ES2335260B1 - Intercambiador de calor regenerativo, metodo de control de dicho intercambiador y turbina que incorpora el intercambiador. - Google Patents
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Abstract
Intercambiador de calor regenerativo, método de
control de dicho intercambiador, y turbina que incorpora el
intercambiador.
Intercambiador de calor regenerativo mejorado,
para la transferencia de calor entre fluidos a distinta presión y
temperatura, formado por al menos una pareja de conjuntos de
intercambio térmico (8, 22) dispuestos en el trayecto del primer
fluido y del segundo fluido, y medios de alimentación,
direccionamiento y sellado de los fluidos a los conjuntos de
intercambio térmico (8, 22) utilizando la diferencia de presión y
direccionalidad de los fluidos. Estos medios tienen entradas (1, 16)
y salidas (15, 29) para los fluidos, y bifurcaciones (2, 13, 17, 27)
dispuestas en ellas, que originan pares de conductos de derivación
que se extienden hacia los conjuntos de intercambio térmico (8, 22).
Cuatro válvulas pilotadas (3, 4, 6, 25) maestras dirigen el primer
fluido a uno de los conjuntos de intercambio térmico (8, 22),
mientras que unas válvulas no pilotadas (11, 12, 14, 19) esclavas de
las válvulas pilotadas (3, 4, 6, 25) abren y cierran asegurando una
adecua distribución de los fluidos y el sellado en el intercambiador
de calor.
Description
Intercambiador de calor regenerativo, método de
control de dicho intercambiador, y turbina que incorpora el
intercambiador.
La presente invención pertenece al campo técnico
de los intercambiadores de calor, concretamente a los
intercambiadores de calor de tipo regenerativo, y más concretamente
a los intercambiadores de calor utilizados para la transferencia de
calor entre flujos a distinta presión y temperatura, utilizados
particularmente como intercambiadores de calor implementados en
turbinas de gas.
\vskip1.000000\baselineskip
Los intercambiadores de calor regenerativos
constan de una matriz o una masa de un material sumidero de calor,
como por ejemplo materiales refractarios cerámicos, que se expone
alternativamente a corrientes a distinta temperatura, una corriente
de fluido caliente y a otra de fluido frío. Esta matriz es
atravesada por el fluido caliente y por el fluido frío
alternativamente. Las comentes fría y caliente son direccionadas
mediante un conjunto de mecanismos. Las corrientes de flujo fluyen
a través de una de estas matrices calentando el cuerpo de la matriz
o extrayendo el calor existente en dicha matriz.
Los intercambiadores de calor regenerativos
ofrecen varias ventajas frente a los convencionales de superficie
primaria por lo que son considerados adecuados para motores de
turbinas de gas. Una de estas ventajas es su volumen reducido y
compacto. Los pasajes internos necesarios para un intercambiador
regenerativo para aplicaciones de turbina de gas, en el que se
alternan los flujos, pueden ser mucho menores que los utilizados en
los intercambiadores convencionales de tubos y de placas.
Por otro lado los intercambiadores
convencionales de superficie primaria están limitados en
temperatura por el material metálico empleado, ya que los que
utilizan materiales cerámicos tienen limitado su funcionamiento por
sus características mecánicas. El hecho de necesitar altas
temperaturas de intercambio resulta en el empleo de gran cantidad
de materiales metálicos resistentes a alta temperatura y esto
incurre significativamente en el costo final del recuperador. Para
el caso de los recuperadores regenerativos es posible encontrar
materiales sumideros de calor de bajo costo y alta resistencia
térmica. Esto es especialmente cierto en el caso de emplear
matrices cerámicas.
Otro aspecto ventajoso de los intercambiadores
regenerativos reside en la reducida pérdida de presión que
muestran, en comparación con otros tipos intercambiadores. Esto,
por otro lado contrasta significativamente con que el nivel de fugas
de los intercambiadores regenerativos suele ser superior debido en
gran medida a los sistemas de sellado y válvulas necesarios para
dirigir los flujos a lo largo de los intercambiadores.
Un ejemplo de esto lo encontramos en los
intercambiadores de calor regenerativos denominados rotativos, en
los cuales una matriz de material absorbente de calor es girada
respecto a las corrientes de flujo caliente y frío. La patente
US-RE37134 describe un intercambiador de calor de
este tipo.
Este problema de fugas se ve acentuado a medida
que los intercambiadores operan en ambientes de mayor presión y
mayor temperatura debido al modo de funcionamiento de los sistemas
de redireccionamiento del flujo y sellado u obturación. Esta
limitación en los sellos afecta también de igual modo a la
durabilidad de los intercarnbiadores, determinada por el deterioro
de los sellos.
En la solicitud de patente
WO-A-2007047910 se describe una
disposición de hermetización destinada a reducir las pérdidas por
fugas que tienen lugar entre dichas corrientes de fluido en un
intercambiador de calor regenerativo rotativo.
La patente
US-A-3978912 hace referencia a un
intercambiador de calor regenerativo utilizado concretamente para
una turbina de gas, en el cual se han previsto dos matrices de
almacenamiento térmico, cerámicas, estacionarias, intercaladas en
cada uno de los flujos de fluidos, y un medio valvular que define
una pared común entre los caminos de flujo y que es móvil, pudiendo
desplazarse entre dos posiciones extremas para direccionar los
flujos.
En la solicitud
WO-A-03062729 se describe un sistema
intercambiador térmico regenerativo modular en el cual se utilizan
una pluralidad de módulos de intercambio térmico regenerativos,
comprendiendo cada uno de ellos un par de matrices cerámicas
estacionarias con orificios, a cuyo través circula el flujo a
tratar, y que son aptos para transferir calor desde una corriente
de gas caliente a una de gas frío. Unos medios de control de flujo
simulan el funcionamiento de un intercambiador regenerativo
rotatorio.
Las soluciones aportadas hasta el momento no han
resuelto las limitaciones de los intercambiadores regenerativos en
ambientes de alta temperatura y presión, tales como los que se
generan en una microturbina de gas, y es por ello por lo que en la
mayoría de las aplicaciones de microturbinas se emplean
intercambiadores del tipo de superficie primaria.
Asimismo, los documentos, GB 2246853, GB 648103,
GB 842577, EP 0136175 y GB 861756 también describen
intercambiadores de calor regenerativos para el intercambio de
calor entre fluidos a distinta temperatura.
La solicitud de patente ES 2316314, del mismo
solicitante que la presente solicitud describe también un
intercambiador regenerativo para el intercambio de calor entre
fluidos a distinta temperatura y presión formado por una o más
parejas de conjuntos de intercambio térmico por los que pasan los
dos fluidos, siendo estos conducidos por una única válvula pilotada
maestra de tres vías y dos posiciones auxiliada por varias válvulas
no pilotadas esclavas. Este intercambiador presenta el inconveniente
de fugas del fluido a presión, lo que supone pérdidas en
aplicaciones del intercambiador en turbinas. Estas fugas de presión
son debidas al tiempo de respuesta de las válvulas pilotadas. Otro
inconveniente es la variación de presión que origina en los
fluidos.
Otro de los problemas que presentan este tipo de
intercambiadores, es que en los casos en que los fluidos que
intercambian calor están a diferente presión y temperatura, la
conductancia térmica de cada uno de ellos, definiendo conductancia
térmica como el coeficiente global de intercambio por el área total
de intercambio entre fluido y cerámica, puede ser muy diferente, lo
que origina una transmisión del calor diferente entre ambos fluidos
y la cerámica, cuando es importante que sean bastante similares
para conseguir el mayor aprovechamiento del material. Por otro lado,
el utilizar áreas de paso iguales para fluidos a diferente presión
conlleva velocidades de flujo diferentes y consecuentemente
pérdidas de presión diferentes, que para el caso del fluido de baja
presión pueden ser elevadas, dependiendo de la aplicación.
Era por tanto deseable un intercambiador de
calor regenerativo que consiguiera una transferencia de calor entre
fluidos a distinta temperatura y presión eficiente evitando los
inconvenientes existentes en los anteriores sistemas del estado de
la técnica.
\vskip1.000000\baselineskip
La presente invención resuelve los problemas
existentes en el estado de la técnica mediante un intercambiador de
calor regenerativo para la transferencia de calor entre un primer
fluido y un segundo fluido que están a distinta temperatura, estando
el primer fluido a mayor presión que el segundo fluido. El
intercambiador tiene al menos una pareja de conjuntos de intercambio
térmico, formada por un primer conjunto de intercambio térmico y un
segundo conjunto de intercambio térmico, los cuales comprenden cada
uno al menos un sumidero de calor, y que están dispuestos en el
trayecto del primer fluido y del segundo fluido. Estos conjuntos de
intercambio técnico son equivalentes a efectos de intercambio
térmico.
También existen medios de alimentación,
direccionamiento y sellado de los fluidos a los conjuntos de
intercambio térmico que utilizan la diferencia de presión y
direccionalidad de los fluidos. Estos medios comprenden una primera
entrada y una primera salida para el primer fluido, y una segunda
entrada y una segunda salida para el segundo fluido, una
bifurcación dispuesta en cada una de las entradas y en cada una de
las salidas, que proporcionan unos respectivos pares de conductos de
derivación, los cuales se extienden hacia los conjuntos de
intercambio térmico, y unos tramos unificados de los conductos de
derivación unificados dos a dos, para el enlace con los conjuntos
de intercambio térmico. Así, los tramos unificados pueden conducir
tanto el primer fluido como el segundo, dependiendo del régimen de
funcionamiento del intercambiador. El intercambiador de calor
presenta adicionalmente una primera válvula y una segunda válvula
pilotadas maestras, de dos vías y dos posiciones, dispuestas cada
una de ellas en uno de los dos conductos de derivación originados
por una primera bifurcación en la primera entrada para el primer
fluido, y una tercera válvula y una cuarta válvula pilotadas
maestras, de dos vías y dos posiciones, dispuestas cada una de
ellas en uno de los dos conductos de derivación originados por una
cuarta bifurcación en la segunda salida para el segundo fluido.
Dichas válvulas pilotadas maestras, mediante sus posiciones de
apertura y cierre dirigen el primer fluido a uno de los conjuntos
de intercambio térmico. Además, unas válvulas no pilotadas
esclavas, que son de dos vías y dos posiciones, se activan mediante
la direccionalidad del caudal y la presión de los fluidos, de tal
forma que en función de las posiciones de las válvulas pilotadas
abren y cierran asegurando una adecuada distribución de los fluidos
y el sellado en el intercambiador de calor.
El intercambiador regenerativo objeto de la
presente invención presenta una primera situación estacionaria de
trabajo en la que el primer fluido pasa por el primer conjunto de
intercambio térmico y el segundo fluido pasa por el segundo conjunto
de intercambio térmico, permaneciendo la segunda válvula pilotada y
la tercera válvula pilotada cerradas, y la primera válvula pilotada
y la cuarta válvula pilotada abiertas. Además presenta una segunda
situación estacionaria de trabajo en la que el primer fluido pasa
por el segundo conjunto de intercambio térmico y el segundo fluido
pasa por el primer conjunto de intercambio térmico, permaneciendo la
primera válvula pilotada y la cuarta válvula pilotada cerradas, y
la segunda válvula pilotada y la tercera válvula pilotada
abiertas.
Para el paso de una de las situaciones
estacionarias a la otra el intercambiador de calor pasa por una
situación transitoria de cambio, realizándose dicho cambio mediante
el accionamiento de las válvulas pilotadas.
El presente intercambiador resuelve los
problemas existentes en los sistemas del estado de la técnica, dado
que esta invención aporta un sistema de válvulas que utiliza la
diferencia de presión de los fluidos circulantes para sellar, por lo
que el problema citado de las fugas queda eliminado. Además,
presenta otra serie de ventajas, como que las válvulas esclavas, al
carecer de mecanismos de accionamiento exteriores permiten que todo
el mecanismo se encuentre en el interior del conducto. Por otro
lado, utilizando válvulas antirretomo, es posible separar la función
de sellado de la función de movimiento relativo lo cuál mejora
significativamente la calidad del sellado y la vida del
intercambiador. Teniendo en cuenta además que es la misma presión la
causante de los sellados de estas válvulas, el límite de
temperatura y presión del presente intercambiador se ve aumentado
muy significativamente. Esto es especialmente cierto para los casos
de mayor presión dado que a medida que aumenta la presión, aumenta
la calidad del sellado, contrastando con otros sistemas en los que
la relación es inversa.
Por otro lado el conjunto de válvulas maestras
está ubicado en la parte fría permitiendo de esta manera la
utilización de materiales y mecanismos de baja temperatura y en
general de mayor fiabilidad y menor costo. Es posible a su vez
accionar este conjunto de válvulas utilizando la misma presión del
primer fluido, mediante una amplificación de la fuerza a través de
relaciones de áreas.
Por todo ello, este sistema permite aprovechar
todas las ventajas de los intercambiadores regenerativos, en
condiciones de alta temperatura y presión.
Según una realización particular, el
intercambiador de calor tiene una válvula de alivio de presión
dispuesta en la segunda entrada para el segundo fluido a baja
presión.
Según una realización alternativa, el
intercambiador presenta un depósito de amortiguación de cambios de
presión y temperatura dispuesto en la primera salida para el primer
fluido a presión, y en la segunda entrada para el segundo fluido a
baja presión.
Según otra realización de la presente invención,
el intercambiador de calor tiene un conjunto o más conjuntos de
intercambio térmico adicionales, además de sus bifurcaciones y
conductos adicionales. En una realización concreta de este tipo, el
intercambiador puede presentar cuatro conjuntos de intercambio
térmico formada por un tercer conjunto de intercambio térmico y un
cuarto conjunto de intercambio térmico que son idénticos a la
pareja de conjuntos de intercambio térmico, además de unas
bifurcaciones adicionales, y pares de conductos de derivación
adicionales idénticas a las bifurcaciones y a los pares de
conductos de derivación anteriores, que se extienden hacia la
pareja adicional de conjuntos de intercambio térmico, y unas
válvulas pilotadas maestras adicionales idénticas a las válvulas
pilotadas maestras anteriores, las cuales, mediante sus posiciones
de apertura y cierre también dirigen el primer fluido a uno de los
conjuntos adicionales de intercambio térmico. Adicionalmente, según
esta realización, el intercambiador tiene una pluralidad de
válvulas no pilotadas esclavas adicionales idénticas a las válvulas
no pilotadas esclavas anteriores, las cuales en función de las
posiciones de las válvulas pilotadas maestras adicionales abren y
cierran asegurando una adecuada distribución de los fluidos y el
sellado en el intercambiador de calor.
En este caso, la pareja de conjuntos de
intercambio térmico y la pareja adicional de conjuntos de
intercambio térmico funcionan de forma idéntica y se pilotan de
manera independiente, y mientras se produce una situación
transitoria de cambio en la pareja de conjuntos de intercambio
térmico, la pareja adicional de conjuntos de intercambio térmico
sigue funcionando en régimen estacionario, y viceversa.
Este uso de los conjuntos de intercambio
térmicos adicionales resuelven también los problemas asociados a
las diferencias en las conductancias térmicas y las diferencias en
las pérdidas de presión de los fluidos. Dependiendo del aspecto
limitante para cada aplicación se pueden ajustar el número de
conjuntos térmicos adicionales para lograr conductancias térmicas
similares o pérdidas de presión similares para ambos fluidos. Para
el caso de las diferencias en las conductancias térmicas se debe
emplear un número de conjuntos de intercambio térmico que asemeje
la relación de conductancia entre ambos fluidos. Por ejemplo, si el
fluido de alta presión tiene el doble de conductancia que el de
baja presión se deben utilizar un total de tres conjuntos de
intercambio térmico de los que 2 estarán asignados al fluido de baja
presión y uno al fluido de alta presión. El fluido de alta presión
rotaría a través de los tres conjuntos de intercambio térmico
cíclicamente.
Para el caso en el que se quieran lograr
pérdidas de presión similares para ambos fluidos el número de
conjuntos térmicos se debe asemejar a la relación de presiones
entre ambos fluidos. Por ejemplo, para el caso de una aplicación de
microturbina en el que el fluido de alta presión tiene tres veces
las presión del fluido de baja presión se deben emplear un total de
cuatro conjuntos de intercambio térmico de los cuales tres estarían
asignados al fluido de baja presión y uno al fluido de alta presión.
El fluido de alta presión rotaría a través de los cuatro conjuntos
de intercambio térmico de una manera cíclica.
Otro objeto de la presente invención, es una
turbina de gas, que tiene implementado en su ciclar operativo un
intercambiador de calor regenerativo mejorado como el descrito
anteriormente, en la que el primer fluido es un fluido frío a
elevada presión procedente de un compresor asociado al eje de dicha
microturbina, y el segundo fluido es un fluido caliente a baja
presión aportado por los gases calientes expulsados por el conducto
de salida de la turbina u otra fuente alternativa.
A continuación, para facilitar la comprensión de
la invención, a modo ilustrativo pero no limitativo se describirá
una realización de la invención que hace referencia a una serie de
figuras.
La figura 1 muestra un diagrama de flujo de un
intercambiador de calor objeto de la presente invención, para el
caso de flujos en contracorriente, en una primera situación
estacionaria y una pareja de conjuntos de intercambio térmico.
La figura 2 es un diagrama de flujo del
intercambiador de calor de la figura 1 en una segunda situación
estacionaria, con los flujos de fluidos que pasan por los conjuntos
de intercambio térmico alternados.
La figura 3 es un diagrama de flujo de una
realización particular de un intercambiador de calor que presenta
una válvula de alivio, en una primera situación estacionaria.
La figura 4 es un diagrama de flujo del
intercambiador de la figura 3, en una segunda situación
estacionaria, con los flujos de fluidos que pasan por los conjuntos
de intercambio térmicos alternados.
La figura 5 muestra un diagrama de flujo de una
realización particular de un intercambiador objeto de la presente
invención, para el caso de fluidos en contracorriente, y dos
parejas de conjuntos de intercambio térmico.
La figura 6 muestra un diagrama esquemático de
una microturbina que tiene asociada un intercambiador objeto de la
presente invención.
\vskip1.000000\baselineskip
En estas figuras se hace referencia a un
conjunto de elementos que son:
- 1.
- primera entrada para el primer fluido
- 2.
- primera bifurcación en la primera entrada para el primer fluido
- 3.
- primera válvula pilotada
- 4.
- segunda válvula pilotada
- 5.
- primera bifurcación secundaria
- 6.
- tercera válvula pilotada
- 7.
- primer tramo unificado
- 8.
- primer conjunto de intercambio térmico
- 9.
- segundo tramo unificado
- 10.
- segunda bifurcación secundaria
- 11.
- primera válvula no pilotada
- 12.
- segunda válvula no pilotada
- 13.
- segunda bifurcación
- 14.
- tercera válvula no pilotada
- 15.
- primera salida para el primer fluido
- 16.
- segunda entrada para el segundo fluido
- 17.
- tercera bifurcación
- 18.
- segundo conducto de derivación
- 19.
- cuarta válvula no pilotada
- 20.
- tercera bifurcación secundaria
- 21.
- tercer tramo unificado
- 22.
- segundo conjunto de intercambio térmico
- 23.
- cuarto tramo unificado
- 24.
- cuarta bifurcación secundaria
- 25.
- cuarta válvula pilotada
- 26.
- tercer conducto de derivación
- 27.
- cuarta bifurcación en la segunda salida para el segundo fluido
- 28.
- cuarto conducto de derivación
- 29.
- segunda salida para el segundo fluido
- 30.
- válvula de alivio
- 31.
- primer conjunto de intercambio térmico adicional
- 32.
- segundo conjunto de intercambio térmico adicional
- 33.
- primera válvula pilotada adicional
- 34.
- segunda válvula pilotada adicional
- 35.
- tercera válvula pilotada adicional
- 36.
- cuarta válvula pilotada adicional
- 37.
- turbina
- 38.
- compresor
- 39.
- generador
- 40.
- eje turbina
- 41.
- cámara de combustión
- 42.
- intercambiador de calor
- 43.
- conducto entrada aire fresco para la combustión
- 44.
- conducto entrada turbina
- 45.
- intercambiador humos-agua
\vskip1.000000\baselineskip
Tal y como se muestra en las figuras, el objeto
de la presente invención es un intercambiador de calor regenerativo
para la transferencia de calor entre dos fluidos a distinta
temperatura y presión.
Las figuras 1 y 2 muestran diagramas de flujo de
situaciones estacionarias para el caso de fluidos en
contracorriente, y una pareja de conjuntos de intercambio
térmico.
En la Figura 1 se indica mediante flechas el
recorrido que hacen los dos fluidos a lo largo de todo el conjunto
del intercambiador, en un régimen de flujo contracorriente, a
través del primer conjunto de intercambio térmico 8 y el segundo
conjunto de intercambio térmico 22.
El flujo de fluido de alta presión entra en el
conjunto del intercambiador de calor por la primera entrada 1. Al
final de esta primera entrada 1 se encuentra con la primera
bifurcación 2. A ambos lados de esta bifurcación, se hallan la
primera válvula pilotada 3 y la segunda válvula pilotada 4. Estas
válvulas pilotadas maestras 3,4, son idénticas entre sí. Se trata
de unas válvulas 3,4 de dos vías y dos posiciones accionadas. Estas
válvulas 3, 4 forman parte del conjunto de las válvulas pilotadas
maestras 3,4,6,25 del conjunto colocadas en la zona de entrada de
alta presión del mismo.
La función de las válvulas 3 y 4 es direccionar
el flujo de fluido de alta presión bien hacia el conducto que se
dirige a la primera bifurcación secundaria 5 o bien hacia el
conducto que se dirige a la segunda bifurcación secundaria 24.
En este caso, la primera válvula pilotada 3 está
abierta y permite el paso hacia el conducto que se dirige a la
primera bifurcación secundaria 5. La segunda válvula pilotada 4
está cerrada y no permite el paso hacia el conducto que se dirige a
la segunda bifurcación secundaria 24. El flujo de fluido de alta
presión avanza por la primera válvula pilotada 3 hasta encontrarse
con la primera bifurcación secundaria 5. Una de las ramas de esta
bifurcación deriva en la tercera válvula pilotada 6, que es
idéntica a la primera válvula pilotada 3 y segunda válvula pilotada
4. En este caso, la tercera válvula pilotada 6 se encuentra cerrada
y no permite el paso del fluido. Por lo tanto, el fluido sólo puede
avanzar por el primer tramo unificado 7. A través del primer tramo
unificado 7, el fluido de alta presión llega hasta el primer
conjunto de intercambio térmico 8. Cuando el flujo de fluido de
alta presión atraviesa el primer conjunto de intercambio térmico 8
se produce el intercambio de calor entre el fluido y el sumidero de
calor. El flujo de fluido de alta presión sale del primer conjunto
de intercambio térmico 8 a través del segundo tramo unificado
9.
Siguiendo por ese conducto, se encuentra con la
segunda bifurcación secundaria 10. Por una de las ramas de la
segunda bifurcación secundaria 10, el flujo del fluido llega hasta
la primera válvula no pilotada 11. Ésta es una válvula de dos vías y
dos posiciones, denominada antirretomo. Este tipo de válvulas
únicamente permiten el paso del flujo de fluido en un sentido,
bloqueando el otro sentido. En este caso, la primera válvula no
pilotada 11 está colocada de tal manera que sólo permite el paso de
flujo de fluido desde el segundo conducto de derivación 18 hacia la
segunda bifurcación secundaria 10. Cuando el flujo del fluido
intenta pasar desde la segunda bifurcación secundaria 10 hacia el
segundo conducto de derivación 18 la primera válvula no pilotada 11
se bloquea y no permite el paso. Por lo tanto, cuando él flujo de
fluido de alta presión viene por el segundo tramo unificado 9 no
puede avanzar por la segunda bifurcación secundaria 10 ya que la
primera válvula no pilotada 11 bloquea el paso, y sólo le queda la
opción de continuar por la otra rama de la segunda bifurcación
secundaria 10. Avanzando por esta otra rama, el flujo de fluido de
alta presión llega hasta la segunda válvula no pilotada 12. Ésta es
una válvula de dos vías y dos posiciones activada por presión y por
la direccionalidad del flujo, y al igual que la primera válvula no
pilotada 11 se trata de una válvula antirretorno. La segunda válvula
no pilotada 12 está colocada de tal manera que sólo permite el paso
de flujo de fluido desde la segunda bifurcación secundaria 10 a la
segunda bifurcación 13 y no en sentido contrario. Por lo tanto, el
flujo de fluido que viene de la segunda bifurcación secundaria 10
sigue avanzando hasta la segunda bifurcación 13. Por una de las
ramas de la segunda bifurcación 13 el flujo de fluido se encuentra
con la tercera válvula no pilotada 14. Ésta es una válvula de dos
vías y dos posiciones activada por presión y por la direccionalidad
del flujo, y al igual que las válvulas 11 y 12 se trata de una
válvula antirretorno. La tercera válvula no pilotada 14 está
colocada de tal manera que sólo permite el paso de flujo de fluido
desde la tercera bifurcación secundaria 20 a la segunda bifurcación
13 y no en sentido contrario. Cuando el flujo del fluido intenta
pasar desde la segunda bifurcación 13 hacia la tercera bifurcación
secundaria 20, la tercera válvula no pilotada 14 se bloquea y no
permite el paso del flujo a través de ella. El fluido no puede
seguir avanzando por esta rama, por lo que continua por la primera
salida 15, que es la salida general del flujo de fluido de alta
presión.
El flujo de fluido de baja presión entra al
conjunto del intercambiador por la segunda entrada 16, que es la
entrada general del fluido de baja presión. Avanzando por este
conducto, el flujo de fluido de baja presión llega a la tercera
bifurcación 17. El segundo conducto de derivación 18 que parte de
esta bifurcación llega hasta la primera válvula no pilotada 11, que
se encuentra bloqueada debido a la presión y caudal existentes al
otro lado de dicha primera válvula no pilotada 11. Por lo tanto, el
flujo de fluido de baja presión no puede seguir avanzando por este
camino, y sólo le queda la opción de avanzar por la otra rama de la
bifurcación hacia la cuarta válvula no pilotada 19.
Esta cuarta válvula no pilotada 19 es igual que
la primera válvula no pilotada 11, de dos vías y dos posiciones.
Esta cuarta válvula no pilotada 19 sólo permite el paso de flujo
desde la tercera bifurcación 17 hacia la tercera bifurcación
secundaria 20, pero no al contrario. Cuando el flujo de fluido de
baja presión llega de la tercera bifurcación 17, la cuarta válvula
no pilotada 19 permite que éste pase hacia la tercera bifurcación
secundaria 20. Por una de las ramas de la tercera bifurcación
secundaria 20 el flujo de fluido se encuentra con la tercera
válvula no pilotada 14 que se encuentra bloqueada debido a la
presión y caudal existentes al otro lado de ésta. Por lo tanto, el
flujo de fluido de baja presión no puede seguir avanzando por este
camino, y sólo le queda la opción de avanzar por la otra rama de la
tercera bifurcación secundaria 20, por el tercer tramo unificado
21. A través del tercer tramo unificado 21, el flujo de fluido de
baja presión llega al segundo conjunto de intercambio térmico 22. El
flujo de fluido de baja presión atraviesa dicho segundo conjunto de
intercambio térmico 22, realizando la transferencia de calor entre
el fluido y el sumidero de calor. El flujo de fluido de baja
presión después del intercambio sale del segundo conjunto de
intercambio térmico 22 a través del cuarto tramo unificado 23.
Siguiendo por ese cuarto tramo unificado 23, se encuentra con la
segunda bifurcación secundaria 24. Por una de las ramas de la
segunda bifurcación secundaria 24 el flujo de fluido se encuentra
con la segunda válvula pilotada 4 que se encuentra cerrada. Ésta es
una de las válvulas que está accionada. Por lo tanto, el flujo de
fluido de baja presión no puede seguir avanzando por este camino, y
sólo le queda la opción de avanzar por la otra rama de la
bifurcación. Por esta segunda rama se encuentra con la cuarta
válvula pilotada 25, que es igual que las válvulas 3, 4 y 6. Son
válvulas de dos vías y dos posiciones, accionadas. En este caso, la
cuarta válvula pilotada 25 está abierta y permite el paso del flujo
de fluido desde la segunda bifurcación secundaria 24 hacia el tercer
conducto de derivación 26. A través del tercer conducto de
derivación 26, el flujo de fluido de baja presión llega a la cuarta
bifurcación 27. De esta cuarta bifurcación 27 salen el cuarto
conducto de derivación 28 y la segunda salida 29. Al final del
cuarto conducto de derivación 28 se encuentra la tercera válvula
pilotada 6, que como se ha comentado anteriormente se encuentra
cerrada, por lo tanto, no permite el paso del flujo de fluido. La
única vía de escape para el flujo de fluido de baja presión es la
segunda salida 29, que es la salida general del flujo de fluido de
baja presión de todo el conjunto del intercambiador de calor.
La figura 2 muestra la otra situación
estacionaria para el caso de flujos a contracorriente. Al igual que
en la figura 1, el flujo de fluido de alta presión entra en el
conjunto del intercambiador de calor por la primera entrada 1. Al
final de esta primera entrada 1 se encuentra con la primera
bifurcación 2. A ambos lados de esta primera bifurcación 2, se
hallan la primera válvula pilotada 3 y la segunda válvula pilotada
4. En este caso, la primera válvula pilotada 3 está cerrada y no
permite el paso hacia el conducto que se dirige a la primera
bifurcación secundaria 5. La segunda válvula pilotada 4 está
abierta y permite el paso hacia el conducto que se dirige a la
segunda bifurcación secundaria 24. El flujo de fluido de alta
presión avanza por la segunda válvula pilotada 4 hasta encontrarse
con la segunda bifurcación secundaria 24. Una de las ramas de esta
bifurcación deriva en la cuarta válvula pilotada 25, que en este
caso se encuentra cerrada y no permite el paso del flujo. Por lo
tanto, el flujo de aire sólo puede avanzar por el cuarto tramo
unificado 23. A través del cuarto tramo unificado 23, el fluido de
alta presión llega hasta el segundo conjunto de intercambio térmico
22. Cuando el flujo de fluido de alta presión atraviesa el segundo
conjunto de intercambio térmico 22, se produce el intercambio de
calor entre el fluido y el sumidero de calor. El flujo de fluido de
alta presión sale del segundo conjunto de intercambio térmico 22 a
través del tercer tramo unificado 21. Siguiendo por ese tercer tramo
unificado 21, se encuentra con la tercera bifurcación secundaria
20. Por una de las ramas de la tercera bifurcación secundaria 20,
el flujo del fluido llega hasta la cuarta válvula no pilotada 19.
En este caso, la cuarta válvula no pilotada 19 está colocada de tal
manera que sólo permite el paso de flujo de fluido desde la tercera
bifurcación 17 hacia la tercera bifurcación secundaria 20. Cuando
el flujo del fluido intenta pasar desde la tercera bifurcación
secundaria 20 hacia la tercera bifurcación 17 la cuarta válvula no
pilotada 19 se bloquea y no permite el paso. Por lo tanto, cuando
el flujo de fluido de alta presión viene por el tercer tramo
unificado 21 no puede avanzar por esta rama de la tercera
bifurcación secundaria 20 ya que la cuarta válvula no pilotada 19
bloquea el paso, y sólo le queda la opción de continuar por la otra
rama de la tercera bifurcación secundaria 20. Avanzando por esta
otra rama, el flujo de fluido de alta presión llega hasta la
tercera válvula no pilotada 14.
La tercera válvula no pilotada 14 está colocada
de tal manera que sólo permite el paso de flujo de fluido desde la
tercera bifurcación secundaria 20 hacia la segunda bifurcación 13 y
no en sentido contrario. Por lo tanto, el flujo de fluido que viene
de la tercera bifurcación secundaria 20 sigue avanzando hasta la
segunda bifurcación 13. Por una de las ramas de la segunda
bifurcación 13 el flujo de fluido se encuentra con la segunda
válvula no pilotada 12. Esta segunda válvula no pilotada 12 está
colocada de tal manera que sólo permite el paso de flujo de fluido
desde la segunda bifurcación secundaria 10 a la segunda bifurcación
13 y no en sentido contrario. Cuando el flujo del fluido intenta
pasar desde la segunda bifurcación 13 a la segunda bifurcación
secundaria 10 la segunda válvula no pilotada 12 se bloquea y no
permite el paso del flujo a través de ella. El fluido no puede
seguir avanzando por esta rama, por lo que continua por la primera
salida 15, que es la salida general del flujo de fluido de alta
presión.
El flujo de fluido de baja presión entra al
conjunto del intercambiador por la segunda entrada 16, que es la
entrada general del fluido de baja presión. Avanzando por este
conducto, el flujo de fluido de baja presión llega a la tercera
bifurcación 17. Por una de las ramas de esta tercera bifurcación
17, el flujo llega hasta ta cuarta válvula no pilotada 19 que se
encuentra bloqueada debido a la presión y caudal existentes al otro
lado de dicha cuarta válvula no pilotada 19. Por lo tanto, el flujo
de fluido de baja presión no puede seguir avanzando por este
camino, y sólo le queda la opción de avanzar por la otra rama de la
bifurcación, por el segundo conducto de derivación 18 hacia la
primera válvula no pilotada 11. Esta primera válvula no pilotada 11
sólo permite el paso de flujo desde la tercera bifurcación 17 hacia
la segunda bifurcación secundaria 10, pero no al contrario. Cuando
el flujo de fluido de baja presión llega de la tercera bifurcación
17, la primera válvula no pilotada 11 permite que éste pase hacia
la segunda bifurcación secundaria 10. Por una de las ramas de la
segunda bifurcación secundaria 10 el flujo de fluido se encuentra
con la segunda válvula no pilotada 12 que se encuentra bloqueada
debido a la presión y caudal existentes al otro lado de dicha
segunda válvula no pilotada 12. Por lo tanto, el flujo de fluido de
baja presión no puede seguir avanzando por este camino, y sólo le
queda la opción de avanzar por la otra rama de la bifurcación, por
el segundo tramo unificado 9. A través del segundo tramo unificado
9, el flujo de fluido de baja presión llega al primer conjunto de
intercambio térmico 8. El flujo dé fluido de baja presión atraviesa
dicho primer conjunto de intercambio térmico 8, realizando la
transferencia de calor entre el fluido y el sumidero de calor. El
flujo de fluido de baja presión después del intercambio sale del
primer conjunto de intercambio térmico 8 a través del primer tramo
unificado 7. Siguiendo por ese primer tramo unificado 7, se
encuentra ,con la primera bifurcación secundaria 5. Por una de las
ramas de la primera bifurcación secundaria 5 el flujo de fluido se
encuentra con la primera válvula pilotada 3 que se encuentra
cerrada. Ésta es una de las válvulas que está accionada. Por lo
tanto, el flujo de fluido de baja presión no puede seguir avanzando
por este camino, y sólo le queda la opción de avanzar por la otra
rama de la bifurcación. Por esta otra rama se encuentra con la
tercera válvula pilotada 6, que es igual que las válvulas 3, 4 y
25. Son válvulas de dos vías y dos posiciones, accionadas. En este
caso, la tercera válvula pilotada 6 está abierta y permite el paso
del flujo de fluido desde la primera bifurcación secundaria 5 hacia
el cuarto conducto de derivación 28. A través del cuarto conducto
de derivación 28, el flujo de fluido de baja presión llega a la
cuarta bifurcación 27. De esta cuarta bifurcación 27 salen el
tercer conducto de derivación 26 y la segunda salida para el
segundo fluido 29. Al final del tercer conducto de derivación 26 se
encuentra la cuarta válvula pilotada 25, que se encuentra cerrada,
y por lo tanto, no permite el paso del flujo de fluido. La única
vía de escape para el flujo de fluido de baja presión es la segunda
salida 29, que es la salida general del flujo de fluido de baja
presión de todo el conjunto del intercambiador de calor.
En las figuras anteriores se ha comentado las
situaciones estacionarias en el caso de una pareja y flujos a
contracorriente. Entre estas dos situaciones se produce un
transitorio de cambio, y el cambio se realiza mediante la acción de
las válvulas pilotadas 3,4,6,25 maestras, que se pueden accionar de
diferentes formas, bien todas a la vez o bien secuencialmente.
En los intercambiadores anteriores puede existir
un problema de fugas si se actúan todas las válvulas pilotadas
maestras 3,4,6,25 a la vez, debido a la velocidad de actuación de
dichas válvulas pilotadas maestras, ya que durante el tiempo que se
actúan y posicionan el flujo de alta presión se fuga al exterior.
Este efecto se minimiza pilotando las válvulas 3,4,6,25 de dicha
zona de una manera secuencial.
Cada una de estas válvulas pilotadas maestras
3,4,6,25 está pilotada independiente de las, demás, por lo que es
factible realizar un cambio secuencial y en un determinado orden
para dar prioridad al flujo de fluido de alta presión, evitando así
la fuga de éste al exterior.
A continuación se muestra la gestión de las
válvulas pilotadas 3,4,6,25 para el cambio en el caso de que el
flujo de alta presión circule por el primer conjunto de intercambio
térmico 8, como se observa en la figura 1.
En primer lugar, se cierra la cuarta válvula
pilotada 25. En este momento el flujo de fluido de baja presión no
tiene salida al exterior. A continuación, se abre la segunda
válvula pilotada 4. El flujo de fluido de alta presión va por las
dos ramas de intercambio térmico. Después se cierra la primera
válvula pilotada 3, y el flujo de alta presión deja de ir por la
rama del primer conjunto de intercambio térmico 8. Por último, se
abre la tercera válvula pilotada 6. Tras estos cambios, estaríamos
en la situación estacionaria de la figura 2.
Para realizar la nueva secuencia de cambio, de
la situación estacionaria de la figura 2 a la situación
estacionaria mostrada en la figura 1, el orden de actuación de las
válvulas es contrario al anterior, es decir, cerrar la tercera
válvula pilotada 6, abrir la primera válvula pilotada 3, cerrar la
segunda válvula pilotada 4, y abrir la cuarta válvula pilotada
25.
Esta secuencia de cambio es la que menos
dificulta el paso del flujo de alta presión, aunque obstruye el
paso del flujo de fluido de baja presión durante unos breves
instantes.
En el caso de la aplicación en una microturbina,
esta obstrucción en el flujo de fluido de baja presión supone una
alteración en el régimen de giro de la turbina, y por lo, tanto, en
la generación de potencia.
Para evitar la obstrucción y mitigar las
oscilaciones existen varias alternativas de montaje.
La primera es utilizar una válvula de alivio 30
justo en la segunda entrada 16 general del flujo de fluido de baja
presión, tal y como se detalla en las figuras 3 y 4.
Las figuras 3 y 4 muestran los diagramas de
flujo de dos situaciones estacionarias para el caso de flujos a
contracorriente, igual que las figuras 1 y 2. La diferencia es que
en este caso se ha incorporado en el conjunto la válvula de alivio
30.
En la figura 3 se indica mediante flechas el
recorrido que hacen los dos fluidos a lo largo de todo el conjunto
del intercambiador, en un régimen de flujo a contracorriente. Esta
situación es idéntica a la de la figura 1 con la única novedad de
implementar la válvula de alivio 30.
La combinación del conjunto de válvulas
pilotadas maestras 3,4,6,25 de la entrada del flujo de alta presión
con la válvula de alivio 30 presenta una serie de ventajas y
mejoras frente al montaje anterior, de cara a la utilización de este
intercambiador de calor en un ciclo con turbina de gas.
La válvula de alivio 30 entra en funcionamiento
únicamente en los transitorios de cambio, cuando el flujo de baja
presión no tiene salida y por tanto aumenta la presión en dicha
rama. La válvula de alivio 30 actúa como un aliviadero de presión.
Cuando la presión en ese conducto supera un valor deseado, la
válvula de alivio 30 se abre y deja escapar fluido desde el
conjunto hacia el exterior.
De esta manera no se restringe la circulación de
flujo del fluido de baja presión en ningún momento. Esto es de
vital importancia para la aplicación del intercambiador de calor en
un ciclo de turbina de gas, donde un aumento de la presión en los
conductos de baja presión y la obstrucción de paso de este flujo
suponen una alteración importante del régimen de giro de la
turbina, acarreando serios problemas en la generación de
potencia.
A continuación se detalla el cambio secuencial
cuando el flujo de alta presión va por el primer conjunto de
intercambio térmico 8.
En este cambio secuencial se cierra en primer
lugar la cuarta válvula pilotada 25 y después se abre la segunda
válvula pilotada 4, que permite el flujo de alta presión por esa
rama, mientras que las válvulas 3,6 de la otra rama permanecen como
estaban.
Seguidamente, se cierra la primera válvula
pilotada 3, que permite el flujo de alta presión de la otra rama, y
después se abre la tercera válvula pilotada 6, que permite la
salida de fluido de esa rama.
Hay un breve periodo de tiempo en el que el
flujo de alta presión va por las dos ramas. Este tiempo depende de
la actuación de la primera válvula pilotada 3 y la segunda válvula
pilotada 4. Durante esos instantes, la salida permanece cerrada en
ambas ramas. Para aliviar esta obstrucción existen varias
alternativas.
La primera de ellas es la válvula de alivio 30,
que permitiría el escape del fluido sin pasar por los sumideros de
calor. De esta manera, el régimen de presión de la turbina no se ve
afectado. El principal inconveniente de esta alternativa es que el
flujo de aire que sale por la válvula de alivio 30 no ha pasado por
el sumidero de calor, y supone una pequeña pérdida térmica y de
caudal.
La combinación de las válvulas pilotadas
maestras 3,4,6,25 en la parte de la entrada del flujo de alta
presión y la colocación de la válvula de alivio 30 en la parte de la
entrada de la baja presión, presenta dos ventajas funcionales
destacadas cuando el flujo de fluido de alta presión es el fluido
frío, como en el caso de la aplicación en una turbina de gas.
En ese caso, esta combinación permite un método
de enfriamiento del conjunto más rápido, ya que el flujo de fluido
frío y de alta presión puede ir por las dos ramas, y el flujo de
fluido caliente y de baja presión puede salir en su totalidad por la
válvula de alivio antes de entrar en un recuperador.
De la misma manera, esta circulación de flujos
se puede utilizar para conseguir menos pérdidas de presión y por lo
tanto, un arranque más rápido del conjunto de la turbina.
Otra opción es colocar un depósito de
amortiguación, para amortiguar cambios de presión y de temperatura
a la salida del flujo de fluido de alta presión y a la entrada del
flujo de fluido de baja presión, que mitigue las fluctuaciones de
temperatura y presión en el conjunto del intercambiador.
Por último, existe otra opción de mejora pára
aliviar la problemática. Esta opción consiste en utilizar al menos
tres conjuntos de intercambio térmico simultáneamente, y realizar
los cambios alternativamente entre ellos.
En la figura 5 se puede observar el esquema
correspondiente al montaje con dos parejas de intercambio
térmico.
En este caso, cada uno de los conjuntos de
intercambio térmico se pilota de manera independiente respecto del
resto.
Esto permite que al realizar un cambio en una de
las parejas la otra siga funcionado en régimen estacionario, y por
lo tanto, la variación de presiones que llega hasta la turbina en
el cambió es más amortiguada. También la fluctuación de temperatura
será menor.
En este montaje no es necesaria la válvula de
alivio 30 utilizada anteriormente. Ahora el flujo de aire que sale
de la turbina no se ve totalmente obstruido en ninguno de los
cambios, dado que éste sigue fluyendo por el otro conjunto térmico
donde no se están realizando los cambios.
A continuación se detalla el cambio progresivo y
secuencial cuando existen cuatro conjuntos de intercambio térmico y
el flujo de alta presión va por dos de ellos.
En un primer instante de cambio, tenemos un
procedimiento secuencial, igual que en el montaje anterior. En este
cambio secuencial se cierra en primer lugar la cuarta válvula
pilotada adicional 25 y después se abre la segunda válvula pilotada
adicional 4, que permite el flujo de alta presión por esa rama,
mientras,que las válvulas de la otra rama de su pareja, válvulas
pilotadas maestras 3,6 y las de la otra pareja, válvulas pilotadas
maestras 36,34,33,35 permanecen como estaban.
Seguidamente, se cierra la primera válvula
pilotada 3, que permite el flujo de alta presión de la otra rama de
su pareja, y después se abre la salida de baja presión de esa rama,
la tercera válvula pilotada 6. Durante este cambio las válvulas de
la otra pareja permanecen como estaban.
Hay un breve periodo de tiempo en el que el
flujo de alta presión va por las dos ramas de la misma pareja. Este
tiempo depende de la actuación de las válvulas 3,4. Durante esos
instantes, el flujo de baja presión, que antes permanecía obturado,
ahora puede seguir su camino por la rama correspondiente a la baja
presión en la otra pareja, saliendo por la cuarta válvula pilotada
adicional 36.
Una vez realizado esta primera etapa del cambio,
tiene lugar el cambio en la otra pareja adicional de conjuntos de
intercambio térmico.
De la misma manera, se cierra en primer lugar la
salida del flujo a baja presión, cuarta válvula pilotada adicional
36, y después se abre la válvula que permite el flujo de alta
presión por esa rama, la segunda válvula pilotada adicional 34,
mientras que las válvulas de la otra rama de su pareja, válvulas
33,35 y las de la otra pareja, válvulas 25,4,3,6 permanecen como
estaban.
Seguidamente, se cierra la válvula que permite
el flujo de alta presión de la otra rama de su pareja, la primera
válvula pilotada adicional 33, y después se abre la salida del
flujo a baja presión de esa rama, la tercera válvula pilotada
adicional 35. Durante este cambio las válvulas de fa otra pareja
permanecen como estaban.
\newpage
Al igual que en el cambio anterior, hay un breve
periodo de tiempo en el que el flujo de alta presión va por las dos
ramas de la misma pareja. Este tiempo depende de la actuación de la
primera y segunda válvulas pilotadas adicionales 33,34. Durante esos
instantes, el flujo a baja presión, que antes permanecía obturado,
ahora puede seguir su camino por la rama correspondiente a la baja
presión en a otra pareja, saliendo por la válvula tercera válvula
pilotada 6.
Estos dos cambios progresivos equivalen a un
cambio en el caso de una única pareja de conjuntos de intercambio
térmico, por lo que en este caso, el tiempo de separación entre
ellos será menor.
Por otra parte, la cantidad de cerámica
utilizada en el conjunto es el doble que en el caso de una única
pareja de intercambio térmico, por lo que los tiempos de cambio
serán mayores.
Teniendo en cuenta todos los factores, el tiempo
de cambio de rama que afecta a la turbina es similar en ambos
montajes. La diferencia es que en el montaje con dos parejas de
intercambio térmico los cambios son más amortiguados.
En el caso de un diseño con conductancias
similares o pérdidas de presión similares para los dos flujos, se
realizan los cambios siguiendo la misma estrategia que en los
cambios anteriores, por o que queda solventado el problema de los
transitorios.
En la figura 6, se muestra una posible
configuración de una microturbina, en sí conocida, donde están
esquemáticamente indicados todos sus componentes. La microturbina
incluye una turbina 37, un compresor 38 y un generador 39, los
cuales están situados sobre un único eje común 40. La microturbina
también incluye una cámara de combustión 41 y un intercambiador de
calor 42, cuya configuración y método de control son objeto de la
presente invención.
El aire fresco para la combustión entra en el
conjunto de la microturbina tal y como se indica, por el conducto
43.
El aire de combustión pasa a través del
generador 39, proporcionando cierta refrigeración a los componentes
del mismo. El aire de entrada es comprimido por el compresor 38. De
la salida del compresor el aire comprimido, frío, es guiado al
intercambiador de calor 42 mediante la primera entrada 1. El aire
comprimido es precalentado en el intercambiador de calor 42. El
aire comprimido precalentado sale del intercambiador de calor por
la primera salida 15, que lo lleva hasta la cámara de combustión
41.
El aire comprimido precalentado es mezclado con
combustible en la cámara de combustión 41 en una proporción
determinada. Los productos de la combustión son direccionados
mediante el conducto 44 de entrada a la turbina, hacia dicha turbina
37, la cual al girar mueve el compresor 38 y el generador 39
gracias al eje común 40. Los gases calientes que salen de la
turbina 37 son conducidos mediante el conducto de salida de la
turbina 45 hacia el intercambiador de calor 42. Los gases calientes
de escape de la turbina, a baja presión se enfrían en el
intercambiador de calor 42, precalentando el aire comprimido. De
ahí los gases salen por la segunda salida 29 y pueden ser
expulsados a la atmósfera o alternativamente aprovechados en un
intercambiador humos-agua 45 para calentar agua.
Una vez descrita de forma clara la invención, se
hace constar que las realizaciones particulares anteriormente
descritas son susceptibles de modificaciones de detalle siempre que
no alteren el principio fundamental y la esencia de la
invención.
Claims (15)
1. Intercambiador de calor regenerativo, para la
transferencia de calor entre un primer fluido y un segundo fluido a
distinta temperatura, estando el primer fluido a mayor presión que
el segundo fluido, comprendiendo el intercambiador
- al menos una pareja de conjuntos de
intercambio térmico formada por un primer conjunto de intercambio
térmico (8) y un segundo conjunto de intercambio térmico (22), que
comprenden cada uno al menos un sumidero de calor, y que están
dispuestos en el trayecto del primer fluido y del segundo fluido,
y
- medios de alimentación, direccionamiento y
sellado de los fluidos a los conjuntos de intercambio térmico
(8,22) utilizando la diferencia de presión y direccionalidad de los
fluidos, que comprenden
- -
- una primera entrada (1) y una primera salida (15) para el primer fluido, y una segunda entrada (16) y una segunda salida (29) para el segundo fluido,
- -
- una bifurcación (2,13,17,27) dispuesta en cada una de las entradas (1,16) y en cada una de las salidas (15,29) que proporcionan unos respectivos pares de conductos de derivación que se extienden hacia los conjuntos de intercambio térmico (8,22),
- -
- unos tramos unificados (7,9,21,23) de los conductos de derivación unificados dos a dos, para enlazar con los conjuntos de intercambio térmico (8,22), pudiendo los tramos unificados (7,9,21,23) conducir tanto el primer fluido como el segundo fluido dependiendo del régimen de funcionamiento,
dicho intercambiador de calor
caracterizado porque comprende
- una primera válvula (3) y una segunda válvula
(4) pilotadas maestras, de dos vías y dos posiciones, dispuestas
cada una de ellas en uno de los dos conductos de derivación
originados por una primera bifurcación (2) en la primera entrada (1)
para el primer fluido,
- y una tercera válvula (6) y una cuarta válvula
(25) pilotadas maestras, de dos vías y dos posiciones, dispuestas
cada una de ellas en uno de los dos conductos de derivación
originados por una cuarta bifurcación (27) en la segunda salida (29)
para el segundo fluido,
las cuales, mediante sus posiciones de apertura
y cierre dirigen el primer fluido a uno de los conjuntos de
intercambio térmico (8,22),
- y una pluralidad de válvulas no pilotadas
(11,12,14,19) esclavas, de dos vías y dos posiciones, activadas
mediante la direccionalidad del caudal y la presión de los fluidos,
de tal forma que en función de las posiciones de las válvulas
pilotadas (3,4,6,25) abren y cierran asegurando una adecuada
distribución de los fluidos y el sellado en el intercambiador de
calor.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Intercambiador de calor regenerativo, según
la reivindicación anterior, caracterizado porque los
conjuntos de intercambio térmico (8,22) son equivalentes a efectos
de intercambio térmico.
\vskip1.000000\baselineskip
3. Intercambiador de calor regenerativo, según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque
- un primer tramo unificado (7) se obtiene
mediante la conexión de uno de los dos conductos de derivación
originados por la primera bifurcación (2) en la primera entrada (1)
para el primer fluido, con uno de los dos conductos de derivación
originados por la cuarta bifurcación (27) en la segunda salida (29)
para el segundo fluido,
- y porque un segundo tramo unificado (23) se
obtiene mediante la conexión del otro conducto de derivación
originado por la primera bifurcación (2) en la primera entrada (1)
para el primer fluido, con el otro conducto de derivación originado
por la cuarta bifurcación (27) en la segunda salida (29) para el
segundo fluido.
\vskip1.000000\baselineskip
4. Intercambiador de calor regenerativo, según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque
- un tercer tramo unificado (9) se obtiene
mediante la conexión de uno de los dos conductos de derivación
originados por una segunda bifurcación (13) en la primera salida
(15) para el primer fluido, con uno de los dos conductos de
derivación originados por una tercera bifurcación (17) en la
segunda entrada (16) para el segundo fluido,
- y porque un cuarto tramo unificado (21) se
obtiene mediante la conexión del otro conducto de derivación
originado por la segunda bifurcación (13) en la primera salida (15)
para el primer fluido, con el otro conducto de derivación originado
por la tercera bifurcación (17) en la segunda entrada (16) para el
segundo fluido.
\vskip1.000000\baselineskip
5. Intercambiador de calor regenerativo, según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque adicionalmente comprende una válvula de alivio (30) de
presión dispuesta en la segunda entrada (16) para el segundo fluido
que se abre cuando la presión alcanza un valor predeterminado.
6. Intercambiador de calor regenerativo, según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado
porque adicionalmente comprende un depósito de amortiguación de
cambios de presión y temperatura dispuesto en la primera salida (15)
para el primer fluido yen la segunda entrada (16) para el segundo
fluido.
7. Intercambiador de calor regenerativo, según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque los sumideros de calor de los conjuntos de intercambio
térmico (8,22) comprenden monolitos cerámicos y una pluralidad de
conductos pasantes.
8. Intercambiador de calor regenerativo, según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado
porque los sumideros de calor de los conjuntos de intercambio
térmico (8,22) comprenden una matriz de celdas pasantes en un
material metálico resistente a altas temperaturas seleccionado entre
aluminio y acero.
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9. Intercambiador de calor regenerativo, según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque
- comprende una estructura adicional que
comprende a su vez
- -
- al menos un primer conjunto de intercambio térmico adicional (31) iguales a los conjuntos de intercambio térmico (8,22),
- -
- unas bifurcaciones adicionales, y pares de conductos de derivación adicionales iguales a las bifurcaciones (2,13,1,7,27) y a los pares de conductos de derivación,
- -
- una pluralidad de válvulas pilotadas maestras adicionales iguales a las válvulas pilotadas maestras (3,4,6,25) las cuales, mediante sus posiciones de apertura y cierre dirigen el primer fluido al primer conjunto de intercambio térmico adicional (31),
- -
- y una pluralidad de válvulas no pilotadas esclavas adicionales iguales a las válvulas no pilotadas esclavas (11,12,14,19) las cuales en función de las posiciones de las válvulas pilotadas maestras adicionales y el paso de los fluidos abren y cierran asegurando una adecuada distribución de los fluidos y el sellado en el intercambiador de calor.
\vskip1.000000\baselineskip
10. Intercambiador de calor regenerativo, según
la reivindicación anterior, caracterizado porque
- el número total de conjuntos de intercambio
térmico es igual al número entero más próximo a la suma de los
términos de la relación de las conductancias térmicas del primer
fluido y del segundo fluido,
- y porque la cantidad de conjuntos de
intercambio asignados a cada uno de los fluidos es tal que se
iguala la conductancia de ambos.
\vskip1.000000\baselineskip
11. Intercambiador de calor regenerativo, según
la reivindicación 9, caracterizado porque
- el número total de conjuntos de intercambio
térmico es igual al número entero más próximo a la suma de los
términos de la relación de las presiones del primer fluido y del
segundo fluido,
- y porque la cantidad de conjuntos de
intercambio asignados a cada uno de los fluidos es tal que se
iguala la perdida de presión en ambos.
\vskip1.000000\baselineskip
12. Turbina caracterizada porque
comprende implementado en su ciclo operativo un intercambiador de
calor regenerativo según cualquiera de las reivindicaciones
anteriores, en la que el primer fluido es un fluido a presión
procedente de un compresor (38) asociado al eje (40) de dicha
turbina, y el segundo fluido proviene de una fuente caliente a baja
presión.
\vskip1.000000\baselineskip
13. Método de control del intercambiador de
calor regenerativo de las reivindicaciones 1 a 8,
caracterizado porque comprende
- una primera situación estacionaria de trabajo
en la que el primer fluido pasa por el primer conjunto de
intercambio térmico (8) y el segundo fluido pasa por el segundo
conjunto de intercambio térmico (22), permaneciendo la segunda
válvula pilotada (4) y la tercera válvula pilotada (6) cerradas, y
la primera válvula pilotada (3) y la cuarta válvula pilotada (25)
abiertas,
- y una segunda situación estacionaria de
trabajo en la que el primer fluido pasa por el segundo conjunto de
intercambio térmico (22) y el segundo fluido pasa por el primer
conjunto de intercambio térmico (8), permaneciendo la primera
válvula pilotada (3) y la cuarta válvula pilotada (25) cerradas, y
la segunda válvula pilotada (4) v la tercera válvula pilotada (6)
abiertas,
produciéndose entre ambas situaciones
estacionarias una situación transitoria de cambio, realizándose
dicho cambio mediante el accionamiento de dichas válvulas pilotadas
(3,4,6,25).
\vskip1.000000\baselineskip
14. Método de control de intercambiador
regenerativo, según la reivindicación anterior,
caracterizado porque
- el accionamiento de las válvulas pilotadas
(3,4,6,25) se realiza de forma cíclica,
- porque la situación transitoria de cambio
entre la primera situación estacionaria y la segunda situación
estacionaria se produce mediante el siguiente accionamiento
secuencial de las válvulas pilotadas (3,4,6,25):
- -
- cierre de la cuarta válvula pilotada (25),
- -
- apertura de la segunda válvula pilotada (4),
- -
- cierre de la primera válvula pilotada (3), y
- -
- apertura de la tercera válvula pilotada (6),
- y porque la situación transitoria de cambio
entre la segunda situación estacionaria y la primera situación
estacionaria se produce mediante el siguiente accionamiento
secuencial de las válvulas pilotadas (3,4,6,25):
- -
- cierre de la tercera válvula pilotada (6),
- -
- apertura de la primera válvula pilotada (3),
- -
- cierre de la segunda válvula pilotada (4), y
- -
- apertura de la cuarta válvula pilotada (25).
\vskip1.000000\baselineskip
15. Método de control del intercambiador de
calor regenerativo de las reivindicaciones 9 a 11,
caracterizado porque
- la pareja de conjuntos de intercambio térmico
(8,22) y el primer conjunto de intercambio térmico adicional (31)
funcionan de forma idéntica y se controlan de manera
independiente,
- y porque mientras se produce una situación
transitoria de cambio en la pareja de conjuntos de intercambio
térmico (8,22), la estructura adicional sigue funcionando en
régimen estacionario, y viceversa.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200901357A ES2335260B1 (es) | 2009-06-04 | 2009-06-04 | Intercambiador de calor regenerativo, metodo de control de dicho intercambiador y turbina que incorpora el intercambiador. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200901357A ES2335260B1 (es) | 2009-06-04 | 2009-06-04 | Intercambiador de calor regenerativo, metodo de control de dicho intercambiador y turbina que incorpora el intercambiador. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2335260A1 ES2335260A1 (es) | 2010-03-23 |
| ES2335260B1 true ES2335260B1 (es) | 2011-03-22 |
Family
ID=41795798
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES200901357A Withdrawn - After Issue ES2335260B1 (es) | 2009-06-04 | 2009-06-04 | Intercambiador de calor regenerativo, metodo de control de dicho intercambiador y turbina que incorpora el intercambiador. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES2335260B1 (es) |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2677252A (en) * | 1950-11-10 | 1954-05-04 | Union Carbide & Carbon Corp | Method and apparatus for controlling periodically reversed heat exchange devices |
| GB750303A (en) * | 1953-02-02 | 1956-06-13 | Michael Carl Hartnell Beavis | Improvements in or relating to heat storing elements for regenerative heat exchangers |
| LU36866A1 (es) * | 1958-02-22 | |||
| GB9015259D0 (en) * | 1990-07-11 | 1990-08-29 | Hotwork Dev Ltd | Regenerative apparatus |
| EP1654447A4 (en) * | 2003-08-01 | 2007-12-26 | Lexco Inc | MONOLITH FOR USE IN OXIDIZING RECOVERY SYSTEMS |
-
2009
- 2009-06-04 ES ES200901357A patent/ES2335260B1/es not_active Withdrawn - After Issue
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2335260A1 (es) | 2010-03-23 |
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