INTERCAMBIADOR DE CALOR REGENERATIVO, METODO DE CONTROL DE DICHO INTERCAMBIADOR Y TURBINA QUE INCORPORA EL INTERCAMBIADOR.

Intercambiador de calor regenerativo, método de control de dicho intercambiador,

y turbina que incorpora el intercambiador.Intercambiador de calor regenerativo mejorado, para la transferencia de calor entre fluidos a distinta presión y temperatura, formado por al menos una pareja de conjuntos de intercambio térmico (8, 22) dispuestos en el trayecto del primer fluido y del segundo fluido, y medios de alimentación, direccionamiento y sellado de los fluidos a los conjuntos de intercambio térmico (8, 22) utilizando la diferencia de presión y direccionalidad de los fluidos. Estos medios tienen entradas (1, 16) y salidas (15, 29) para los fluidos, y bifurcaciones (2, 13, 17, 27) dispuestas en ellas, que originan pares de conductos de derivación que se extienden hacia los conjuntos de intercambio térmico (8, 22). Cuatro válvulas pilotadas (3, 4, 6, 25) maestras dirigen el primer fluido a uno de los conjuntos de intercambio térmico (8, 22), mientras que unas válvulas no pilotadas (11, 12, 14, 19) esclavas de las válvulas pilotadas (3, 4, 6, 25) abren y cierran asegurando una adecua distribución de los fluidos y el sellado en el intercambiador de calor

Intercambiador de calor regenerativo, método de control de dicho intercambiador, y turbina que incorpora el intercambiador.

Campo técnico de la invención

La presente invención pertenece al campo técnico de los intercambiadores de calor, concretamente a los intercambiadores de calor de tipo regenerativo, y más concretamente a los intercambiadores de calor utilizados para la transferencia de calor entre flujos a distinta presión y temperatura, utilizados particularmente como intercambiadores de calor implementados en turbinas de gas.

Antecedentes de la invención

Los intercambiadores de calor regenerativos constan de una matriz o una masa de un material sumidero de calor, como por ejemplo materiales refractarios cerámicos, que se expone alternativamente a corrientes a distinta temperatura, 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 comentes fría y caliente son direccionadas mediante un conjunto de mecanismos. Las corrientes de flujo fluyen 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 necesarios 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.

Otro aspecto ventajoso de los intercambiadores regenerativos reside en la reducida pérdida de presión que muestran, en comparación 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 a los sistemas de sellado y válvulas necesarios para dirigir los flujos a lo largo de los intercambiadores.

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-RE37134 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 intercarnbiadores, 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 utilizado concretamente 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 de fluidos, y un medio valvular que define una pared común entre los caminos de flujo y que es móvil, pudiendo desplazarse entre dos posiciones extremas para direccionar los flujos.

En la solicitud WO-A-03062729 se describe un sistema intercambiador térmico regenerativo modular en el cual se utilizan una pluralidad de módulos de intercambio térmico regenerativos, comprendiendo cada uno de ellos un par de matrices cerámicas estacionarias con orificios, a cuyo través circula el flujo a tratar, y que son 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, tales como los que se generan en una microturbina de gas, y es por ello por lo que en la mayoría de las aplicaciones de microturbinas se emplean intercambiadores del tipo de superficie primaria.

Asimismo, los documentos, GB 2246853, GB 648103, GB 842577, EP 0136175 y GB 861756 también describen intercambiadores de calor regenerativos para el intercambio de calor entre fluidos a distinta temperatura.

La solicitud de patente ES 2316314, del mismo solicitante que la presente solicitud describe también un intercambiador regenerativo para el intercambio de calor entre fluidos a distinta temperatura y presión formado por una o más parejas de conjuntos de intercambio térmico por los que pasan los dos fluidos, siendo estos conducidos por una única válvula pilotada maestra de tres vías y dos posiciones auxiliada por varias válvulas no pilotadas esclavas. Este intercambiador presenta el inconveniente de fugas del fluido a presión, lo que supone pérdidas en aplicaciones del intercambiador en turbinas. Estas fugas de presión son debidas al tiempo de respuesta de las válvulas pilotadas. Otro inconveniente es la variación de presión que origina en los fluidos.

Otro de los problemas que presentan este tipo de intercambiadores, es que en los casos en que los fluidos que intercambian calor están a diferente presión y temperatura, la conductancia térmica de cada uno de ellos, definiendo conductancia térmica como el coeficiente global de intercambio por el área total de intercambio entre fluido y cerámica, puede ser muy diferente, lo que origina una transmisión del calor diferente entre ambos fluidos y la cerámica, cuando es importante que sean bastante similares para conseguir el mayor aprovechamiento del material. Por otro lado, el utilizar áreas de paso iguales para fluidos a diferente presión conlleva velocidades de flujo diferentes y consecuentemente pérdidas de presión diferentes, que para el caso del fluido de baja presión pueden ser elevadas, dependiendo de la aplicación.

Era por tanto deseable un intercambiador de calor regenerativo que consiguiera una transferencia de calor entre fluidos a distinta temperatura y presión eficiente evitando los inconvenientes existentes en los anteriores sistemas del estado de la técnica.

Descripción de la invención

La presente invención resuelve los problemas existentes en el estado de la técnica mediante un intercambiador de calor regenerativo para la transferencia de calor entre un primer fluido y un segundo fluido que están a distinta temperatura, estando el primer fluido a mayor presión que el segundo fluido. El intercambiador tiene al menos una pareja de conjuntos de intercambio térmico, formada por un primer conjunto de intercambio térmico y un segundo conjunto de intercambio térmico, los cuales comprenden cada uno al menos un sumidero de calor, y que están dispuestos en el trayecto del primer fluido y del segundo fluido. Estos conjuntos de intercambio técnico son equivalentes a efectos de intercambio térmico.

También existen medios de alimentación, direccionamiento y sellado de los fluidos a los conjuntos de intercambio térmico que utilizan la diferencia de presión y direccionalidad de los fluidos. Estos medios comprenden una primera entrada y una primera salida para el primer fluido, y una segunda entrada y una segunda salida para el segundo fluido, una bifurcación dispuesta en cada una de las entradas y en cada una de las salidas, que proporcionan unos respectivos pares de conductos de derivación, los cuales se extienden hacia los conjuntos de intercambio térmico, y unos tramos unificados de los conductos de derivación unificados dos a dos,...

1. Intercambiador de calor regenerativo, para la transferencia de calor entre un primer fluido y un segundo fluido a distinta temperatura, estando el primer fluido a mayor presión que el segundo fluido, comprendiendo el intercambiador

- al menos una pareja de conjuntos de intercambio térmico formada por un primer conjunto de intercambio térmico (8) y un segundo conjunto de intercambio térmico (22), que comprenden cada uno al menos un sumidero de calor, y que están dispuestos en el trayecto del primer fluido y del segundo fluido, y

- medios de alimentación, direccionamiento y sellado de los fluidos a los conjuntos de intercambio térmico (8,22) utilizando la diferencia de presión y direccionalidad de los fluidos, que comprenden

- una primera entrada (1) y una primera salida (15) para el primer fluido, y una segunda entrada (16) y una segunda salida (29) para el segundo fluido,

- una bifurcación (2,13,17,27) dispuesta en cada una de las entradas (1,16) y en cada una de las salidas (15,29) que proporcionan unos respectivos pares de conductos de derivación que se extienden hacia los conjuntos de intercambio térmico (8,22),

- unos tramos unificados (7,9,21,23) de los conductos de derivación unificados dos a dos, para enlazar con los conjuntos de intercambio térmico (8,22), pudiendo los tramos unificados (7,9,21,23) conducir tanto el primer fluido como el segundo fluido dependiendo del régimen de funcionamiento,

dicho intercambiador de calor caracterizado porque comprende

- una primera válvula (3) y una segunda válvula (4) pilotadas maestras, de dos vías y dos posiciones, dispuestas cada una de ellas en uno de los dos conductos de derivación originados por una primera bifurcación (2) en la primera entrada (1) para el primer fluido,

- y una tercera válvula (6) y una cuarta válvula (25) pilotadas maestras, de dos vías y dos posiciones, dispuestas cada una de ellas en uno de los dos conductos de derivación originados por una cuarta bifurcación (27) en la segunda salida (29) para el segundo fluido,

las cuales, mediante sus posiciones de apertura y cierre dirigen el primer fluido a uno de los conjuntos de intercambio térmico (8,22),

- y una pluralidad de válvulas no pilotadas (11,12,14,19) esclavas, de dos vías y dos posiciones, activadas mediante la direccionalidad del caudal y la presión de los fluidos, de tal forma que en función de las posiciones de las válvulas pilotadas (3,4,6,25) abren y cierran asegurando una adecuada distribución de los fluidos y el sellado en el intercambiador de calor.

2. Intercambiador de calor regenerativo, según la reivindicación anterior, caracterizado porque los conjuntos de intercambio térmico (8,22) son equivalentes a efectos de intercambio térmico.

3. Intercambiador de calor regenerativo, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque

- un primer tramo unificado (7) se obtiene mediante la conexión de uno de los dos conductos de derivación originados por la primera bifurcación (2) en la primera entrada (1) para el primer fluido, con uno de los dos conductos de derivación originados por la cuarta bifurcación (27) en la segunda salida (29) para el segundo fluido,

- y porque un segundo tramo unificado (23) se obtiene mediante la conexión del otro conducto de derivación originado por la primera bifurcación (2) en la primera entrada (1) para el primer fluido, con el otro conducto de derivación originado por la cuarta bifurcación (27) en la segunda salida (29) para el segundo fluido.

4. Intercambiador de calor regenerativo, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque

- un tercer tramo unificado (9) se obtiene mediante la conexión de uno de los dos conductos de derivación originados por una segunda bifurcación (13) en la primera salida (15) para el primer fluido, con uno de los dos conductos de derivación originados por una tercera bifurcación (17) en la segunda entrada (16) para el segundo fluido,

- y porque un cuarto tramo unificado (21) se obtiene mediante la conexión del otro conducto de derivación originado por la segunda bifurcación (13) en la primera salida (15) para el primer fluido, con el otro conducto de derivación originado por la tercera bifurcación (17) en la segunda entrada (16) para el segundo fluido.

5. Intercambiador de calor regenerativo, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque adicionalmente comprende una válvula de alivio (30) de presión dispuesta en la segunda entrada (16) para el segundo fluido que se abre cuando la presión alcanza un valor predeterminado.

6. Intercambiador de calor regenerativo, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque adicionalmente comprende un depósito de amortiguación de cambios de presión y temperatura dispuesto en la primera salida (15) para el primer fluido yen la segunda entrada (16) para el segundo fluido.

7. Intercambiador de calor regenerativo, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los sumideros de calor de los conjuntos de intercambio térmico (8,22) comprenden monolitos cerámicos y una pluralidad de conductos pasantes.

8. Intercambiador de calor regenerativo, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque los sumideros de calor de los conjuntos de intercambio térmico (8,22) comprenden una matriz de celdas pasantes en un material metálico resistente a altas temperaturas seleccionado entre aluminio y acero.

9. Intercambiador de calor regenerativo, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque

- comprende una estructura adicional que comprende a su vez

- al menos un primer conjunto de intercambio térmico adicional (31) iguales a los conjuntos de intercambio térmico (8,22),

- unas bifurcaciones adicionales, y pares de conductos de derivación adicionales iguales a las bifurcaciones (2,13,1,7,27) y a los pares de conductos de derivación,

- una pluralidad de válvulas pilotadas maestras adicionales iguales a las válvulas pilotadas maestras (3,4,6,25) las cuales, mediante sus posiciones de apertura y cierre dirigen el primer fluido al primer conjunto de intercambio térmico adicional (31),

- y una pluralidad de válvulas no pilotadas esclavas adicionales iguales a las válvulas no pilotadas esclavas (11,12,14,19) las cuales en función de las posiciones de las válvulas pilotadas maestras adicionales y el paso de los fluidos abren y cierran asegurando una adecuada distribución de los fluidos y el sellado en el intercambiador de calor.

10. Intercambiador de calor regenerativo, según la reivindicación anterior, caracterizado porque

- el número total de conjuntos de intercambio térmico es igual al número entero más próximo a la suma de los términos de la relación de las conductancias térmicas del primer fluido y del segundo fluido,

- y porque la cantidad de conjuntos de intercambio asignados a cada uno de los fluidos es tal que se iguala la conductancia de ambos.

11. Intercambiador de calor regenerativo, según la reivindicación 9, caracterizado porque

- el número total de conjuntos de intercambio térmico es igual al número entero más próximo a la suma de los términos de la relación de las presiones del primer fluido y del segundo fluido,

- y porque la cantidad de conjuntos de intercambio asignados a cada uno de los fluidos es tal que se iguala la perdida de presión en ambos.

12. Turbina caracterizada porque comprende implementado en su ciclo operativo un intercambiador de calor regenerativo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el primer fluido es un fluido a presión procedente de un compresor (38) asociado al eje (40) de dicha turbina, y el segundo fluido proviene de una fuente caliente a baja presión.

13. Método de control del intercambiador de calor regenerativo de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque comprende

- una primera situación estacionaria de trabajo en la que el primer fluido pasa por el primer conjunto de intercambio térmico (8) y el segundo fluido pasa por el segundo conjunto de intercambio térmico (22), permaneciendo la segunda válvula pilotada (4) y la tercera válvula pilotada (6) cerradas, y la primera válvula pilotada (3) y la cuarta válvula pilotada (25) abiertas,

- y una segunda situación estacionaria de trabajo en la que el primer fluido pasa por el segundo conjunto de intercambio térmico (22) y el segundo fluido pasa por el primer conjunto de intercambio térmico (8), permaneciendo la primera válvula pilotada (3) y la cuarta válvula pilotada (25) cerradas, y la segunda válvula pilotada (4) v la tercera válvula pilotada (6) abiertas,

produciéndose entre ambas situaciones estacionarias una situación transitoria de cambio, realizándose dicho cambio mediante el accionamiento de dichas válvulas pilotadas (3,4,6,25).

14. Método de control de intercambiador regenerativo, según la reivindicación anterior, caracterizado porque

- el accionamiento de las válvulas pilotadas (3,4,6,25) se realiza de forma cíclica,

- porque la situación transitoria de cambio entre la primera situación estacionaria y la segunda situación estacionaria se produce mediante el siguiente accionamiento secuencial de las válvulas pilotadas (3,4,6,25):

- cierre de la cuarta válvula pilotada (25),

- apertura de la segunda válvula pilotada (4),

- cierre de la primera válvula pilotada (3), y

- apertura de la tercera válvula pilotada (6),

- y porque la situación transitoria de cambio entre la segunda situación estacionaria y la primera situación estacionaria se produce mediante el siguiente accionamiento secuencial de las válvulas pilotadas (3,4,6,25):

- cierre de la tercera válvula pilotada (6),

- apertura de la primera válvula pilotada (3),

- cierre de la segunda válvula pilotada (4), y

- apertura de la cuarta válvula pilotada (25).

15. Método de control del intercambiador de calor regenerativo de las reivindicaciones 9 a 11, caracterizado porque

- la pareja de conjuntos de intercambio térmico (8,22) y el primer conjunto de intercambio térmico adicional (31) funcionan de forma idéntica y se controlan de manera independiente,

- y porque mientras se produce una situación transitoria de cambio en la pareja de conjuntos de intercambio térmico (8,22), la estructura adicional sigue funcionando en régimen estacionario, y viceversa.