ES2600734T3 - Procedimiento para el intercambio térmico entre sal fundida y otro medio en un intercambiador térmico enrollado - Google Patents

Procedimiento para el intercambio térmico entre sal fundida y otro medio en un intercambiador térmico enrollado Download PDF

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Abstract

Procedimiento para el intercambio térmico indirecto entre una masa de sal fundida (2, 2') como primer portador de calor y al menos un segundo portador de calor (15, 15'), caracterizado por que la sal fundida (2, 2') y el segundo portador de calor (15, 15') se introducen en un intercambiador térmico enrollado (5) y se conducen por el mismo, presentando el intercambiador térmico una pluralidad de tubos (8) enrollados en varias capas en un tubo de núcleo central (9) que están rodeados por un recubrimiento (6) que limita una zona de recubrimiento (7) alrededor de los tubos (8), conduciéndose la sal fundida (2, 2') a través de esta zona de recubrimiento (7) del intercambiador enrollado (5) y siendo la temperatura de la sal fundida del orden de entre 250 ºC y 600 ºC, aproximadamente, mientras que el segundo portador de calor (15, 15') u otros portadores de calor son sal fundida, agua, vapor, amoniaco, dióxido de carbono supercrítico o aceite térmico y el segundo portador de calor u otros portadores de calor se conduce o conducen a través de los tubos (8) del intercambiador térmico enrollado (5).

Description

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DESCRIPCION
Procedimiento para el intercambio termico entre sal fundida y otro medio en un intercambiador termico enrollado
La presente invencion se refiere a un procedimiento para el intercambio termico indirecto entre sal fundida como primer portador de calor y al menos un segundo portador de calor como aceite termico. Las masas de sal fundida se emplean, por ejemplo, en centrales de energfa solar como portadores de calor.
Por portador de calor se debe entender un medio lfquido, gaseoso o supercntico que en un punto del proceso de la central electrica absorbe o desprende una cantidad de calor que luego vuelve a desprender o absorber en otro punto del proceso de la central electrica o fuera del mismo. En este sentido debe entenderse tambien un medio de trabajo como portador de calor al que en la central electrica se aporta energfa termica para transformarla en trabajo mecanico.
En las centrales de energfa solar se produce corriente electrica a partir de energfa solar a traves de un proceso dclico termodinamico. De un medio de trabajo que circula en un circuito de vapor (por ejemplo agua o amoniaco) se genera vapor recalentado que despues se expande con rendimiento en una turbina de vapor acoplada a un generador de corriente. El medio de trabajo se puede aportar directamente a traves de la radiacion solar o indirectamente a traves de un portador de calor (por ejemplo aceite termico, sal fundida), que a su vez se calienta por medio de luz solar concentrada. Para extender la produccion de corriente a horas en las que no luce el sol o para compensar las variaciones de la radiacion solar debidas a las nubes, parte del calor solar irradiado se puede almacenar de modo intermedio con ayuda del mismo (de forma directa) o con ayuda de otro portador de calor (de forma indirecta). Normalmente se emplean para el almacenamiento intermedio del calor masas de sal fundida (tradicionalmente mezclas eutecticas de KNO3 y NaNO3), que se calientan directamente o a traves de otro portador de calor, por ejemplo aceite termico, o indirectamente a temperaturas de entre 250 - 400 °C o 600 °C y se almacenan en depositos de fondo plano, transmitiendo su calor directa o indirectamente al medio de trabajo.
Para la transmision del calor entre la sal fundida y otro portador de calor se emplean habitualmente intercambiadores termicos de haces de tubos, los asf llamados STHEs (derivado del termino ingles Shell and Tube Heat Exchangers). A causa de las grandes cantidades de calor a transmitir con pocas diferencias de temperatura entre los portadores de calor, los intercambiadores termicos se conectan varios STHEs en serie. En instalaciones existentes (Andasol 1 y 2) se disponen, por ejemplo, seis intercambiadores para la carga y descarga de los depositos de sal fundida. En caso de cantidades de calor a transmitir aun mayores se tienen que instalar lmeas paralelas. Esto conlleva elevados costes de inversion y perdidas adicionales de la eficacia de la transmision de calor.
Los STHEs utilizados hasta ahora presentan ademas, a causa de su tipo de construccion, una flexibilidad menor en cuanto a las variaciones de temperatura en el arranque y frenado de la central electrica o en la carga y descarga del acumulador de calor, lo que da lugar a un tiempo de reaccion mas largo en el caso de oscilaciones de carga y, como consecuencia, a dificultades en la adaptacion a las necesidades de red de corriente electrica.
Por el documento DE 10 2010 009 485 A1 se conoce un dispositivo para la generacion de vapor de agua recalentado por medio de energfa solar. El dispositivo comprende un circuito portador de calor y un circuito de agua/vapor de agua. Como portador de calor se puede emplear una masa de sal fundida. Los tubos de agua se colocan en un deposito a presion en forma de meandro y paralelos entre sf y se agrupan en haces de tubos. El medio portador de calor fluye a traves de un deposito a presion pasando al lado de los tubos de agua dispuestos transversalmente respecto al mismo. Como consecuencia se produce un intercambio de calor entre el portador de calor y el agua/vapor de agua.
El documento DE 10 2010 009 485 muestra un procedimiento segun el preambulo de la reivindicacion 1.
El documento NL 8 201 857 A se refiere a un dispositivo para la acumulacion de calor. Este comprende un deposito 1 que se llena de sal, cuyo punto de fusion oscila entre los 50 °C y 80 °C. Por un conducto 5 se conduce un medio que aporta calor y por el conducto 7 un medio que absorbe calor. Por el conducto 5 se conduce en primer lugar el medio que aporta calor y que funde la sal en el deposito 1. A continuacion se conduce por el conducto 7 el medio que absorbe el calor de fusion cedido, con lo que la sal vuelve a cristalizarse. Para mejorar la transmision de calor se dispone en el interior del deposito un material fino como una gasa metalica.
Por el documento ES 2 355 911 se conoce un horno para la fusion de sales inorganicas. El horno comprende un deposito con una entrada para sales inorganicas, una salida para la sal fundida en el horno y un numero de tubos termocambiadores por los que se conducen los gases de combustion de temperaturas elevadas, por lo que las sales inorganicas se calientan en el deposito y se funden. Los tubos presentan una seccion en forma de espiral. En una variante de realizacion, los tubos se disponen a alturas diferentes que establecen los distintos niveles de calentamiento para el calentamiento del deposito.
El documento EP 1 975 537 A2 se refiere tambien a un procedimiento y a un dispositivo para la fusion de sales cristalinas.
El objetivo de la presente invencion es el de proponer un procedimiento del tipo inicialmente mencionado que permita salvar los inconvenientes del estado de la tecnica, especialmente en lo que se refiere a los STHEs empleados hasta ahora.
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Esta tarea se resuelve con un procedimiento segun la reivindicacion 1. Las reivindicaciones dependientes 2 a 6 se refieren a variantes de realizacion preferidas.
Se proporciona, por lo tanto, un procedimiento para el intercambio termico indirecto entre una masa de sal fundida como primer portador de calor y al menos un segundo portador de calor, por ejemplo aceite termico o agua o vapor de agua. De acuerdo con la invencion, para el intercambio de calor la sal fundida y el segundo portador de calor se introducen en al menos un intercambiador termico enrollado y se conducen por el mismo, presentando el intercambiador termico enrollado una pluralidad de tubos enrollados en varias capas en un tubo de nucleo central que limita una zona de recubrimiento alrededor de los tubos, conduciendose la sal fundida a traves de esta zona de recubrimiento del intercambiador enrollado y siendo la temperatura de la sal fundida del orden de entre 250 °C y 600 °C, aproximadamente, mientras que el segundo portador de calor u otros portadores de calor son sal fundida, agua, vapor, amoniaco, dioxido de carbono supercntico o aceite termico y el segundo portador de calor u otros portadores de calor se conduce o conducen a traves de los tubos del intercambiador termico enrollado.
Los intercambiadores termico enrollados, los asf llamados CWHEs (derivado del termino ingles Coil-Wound Heat Exchangers) son tipos especiales de intercambiadores termicos que se emplean en la actualidad en diversos procesos a escala industrial como, por ejemplo, en el lavado con metanol, la licuacion de gas natural o en la produccion de etileno. Un intercambiador termico enrollado presenta una pluralidad de tubos enrollados en varias capas alrededor de un tubo de nucleo central. Los tubos estan rodeados por un recubrimiento que limita un espacio exterior alrededor de los tubos, denominado de aqu en adelante como zona de recubrimiento. Por otra parte, los tubos se juntan en la mayona de los casos en uno o varios haces en fondos perforados previstos en los extremos del intercambiador termico y se unen por medio de empalmes de tubo al recubrimiento del intercambiador termico. Por lo tanto, los tubos del intercambiador termico se pueden cargar con una unica corriente de intercambiador termico (corriente unica) o a varias corrientes separadas del portador de calor (corrientes multiples). Por la zona de recubrimiento del intercambiador termico se puede conducir un portador de calor del lado del recubrimiento que intercambia el calor con una o varias corrientes de portador de calor del lado de los tubos.
Frente a los STHEs los CWHEs poseen una mayor proporcion entre la superficie de intercambio termico y el volumen, por lo que son mas compactos. Ademas resultan mas solidos y flexibles en su funcionamiento. Gracias al control favorable del flujo a velocidades de flujo elevadas y a los consiguientes coeficientes elevados de transmision de calor, los CWHEs tambien son apropiados para aplicaciones en las que los portadores de calor que intercambian el calor presentan pequenas diferencias de temperatura. Con los CWHEs se pueden conseguir grandes diferencias entre la temperatura de entrada y la temperatura de salida del respectivo portador de calor. Otra ventaja de los CWHEs consiste en que se pueden configurar de modo autodescargador, tanto por el lado del recubrimiento, como por el lado de los tubos. Esto es importante para la aplicacion con sal fundida, dado que la sal solidificado dentro del intercambiador termico no se puede volver a fundir. Los CWHEs son ademas insensibles a los fuertes cambios de temperatura que se producen a diario en las centrales de energfa solar que emplean masas de sal fundida.
De acuerdo con la invencion, la sal fundida se conduce por la zona de recubrimiento del intercambiador termico enrollado. La temperatura de la sal fundida es del orden de entre 250 °C a 600 °C, aproximadamente, con preferencia de entre 250 °C a 400 °C, aproximadamente, y con especial preferencia, en aplicaciones a temperaturas elevadas, de entre 550 °C a 600 °C, aproximadamente.
El segundo u otro portador de calor, segun la invencion otra masa de sal fundida, agua, vapor de agua, amoniaco, dioxido de carbono supercntico o aceite termico, se conduce o se conducen por los tubos del intercambiador termico enrollado. Del lado de los tubos existe por lo tanto la posibilidad de conducir, en caso de intercambiadores termicos enrollados de corrientes multiples, varios portadores de calor distintos entre sf a traves de los tubos del intercambiador termico.
En algunas aplicaciones puede ser necesario emplear, para la transmision de una cantidad de calor definida entre la sal fundida y el segundo portador de calor, varios intercambiadores termicos enrollados dispuestos de forma paralela.
Una variante preferida del procedimiento segun la invencion preve que toda la cantidad de calor a transmitir entre los dos portadores de calor se intercambie a traves de no mas de dos CWHEs. En un CWHE se han de realizar preferiblemente varios pasos de transmision de calor como, por ejemplo, calentamiento y/o evaporacion y/o recalentamiento de un portador de calor, por ejemplo agua o vapor.
Una variante de realizacion especialmente preferida del procedimiento segun la invencion preve que toda la cantidad de calor a transmitir entre los dos potadores de calor se intercambie a traves de exactamente un CWHE. Con preferencia, el calentamiento, la evaporacion y el recalentamiento del portador de calor, por ejemplo agua o vapor, se han de realizar en exactamente un CWHE.
El procedimiento segun la invencion se puede emplear de manera especialmente ventajosas en centrales de energfa solar, dado que, como consecuencia de la sencillez mecanica de los CWHEs, el acumulador de una central de energfa termica se puede disenar de manera considerablemente mas compacta que la que es posible segun el estado de la tecnica, lo que permite una notable reduccion de los costes de inversion.
En las centrales de energfa solar tambien pueden surgir aplicaciones en las que los portadores de calor o medios de trabajo, que no son sal fundida, pueden intercambiar calor entre sf, por ejemplo aceite termico y agua/vapor.
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Tambien en este caso se pueden emplear ventajosamente intercambiadores termicos enrollados para la transmision de calor entre los portadores de calor que no son sal fundida. Sin embargo, estas aplicaciones no constituyen formas de realizacion de la presente invencion.
A continuacion la invencion se describe mas detalladamente a la vista de ejemplos de realizacion. Las figuras muestran:
Figura 1 una representacion esquematica de dos procedimientos para el intercambio termico indirecto entre una masa de sal fundida como primer portador de calor y un segundo portador de calor con ayuda de un intercambiador termico enrollado en una central de energfa solar;
Figura 2 el intercambiador termico enrollado de la figura 1 en una vista en perspectiva y parcialmente seccionada. Primer ejemplo:
El recorrido del primer portador de calor del primer ejemplo se indica en las figuras 1 y 2 con lmeas continuas. Del deposito de almacenamiento 1 se extrae, como primer portador de calor, sal fundida 2 a una temperatura de unos 300 °C que se aporta a traves de un conducto 4 a un intercambiador termico enrollado 5 mostrado en la figura 2 en una vista en perspectiva.
El intercambiador termico enrollado 5 mostrado en la figura 2 presenta un recubrimiento 6 que rodea a una zona de recubrimiento 7 dentro del intercambiador termico 5. En el interior de la zona de recubrimiento 7 se encuentra una pluralidad de tubos 8 enrollados en varias capas alrededor de un tubo de nucleo central 9. El intercambiador termico 5 representado en la figura 2 presenta tres haces 10 de tubos en los que los fluidos se pueden cargar respectivamente a traves de empalme de tubo 11 o 21. En todo caso, para la presente aplicacion basta con un modelo de corriente unica con un unico haz 10 de tubos. Los respectivamente tres haces 10, empalme de tubo 11 o 21 existentes han de considerarse como sustituidos respectivamente por un haz 10, un empalme de tubo 11 en el extremo inferior del intercambiador termico 5 y un de tubo 21 en el extremo superior del intercambiador termico. Por consiguiente se parte en la siguiente descripcion de un modelo de corriente unica.
A traves de un empalme de tubo 16 previsto por el extremo inferior del intercambiador termico se introduce, por el conducto 4, la sal fundida 2 en la zona de recubrimiento 7 del intercambiador termico 5. Por el extremo superior del intercambiador termico 5 se introduce, como segundo portador de calor 15, aceite termico a una temperatura de unos 400 °C, a traves del empalme de tubo 21, en los tubos 8 del intercambiador termico enrollado 5. El aceite termico caliente 15 que fluye por los tubos 8 entra en intercambio termico indirecto con la sal fundida 2 que fluye en la zona de recubrimiento 7 y que se calienta. La sal fundida 2 calentada sale de la zona de recubrimiento 7 del intercambiador termico 5 a una temperatura de unos 400 °C a traves de un empalme de tubo 14 situado por el extremo superior del intercambiador termico 5 y se introduce a traves de un conducto 17 en un segundo deposito de almacenamiento 20, tal como muestra la figura 1. La sal fundida calentada 2 se puede extraer del deposito de almacenamiento 20 para su posterior utilizacion. El aceite termico 15 enfriado a unos 300 °C sale del intercambiador termico 5 por el extremo inferior del mismo a traves del empalme de tubo 11.
Segundo ejemplo:
El recorrido de los portadores de calor del segundo ejemplo se indica en las figuras 1 y 2 con lmeas discontinuas. La sal fundida 2' se transporta con ayuda de una bomba 3 desde el deposito de almacenamiento 1, a traves del conducto 4', hasta el intercambiador termico 5. Por el extremo superior del intercambiador termico 5 la sal fundida 2' se introduce, a traves del empalme de tubo 14, en la zona de recubrimiento 7 del intercambiador termico 5 a una temperatura del orden de entre 250 °C a 600 °C, con preferencia de entre 250 °C a 400 °C y con especial preferencia, en aplicaciones a temperaturas elevadas, de entre 550 °C a 600 °C. La sal fundida 2' intercambia el calor indirectamente con el agua 15' introducida por el extremo inferior del intercambiador termico 5 en los tubos 8 a traves del empalme de tubo 11. Al pasar por los tubos 8 el agua 15' se calienta, se evapora y finalmente se recalienta antes de abonar el intercambiador termico enrollado 5 como vapor de agua recalentado 15'' a traves del empalme de tubo 21 y ser aportada a una turbina de vapor no representada. La sal fundida 2' enfriada en el intercambiador termico 5 sale de la zona de recubrimiento 7 del intercambiador termico 5 a traves del empalme de tubo 16 y llega por el conducto 17' al deposito de almacenamiento 20. Desde allf la sal fundida 2' se puede volver a calentar mediante la aportacion directa o indirecta de energfa solar para utilizarla de nuevo para el intercambio termico en el intercambiador termico 5.

Claims (6)

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    REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento para el intercambio termico indirecto entre una masa de sal fundida (2, 2') como primer portador de calor y al menos un segundo portador de calor (15, 15'), caracterizado por que la sal fundida (2, 2') y el segundo portador de calor (15, 15') se introducen en un intercambiador termico enrollado (5) y se conducen por el mismo, presentando el intercambiador termico una pluralidad de tubos (8) enrollados en varias capas en un tubo de nucleo central (9) que estan rodeados por un recubrimiento (6) que limita una zona de recubrimiento (7) alrededor de los tubos (8), conduciendose la sal fundida (2, 2') a traves de esta zona de recubrimiento (7) del intercambiador enrollado (5) y siendo la temperatura de la sal fundida del orden de entre 250 °C y 600 °C, aproximadamente, mientras que el segundo portador de calor (15, 15') u otros portadores de calor son sal fundida, agua, vapor, amoniaco, dioxido de carbono supercntico o aceite termico y el segundo portador de calor u otros portadores de calor se conduce o conducen a traves de los tubos (8) del intercambiador termico enrollado (5).
  2. 2. Procedimiento segun la reivindicacion 1, caracterizado por que la temperatura de la sal fundida es del orden de entre 250 °C a 400 °C, aproximadamente, o del orden de entre 550 °C a 600 °C, aproximadamente,
  3. 3. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que toda la cantidad de calor transmitida entre la sal fundida (2, 2') y el segundo portador de calor (15, 15') se intercambia en varios intercambiadores termicos enrollados dispuestos paralelamente entre st
  4. 4. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que toda la cantidad de calor a transmitir entre la sal fundida (2, 2') y el segundo portador de calor (15, 15') se intercambia a traves de no mas de dos intercambiadores termicos enrollados (5).
  5. 5. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1, 2 o 4, caracterizado por que toda la cantidad de calor a transmitir entre la sal fundida (2, 2') y el segundo portador de calor (15, 15') se intercambia a traves de exactamente un intercambiador termico enrollado (5).
  6. 6. Empleo de un procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores en una central de energfa solar.
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