Generador de vapor de agua.

Generador de vapor.

La presente invención se puede incluir en el campo técnico de los generadores de vapor y más concretamente en los generadores de vapor que forman parte de un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes,

preferentemente etanol para la posterior alimentación de una pila de combustible utilizada en aplicaciones navales o marinas, donde el generador de vapor lleva a cabo el acondicionamiento del agua que actúa como reactivo en el sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes, preferentemente etanol generando una corriente de vapor de agua saturado mediante el aporte de una corriente de gases de postcombustión con un alto contenido en vapor de agua provenientes de una etapa de combustión del sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes, preferentemente etanol.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201331240.

Solicitante: ABENGOA HIDRÓGENO, S.A.

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: GALLARDO GARCIA-ORTA,VICTORIA, JIMENEZ DOMINGUEZ,Mª Angeles, GARCÍA GÓMEZ,Covadonga, SCHOLTEN,Anton, TEN DAM,Jos, MARTÍN BETANCOURT,Mariana.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • F28D7/10 SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA.F28 INTERCAMBIO DE CALOR EN GENERAL.F28D INTERCAMBIADORES DE CALOR, NO PREVISTOS EN NINGUNA OTRA SUBCLASE, EN LOS QUE LOS MEDIOS QUE INTERCAMBIAN CALOR NO ENTRAN EN CONTACTO DIRECTO (materiales de transferencia de calor, de intercambio de calor o de almacenamiento de calor C09K 5/00; calentadores de fluidos que tienen medios para producir y transferir calor F24H; hornos F27; partes constitutivas de los aparatos intercambiadores de calor de aplicación general F28F ); APARATOS O PLANTAS DE ACUMULACION DE CALOR EN GENERAL. › F28D 7/00 Aparatos cambiadores de calor que tienen conjuntos fijos de canalizaciones tubulares para los dos medios que intercambian calor, estando cada uno de los medios en contacto con un lado de la pared de la canalización. › estando las canalizaciones colocadas una dentro de la otra, p. ej. concéntricamente.

Fragmento de la descripción:

Generador de vapor de agua

OBJETO DE LA INVENCIÓN 5

La presente invención se puede incluir en el campo técnico de los generadores de vapor de agua y más concretamente en los generadores de vapor que forman parte de un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes, preferentemente etanol (bioetanol) , para la posterior alimentación de una pila de combustible utilizada en aplicaciones navales o marinas. 10

El objeto de la invención es un generador de vapor de agua que lleva a cabo el acondicionamiento del agua que actúa como reactivo en el sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes, preferentemente etanol. Se genera una corriente de vapor de agua mediante el aporte de una corriente de gases de postcombustión con un alto contenido en vapor de agua proveniente de una etapa de combustión del sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes, preferentemente 15 etanol.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Se conocen en el estado de la técnica las calderas de vapor o intercambiadores de calor que se emplean para llevar a 20 cabo la generación de vapor de agua para diferentes aplicaciones.

Particularmente son conocidos en el estado de la técnica los intercambiadores de calor para la generación de vapor que se utilizan en aplicaciones navales o marinas. Entre estos se encuentra la solicitud de patente europea con número de publicación EP2322890 (A1) que divulga un intercambiador de calor para uso naval donde la canalización del refrigerante 25 comprende un solo paso por el conducto del fluido de proceso, desde un colector de entrada hasta un colector de salida.

Se conoce también en el estado de la técnica la validación española ES2090333 T3 que divulga un generador autónomo de energía térmica y un módulo energético submarino que comprende tal generador en el que un carburante y un comburente a presión alimentan una cámara de combustión de la cual salen principalmente vapor de agua y gas 30 carbónico y un intercambiador de calor atravesado por estos gases para vaporizar el fluido de trabajo que alimenta una máquina térmica.

Se conoce también la solicitud internacional WO2012066174 (A1) relativa a un equipo de reformado de etanol que incorpora diferentes equipos para la producción de hidrogeno que alimenta una pila de combustible que propulsa un 35 submarino. Entre los equipos que incorpora se encuentra un generador de vapor para evaporar el agua del proceso previamente a la entrada a un reformador.

El equipo de reformado anterior únicamente hace referencia a la configuración de unos intercambiadores de calor que forman parte del generador de vapor que permiten minimizar el tamaño del equipo de reformado para su aplicación en un 40 submarino, que requiere de unas dimensiones no superiores a unas determinadas por requerimientos de espacio, pero no divulga las dimensiones del generador de vapor que emplea en dicho submarino.

Por otra parte, ninguno de los documentos anteriores presenta soluciones al posible comportamiento del generador de vapor en caso de inclinaciones del mismo, debido a posibles movimientos del submarino o dispositivo móvil en el que se 45 encuentra instalado que hacen que el agua condensada de los humos empleado en dicho generador de vapor para la producción de vapor de agua inunden los tubos del intercambiador o intercambiadores de calor donde tiene lugar la transferencia de calor entre un fluido caliente y el fluido a evaporar o agua.

Además, ninguno de los documentos anteriores divulga un generador de vapor con unas dimensiones como las del 50 generador de vapor de la presente invención, lo que hace que sea especialmente apropiado para aplicaciones donde los requerimientos de espacio se encuentran muy limitados, como aplicaciones marinas o más concretamente un submarino.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un generador de vapor que resuelve el problema técnico planteado asociado a los posibles movimientos del dispositivo móvil en el que se encuentra instalado, o debido a que se requiera operar con diferentes grados de inclinación del dispositivo móvil en el que se haya dispuesto el generador de vapor.

Dicho generador de vapor de agua emplea una corriente de humos con alto contenido en vapor de agua para aportar 60 el calor necesario para la evaporación del agua.

Además, el generador de vapor de la presente invención presenta un volumen comprendido entre 0, 05 y 1 m3, y más preferentemente entre 0, 1 y 0, 5 m3 y aún más preferente entre 0, 15 y 0, 3 m3, lo que permite su uso en aplicaciones donde los requerimientos de espacio se encuentran muy limitados, como aplicaciones marinas o más concretamente un submarino, con el que se logra obtener un caudal de vapor de agua comprendido en el rango entre 10 kg/h y 1000 kg/h.

El generador de vapor de agua comprende un economizador que a su vez comprende una carcasa en cuyo interior están dispuestos un conjunto de tubos, donde por el interior de los tubos circulan los gases de postcombustión de un proceso de combustión y entre la carcasa y los tubos circula el agua a evaporar, para llevar a cabo el 5 precalentamiento del agua desde una temperatura comprendida en el rango de 40 a 100 ºC. Los tubos comprenden en su interior unas láminas metálicas corrugadas de acero inoxidable que favorecen la transferencia de calor.

El generador de vapor comprende además un evaporador donde el agua se transforma en vapor aumentando la temperatura hasta una temperatura contenida en el intervalo 110 ºC-160 ºC, preferiblemente entre 130 ºC y 140 ºC, 10 evaporador que está dispuesto a continuación del economizador y que comprende un conjunto de tubos concéntricos, de manera que el agua y los gases de postcombustión se encuentran dispuestos de manera alterna en dirección radial en las coronas circulares definidas por el espacio existente entre dos tubos adyacentes.

Opcionalmente, el generador de vapor comprende una salida de gases de postcombustión dispuesta a la salida del 15 evaporador que se recirculan a otras etapas de sistema un de reformado de hidrocarburos y alcoholes, preferentemente etanol, donde puede estar incluido el generador de vapor. Cuando se hace referencia al etanol se podría hablar igualmente de bioetanol cuya única diferencia es que tiene procedencia vegetal.

De manera preferente, los gases de postcombustión circulan en el evaporador a través de tres canales conformados 20 por el espacio anular existente entre dos tubos concéntricos, quedando el agua contenida en el espacio entre los canales por donde circulan los gases de postcombustión. En los canales por los que circulan los humos, se disponen dos capas enfrentadas de aletas de cobre, para favorecer la transferencia de calor hacia el lado del agua. Otros materiales como bronce o acero podrían ser usados para las aletas, aunque el tamaño del conjunto sería mayor. También podrían usarse aleaciones en base níquel (inconel) . 25

Los tubos concéntricos del evaporador comprenden unas aletas que favorecen la transferencia de calor entre los gases de postcombustión y el agua. Debido a las altas temperaturas y al carácter oxidante de la corriente de humos la temperatura máxima que se puede alcanzar en la superficie de las aletas es de 300 ºC aproximadamente, por lo que dichas aletas comprenden una sección variable con al menos dos tramos, donde el grosor del primer tramo de 30 las aletas está en el rango de 0, 1 a 0, 3 mm de espesor, siendo este tramo de una longitud en la dirección del flujo comprendida en el rango de 60 mm a 150mm, debido a que deben soportar el calor asociado a los gases de postcombustión a la entrada del evaporador, mientras que el segundo tramo presenta un grosor comprendido en el rango entre 0, 05 y 0, 2 mm y una longitud comprendida en el rango de 150 a 250 mm.

El evaporador comprende además unas entradas no concéntricas para la entrada de los gases de postcombustión a cada una de las coronas circulares por donde circulan los mismos. Dichas entradas permiten optimizar la distribución de flujo de humos a través de las coronas concéntricas.

Además, para evitar el contacto directo de los gases de postcombustión con las aletas a la entrada del evaporador 40 se ubican en dichas entradas no concéntricas unos restrictores de flujo consiguiendo así prevenir el sobrecalentamiento y corrosión de las aletas por contacto directo de los humos a alta temperatura. Además, dichas entradas no concéntricas disponen de unos bafles que permiten optimizar la distribución del flujo de gases de postcombustión en cada una de las coronas circulares y homogenizar las velocidades a la entrada de las coronas circulares por donde circulan los gases de postcombustión. 45

La máxima pérdida de carga...

 


Reivindicaciones:

1. Generador de vapor de agua que comprende:

 un economizador (1) que a su vez comprende una carcasa (2) en cuyo interior están dispuestos un 5 conjunto de tubos (3) , donde por el interior de los tubos (3) circulan los gases de postcombustión de un proceso de combustión y entre la carcasa (2) y los tubos (3) circula el agua a evaporar, para llevar a cabo el precalentamiento del agua desde una temperatura comprendida en el rango de 25 a 80 ºC,

 un evaporador (8) donde el agua se transforma en vapor para aumentar la temperatura hasta una temperatura contenida en el intervalo 110 ºC-160 ºC, preferiblemente entre 130 ºC y 140 ºC, evaporador (8) 10 que está dispuesto a continuación del economizador (1) y que comprende un conjunto de tubos concéntricos (9) , de manera que el agua y los gases de postcombustión se encuentran dispuestos de manera alterna en dirección radial en las coronas circulares definidas por el espacio existente entre dos tubos (9) adyacentes, y

 una decantador (23) donde se drena el agua condensada de los gases de postcombustión, debido al alto 15 contenido en vapor de agua de esta corriente de gases,

caracterizado por que comprende además un sistema de control del nivel del agua contenida en el decantador, donde el sistema de control del nivel de agua comprende a su vez al menos dos sensores de nivel (24, 25) , un sensor de nivel superior de agua (25) y un sensor de nivel inferior de agua (24) , ubicados en el decantador (23) , y al 20 menos una válvula de drenaje (26) que regula la salida de la corriente de agua líquida, donde el sistema de control del nivel de agua abre la válvula de drenaje (26) cuando el volumen de agua almacenada en el decantador (23) alcanza el nivel del sensor de nivel superior de agua (25) y la cierra cuando el volumen de agua almacenada en el decantador (23) presenta el nivel del sensor de nivel inferior de agua (24) .

2. Generador de vapor de agua según reivindicación 1 caracterizado por que comprende un ciclón (20) o separador de gotas de agua líquida dispuesto a continuación del evaporador desde donde fluye el vapor de agua que comprende un conducto para el retorno del agua líquida al evaporador o al economizador y un conducto de salida del vapor de agua y/o un sobrecalentador, situado a continuación o sustituyendo al ciclón para garantizar una corriente de vapor de agua seca, 30

3. Generador de vapor de agua según reivindicación 1 caracterizado por que el evaporador (8) comprende tres canales o coronas circulares conformados por el espacio anular existente entre dos tubos concéntricos (9) , canales por donde circulan los gases de postcombustión, quedando el agua contenida en el espacio entre los canales por donde circulan los gases de postcombustión. 35

4. Generador de vapor de agua según reivindicación 3 caracterizado por que en los canales por los que circulan los humos, el evaporador comprende dos capas enfrentadas de aletas de cobre (10) , bronce, acero o aleaciones en base níquel.

5. Generador de vapor de agua según reivindicación 3 caracterizado por que los tubos concéntricos (9) del evaporador (8) comprenden unas aletas para favorecer la transferencia de calor entre los gases de postcombustión y el agua.

6. Generador de vapor de agua según reivindicación 5 caracterizado por que las aletas de los tubos concéntricos 45 (9) del evaporador (8) comprenden una sección variable con al menos dos tramos, donde el grosor del primer tramo de las aletas está en el rango de 0, 1 a 0, 3 mm de espesor, siendo este tramo de una longitud en la dirección del flujo comprendida en el rango de 60 mm a 150mm, mientras que el segundo tramo presenta un grosor comprendido en el rango entre 0, 05 y 0, 2 mm y una longitud comprendida en el rango de 150 a 250 mm.

7. Generador de vapor de agua según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el evaporador (8) comprende además unas entradas no concéntricas para la entrada de los gases de postcombustión a cada una de las coronas circulares por donde circulan los mismos.

8. Generador de vapor de agua según reivindicación 7 caracterizado por que el evaporador comprende unos 55 restrictores de flujo (50) dispuestos en las entradas no concéntricas.

9. Generador de vapor de agua según reivindicación 7 caracterizado por que el evaporador comprende unos bafles (12) dispuestos en las entradas no concéntricas.

10. Generador de vapor de agua según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el sistema de control comprende además un sensor de nivel dispuesto en el evaporador para garantizar que todas las coronas circulares se encuentran completamente sumergidas en agua, incluso cuando se opera a distintos grados de inclinación.

11. Generador de vapor de agua según reivindicación 1 caracterizado por que el evaporador (8) comprende un número comprendido entre 2 y 10 tubos concéntricos (9) , preferentemente entre 4 y 8 tubos concéntricos (9) , que definen zonas alternas para el paso de los gases de postcombustión y del agua respectivamente, donde en el interior del tubo concéntrico (9) central se dispone agua.

12. Generador de vapor de agua según reivindicación 3 caracterizado por que el evaporador (8) comprende además tres entradas no concéntricas (13, 14, 15) , una entrada exterior (13) , una entrada intermedia (14) y una entrada interior (15) para la entrada de los gases de postcombustión a cada una de las coronas circulares por donde circulan los mismos.

13. Generador de vapor de agua según reivindicación 1 caracterizado por que el decantador (23) comprende una zona de drenaje (28) de gases de postcombustión que comprende una primera zona cónica (27) con al menos una generatriz y una segunda zona cónica con al menos una generatriz dispuesta superiormente a la primera zona cónica (27) , donde al menos una de las generatrices de la primera zona cónica (27) presenta mayor pendiente que las generatrices de la segunda zona cónica. 15

14. Generador de vapor de agua según reivindicación 1 caracterizado por que la primera zona cónica (27) presenta una generatriz que forma un ángulo de ±45º respecto a la horizontal.


 

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