Recuperador.

Un recuperador (400) que comprende:

un conducto (403) de gas de calentamiento;

un múltiple de entrada (215); y

un múltiple de descarga (225);

un área (300) de calentamiento de un solo paso dispuesta en el conducto (403) de gas de calentamiento a través del cual es conducido un flujo (370) de gas de calentamiento, estando formada dicha área (300) de calentamiento de un solo paso de una pluralidad de primeros conjuntos (230) de cabezal y tubos de una sola fila y de una pluralidad de segundos conjuntos (240) de cabezal y tubos de una sola fila; caracterizado por que:

cada uno de dicha pluralidad de primeros conjuntos (230) de cabezal y tubos de una sola fila incluye una pluralidad de primeros tubos generadores de intercambiador de calor (201A-F) conectados en paralelo para un flujo pasante o que atraviesa de un medio de flujo a su través e incluyendo además una pluralidad de cabezales de entrada (205A-F) conectados a dicho múltiple de entrada (215), incluyendo cada uno de dicha pluralidad de segundos conjuntos (240) de cabezal y tubos de una sola fila una pluralidad de segundos tubos del intercambiador de calor (201G-L) conectados en paralelo para un flujo pasante de dicho medio de flujo a su través desde dichos primeros tubos del intercambiador de calor respectivos (2001A-F), e incluyendo además una pluralidad de cabezales de descarga (205G-L) conectados a dicho múltiple de descarga (225), estando conectado cada uno de dichos cabezales de entrada (205A-F) a dicho múltiple de entrada (215) mediante al menos uno de una pluralidad de primeros tubos de enlace respectivos (220A-F), estando conectado cada uno de dichos cabezales de descarga (205G-L) a dicho múltiple de descarga (225) mediante al menos uno de una pluralidad de segundos tubos de enlace respectivos (220G-L), y teniendo cada uno de dichos primer y segundo tubos de intercambiador de calor (201A-L) de cada uno de dichos primer y segundo conjuntos (230, 240) de cabezal y tubos de una sola fila un diámetro interior que es menor que un diámetro interior de cualquiera de dicha pluralidad de primeros tubos de enlace (220A-F) y de cualquiera de dicha pluralidad de segundos tubos de enlace (220G25 L).

Recuperador

CAMPO TÉCNICO

El presente invento se refiere a recuperadores, y más particularmente al calentamiento de aire presurizado capaz de recuperar energía de escape o evacuación desde una turbina de combustión de escala de utilidad.

ANTECEDENTES

El intercambio de calor desde un gas caliente a presión atmosférica a aire presurizado puede ser realizado en un recuperador, del que hay disponibles muchos diseños convencionales. Estos diseños comerciales están limitados en tamaño y tienen una historia de servicio pobre cuando se aplican a grandes aplicaciones de recuperación de calor, tales como la recuperación de calor residual desde la corriente de gas de escape de una turbina de combustión de tamaño de utilidad. El calor residual procedente de una turbina de combustión puede ser utilizado para calentar aire comprimido almacenado con propósitos de generación de energía en instalaciones o plantas de almacenamiento de energía de aire comprimido (CAES) , u otro proceso que requiere aire comprimido calentado.

Los sistemas de CAES almacenan energía por medio de aire comprimido en una cueva o cámara durante períodos de temporada baja. La energía eléctrica es producida en hora punta admitiendo aire comprimido desde la cueva a una o varias turbinas mediante un recuperador. El tren de potencia comprende al menos una cámara de combustión que calienta el aire comprimido a una temperatura apropiada. Para cubrir las demandas de energía en hora punta una unidad de CAES podría ser puesta en marcha varias veces por semana. Para satisfacer las demandas de carga, es obligatoria una capacidad de puesta en marcha rápida del tren de potencia con el fin de satisfacer los requisitos del mercado de suministro de energía. Sin embargo, las rampas de carga rápida durante la puesta en marcha imponen tensiones térmicas en el tren de potencia por transitorios térmicos. Esto puede tener un impacto en la vida de los trenes de energía porque el consumo de vida aumenta con los transitorios térmicos crecientes. Para estos tipos de aplicaciones, el tamaño físico del intercambiador de calor y las grandes tensiones térmicas transitorias asociadas con calentamiento rápido del recuperador durante la puesta en marcha han probado estar más allá de la capacidad del equipamiento recuperador convencional.

De forma común a todos los recuperadores de aire de recuperación de calor (HRAR) , la temperatura de la corriente de gas de escape disminuye desde la entrada del gas de escape a la salida del gas de escape del intercambiador de calor. La cantidad de calor transferida en cada fila de tubos del intercambiador de calor sobre la que fluye el gas de escape es proporcional a la diferencia de temperatura entre el gas de escape y el fluido en los tubos del intercambiador de calor. Por ello, para cada fila sucesiva de tubos del intercambiador de calor en la dirección del flujo del gas de escape, se transfiere una cantidad de calor menor, y el flujo de calor desde el gas de escape al fluido (por ejemplo, aire comprimido) dentro del tubo disminuye con cada fila de tubos desde la entrada a la salida de la sección del intercambiador de calor. Por tanto, para cada fila sucesiva de tubos del intercambiador de calor en la dirección del flujo del gas, la temperatura del metal del tubo viene determinada tanto por la cantidad de flujo de calor a través de la pared del tubo como por la temperatura media del fluido dentro del tubo.

Por ejemplo, en un recuperador convencional, la temperatura del metal del tubo del intercambiador de calor viene determinada tanto por la cantidad de flujo de calor a través de la pared del tubo del intercambiador de calor como por la temperatura media del medio que fluye dentro del tubo del intercambiador del calor. Como el flujo de calor disminuye desde la entrada a la salida de la sección del recuperador, la temperatura del metal del tubo del intercambiador de calor es diferente para cada fila de tubos del intercambiador de calor incluidos en la sección del recuperador.

Cada múltiple (cabezal) de un recuperador de aire de recuperación de calor horizontal (HRAR) que discurre perpendicular al flujo de gas de escape actúa como un punto de recogida para múltiples filas de tubos. Estos cabezales son de diámetro y grosor relativamente grandes para acomodar las múltiples filas de tubos. Las figs. 1a y 1b son dos vistas de tal conjunto 100, conocido como un conjunto de cabezal y tubos de múltiples filas, utilizado en disposiciones de intercambiador de calor típicas. Incluido en el conjunto 100 hay un cabezal 101 y múltiples filas de tubos 105A-105C. Como se ha mostrado en la fig. 1a, cada fila de tubos individual 105A-105C incluye múltiples tubos. En interés de la claridad de la ilustración, la fig. 1b muestra solamente un único tubo en cada fila de tubos 105A-105C. Como cada una de las filas de tubos 105A-105C está a una temperatura diferente, la fuerza mecánica debida a la expansión térmica es diferente para cada fila de tubos 105A-105C. Tal diferencia de expansión térmica provoca tensión en las curvas del tubo y en el punto de unión de cada tubo individual al cabezal 101. Además, contribuyendo también a las tensiones térmicas en el punto de unión de cada tubo individual al cabezal 101 hay una diferencia de grosor entre los tubos de pared relativamente delgada comparada con el cabezal 101 de pared gruesa. En ciertas condiciones de funcionamiento, estas tensiones pueden provocar el fallo del punto de unión, especialmente si el conjunto 100 es sometido a muchos ciclos de calentamiento y enfriamiento. Por consiguiente, existe una necesidad de un recuperador flexible para aplicaciones de plantas de servicio de gran escala que sea capaz tanto de un calentamiento como de un enfriamiento rápido así como de un gran número de ciclos de puesta en marcha y parada.

Además, la Publicación Norteamericana US2003/0051501 muestra una pluralidad de placas laminadas, en las cuales una pluralidad de tubos de transferencia de calor curvados en una forma de zigzag están dispuestos en contacto con cada superficie de cada una de las placas, y las placas son laminadas de manera que los tubos de transferencia de calor en una de las placas adyacentes se cortan con los tubos de transferencia de calor en la otra de las placas adyacentes. La Publicación Norteamericana US2006/0130517 proporciona una unidad de enfriamiento para utilizar en un entorno refrigerado. La unidad de enfriamiento incluye un alojamiento y al menos un serpentín evaporador de microcanal que incluye un múltiple de entrada y un múltiple de salida. La Patente Norteamericana nº 4.147.208 proporciona un intercambio de calor que actúa como recuperador que incluye una pluralidad de subconjuntos idénticos, que incluyen una pluralidad de tubos rectos. La Publicación Internacional Nº WO92/22741 proporciona una planta de energía perfeccionada que emplea una combinación de almacenamiento de aire comprimido y saturación de aire comprimido. La planta de energía incluye una cámara de combustión que proporciona gas caliente para el accionamiento de una turbina. El sistema compresor es utilizado para comprimir aire que es almacenado en una cámara de almacenamiento de aire. La Patente Norteamericana nº 6.957.630 proporciona un generador de vapor que incluye un múltiple de entrada, un múltiple de descarga, y un conducto de gas de calentamiento. El área de calentamiento de un solo paso está formada de múltiples conjuntos de cabezal y tubos de una sola fila.

RESUMEN

De acuerdo con los aspectos ilustrados aquí, se ha proporcionado un recuperador que incluye un conducto de gas de calentamiento, un múltiple de entrada; un múltiple de descarga; y un área calentamiento de un solo paso dispuesta en el conducto de gas de calentamiento a través del cual es conducido el flujo de gas de calentamiento. El área de calentamiento de un solo paso está formada de una pluralidad de primeros conjuntos de cabezal y tubos de una sola fila y de una pluralidad de segundos conjuntos de cabezal y tubos de una sola fila. Cada uno de la pluralidad de conjuntos de cabezal y tubos de una sola fila que incluye una pluralidad de primeros tubos generadores del intercambiador de calor está conectado en paralelo para un flujo pasante de un medio de flujo a su través y además incluye una pluralidad de cabezales de entrada conectados al múltiple de entrada. Cada uno de la pluralidad de segundos conjuntos de cabezal y tubos de una sola fila que incluye una pluralidad de segundos tubos generadores de intercambiador de calor está conectado en paralelo para un flujo pasante del medio de flujo a su través desde los primeros tubos generadores del intercambiador de calor respectivos, y además incluye una pluralidad de cabezales de descarga conectados al múltiple de descarga.... [Seguir leyendo]

1. Un recuperador (400) que comprende:

un conducto (403) de gas de calentamiento;

un múltiple de entrada (215) ; y

un múltiple de descarga (225) ;

un área (300) de calentamiento de un solo paso dispuesta en el conducto (403) de gas de calentamiento a través del cual es conducido un flujo (370) de gas de calentamiento, estando formada dicha área (300) de calentamiento de un solo paso de una pluralidad de primeros conjuntos (230) de cabezal y tubos de una sola fila y de una pluralidad de segundos conjuntos (240) de cabezal y tubos de una sola fila; caracterizado por que:

cada uno de dicha pluralidad de primeros conjuntos (230) de cabezal y tubos de una sola fila incluye una pluralidad de primeros tubos generadores de intercambiador de calor (201A-F) conectados en paralelo para un flujo pasante o que atraviesa de un medio de flujo a su través e incluyendo además una pluralidad de cabezales de entrada (205A-F) conectados a dicho múltiple de entrada (215) , incluyendo cada uno de dicha pluralidad de segundos conjuntos (240) de cabezal y tubos de una sola fila una pluralidad de segundos tubos del intercambiador de calor (201G-L) conectados en paralelo para un flujo pasante de dicho medio de flujo a su través desde dichos primeros tubos del intercambiador de calor respectivos (2001A-F) , e incluyendo además una pluralidad de cabezales de descarga (205G-L) conectados a dicho múltiple de descarga (225) , estando conectado cada uno de dichos cabezales de entrada (205A-F) a dicho múltiple de entrada (215) mediante al menos uno de una pluralidad de primeros tubos de enlace respectivos (220A-F) , estando conectado cada uno de dichos cabezales de descarga (205G-L) a dicho múltiple de descarga (225) mediante al menos uno de una pluralidad de segundos tubos de enlace respectivos (220G-L) , y teniendo cada uno de dichos primer y segundo tubos de intercambiador de calor (201A-L) de cada uno de dichos primer y segundo conjuntos (230, 240) de cabezal y tubos de una sola fila un diámetro interior que es menor que un diámetro interior de cualquiera de dicha pluralidad de primeros tubos de enlace (220A-F) y de cualquiera de dicha pluralidad de segundos tubos de enlace (220G-L) .

2. El recuperador (400) de la reivindicación 1, en el que el conducto (403) de gas de calentamiento está dispuesto horizontalmente para dirigir el flujo de gas de calentamiento (370) en una dirección de gas de calentamiento aproximadamente horizontal.

3. El recuperador (400) de la reivindicación 1 ó 2, en el que el conducto (403) de gas de calentamiento está adaptado para conducir aire comprimido.

4. El recuperador (400) de una de las reivindicaciones precedentes, en el que al menos uno de dicha pluralidad de segundos tubos del intercambiador de calor (201G-L) asociado con dicha pluralidad de segundos conjuntos (240) de cabezal y tubos de una sola fila está dispuesto aguas arriba de dicha pluralidad de primeros tubos del intercambiador de calor (201A-F) asociado a dicha pluralidad de primeros conjuntos (230) de cabezal y tubos de una sola fila.

5. El recuperador (400) de una de las reivindicaciones precedentes, en el que dicho múltiple de entrada (215) tiene un diámetro interior mayor que un diámetro interior de cada uno de dichos cabezales de entrada (205A-L) ; y dicho múltiple de descarga (225) tiene un diámetro interior menor que un diámetro interior de cada uno de dichos cabezales de descarga (205G-L) .

6. El recuperador (400) de una de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha área (300) de calentamiento de un solo paso es una primera zona de calentamiento de un solo paso, dicho múltiple de entrada (215) es un primer múltiple de entrada, dicho múltiple de descarga (225) es un primer múltiple de descarga, y que comprende además: una segunda área (300) de calentamiento de un solo paso dispuesta en dicho conducto (403) de gas de calentamiento, estando formada dicha segunda área (300) de calentamiento de un solo paso de otra pluralidad de dichos primeros y segundos conjuntos (230, 240) de cabezal y tubos de una sola fila, incluyendo cada uno de dicha otra pluralidad de primeros y segundos conjuntos (230, 240) de cabezal y tubos de una sola fila una pluralidad de primeros y segundos tubos del intercambiador de calor (201A-L) , respectivamente, conectados en paralelo para un flujo pasante del medio de flujo a su través, incluyendo cada uno de dicha otra pluralidad de primeros conjuntos (230) de cabezal y tubos de una sola fila una pluralidad de cabezales de entrada (205A-F) conectados a un segundo múltiple de entrada (215) e incluyendo cada uno de dicha otra pluralidad de segundos conjuntos (240) de cabezal y tubos de una sola fila una pluralidad de cabezales de descarga (205G-L) conectados a un segundo múltiple de descarga (225) en que dicha primera área (300) de calentamiento de un solo paso está en comunicación de fluido con la segunda área (300) de calentamiento de un solo paso conectando el primer múltiple de descarga (225) al segundo múltiple de entrada (215) .

7. El recuperador (400) de la reivindicación 6, en el que dicha segunda área (300) de calentamiento de un solo paso está dispuesta a aguas arriba de dicha primera área (300) de calentamiento de un solo paso.

8. El recuperador (400) de una de las reivindicaciones precedentes, en el que cada uno de dicha pluralidad de segundos tubos del intercambiador de calor (201G-L) asociados con dicha pluralidad de segundos conjuntos (240) de cabezal y tubos de una sola fila está en comunicación de fluido con uno respectivo de dicho primer tubo del intercambiador de calor (201A) de dicha pluralidad de primeros tubos del intercambiador de calor (201A-F) asociado con dicha pluralidad de primeros conjuntos (230) de cabezal y tubos de una sola fila mediante una parte superior del área (300) de calentamiento de un solo paso.

9. El recuperador (400) de una de las reivindicaciones precedentes, en que la parte superior del área (300) de calentamiento de un solo paso incluye una pluralidad de primeros y segundos cabezales comunes (305A-L) conectados a una fila de tubos correspondiente de dichos primeros y segundos tubos generadores intercambiadores de calor (201A

L) , respectivamente, un primer cabezal común de dicha pluralidad de primeros cabezales comunes (305A-F) está en comunicación de fluido con un segundo cabezal común correspondiente de dicha pluralidad de segundos cabezales comunes (305G-L) mediante un tercer tubo de enlace (320) correspondiente.

10. El recuperador (400) de las reivindicaciones 1 a 9, en el que dicho recuperador (400) es un recuperador de aire de recuperación de calor.

11. El recuperador (400) de una de las reivindicaciones 1 a 10, en el que el múltiple de entrada (215) incluye una pluralidad de múltiples de entrada en los que cada uno de dichos cabezales de entrada (205A-F) están conectados a dicha pluralidad de múltiples de entrada (215) mediante al menos uno respectivo de una pluralidad de tubos de enlace (220) .

12. Un sistema de almacenamiento de energía de aire comprimido, caracterizado por que el sistema de almacenamiento 20 de energía de aire comprimido comprende:

una cueva (1) para almacenar aire comprimido;

un tren de potencia que comprende un rotor y una o varias turbinas de expansión; y

un sistema que proporciona a dicho tren de potencia con dicho aire comprimido de dicha cueva (1) , incluyendo el sistema un recuperador (400) de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes para calentar previamente dicho aire comprimido antes de la admisión a dicha una o varias turbinas de expansión (3) y una primera disposición (8) de válvula que controla el flujo de aire precalentado desde dicho recuperador (400) a dicho tren de potencia.