BRPI1106277A2 - dispositivo com um trocador de calor e método para operar um trocador de calor de uma instalação de geração de vapor - Google Patents

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Abstract

dispositivo com um trocador de calor e método para operar um trocador de calor de uma instalação de geração de vapor. a presente invenção refere-se a um dispositivo com um trocador de calor com um tubo de alimentação para um meio que leva de uma admissão de meio para a entrada do trocador de calor e com um tubo de descarga que leva para fora da saída dotrocador de calor caracterizado pelo fato de que este tem um primeiro desvio da entrada de meio para o tubo de descarga e um segundo desvio do tubo de alimentação para a saída de meio e válvulas, de modo que o meio possa também fluir da saída de trocador de calor para a entrada de trocador de calor.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "DISPOSITIVO COM UM TROCADOR DE CALOR E MÉTODO PARA OPERAR UM TRO-CADOR DE CALOR DE UMA INSTALAÇÃO DE GERAÇÃO DE VAPOR". A presente invenção refere-se a um dispositivo com um trocador de calor com um tubo de alimentação para um meio que leva de uma admissão de meio para a entrada do trocador de calor e com um tubo de descarga que leva para fora da saída do trocador de calor.
Tais tipos de trocadores de calor são necessários em muitas a-plicações. A energia transferida é por meio disto determinada pelas diferentes temperaturas dos meios que são carregados dentro do trocador de calor. Diferentes mecanismos de controle são conhecidos para variar o fluxo de volume destes meios. Como é frequentemente necessário atingir certas temperaturas de meio sem ser possível, como uma regra, modificar a superfície do trocador de calor, a velocidade de fluxo dentro do trocador de calor é variada.
Uma alternativa a isto pode ser operar o trocador de calor em um fluxo concorrente ou contracorrente. Apesar das temperaturas de meio na saída de trocador de calor poderem convergir fortemente no modo de operação de fluxo concorrente, o modo de operação de fluxo contracorrente provê, como uma regra, uma maior troca de calor com a mesma superfície de trocador de calor. A utilização da mudança de fluxo concorrente para fluxo contracorrente como um mecanismo de controle deve ser rejeitada, já que a tubulação já esta determinada durante a instalação do trocador de calor e não pode ser mudada durante a operação.
Um campo de aplicação específico de trocadores de calor especificamente grandes é o aquecimento e o resfriamento de gases de sistemas de queima os quais são utilizados como instalações de geração de vapor. Em tais instalações, o ar suprido para a grelha de fogo, respectivamente para a área de combustão, deve ser preaquecido e os gases de descarga são resfriados. Os trocadores de calor são por meio disto utilizados como evapo-radores e superaquecedores, de modo a suprir uma turbina com vapor. A água de alimentação do gerador de vapor é frequentemente preaquecida em um economizador para resfriar adicionalmente os gases de descarga.
Durante o tempo de operação da instalação de geração de vapor, a temperatura de gás de descarga varia de acordo com o processo de combustão. Mais ainda, depósitos ocorrem dentro do evaporador e nos su-peraquecedores, assim comprometendo a eficiência dos trocadores de calor. O economizador é por meio disto eventualmente exposto a diferentes temperaturas de gás de descarga. A eficiência do economizador mais ainda também varia de acordo com os depósitos produzidos pelos gases de descarga dentro dos tubos do trocador de calor. i A maior parte do tempo, uma instalação de desnitrogenização, os efeitos catalíticos da qual somente acontecem em um modo ótimo em certas temperaturas, está provida a jusante do economizador. Em instalações de SCR, por exemplo, estas temperaturas ficam entre 250°C e 270°C.
Durante as primeiras horas de operação de tal instalação, os trocadores de calor ainda têm uma alta eficiência a qual, no entanto, decres-ce durante o tempo de operação devido a depósitos. O tempo de funcionamento da instalação é mais especificamente também determinado pelo fato de que a temperatura de gás de descarga na instalação de desnitrogenização deve permanecer dentro de uma janela de temperatura determinada. O objetivo subjacente à invenção é, portanto, desenvolver adicionalmente um dispositivo genérico de tal modo que as janelas de temperatura desejadas possam ser mantidas por um período de tempo mais longo.
Em um dispositivo genérico, este objetivo é resolvido pelo dispositivo tendo um primeiro desvio da entrada de meio para o tubo de descarga e um segundo desvio do tubo de alimentação para a saída de meio assim como válvulas, de modo que o meio possa também fluir da saída de trocador de calor para a entrada de trocador de calor. A provisão de desvios permanentes nos locais especificados torna possível operar o trocador de calor em fluxo concorrente e em contracor-rente simplesmente aperfeiçoando-o com dois tubos e as válvulas correspondentes.
No exemplo de um economizador de uma instalação de geração de vapor, isto significa que o economizador pode ser operado, por exemplo, no início em um fluxo concorrente. Quando a eficiência do trocador de calor diminui devido aos depósitos, a temperatura dos gases de descarga aumenta. Trocando o trocador de calor de fluxo concorrente para fluxo contracor-rente, a temperatura de gás de descarga é diminuída. O trocador de calor pode assim continuar a operar, já que a temperatura de gás de descarga ainda permanece dentro da janela de temperatura especificada. No exemplo de um economizador conectado a montante de uma instalação de SCR, a temperatura de gás de descarga pode ser diminuída de 265 graus Celsius para 255 graus Celsius simplesmente trocando de fluxo concorrente para fluxo contracorrente. O tempo de funcionamento da instalação pode assim ser consideravelmente estendido. É possível prover válvulas no tubo de alimentação, no tubo de descarga e nos desvios. Estas válvulas podem ser eficazmente atuadas de tal modo que nenhum tubo com meio superaquecido possa ser fechado em ambos os lados. Isto é mais especificamente necessário nas instalações de geração de vapor de modo a evitar pressões excessívamente altas dentro dos tubos.
De modo a simplificar tal regulação, é proposto que uma válvula de três vias seja disposta entre a entrada de meio, o primeiro desvio e o tubo de alimentação. Uma válvula de três vias assegura que o meio da entrada de meio seja distribuído para o desvio e o tubo de alimentação. A válvula de três vias pode por meio disto ser ajustada de tal modo que esta sempre leve o influxo inteiro na entrada de meio sem a seção transversal do tubo seja reduzida ou mesmo fechada neste local. É vantajoso correspondentemente também prover uma válvula de três vias entre a saída de meio, o segundo desvio e o tubo de descarga. O fechamento dos tubos também deve ser evitado aqui e o fluxo de volume total deve de preferência permanecer aproximadamente constante mesmo enquanto comutando a válvula.
Um campo de aplicação vantajoso dos dispositivos é o tratamento de meios líquidos. Isto se aplica principalmente com meios com uma tem- peratura que excede 130°C.
Diferentes meios podem por meio disto ser carregados opostos ao meio dentro do trocador de calor. Um amplo campo de aplicação está descrito com trocadores de calor através dos quais um gás flui.
Uma implementação alternativa aqui provê que o gás flui da entrada de trocador de calor para a saída de trocador de calor. No entanto, dependendo do ajuste da instalação, o gás pode também fluir da saída de trocador de calor para a entrada de trocador de calor.
Como um amplo campo de aplicação do dispositivo refere a geradores de vapor, é proposto que o gás deva ter uma temperatura acima de 100°C. O dispositivo descrito pode ser utilizado em diferentes locais dentro de uma instalação de geração de vapor. Aqui, o trocador de calor pode ser um superaquecedor, um economizador ou um preaquecedor de ar de combustão.
Operar um dispositivo com um aparelho de desnitrogenização é especificamente vantajoso já que a temperatura de gás de descarga no aparelho de desnitrogenização pode por meio disto ser mantida dentro de uma janela de temperatura especificada em um modo simples sobre um longo período de operação da instalação. O objeto subjacente à invenção é também resolvido por um método para operar um trocador de calor de uma instalação de geração de vapor, na qual o trocador de calor pode ser ajustado para operar em um fluxo concorrente ou contracorrente por meio de válvulas. Mais especificamente, os trocadores de calor de uma instalação de geração de vapor podem por meio disto ser operados de tal modo que os gases requeridos sejam mantidos dentro de janelas de temperatura específicas e seja possível trocas de modo de operação de fluxo concorrente para contracorrente durante a operação.
Este método pode ser especificamente facilmente realizado se a troca ocorrer através de válvulas de três vias. Isto simplifica o controle de válvula e toma possível, devido à configuração das válvulas e independen- temente do controle, assegurar que nenhum meio superaquecido seja levado dentro de tubos da instalação de geração de vapor os quais estão completamente fechados na entrada de tubo e na saída de tubo.
As modalidades exemplares do dispositivo e do método estão mostradas nas figuras e estão adicionalmente explicadas a seguir. Nos desenhos: a figura 1 mostra um mecanismo de troca de trocador de calor com quatro válvulas em modo de operação de fluxo concorrente, a figura 2 mostra um mecanismo de troca de trocador de calor com quatro válvulas em modo de operação de fluxo contracorrente, a figura 3 mostra um mecanismo de troca de trocador de calor com duas válvulas em modo de operação de fluxo concorrente, a figura 4 mostra um mecanismo de troca de trocador de calor com duas válvulas em modo de operação de fluxo contracorrente, a figura 5 mostra uma instalação de geração de calor com um economizador em modo de operação de fluxo concorrente, e a figura 6 mostra uma instalação de geração de calor com um economizador em modo de operação de fluxo contracorrente. O dispositivo 1 mostrado na figura 1 consiste substancialmente em um trocador de calor 2, o qual está suprido com um meio 16 através de um tubo de alimentação 3. Este tubo de alimentação 3 leva de uma entrada de meio 4 para a entrada de trocador de calor 5. Um tubo de descarga 6 da saída de trocador de calor 7 está provido no lado que faceia afastando da entrada de trocador de calor. Um primeiro desvio 8 por meio disto leva da entrada de meio 4 para o tubo de descarga 6 e um segundo desvio 9 leva do tubo de alimentação 3 para a saída de meio 10.
Uma primeira válvula de desvio 11 está provida entre a entrada de meio e o primeiro desvio 8 e uma segunda válvula de desvio 12 está provida entre o segundo desvio 9 e a entrada de meio 10. Uma válvula de tubo de alimentação 13 está disposta no tubo de alimentação 3 e uma válvula de tubo de descarga 14 está provida no tubo de descarga 6.
No caso presente, o segundo meio é um gás, o fluxo do qual es- tá indicado pelas setas 15. No exemplo mostrado na figura 1, o trocador de calor 2 assim opera em um fluxo concorrente.
Para este fim, a válvula de tubo de alimentação 13 e a válvula de tubo de descarga 14 estão abertas, de modo que o meio 16 flui concorrentemente com o gás 15 através do trocador de calor 2. O primeiro desvio 8 por meio disto torna possível ajustar a saída de trocador de calor 2 e a temperatura do meio na saída de meio 10 através da primeira válvula de desvio 11. Nesta composição, a segunda válvula de desvio 12 está fechada, de modo que nenhum meio flui através do segundo desvio 9.
Na composição mostrada na figura 2, o meio 16 flui através da primeira válvula de desvio 11 e do primeiro desvio 8, através do trocador de calor 2 para a segunda válvula de desvio 12 e dali para a saída de meio 10. Como o gás ainda flui na direção das setas 15, o trocador de calor 2 é operado em fluxo de contracorrente com esta composição de válvula. O ajuste da temperatura de meio na saída de meio 10 é possível comutando a válvula de tubo de alimentação 13, assim conseguindo um fluxo de desvio assim conseguindo um fluxo de desvio da entrada de meio 4 diretamente para a saída de meio 10. A rota da entrada de meio através do tubo de descarga 6 para a saída de meio 10 está fechada pela válvula de tubo de descarga 14.
Nas figuras 3 e 4, no entanto, os mecanismos de comutação mostrados nas figuras 1 e 2 estão correspondentemente descritos com respectivamente 2 válvulas de duas vias. A válvula de desvio 11 e a válvula de alimentação 13 foram por meio disto mescladas em uma primeira válvula de três vias 17 enquanto que a válvula de desvio 12 e a válvula de tubo de descarga 14 estão mescladas em uma segunda válvula de três vias 18. A primeira válvula de desvio 17 assim distribui o meio 16 que vem da entrada de meio 4 para o tubo de alimentação 3 e o primeiro desvio 8. A segunda válvula de três vias 18 correspondentemente leva o meio carregado no tubo de descarga 6 juntamente com o meio que vem do segundo desvio 9 para a saída de meio 10. O trocador de calor 2 pode assim ser comutado do modo de o-peração de fluxo concorrente mostrado na figura 3 para o modo de operação de fluxo contracorrente mostrado na figura 4. Enquanto que durante o modo de operação de fluxo concorrente o segundo desvio 9 está fechado pela composição da segunda válvula de três vias 18, no modo de operação contracorrente a segunda válvula de três 18 fecha o tubo de descarga 6 enquan-I to que o segundo desvio 9 está aberto.
Na instalação de geração de vapor 20 mostrada na figura 5, o sistema de queima, no qual um material combustível, mais especificamente tal como um refugo, é queimado com o ar de combustão preaquecido, não está mostrado. Os gases de descarga gerados durante a combustão estão ' indicados pela setas 21, 22 e 23.
Estes gases de descarga primeiro fluem através do evaporador 24 e então através de três superaquecedores 25, 26, 27. Os gases de descarga eventualmente fluem através de um economizador 28 antes de serem alimentados para uma instalação de desnitrogenização catalítica (SCR) não mostrada no desenho. A água 29 que serve como um meio de resfriamento é evaporada no evaporador 24 e é alimentada como vapor através do primeiro supe-raquecedor 25, então através do terceiro superaquecedor 27 e finalmente através do segundo superaquecedor 26 para uma turbina 30 a qual aciona um gerador 31. Esta então flui através de um condensador 32 e é transportada para o economizador 28 através de uma bomba 33. A primeira válvula de três vias 34 é por meio disto aberta de acordo com a composição mostrada na figura 3 e a segunda válvula de três vias 35 é comutada de tal modo que o segundo desvio 36 é fechado. O meio assim flui da entrada de meio 37 através da primeira válvula de três vias 34 e do tubo de alimentação 38 para o economizador 28 e do economizador 28 através do tubo de descarga 39 e da segunda válvula de duas vias 35 para o tambor de caldeira 40. O controle da temperatura de meio é por meio disto possível através do primeiro desvio 41 entre a primeira válvula de desvio 34 e o tubo de descarga 39. A figura 6 mostra que o economizador 28 pode ser comutado do modo de operação de fluxo concorrente mostrado na figura 5 para o modo de operação de fluxo contracorrente mostrado na figura 6 por uma mera comutação da segunda válvula de desvio 35. Nesta composição a água 29 flui da entrada de meio 37 através da primeira válvula de duas vias 34 e do primeiro desvio 41 para o economizador 28. Dali, a água alcança a segunda válvula de três vias 35 através do segundo desvio 36 e de volta para o tambor de caldeira 40.
Nesta composição, o tubo de alimentação 38 assume a função de um possível desvio, de modo a levar a água, sob o controle pela primeira válvula de três vias 34, passando pelo economizador 28 diretamente para a primeira válvula de três vias 35 e dali para o tambor de caldeira 40. A água 29 que serve como um meio de resfriamento é evaporada no evaporador 24 e é alimentada como vapor primeiro através do primeiro superaquecedor 25, então através do segundo superaquecedor 26 e finalmente através do terceiro superaquecedor 27 para uma turbina 30 a qual aciona o gerador 31. Isto torna possível nesta composição também prover uma regulação da temperatura de meio no lado do gás e da água em um modo simples sem despesas adicionais em tubos e válvulas. E mais ainda possível durante a operação comutar do modo de operação de fluxo concorrente para o modo de operação de fluxo contracorrente e de volta.
REIVINDICAÇÕES

Claims (15)

1. Dispositivo (1) com um trocador de calor (2) com um tubo de alimentação (3) para um meio (16) que leva de uma admissão de meio (4) para a entrada do trocador de calor (5) e com um tubo de descarga (6) que leva para fora da saída do trocador de calor (7), caracterizado por um primeiro desvio (8) que leva da entrada de meio (4) para o tubo de descarga (6) e um segundo desvio (9) que leva do tubo de alimentação (3) para a saída de meio (10) e válvulas (11-14), de modo que um meio (16) possa também fluir da saída de trocador de calor (10) para a entrada de trocador de calor (5).
2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma válvuia de três vias (17) está disposta entre a entrada de meio (4), o primeiro desvio (8) e o tubo de alimentação (3).
3. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações acima mencionadas, caracterizado pelo fato de que uma válvula de três vias (18) está disposta entre a saída de meio (10), o segundo desvio (9) e o tubo de descarga (6).
4. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações acima mencionadas, caracterizado pelo fato de que o meio (16) é um líquido.
5. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações acima mencionadas, caracterizado pelo fato de que o meio (16) tem uma temperatura acima de 130°C.
6. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações acima mencionadas, caracterizado pelo fato de que um gás também flui através do trocador de calor (2).
7. Dispositivo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o gás flui na direção que leva da entrada de trocador de calor (5) para a saída de trocador de calor (7).
8. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que o gás tem uma temperatura acima de 100°C.
9. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações acima mencionadas, caracterizado pelo fato de que o trocador de calor (2) é um evaporador (24) de uma instalação de geração de vapor (20).
10. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que o trocador de calor (2) é um superaquecedor (25, 26, 27) de uma instalação de geração de vapor (20).
11. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que o trocador de calor (2) é um economizador (28) de uma instalação de geração de vapor (20).
12. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que o trocador de calor (2) é um preaquecedor de ar de combustão de uma instalação de geração de vapor (20).
13. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações acima mencionadas, caracterizado pelo fato de que o dispositivo (20) tem uma instalação de desnitrogenização.
14. Método para operar um trocador de calor (2) de uma instalação de geração de vapor (20) na qual o trocador de calor pode ser ajustado para operar em um fluxo concorrente ou contracorrente por meio de válvulas (34, 35).
15. Método de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o ajuste ocorre através de duas válvulas de três vias (34, 35).
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