ES2269790T3 - Recalentador de vapor con conductos de proteccion. - Google Patents
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Abstract
Cambiador de calor, en el que los gases quemados son conducidos a lo largo de tubos por los que es conducido el vapor para la producción de vapor recalentado, en el que el cambiador de calor (5) comprende tubos de apantallado o protección (8) cuyo diámetro es distinto del diámetro de los tubos del sobrecalentador (15) que, según una vista en la dirección de flujo, están dispuestos inmediatamente por detrás de éstos a efectos de minimizar los depósitos, la erosión y la corrosión, caracterizado porque el diámetro de los tubos de protección (8) es menor que el diámetro de los tubos del sobrecalentador (15). - 10 - 5/5
Description
Recalentador de vapor con conductos de
protección.
La presente invención se refiere a un cambiador
de calor según el preámbulo de la reivindicación 1. Un cambiador de
calor de ese tipo es muy útil especialmente, pero no exclusivamente,
para la recuperación de energía calorífica de los gases quemados
procedentes de una planta de incineración de desperdicios. Si bien a
continuación se hará referencia principalmente a la utilización del
cambiador de calor en plantas de incineración de desperdicios,
también es posible utilizar el mismo con otros gases calientes.
En las plantas de incineración de desperdicios
es práctica habitual utilizar los gases quemados calientes liberados
durante la incineración de desperdicios para la generación de vapor.
Con este objetivo la planta de incineración de desperdicios (WIP)
posee un cambiador de calor que comprende tubos por los que se hace
pasar el vapor que se tiene que calentar adicionalmente con ayuda de
los gases quemados a efectos de obtener vapor sobrecalentado. Para
este objetivo el vapor previamente generado es conducido con
intermedio de un tambor de vapor, tal como es conocido en esta
técnica, a través del cambiador de calor para su sobrecalentamiento.
Este cambiador de calor es conocido de manera general como
sobrecalentador de vapor. En una caldera de incineración de
desperdicios este supercalentador consiste en general en una serie
de secciones, consistiendo cada una de ellas en una serie de
armazones y consistiendo cada armazón en dos cabezales entre los que
una serie de tubos conectados en paralelo están dispuestos de manera
que forman la superficie de intercambio calorífico. Usualmente los
armazones están montados uno inmediatamente por detrás del otro,
formando ángulo recto con respecto a la dirección de flujo de los
gases quemados.
Un inconveniente general de los desperdicios es
que contienen muchos contaminantes, de manera que su incineración
provoca en general la corrosión de las piezas de la instalación que
entran en contacto con los gases quemados calientes. Las medidas
técnicas para combatir la corrosión (bajas temperaturas de la
superficie de intercambio calorífico y de los gases quemados que
establecen contacto con las mismas) se adoptan a expensas de la
productividad y rendimiento total.
De manera cada vez más frecuente se utilizan
materiales resistentes a la corrosión tales como aleaciones de
cromo-níquel. No obstante, estos materiales son muy
onerosos, lo que tiene por resultado elevar los costes en la
fabricación de cambiadores de calor.
El cambiador de calor que se ha indicado en el
preámbulo de la reivindicación 1 es conocido por la solicitud de
patente alemana con número de publicación DE 38411122 C1. En esta
solicitud de patente, se menciona la colocación de un tubo de
pantalla delante de los tubos del sobrecalentador, a efectos de
proteger dichos tubos del sobrecalentador contra la erosión. Con
este objetivo los tubos de pantalla deben tener un diámetro superior
al diámetro de los tubos del sobrecalentador. Si bien esto
proporciona una protección satisfactoria contra la erosión, se ha
demostrado que esta realización puede ser mejorada
adicionalmente.
La presente invención tiene como objetivo
conseguir un aparato mejorado.
La invención tiene el objetivo específico de
conseguir un cambiador de calor que puede ser también utilizado
satisfactoriamente en instalaciones de incineración de
desperdicios.
Con este objetivo la presente invención da a
conocer un cambiador de calor del tipo que se ha mencionado en el
preámbulo, que se caracteriza por la medida técnica que se ha
mencionado en la parte caracterizante de la reivindicación 1. Con
esta medida técnica, se obtiene la ventaja de una excelente
eliminación de contaminantes de los gases quemados. Como ventaja
adicional, la resistencia al flujo es menor que con la realización
DE 38411122 C1. De manera totalmente inesperada, se ha demostrado
que los torbellinos de Von Karman disminuyen adoptando esta medida
técnica. La ventaja adicional es que disminuye la cantidad de polvo
(contaminantes) sobre los tubos del sobrecalentador. Esto es
contrario a lo que se acepta corrientemente en esta técnica, en la
que se acepta de modo general que los torbellinos de Von Karman
deberían ser incrementados para mejorar el intercambio
calorífico.
De esta manera los problemas de corrosión,
erosión y ensuciamiento de la incineración de desperdicios se evitan
o se reducen. Los costes de fabricación de los tubos de protección
es muy reducido y la substitución de los tubos es simple, de manera
que el efecto del desgaste en los mismos comporta solamente costes
menores. Los inconvenientes prácticos de las elevadas temperaturas
de los gases quemados en el sobrecalentador y recalentador que se
encuentran con la incineración de desperdicios quedan por lo tanto
evitados. Los tubos de protección pueden ser de manera adecuada
tubos vacíos. Éstos quedan simplemente colocados, inmediatamente
antes de los tubos del sobrecalentador, según la dirección del
flujo, de manera que los tubos de protección captan sustancialmente
todos los polucionantes de los gases quemados. Los tubos del
sobrecalentador permanecerán por lo tanto sustancialmente libres de
contaminantes y serán capaces de permanecer en funcionamiento
durante un tiempo más prolongado. Dado que solamente se tienen que
sustituir los tubos de protección, esto comportará operaciones muy
simples y por lo tanto de tipo menor.
El documento DE 41 03 440 "Anordnung zur
Befestigung von VerschleiBschutzrohren an Heizflächen", describe
una solución comparable en la que por medio de semitubos que
funcionan como protección montados delante de los tubos del
sobrecalentador se obtiene un efecto de pantalla o de protección.
Esta realización es realizada también regularmente en la práctica en
calderas de incineración de desperdicios a efectos de hacer eficaz
incluso un sobrecalentador problemático de vapor. No obstante, en
general los semitubos de desgaste rápido no son una solución
preferente cuando se empieza a construir una nueva caldera de
incinerador de desperdicios.
El documento DE 43 34 155: "Anordnung zum
Schutz von Rohren eines Rohrpaketes in einem staubbeladenen
Gasstrom" describe una protección en la que una rejilla
inmediatamente situada después de la curva en la parte en la que los
gases quemados tienen la velocidad más elevada, proporciona una
pantalla o protección contra los gases quemados. El objetivo en este
caso es comparable al de la presente solicitud de patente pero se
hace referencia a una solución técnica completamente distinta, con
enfoque solamente en luchar contra los efectos de la sección que
sigue de manera inmediata a la curva.
El documento DE 1012614:
"Schot-tenüberhitzer" describe un
sobrecalentador con deflector situado en la parte de radiación de la
caldera y en el que los gases quemados fluyen paralelamente a los
deflectores formados por haces de tubos. El efecto de protección es
dirigido a la radiación plena procedente del fuego situado
inmediatamente por debajo. Con este objetivo el tubo de protección
es dotado de una mejor refrigeración que los otros tubos del
sobrecalentador de deflector utilizando un flujo incrementado de
vapor que tiene temperatura reducida, o incluso tubos con
enfriamiento por agua.
Se puede encontrar una descripción comparable en
el documento US 4.838.218 "Superheating of steam
generating".
En la presente solicitud de patente se utiliza
una solución similar, no obstante, con el objetivo de captar las
partículas de polvo en vez de proporcionar una protección contra la
radiación. En la presente invención la localización no es por lo
tanto en la parte de radiación, sino en la parte de convexión de la
caldera, siendo transferido el calor directamente a los tubos debido
al efecto de los cuadrados de los gases quemados. Los materiales en
polvo de los gases quemados juegan por lo tanto un importante papel
en la formación de depósitos, en la corrosión y en la erosión. Las
partículas de polvo chocan contra la superficie de los tubos a la
velocidad de los gases quemados que las arrastran. Las partículas,
que debido a la alta temperatura se han vuelto ligeramente
adherentes, son capaces de adherirse y acumularse formando grandes
depósitos. Cuando estos depósitos son eliminados por limpieza (por
ejemplo mediante rascado) y el tubo queda limpio una vez más, las
partículas de polvo pueden también perjudicar la superficie de metal
directamente antes de que se vayan acumulando nuevamente formando un
depósito. Especialmente en tubos fabricados en aleaciones de
cromo-níquel, cuya acción de protección contra la
corrosión consiste en una lámina extremadamente delgada de óxido,
esta capa de protección puede quedar averiada. Esto provoca una
corrosión acelerada hasta que se restablece la película de
óxido.
El documento NL-1015438 High
Efficiency -Waste Fired Power Plant menciona como medida técnica más
importante el mantenimiento de bajas velocidades de los gases
quemados como método para limitar el impacto de las partículas de
polvo, y una baja temperatura para asegurar que el material es capaz
de protegerse a sí mismo formando una nueva película de óxido. A
efectos de proteger el primer tubo de una sección expuesta a fuerte
desgaste, el documento menciona también la utilización de
refrigeración por agua de dicho tubo.
La Patente US-A 2.358.358 se
refiere a una caldera horizontal, en la que un flujo horizontal de
gases quemados pasa por un haz de tubos verticales para la
generación de vapor. Si bien se menciona el efecto de erosión
(desgaste) de los tubos del sobrecalentador (columna 1, línea
7-28) no se indican medidas para contrarrestar este
efecto.
La presente solicitud propone por lo tanto no
solamente proteger dicho primer tubo por medio de refrigeración por
agua, sino también aumentar la acción de protección de dicho primer
tubo dándole un diámetro distinto del que tienen los tubos del
sobrecalentador situados por detrás del primer tubo.
La elección del diámetro correcto de los tubos
de protección con respecto al diámetro de los tubos del
sobrecalentador se debe basar en un análisis preciso, jugando las
velocidades y las distancias mutuas un importante papel. El diámetro
se escoge entonces de manera tal que los "torbellinos Von
Karman" (ver figura 3) no lleven a un incremento local de las
velocidades del flujo y/o de la cantidad de polvo en la superficie
de los tubos del sobrecalentador situados por detrás. Esto contrasta
con los métodos de diseño típicos en los que se utilizan
turbulencias locales para incrementar la transferencia de calor.
La invención se describe a continuación de
manera adicional haciendo referencia a los dibujos.
La figura 1 muestra una vista esquemática de una
instalación de incineración de desperdicios, en la que los gases
quemados son conducidos desde una sección de la parrilla a través de
un primer, segundo y tercer conductos de tiro, después de lo cual
los gases quemados son conducidos con intermedio de un cambiador de
calor (4), que consiste en sobrecalentadores (5) y un economizador,
hacia la salida de la caldera.
La figura 2 muestra una vista esquemática en
planta de la instalación según la figura 1.
La figura 3 muestra una vista en planta de una
configuración habitual en línea de tubos de un cambiador de calor
según la presente invención.
Las figuras 4-7 muestran una
vista en planta de una realización preferente de los tubos en un
cambiador de calor según la invención.
Los números de referencia idénticos en las
figuras tienen siempre igual significado.
La figura 1 muestra una vista esquemática de una
planta para la incineración de desperdicios. Los gases quemados son
alimentados a un primer conducto de tiro (1), donde se elevan
verticalmente, siendo derivados a continuación a un segundo conducto
de tiro (2), en el que los gases quemados son conducidos de forma
descendente y derivados a otro conducto de tiro (3). El conducto de
tiro final está construido, entre otros elementos, a partir de una
pared de membrana de tipo conocido (no mostrada).
Los gases quemados que salen del tercer conducto
de tiro son conducidos a continuación al cambiador de calor (4) en
forma de sobrecalentador de vapor (5) (indicado en holandés de
manera general por OVO). En la forma representada, este OVO
comprende cuatro series distintas de tubos cambiadores de calor
15-18. Al inicio del cambiador de calor (4) se
dispone un llamado tabique evaporador (6). Este tabique evaporador
(6) sirve para igualar el flujo de los gases quemados que se acercan
al cambiador de calor (5). A estos efectos el tabique evaporador (6)
comprende preferentemente dos alineaciones de tubos de evaporador,
tal como se ha mostrado en la figura 2. Después de estas dos
alineaciones de tubos de evaporador se dispone preferentemente un
pequeño espacio abierto (7), después del cual se dispone una
alineación siguiente de tubos de evaporador (8), después de lo cual
las primeras alineaciones de tubos de cambiador de calor están
situadas una detrás de otra, alineadas con los tubos de la última
alineación de tubos del evaporador, tal como se puede apreciar en la
figura 2. El pequeño espacio abierto (7) es preferentemente lo
suficientemente largo para permitir que se iguale la velocidad de
los gases quemados en la totalidad del área de flujo de este
intersticio abierto (7), de manera que su velocidad de flujo es
prácticamente la misma en cualquier sitio.
En la técnica anteriormente conocida, el tabique
evaporador (6) está sometido a depósitos de cenizas voladoras, y la
refrigeración rápida de los gases quemados afecta al núcleo de las
partículas de cenizas voladoras contenidas en los gases quemados
solamente después de un cierto retardo, de manera que conservarán
una temperatura interior de T > 800ºC con el resultado de que se
encuentran todavía en un estado llamado "fase de adherencia".
Cuando estas partículas chocan con los tubos sucesivos del tabique
evaporador se adherirán, como consecuencia, a su superficie. Estas
partículas se adherirán también en un elevado grado a los tubos del
cambiador de calor. Esto se puede reducir al hacer menor la
velocidad de los gases quemados. Esta reducción de velocidad de los
gases quemados tiene como resultado asimismo una notable mejora de
la eliminación de las cenizas (10) de la caldera. Esto tiene también
como resultado una reducción del depósito de suciedad sobre los
tubos cambiadores de calor. El depósito de cenizas se puede eliminar
de los tubos por un método conocido en la técnica.
En la práctica es preferible que el tabique
evaporador (6) regularice el flujo a efectos de evitar elevadas
velocidades locales. La velocidad de los gases quemados es
preferentemente de 3 a 4 metros/segundo, lo que resulta en que la
temperatura superficial de los tubos se encuentra por debajo de la
temperatura de los gases quemados. Los armazones de la sección (6)
del evaporador quedarán dispuestos preferentemente sobre la
totalidad de la anchura de la salida de gases en el cambiador de
calor (4). No obstante, es posible reducir el número total de tubos
por armazón en el haz evaporador (6), siendo la distancia mutua
entre los tubos de 20-50 cm. Si se utilizan varias
alineaciones de tabiques evaporadores (6), es preferible que los
tubos de las alineaciones individuales estén dispuestos en el
cambiador de calor de forma desplazada entre sí, tal como se muestra
en las figuras 4 a 7. Es preferible que todos los tubos se
encuentren a la misma distancia entre sí. De esta manera se obtiene
un flujo regular en la altura y anchura de los gases quemados antes
de entrar en el OVO.
Dado que existe una llegada libre a la primera
alineación de tubos del primer OVO, éstos están realizados
preferentemente en forma de tubos de evaporador (8). Los tubos
restantes del primer OVO (15) están situados uno detrás del otro,
por detrás de los tubos evaporadores (8). La protección de los tubos
OVO conseguida por los tubos evaporadores queda especialmente
mejorada si los tubos del evaporador están dotados de un diámetro
ligeramente mayor que el de los tubos OVO situados por detrás de los
mismos (según una vista en la dirección de flujo de los gases
quemados). En otra variante, los tubos OVO quedan realizados de
forma ligeramente oval, con el diámetro menor orientado en ángulo
recto con respecto a la dirección del flujo de los gases quemados.
Esto reduce el desgaste de los tubos como resultado de la erosión
provocada por las cenizas voladoras contenidas en los gases
quemados.
Los métodos en la técnica anterior, en los que
los depósitos de cenizas voladoras sobre los tubos del OVO son
eliminados siempre por vibración de los tubos OVO (por ejemplo
golpeando las cabeceras en las que están fijados los extremos de los
tubos con un martillo mecánico o neumático), se pueden mejorar
notablemente al proporcionar a los tubos OVO frecuencias naturales
distintas en diferentes direcciones debido a las diferencias de
rigidez provocadas por la falta de redondez de los tubos. Al hacer
que la cabecera vibre con estas frecuencias específicas, las cenizas
voladoras depositadas pueden ser eliminadas de manera controlada. Al
sincronizar de manera apropiada las frecuencias naturales de los
tubos (todos iguales), una introducción limitada de energía
proporcionará el resultado máximo. De manera alternativa, si esto es
difícil a causa de que la masa adherida de cenizas voladoras
depositada es demasiado distinta, también es posible proporcionar a
los tubos OVO una frecuencia distinta (diferente también para
diferentes direcciones de vibración) con lo que no es posible llevar
los tubos individuales a resonancia. Por lo tanto, se refiere a un
sistema en el que los tubos sin redondez han escogido
específicamente frecuencias naturales que permiten que los tubos
lleguen a la resonancia.
En la segunda sección (16) del cambiador de
calor o segundo OVO (16), el flujo de gases quemados está ya
distribuido de manera regular, separándose una considerable cantidad
de polvo de los gases quemados (por gravedad y depositados en los
tubos) y, además, la temperatura de los gases quemados ha sido
disminuida.
Es una práctica habitual que los tubos del
sobrecalentador en una caldera de incineración de desperdicios estén
situados uno detrás del otro (en línea, tal como se ha mostrado en
la figura 3) para reducir el desgaste de los tubos de acuerdo con
los principios antes mencionados. En otras instalaciones, en las que
el ensuciamiento y desgaste son menos extremos que con la
incineración de desperdicios, los tubos están situados
preferentemente en una configuración desplazada porque el cambiador
de calor construido de esta manera es más compacto. La razón de ello
es que en el mismo volumen con la misma distancia de los tubos, la
configuración de tubos escalonados comprende más tubos y una
superficie correspondientemente mayor para el intercambio
calorífico.
Los tubos a utilizar en una instalación de
incineración de desperdicios se pueden colocar de forma desplazada,
pero la construcción del cambiador de calor no es más compacta, tal
como se muestra en la figuras 4-7. Por el contrario,
esto es especialmente aplicable a las distancias de tubos más
grandes posibles (-47-, -48- y -49-), ver figura 4. Esto aumentará
realmente el precio de coste del cambiador de calor de manera
solamente ligera, porque si las distancias entre los tubos se
incrementan, se requiere solamente más material para las cabeceras y
envolvente mientras que el número de soldaduras para el cambiador de
calor sigue siendo el mismo. El resultado de estas medidas técnicas,
no obstante, es que el depósito sobre los tubos puede hacerse más
grande (en dirección opuesta al flujo de gases quemados -33-, tal
como se ha mostrado en la figura 5), incrementando las fuerzas de
inercia sobre el material depositado cuando los tubos se hacen
vibrar por la acción de choques (69) (ver figura 6). Cuando se
efectúa limpieza por medio de granallado o soplado con vapor, esta
ventaja es menos sensible. Es importante en particular que la
distancia (-33- y -51-) entre el depósito (34) y el tubo anterior
sea lo mayor posible a efectos de asegurar que el tubo puede
continuar vibrando libremente. La causa de ello es que si esta
distancia (33) es menor que la amplitud de la vibración del tubo, el
depósito del tubo (31) establecerá contacto con el tubo anterior
(30) provocando que el tubo pierda su energía de vibración de manera
que la limpieza deja de ser efectiva. En la práctica, un incremento
brusco del ensuciamiento resulta evidente, requiriendo otros métodos
de limpieza (tales como explosivos) o la caldera tiene que ser
parada para limpieza manual. Al construir el quemador más ancho se
obtienen las velocidades de gases quemados más bajas que se desean,
y al combinar ello con la configuración desplazada de los tubos se
consiguen varias ventajas:
- -
- El número de tubos por cabecera resulta la mitad, de manera que la masa del armazón no resulta demasiado grande para que sea eficaz la acción de golpeo.
- -
- Si se escoge una distancia (48) igual que en la configuración convencional (37), la distancia de los tubos según la anchura aumenta a más del doble. Esto significa que el espacio mínimo entre los tubos (49) es mayor que en la configuración convencional (37) y existe de manera correspondiente más espacio para el ensuciamiento antes de que se presenten problemas con respecto al paso libre (52).
- -
- En comparación con la configuración habitual en línea (34), el depósito (51) puede resultar mucho más grueso antes de tocar al tubo anterior (-51- con respecto a -33-).
- -
- Dado que la distancia al tubo siguiente (47) es mayor, se atemperarán en cierta medida los "torbellinos Von Karman" (43) de manera que los tubos quedan sometidos a menor desgaste por erosión.
La combinación con esta configuración compensa
los costes adicionales de un calentador más ancho a causa de una
considerable reducción de los costes de explotación, debido al hecho
de que se reduce notablemente el desgaste y el ensuciamiento.
Como resultado de esta configuración que se
propone, las masas de depósitos de cenizas voladoras que caen
durante el golpeo pueden ser más grandes. Por lo tanto, si los tubos
se disponen verticalmente, la distancia en el lado inferior entre
las cabeceras debe ser suficientemente grande para permitir que
estas masas o grumos puedan atravesar entre ellas. A efectos de
crear esta distancia, las cabeceras sucesivas de la realización
preferente son montadas a diferentes alturas. Esto se logra
preferentemente dándoles de manera alternada diferente altura, cuya
diferencia corresponde preferentemente de forma aproximada a la
distancia entre dos tubos sucesivos (47). En la práctica, esto se
puede optimizar a una distancia entre (49) y (47). La figura 7
muestra una vista lateral de una sección que consiste en seis
armazones, comprendiendo dos alineaciones de tubos de apantallado o
protección (41), (44) y cuatro alineaciones de tubos de
sobrecalentador dispuestos detrás de aquellos (solamente se han
numerado las alineaciones -45-, -42-). Todos los tubos son alojados
en cabeceras, de las que las inferiores se han indicado con los
numerales de referencia (61-66). Estas cabeceras
están dispuestas a diferentes
alturas.
alturas.
Es especialmente preferente reducir la velocidad
de los gases quemados en la salida de los gases quemados a menos de
4 metros/segundo, preferentemente de 2 a 3 metros/segundo y la
velocidad de los gases quemados a través del cambiador de calor en
la entrada a menos o igual a 4 metros/segundo, en un funcionamiento
en contra-corriente del cambiador de calor, y de
manera que los gases quemados en la entrada del cambiador de calor
tienen una temperatura por debajo de 700ºC, preferentemente por
debajo de
630ºC.
630ºC.
La invención tal como se ha descrito en lo
anterior y se ha mostrado en las figuras representa una realización
preferente de la invención. La invención queda limitada solamente
por la reivindicación
adjunta.
adjunta.
Claims (1)
1. Cambiador de calor, en el que los gases
quemados son conducidos a lo largo de tubos por los que es conducido
el vapor para la producción de vapor recalentado, en el que el
cambiador de calor (5) comprende tubos de apantallado o protección
(8) cuyo diámetro es distinto del diámetro de los tubos del
sobrecalentador (15) que, según una vista en la dirección de flujo,
están dispuestos inmediatamente por detrás de éstos a efectos de
minimizar los depósitos, la erosión y la corrosión,
caracterizado porque el diámetro de los tubos de protección
(8) es menor que el diámetro de los tubos del sobrecalentador
(15).
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