrado en las figuras 4A y 4B. La figura 4A es una vista en sección transversal de un deflector de alta temperatura 40 dentro de la sección activa 16. El deflector 40 incluye un tubo de metal enfriado por aire 42 rodeado por aislamiento refractario 44 teniendo un material resistente a la abrasión liso 46, tal como acero inoxidable de un cuarto de pulgada de grosor, sobre su superficie superior. Como se muestra en la figura 4B, que es una vista en sección transversal del deflector 40 perpendicular a la vista de la figura 4A, el tubo 42 se extiende a través de paredes opuestas del apilamiento 11 de modo que aire relativamente frío fuera del intercambiador de calor pueda fluir a través del tubo 42. El aire frió que pasa a través del tubo 42 y aislamiento refractario 44 que rodea el tubo impiden que el tubo alcance una temperatura a la que exhibe arrastre. El aislamiento refractario 44 también impide que el tubo enfriado por aire 42 enfrie los gases calientes que fluyen hacia arriba. El tubo 42 sostiene el material resistente a la abrasión 46 que desvia el material en partículas que cae, como se describió antes. Muchos tipos de aislamiento refractario tienden a tener una pobre resistencia a la abrasión, de modo que el material 46 también protege al aislamiento refractario 44 contra daños por el material en partículas que cae. Para manufacturar los deflectores, se moldea un aislamiento refractario susceptible de vaciarse alrededor del tubo de metal (por ejemplo, acero); luego, por ejemplo, se corta acero inoxidable de un cuarto de pulgada de grosor en el tamaño apropiado, se doble al ángulo apropiado, y luego se monta en el aislamiento refractario para uso como material 46. En otras formas de realización, el material 46 puede ser fabricado a partir de vidrio, refractario resistente a la abrasión, o azulejo refractario, dependiendo de la aplicación. De manera alternativa, el deflector de alta temperatura puede hacerse totalmente de aislamiento refractario rodeando un tubo enfriado por aire, donde la superficie superior del aislamiento refractario es resistente a la abrasión y suficientemente lisa.
La velocidad a la que cae el material en partículas a través del intercambiador de calor 10 depende de la fuerza de gravedad descendente sobre el material en partículas. Esta fuerza es proporcional a la masa del material en partículas, el "arrastre" sobre el material en partículas, que es proporcional al área superficial del material en partículas, y la fuerza ascendente sobre el material en partículas provista por los gases que se elevan. Aunque las partículas grandes en el material en partículas (que tienen relaciones relativamente grandes de masa a arrastre) caen a través del intercambiador de calor, las partículas pequeñas en el material en partículas (que tienen relaciones relativamente pequeñas de masa a arrastre) pueden ser capturadas por los gases que se elevan y llevadas hacia arriba a través del intercambiador de calor 10. Esta separación de las partículas grandes que caen y las partículas pequeñas que se elevan es conocida como elutriación. A menos que se compense de otra manera, las pequeñas partículas que se elevan serán liberadas a la atmósfera como escape, con ello desperdiciando material inicial y contaminando el ambiente. Para impedir esto y como se muestra en la figura 1, el intercambiador de calor 10 incluye una sección de desvinculación 50 y un separador ciclónico 52, que se conecta a un eductor neumático 54, como dos mecanismos para re-integrar a la sección activa 16 pequeñas partículas capturadas por los gases que se elevan. La sección de desvinculación 50, la cual está sobre la sección de distribución 14 y es mostrada en mayor detalle en la figura 5A, tiene un interior con una área en sección transversal que se incrementa. Incrementar el área en sección transversal puede lograrse incrementando el área global de la sección de desvinculación o reduciendo el forro refractario 56 en el interior de la sección de desvinculación 50. El forro refractario 56 es usado como aislamiento entre el interior del apilamiento 11 y una estructura de soporte 57 para el apilamiento. Como la temperatura de los gases en la sección de desvinculación es relativamente baja en comparación con los gases calientes que entran desde la parte inferior del intercambiador de calor 10, pueden usarse ambos métodos . Un incremento adecuado en el área en sección transversal es un incremento en un factor en el rango de alrededor de 2 a 8 sobre un incremento de 3 a 6 pies de altura . La sección de desvinculación 50 también incluye una malla 60 que abarca la anchura y la longitud del interior de la sección de desvinculación, es sustancialmente transversal al apilamiento 11, y tiene una pluralidad de espacios libres distribuidos de manera uniforme 62. La malla 60 impide la depuración de los gases que se elevan y forza los gases que se elevan a esparcirse sobre la sección transversal de la sección de desvinculación sobre la malla, con ello reduciendo tanto la velocidad pico como la velocidad promedio de los gases que se elevan. Reduciendo el área a través de la cual pueden pasar los gases que se elevan, la malla 60 produce una caída de presión en la sección de desvinculación. Una caída de presión adecuada es en exceso de alrededor de cinco veces la presión de velocidad (es decir, la fuerza que se ejercería por la corriente de gas cargada de partículas por unidad de área) de los gases que se elevan y, mas particularmente, en exceso de alrededor de 10 veces la presión de velocidad de los gases que se elevan. Esto puede ser logrado escalando proporcionalmente el área abierta total provista por los espacios libres. Por ejemplo, para producir una caida de presión de alrededor de 10 veces la presión de velocidad de los gases que se elevan, el área abierta total provista por los espacios libres debe ser de un décimo del área total de la malla. La malla puede ser de metal, tal como acero inoxidable, o material cerámico o plástico que pueda soportar condiciones de alta temperatura dentro de la sección de desvinculación. Al elevarse los gases y las partículas pequeñas atrapadas hacia la sección de desvinculación, la velocidad de los gases que se elevan tiende a reducirse al incrementarse el área en sección transversal del apilamiento. A mayor abundamiento, al acercarse los gases que se elevan a la malla 60 desde abajo, la malla 60 forza los gases que se elevan a esparcirse y pasar a través de los espacios libres 62 distribuidos, produciendo una distribución de velocidades sustancialmente uniforme sobre la malla 60. Como la malla 60 forza los gases que se elevan a esparcirse sobre una área mas ancha, reduce adicionalmente la velocidad de los gases que se elevan. Al reducirse la velocidad de los gases por debajo de la velocidad terminal de los materiales en partículas atrapados en el gas (como se determina por el tamaño relativo de las partículas) , las partículas caen a través de la corriente de gas y se asientan sobre la malla 60. Un vibrador mecánico es conectado a la malla para estimular a las partículas que se asientan sobre la malla 60 a caer de vuelta a través de los espacios libres 62. Al asentarse las partículas sobre la malla 60 y caer de regreso a través de los espacios libres 62, tienden a aglomerarse y formar cúmulos entre sí, de modo que se combinen las partículas mas pequeñas para formar las partículas mas grandes. Posteriormente, muchas de estas partículas mas grandes caerán de regreso a través del intercambiador de calor sin ser re-capturadas por los gases que se elevan. De esta manera, la malla y el área en sección transversal que se incrementa en la sección de desvinculación re-capturan las partículas elutriadas. La sección de desvinculación 50 puede también incluir aletas de guia sobre o debajo de la malla 60 para esparcirse adicionalmente y dividir el flujo de gas. Una forma de realización de malla 60 (malla 60') es mostrada en las figuras 6A (vista en sección transversal a lo largo de la línea A-A') y 6B (vista en planta) . La malla 60' es hecha de una hilera de vastagos paralelos 64 conectados entre si en sus extremos. Cada vastago 64 tiene una sección transversal triangular en la forma de un triángulo equilátero con un vértice apuntando hacia arriba, sustancialmente perpendicular a la dimensión transversal de la malla 60'. .Los vastagos 64 están espaciados igualmente entre sí para proporcionar espacios libres rectangulares 62'. La configuración triangular de los vastagos 64 permite que las partículas aglomeradas se logren momento descendente deslizando hacia abajo de los lados triangulares 66 de los vastagos 64. Una longitud adecuada para los dos lados superiores de los vastagos triangulares está en el rango de alrededor de 1 a 4 pulgadas, o mas particularmente, en el rango de alrededor de 1.5 a 2 pulgadas. Un espaciamiento libre adecuado entre los vastagos está en el rango de alrededor de 1/8 a 1 pulgada, o mas particularmente en el rango de alrededor de un cuarto a media pulgada. Pueden también usarse configuraciones triangulares distintas que las equiláteras. Por ejemplo, un ángulo adecuado para el vértice superior de los vastagos triangulares está en el rango de alrededor de 40 a 90", o mas particularmente en el rango de alrededor de 55 a 70". Asimismo, los vastagos pueden ser huecos. Por ejemplo, los vastagos pueden ser formados doblando láminas de metal en un vastago triangular hueco. A mayor abundamiento, cada lámina puede ser doblada en una "V" invertida de modo que solamente los dos lados superiores del triángulo sean formados. En otras formas de realización, los vastagos pueden tener secciones transversales curvas en vez de triangulares. Por ejemplo, pueden usarse vastagos circulares, en cuyo caso las partículas aglomeradas pueden deslizar a lo largo de la superficie que se curva hacia abajo de los vastagos y a través de los espacios libres . Formas de realización adicionales pueden incluir muchas configuraciones diferentes para la malla. Por ejemplo, la malla puede ser formada de una lámina de metal perforada teniendo un arreglo bi-dimensional de agujeros como espacios libres, a diferencia de la hilera uni-dimensional de espacios libres rectangulares 62' mostrados en las figuras 6A y 6B . En general, la malla es diseñada para producir una distribución de velocidades mas uniforme para los gases que se elevan y para permitir que las partículas asienten fuera de la corriente de gas para caer de regreso a través de los espacios libres en la malla, durante lo cual las partículas pueden aglomerarse o formar cúmulos entre sí. Haciendo referencia de nuevo a la figuras 5A, los gases salen de la sección de desvinculación 50 a través de un canal lateral 66 cerca de un lado del ducto 68 sobre la malla 60. Para minimizar la caída de presión a través de la parte superior del ducto y para re-dirigir los gases hacia el canal lateral, el volumen de ducto 68 sobre la malla 60 se incrementa en la dirección del canal lateral 66. Como se muestra en la figura 5A, la malla 60 está orientada sustancialmente perpendicular a la altura del intercambiador de calor 10 y la pared superior 69 del ducto 68 forma un ángulo hacia arriba, hacia el canal lateral 66, para proporcionar un volumen que se incrementa en el ducto 68 en la dirección del canal lateral 66. De manera alternativa, la malla 60 puede ser orientada a un ángulo con la altura del apilamiento 11 a fin de producir el volumen que se incrementa (en la dirección del canal lateral 66) en el ducto 68 sobre la malla 60, como se muestra en la figura 5B. Un ángulo adecuado para la orientación de la malla está en el rango de alrededor de 5 a 45" (desde la dimensión transversal del apilamiento) , y con mayor preferencia en el rango de alrededor de 15 a 30" (desde la dimensión transversal del apilamiento) . Otras formas de realización pueden incluir una combinación de las estructuras mostradas en las figuras 5A y 5B. Es decir, la pared superior 69 del ducto 68 forma ángulo hacia arriba, hacia el canal lateral 66 y la malla 60 está orientada a un ángulo con la altura del apilamiento 11, así produciendo el volumen que se incrementa (en la dirección del canal lateral 66) en el ducto 68 sobre la malla 60. En cualquiera de estas formas de realización, la forma del ducto 68 dirige los gases a través de un giro o vuelta de aproximadamente 90" de modo que fluyan con un perfil sustancialmente uniforme hacia el canal lateral 66 en la dirección de la flecha 71, que es sustancialmente perpendicular al apilamiento 11. Como se muestra en la figura 5C, que es una parte superior de la vista de la sección de desvinculación para cualquiera de las formas de realización mostradas en las figuras 5A y 5B, la pared lateral 69 del ducto 68 también es angulada para entonces dirigir los gases a través de un segundo giro o vuelta de aproximadamente 90* de modo que los gases fluyan hacia el canal lateral 66 en la dirección de la flecha 78, que también es sustancialmente perpendicular al apilamiento 11. De esta manera, el diseño del ducto 68 dirige los gases que se elevan a través de dos vueltas a 90" que producen un perfil de flujo sustancialmente uniforme y reducen el área en sección transversal del flujo al pasar hacia el canal lateral 66. La reducción del área en sección transversal del flujo es necesaria para introducir los gases del apilamiento en un separador ciclónico, que puede tener una área de entrada de abertura que es tan pequeña como alrededor de 20 pulgadas cuadradas. Haciendo referencia a la figura 1, el canal lateral 66 dirige el flujo de gas que sale del intercambiador de calor 10 al separador ciclónico 52. El separador ciclónico 52 separa mecánicamente de los gases de escape pequeñas partículas que pasan a través de la malla 60 y permanecen atrapadas en el flujo de gas. El separador ciclónico 52 tiene una porción superior de forma cilindrica 70 conectada a una porción inferior en forma de pipeta 72. El canal lateral 66 lleva gas al separador ciclónico 52 tangencial a la pared interna de la porción 70. La fuerza centrifuga separa partículas atrapadas del flujo de gas al chocar las partículas con las paredes internas del separador ciclónico 52. Las partículas separadas deslizan hacia abajo por las paredes internas hacia la porción inferior 72, que las hace pasar a un tubo 74 que guía las partículas de regreso al intercambiador de calor. Los gases en el separador ciclónico 52 ciclan alrededor de las porciones 70 y 74 y regresan hacia arriba a través del centro del separador ciclónico 52, y posteriormente escapan a través de una abertura de escape 76 en la parte superior del separador ciclónico". Un intercambiador de calor que emplea un separador ciclónico es descrito adicionalmente por Colé y colaboradores (patente de los Estados Unidos No. 5,125,943), cuyo contenido se incorpora por referencia. El intercambiador de calor 10 incluye el eductor 54 que opera en conjunción con el separador ciclónico 52. El eductor 54 suministra un chorro de aire 53 al tubo 74 en la dirección del intercambiador de calor 10 para aspirar mas intensamente las partículas de regreso al intercambiador de calor. Usando el eductor 54, mucho menos partículas permanecen atrapadas en el flujo de gas y escapan a través de la abertura de escape 76. El eductor provee un flujo continuo de material del separador ciclónico 52 de regreso al intercambiador de calor 10. En particular, como el eductor 54 se opone a la diferencia de presión entre el separador ciclónico y el intercambiador de calor, las partículas capturadas por el separador ciclónico 52 pueden fluir a través del tubo 74 y ser re-introducidas directamente a la sección activa 16, donde se re-mezclan con material en partículas que cae de la sección de distribución 14. Asimismo, al regresar las partículas a la sección activa 16 fluyendo a través de la porción inferior 72 y el tubo 74, pueden aglomerarse en partículas mas grandes que no serán re-capturadas por los gases que se elevan en la sección activa. El eductor también recicla algo de los gases en el separador ciclónico 52 de regreso a la sección activa 16. El aire suministrado al eductor 54 es calentado a una temperatura suficiente para impedir condensación de humedad en el tubo 74. Adicionalmente, el separador ciclónico 52 y el tubo 74 son aislados para impedir manchas frias que también pueden ocasionar condensación. Es importante impedir la condensación de humedad, pues de otra manera el material en partículas en el tubo puede tornarse pegajoso y bloquear el flujo de material en partículas a través del tubo. El chorro de aire 53 provisto por el eductor es fijado para solo superar ligeramente la caída de presión entre el barril del separador ciclónico y el intercambiador de calor, con ello creando el flujo de partículas del eductor al intercambiador de calor. Esta caida de presión es típicamente de alrededor de una a cuatro pulgadas de columna de agua (w.c.) . Nótese que 27.7 pulgadas de columna de agua corresponden a una libre por pulgada cuadrada (psi) . En otras formas de realización, puede usarse una válvula giratoria dentro del tubo 74 en lugar del eductor 74, a fin de superar el diferencial de presión y crear el flujo continuo de material en partículas. Como se describió previamente, el material en partículas calentado se recolecta en la sección de tolva 20 cerca de la parte inferior del apilamiento 11, que envia el material al cargador inferior 22. El material recolectado puede haber caído directamente a través de la sección activa 16, puede haber sido capturado por los gases que se elevan y separado de ellos por la sección de desvinculación 50 antes de caer a través de la sección activa 16, o puede haber sido capturado por los gases que se elevan y separado de ellos por el separador ciclónico 52 antes de ser re-introducido en la sección activa 16. De manera alternativa, en otras formas de realización, el tubo 74 se conecta al apilamiento 11 debajo de la entrada de gas caliente 18 y re-introduce el material en partículas separado directamente a la sección de tolva. En este caso, para re-mezclar este material en partículas con el material en partículas que cae a través del apilamiento 11, la sección de tolva incluye un ducto de cascada que combina el material en partículas en una sola corriente de partículas y tiene deflectores para plegar la corriente de material en partículas sobre si misma en numerosas ocasiones . En otra forma de realización, la sección de tolva 20 es reemplazada con una sección de tolva activa adyacente a la entrada de gas caliente 18. La sección de tolva activa envia las partículas calentadas al cargador inferior 22 al tiempo que también incluye deflectores para retardar el material en partículas que cae y esparcir los gases calientes a través de la sección transversal interior del apilamiento 11. Retardando la caída del material en partículas, los deflectores incrementan el intercambio de calor entre los gases y el material en partículas de la misma manera que los deflectores en la sección activa 16. Como resultado la sección de tolva activa reduce la altura global del apilamiento tanto consolidando el material que cae como también prolongando el intercambio de calor. Haciendo referencia a la figura 7, se muestra una configuración de una sección de tolva activa 80. El área en sección transversal 80 se incrementa con la altura usando una pared de rampa 82 adyacente a la entrada de gas caliente 18. La sección 80 incluye deflectores en forma de diamante 84 para retardar el flujo hacia abajo del material en partículas y distribuir los gases calientes. Una malla 86 separa la entrada de gas caliente 18 de la sección 80. La malla 86 es hecha de una serie de tubos triangulares espaciados 88. Los espacios entre los tubos esparcen los gases que se elevan y los lados que se inclinan hacia abajo 90 de los tubos triangulares permiten que el material en partículas que cae deslizar hacia abajo por sus superficies hacia el cargador inferior. Son también posibles muchas otras configuraciones. Por ejemplo, pueden usarse diferentes tipos de mallas, la entrada de gas puede estar adyacente a una pared perpendicular en vez de una pared de rampa, la sección puede incluir entradas de gas en paredes múltiples, y la sección puede también incluir paredes de rampa múltiples para trasladar el material en partículas que cae.
^La estructura interna y externa del apilamiento 11 dependerá de la aplicación del intercambiador de calor 10. Por ejemplo, las aplicaciones que implican pre-calentar vidrios rotos y carga para manufactura subsecuente de vidrio requieren que el material pre-calentado no esté contaminado por los materiales dentro del pre-calentador. En este caso, las paredes internas del apilamiento 11 son construidas de acero inoxidable, mientras que las paredes externas del apilamiento 11 incluyen aislamiento. En aplicaciones tales como pre-calcinar caliza, las temperaturas dentro del intercambiador de calor pueden ser suficientemente elevadas (es decir, mayores de 1,400'F) para afectar negativamente la estabilidad estructural y química del material estructural. En estos casos, se construye el apilamiento 11 con una estructura externa de soporte de acero al carbón que tiene sus paredes internas forradas con una capa intermedia de aislamiento refractario y un forro refractario resistente a la abrasión expuesto. El acero al carbón es menos costoso que el acero inoxidable, con ello minimizando costos, y la capa intermedia aisla la estructura de soporte de acero al carbón y es protegida del material en partículas que cae por el forro resistente a la abrasión, en gran medida igual que los materiales en el deflector de alta temperatura antes descrito. Ejemplos de aislamiento refractario adecuado, que tiende a ser ligero y poroso, están disponibles de Resco Products Inc. (Norristown, Pennsylvania, Estados Unidos) e incluye Resco RS-3A, mientras que ejemplos de refractario resistente a la abrasión, que tiende a ser denso, incluyen Resco Sureflow 70LC o 52LC. Estos materiales pueden también ser usados en el deflector de alta temperatura. En otra forma de realización del intercambiador de calor 10, la malla 60 es reemplazada con medio de filtro tal como bolsas de filtro, velas cerámicas o un monolito cerámico. Medios de filtro tales como éstos son bien conocidos en la materia, ver, por ejemplo, Jacqueline I. Kroschwitz (editor), Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology (4a. edición), vol. 10, pp . 788-853 (John Wiley & Sons, Nueva York, 1993) , cuyo contenido se incorpora en la presente por referencia. Las bolsas de filtro son hechas de una tela o trama porosa que incluye, por ejemplo, poliéster, algodón o nilón. Puede usarse un tamiz para sostener una pluralidad de bolsas de filtro que cuelgan erectas a fin de formar lo que se conoce como una cavidad de bolsa. Las bolsas están dispuestas en la cavidad de bolsa tal que los gases que pasan a través de la cavidad de bolsa deban pasar a través de la tela de al menos una bolsa. Las velas cerámicas son tubos cerámicos porosos, de extremo cerrado, que pueden disponerse de una manera similar a las bolsas en una cavidad de bolsa. El uso de bolsas de filtro o velas cerámicas incrementa el área superficial del medio de filtro para una sección transversal dada. Velas cerámicas adecuadas pueden ser obtenidas de Ceramem, Inc. (Waltham, Massachusetts, Estados Unidos) . De manera alternativa, puede usarse como medio de filtro un monolito cerámico, el cual es una lámina de material cerámico, poroso. Un monolito cerámico adecuado puede ser obtenido de Corning Glass Co. (Corning, New York, Estados Unidos) . Típicamente, en procesamiento térmico con gases calientes, se usan estos tipos de medios de filtro para remover materiales en partículas de gases polvosos antes de dirigir los gases a un apilamiento. En esta forma de realización de la invención, el medio de filtro reemplaza la malla en la sección de desvinculación 50 cerca de la parte superior del intercambiador de calor 10. El medio de filtro es suficientemente poroso para permitir que los gases calientes que se elevan pasen a través del mismo mientras atrapan el material en partículas atrapado en los gases que se elevan. El tipo exacto de medio de filtro es seleccionado de acuerdo con su estabilidad térmica (con relación a los gases calientes) y el rango de tamaños del material en partículas por atraparse. El intercambiador de calor también incluye un vibrador mecánico, tal como un cuerno de niebla, o al menos un chorro de aire, que periódicamente produce un pulso de presión en el medio de filtro que separa el material en partículas atrapado del medio de filtro de modo que el material en partículas caiga de regreso a través del apilamiento 11. Dependiendo de la distribución de tamaños del material de alimentación y las características del medio de filtro, el intercambiador de calor 100 puede también incluir un separador inercial (tal como un separador ciclónico) o un separador de impactos (tal como un ducto con un ángulo agudo o una malla) para remover materiales en partículas de los gases que se elevan antes del medio de filtro a fin de reducir la carga de materiales de partículas del medio de filtro. La figura 8 muestra otra forma de realización de un intercambiador de calor 100, que incluye una sección de desvinculación 102 que, por ejemplo, emplea una cavidad de bolsa 104 en vez de una malla. La cavidad de bolsa sostiene una pluralidad de bolsas tubulares que cuelgan erectas 106 hechas de, por ejemplo, tela de poliéster. Las bolsas 106 son dispuestas tal que los gases calientes que se elevan 110 (curva punteada) deban pasar a través de al menos una bolsa a fin de salir del apilamiento 102
(a través de un canal lateral 112) . Las bolsas 106 pueden soportar las altas temperaturas en la sección de desvinculación
(es decir, mayor de 800 " F) y tienen una porosidad suficiente para permitir que los gases que se elevan pasen mientras atrapan las partículas atrapadas en los gases que se elevan. Las bolsas son seleccionadas para tener una porosidad que corresponde al tamaño de las partículas mas finas en el material en partículas de alimentación . El material en partículas de alimentación es alimentado al intercambiador de calor 100 en la parte superior del apilamiento 102 a través de un tubo de entrada de alimentación 114 que se extiende a través de una cavidad de bolsa 104 y libera el material en partículas 108 en un número de deflectores 116 que esparcen el material en partículas que cae a través de la sección transversal del apilamiento 102. Posteriormente, el material en partículas cae a través de una sección activa que contiene deflector 113 y una sección de tolva 115 que son similares a las antes descritas con relación al intercambiador de calor 10. Los gases calientes que se elevan 110, que entran al apilamiento a través de una entrada de gas 117, calientan el material en partículas que cae y atrapan algo del material en partículas mas fino. La cavidad de bolsa 104 retira el material de partículas atrapado de los gases que se elevan, que luego pasa hacia un pleno de aire limpio 118 (es decir, sustancialmente libre de partículas) y en el canal lateral transversal 112. Un vibrador mecánico (no mostrado) separa el material en partículas atrapado de la cavidad de bolsa 104 de modo que caiga en una zona quiescente 120 donde puede caer libremente y posteriormente re-mezclarse con el material en partículas mas grandes al caer a través de la sección activa 113. La zona quiescente 120 puede ser formada por un tubo o ducto 122 que blinda el material en partículas finas separado de los gases que se elevan. De manera alternativa, o en adición, la zona quiescente 120 puede ser formada en una región de baja velocidad del apilamiento tal como las regiones adyacentes a las paredes laterales del apilamiento. Usar el Intercambiador de Calor en la Manufactura de Vidrio El intercambiador de calor 10 puede ser usado como un pre-calentador que enfría de manera eficiente los gases de escape de un horno de vidrio pre-calentando el material de alimentación de carga y vidrios rotos para el horno. Los gases de escape del horno son dirigidos al intercambiador de calor 10 a través de la entrada de gas 18 y el material de alimentación sin calentar es suministrado por el sistema alimentador 12. Cuando se manufactura vidrio, es importante que la composición del material de alimentación suministrado al intercambiador de calor 10 permanezca sustancialmente igual que la del material pre-calentado que sale del intercambiador de calor 10. Esto significa que la mayor parte de las partículas pequeñas elutriadas (mas del 99%) deben ser re-capturadas y re-mezcladas con el resto del material de alimentación pre-calentado que sale del intercambiador de calor. A mayor abundamiento, en algunas aplicaciones, la composición del material de alimentación cambia con el tiempo. En estos casos, la re-captura y el re-mezclado deben ocurrir continuamente y a una velocidad mayor que la velocidad a la que está cambiando la composición del material de alimentación. La sección de desvinculación 50, y el separador ciclónico 52 combinado con el eductor 54 (o alternativamente, un separador ciclónico combinado con una válvula giratoria) permiten al intercambiador de calor 10 satisfacer estos criterios. En un ejemplo, se usó el intercambiador de calor 10 para pre-calentar continuamente material de alimentación de vidrios rotos y carga por 12 horas usando gases de entrada a 1,300'F. La velocidad de flujo de entrada de vidrios rotos y carga fue de alrededor de 200 libras/hora y la máxima velocidad de gas fue mantenida por debajo de 5.5 pies/segundo. Bajo estas condiciones, los vidrios rotos y la carga fueron pre-calentados a alrededor de 1,000'F al salir del intercambiador de calor. El polvo en el escape del separador ciclónico fue medido para determinar la fracción de material de alimentación perdida por la elutriación. Incluso sin usar el eductor, el polvo en el escape del separador ciclónico fue menor a 0.5% de la velocidad de flujo de vidrios rotos y carga. Re-integrando el material capturado por el separador ciclónico al intercambiador de calor usando el eductor, el polvo en el escape del separador ciclónico fue menos de 0.02% de la velocidad de flujo de entrada de vidrios rotos y carga. El eductor mejoró el desempeño del separador ciclónico retirando continuamente las partículas que habla capturado el separador ciclónico. Cuando se pre-calienta material de alimentación para la manufactura de vidrio, también es importante que no haya desgaste de los deflectores o las paredes del intercambiador de calor que pueda contaminar el material de alimentación pre-calentado. En el ejemplo anterior, los deflectores y las paredes internas del intercambiador de calor 10 fueron hechas de acero inoxidable. Las mediciones espectroscópicas de vidrio hecho a partir del material pre-calentado de carga y vidrios rotos indicó que no hubo una presencia detectable de cromo o hierro provenientes del desgaste del acero inoxidable.
Usar el Intercambiador de Calor para Pre-Calcinar Caliza Puede también usarse el intercambiador de calor 10 para enfriar eficientemente gases de escape a partir de un horno calcinador usando los gases de escape para pre-calentar y pre-calcinar material de alimentación de caliza para el calcinador. El horno calcinador típicamente incluye un chorro que suspende partículas del material de alimentación de caliza y las calienta con gases calientes a alrededor de 1,900'F. Los gases calientes calcinan la caliza (CaC03) en cal (CaO) , expulsando bióxido de carbono (C02) . Como la cal es menos densa que la caliza, escapa de la parte superior de la suspensión y es recolectada posteriormente. Los gases de escape del calcinador salen a alrededor de 1,900 a 2,000"F. Estos gases son dirigidos a la entrada de gas caliente 18 en el intercambiador de calor 10 donde pre-calientan y calcinan parcialmente material de alimentación de caliza introducido en el apilamiento 11 a través del sistema alimentador 12. El material de alimentación de caliza pre-calentado y parcialmente calcinado es entonces alimentado al calcinador. La calcinación parcial de caliza en el intercambiador de calor 10 requiere temperaturas de gas caliente de al menos entre 1,400 y 1,600'F. Los deflectores incrementan el tiempo de residencia de la caliza que cae en el apilamiento 11, con ello acrecentando la calcinación. El intercambiador de calor 10 extrae energía de los gases de escape del calcinador precalentando, reaccionando parcialmente, y removiendo humedad del material de alimentación de caliza. En particular, la conversión de caliza en cal es una reacción endotérmica que requiere de energía. Integrar el intercambiador de calor 10 con el horno calcinador incrementa la eficiencia del proceso global de calcinación. Para acomodar las altas temperaturas implicadas en el pre-calentamiento de caliza, el intercambiador de calor debe incorporar el diseño de deflector caliente y el aislamiento interno descrito previamente. Los requerimientos de niveles aceptables de partículas elutriadas en los gases de escape del intercambiador de calor son menos estrictos en el procesamiento de caliza que en la manufactura de vidrio, principalmente debido a que no es un punto relevante la uniformidad composicional (es decir, todo el material de alimentación es caliza) . No obstante, las partículas perdidas a la atmósfera desperdician materias primas y son contaminantes. Un nivel objetivo adecuado para partículas perdidas es menor de alrededor del 10%. Empleando la sección de desvinculación antes descrita, el intercambiador de calor satisface fácilmente este objetivo. Otra ventaja del intercambiador de calor 10 es que el diseño de lecho lluvioso permite que se pre-calienten eficientemente materiales en partículas de alimentación de caliza incluso pequeños (es decir, menores de un cuarto de pulgada de diámetro) . En un ejemplo, el intercambiador de calor 10 calentó el material de alimentación de caliza a temperatura de habitación a mas de 1,200'F y logró mas del 11% de calcinación usando gases de entrada calientes a 1,900'F. En este caso, la velocidad de flujo de gas de entrada fue de 2,100 libras/hora y la velocidad de flujo de caliza de entrada fue de 1,600 libras/hora. Otras Formas de Realización Se entenderá que aunque la invención ha sido descrita en conjunción con su descripción detallada, que la descripción anterior está destinada a ilustrar y no limitar los alcances de la invención, los cuales son definidos por los alcances de las reivindicaciones anexas. Por ejemplo, la sección de desvinculación en el intercambiador de calor puede conectarse a múltiples separadores ciclónicos en vez de un solo separador ciclónico. Asimismo, para reducir la altura del intercambiador de calor, puede construirse con flechas múltiples y un sistema de izamiento mecánico-neumático, que mueve el material en partículas calentado desde la parte inferior de una flecha a la parte superior de la siguiente flecha. En general, el intercambiador de calor de lecho lluvioso antes descrito puede ser usado para calentar cualquier tipo de material en partículas a una temperatura inferior a su temperatura de fusión. El intercambiador de calor puede también ser usado para calentar gases frios con material en partículas caliente proveyendo gases frios que se elevan en la parte inferior del apilamiento y material en partículas caliente en la parte superior del apilamiento.
Otros aspectos, ventajas y modificaciones se encuentran dentro de los alcances de las siguientes reivindicaciones.