Intercambiador de calor para la generación de vapor para centrales de energía solar.

Intercambiador de calor (1) con colocación vertical para la generación de vapor para centrales de energía solar,

quecomprende:

- una envolvente exterior (2) con una tubuladura de admisión (4) y una tubuladura de descarga (5) para un medio queemite calor,

- un colector de entrada (6) y un colector de salida (7) para un medio que absorbe calor, preferentemente agua, en el queel colector de entrada (6) y el colector de salida (7) están dispuestos esencialmente dentro de la envolvente exterior (2),

- un haz de tubos (11) dentro de la envolvente exterior (2) con un número de capas de tubos (20, 30) con tubos (21, 22,23, 24, 33, 34) continuos, que están configurados completamente circundables por el medio que emite calor y que estánconfigurados como recorridos de circulación para el medio que absorbe calor desde el colector de entrada (6) hacia elcolector de salida (7), estando configurado el haz de tubos (11) de forma serpenteante,

en el que el intercambiador de calor (1) está diseñado para la generación de vapor según el principio de circulaciónforzada, de modo que el medio que absorbe calor, alimentado en el colector de entrada (6) experimenta uno tras otro unprecalentamiento, una evaporación y un sobrecalentamiento en el curso del recorrido de circulación, de modo que delcolector de salida (7) sale un vapor sobrecalentado, y

en el que la energía necesaria para el precalentamiento, evaporación y sobrecalentamiento se pone a disposiciónesencialmente sólo mediante la transferencia de calor del medio que emite calor hacia el medio que absorbe calor dentrodel intercambiador de calor (1),

caracterizado porque

las capas de tubos (20, 30) están dispuestas de modo que los tubos (21, 22, 23, 24, 33, 34) de las capas de tubos (20,30) individuales están orientadas tendidas unas junto a otras justamente en dirección horizontal, estando opuestas lasdirecciones de circulación del medio que absorbe calor en las secciones de tubos (15) adyacentes horizontalmente,dispuestas transversalmente al eje central (10) de la envolvente exterior (2), y porque las capas de tubos (20, 30) sonadyacentes verticalmente, formándose cada capa de tubos (20, 30) a partir de un mismo número de tubos (21, 22, 23,25 24, 33, 34).

Intercambiador de calor para la generación de vapor para centrales de energía solar.

La invención se refiere a un intercambiador de calor para la generación de vapor para centrales de energía solar según el preámbulo de la reivindicación 1.

Por el estado de la técnica se conocen intercambiadores de calor construidos de forma modular, que trabajan según el así denominado principio de circulación, circulación natural o forzada. En este caso el intercambiador comprende un número de módulos para el intercambiador de calor, por ejemplo, un módulo de precalentador, uno o varios módulos de evaporador y un módulo de sobrecalentador, que se ensamblan mediante colectores de entrada y salida correspondientes, tubos de circulación y un tambor colector de vapor externo formando una unidad funcional. Un intercambiador de calor genérico con capas de tubos de circulación que discurren en paralelo al eje longitudinal de la envolvente exterior se da a conocer, por ejemplo, en el documento FR 1, 359, 081 A.

En las centrales de energía solar con frecuencia se producen entre otros, en funciones de la estación, hora y también de las condiciones meteorológicas, grandes cambios de carga y temperatura, de modo que resulta difícil el diseño del generador de vapor para centrales térmicas solares. Las rápidas velocidades de marcha con elevados gradientes de temperatura, baja necesidad de espacio, así como bajos costes de fabricación y funcionamiento sólo son algunos de los requisitos importantes de un intercambiador de calor para la generación de vapor en una planta de energía solar.

Entonces existe la necesidad de intercambiadores de calor todavía más compactos y todavía más eficientes para plantas de energía solar, que además se pueden fabricar de forma económica y se pueden hacer funcionar de forma segura.

Por ello el objetivo de la invención es especificar un intercambiador de calor que permita un modo constructivo compacto, una fabricación económica, así como un funcionamiento seguro.

El objetivo se resuelve con un intercambiador de calor según la reivindicación independiente. Ampliaciones preferidas se reproducen en las reivindicaciones dependientes.

El intercambiador de calor según la invención para la generación de vapor para centrales de energía solar comprende una envolvente exterior con una tubuladura de admisión y una tubuladura de descarga para un medio que emite calor. Además, el intercambiador de calor comprende un colector de entrada y un colector de salida para un medio que absorbe calor, preferentemente agua, estando dispuesto el colector de entrada y el colector de salida esencialmente dentro de la envolvente exterior. Además, dentro de la envolvente exterior se sitúa un haz de tubos con un número de capas de tubos con tubos continuos, que están configurados completamente circundables por el medio que emite calor y que están configurados como recorridos de circulación para el medio que absorbe calor desde el colector de entrada hacia el colector de salida. En este caso el haz de tubos está configurado de forma serpenteante. El intercambiador de calor según la invención está diseñado para una generación de vapor según el principio de circulación forzada, de modo que el medio que absorbe calor, alimentado en el colector de entrada experimenta uno tras otro un precalentamiento, una evaporación y un sobrecalentamiento en el curso del recorrido de circulación, de modo que del colector de salida sale un vapor sobrecalentado. En este caso la energía necesaria para el precalentamiento, evaporación y sobrecalentamiento se pone a disposición esencialmente sólo mediante la transferencia de calor del medio que emite calor hacia el medio que absorbe calor dentro del intercambiador de calor.

El intercambiador de calor reúne entonces al menos tres aparatos diferentes, es decir, precalentador, evaporador y sobrecalentador. Mediante la disposición serpenteante de los tubos, el intercambiador de calor se realiza según el principio a contracorriente o de flujo cruzado. Los tubos serpenteantes se atraviesan por un medio que absorbe calor, preferentemente agua. Mediante la disposición serpenteante de los haces de tubos se reduce en conjunto el tamaño constructivo del intercambiador de calor, se mejora la transferencia de calor del medio que emite calor hacia el medio que absorbe calor y, además, se aumenta la termoelasticidad de la estructura.

Mediante el diseño del intercambiador de calor para la generación de vapor en plantas de energía solar según el principio de circulación forzada, es decir, el medio alimentado que absorbe calor, preferentemente agua, se precalienta “en un paso” del colector de entrada hacia el colector de salida, a continuación se evapora y finalmente se sobrecalienta y se realiza un generador de vapor extraordinariamente compacto y eficiente. En lugar del uso de varios módulos separados para el intercambiador de calor que necesitan una interconexión costosa y complicada, el agua que entra en estado líquido a través del colector de entrada en el intercambiador de calor, se precalienta, evapora y sobrecalienta en el curso de su circulación dentro de los tubos del intercambiador de calor en la dirección del colector de salida, de modo que un vapor sobrecalentado abandona el intercambiador de calor a través del colector de salida, vapor que se le puede suministrar a la turbina de vapor para la generación de corriente.

Mediante el ahorro de tambores colectores de valor, tuberías de circulación y conexiones entre los módulos individuales no sólo se reducen los costes de material en una medida considerable, sino también los costes de fabricación y funcionamiento, ya que se suprimen una gran parte de los costosos trabajos de soldadura y el examen subsiguiente de los mismos. Mediante la supresión de componentes situados fuera de la envolvente exterior, como por ejemplo, tambor colector de vapor, así como también tuberías diversas, se hace posible según la invención una estructura compacta y al mismo tiempo se consigue un rendimiento más elevado del intercambiador de calor, ya que la transferencia de calor para la generación de vapor sólo tiene lugar esencialmente dentro de la envolvente exterior del intercambiador y por consiguiente no se producen pérdidas de calor adicionales debido a los componentes situados fuera de la envolvente

exterior del intercambiador de calor.

“Tubos continuos” significa en este contexto que cada tubo que define respectivamente un recorrido de circulación para el medio que absorbe calor no presenta puntos de ramificación o de mezcla entre el colector de entrada y el colector de salida. Los tubos discurren además completamente “dentro de la envolvente exterior”, que significa que las partes del haz de tubos no se sitúan fuera de la envolvente exterior y que los tubos se circundan completamente por el medio que emite calor. Entonces no se necesitan fuente de energía externas que requieren un precalentamiento, evaporación y sobrecalentamiento. Las superficies calefactores de los mismos tubos continuos forman entonces, observado en la dirección de circulación, una tras otra la zona del precalentador, evaporador y sobrecalentador. Exteriormente no se pueden distinguir estas “zonas” individuales ya que sólo está dispuesto un haz de tubos entre el colector de entrada y el colector de salida y el haz de tubos presenta un desarrollo constante con patrones de meandros que se repiten.

Según la invención el intercambiador de calor se coloca verticalmente. Se prefiere la colocación vertical ya que permite un uso superficial todavía mejor. En este caso se pueden hacer funcionar en paralelo varios de los intercambiadores según la invención unos junto a otros sobre una superficie relativamente pequeña. En plantas de energía solar térmica las relaciones de espacio son desventajosas ya que los colectores del concentrador solar ocupan mucho espacio. El modo constructivo que ahorra espacio de los intercambiadores de calor según la invención permite una colocación casi nómada, de modo que los recorridos de circulación de los medios calentados hacia el intercambiador se pueden acortar de manera conveniente. Las temperaturas del medio que emite calor en la entrada en el intercambiador de calor son más elevadas de modo que se mejora el rendimiento térmico.

Otra variante de realización preferida de la invención prevé que el haz de tubos presente en la colocación vertical un número de capas de tubos verticales, formándose cada capa de tubos de un mismo número de tubos, y que las capas de tubos estén dispuestas de modo que los tubos de las capas de tubos individuales estén orientados tendidos unos junto a otros exactamente en... [Seguir leyendo]

1. Intercambiador de calor (1) con colocación vertical para la generación de vapor para centrales de energía solar, que comprende:

- una envolvente exterior (2) con una tubuladura de admisión (4) y una tubuladura de descarga (5) para un medio que emite calor,

-un colector de entrada (6) y un colector de salida (7) para un medio que absorbe calor, preferentemente agua, en el que el colector de entrada (6) y el colector de salida (7) están dispuestos esencialmente dentro de la envolvente exterior (2) ,

- un haz de tubos (11) dentro de la envolvente exterior (2) con un número de capas de tubos (20, 30) con tubos (21, 22, 23, 24, 33, 34) continuos, que están configurados completamente circundables por el medio que emite calor y que están configurados como recorridos de circulación para el medio que absorbe calor desde el colector de entrada (6) hacia el colector de salida (7) , estando configurado el haz de tubos (11) de forma serpenteante,

en el que el intercambiador de calor (1) está diseñado para la generación de vapor según el principio de circulación forzada, de modo que el medio que absorbe calor, alimentado en el colector de entrada (6) experimenta uno tras otro un precalentamiento, una evaporación y un sobrecalentamiento en el curso del recorrido de circulación, de modo que del colector de salida (7) sale un vapor sobrecalentado, y

en el que la energía necesaria para el precalentamiento, evaporación y sobrecalentamiento se pone a disposición esencialmente sólo mediante la transferencia de calor del medio que emite calor hacia el medio que absorbe calor dentro del intercambiador de calor (1) ,

caracterizado porque las capas de tubos (20, 30) están dispuestas de modo que los tubos (21, 22, 23, 24, 33, 34) de las capas de tubos (20, 30) individuales están orientadas tendidas unas junto a otras justamente en dirección horizontal, estando opuestas las direcciones de circulación del medio que absorbe calor en las secciones de tubos (15) adyacentes horizontalmente, dispuestas transversalmente al eje central (10) de la envolvente exterior (2) , y porque las capas de tubos (20, 30) son adyacentes verticalmente, formándose cada capa de tubos (20, 30) a partir de un mismo número de tubos (21, 22, 23, 24, 33, 34) .

2. Intercambiador de calor (1) según la reivindicación 1, caracterizado porque el colector de entrada (6) y el colector de salida (7) presentan una sección transversal circular, y los tubos (21, 22, 23, 24) de una capa de tubos (20) están conectados con el colector de entrada (6) y colector de salida (7) sobre una línea periférica (13) del colector de entrada (6) y de salida (7) de forma decalada unos de otros en un ángulo (α) igual.

3. Intercambiador de calor (1) según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los tubos (21, 22, 23, 24, 33, 34) de las capas de tubos (20, 30) adyacentes están conectados con el colector de entrada (6) y de salida (7) , de modo que los tubos (33, 34) de una capa de tubos (30) están dispuestos decalados respecto a los tubos (21, 22, 23, 24) de la capa de tubos (20) adyacentes en un ángulo (β) sobre una línea periférica (14) adyacente del colector de entrada (6) y de salida (7) .

4. Intercambiador de calor (1) según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el haz de tubos

(11) presenta una sección separada en la que tiene lugar predominantemente el precalentamiento del medio que absorbe calor.

5. Intercambiador de calor (1) según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el haz de tubos

(11) presenta una sección separada en la que tiene lugar predominantemente la evaporación del medio que absorbe calor.

6. Intercambiador de calor (1) según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el haz de tubos

(11) presenta una sección separada en la que tiene lugar predominantemente el sobrecalentamiento del medio que absorbe calor.

7. Intercambiador de calor (1) según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los tubos (21, 22, 23, 24, 33, 34) están conectados con el colector de entrada (6) o de salida (7) a través de boquillas (21a, 22a, 23a, 24a, 31a, 32a, 33a, 34a) .

8. Intercambiador de calor (1) según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los tubos (21, 22, 23, 24, 33, 34) están conectados directamente con el colector de entrada (6) o de salida (7) sin boquillas.

9. Intercambiador de calor (1) según la reivindicación 7, caracterizado porque las boquillas (21a, 22a, 23a, 24a, 31a, 32a, 33a, 34a) están conectadas por adherencia de materiales con el colector de entrada (6) o el colector de salida (7) .

10. Intercambiador de calor (1) según la reivindicación 7, caracterizado porque las boquillas (21a, 22a, 23a, 24a, 31a, 32a, 33a, 34a) están fabricados por arranque de viruta del material del colector de entrada (6) o de salida (7) .

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11. Intercambiador de calor (1) según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el haz de tubos

(11) está dispuesto en una carcasa interior (3) que está dispuesta de forma concéntrica dentro de la envolvente exterior

(2) y presenta una abertura de entrada y una abertura de salida para el medio que emite calor.

12. Intercambiador de calor (1) según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la tubuladura de admisión (4) y la tubuladura de descarga (5) para el medio que emite calor están dispuestas en la parte inferior de la envolvente exterior (2) en caso de colocación vertical del intercambiador de calor (1) .