ES2885829T3 - Intercambiador de calor para un generador de vapor de sal fundida en una planta de energía solar concentrada (III) - Google Patents

Abstract

Un intercambiador (1) de calor que comprende: una primera sección recta (9), una segunda sección recta (10) y una sección doblada o codo (32) que enlaza la primera sección recta y la segunda sección recta, comprendiendo cada sección recta (9, 10) una parte de una carcasa (4) cilíndrica externa; un haz de tubos (2) doblados en U paralelos que tienen cada uno una primera y una segunda parte recta ubicada respectivamente en dicha primera sección recta (9) y segunda sección recta (10) del intercambiador y una parte doblada a 180° ubicada en dicha sección doblada o codo (32) del intercambiador, de manera que, durante el uso, un primer fluido a calentarse y vaporizarse fluye en los tubos (2), estando provista dicha carcasa (4) cilíndrica externa respectivamente en un extremo con una entrada (6) y en otro extremo con una salida (7) para un segundo fluido que es un fluido térmico caliente; y deflectores (8) configurados para guiar el segundo fluido, en donde el haz de tubos (2) doblados en U paralelos se conecta a través de una conexión a un primer extremo y a un segundo extremo; caracterizado por que cada sección recta (9, 10) comprende además una parte de una carcasa (3) cilíndrica interna, cooperando dicha carcasa (4) cilíndrica externa y dicha carcasa (3) cilíndrica interna para formar un espacio (5) interior de la carcasa que encierra el haz de tubos (2) doblados en U paralelos, de manera que, durante el uso, dicho segundo fluido fluye según una trayectoria de flujo anular dentro del espacio (5) interior de la carcasa y se enfría mediante el intercambio de calor con el primer fluido que fluye en los tubos (2); y en donde el primer extremo comprende una primera cubierta (16) protectora hemisférica para distribuir el primer fluido a los tubos (2) de la primera sección recta (9), y el segundo extremo comprende una segunda cubierta (16) protectora hemisférica para recoger el primer fluido en forma de líquido, vapor o una mezcla de líquido/vapor desde los tubos (2) de la segunda sección recta (10), encerrando dicho espacio (5) interior de la carcasa los deflectores (8), estando hecha cada una de dichas conexiones de una lámina (11, 12) de tubos que se diseña para soportar la diferencia entre la segunda baja presión de fluido dentro de dicho espacio (5) interior de la carcasa y la primera alta presión de fluido dentro de la respectiva cubierta (16) protectora, en donde la lámina de tubos comprende una placa circular (12) que tiene un orificio circular central y en donde la lámina de tubos comprende además una carcasa hemisférica (11) ubicada sobre dicho orificio y conectada herméticamente a dicha placa circular (12), para hacer una separación física entre el primer fluido y el segundo fluido.

Description

DESCRIPCIÓN

Intercambiador de calor para un generador de vapor de sal fundida en una planta de energía solar concentrada (III)

Campo de la invención

La presente invención se refiere al campo de los intercambiadores de calor, en particular intercambiadores de calor tales como evaporadores, sobrecalentadores, recalentadores y economizadores destinados para su uso en generadores de vapor de fluido térmico, tales como Molten Salt Steam Generators (Generadores de vapor de sal fundida - MSSG) de plantas de Concentrated Solar Power (Energía solar concentrada - CSP).

Técnica anterior

Se sabe que las plantas de torre de CSP comprenden, de forma general, uno o más receptores solares situados en el vértice de una torre central. Estos receptores solares se calientan mediante rayos solares incidentes concentrados, y generan un fluido caliente que se utilizará posteriormente para producir vapor de alta presión capaz de impulsar una turbina y producir electricidad.

Más específicamente, la planta de torre de CSP tiene, como componentes principales, concretamente, al menos un campo solar heliostático, un receptor solar instalado en la parte superior de la torre, un generador de vapor, una turbina de vapor y un sistema de almacenamiento. En la tecnología de sal fundida, la sal fundida se calienta de forma típica a 565 0C en el receptor solar y se almacena en el tanque caliente de almacenamiento. Cuando se requiere una producción de electricidad, la sal caliente fluye desde el tanque caliente al Molten Salt Steam Generator (Generador de vapor de sal fundida - MSSG) para generar vapor que se inyectará a la turbina de vapor.

La FIG. 1 muestra esquemáticamente los componentes del denominado tren de intercambiadores de calor para MSSG. La sal fundida caliente fluye desde una entrada 100, a través de un recalentador 101 (o un precalentador con o sin un recalentador) y un sobrecalentador 104, para entrar en un evaporador 102. A continuación, la sal caliente fluye desde la salida del evaporador 102 al economizador 103 y después a la salida 105.

Los denominados intercambiadores de calor de “tubos y carcasa” se refieren, en la técnica anterior, a una clase de diseños de intercambiadores de calor adecuados para aplicaciones con presiones más altas. Este tipo de intercambiador de calor consiste en un recipiente de presión grande denominado “carcasa” que tiene un conjunto de tubos, denominado “ haz” , en su interior. Un primer fluido pasa a través de los tubos mientras que un segundo fluido fluye dentro de la carcasa sobre los tubos, teniendo el primer y el segundo fluido temperaturas distintas, con el objetivo de transferir calor del segundo fluido al primer fluido o viceversa.

Hay muchas variaciones en el diseño de la carcasa y los tubos. Como ejemplo, la FIG. 2 ilustra esquemáticamente un intercambiador de calor de tubos rectos (lado de tubo de dos pasos). Los extremos de cada tubo 21 están conectados a compartimentos o cámaras 29 de agua a través de orificios pasantes provistos en placas de separación denominadas “placas de tubos” 27. Los tubos 21 pueden ser rectos, como se representa en la FIG. 2, o doblados en “ U” (tubos en U).

Para proporcionar un intercambio de calor mejorado entre los dos fluidos, el recorrido de flujo del segundo fluido se determina con frecuencia mediante deflectores 28 intermedios que forman pasos respectivos, de modo que el segundo flujo de fluido cambia su dirección al pasar de un paso al siguiente. Los deflectores están habitualmente en forma de segmentos circulares parciales o anillos y discos anulares, instalados perpendiculares al eje longitudinal de la carcasa 22 para proporcionar un flujo en zigzag del segundo fluido.

Una alternativa de la técnica anterior del diseño mencionado anteriormente, ilustrada en la FIG. 3, es el intercambiador de calor en horquilla horizontal. El intercambiador 1 de calor en horquilla tiene dos carcasas 22 que contienen la parte recta de los tubos en U. La cabeza de la horquilla contiene la parte doblada en U a 180° de los tubos. Las ventajas de este diseño en horquilla son:

- no se necesita un sistema de dilatación colectivo, dado que la dilatación térmica es gestionada de forma natural por el diseño de la horquilla;

- mayor facilidad de drenaje y ventilación del intercambiador debido a los tubos rectos y a la posición horizontal del intercambiador.

Ya se conocen distintos conceptos de generador de vapor. Un resumen de estos conceptos diferentes se presenta en el informe de Sandia 93-7084 “ Investigation of thermal storage and steam generator issues, Bechtel Corporation” , en el que se enumeran las ventajas y los inconvenientes de los generadores de vapor existentes.

Para mejorar la eficacia de la transferencia de calor en los intercambiadores de calor, se sabe desde la década de 1920 que los deflectores montados en la carcasa pueden tener una forma específica prevista para guiar el fluido en un recorrido helicoidal. Además, con un deflector helicoidal continuo, la velocidad de transferencia de calor aumenta aproximadamente 10 % en comparación con la de los deflectores segmentados convencionales para la misma caída de presión en el lado de la carcasa (J. Heat Transfer [2007], Vol. 129[10], 1425-1431). Este diseño permite reducir las corrientes de fuga que se producen en los deflectores segmentados y además aumenta en gran medida el coeficiente de transferencia de calor (J. Heat Transfer [2010], Vol. 132[10], 101801). También se evitan la zona estancada y la estratificación del flujo (según los cálculos), lo que permite un drenaje completo y disminuir la propensión a la acumulación de suciedad (menor resistencia a la acumulación y menor área de transferencia de calor).

El documento WO 2009/148822 describe deflectores montados en la carcasa para guiar el fluido con un patrón de flujo helicoidal, con distintos ángulos helicoidales cuando el deflector está próximo a la entrada y la salida, respectivamente. Los documentos US-2.384.714, US-2.693.942, US-3.400.758, US-4.493.368 y WO 2005/019758 describen, cada uno de ellos, distintos tipos de deflectores, pero con el mismo fin de proporcionar un patrón de flujo helicoidal del fluido. El documento US-1.782.409 describe un deflector helicoidal continuo.

El documento GB-2 020 793 A describe un intercambiador de calor de contraflujo, en particular, un generador de vapor, que tiene dos placas de tubo fijas, una placa de tubo superior y una placa de tubo inferior, dispuestas una frente a la otra en una relación paralela y coaxial y que tienen diferentes diámetros medios de las áreas perforadas, un nido de tubos que se extiende entre dichas placas de tubo superior e inferior, conectándose los tubos a las placas de tubos y distribuyéndose sustancialmente en una disposición de simetría polar y que tienen en un extremo una parte doblada similar a un S, comprendiendo la parte rectilínea del nido de tubos sustancialmente la zona de intercambio térmico que está encerrada con una distribución sustancialmente uniforme dentro de un espacio interior anular definido entre una camisa interior y una cubierta exterior unida a las placas de tubos. Durante el uso, un fluido de calentamiento tal como sodio líquido pasa a través del espacio anular para calentar el fluido que fluye en los tubos.

El documento WO 2008/095248 A1 describe un intercambiador de calor en forma de un calentador de barril que comprende una carcasa cilíndrica que contiene al menos un tubo ubicado en la misma y que se extiende a lo largo de la misma. La carcasa cilíndrica y el al menos un tubo se fijan a placas de extremo con reborde ubicadas en cada extremo de dicho intercambiador de calor. Cada una de las placas de extremo con reborde está dispuesta para conectarse con un conector con reborde para comunicación fluida con dicho al menos un tubo. La carcasa está provista de al menos dos restricciones externas separadas entre sí, para restringir el intercambiador de calor en un marco de soporte. El intercambiador de calor está provisto además de una pluralidad de restricciones internas, separadas entre sí, para ubicar y restringir el al menos un tubo con relación a la carcasa.

El documento US-5.261.485 A describe un aparato para distribuir una lechada que comprende una primera sección que tiene una forma de cúpula o cono y una pluralidad de pasajes, y una segunda sección plana ubicada debajo de la primera sección y que tiene una pluralidad de pasajes.

Las soluciones actuales no son satisfactorias; por ejemplo, en términos de flexibilidad de gradiente térmico, eficacia (caída de presión, coeficiente de transferencia de calor), capacidad de descarga, circulación natural, ausencia de corrosión y fugas, etc., y los generadores de vapor y/o los intercambiadores de calor individuales de los mismos recientemente diseñados deben cumplir requisitos técnicos tales como:

- eficiencia térmica mejorada mediante la reducción de fugas internas y corrientes de desvío;

- caída de presión mejorada mediante la reducción de obstáculos locales de la corriente;

- capacidad de subida mejorada;

- fiabilidad mejorada;

- comportamiento mejorado de acumulación de suciedad, entre otros.

Además, el arranque rápido usualmente conduce a fugas, en particular, en la conexión entre los tubos y la lámina de tubo.

Objetivos de la invención

La presente invención pretende superar los inconvenientes de los intercambiadores de calor de la técnica anterior previstos para generadores de vapor.

En particular, la invención tiene como objetivo obtener un intercambiador de calor de tamaño reducido que presente alta flexibilidad en términos de gradiente térmico, así como una mayor eficiencia gracias al flujo hidrodinámico de sal optimizado que lleve a una menor caída de presión, menos fugas internas (derivación), mejor coeficiente de transferencia de calor, menor tendencia a la acumulación de suciedad, sal fundida fácilmente drenable, circulación natural (es decir, sin bomba de circulación), mayor tiempo de vida y coste competitivo.

Resumen de la invención

La presente invención se refiere a un intercambiador de calor que comprende:

una primera sección recta, una segunda sección recta y una sección doblada o codo que enlaza la primera sección recta y la segunda sección recta, comprendiendo cada sección recta una parte de una carcasa cilíndrica externa;

un haz de tubos doblados en U paralelos, que tienen cada uno una primera y una segunda parte recta ubicada respectivamente en la primera sección recta y la segunda sección recta del intercambiador y una parte doblada a 180° ubicada en dicha sección doblada o en el codo del intercambiador, de manera que, durante el uso, un primer fluido a calentarse y vaporizarse fluye en los tubos, estando provista dicha carcasa cilíndrica externa respectivamente en un extremo con una entrada y en otro extremo con una salida para un segundo fluido que es un fluido térmico caliente; y

deflectores configurados para guiar el segundo fluido, en donde el haz de tubos doblados en U paralelos se conecta a través de una conexión a un primer extremo y a un segundo extremo; caracterizado por que cada sección recta comprende además una parte de una carcasa cilíndrica interna, cooperando dicha carcasa cilíndrica externa y dicha carcasa cilíndrica interna para formar un espacio interior de la carcasa que encierra el haz de tubos doblados en U paralelos, de manera que, durante el uso, dicho segundo fluido fluye según una trayectoria de flujo anular dentro del espacio interior de la carcasa y se enfría mediante el intercambio de calor con el primer fluido que fluye dentro de los tubos; y

en donde el primer extremo comprende una primera cubierta protectora hemisférica para distribuir el primer fluido a los tubos de la primera sección recta, y el segundo extremo comprende una segunda cubierta protectora hemisférica para recoger el primer fluido en forma de líquido, vapor o una mezcla de líquido/vapor desde los tubos de la segunda sección recta, encerrando dicho espacio interior de la carcasa los deflectores, haciéndose cada una de dichas conexiones de una lámina de tubo que se diseña para soportar la diferencia entre la segunda baja presión de fluido dentro de dicho espacio interior de la carcasa y la primera alta presión de fluido dentro de la cubierta protectora respectiva, en donde la lámina de tubo comprende además una placa circular que tiene un orificio circular central y en donde la lámina de tubo comprende además una carcasa hemisférica ubicada sobre dicho orificio y conectada herméticamente a dicha placa circular, para hacer una separación física entre el primer fluido y el segundo fluido.

Según realizaciones preferidas de la invención, el intercambiador de calor en horquilla también comprende una de las siguientes características o una combinación adecuada de las mismas:

- el espesor de la placa circular es mayor que el espesor recomendado por el estándar ASME para soportar la misma diferencia de presión;

- la interfaz entre la cubierta protectora y la placa circular de la lámina de tubo es esencialmente plana y la carcasa hemisférica está orientada hacia el interior del intercambiador de calor y ubicada dentro de la carcasa cilíndrica interna;

- el espesor de la carcasa hemisférica está comprendido entre 20 % y 40 % del espesor de la placa de lámina de tubo;

- dicha primera sección recta y dicha segunda sección recta consisten en recintos separados unidos por dicho codo, para formar una carcasa del intercambiador de calor en horquilla;

- dicha primera sección recta, dicha segunda sección recta y dicha sección doblada o codo consisten en un solo recinto o carcasa que encierra el haz de tubos en U paralelos y en donde la primera cubierta protectora hemisférica y la segunda cubierta protectora hemisférica coinciden;

- el intercambiador de calor es horizontal y el flujo del segundo fluido con respecto al flujo del primer fluido en su interior es a favor de corriente o contracorriente;

- el primer fluido es un fluido que comprende agua de alimentación o dióxido de carbono supercrítico;

- el segundo fluido es una sal fundida o una mezcla de sales fundidas, un aceite térmico o sodio líquido;

- los deflectores tienen forma de deflector helicoidal continuo;

- los deflectores se montan, preferiblemente se sueldan o se atornillan, a la carcasa cilíndrica interna;

- se proporciona un medio de sellado entre la carcasa externa y los deflectores;

- el intercambiador de calor está provisto de una camisa de distribución para alimentar de modo uniforme el segundo fluido procedente de la entrada de fluido térmico al intercambiador de calor;

- la camisa de distribución tiene una pluralidad de aberturas distribuidas en 360° sobre una cara interna de la misma, alimentando preferiblemente dichas aberturas el segundo fluido a una primera vuelta del deflector helicoidal. Un segundo aspecto de la invención se refiere a un evaporador hecho de un intercambiador de calor como se ha descrito anteriormente.

Un tercer aspecto de la invención se refiere a un sobrecalentador hecho de un intercambiador de calor como se ha descrito anteriormente.

Un cuarto aspecto de la invención se refiere a un recalentador y/o a un economizador y/o a un precalentador hecho de un intercambiador de calor como se ha descrito anteriormente.

Un quinto aspecto de la invención se refiere a un molten salt steam generator (generador de vapor de sal fundida - MSSG) que comprende al menos un tren de intercambiador de calor fabricado de un evaporador, un sobrecalentador, un recalentador y/o un economizador y/o un precalentador como se ha descrito anteriormente. De forma ventajosa, el sobrecalentador, el recalentador y/o el economizador y/o el precalentador están a contracorriente, mientras que el evaporador está a favor de la corriente.

También dentro del ámbito de la presente invención, el generador de vapor de sal fundida es un generador de vapor de paso único o de circulación forzada.

Breve descripción de los dibujos

La FIG. 1 representa esquemáticamente los componentes de un tren de intercambiadores de calor típico para un generador de vapor de sal fundida.

La FIG. 2 representa esquemáticamente una realización para un intercambiador de calor de tubo recto de “tubos y carcasa” según la técnica anterior.

La FIG. 3 representa una vista en perspectiva de un generador en horquilla horizontal de la técnica anterior.

Las FIG. 4A y 4B muestran respectivamente una vista en planta y una vista en elevación de una primera realización preferida de un intercambiador de calor según la presente invención.

Las FIG. 5A y 5B muestran respectivamente vistas en sección transversal correspondientes del intercambiador de calor según la realización de la FIG. 4.

Las FIG. 6A y 6B muestran respectivamente vistas que corresponden a la FIG. 5 pero con un sistema de soporte del intercambiador de calor.

La FIG. 7 es una vista detallada en sección transversal longitudinal de un extremo del intercambiador según la invención, centrada en la lámina de tubos particular.

Las FIG. 8A y 8B muestran respectivamente una vista en perspectiva y una vista en sección transversal de la lámina de tubos particular mencionada anteriormente.

La FIG. 9 es una vista en corte tridimensional para una segunda realización de la presente invención que muestra un evaporador con un diseño de tubo en U.

Las FIG. 10A y 10B muestran datos de simulación de termografía respectivos para una lámina de tubos según la técnica anterior (A) y la lámina de tubos particular de la presente invención (B).

Descripción de las realizaciones preferidas de la invención

Una primera realización preferida de la presente invención se refiere a un nuevo diseño para un intercambiador 1 de calor en horquilla horizontal como se representa en las FIG. 4 a 9.

El intercambiador de calor tiene un flujo alternante entre dos fluidos. Un primer fluido, de forma general una mezcla de agua y vapor de agua, circula a través de un primer haz de secciones 2 de tubos rectos horizontales paralelos situado en la primera parte recta de la horquilla y, además, a través de un segundo haz de secciones 2 de tubos rectos horizontales paralelos situado en la segunda parte recta de la horquilla. Los tubos 2 del primer haz están conectados a los tubos 2 del segundo haz mediante secciones de tubo dobladas 180° situadas en la cabeza de la horquilla o codo 32, formando de este modo secciones de tubo dobladas en U.

Un ejemplo de un primer fluido alternativo útil en la presente invención es el dióxido de carbono supercrítico.

Según esta realización, el haz de tubos 2 en cada parte recta está situado entre una carcasa 3 cilíndrica interna y una carcasa 4 cilíndrica externa, como se ilustra en la FIG. 5 y la FIG. 6.

El espacio interno 5 delimitado por las dos carcasas 3, 4 permite mantener una fuente de calor, preferiblemente, un segundo fluido, dentro de un recorrido de flujo anular. Este segundo fluido es un fluido térmico, por ejemplo, sal o sales fundidas que han sido calentadas por los receptores solares en el vértice de una planta de torre de CSP. El fluido térmico, al tener su flujo en contacto con el haz o haces de tubos 2, transferirá calor al primer fluido que fluye paralelo que circula a través de los tubos 2. El primer fluido y el segundo fluido pueden estar a favor de corriente o a contracorriente, sin abandonar el ámbito de la presente invención. De forma similar, la fuente de calor o el segundo fluido pueden ser cualquier fluido térmico, tal como agua, aceite térmico, sodio líquido, lecho fluidificado, etc.

Como se ilustra en la FIG. 4, una primera camisa 30 de distribución se proporciona en un extremo del intercambiador 1 de calor con una boquilla 6 de entrada, respectivamente una boquilla 6 de salida, a través de la cual el fluido térmico entra o respectivamente sale del intercambiador 1 de calor. De forma similar, se proporciona una boquilla 7 de salida, respectivamente una boquilla 7 de entrada, en una segunda camisa 30 de distribución en otro extremo del intercambiador 1 de calor para descargar el fluido térmico enfriado, que admite respectivamente el fluido caliente.

De forma ventajosa, el fluido térmico se distribuye de modo uniforme sobre la carcasa a 360° (entrada, circulación, temperatura del fluido) gracias a dicha camisa 30 de distribución situada en la boquilla de entrada del intercambiador de calor.

Para mejorar la eficacia de la transferencia de calor, como se muestra en la FIG. 5 y la FIG. 6, se proporciona el espacio 5 en las partes rectas del intercambiador en horquilla con un deflector 8 helicoidal continuo cerrado que permite guiar el flujo del fluido térmico. A continuación, el fluido térmico fluye de forma helicoidal en el intercambiador de calor, que es, por ejemplo, un evaporador que funciona por circulación natural, entre la carcasa interna y la externa, según un recorrido de flujo anular. La configuración del deflector helicoidal continuo asegura un flujo moderado del segundo fluido, evitando así cualquier cambio brusco de dirección o zonas muertas, como en los intercambiadores que tienen deflectores perpendiculares al flujo. De este modo, la velocidad de transferencia de calor aumenta mucho y la caída de presión se reduce considerablemente en comparación con la de los intercambiadores con deflectores de segmentos convencionales (véase anteriormente).

Según una realización, la carcasa 3 cilíndrica interior y los deflectores 8 pueden estar soldados o atornillados juntos. Además, puede proporcionarse un medio de sellado entre la carcasa externa 4 y los deflectores 8 para evitar corrientes parásitas.

De forma ventajosa, los deflectores helicoidales se diseñan mediante el uso de una solución innovadora (dispositivo de sellado y fabricación, no mostrado) para tener el espacio más pequeño posible entre los deflectores y los tubos. Esto permite suprimir, o al menos reducir fuertemente, la derivación entre los deflectores y a través de los tubos.

Aún según la invención, como se muestra en la FIG. 7, en cada extremo externo de la parte recta del intercambiador en horquilla, el haz anular de tubos 2 rectos paralelos se conecta, a través de una lámina 11, 12 de tubos particular, a una cubierta 16 protectora (hemi)esférica que contiene el fluido de alta presión (vapor/vapor de agua). La lámina 11,12 de tubos específica tiene las siguientes características:

- la propia placa 12 de lámina de tubos está vacía en su centro, mecanizándose un orificio en la misma y que corresponde a la prolongación de la parte recta del intercambiador de calor que carece de tubos 2;

- la separación física hermética entre la zona 13 de baja presión de sal fundida en la parte recta del intercambiador de calor y la zona 15 de cubierta protectora de agua de alta presión/vapor (ver marco rectangular) se fija mediante una cabeza 11 de superficie esférica soldada o conectada herméticamente a la placa 12 de lámina de tubos por encima de dicho orificio;

- la placa 12 de lámina de tubos es más gruesa de lo que usualmente se diseña en la técnica anterior, que es según la recomendación del código ASME (para la American Society of Mechanical Engineers - Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos).

Según las características anteriores, los componentes del intercambiador de calor cooperan de manera que el intercambiador de calor funciona de la siguiente manera:

- la cubierta 16 protectora esférica distribuye el primer fluido (tal como agua/vapor) hacia la lámina 12 de tubos; la forma esférica de la cubierta protectora permite diseñar una cubierta protectora que es más delgada; - la lámina 12 de tubos distribuye el primer fluido hacia, respectivamente desde, los haces 2 de tubos en la entrada, respectivamente la salida del intercambiador de calor;

- el flujo descendente de sal anular (del segundo fluido) se mejora por los deflectores 8 helicoidales continuos de la configuración de carcasa y tubo y el diseño 14 de tubos en U permite manejar la expansión térmica diferencial de los tubos.

Como en la configuración de carcasa y tubos clásica, el primer fluido, normalmente agua, se encuentra a una presión elevada en receptáculos o cámaras cuasiesféricos. En el otro lado de la placa de tubos, la sal que fluye alrededor de los haces de tubos se mantiene a presión mucho más baja, lo que requiere placas de tubos muy gruesas para resistir la diferencia de presión.

Es un efecto inesperado o ventaja de la invención proponer una lámina de tubos que sea aún más gruesa que la prescrita en la técnica anterior. El sobredimensionado de la placa 12 de lámina de tubos ayuda a reducir el esfuerzo de flexión de esta y reduce el desprendimiento. Además, el mecanizado específico de la lámina de tubos y/o la cubierta protectora permite reducir la cantidad de metal inútil.

Ejemplo

La presente invención es flexible y prevista para aplicarse a una serie de diseños de intercambiadores de calor utilizados en tecnología de MSSG, tales como dispositivos recalentadores, sobrecalentadores, economizadores, precalentadores y evaporadores, en donde todos los componentes comunes se fabrican según el diseño genérico del intercambiador de calor de la invención.

Como se ha mencionado anteriormente (FIG. 1), una sal fundida caliente con temperatura decreciente fluye por ejemplo, primero en paralela a través de un recalentador y un sobrecalentador para recombinarse y entrar en el evaporador y posteriormente en el precalentador/economizador en serie.

En realizaciones actuales, la sal fundida en caliente que entra en el sistema a alta temperatura, por ejemplo, 563 °C (y ciertamente por debajo de 650 0C, que es la temperatura de degradación para las sales fundidas usuales) fluye en paralelo a través del sobrecalentador y el recalentador, se combina y pasa en serie a través del evaporador y el precalentador. La sal fría deja el precalentador a una temperatura de forma típica en el intervalo de 290 °C-300 0C, preferiblemente a aproximadamente 293 0C, o por encima de una temperatura mínima que es la temperatura de solidificación del fluido de transferencia de calor (tan baja como 90 0C para sales fundidas tales como las derivadas de sodio). De forma alternativa puede utilizarse cualquier fluido térmico, p. ej., aceite térmico, en lugar de sal fundida con un intervalo de temperaturas de funcionamiento que en este caso van, por ejemplo, de 80 0C (temperatura de condensación y/o cristalización) a 380 0C (ejemplo de temperatura de degradación).

Además, está dentro del ámbito de la presente invención que el fluido térmico pueda tener una temperatura de hasta 700 0C. Todas las piezas metálicas están hechas de forma ventajosa de acero inoxidable o metales nobles que pueden soportar temperaturas de hasta 600 0C y superiores.

Más específicamente, según una realización, la sal fundida procedente del recalentador y sobrecalentador ingresa al evaporador a través de la boquilla de entrada, después fluye helicoidalmente en el evaporador en una vía de circulación natural en el espacio anular ubicado entre un tubo interno y una cubierta externa, como se ha descrito anteriormente. El agua saturada fluye desde el tambor de vapor (esférico u horizontal) del evaporador a través de los bajantes (no mostrados) y desde la cubierta protectora hemisférica hasta los tubos en U dentro del intercambiador de calor para la generación de vapor. En este diseño, el agua a alta presión fluye en tubos que no están en contacto con las carcasas. Preferiblemente, todos los intercambiadores de calor son horizontales.

Aunque el diseño del intercambiador según la presente invención se optimiza para una circulación natural, también podría utilizarse en uno o más generadores de vapor de paso único o de circulación forzada.

Según una realización alternativa de la invención que se muestra en la FIG. 9, las secciones de tubos rectos del primer haz de tubos y del segundo haz de tubos forman un solo haz de tubos en U ubicado en un único recinto o carcasa (no formando una carcasa en horquilla), estando el codo 32 de los tubos 2 en U en un lado del intercambiador y estando la entrada/salida del único haz de tubos en U ubicada en el otro lado conectada a una cubierta 16 protectora esférica a través de una lámina 11, 12 de tubos según la invención.

La presente invención proporciona de forma ventajosa flexibilidad particularmente alta en términos de gradiente térmico gracias a las siguientes características:

- la lámina de tubos está vacía en su centro para evitar cualquier gradiente térmico perjudicial dentro de la lámina de tubos; mejora el comportamiento térmico de este componente durante el arranque para que la vida útil de este componente sea más larga (véase la FIG. 10B donde el gradiente térmico en la lámina de tubos es más bajo para la presente invención en comparación con la técnica anterior en la FIG. 10A);

- puede preverse un mecanizado específico entre la lámina 12 de tubos y la tubería interna 3 para evitar la tensión pico y para mejorar la vida útil de este último componente;

- también puede preverse un mecanizado específico entre la lámina 12 de tubos y la cubierta 16 protectora esférica (ausencia de rebordes);

- se ha seleccionado una cubierta 16 protectora esférica como cabezal o parte de extremo para evitar cualquier área fría durante el arranque de la instalación;

- el agua a alta presión fluye en los tubos o tuberías 2 que no están en el lado 4 de la carcasa, lo que permite un menor espesor de los mismos y, por consiguiente, una mayor capacidad de gradiente térmico;

- los deflectores rectos tradicionales se reemplazan por deflectores 8 helicoidales que implican que la sal fluya helicoidalmente mientras el agua se restringe para fluir en los tubos 2;

- los deflectores 8 helicoidales continuos permiten un cambio uniforme en la dirección del flujo. En un AP equivalente, los deflectores 8 helicoidales continuos aseguran una mayor velocidad de flujo, una superficie de intercambio mayor y un diseño más pequeño del intercambiador de calor en comparación con los deflectores convencionales. Además, el riesgo de incrustación es menor, ya que no hay zona muerta con tal diseño de deflector. Además, según la presente invención, la conexión particular de los tubos a la lámina de tubos, tal como IBW (internal bore welding - soldadura de orificio interno) conocida como tal en la técnica, puede proporcionar una solución libre de corrosión y libre de fugas (sin riesgo de corrosión por grietas, sin riesgo de fugas o de relajación).

Lista de símbolos de referencia

1 Intercambiador de calor en horquilla

2 Tubo recto (sección)

3 Carcasa cilíndrica interna

4 Carcasa cilíndrica externa

5 Espacio entre carcasas

6 Entrada de fluido térmico

7 Salida de fluido térmico

8 Deflector helicoidal

9 Primera sección recta

10 Segunda sección recta

11 Cabeza esférica de la lámina de tubos

12 Lámina de tubos gruesa

13 Segundo fluido a baja presión (sal fundida)

14 Tubo doblado en U

15 Fluido a alta presión (agua/vapor)

16 Cubierta protectora (entrada o salida)

17 Paso de tubos

18 Cierre frontal

19 Cierre trasero

Soporte

Tubo recto

Carcasa

Entrada de fluido en el lado de la carcasa Entrada de fluido en el lado del tubo Salida de fluido en el lado del tubo

Salida de fluido en el lado de la carcasa Lámina de tubos

Deflector derecho

Caja o cámara o cubierta protectora de agua Camisa de distribución

Codo

Placa de separación

Entrada de sal fundida del MSSG Recalentador del MSSG

Evaporador del MSSG

Economizador del MSSG Sobrecalentador del MSSG

Salida de sal fundida del MSSG

Claims (20)

REIVINDICACIONES

1. Un intercambiador (1) de calor que comprende:

una primera sección recta (9), una segunda sección recta (10) y una sección doblada o codo (32) que enlaza la primera sección recta y la segunda sección recta, comprendiendo cada sección recta (9, 10) una parte de una carcasa (4) cilíndrica externa;

un haz de tubos (2) doblados en U paralelos que tienen cada uno una primera y una segunda parte recta ubicada respectivamente en dicha primera sección recta (9) y segunda sección recta (10) del intercambiador y una parte doblada a 180° ubicada en dicha sección doblada o codo (32) del intercambiador, de manera que, durante el uso, un primer fluido a calentarse y vaporizarse fluye en los tubos (2), estando provista dicha carcasa (4) cilíndrica externa respectivamente en un extremo con una entrada (6) y en otro extremo con una salida (7) para un segundo fluido que es un fluido térmico caliente; y

deflectores (8) configurados para guiar el segundo fluido, en donde el haz de tubos (2) doblados en U paralelos se conecta a través de una conexión a un primer extremo y a un segundo extremo; caracterizado por que cada sección recta (9, 10) comprende además una parte de una carcasa (3) cilíndrica interna, cooperando dicha carcasa (4) cilíndrica externa y dicha carcasa (3) cilíndrica interna para formar un espacio (5) interior de la carcasa que encierra el haz de tubos (2) doblados en U paralelos, de manera que, durante el uso, dicho segundo fluido fluye según una trayectoria de flujo anular dentro del espacio (5) interior de la carcasa y se enfría mediante el intercambio de calor con el primer fluido que fluye en los tubos (2); y

en donde el primer extremo comprende una primera cubierta (16) protectora hemisférica para distribuir el primer fluido a los tubos (2) de la primera sección recta (9), y el segundo extremo comprende una segunda cubierta (16) protectora hemisférica para recoger el primer fluido en forma de líquido, vapor o una mezcla de líquido/vapor desde los tubos (2) de la segunda sección recta (10),

encerrando dicho espacio (5) interior de la carcasa los deflectores (8), estando hecha cada una de dichas conexiones de una lámina (11, 12) de tubos que se diseña para soportar la diferencia entre la segunda baja presión de fluido dentro de dicho espacio (5) interior de la carcasa y la primera alta presión de fluido dentro de la respectiva cubierta (16) protectora, en donde la lámina de tubos comprende una placa circular (12) que tiene un orificio circular central y en donde la lámina de tubos comprende además una carcasa hemisférica (11) ubicada sobre dicho orificio y conectada herméticamente a dicha placa circular (12), para hacer una separación física entre el primer fluido y el segundo fluido.

2. El intercambiador (1) de calor según la reivindicación 1, en donde el espesor de la placa circular (12) es mayor que el espesor recomendado por el estándar ASME para resistir la misma diferencia de presión.

3. El intercambiador (1) de calor según la reivindicación 1, en donde la interfaz entre la cubierta (16) protectora y la placa (12) circular de lámina de tubos es esencialmente plana y en donde la cubierta hemisférica (11) está orientada hacia el interior del intercambiador (1) de calor y ubicada dentro de la carcasa (3) cilíndrica interna.

4. El intercambiador (1) de calor según la reivindicación 1, en donde el espesor de la carcasa hemisférica (11) está comprendido entre 20 % y 40 % del espesor de la placa (12) de lámina de tubos.

5. El intercambiador (1) de calor según la reivindicación 1, en donde dicha primera sección recta (9) y dicha segunda sección recta (10) consisten en recintos separados unidos por dicho codo (32), para formar una carcasa del intercambiador de calor en horquilla.

6. El intercambiador (1) de calor según la reivindicación 1, en donde dicha primera sección recta (9), dicha segunda sección recta (10) y dicha sección doblada o codo (32) consisten en un único recinto o carcasa que encierra el haz de tubos (2) en U paralelos y en donde la primera cubierta (16) protectora hemisférica y la segunda cubierta (16) protectora hemisférica coinciden.

7. El intercambiador (1) de calor según la reivindicación 1, en donde es horizontal y el flujo del segundo fluido en su interior con respecto al flujo del primer fluido es a favor de la corriente o a contracorriente.

8. El intercambiador (1) de calor según la reivindicación 1, en donde dicho primer fluido es un fluido que comprende agua de alimentación o dióxido de carbono supercrítico.

9. El intercambiador (1) de calor según la reivindicación 1, en donde dicho segundo fluido es una sal fundida o una mezcla de sales fundidas, un aceite térmico o sodio líquido.

10. El intercambiador (1) de calor según la reivindicación 1, en donde los deflectores (8) tienen forma de un deflector helicoidal continuo.

11. El intercambiador (1) de calor según la reivindicación 1, en donde los deflectores (8) se montan, preferiblemente soldados o atornillados, a la carcasa (3) cilíndrica interna.

12. El intercambiador de calor según la reivindicación 1, en donde se proporciona unos medios de sellado entre la carcasa externa (4) y los deflectores (8).

13. El intercambiador de calor según la reivindicación 1, en donde está equipado con una camisa (30) de distribución para alimentar uniformemente el segundo fluido desde la entrada (6, 7) de fluido térmico al intercambiador de calor.

14. El intercambiador de calor según la reivindicación 13, en donde la camisa (30) de distribución tiene una pluralidad de aberturas distribuidas a 360° sobre una cara interna de la misma, alimentando dichas aberturas preferiblemente el segundo fluido a una primera vuelta del deflector helicoidal (8).

15. Un evaporador hecho de un intercambiador de calor según la reivindicación 1.

16. Un sobrecalentador hecho de un intercambiador de calor según la reivindicación 1.

17. Un recalentador o un economizador y/o un precalentador hechos de un intercambiador de calor según la reivindicación 1.

18. Un molten salt steam generator (generador de vapor de sal fundida - MSSG) que comprende al menos un tren de intercambiador de calor hecho de un evaporador según la reivindicación 15, un sobrecalentador según la reivindicación 16, y un recalentador y/o economizador y/o precalentador según la reivindicación 17.

19. Un generador de vapor de sal fundida según la reivindicación 18, en donde el sobrecalentador, el recalentador y/o el economizador y/o el precalentador funcionan a contracorriente, mientras que el evaporador funciona a favor de la corriente.

20. Un generador de vapor de sal fundida según la reivindicación 18, en donde es un generador de vapor de circulación forzada o de un paso.