ES2582657T3

ES2582657T3 - Intercambiador térmico en modo de construcción modular

Info

Publication number: ES2582657T3
Application number: ES08015786.0T
Authority: ES
Inventors: Wilhelm Bruckmann; Wolfgang Dr. Hegner; Dirk Band
Original assignee: Balcke Duerr GmbH
Current assignee: Balcke Duerr GmbH
Priority date: 2008-09-08
Filing date: 2008-09-08
Publication date: 2016-09-14
Anticipated expiration: 2028-09-08
Also published as: WO2010025960A2; PT2161525T; EP2161525A1; US8708035B2; AU2009289762A1; EP2161525B8; WO2010025960A3; KR20110069804A; CN102149999A; US20100059216A1; AU2009289762B2; CN102149999B; EP2161525B1

Abstract

Intercambiador (1) de calor en modo de construcción modular, en particular para instalaciones accionadas con grandes cambios de carga y/o de temperatura, con un revestimiento externo (70) y un número de módulos de intercambiador de calor, en el que cada módulo de intercambiador de calor, que es o bien un módulo (10) de precalentador, (20, 30, 40) de vaporizador o (50) de recalentador, presenta un colector (11, 21, 31, 41, 51) de entrada, un colector (12, 22, 32, 42, 52) de salida, así como tubos (120) que discurren en forma de meandro, a través de los cuales el medio de absorción de calor, en particular agua, fluye desde el colector (11, 21, 31, 41, 51) de entrada al colector (12, 22, 32, 42, 52) de salida, y además los módulos de intercambiador de calor están dispuestos en el revestimiento externo (70) común, de manera que a su alrededor fluye el mismo medio de emisión de calor, estando conectados en paralelo los módulos (20, 30, 40) de vaporizador a través de un tambor (60) de vapor dispuesto fuera del revestimiento externo (70) y pudiendo instalarse el intercambiador (1) de calor en horizontal o en vertical, caracterizado porque el módulo de intercambiador de calor en el caso de una instalación en horizontal presenta un número de capas (100, 110) de tubo horizontales, formándose cada capa (100, 110) de tubo de un mismo número de tubos, y porque los tubos de las capas (100, 110) de tubo están orientados en dirección vertical situados exactamente uno encima de otros, en el que las direcciones de flujo del medio de absorción de calor en secciones (210) de tubo adyacentes en vertical de capas (100, 110) de tubo adyacentes, dispuestas transversalmente al eje central (200) del revestimiento externo (70) son opuestas.

Description

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

DESCRIPCION

Intercambiador termico en modo de construccion modular

La invencion se refiere a un intercambiador de calor en modo de construccion modular para instalaciones en las cuales aparecen grandes oscilaciones de cargas y/o de temperature, en particular en centrales solares. Un intercambiador de calor de acuerdo con el preambulo de las reivindicaciones 1 y 2 se conoce por el documento GB 653 540 A.

Por el documento DE 29510720 U1 del solicitante se conoce un intercambiador de calor que se ha acreditado excelentemente bien en particular como refrigerador de aire de refrigeracion para turbinas de gas. Este presenta tubos para la separacion del medio de emision de calor y del medio de absorcion de calor. Los tubos estan dispuestos discurriendo en forma de meandro entre un tubo colector de entrada y un tubo colector de salida y a traves de ellos circula un medio de absorcion de calor. El medio de absorcion de calor circula alrededor estos tubos que discurren en forma de meandro.

Con ayuda del intercambiador de calor conocido por el documento DE 29510720 U1 las cargas de tipo mecanico y termico que aparecen debido a los cambios de carga y de temperatura frecuentes pueden reducirse con exito. Ademas la configuracion en forma de meandro de los haces de tubo permite un “downsizing” (reduccion del tamano) del intercambiador de calor con una potencia constante. A pesar de las ventajas expuestas existe ademas la demanda de intercambiadores de calor todavfa mas compactos y todavfa mas eficientes que pueden fabricarse e manera flexible y sin embargo de manera economica. Los intercambiadores de calor para centrales solares, en particular centrales de canales parabolicos deben presentar ademas velocidades de arranque mas rapidas con gradientes de temperatura elevados.

Por lo tanto el objetivo de la invencion se basa en mejorar adicionalmente el intercambiador de calor conocido por el documento DE 29510720 U1 e indicar un intercambiador de calor que posibilite un modo de construccion todavfa mas compacto, de manera que se requiere todavfa menos demanda de espacio para el intercambiador de calor. Ademas es objetivo de la invencion posibilitar, ademas de la bajada de los costes de produccion un modo de construccion flexible.

El objetivo se consigue mediante un intercambiador de calor de acuerdo con las reivindicaciones dependientes 1 y 2. En las reivindicaciones dependientes se indican perfeccionamientos preferentes.

El intercambiador de calor de acuerdo con la invencion esta construido de manera modular. Los modulos de intercambiador de calor que son al menos un modulo de precalentador, al menos un modulo de vaporizador y al menos un modulo de recalentador se disponen en un revestimiento externo comun en el que un medio de emision de calor circula alrededor de los modulos de intercambiador de calor con haces de tubo que discurren en forma de meandro: el intercambiador de calor reune por tanto al menos tres aparatos diferentes en uno. El intercambio de calor se realiza segun el principio de contracorriente o de corrientes cruzadas. Los tubos en forma de meandro son atravesados por un medio de absorcion de calor, por ejemplo agua. Mediante la disposicion en forma de meandro de los haces de tubo se reduce el tamano de construccion del intercambiador de calor, se mejora la transferencia de calor del medio de emision de calor al medio de absorcion de calor, y ademas aumenta la elasticidad termica de la construccion.

La invencion se basa entre otros en el conocimiento de que mediante la disposicion de los modulos de intercambiador de calor individuales en un revestimiento externo comun se reduce claramente el tamano de construccion del intercambiador de calor con la misma capacidad de rendimiento, o incluso aumentada, del intercambiador de calor. Una ventaja adicional del modo de construccion modular consiste en la posibilidad de la adaptacion flexible de modulos de intercambiador de calor segun las exigencias. Asf, por ejemplo, segun la demanda pueden anadirse modulos individuales o modificarse solamente modulos individuales por ejemplo mediante la modificacion de las longitudes de haz de tubo. Por ello se omite el gasto para un diseno global extenso del intercambiador de calor. Ademas pueden bajarse los costes de produccion dado que en lugar de la fabricacion individual costosa de componentes de intercambiador de calor pueden emplearse piezas iguales o modulos iguales. Mediante el ahorro de uniones de tubo adicionales entre los modulos individuales y mediante el modo de construccion compacto no solamente se rebajan los costes de material, sino que tambien aumenta la eficiencia del intercambiador de calor dado que la perdida de calor en el entorno gracias a la disminucion de la superficie que esta en contacto con el ambiente entorno se reduce de manera efectiva.

Mediante la conexion en paralelo de varios modulos de vaporizador mediante un tambor de vapor se aumenta adicionalmente la flexibilidad y la eficiencia. Aun encima puede alcanzarse un arranque mas rapido con gradientes de temperatura mas altos, lo que es de enorme importancia en el caso de condiciones de carga y de temperatura alternas de por ejemplo centrales solares. Segun una variante de realizacion preferente de la invencion los tubos a traves de los cuales circula el medio de absorcion de calor desde el colector de salida del modulo de vaporizador respectivo hacia el tambor de vapor estan conectados entre sf de manera que presentan solamente una unica entrada comun al tambor de vapor. Por ello se reducen ademas costes de material y tambien la perdida de calor al entorno.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Igualmente de acuerdo con un perfeccionamiento ventajoso adicional de la invencion los tubos, a traves de los cuales circula el medio de absorcion de calor desde el tambor de vapor hacia el colector de entrada del modulo de vaporizador respectivo, estan unidos entre sf de manera que presentan una unica salida comun desde el tambor de vapor.

De acuerdo con la invencion el intercambiador de calor puede instalarse o bien en horizontal o en vertical. La instalacion en vertical permite un aprovechamiento de superficie todavfa mejor. En este caso varios de los intercambiadores de calor de acuerdo con la invencion pueden accionarse unos al lado de otros en paralelo en una superficie relativamente pequena. En particular en centrales solares las relaciones de espacio no son favorables dado que los colectores de canales parabolicos ocupan mucho espacio. El modo de construccion que ahorra espacio de los intercambiadores de calor de acuerdo con la invencion permite una instalacion casi independiente del lugar de manera que los trayectos de circulacion de los medios calentados hacia el intercambiador de calor pueden acortarse de manera conveniente. Las temperaturas del medio de emision de calor durante la entrada en el intercambiador de calor son mas altas de manera que el rendimiento termico se mejora.

La invencion preve que el modulo de intercambiador de calor en una instalacion en horizontal presente un numero de capas de tubo horizontales, formandose cada capa de tubo de un mismo numero de tubos, y que las capas de tubo esten dispuestas de manera que los tubos de las capas de tubo individuales esten orientadas en direccion vertical situadas exactamente unas encima de otras, siendo opuestas las direcciones de flujo del medio de absorcion de calor en las secciones de tubo adyacentes en vertical, dispuestas transversalmente al eje central del revestimiento externo. La realizacion de los haces de tubo en capas de tubo individuales posibilita un modo de construccion extremadamente compacto. Gracias a que los tubos estan dispuestos en vertical exactamente unos encima de otros pueden emplearse distanciadores convencionales entre los tubos. El flujo opuesto en las secciones de tubo adyacentes en vertical que estan dispuestas transversalmente al eje central del revestimiento externo favorece la distribucion de temperatura simetrica en el intercambiador de calor con respecto al eje central. Lo correspondiente vale tambien en el caso de la instalacion vertical del intercambiador de calor. En este caso entonces las capas de tubo rotan 90° con respecto a la instalacion horizontal, unas al lado de otras en vertical, siendo de manera conveniente el modulo de precalentador en el revestimiento externo comun el mas profundo.

Preferentemente los colectores de entrada y de salida presentan una seccion transversal circular. En este caso los tubos de una capa de tubos en un plano periferico del colector de entrada y de salida respectivo estan unidos con el colector de entrada y de salida respectivo desplazados unos de otros en el mismo angulo. De esta manera se facilita el procedimiento de fabricacion dado que se ofrece suficiente espacio para trabajos de soldadura, fabricacion con arranque de virutas o demas trabajos en los colectores.

De manera adicionalmente preferente los tubos de las capas de tubo adyacentes estan unidos con el colector de entrada y de salida respectivo, de manera que los tubos de una de las capas de tubo respectivas estan dispuestos desplazados en un angulo en un plano periferico adyacente del colector de entrada y de salida respectivo. Por ello las superficies perifericas de los colectores de entrada o de salida se aprovechan de manera optima, de modo que la disposicion de las capas de tubo puede configurarse de manera compacta. Siempre queda suficiente espacio para trabajos de soldadura, fabricacion por arranque de virutas o demas trabajos en los colectores.

De acuerdo con un perfeccionamiento preferente de la invencion los tubos de los modulos de intercambiador de calor estan dispuestos en una carcasa interna comun que esta dispuesta de manera concentrica dentro del revestimiento externo y presenta una abertura de entrada y de salida para el medio de emision de calor. El perfil de seccion transversal de la carcasa interna es de manera ventajosa rectangular, de modo que los haces de tubo se rodean por esta carcasa interna de la manera mas ajustada posible. Mediante el cerco adicional de los componentes de intercambio de calor se crea un aislamiento adicional entre los modulos de intercambiador de calor y el entorno. Alternativamente puede emplearse el espacio entre el revestimiento externo y la carcasa interna como canal de flujo adicional para el medio de emision de calor. De esta manera el tiempo de permanencia del medio de emision de calor en el intercambiador de calor se prolonga, de manera que la transferencia de calor al medio de absorcion de calor se mejora.

A continuacion la invencion se describe con mas detalle mediante las figuras. Muestran esquematicamente:

Fig. 1 un corte longitudinal a traves de una primera variante de realizacion con representacion de los tramos de

flujo en el lado de tubo en el caso de una instalacion vertical;

Fig. 2 un corte longitudinal como en la Fig. 1, aunque con representacion de los trayectos de corriente en el lado

del revestimiento;

Fig. 3 un corte longitudinal a traves de una segunda variante de realizacion en una instalacion en horizontal;

Fig. 4 una vista seccionada a lo largo de la lmea B-B de la figura 3;

Fig. 5 una vista detallada ampliada de la figura 8;

Fig. 6 una vista en planta de la figura 5;

Fig. 7 una vista detallada ampliada de la figura 3;

Fig. 8 una vista seccionada a lo largo de la lmea A-A de la figura 3.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

La figura 1 muestra un primer ejemplo de realizacion. El intercambiador 1 de calor esta instalado en vertical en un modo que ahorra espacio. En el revestimiento externo 70 se encuentra una carcasa interna 80, que presenta un perfil de seccion transversal rectangular. En la carcasa interna estan dispuestos los tubos 120 que discurren en forma de meandro de los modulos 10, 20, 30, 40, 50 de intercambiador de calor individuales. El medio de absorcion de calor, por ejemplo agua, entra a traves del conducto 91 de tubo en el colector 11 de entrada del modulo 10 de precalentador. Tras el paso de los tubos 120 del modulo 10 de precalentador entra a traves del colector 12 de salida del modulo 10 de precalentador y a traves del conducto 92 de tubo en el tambor 60 de vapor. Desde el tambor 60 de vapor entra el agua calentada a traves de los conductos 93, 94, 95 de tubo en los modulos 20, 30, 40 de vaporizador conectado en paralelo. A traves de un conducto 96 de flujo de retorno comun la mezcla de agua-vapor sale de los modulos 20, 30, 40 de vaporizador de nuevo al tambor 60 de vapor. El tambor de vapor 60 presenta medios (no mostrados en este caso) para la separacion del agua de la mezcla agua-vapor, de manera que el vapor seco llega al recalentamiento a traves del conducto 97 de tubo al colector 51 de entrada del modulo 50 de recalentador. El vapor recalentado ahora en el modulo 50 de recalentador sale a traves del conducto 98 de tubo del intercambiador de calor y llega por ejemplo para la generacion de corriente a la turbina conectada aguas abajo.

La figura 2 muestra el mismo ejemplo de realizacion de la figura 1, no obstante en este caso el trayecto de corriente del medio de emision de calor se representa de manera mas exacta. El medio de emision de calor, que en este caso es un aceite termico calentado a traves de la energfa solar, entra a traves de la tubuladura 71 de entrada del revestimiento externo 70 con una temperatura de aproximadamente 400°C. A traves del canal 73, que se forma mediante el revestimiento externo 70 y la carcasa interna 80 el aceite termico entra en la carcasa interna 80, en la que el aceite termico circula alrededor de los tubos 120 del modulo 50 de recalentador, de los tres modulos 40, 30, 20 de vaporizador y del modulo 10 de precalentador por orden y por ello emite el calor al agua. A continuacion el aceite termico refrigerado fluye a traves de la tubuladura 72 de salida desde el intercambiador 1 de calor.

La figura 3 muestra un ejemplo de realizacion adicional de la invencion, en el que el intercambiador 1 de calor esta instalado en este caso en horizontal.

En la figura 4, en la vista seccionada a lo largo de la lmea B-B de la figura 3 puede verse el modo de construccion modular del intercambiador 1 de calor de la mejor manera. El modulo 10 de precalentador con el colector 11 de entrada y el colector 12 de salida presenta tubos 120 que discurren en forma de meandro. El modo de construccion de los otros modulos de intercambiador de calor, concretamente de los modulos 20, 30, 40 de vaporizador, asf como del modulo 50 de recalentador 50 es identico. Se diferencian unicamente en sus dimensiones. No obstante los modulos 20, 30, 40 de vaporizador son exactamente iguales. El numero de los modulos 20, 30, 40 de vaporizador puede adaptarse segun la demanda. Dado que se emplean piezas exactamente iguales se producen por ello ventajas en cuanto a los costes de fabricacion. Ademas, en el caso de avenas pueden desmontarse de manera sencilla uno o varios modulos de intercambiador de calor defectuosos y sustituirse por nuevos.

En la figura 5 se representa ampliado un colector de acuerdo con la invencion. Se trata en este caso del colector 42 de salida del tercer modulo 40 de vaporizador. Esencialmente los colectores de entrada y de salida de los diferentes modulos de intercambiador de calor se diferencian solo esencialmente unos de otros. Tambien pueden distinguirse aqrn ventajas adicionales del modo de construccion modular. De acuerdo con una variante de realizacion preferente los tubos 101, 102, 103, 104 de una primera capa 100 en un plano horizontal desplazados en el mismo angulo a desembocan en el colector 42. Igualmente los tubos 111, 112, 113, 114 de una segunda capa 110 desembocan desplazados en el mismo angulo a en el colector 42.

La figura 6 muestra una vista en planta del colector 42. El angulo a en el que esta desplazado un tubo de una capa del siguiente tubo de la misma capa asciende en este caso a 45° respectivamente. La segunda capa 110, que es adyacente en vertical a la primera capa 100 esta desplazada sobre el colector 42 con respecto a la primera capa 100 exactamente en p = 22,5°, de manera que los tubos 111, 112, 113, 114 de la segunda capa 110 puede verse en la figura 6 en cada caso en el centro entre los tubos 101, 102, 103, 104 de la primera capa 100. Mediante esta disposicion desplazada regularmente en horizontal y vertical de desembocaduras en el colector 42, a pesar de la elevada compacidad permanece siempre una distancia suficiente para trabajos de soldadura o etapas de fabricacion adicionales.

La figura 7 muestra la vista detallada ampliada "X" de la figura 3. Todos los tubos de las diferentes capas estan dispuestas de tal manera que estan dispuestas exactamente en vertical unas sobre otras. Mediante la orientacion exacta en horizontal y vertical pueden disponerse de manera regular distanciadores 130 sencillos. Una ventaja adicional en la disposicion de los tubos 120 en capas consiste en que las direcciones de flujo en las secciones 210 de tubo adyacentes en vertical, que estan dispuestas transversalmente al eje central 200 del revestimiento externo 70 son opuestas.

La figura 8 muestra una ventaja adicional de la invencion. Mediante la disposicion adyacente de los colectores 42, 51 de entrada o de salida de los modulos 40, 50 de intercambiador de calor adyacentes puede reducirse adicionalmente la longitud total del intercambiador 1 de calor. De manera convencional los colectores se dispusieron en el centro en el eje central 200 del portador 1 de calor.

Las figuras 9 y 10 muestran la construccion de las capas 100 y 110 de tubo individuals. En las secciones 210 de tubo, que estan dispuestas transversalmente al eje central 200 del revestimiento externo 70, cada tubo presenta con respecto a su tubo adyacente en vertical, en el caso de una instalacion en horizontal, o con respecto a su tubo adyacente en horizontal, en el caso de una instalacion vertical, una direccion opuesta al flujo de tubo

Claims

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

REIVINDICACIONES

1. Intercambiador (1) de calor en modo de construccion modular, en particular para instalaciones accionadas con grandes cambios de carga y/o de temperature, con un revestimiento externo (70) y un numero de modulos de intercambiador de calor, en el que cada modulo de intercambiador de calor, que es o bien un modulo (10) de precalentador, (20, 30, 40) de vaporizador o (50) de recalentador, presenta un colector (11, 21, 31, 41, 51) de entrada, un colector (12, 22, 32, 42, 52) de salida, asf como tubos (120) que discurren en forma de meandro, a traves de los cuales el medio de absorcion de calor, en particular agua, fluye desde el colector (11, 21, 31, 41, 51) de entrada al colector (12, 22, 32, 42, 52) de salida, y ademas los modulos de intercambiador de calor estan dispuestos en el revestimiento externo (70) comun, de manera que a su alrededor fluye el mismo medio de emision de calor, estando conectados en paralelo los modulos (20, 30, 40) de vaporizador a traves de un tambor (60) de vapor dispuesto fuera del revestimiento externo (70) y pudiendo instalarse el intercambiador (1) de calor en horizontal o en vertical, caracterizado porque el modulo de intercambiador de calor en el caso de una instalacion en horizontal presenta un numero de capas (100, 110) de tubo horizontales, formandose cada capa (100, 110) de tubo de un mismo numero de tubos, y porque los tubos de las capas (100, 110) de tubo estan orientados en direccion vertical situados exactamente uno encima de otros, en el que las direcciones de flujo del medio de absorcion de calor en secciones (210) de tubo adyacentes en vertical de capas (100, 110) de tubo adyacentes, dispuestas transversalmente al eje central (200) del revestimiento externo (70) son opuestas.
2. Intercambiador (1) de calor en modo de construccion modular, en particular para instalaciones accionadas con grandes cambios de carga y/o de temperatura, con un revestimiento externo (70) y un numero de modulos de intercambiador de calor, presentando cada modulo de intercambiador de calor, que es o bien un modulo (10) de precalentador, (20, 30, 40) de vaporizador o (50) de recalentador, un colector (11, 21, 31, 41, 51) de entrada, un colector (12, 22, 32, 42, 52) de salida, asf como tubos (120) que discurren en forma de meandro, a traves de los cuales el medio de absorcion de calor, en particular agua, fluye desde el colector (11, 21, 31, 41, 51) de entrada al colector (12, 22, 32, 42, 52) de salida, y ademas los modulos de intercambiador de calor estan dispuestos en el revestimiento externo (70) comun, de manera que a su alrededor fluye el mismo medio de emision de calor, estando conectados en paralelo los modulos (20, 30, 40) de vaporizador a traves de un tambor (60) de vapor dispuesto fuera del revestimiento externo (70) y pudiendo instalarse el intercambiador (1) de calor en horizontal o en vertical, caracterizado porque el modulo de intercambiador de calor en el caso de una instalacion vertical presenta un numero de capas (100,110) de tubo verticales, formandose cada capa (100, 110) de tubo de un mismo numero de tubos, y porque los tubos de las capa (100, 110) de tubo estan orientados en direccion horizontal situados exactamente unos al lado de otros, en el que las direcciones de flujo del medio de absorcion de calor en secciones (210) de tubo adyacentes en horizontal, de capas (100, 110) de tubo adyacentes, dispuestas transversalmente al eje central (200) del revestimiento externo (70) son opuestas.
3. Intercambiador de calor de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los colectores (11, 21, 31, 41, 51) de entrada y (12, 22, 32, 42, 52) de salida presenta una seccion transversal circular, y los tubos (101, 102, 103, 104) de una capa (100) de tubos en un plano periferico del colector (41) de entrada y (42) de salida estan conectados desplazados uno de otro en un mismo angulo (a) con el colector (41) de entrada y (42) de salida respectivo.
4. Intercambiador (1) de calor de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los tubos (101, 102, 103, 104, 111, 112, 113, 114) de las capas (100, 110) de tubo adyacentes estan conectados con el colector (41) de entrada y (42) de salida respectivo de manera que los tubos (111, 112, 113, 114) de una de las capas (110) de tubo con respecto a los tubos (101, 102, 103, 104) de la capa (100) de tubo adyacente estan dispuestos desplazado en un angulo (p) sobre un plano periferico adyacente del colector (41) de entrada y (42) de salida respectivo.
5. Intercambiador de calor de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los tubos (120) de los modulos de intercambiador de calor estan dispuestos en una carcasa interna (80) comun que esta dispuesta concentricamente dentro del revestimiento externo (70), y presenta una abertura de entrada y de salida para el medio de emision de calor.
6. Intercambiador (1) de calor de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los tubos (96a, 96b, 96c), a traves de los cuales fluye el medio de absorcion de calor desde el colector (22, 32, 42) de salida del modulo (20,30, 40) de vaporizador respectivo hacia el tambor (60) de vapor estan unidos entre sf de manera que presentan una unica entrada (96) comun en el tambor (60) de vapor.
7. intercambiador (1) de calor de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los tubos (93, 94, 95), a traves de los cuales fluye el medio de absorcion de calor desde el tambor (60) de vapor hacia el colector (21, 31, 41) de entrada del modulo (20, 30, 40) de vaporizador respectivo, estan conectados entre sf de manera que presentan una unica salida comun desde el tambor (60) de vapor.