INTERCAMBIADOR DE CALOR REGENERATIVO Y TURBINA QUE INCORPORA DICHO INTERCAMBIADOR DE CALOR.

Intercambiador de calor regenerativo y turbina que incorpora dicho intercambiador de calor.

Este intercambiador de calor se aplica a la transferencia de calor entre un flujo de fluido caliente y de fluido frío, a distinta presión y comprende una o más parejas de conjuntos de intercambio térmico, con unos sumideros de calor en el trayecto de los flujos caliente y frío y dos únicas entradas/salidas diferenciadas y funcionalmente intercambiables por cada conjunto, así como medios para alimentar, direccionar y sellar selectivamente un flujo de fluido frío y un flujo de fluido caliente, alternadamente a uno u otro de los citados conjuntos de intercambio térmico, produciéndose dicha alternancia de los flujos tanto en una disposición de flujos paralelos como en una disposición de flujos a contracorriente a través de dichos conjuntos de intercambio térmico.

Se incluye además una turbina que incorpora dicho intercambiador térmico implementado en su ciclo operativo

Intercambiador de calor regenerativo y turbina que incorpora dicho intercambiador de calor.

Campo de la técnica

La presente invención concierne a un intercambiador de calor regenerativo previsto para transferencia de calor entre unos flujos de fluido caliente y de fluido frío, donde uno de los fluidos tiene mayor presión.

La invención se refiere también a una turbina incorporando el citado intercambiador.

Antecedentes de la invención

Los intercambiadores de calor regenerativos constan de una matriz o una masa de un material sumidero de calor (por Ej. materiales refractarios cerámicos) que se expone alternativamente a una corriente de fluido caliente y a otra de fluido frío. Esta matriz es atravesada por el fluido caliente y por el fluido frío alternativamente. Las corrientes fría y caliente son direccionadas mediante un conjunto de mecanismos. La corriente de flujo fluye a través de una de estas matrices calentando el cuerpo de la matriz o extrayendo el calor existente en dicha matriz.

Los intercambiadores de calor regenerativos ofrecen varias ventajas frente a los convencionales de superficie primaria por lo que son considerados adecuados para motores de turbinas de gas. Una de estas ventajas es su volumen reducido y compacto. Los pasajes internos para un intercambiador regenerativo para aplicaciones de turbina de gas, en el que se alternan los flujos, pueden ser mucho menores que los utilizados en los intercambiadores convencionales de tubos y de placas.

Por otro lado los intercambiadores convencionales de superficie primaria están limitados en temperatura por el material metálico empleado, ya que los que utilizan materiales cerámicos tienen limitado su funcionamiento por sus características mecánicas. El hecho de necesitar altas temperaturas de intercambio resulta en el empleo de gran cantidad de materiales metálicos resistentes a alta temperatura y esto incurre significativamente en el costo final del recuperador. Para el caso de los recuperadores regenerativos es posible encontrar materiales sumideros de calor de bajo costo y alta resistencia térmica. Esto es especialmente cierto en el caso de emplear matrices cerámicas o sumideros de calor.

Otro aspecto ventajoso de los intercambiadores regenerativos lo encontramos en la reducida pérdida de presión que muestran comparándolo con otros tipos intercambiadores. Esto por otro lado contrasta significativamente con que el nivel de fugas de los intercambiadores regenerativos suele ser superior debido en gran medida por el sistema de sellos y válvulas necesarios para dirigir los flujos.

Un ejemplo de esto lo encontramos en los intercambiadores de calor regenerativos denominados rotativos, en los cuales una matriz de material absorbente de calor es girada respecto a las corrientes de flujo caliente y frío. La patente US-RE37139 describe un intercambiador de calor de este tipo.

Este problema de fugas se ve acentuado a medida que los intercambiadores operan en ambientes de mayor presión y mayor temperatura debido al modo de funcionamiento de los sistemas de redireccionamiento del flujo y sellado u obturación. Esta limitación en los sellos afecta también de igual modo a la durabilidad de los intercambiadores, determinada por el deterioro de los sellos.

En la solicitud de patente WO-A-2007047910 se describe una disposición de hermetización destinada a reducir las pérdidas por fugas que tienen lugar entre dichas corrientes de fluido en un intercambiador de calor regenerativo rotativo.

La patente US-A-3978912 hace referencia a un intercambiador de calor regenerativo particularmente para una turbina de gas en el cual se han previsto dos matrices de almacenamiento térmico, cerámicas, estacionarias intercaladas en cada uno de los flujos para los fluidos y un medio valvular que define una pared común entre los caminos de flujo y que es móvil y puede desplazarse entre dos posiciones extremas para direccionar los flujos.

En la solicitud WO-A-03062729 se describe un sistema intercambiador térmico regenerativo modular en donde se utilizan una pluralidad de módulos de intercambio térmico regenerativos, comprendiendo cada uno un par de matrices cerámicas estacionarias orificadas, a cuyo través circula el flujo a tratar y aptos para transferir calor desde una corriente de gas caliente a una de gas frío. Unos medios de control de flujo simulan el funcionamiento de un intercambiador regenerativo rotatorio.

Las soluciones aportadas hasta el momento no han resuelto las limitaciones de los intercambiadores regenerativos en ambientes de alta temperatura y presión tal y como los que se generan en una microturbina y es por ello por lo que en la mayoría de las aplicaciones de microturbinas se emplean intercambiadores del tipo de superficie primaria.

Breve exposición de la invención

El objeto de la presente invención es aportar un intercambiador de calor regenerativo que opera de manera singular.

Se trata de un intercambiador de calor regenerativo para transferencia de calor entre un flujo de fluido caliente y un flujo de fluido frío, donde uno de ellos está a mayor presión, mediante la transferencia del calor del fluido caliente al fluido frío, que comprende una o más parejas de conjuntos de intercambio térmico. Cada uno de estos conjuntos de intercambio térmico estará compuesto por uno o varios sumideros de calor colocados en el trayecto de los flujos caliente y frío, teniendo el conjunto de intercambio térmico dos únicas entradas/salidas diferenciadas y funcionalmente intercambiables. Incluye también medios para alimentar, direccionar y sellar selectivamente un flujo de fluido frío y un flujo de fluido caliente alternadamente a uno u otro de los citados conjuntos de intercambio térmico que forman la pareja, utilizando la diferencia de presión y la direccionalidad de los flujos para tal efecto. Estos medios están compuestos por una única válvula maestra accionada (por Ej. motorizada) y una serie de válvulas esclavas que operan a partir de la direccionalidad del caudal impuesta por la válvula maestra y por la diferencia de presiones entre ambos flujos de fluido para la alternancia de flujos y para el sellado.

Conforme a un ejemplo preferido de ejecución de esta invención, los citados medios para alimentación, direccionamiento y sellado de los fluidos a distinta presión para cada pareja o parejas de conjuntos de intercambio térmico comprenden:

una entrada general de un primer fluido a alta presión asociada a una salida general correspondiente, y una entrada general de un segundo fluido a baja presión asociada a una salida general correspondiente;

una bifurcación en cada una de dichas entrada y salida generales que proporciona para cada entrada y salida un respectivo par de conductos de derivación que se extienden hacia los conjuntos de intercambio térmico;

unos tramos de dichos conductos de derivación de una y otra bifurcación, que están unificados dos a dos, para enlazar únicamente dos conductos con dichos conjuntos de intercambio térmico, de manera que uno cualquiera de dichos tramos unificados puede conducir fluido a alta presión o a baja presión según un determinado régimen de funcionamiento;

una única válvula maestra accionada colocada en la entrada general del fluido de alta presión, y que opera distribuyendo el fluido hacia uno de los conductos de derivación de la bifurcación de dicha entrada general del fluido de alta presión; y

una serie de válvulas esclavas activadas mediante la direccionalidad del caudal y la presión de los fluidos.

Una tal disposición de elementos determina que en función de la actuación de la única válvula maestra accionada, el resto de válvulas esclavas se activan y se asegura una adecuada distribución de los fluidos en el conjunto del intercambiador de calor, así como el sellado.

En el caso de una microturbina en la que se requiere de un intercambiador que recupere el calor de los humos de escape de la turbina y por lo tanto fluido caliente y de baja presión, para precalentar el aire comprimido; por lo tanto, fluido frío y de alta presión el presente intercambiador en un régimen de flujo counter flow (contra corriente) ofrecería las siguientes ventajas frente a otro tipo de intercambiadores sean regenerativos o de superficie primaria.

De acuerdo con esta invención se aporta un sistema de válvulas que utiliza la diferencia de presión de los fluidos circulantes para sellar por lo que el problema citado de las fugas queda eliminado. Las válvulas esclavas,...

1. Intercambiador de calor regenerativo para transferencia de calor entre un primer flujo de fluido y un segundo flujo de fluido, a distinta temperatura, estando uno de dichos flujos de fluido a mayor presión, comprendiendo:

una o más parejas de conjuntos de intercambio térmico, cada uno de los cuales está compuesto por uno o varios sumideros de calor ubicados en el trayecto de dichos primer y segundo flujos de fluido, teniendo el conjunto de intercambio térmico dos únicas entradas/salidas diferenciadas y funcionalmente intercambiables;

medios para alimentar, direccionar y sellar selectivamente dichos primer y segundo flujos de fluido, alternadamente a uno u otro de los citados conjuntos de intercambio térmico que forman dicha pareja, que es al menos una, utilizando la diferencia de presión y la direccionalidad de dichos flujos para tal efecto y produciéndose dicha alternancia de los flujos tanto en una disposición de flujos paralelos como en una disposición de flujos a contracorriente a través de dicha pareja o parejas de conjuntos de intercambio térmico.

2. Intercambiador, según la reivindicación 1, caracterizado porque dichos dos conjuntos de intercambio térmico son equivalentes a efectos de intercambio térmico.

3. Intercambiador, según la reivindicación 1, caracterizado porque los citados medios para alimentación, direccionamiento y sellado de los fluidos a distinta presión para cada pareja de conjuntos de intercambio térmico comprenden:

una entrada general de un primer fluido a alta presión asociada a una salida general correspondiente, y una entrada general de un segundo fluido baja presión asociada a una salida general correspondiente;

una bifurcación en cada una de dichas entrada y salida generales que proporciona unos respectivos pares de conductos de derivación que se extienden hacia los conjuntos de intercambio térmico;

unos tramos de dichos conductos de derivación de una y otra bifurcación, unificados dos a dos, para enlazar con dichos conjuntos de intercambio térmico, de manera que uno cualquiera de dichos tramos unificados puede conducir fluido a alta presión o a baja presión según un determinado régimen de funcionamiento;

una única válvula maestra accionada colocada en la entrada general. del fluido de alta presión, que distribuye el fluido hacia uno de los conductos de derivación de la bifurcación de dicha entrada general del fluido de alta presión; y

una serie de válvulas esclavas activadas mediante la direccionalidad del caudal y la presión de los fluidos,

de manera que en función de la actuación de la única válvula maestra accionada, el resto de válvulas esclavas se activan y se asegura una adecuada distribución de los fluidos en el conjunto del intercambiador de calor, así como el sellado.

4. Intercambiador, según la reivindicación 3, caracterizado porque unos segundos de dichos tramos unificados se obtienen mediante la conexión de los conductos de derivación de la bifurcación de la entrada general de fluido a alta presión con un punto intermedio de los conductos de derivación de la bifurcación de la entrada/salida de fluido a baja presión.

5. Intercambiador, según la reivindicación 3, porque unos segundos de dichos tramos unificados se obtienen mediante la conexión de los conductos de derivación de la bifurcación de la salida general de fluido a alta presión con un punto intermedio de los conductos de derivación de la bifurcación de la entrada/salida de fluido a baja presión.

6. Intercambiador según la reivindicación 4, caracterizado porque dicha válvula maestra está situada en la bifurcación de la entrada general de fluido de alta presión hacia sus conductos de derivación.

7. Intercambiador según la reivindicación 4, caracterizado porque dos de dichas válvulas esclavas son válvulas de 3 vías y 2 posiciones, activadas por presión y por la direccionalidad del flujo y emplazadas en dichos puntos de conexión de los conductos de derivación de la entrada general de fluido de alta presión con los conductos de derivación de la entrada o salida general de fluido de baja presión.

8. Intercambiador según la reivindicación 5, caracterizado porque dos de dichas válvulas esclavas son válvulas antirretorno o antirretorno calibrado a presión (dependiendo de la configuración de los flujos, flujos paralelos o counter-flow) y porque están situadas en dichos conductos de derivación de dicha entrada/salida general de fluido de baja presión.

9. Intercambiador según la reivindicación 5, caracterizado porque una válvula esclava de 3 vías y 2 posiciones, activada por presión y por la direccionalidad del flujo se halla dispuesta en la bifurcación de la salida general de fluido de alta presión.

10. Intercambiador según la reivindicación 3, caracterizado porque la actuación de dicha válvula maestra accionada es cíclica y está configurada para optimizar el intercambio de calor en los conjuntos de intercambio térmicos en función de la temperatura y presión de los flujos de fluidos a tratar.

11. Intercambiador según la reivindicación 1, caracterizado porque dichos sumideros comprenden unos monolitos cerámicos, con una pluralidad de conductos pasantes.

12. Intercambiador según la reivindicación 1, caracterizado porque dichos sumideros comprenden una matriz de celdas pasantes en un material metálico resistente a altas temperaturas escogido del grupo que comprende aluminio o acero.

13. Una turbina que incorpora un intercambiador de calor regenerativo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, implementado en su ciclo operativo.

14. Una turbina según la reivindicación 13, caracterizada porque dicha turbina es una microturbina de gas para la generación de potencia en pequeña escala en una red distribuida o en una localización remota.

15. Una turbina según la reivindicación 14, caracterizada porque dicho primer flujo de fluido es un fluido frío a elevada presión procedente de un compresor asociado al eje de la turbina y porque dicho segundo flujo de fluido es un fluido caliente a baja presión aportado por los gases calientes expulsados por el conducto de salida de la microturbina.