ES2872323T3 - Condensador de vapor refrigerado por aire de tiro natural - Google Patents

Abstract

Aparato condensador refrigerado por aire, que comprende: - una carcasa tubular que presenta una circunferencia y un extremo superior abierto y un extremo inferior abierto para crear un tiro natural para un flujo de aire de refrigeración; - un anillo de pares de paneles de refrigeración dispuestos generalmente en vertical con los paneles de cada par inclinados entre sí y dispuestos en el extremo inferior de la carcasa, cada uno de los paneles comprendiendo haces de tubos de una sola fila; - un conducto dispuesto a nivel del suelo de la carcasa para suministrar vapor a los haces; - cada uno de los haces de tubos de una sola fila comprendiendo un extractor para el condensado situado en un cabezal inferior (46) de los paneles; caracterizado por que: - cada uno de los paneles comprende un haz de tubos de una sola fila con una región de condensador primario (34) y una región de condensador secundario (40), y adaptado para recibir un flujo de aire a través del mismo para condensar el vapor en los paneles; - el vapor que se va a condensar fluyendo a través de la región de condensador primario (34) y después a través de la región de condensador secundario (40), las regiones de condensador primario y secundario estando conectadas por el cabezal inferior (46); - la región de condensador secundario comprende un extractor para los productos incondensables y el vapor asociado situado en un cabezal superior (45) de la región de condensador secundario; - un sistema de extracción de incondensables controla la tasa local de la mezcla evacuada de productos incondensables y vapor asociado.

Description

DESCRIPCIÓN

Condensador de vapor refrigerado por aire de tiro natural

CAMPO DE LA INVENCIÓN

[0001] La invención se refiere en general al campo de los condensadores refrigerados por aire de vapor al vacío para centrales eléctricas y, más en concreto, se refiere a condensadores refrigerados por aire de tiro natural.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

[0002] Una gran cantidad de instalaciones industriales, tales como, por ejemplo, las centrales termoeléctricas, requieren condensación del vapor como parte integrante del ciclo de vapor cerrado. Tanto las torres de refrigeración de tipo húmedo como las de tipo seco han sido utilizadas con fines de condensación. Puesto que los sistemas de refrigeración húmeda consumen una cantidad considerable de agua de refrigeración, los sistemas de refrigeración seca han obtenido un aumento de la cuota de mercado gracias a su capacidad de ahorro de recursos hídricos. En concreto, los condensadores refrigerados por aire de tiro forzado secos que consisten en una multitud de intercambiadores de calor de tubos de aletas se conocen desde hace muchos años. A diferencia de las disposiciones de refrigeración húmeda, que se caracterizan por un circuito de agua de refrigeración secundario, estos sistemas se conocen como sistemas secos "directos", en los que el vapor se condensa directamente en los intercambiadores de calor de tubos de aletas mediante refrigeración por aire. Los intercambiadores de calor de tubos de aletas se montan con las líneas centrales de tubo dispuestas en una posición inclinada hacia la dirección vertical. Los haces se montan en una estructura de soporte que permite que el aire de refrigeración se transporte a través de los intercambiadores de calor de tubos de aletas por medio de ventiladores. El aire ambiente en contacto con los intercambiadores de calor de tubos de aletas condensa el vapor en el interior de los tubos de aletas que, a continuación, sale del intercambiador de calor como líquido subenfriado condensado. Si bien durante muchos años ha tenido éxito en el mercado, un inconveniente de los condensadores refrigerados por aire secos directos es la energía que se necesita para el funcionamiento de los ventiladores, así como el ruido de los ventiladores, que no es deseable en muchas situaciones. En la actualidad, se utilizan 2 tipos de refrigeración seca, los condensadores refrigerados por aire asistidos por ventiladores (ACC, por sus siglas en inglés) y las torres de refrigeración seca indirecta de tiro natural o asistidas por ventiladores.

[0003] Otro tipo de sistema es el llamado sistema de refrigeración seca «indirecta». En un sistema de este tipo, se proporciona un condensador de escape de turbina, donde el vapor de la turbina se condensa por medio de agua de refrigeración. El agua de refrigeración se transporta a través de un conducto de agua por medio de una bomba hasta una torre de refrigeración refrigerada por aire que puede ser de tipo húmedo o seco. En el caso de tipo seco, la torre de refrigeración consiste en una multitud de intercambiadores de calor refrigerados por aire en los que el calor se expulsa al aire ambiente mediante convección. La torre de refrigeración puede funcionar con asistencia de ventiladores o con tiro natural. El condensador de escape de turbina puede ser, por ejemplo, un condensador de superficie o de chorro. Debido a la presencia de un circuito de agua secundario, los sistemas de refrigeración seca indirecta no son tan eficaces, en términos térmicos, como los sistemas secos directos. Sin embargo, otro inconveniente de los sistemas de refrigeración seca indirecta de tiro natural es el mayor coste de inversión en comparación con el condensador refrigerado por aire de tiro forzado directo.

[0004] Los condensadores de vapor a vacío se caracterizan por el acceso de aire ambiente (gas inerte o gases incondensables). Si no se extrae por completo de los intercambiadores de calor, este aire reducirá la eficacia del intercambiador considerablemente porque los gases incondensables se acumularán y crearán «bolsas de aire» en los tubos de aletas. En consecuencia, el rendimiento eficaz de la superficie de intercambio térmico y del condensador se reducirá. Por consiguiente, los condensadores a vacío se proporcionan con un condensador secundario dispuesto en modo reflujo donde los gases inertes se extraen de los cabezales de intercambiador superiores de los haces de condensador secundario con medios de evacuación especiales. Para garantizar que todos los gases inertes se transportan hasta estos cabezales superiores de condensador secundario, los haces de tubos de condensador secundario siempre deben suministrarse de forma adecuada con aire de refrigeración. Debido a las fluctuaciones locales del aire ambiente provocadas por el viento u otros motivos, puede que los sistemas de refrigeración de tiro natural, en algunas ocasiones, no puedan mantener la refrigeración permanente de condensador secundario mientras algunas secciones de condensador primario todavía están refrigeradas. Esto conllevaría, además de una acumulación de gases inertes y una reducción del rendimiento, el aumento de la corrosión lateral de tubo, así como el peligro de que el lado de tubo se congele en condiciones de helada. Mientras no se garantice una evacuación adecuada de los haces de intercambiador de calor en todas las condiciones de funcionamiento, la combinación de refrigeración de condensación seca y de tiro natural, a pesar de haberse analizado desde hace tiempo, plantea una cantidad de riesgos incontable para el operador de dichos equipos. La solicitud de patente francesa publicada como FR2385066 da a conocer un aparato condensador refrigerado por aire según el preámbulo de la reivindicación independiente 1.

[0005] De lo anterior se desprende que, aunque los sistemas directos e indirectos presentes han demostrado ser ventajosos, se necesitan en la técnica otros tipos de condensadores de vapor refrigerados por aire que puedan en algunos casos reducir el ruido, el coste y/o el consumo de energía y, al mismo tiempo, mantener la seguridad operativa como antes.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

[0006] Algunos modos de realización de la invención proporcionan condensadores de vapor refrigerados por aire que pueden en algunos casos reducir el ruido, el coste y/o el consumo de energía. De conformidad con la invención, para contrarrestar la acumulación de aire en los intercambiadores de calor, las secciones de condensador primario y secundario se combinan en un haz de intercambiador de calor. Por lo tanto, las fluctuaciones locales de flujo de aire de refrigeración siempre afectan a la sección primaria y secundaria al mismo tiempo, para mantener localmente la evacuación total del aire.

[0007] Uno de los modos de realización de la presente invención es un aparato condensador refrigerado por aire, que comprende una carcasa tubular que presenta una circunferencia y un extremo superior abierto y un extremo inferior abierto para crear un tiro natural para un flujo de aire de refrigeración, un anillo de pares de paneles de refrigeración dispuestos generalmente en vertical con los paneles de cada par inclinados entre sí y dispuestos en el extremo inferior de la carcasa, un conducto dispuesto a nivel del suelo de la carcasa para suministrar vapor a los haces de tubos, cada uno de los haces de tubos de una sola fila comprendiendo un extractor para el condensado situado en un cabezal inferior de los paneles, caracterizado por que cada uno de los paneles comprende un haz de tubos de una sola fila con una región de condensador primario y una región de condensador secundario, y adaptado para recibir un flujo de aire a través del mismo para condensar el vapor en los paneles, el vapor que se va a condensar fluyendo a través de la región de condensador primario y después a través de la región de condensador secundario, las regiones de condensador primario y secundario estando conectadas por el cabezal inferior, la región de condensador secundario comprende un extractor para los productos incondensables y el vapor asociado situado en un cabezal superior de la región de condensador secundario, dispositivos de control de flujo de aire opcionales para adaptarse a las diferentes condiciones operativas y un sistema de extracción de incondensables controla la tasa local de la mezcla evacuada de productos incondensables y vapor asociado.

[0008] Otro modo de realización comprende además un sistema de refrigeración húmedo dispuesto en un interior de la carcasa o en una parte de la circunferencia de la carcasa.

[0009] Otro modo de realización comprende además una chimenea de gases de escape situada en un interior de la carcasa.

[0010] Otro modo de realización detalla que el anillo de pares de paneles de refrigeración comprende dos o más anillos de paneles apilados unos encima de otros.

[0011] Otro modo de realización detalla que la sección de condensador primario presenta una superficie de flujo de aire más grande que la de la sección de condensador secundario.

[0012] Otro modo de realización comprende además rejillas para bloquear selectivamente parte del flujo de aire a través de los paneles.

[0013] Por lo tanto, se han resumido, de forma más bien amplia, diversos modos de realización de la invención de modo que la descripción detallada de los mismos en el presente documento se comprenda mejor, así como para que la presente contribución a la técnica se entienda mejor. Naturalmente, hay modos de realización adicionales de la invención que se describirán a continuación y que constituirán el objeto de las reivindicaciones adjuntas al presente documento.

[0014] En este sentido, antes de explicar al menos un modo de realización de la invención en detalle, cabe observar que la invención no se limita en su aplicación a los detalles de construcción ni a las disposiciones de los componentes que se establecen en la siguiente descripción o que se ilustran en los dibujos. La invención puede aceptar otros modos de realización, además de los que se describen, y puede llevarse a cabo o plasmarse de diversas formas. Asimismo, cabe observar que la fraseología y la terminología empleada en el presente documento, así como en el resumen, se utilizan a modo descriptivo y no deben considerarse como limitativas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

[0015]

La figura 1 es una vista en perspectiva esquemática de una torre de refrigeración que tiene una carcasa y haces de intercambiador de calor periféricos según un modo de realización preferido de la presente invención.

La figura 2 es un diagrama esquemático del flujo a través de un haz de intercambiador de calor individual.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

[0016] Algunos de los modos de realización de la invención proporcionan condensadores de vapor refrigerados por aire que pueden en algunos casos reducir el ruido, el coste y/o el consumo de energía. A continuación, se describirán con detalle algunos modos de realización preferidos con referencia a las figuras de dibujos, en las que números de referencia iguales se refieren a las mismas partes a lo largo de toda la descripción.

[0017] Haciendo referencia primero a la figura 1, se proporciona un sistema condensador refrigerado por aire 10. El sistema comprende una carcasa tubular hueca vertical 12. La carcasa de la torre 12 puede ser hiperbólica o puede tener lados rectos o inclinados, y puede estar fabricada con hormigón armado, acero u otros materiales de construcción adecuados. La carcasa tiene una región superior abierta 14, así como una región de entrada de base 16. La región de entrada de base 16 está separada en vertical encima del nivel del terreno o del suelo.

[0018] Alrededor de la periferia de la región de entrada 16 se encuentra un anillo condensador 18. El anillo condensador 18 incluye un techo esencialmente horizontal 20, y bajo el techo 20 se proporciona un conjunto de haces de condensador de doble paso 22. Los haces de condensador 22 también se denominan en el presente documento haces de tubo, o paneles de tubo. Los paneles de tubo 22 están dispuestos en vertical fuera de la circunferencia de la carcasa de la torre 12 a nivel del suelo en una estructura de anillo. Los paneles 22 está inclinados entre sí para formar una pluralidad de deltas triangulares cuando se ven en una vista en planta. La configuración también puede considerarse como una configuración de tipo zigzag o plisada. La disposición triangular en delta ofrece el beneficio de aumentar la superficie frontal que se proporciona para una circunferencia dada, en comparación con la simple disposición de los paneles en una disposición aproximadamente circular. Dependiendo del tamaño de la torre de refrigeración, los paneles 22 pueden constar de más de un haz de tubos.

[0019] Aunque se muestra un único anillo generalmente circular de paneles inclinados en delta 22, en algunos modos de realización puede haber más de un anillo concéntrico situado en la base de la carcasa 12 bajo el techo 20. En unidades grandes con carcasas de torres de refrigeración altas, los deltas de intercambiador pueden disponerse en más de un anillo de haz unos encima de otros. Una torre puede dar servicio a más de una turbina de vapor, o viceversa.

[0020] Como también se muestra en la figura 1, en algunos modos de realización óptimos del aparato, una sección de refrigeración húmeda 50 puede disponerse en el interior de la carcasa 12 de manera que después de que el aire pase a través de los paneles de tubo 22, también pase a través de la sección de refrigeración húmeda 50. Además, aunque en la figura 1 se ilustra un anillo de paneles de tubo 22, en otros modos de realización pueden apilarse múltiples anillos de paneles 22 unos sobre otros en la base de la carcasa 12.

[0021] Se entenderá que a medida que el aire se introduce en los haces de tubos, como se indica con la flecha A en la figura 1, pasará a través de los haces condensando así el vapor, y el propio aire se calentará al pasar por debajo del techo 20 y entrar en el interior de la carcasa 12. De esta manera, el aire calentado tenderá a subir y, por lo tanto, saldrá por la abertura del extremo superior de la carcasa 14 por la flecha B. Esto puede denominarse un fenómeno de tiro natural. Debido al tiro natural, es posible omitir la necesidad de ventiladores y su complejidad y consumo de energía asociados. Para controlar la cantidad de flujo de aire, se proporcionan eventualmente rejillas (no mostradas) en algunos o todos los haces 22.

[0022] En algunos casos es deseable colocar los haces de tubos 22 lo más bajo posible en la instalación general para maximizar la altura de tiro para el tiro natural para una altura de torre dada. Además, el número relativamente grande de paneles 22 en comparación con la circunferencia de la base de la torre permite la provisión de cabezales de alimentación de vapor relativamente pequeños, en la parte superior de cada uno de los haces, utilizando colectores relativamente pequeños, lo que reduce la expansión en todo el sistema de colectores y cabezales, reduciendo de esta manera la necesidad de instalar juntas de dilatación.

[0023] Volviendo a la figura 2, se ilustra la disposición del flujo a través de un ejemplo de un único haz de tubos 22. En concreto, una turbina 30 proporciona un conducto de alimentación de vapor 32 a una sección de condensador de refrigeración primario 34. El vapor se condensa principalmente por el aire que pasa a través del panel 22. El flujo de vapor a través de la sección primaria 34 se muestra mediante las flechas 36. El vapor parcialmente condensado entra entonces en una estructura de condensador secundario 40. Allí, se completa el proceso de condensación de manera que se extrae un condensado 42 del cabezal inferior de haces 46, y también se extrae cualquier producto incondensable 44 del cabezal superior 45 del condensador secundario 40. Debido a esta disposición, se proporcionan funciones de condensador «primario» y «secundario», lo que mejora la eficacia, y además se proporciona una estructura de haces de tubos general 22 que imparte calor al aire ambiente haciéndolo más flotante. Adicionalmente, la carcasa 12 proporciona un tiro natural debido a la gran diferencia de densidad y presión entre el aire ambiente que rodea la carcasa 12 y el aire calentado después de pasar a través del anillo de condensador 18 que ocupa el espacio dentro de la carcasa 12, evitando de esta manera los costes energéticos y otras desventajas que se pueden asociar a los ventiladores. A continuación, se describirá con más detalle el funcionamiento de los componentes del condensador primario y secundario asociados a cada uno de los paneles 22.

[0024] Para superar el efecto de las tasas de flujo de aire de refrigeración desiguales, cada haz de intercambiador 22 comprende, como se ha analizado anteriormente, un paso primario 34 y un paso secundario 40. Esto tiene el efecto de que todos los tubos de dentro de un haz se enfrentan aproximadamente a la misma velocidad de aire debido a que el ancho de los haces individuales con un intervalo de máximo 2 m - 3 m es muy pequeño en comparación con las dimensiones de la torre. Por lo tanto, las variaciones del flujo de aire o de la temperatura de refrigeración a mayor escala no afectarán a la extracción local de gas inerte. Los parámetros de rendimiento, como la temperatura ambiente y la velocidad del aire, son los mismos para el paso de condensador primario y el secundario, de manera que la capacidad de extracción de vapor del secundario se mantiene en una base local. Esto reduce o elimina las posibles zonas de estancamiento en el paso primario.

[0025] Las variaciones de los parámetros operativos del lado del aire alrededor de la torre producen variaciones de presión de salida de los haces secundarios, de los que se extraen los productos incondensables. Para permitir que todos los cabezales de salida de los haces secundarios se evacuen en paralelo, por ejemplo, la tubería de evacuación puede estar equipada con elementos de restricción de flujo (medios pasivos) para mantener bajas las variaciones de velocidad del vapor incondensable más el restante. Otra opción es proporcionar varias válvulas automáticas controladas por la temperatura (medios activos) en la tubería de evacuación que se cierran cuando el vapor fluye a través de la tubería. De esta manera, no se formarán bolsas de aire locales que bloqueen la superficie de intercambio térmico. Cuando se reduce la temperatura de extracción, las válvulas vuelven a abrirse. Como alternativa adicional, estas válvulas también pueden controlarse directamente mediante medidores de temperatura. En condiciones extremas de viento, la mejor solución puede ser más de un sistema de evacuación.

[0026] Para evitar la mala distribución lateral del vapor y el desarrollo de zonas de estancamiento típicas de los sistemas de tubos con aletas de múltiples filas, los haces se diseñan con tubos de una sola fila. Esto tiene como consecuencia que la parte secundaria puede diseñarse más pequeña que la de las disposiciones de múltiples filas. Esto provoca un aumento del rendimiento total de la refrigeración, ya que los condensadores secundarios se caracterizan por un menor rendimiento que los condensadores primarios.

[0027] Para controlar la tasa de flujo de aire, los deltas de refrigeración pueden estar equipados con rejillas. Como alternativa, las rejillas por delta pueden dividirse en dos (o más) partes controlables separadas que cubran el rango superior e inferior de la superficie frontal delta. Si se necesita una reducción del rendimiento, parte de las rejillas, por ejemplo, el 50 %, puede cerrarse dejando operativo el porcentaje primario y secundario restante. Por lo tanto, se sigue manteniendo el rendimiento de evacuación completo del paso secundario. La superficie bloqueada por las rejillas se mantiene caliente mediante el vapor no condensado.

[0028] Para condiciones extremas de frío, al menos algunos haces se pueden diseñar como sistemas de reflujo puro con entrada de vapor solo por la parte inferior. Solo estos haces funcionarán en condiciones extremas de frío y baja carga de vapor, mientras que todos los haces de doble paso se desactivan mediante rejillas o, de forma alternativa, en el lado de vapor por medio de válvulas de vapor.

[0029] Los conductos principales de la salida de la turbina se disponen preferiblemente en el suelo. Esto reduce el coste del soporte de los conductos. Los tubos ascendentes que transportan el vapor a los haces de tubos individuales requieren solo un pequeño diámetro y ejercerán solo pequeñas fuerzas debido a las variaciones de temperatura. Por lo tanto, no se necesitan junta de dilatación.

[0030] La superficie central de la torre normalmente no tiene estructuras, dependiendo de la disposición de conductos preferida. Por lo tanto, se puede proporcionar una chimenea de gases de escape dentro de la carcasa de la torre si es necesario.

[0031] De forma alternativa, con un centro de carcasa sin estructuras, se puede disponer internamente un sistema de refrigeración húmedo paralelo 50 para aplicaciones de carga térmica máxima. El sistema de refrigeración húmedo expulsará el calor procedente de un condensador de superficie de escape de turbina paralelo o de una segunda unidad. De forma alternativa, parte de la circunferencia de la torre puede utilizarse como un refrigerador húmedo de flujo cruzado y la parte restante como condensador seco, como se ha descrito anteriormente. El tamaño de las secciones húmeda y seca puede diseñarse para la reducción del penacho.

[0032] En un modo de realización adicional de la invención, la entrada de aire está provista de un sistema de pulverización de agua para reducir la temperatura de refrigeración efectiva en condiciones de calor en verano.

[0033] En un modo de realización adicional de la invención, se pueden instalar paredes de guía de aire interna y externamente para reducir el efecto del flujo de aire desigual. Especialmente, se puede detener el cruce de viento fuerte a través de la base de la torre de un lado al otro mediante estructuras de bloqueo o guía dentro de la carcasa de la torre.

Claims (7)

REIVINDICACIONES

1. Aparato condensador refrigerado por aire, que comprende:

- una carcasa tubular que presenta una circunferencia y un extremo superior abierto y un extremo inferior abierto para crear un tiro natural para un flujo de aire de refrigeración;

- un anillo de pares de paneles de refrigeración dispuestos generalmente en vertical con los paneles de cada par inclinados entre sí y dispuestos en el extremo inferior de la carcasa, cada uno de los paneles comprendiendo haces de tubos de una sola fila;

- un conducto dispuesto a nivel del suelo de la carcasa para suministrar vapor a los haces;

- cada uno de los haces de tubos de una sola fila comprendiendo un extractor para el condensado situado en un cabezal inferior (46) de los paneles;

caracterizado por que:

- cada uno de los paneles comprende un haz de tubos de una sola fila con una región de condensador primario (34) y una región de condensador secundario (40), y adaptado para recibir un flujo de aire a través del mismo para condensar el vapor en los paneles;

- el vapor que se va a condensar fluyendo a través de la región de condensador primario (34) y después a través de la región de condensador secundario (40), las regiones de condensador primario y secundario estando conectadas por el cabezal inferior (46);

- la región de condensador secundario comprende un extractor para los productos incondensables y el vapor asociado situado en un cabezal superior (45) de la región de condensador secundario;

- un sistema de extracción de incondensables controla la tasa local de la mezcla evacuada de productos incondensables y vapor asociado.

2. Aparato de la reivindicación 1, que comprende además un sistema de refrigeración húmedo dispuesto en un interior de la carcasa.

3. Aparato de la reivindicación 1, que comprende además un sistema de refrigeración húmedo dispuesto en una parte de la circunferencia de la carcasa.

4. Aparato de la reivindicación 1, que comprende además una chimenea de gases de escape situada en un interior de la carcasa.

5. Aparato de la reivindicación 1, donde el anillo de pares de paneles de refrigeración comprende dos o más anillos de paneles apilados unos encima de otros.

6. Aparato de la reivindicación 1, donde la sección de condensador primario presenta una superficie de flujo de aire más grande que la de la sección de condensador secundario.

7. Aparato de la reivindicación 1, que comprende además rejillas para bloquear selectivamente parte del flujo de aire a través de los paneles.