ES2376574A1

ES2376574A1 - Sistema de calentamiento de gas caliente catalizado para tubos.

Info

Publication number: ES2376574A1
Application number: ES200902349A
Authority: ES
Inventors: Andrew J. Zillmer; Alfred Little
Original assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Current assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Priority date: 2009-01-13
Filing date: 2009-12-16
Publication date: 2012-03-15
Also published as: US20150267689A1; US20100175689A1; US8925543B2

Abstract

Un sistema de calentamiento para calentar un tubo de fluido en un sistema de proceso industrial incluye al menos un depósito de gas conectado por medio de un fluido a través de un tubo de suministro de gas a un primer catalizador. Una primera zona de calentamiento de tubo está conectada por medio de un fluido a través de un primer tubo de gas caliente al primer catalizador. La primera zona de calentamiento de tubo tiene al menos un conducto que se extiende a lo largo de una primera parte del tubo de fluido, en contacto térmico con el tubo de fluido.

Description

Sistema de calentamiento de gas caliente catalizado para tubos.

La presente invención se refiere a sistemas colectores de energía térmica, y en particular, al calentamiento de un medio de acumulación fundido usado en sistemas colectores de energía térmica.

ANTECEDENTES

En todo el mundo existe una demanda creciente de energía, que normalmente se proporciona mediante combustibles fósiles tales como petróleo y carbón. Adicionalmente, debido a la escasez y a los efectos medioambientales adversos de los combustibles fósiles, las fuentes de energía renovables, más limpias están volviéndose cada vez más deseables. A medida que avanza la tecnología, las fuentes de combustible alternativas están volviéndose prácticas para reemplazar, o al menos aumentar, las plantas de energía convencionales para satisfacer la demanda de energía mundial de manera limpia. En particular, la energía solar está libremente disponible y está volviéndose más factible, especialmente en forma de energía solar concentrada, lo que permite una acumulación de energía y puede adaptarse para la producción comercial.

Los sistemas de generación de energía solar concentrada comprenden normalmente colectores solares que dirigen los rayos solares sobre un medio de transferencia de calor tal como una sal fundida. Por ejemplo, las torres de energía solar usan una disposición de miles de helióstatos para concentrar energía en un receptor central elevado a través del que fluye sal fundida dentro de numerosos tubos. En los sistemas de concentradores solares, la sal fundida fluye a través de tramos extendidos de tuberías que están envueltos por concentradores colectores solares que concentran energía a lo largo de los tramos de los tubos. El calor procedente de la energía solar se transfiere a la sal fundida y a continuación, a través de un intercambiador de calor, a otro medio, tal como aire o agua, que luego se usa para generar energía mecánica que finalmente se convierte en energía eléctrica. La sal fundida acumula de manera eficaz el calor procedente de la energía solar durante periodos de tiempo prolongados de modo que la energía eléctrica puede generarse de noche o durante otros periodos en los que se ha captado poca energía solar.

Las sales fundidas pueden solidificarse si se enfrían por debajo de una determinada temperatura. Por consiguiente, los tubos y depósitos que contienen la sal fundida están envueltos normalmente en elementos de calentamiento con trazas eléctricas (hilos de resistencia eléctrica). Sin embargo, el calentamiento con trazas eléctricas puede ser relativamente caro, aumentando el coste total de la producción de energía. Además, el calentamiento con trazas eléctricas puede tender a fallos, provocando un cierre de todo el sistema de generación de energía solar para su mantenimiento. Por tanto, existe la necesidad de mejorar el calentamiento de tubos y depósitos para el medio de transferencia de calor en un sistema de generación de energía solar.

SUMARIO

Según la presente invención, un sistema de calentamiento para calentar un tubo de fluido en un sistema de proceso industrial incluye al menos un depósito de gas conectado mediante fluido a un primer catalizador a través de un tubo de suministro de gas. Una primera zona de calentamiento de tubo está conectada mediante fluido al primer catalizador a través de un primer tubo de gas caliente. La primera zona de calentamiento de tubo tiene al menos un conducto que se extiende a lo largo de una primera parte del tubo de fluido, en contacto térmico con el tubo de fluido. También se prevé un método de calentamiento.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La figura 1 muestra un diagrama esquemático de un sistema de generación de energía solar concentrada que tiene un sistema de calentamiento de la presente invención.

La figura 2 es un diagrama esquemático de una primera realización de una parte del sistema de calentamiento de la figura 1.

La figura 3 es un diagrama esquemático de una segunda realización de una parte del sistema de calentamiento de la figura 1.

La figura 4 es un diagrama esquemático de una tercera realización de una parte del sistema de calentamiento de la figura 1.

La figura 5 es un diagrama esquemático de una cuarta realización de una parte del sistema de calentamiento de la figura 1.

La figura 6 es un diagrama esquemático de una quinta realización de una parte del sistema de calentamiento de la figura 1.

La figura 7A es una vista en sección de una primera realización de una zona de calentamiento de tubo a lo largo de la sección 7A-7A de la figura 2.

La figura 7B es una vista en sección de una segunda realización de la zona de calentamiento de tubo a lo largo de la sección 7B-7B de la figura 2.

La figura 7C es una vista en sección de una tercera realización de la zona de calentamiento de tubo a lo largo de la sección 7C-7C de la figura 2.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

En general, la presente invención incluye un sistema de calentamiento para calentar un medio de transferencia de calor en un sistema de generación de energía solar concentrada. El sistema de calentamiento incluye catalizadores colocados cerca de diversas partes del sistema de generación de energía solar que pueden contener el medio de transferencia de calor. Se sopla una mezcla de combustible y aire a través de los catalizadores, reacciona y crea calor que a continuación se transfiere a las diversas partes y finalmente al medio de transferencia de calor.

La figura 1 muestra un diagrama esquemático de un sistema 10 de generación de energía solar concentrada que tiene un sistema 12 de calentamiento de la presente invención. En la realización mostrada, el sistema 10 de generación de energía comprende un sistema de torres de energía que tiene un sistema 14 colector solar, un receptor 16 central, una torre 18, un depósito 20 de almacenamiento en frío, un depósito 22 de almacenamiento en caliente, un intercambiador 24 de calor, un generador 26, bombas 28A, 28B y 28C y tubos 30A, 30B, 30C y 30D. En otras realizaciones, el sistema 10 de generación de energía puede comprender un sistema de generación de energía solar con transmisión hacia abajo (beam down) o un sistema de generación de energía solar de concentrador parabólico. El sistema 14 colector solar y el receptor 16 central trasmiten calor desde el sol hacia un medio de transferencia de calor fundido contenido en los depósitos 20 y 22 de almacenamiento de modo que la energía térmica puede convertirse en energía eléctrica usando el intercambiador 24 de calor y el sistema 26 de conversión.

El sistema 14 colector solar comprende una disposición de espejos de seguimiento solar, o helióstatos, que concentran los rayos solares en el receptor 16 central para calentar un medio de transferencia de calor ubicado dentro de los tubos 30A-30D. En una realización, aproximadamente 8.500 helióstatos, teniendo cada uno un área de superficie de aproximadamente 42 m2 (metros cuadrados) a aproximadamente 150 m2, están dispuestos concéntricamente alrededor de una torre, que tiene una altura de aproximadamente 170 metros, para cubrir un área de aproximadamente 1 a 2 millas (de �2,59 a 5,18 kilómetros cuadrados). El medio de transferencia de calor comprende normalmente sal fundida que se mantiene en un estado fundido entre aproximadamente 500ºF (�260ºC) y 1200ºF (�648,9ºC) de modo que permanece líquido. A través del tubo 30A, la bomba 28A dirige un medio de transferencia de calor frío desde el depósito 20 de almacenamiento en frío hacia una pluralidad de conducciones dentro de un receptor 16 central por lo que el calor desde los rayos solares concentrados se transmite al medio de transferencia de calor. A través del tubo 30B, la bomba 28B dirige el medio de transferencia de calor calentado desde el receptor 16 hasta el depósito 22 de almacenamiento en caliente en el que se almacena en un estado listo para producir energía con el intercambiador 24 de calor. Cuando se desea producir energía, el medio de transferencia de calor calentado se encamina a través del tubo 30C mediante la bomba 28C desde el depósito 22 de almacenamiento en caliente hasta el intercambiador 24 de calor en el que el calor se introduce en el sistema 26 de conversión. El sistema 26 de conversión puede comprender cualquier sistema convencional que convierta energía térmica en energía mecánica, tal como los sistemas de ciclo Brayton o de ciclo Rankine. En la realización mostrada, el sistema 26 de conversión comprende un generador de turbina de vapor que tiene un primer expansor 32A de fase un segundo expansor 32B de fase, un generador 34 y un condensador 36. El agua dentro del intercambiador 24 de calor se calienta mediante el medio de transferencia de calor fundido para producir vapor que gira los expansores de fase primero 32A y segundo 32B. Los expansores 32A y 32B rotan un árbol para accionar el generador 34 para convertir la energía mecánica en energía eléctrica. Por tanto, el intercambiador 24 de calor elimina el calor del medio de transferencia de calor antes de que el medio de transferencia de calor se devuelva al depósito 20 de almacenamiento en frío a través del tubo 30D. Aunque se muestra el sistema 10 de generación de energía solar usando tres bombas para mover la sal fundida a través de los tubos 30A-30D, pueden usarse más o menos bombas. Por ejemplo, en diversas realizaciones, la altura de la torre 18 proporciona presión suficiente para mover la sal fundida hacia el depósito 22 de almacenamiento en caliente de modo que la bomba 28B no es necesaria.

El uso de un medio de transferencia de calor tal como una sal fundida permite al sistema 10 de generación de energía acumular de manera eficaz energía térmica en sal contenida en el depósito 22 de almacenamiento en caliente de modo que la energía eléctrica puede generarse en momentos en los que el sistema 14 colector solar está funcionando por debajo de su pico máximo. Por tanto, el sistema 10 de generación de energía puede funcionar 24 horas al día a niveles de baja producción de energía o a niveles de producción superiores durante intervalos más cortos. En diversas realizaciones, la sal fundida puede ser sales compuestas por fluoruros alcalinotérreos y fluoruros de metal alcalino, y combinaciones de los mismos. Elementos adecuados de la sal fundida incluyen: litio (Li), sodio (Na), potasio (K), rubidio (Rb), cesio (Ce), francio (Fr), berilio (Be), magnesio (Mg), calcio (Ca), estroncio (Sr), bario (Ba), radio (Ra) y flúor (F). Los ejemplos de sales fundidas de fluoruro adecuadas incluyen, pero no se limitan a: FLiNaK, FLiBe, FLiNaBe, FLiKBe y combinaciones de los mismos, tal como se describe con más detalle en la solicitud de patente estadounidense n.º 2008/0000231 de Litwin et al. En otras realizaciones, pueden usarse otros medios de transferencia de calor adecuados.

Sin embargo, las sales necesitan mantenerse a temperaturas elevadas para permanecer en un estado fundido de modo que la sal pueda fluir entre los componentes del sistema 10 de generación de energía usando los tubos 30A-30D y las bombas 28A-28C. Por tanto, el sistema 12 de calentamiento se prevé en todo el sistema 10 de generación de energía para mantener la sal a temperaturas elevadas. El sistema 12 de calentamiento incluye un depósito 38 de combustible, un depósito 40 de gas comprimido, un tubo 42 de suministro de gas, catalizadores 44A44F y zonas 46A-46D de calentamiento de tubo. El sistema 12 de calentamiento también incluye elementos (no mostrados en la figura 1) dentro del depósito 20 de almacenamiento en frío y el depósito 22 de almacenamiento en caliente. El depósito 38 de combustible puede contener un gas comprimido, combustible tal como hidrógeno o metano. El depósito 40 de gas comprimido puede contener aire comprimido común, con niveles atmosféricos de oxígeno y nitrógeno. El combustible del depósito 38 de combustible puede mezclarse con aire del depósito 40 de gas comprimido a niveles que no se quemarán en condiciones normales. Esta mezcla de combustible y aire se suministra a continuación a diversas ubicaciones en el sistema 10 de generación de energía a través del tubo 42 de suministro de gas y se sopla por los catalizadores 44A-44F. El material catalizador usado para los catalizadores 44A-44F puede incluir un metal noble tal como platino, paladio, rodio y otros materiales catalizadores adecuados. En otra realización, los catalizadores 44A-44F pueden incluir una cámara que contiene una pluralidad de pastillas relativamente pequeñas (no mostradas). Las pequeñas pastillas pueden comprender un material catalizador adecuado depositado en un material original tal como alúmina (también conocido como óxido de aluminio). Cuando la mezcla de aire y combustible pasa por las pequeñas pastillas, el combustible reacciona con el oxígeno y se quema, lo que calienta el producto de la reacción y cualquier gas que no reaccione, tal como nitrógeno y cualquier oxígeno restante. Por tanto, se crea gas caliente catalizado para su uso en el depósito 20 de almacenamiento en frío, el depósito 22 de almacenamiento en caliente y cada una de las zonas 46A-46D de calentamiento de tubo para mantener la sal fundida a una temperatura particular. Las zonas 46A-46D de calentamiento de tubo proporcionan calor a las partes de los tubos 30A-30D, respectivamente. En la realización ilustrada, las zonas 46A-46D de calentamiento de tubo proporcionan calor a sustancialmente un tramo completo de tubo en el que fluye la sal fundida. Sólo existen espacios de tubo relativamente pequeños sin calentamiento de tubo.

El sistema 12 de calentamiento puede usarse para calentar la sal fundida en una variedad de circunstancias. Por ejemplo, cuando el intercambiador 24 de calor extraer calor de la sal fundida, la sal fundida puede caer cerca o por debajo de una temperatura mínima deseada. El sistema 12 de calentamiento puede usarse para mantener la temperatura deseada hasta que la sal fundida se entregue de nuevo al receptor 16 central para calentarse mediante los rayos solares. De manera similar, durante periodos de exposición al sol limitada, tal como durante la noche, la temperatura de la sal fundida por la mayor parte de o todo el sistema 10 de generación de energía puede caer cerca o por debajo de una temperatura mínima deseada. El sistema 12 de calentamiento puede usarse para mantener la temperatura deseada hasta que vuelva a producirse una exposición al sol adecuada. En ciertas circunstancias, puede ser deseable permitir que la sal fundida se solidifique durante la noche en lugar de calentarla de manera continua. En este caso, el sistema 12 de calentamiento puede usarse para volver a fundir la sal cada mañana. Alternativamente, el depósito 20 de almacenamiento en frío y el depósito 22 de almacenamiento en caliente pueden calentarse de manera continua durante la noche mientras que sólo se dejan enfriar los tubos 30A30D por debajo de la temperatura deseada. El sistema 12 de calentamiento puede usarse también para fundir la sal siempre que sea necesario, tal como durante un arranque inicial del sistema 10 de generación de energía.

En cada uno de los ejemplos de calentamiento anteriores, diferentes áreas del sistema 10 de generación de energía pueden requerir diferentes cantidades de calor. El sistema 12 de calentamiento puede usar un conjunto de válvulas o reguladores para variar la cantidad de calor aplicado a cada área variando la cantidad de combustible y aire suministrados a cada catalizador 44A-44F. Por ejemplo, el sistema 12 de calentamiento puede suministrar una cantidad relativamente grande de combustible y aire a los catalizadores 44D, 44E y 44A cuando la sal está relativamente fría en el tubo 30D, el depósito 20 de almacenamiento en frío y el tubo 30A, mientras suministra poco

o ningún combustible y aire a los catalizadores 44B, 44F y 44C cuando la sal está relativamente caliente en el tubo 30B, el depósito 22 de almacenamiento en caliente y el tubo 30C. Unos sensores de temperatura pueden estar situados por todo el sistema 10 de generación de energía para proporcionar información de temperatura para ayudar a determinar dónde se necesita calor. En otras realizaciones, el sistema 12 de calentamiento puede incluir más o menos catalizadores dependiendo de las necesidades del sistema 10 de generación de energía.

Los catalizadores 44A-44F pueden estar ubicados en o cerca de sus áreas de calentamiento respectivas para reducir la cantidad de tiempo necesaria para que el gas caliente catalizado alcance su objetivo previsto. En una realización, el combustible y el aire en el tubo 42 de suministro de gas pueden mezclarse en una razón que tenga poca posibilidad o ninguna de quemarse sin un catalizador. Esto permite conducir el combustible y el aire por distancias relativamente largas a través del tubo 42 de suministro de gas con un riesgo de bajo a nulo de incendio o explosión incluso si el tubo 42 de suministro de gas tiene una fisura.

La figura 2 es un diagrama esquemático de una primera realización de una parte del sistema 12 de calentamiento. La figura 2 muestra la parte del sistema 12 de calentamiento que incluye el catalizador 44A y la zona 46A de calentamiento de tubo para calentar el tubo 30A. Aunque la figura 2 ilustra sólo una parte del sistema 12 de calentamiento, los tubos 30B-30D (mostrados en la figura 1) pueden calentarse mediante los catalizadores 44B-44D y las zonas 46B-46D de calentamiento de tubo de manera similar. En la primera realización, la válvula 48 mezcla aire del depósito 40 de gas comprimido con combustible del depósito 38 de combustible para crear una razón deseada de combustible con respecto a aire. En una realización, la válvula 48 puede ser una servoválvula pequeña.

En otra realización, la válvula 48 podría ser una combinación más compleja de reguladores. El funcionamiento de la válvula 48 puede controlarse mediante un controlador conectado a sensores de temperatura ubicados por todo el sistema 12 de calentamiento. La mezcla de combustible y aire se pasa a través del catalizador 44A en el que reacciona y crea un gas caliente catalizado. El gas caliente catalizado se pasa a continuación a través de la zona 46A de calentamiento de tubo al tubo 30A de calentamiento (no mostrado en la figura 2) y finalmente se expulsa a la atmósfera.

La figura 3 es un diagrama esquemático de una segunda realización de una parte del sistema 12 de calentamiento. La segunda realización del sistema 12 de calentamiento es similar a la primera realización del sistema 12 de calentamiento excepto por la adición del intercambiador 50 de calor de gas. En la segunda realización, la mezcla de combustible y aire se pasa a través del intercambiador 50 de calor de gas antes de entrar en el catalizador 44A. El gas caliente catalizado del catalizador 44A se conduce a través de la zona 46A de calentamiento de tubo y a continuación a través del intercambiador 50 de calor de gas antes de expulsarlo a la atmósfera. El gas caliente catalizado que abandona el tubo se enfría cuando pasa a través de la zona 46A de calentamiento de tubo pero sigue estando caliente respecto a la mezcla de combustible y aire antes de entrar en el catalizador 44A. Por consiguiente, el intercambiador 50 de calor de gas puede transferir calor desde el gas caliente catalizado hasta el combustible y aire no catalizado antes de que el gas caliente catalizado se expulse a la atmósfera. En ciertas aplicaciones, un calentamiento de la mezcla de combustible y aire antes de la catalización puede aumentar la eficacia de ese proceso catalítico. Como con la primera realización, los tubos 30B-30D también pueden calentarse tal como se ha descrito en la segunda realización.

La figura 4 es un diagrama esquemático de una tercera realización de una parte del sistema 12 de calentamiento. La tercera realización del sistema 12 de calentamiento es similar a la primera realización del sistema 12 de calentamiento excepto que el depósito 38 de combustible y el depósito 40 de gas comprimido se sustituyen por un depósito 52 de Tridyne. Tridyne es un gas que incluye diversas mezclas de gas inerte y fracciones relativamente pequeñas de combustible y oxidante. Tridyne es no reactivo en condiciones normales pero se vuelve reactivo tras la exposición a un catalizador. El combustible usado para Tridyne puede ser hidrógeno, metano, etano

o una mezcla de los mismos. El oxidante usado para Tridyne puede ser aire, oxígeno o difluoruro de oxígeno o una mezcla de los mismos. El gas inerte para Tridyne puede ser nitrógeno, helio, argón, xenón, criptón o una mezcla de los mismos. El catalizador usado para los catalizadores 44A-44F puede incluir cualquier material catalizador adecuado tal como los descritos con respecto a la figura 1. La composición y el uso de Tridyne se describen adicionalmente en la patente estadounidense n.º 3.779.009 – CATALYTIC METHOD OF PRODUCING HIGH TEMPERATURE GASES de Joseph Friedman, que se incorpora al presente documento como referencia.

Como Tridyne es sustancialmente no reactivo en condiciones normales, puede almacenarse en un único depósito sin riesgo de explosión. Usar un único depósito de Tridyne permite simplificar adicionalmente el sistema 12 de calentamiento. Adicionalmente, el aire común puede contener sustancias que pueden ser perjudiciales para el sistema 10 de generación de energía en determinadas aplicaciones. El uso de Tridyne, tal como una mezcla que incluye nitrógeno, hidrógeno y oxígeno, puede reducir la exposición a contaminantes encontrados en el aire común. Como con las realizaciones primera y segunda, los tubos 30B-30D también pueden calentarse tal como se ha descrito en la tercera realización.

La figura 5 es un diagrama esquemático de una cuarta realización de una parte del sistema 12 de calentamiento. La figura 5 muestra la parte del sistema 12 de calentamiento que incluye el catalizador 44E para calentar el depósito 20 de almacenamiento en frío. Aunque la figura 5 ilustra sólo una parte del sistema 12 de calentamiento, el depósito 22 de almacenamiento en caliente puede calentarse mediante el catalizador 44F de una manera similar. En la quinta realización, la válvula 48 mezcla aire del depósito 40 de gas comprimido con combustible del depósito 38 de combustible para crear una razón deseada de combustible con respecto a aire. La mezcla de combustible y aire se pasa por el catalizador 44E, a través del tubo 52 de entrada del depósito y hacia el depósito 20 de almacenamiento en frío. Cuando el gas caliente catalizado entra en el depósito 20 de almacenamiento en frío, fluye a través del intercambiador 54 de calor del depósito. En la realización ilustrada, el intercambiador 54 de calor del depósito es una conducción que serpentea a través del depósito 20 de almacenamiento en frío. En otras realizaciones pueden usarse otros intercambiadores de calor adecuados siempre que permitan la transferencia de calor desde el gas caliente catalizado hasta la sal mientras eviten que el gas caliente catalizado se mezcle con la sal. El gas caliente catalizado sale finalmente del depósito 20 de almacenamiento en frío a través de una ventilación 56. En otra realización, puede usarse el intercambiador 50 de calor de gas para recuperar el calor del gas caliente catalizado que sale del depósito 20 de almacenamiento en frío de una manera similar a la descrita con respecto a la figura 3.

La figura 6 es un diagrama esquemático de una quinta realización de una parte del sistema 12 de calentamiento. La quinta realización es similar a la cuarta realización excepto que el intercambiador 54 de calor del depósito se ha sustituido por el colector 58 de distribución de gas. El colector 58 de distribución de gas sopla gas caliente catalizado a través de los orificios 60 en contacto directo con la sal del depósito 20 de almacenamiento en frío. Cuando la sal se dispone originalmente en el tanque, pueden ser gránulos sólidos de sal sobre y a través de los que puede fluir el gas caliente catalizado. Después de que se caliente la sal, puede ser sal fundida a través de la que puede pasar el gas caliente catalizado formando burbujas. El gas caliente catalizado sale finalmente del depósito 20 de almacenamiento en frío a través de la ventilación 56.

La catalización de hidrógeno o metano con aire común crea gas caliente catalizado que normalmente no reaccionará con sal fundida o de lo contrario tendrá un efecto negativo sobre el sistema 10 de generación de energía. Sin embargo, otros medios de transferencia de calor pueden requerir una selección cuidadosa de combustible en el depósito 38 de combustible y gas en el depósito 40 de gas comprimido para evitar que el gas caliente catalizado reaccione negativamente con los medios de transferencia de calor. En una realización alternativa, puede catalizarse Tridyne para calentar el depósito 20 de almacenamiento en frío. El uso de Tridyne puede ser particularmente beneficioso cuando el sistema 10 de generación de energía usa un medio de transferencia de calor que puede verse perjudicado al entrar en contacto con sustancias en el aire común. En otra realización, puede usarse el intercambiador 50 de calor de gas para recuperar el calor del gas caliente catalizado que sale del depósito 20 de almacenamiento en frío de una manera similar a la descrita con respecto a la figura 3. Como con la cuarta realización, el depósito 22 de almacenamiento en caliente también puede calentarse tal como se describe en la quinta realización.

La figura 7A es una vista en sección de una primera realización de una zona 46A de calentamiento de tubo a lo largo de la sección 7A-7A de la figura 2. En la primera realización, la zona 46A de calentamiento de tubo incluye los tubos 62A-62D de gas caliente y el aislamiento 64. Los tubos 62A-62D de gas caliente son conducciones relativamente pequeñas físicamente adyacentes a una superficie exterior del tubo 30A. En una realización, los tubos 62A-62D de gas caliente pueden fabricarse de acero inoxidable. El gas caliente catalizado fluye a través de los tubos 62A-62D de gas caliente para transferir calor a la sal en el tubo 30A. En la realización ilustrada, los tubos 62A-62D de gas caliente discurren paralelos al tubo 30A y están distanciados sustancialmente de manera simétrica alrededor del tubo 30A. El tubo 62A de gas caliente está en un lado opuesto del tubo 30A del tubo 62C de gas caliente mientras que el tubo 62B de gas caliente está en un lado opuesto del tubo 30A del tubo 62D de gas caliente. En una realización alternativa, los tubos 62A-62D de gas caliente pueden transcurrir en espiral alrededor del tubo 30A. En aún otra realización alternativa, el número de tubos de gas caliente puede ser menor de cuatro para reducir el coste

o puede ser mayor de cuatro para aumentar el área de superficie de contacto entre los tubos de gas caliente y el tubo 30A. El aislamiento 64 es una capa de material térmicamente aislante que cubre los tubos 62A-62D de gas caliente y el tubo 30A. El aislamiento 64 reduce la pérdida de calor desde los tubos 62A-62D de gas caliente hacia la atmósfera de modo que puede transferirse más calor a la sal en el tubo 30A.

El patín 65 es físicamente adyacente al tubo 62A de gas caliente y al tubo 30A para aumentar la conducción de calor entre los tubos. En la realización ilustrada, el patín 65 está entre las partes del tubo 62A de gas caliente y el tubo 30A, aunque una parte del tubo 62A de gas caliente también es directamente adyacente al tubo 30A. En otra realización, el patín 65 puede ser un soporte más grande, que separa físicamente el tubo 62A de gas caliente del tubo 30A mientras que sigue facilitando la transferencia de calor. El patín 65 puede fabricarse de acero inoxidable, cobre u otros materiales termoconductores adecuados. Las zonas 46B-46D de calentamiento de tubo también pueden estar configuradas tal como se ha descrito en esta primera realización.

La figura 7B es una vista en sección de una segunda realización de la zona 46A de calentamiento de tubo a lo largo de la sección 7B-7B de la figura 2. La segunda realización es similar a la primera realización excepto que los tubos 62A-62D de gas caliente están sustituidos por el conducto 66 de calentamiento. El conducto 66 de calentamiento incluye una pared 68 externa de conducto distanciada de manera concéntrica del tubo 30A. El gas caliente catalizado fluye a través de la región 70 anular entre una superficie externa del tubo 30A y una superficie interna de la pared 68 externa de conducto. Las zonas 46B-46D de calentamiento de tubo también pueden estar configuradas tal como se ha descrito en esta segunda realización.

La figura 7C es una vista en sección de una tercera realización de la zona 46A de calentamiento de tubo a lo largo de la sección 7C-7C de la figura 2. La tercera realización es similar a la primera realización excepto que se omiten los tubos 62A-62D de gas caliente. En su lugar, el gas caliente catalizado fluye a través del tubo 30A. El gas caliente catalizado calienta la sal en el tubo 30A mediante contacto directo y finalmente se expulsa a la atmósfera mientras que la sal fundida se retiene en el tubo 30A. Este método puede sacar provecho de usar gases seleccionados para evitar reaccionar de manera adversa con el medio de transferencia de calor. Este método también puede usarse para el tubo 30A de calor cuando está vacío, para controlar los cambios de temperatura durante los procedimientos de arranque o parada. Los métodos de calentamiento de la zona 46A de calentamiento de tubo descritos con respecto a las figuras 7A, 7B y 7C también pueden usarse para calentar las zonas 46B-46D de calentamiento de tubo.

Aunque la invención se ha descrito usando sal fundida como medio de transferencia de calor, la invención no está limitada a calentar sal fundida. Los sistemas y métodos descritos anteriormente pueden usarse para calentar prácticamente cualquier medio de transferencia de calor adecuado para su uso en un sistema de generación de energía solar concentrada.

Se reconocerá que la presente invención proporciona numerosos beneficios y ventajas. Por ejemplo, el calentamiento con gas caliente catalizado como en la presente invención tiene una mayor eficacia de conversión (conversión de combustible en calor) que el calentamiento con trazas eléctricas. Esto se debe a que para el calentamiento eléctrico, la energía en el combustible debe convertirse primero en electricidad y luego convertirse de electricidad en calor. El gas caliente catalizado tiene una etapa para convertir el combustible en calor. Este aumento en la eficacia de conversión puede constituir un ahorro en los costes.

Adicionalmente, el calentamiento con gas caliente catalizado puede ser relativamente fiable. Normalmente, el calentamiento con trazas eléctricas tiende más a fallos que los tubos y catalizadores. Las trazas eléctricas pueden quemarse u obstruirse. Además, en caso de una pérdida de energía eléctrica, un sistema de calentamiento de gas caliente catalizado puede seguir funcionando mientras que un sistema de calentamiento con trazas eléctricas puede

5 fallar.

Además, el calentamiento con gas caliente catalizado puede ser mejor para el medioambiente. La electricidad creada quemando combustibles fósiles a altas temperaturas, por ejemplo, a menudo crea diversas sustancias contaminantes tales como óxido de nitrógeno. La catalización de hidrógeno o metano puede ser un proceso de combustión relativamente limpio, que crea productos secundarios de en su mayor parte agua y dióxido

10 de carbono. Debido a que el hidrógeno y el metano catalizan a una temperatura relativamente baja, no se produce o se produce poco óxido de nitrógeno.

Aunque la presente invención se ha descrito con referencia a realizaciones particulares, los expertos en la técnica reconocerán que pueden realizarse cambios en forma y detalle sin apartarse del alcance de la invención tal como se reivindica. Por ejemplo, los tubos de calentamiento con gas caliente catalizado tal como se describen

15 anteriormente no tienen que estar limitados a calentar sal fundida en un sistema de generación de energía solar. Estos métodos pueden usarse para calentar tubos de fluido en otros sistemas de proceso industrial que sean compatibles con estos métodos.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Sistema de calentamiento para calentar un tubo de fluido en un sistema de proceso industrial, comprendiendo el sistema de calentamiento:

al menos un depósito de gas;

un primer catalizador conectado por medio de un fluido a través de un tubo de suministro de gas al al menos un depósito de gas; y

una primera zona de calentamiento de tubo conectada por medio de un fluido a través de un primer tubo de gas caliente al primer catalizador, en el que la primera zona de calentamiento de tubo comprende al menos un conducto que se extiende a lo largo de una primera parte del tubo de fluido, en contacto térmico con el tubo de fluido.
2.

Sistema de calentamiento según la reivindicación 1 y que comprende además:

un medio de transferencia de calor colocado dentro del tubo de fluido.
3.

Sistema de calentamiento según la reivindicación 2, en el que el medio de transferencia de calor comprende una sal fundida.
4.

Sistema de calentamiento según la reivindicación 1, en el que el sistema de proceso industrial comprende un sistema de generación de energía solar concentrada.
5.

Sistema de calentamiento según la reivindicación 1, en el que el al menos un depósito de gas comprende un depósito de gas para contener Tridyne.
6.

Sistema de calentamiento según la reivindicación 1, en el que el al menos un depósito de gas comprende un primer depósito de gas para contener aire y un segundo depósito de gas para contener combustible seleccionado de un grupo que consiste en hidrógeno y metano.
7.

Sistema de calentamiento según la reivindicación 6 y que comprende además:

al menos una válvula entre el primer depósito, el segundo depósito y el primer catalizador.
8.

Sistema de calentamiento según la reivindicación 1, en el que el al menos un conducto transcurre en espiral alrededor del tubo de fluido.
9.

Sistema de calentamiento según la reivindicación 1, en el que el al menos un conducto comprende una pluralidad de conductos distanciados sustancialmente de manera simétrica alrededor del tubo de fluido, y en el que cada uno de la pluralidad de conductos está en contacto térmico con el tubo de fluido.
10.

Sistema de calentamiento según la reivindicación 1, en el que el al menos un conducto es físicamente adyacente a la primera parte del tubo de fluido.
11.

Sistema de calentamiento según la reivindicación 1, en el que el al menos un conducto comprende al menos un tubo físicamente adyacente a un patín termoconductor que es físicamente adyacente a la primera parte del tubo de fluido.
12.

Sistema de calentamiento según la reivindicación 1, en el que el al menos un conducto comprende un conducto anular concéntrico con el tubo de fluido, en el que una superficie externa del tubo de fluido coincide con una superficie interna del conducto anular.
13.

Sistema de calentamiento según la reivindicación 1 y que comprende además:

una capa de aislamiento que cubre la primera zona de calentamiento de tubo y el tubo de fluido.
14.

Sistema de calentamiento según la reivindicación 1, en el que el primer catalizador está colocado relativamente cerca de la primera zona de calentamiento de tubo, comprendiendo además el sistema de calentamiento:

un segundo catalizador conectado por medio de un fluido al al menos un depósito de gas y colocado relativamente cerca de una segunda zona de calentamiento de tubo, en el que la segunda zona de calentamiento de tubo comprende al menos un conducto que se extiende a lo largo de una segunda parte del tubo de fluido, en contacto térmico con el tubo de fluido; y

un tercer catalizador conectado por medio de un fluido al al menos un depósito de gas y colocado relativamente cerca de una tercera zona de calentamiento de tubo, en el que la tercera zona de calentamiento de tubo comprende al menos un conducto que se extiende a lo largo de una tercera parte del tubo de fluido, en contacto térmico con el tubo de fluido.
15. Método para calentar un tubo de fluido en un sistema de proceso industrial, comprendiendo el método: hacer fluir una mezcla gaseosa a través de un lecho catalizador;

5 catalizar la mezcla gaseosa para crear un gas caliente; hacer fluir el gas caliente a través de al menos un conducto en contacto térmico con el tubo de fluido; y hacer fluir un fluido a través del tubo de fluido.
16. Método según la reivindicación 15 y que comprende además:

hacer fluir el fluido hacia un receptor solar para absorber rayos solares. 10 17. Método según la reivindicación 15, en el que el fluido comprende una sal fundida.
18.

Método según la reivindicación 15, en el que el conducto es adyacente al tubo de fluido.
19.

Método según la reivindicación 15 y que comprende además:

mezclar un combustible desde un primer depósito con aire desde un segundo depósito para crear la mezcla gaseosa, en el que el combustible se selecciona de un grupo que consiste en hidrógeno y metano.

15 20. Método según la reivindicación 15, en el que el gas caliente fluye a través del al menos un conducto en lados sustancialmente opuestos del tubo de fluido.

OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS

N.º solicitud: 200902349

ESPAÑA

Fecha de presentación de la solicitud: 16.12.2009

Fecha de prioridad:

INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA

51 Int. Cl. : Ver Hoja Adicional

DOCUMENTOS RELEVANTES

Categoría

56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas

X

EP 1286038 A1 (AIR LIQUIDE) 26.02.2003, 1-3,5-7,12,14,15,

párrafos [0004],[0010-0013]; figuras.

17,19

Y

4,16

Y

8-11,13,18,20

Y

US 4668494 A (VAN HOOK JAMES P et al.) 26.05.1987, 4,16

columna 3, líneas 33-38; figuras 2-3.

A

3,17

Y

US 3782452 A (CEPLON P) 01.01.1974, 8-11,13,18,20

columna 1, líneas 6-19; columna 1, línea 65 – columna 2, línea 58; figuras.

Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud

El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:

Fecha de realización del informe 28.02.2012

Examinador A. Hoces Diez Página 1/5

INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA

Nº de solicitud: 200902349

CLASIFICACIÓN OBJETO DE LA SOLICITUD

F24H1/00 (2006.01) F23C13/00 (2006.01) F01K3/18 (2006.01) F16L53/00 (2006.01)

Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación)

F24H, F23C, F01K, F16L

Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de búsqueda utilizados)

INVENES, EPODOC

Informe del Estado de la Técnica Página 2/5

OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 200902349

Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 28.02.2012

Declaración

Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)

Reivindicaciones Reivindicaciones 3-5,8-11,13,14,16-18,20 1,2,6,7,12,15,19 SI NO

Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)

Reivindicaciones Reivindicaciones 1-20 SI NO

Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).

Base de la Opinión.-

La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.

Informe del Estado de la Técnica Página 3/5

OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 200902349

1. Documentos considerados.-

A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.

Documento

Número Publicación o Identificación Fecha Publicación

D01

EP 1286038 A1 (AIR LIQUIDE) 26.02.2003

D02

US 4668494 A (VAN HOOK JAMES P et al.) 26.05.1987

D03

US 3782452 A (CEPLON P) 01.01.1974
2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración

La solicitud nacional de patente presenta dos reivindicaciones independientes: -la reivindicación 1 se refiere a un sistema de calentamiento para calentar un tubo de fluido; -la reivindicación 15 se refiere a un método para calentar un tubo de fluido.

El documento D01, que puede considerarse el estado de la técnica más cercano al objeto técnico de la reivindicación 1 y al que pertenecen las referencias numéricas que siguen, divulga un sistema de calentamiento para calentar un tubo de fluido en un sistema de proceso industrial, que presenta: al menos un depósito de gas (9); un primer catalizador (8) conectado por medio de un fluido a través de un tubo de suministro de gas a al menos un depósito de gas (9); y una primera zona de calentamiento de tubo conectada por medio de un fluido a través de un primer tubo de gas caliente al primer catalizador, en el que la primera zona de calentamiento de tubo comprende al menos un conducto (6) que se extiende a lo largo de una primera parte del tubo de fluido (5), en contacto térmico con el tubo de fluido. Por tanto, la reivindicación 1 carece de novedad en base a lo divulgado en el documento D01 (Art. 6.1 LP 11/1986).

Respecto a las reivindicaciones dependientes 2, 6, 7 y 12, el documento D01divulga idénticamente las características técnicas descritas en las mismas (ver párrafos [0010], [0012], figuras 2 y 1 respectivamente) y, por tanto, carecen de novedad (Art. 6.1 LP 11/1986).

Respecto a la reivindicación dependiente 3, el hecho de utilizar sal fundida como medio de transferencia se considera una opción de diseño conocida en el estado de la técnica (ver documento D02, columna 3, línea 34) y, por tanto, carece de actividad inventiva (Art. 8.1 LP 11/1986).

Respecto a la reivindicación dependiente 4, el documento D02 divulga un sistema de calentamiento que utiliza un quemador de amoniaco para calentar un tubo de fluido en un sistema de proceso, en el que el sistema de proceso industrial comprende un sistema de generación de energía solar. El hecho de que sea energía solar concentrada se considera una elección de diseño ampliamente conocida en el campo de la tecnología solar. Para un experto en la materia sería evidente el considerar de forma conjunta los documentos D01 y D02 para llegar al objeto reivindicado en la reivindicación 4. Por tanto, la reivindicación 4 carece de actividad inventiva en base a lo divulgado en los documentos D01 y D02 (Art. 8.1 LP 11/1986).

Respecto a la reivindicación dependiente 5, el hecho de utilizar Tridyne en el depósito de gas es simplemente una de las varias posibilidades evidentes que un experto en la materia seleccionaría según las circunstancias, sin el ejercicio de actividad inventiva, para resolver el problema planteado.

Respecto a las reivindicaciones dependientes 8 a 11 y 13, el documento D03, al que pertenecen las referencias numéricas que siguen, divulga un sistema de calentamiento de tuberías en el que la zona de calentamiento de tubo comprende al menos un conducto (14) que se extiende a lo largo de un tubo de fluido (12), en contacto térmico con el tubo de fluido, y en el que al menos el conducto (14) transcurre en espiral alrededor del tubo de fluido (ver columna 2, líneas 30-31); una realización alternativa en la que al menos un conducto comprende una pluralidad de conductos (14, 42) distanciados sustancialmente de manera simétrica alrededor del tubo de fluido (ver figura 3), y en la que cada uno de la pluralidad de conductos está en contacto térmico con el tubo de fluido (12). El sistema de calentamiento tiene al menos un conducto (14) que es físicamente adyacente al tubo de fluido (12) y al menos un patín termoconductor (10, 44) que es físicamente adyacente al tubo de fluido (12). Una capa de aislamiento (16) cubre la zona de calentamiento de tubo (14) y el tubo de fluido (12). Para un experto en la materia sería evidente el considerar de forma conjunta los documentos D01 y D03 para llegar al objeto reivindicado en las reivindicaciones 8 a 11 y 13. Por tanto, las reivindicaciones 8 a 11 y 13, carecen de actividad inventiva en base a lo divulgado en los documentos D01 y D03 (Art. 8.1 LP 11/1986).

Respecto a la reivindicación dependiente 14, las características de diseño descritas en la misma se consideran meras ejecuciones particulares obvias para un experto en la materia y, por tanto, carecen de actividad inventiva (Art. 8.1 LP 11/1986).

Informe del Estado de la Técnica Página 4/5

OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 200902349

El documento D01, que puede considerarse el estado de la técnica más cercano al objeto técnico de la reivindicación 15 y al que pertenecen las referencias numéricas que siguen, divulga un método para calentar un tubo de fluido en un sistema de proceso industrial, en el que se hace fluir una mezcla gaseosa a través de un lecho catalizador (8); se cataliza la mezcla gaseosa para crear un gas caliente; se hace fluir el gas caliente a través de al menos un conducto (6) en contacto térmico con el tubo de fluido (5); y se hace fluir un fluido a través del tubo de fluido. Para crear la mezcla gaseosa se mezcla un combustible, que se selecciona de un grupo que consiste en hidrógeno y metano, desde un primer depósito (10) con aire desde un segundo depósito (11). Por tanto, las reivindicaciones 15 y 19 carecen de novedad en base a lo divulgado en el documento D01 (Art. 6.1 LP 11/1986).

Respecto a la reivindicación dependiente 16, el documento D02 divulga un método de calentamiento para calentar un tubo de fluido en un sistema de proceso industrial que utiliza un quemador de amoniaco y que además hace fluir el fluido hacia un receptor solar para absorber rayos solares. Para un experto en la materia sería evidente el considerar de forma conjunta los documentos D01 y D02 para llegar al objeto reivindicado en la reivindicación 16. Por tanto, la reivindicación 16 carece de actividad inventiva en base a lo divulgado en los documentos D01 y D02 (Art. 8.1 LP 11/1986).

Respecto a la reivindicación dependiente 17, el utilizar sal fundida como medio de transferencia se considera una opción de diseño conocida en el estado de la técnica (ver documento D02, columna 3, línea 34) y, por tanto, carece de actividad inventiva (Art. 8.1 LP 11/1986).

Respecto a las reivindicaciones dependientes 18 y 20, el documento D03 divulga un sistema de calentamiento con un conducto (14) que transfiere calor a un tubo de fluido (12) adyacente (ver figura 1). En una realización alternativa el gas caliente fluye a través de al menos un conducto (14, 42) en lados sustancialmente opuestos del tubo de fluido (12) (ver figura 3). Para un experto en la materia sería evidente el considerar de forma conjunta los documentos D01 y D03 para llegar al objeto reivindicado en las reivindicaciones 18 y 20. Por tanto, las reivindicaciones 18 y 20, carecen de actividad inventiva en base a lo divulgado en los documentos D01 y D03 (Art. 8.1 LP 11/1986).

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