EVAPORADOR Y PROCESO DE EVAPORACION PARA GENERAR VAPOR SATURADO
Campo de la Invención Esta invención se relaciona en general con generadores de vapor y más en particular con un evaporador para un generador de vapor y con un proceso de evaporación. Antecedentes de la Invención La mayoría del equipo para la generación de energía eléctrica depende del vapor, y de igual manera lo hace una variedad de procesos industriales. En cualquiera de los casos, los gases calientes, en muchos casos generados por combustión, pasan a través de un generador el cual convierte agua en vapor recalentado. Las típicas instalaciones de estos son los generadores de vapor con recuperación de calor (HRSG, por sus siglas en inglés) los cuales se usan para extraer calor de los gases calientes descargados por las turbinas de gas que impulsan los generadores eléctricos . El calor extraído produce vapor que pasa a una turbina de vapor que acciona otro generador eléctrico. El típico generador de vapor, además de un conducto a través del cual pasan los gases calientes, en su forma más básica, incluye tres componentes adicionales principalmente, un recalentador, un evaporador, y un economizador o calentador de alimentación de agua dispuestos
Ref. :156221 en este orden con respecto al flujo de los gases en el ducto. El agua fluye en dirección opuesta, esto es a través del economizador donde se calienta, pero permanece en líquido, después a través del evaporador donde se convierte en vapor saturado, y después a través del recalentador donde el vapor saturado se vuelve vapor recalentado. Los evaporadores vienen en dos configuraciones básicas -el tipo de circulación y el tipo de paso único - cada uno con sus propias ventajas y desventajas. Ambos tienen una disposición de tubos con el conducto a través del cual pasan los gases calientes. En el tipo de circulación, los tubos residen en un circuito con un colector del vapor que está por arriba de los tubos. El colector contiene agua que fluye desde el colector, a través de un conducto de tubo descendente, y después dentro de los tubos donde algo de esta se convierte en vapor, pero el vapor existe como burbujas dentro del agua, y se regresa a través de un tubo ascendente dentro del colector de vapor. Aquí el vapor, que está saturado, se separa del agua líquida y pasa al recalentador. Esta se reemplaza por agua de alimentación que se suministra al colector. Los tubos de un evaporador de circulación permanecen mojados todo el tiempo -es decir, existe agua líquida contra sus superficies interiores todo el tiempo - y esto promueve una buena transferencia de calor. Además, las impurezas, tal como las sales disueltas, se concentran en el agua dentro del colector y el resto del circuito de circulación, dejando que el vapor saturado se descargue en gran parte libre de estas impurezas. Un pequeño flujo de agua, conocido como purga, se extrae del colector para controlar la acumulación de impurezas. La mayoría de los evaporadores de circulación dependen totalmente de la variación en la densidad entre el agua en el conducto de tubo descendente y la mezcla de agua-vapor en los tubos para hacer circular el agua en el evaporador, aunque algunos tienen una bomba de ayuda. Además, un evaporador de circulación contiene una reserva de agua almacenada. Así, la falla de una bomba no afecta inmediatamente la operación del evaporador y lo vuelve vulnerable al recalentamiento. También, los evaporadores de circulación operan muy bien sobre un amplio intervalo de condiciones de carga. Finalmente, los evaporadores de circulación predominan, y como una consecuencia los operadores de calderas están familiarizados con su operación.
Pero los evaporadores de circulación tienen sus detracciones. Sin embargo, la mayor de estas es el gasto atribuible a los colectores de vapor, grandes conductos de tubos descendentes y los cabezales para el suministro de agua y sus tubos. Además, las reservas de agua contenidas en estos requieren tiempo para acercarse a la temperatura de ebullición, así se extiende el tiempo de puesta en marcha para un evaporador de circulación.
Los evaporadores de un solo paso no requieren conductos de tubos descendentes o colectores, así la única agua almacenada en estos reside en los mismos tubos. Esto permite que un evaporador de un solo paso sea llevado a las condiciones de operación más rápidamente que en un evaporador de circulación natural. Sin embargo, un evaporador de un solo paso debe convertir completamente el agua en vapor, así que solo descarga vapor saturado y fluye al recalentador. No debe salir agua líquida del evaporador. Como una consecuencia, regiones de los tubos se secan, es decir, sus interiores no están mojados por el agua líquida. La transferencia de calor disminuye en estas regiones, aun aunque las regiones operen a temperaturas en exceso de regiones mojadas. Algunas manufacturas de evaporadores de un solo paso recurren a metales de alta aleación para permitir que los tubos resistan mejor las elevadas temperaturas. Mientras, un evaporador de circulación descarga vapor que esta en gran medida libre de impurezas, un evaporador de un solo paso descargará vapor que contienen todas las impurezas presentes en la alimentación de agua que se bombean dentro de este. Por lo tanto, la alimentación de agua necesita tratarse para eliminar todas las impurezas que sean posibles. Así, los evaporadores de circulación y de un paso, cada uno tiene ventajas y desventajas.
Breve Descripción de la Invención La presente invención reside en un evaporador que posee muchas de las ventajas de ambos, un evaporador de circulación y un evaporador de un solo paso, pero con pocas desventajas. Para este fin, este incluye tubos primarios colocados en un flujo de gases calientes, tubos secundarios también colocados en el flujo, y un recipiente conectado con ambos tubos primarios y secundarios tal que recibe agua de los tubos primarios y tal que el agua del recipiente circula a través de los tubos secundarios y regresan al recipiente . La invención también reside en el proceso comprendido en la operación del evaporador. Breve Deacripción de las Figuras La Figura 1 es una vista seccional esquemática de un generador de vapor equipado con un evaporador construido de conformidad con y que comprende la presente invención; y La Figura 2 es una vista esquemática del evaporador. Descripción Detallada de la Invención Refiriéndose ahora a las figuras, un generador de vapor A (Fig. 1) incluye básicamente un conducto 2 que tiene un extremo de entrada 4 y un extremo de descarga 6. El extremo de entrada 4 está conectado con una fuente de gases calientes, tal como una turbina de gas o un incinerador, y estos gases fluyen a través del conducto 2, que salen en el extremo de descarga 6. Además, el generador de vapor A incluye un recalentador 12, un evaporador 14, y un calentador de la alimentación de agua o economizador 16 dispuestos en el conducto 2 en este orden desde el extremo de entrada 4 al extremo de salida 6. Así, los gases calientes fluyen a través del recalentador 12, después a través del evaporador 14, y finalmente, a través del economizador 16. El agua fluye en dirección opuesta. Más específicamente, el economizador 16 está conectado a una bomba de alimentación de agua 18 que suministra la alimentación de agua como un líquido al economizador 16. Este extrae calor de los gases calientes y transfiere este calor al agua líquida que fluye a través de este, por medio de esto se eleva la temperatura del agua. Saliendo del economizador 16, el agua líquida después fluye al evaporador 14 la cual pasa a través de este. El evaporador 14 eleva la temperatura del agua líquida aun más alta - desde luego, lo suficientemente alta para convertir un poco de esta en vapor saturado. El vapor saturado fluye dentro del recalentador 12 que eleva su temperatura, transformándolo en vapor recalentado que puede usarse para accionar una turbina o en algunos procesos industriales o aun para calentar un edificio. El recalentador 12 y el economizador 16 son básicamente agrupaciones de tubos. El evaporador 14 es más complejo. El evaporador 14, en una medida, representa una combinación de un evaporador de un solo paso y un evaporador de circulación natural. Como tal este incluye (Fig. 2) una sección de un solo paso 22 y una sección de circulación natural 24. El agua caliente del economizador 16, la cual está en fase líquida, se introduce en la sección de un solo paso 22 en una línea de alimentación 26 y en las dos secciones 22 y 24 se transforma en vapor saturado que se descarga de la sección de circulación natural 24 en una línea de descarga 28 la cual lo suministra al recalentador 12. Considerando primero la sección de un solo paso 22, esta incluye (Fig. 2) tubos 34 que están situados dentro del conducto 2, a fin de que los gases calientes pasen sobre estos. También incluye una línea de conexión 36 que lleva a la sección de circulación natural 24. El economizador 16 suministra agua tibia a los tubos 34 de la sección de un solo paso 22 donde un poco de agua se convierte en vapor saturado en los tubos 34. El flujo es tal que la calidad de salida del vapor permanece baja y los interiores de los tubos 34 permanecen mojados en su totalidad, y este flujo se controla por medio de la bomba de alimentación de agua 18. Así, el agua líquida, aunque puede contener burbujas de vapor saturado, existe en los interiores de los tubos 34. En contraste con un evaporador de un solo paso, los tubos 34 de la sección de un solo paso 22 no poseen paredes secas. Desde luego, la disposición es tal para asegurar que los tubos 34 permanezcan mojados todo el tiempo, y también para asegurar que la calidad del vapor en la línea de conexión 36 con intervalo entre 20% y 90% y preferentemente entre 40% y 60%. La "calidad" significa la fracción en peso de la mezcla de agua y vapor que actualmente es vapor. Así, un flujo con calidad de vapor del 40% contiene 40% de vapor en peso y 60% de agua líquida en peso. La sección de circulación natural 24 incluye (Fig. 2) un colector de vapor 42, el cual es un recipiente localizado fuera y en la parte superior del conducto 2, y los tubos 44 que están colocados en el conducto 2. Además, la sección de circulación natural 24 tiene un conducto de tubo descendente 46 el cual se conduce descendentemente desde el colector 42, fuera del conducto 2 , y en su extremo inferior se abre en un cabezal de distribución 48 que se extiende a través del conducto 2 donde los extremos inferiores de los tubos 44 están conectados a este. También, la sección de circulación natural 24 tiene un cabezal de colección 50 en donde los extremos superiores de los tubos 44 se abren dentro del conducto 2 y los tubos ascendentes 52 que se guían desde el cabezal de colección 50 hacia el colector 42. Finalmente, el colector 42 tiene una línea de purga 54 conectada con este. El colector de vapor 42, el conducto de tubo descendente 46, los dos cabezales 48 y 50, así como también los tubos 44 entre estos y los tubos ascendentes 52, todos contienen agua líquida, y esta agua viene de la sección de un solo paso 22. Para este fin, la línea de conexión 36 de los tubos 34 de la sección de un solo paso 22 se abre dentro del colector 42. La sección de un solo paso 22 suministra suficiente agua líquida al colector 42 para mantener el colector 42 parcialmente lleno con agua líquida todo el tiempo. La línea de conexión 36 se abre dentro del colector 42, por debajo del nivel de agua en el colector 42 al igual que los cabezales 52. El conducto de tubo descendente 46 y la línea de purga 54 salen del colector 42 debajo del nivel de agua en el colector 42. Los tubos 34 y 44 de las dos secciones 22 y 24, respectivamente, pueden estar organizados juntos en el conducto 2, o con los tubos 34 delante de los tubos 34, o con los tubos 44 delante de los tubos 34. Se prefiere lo último.
En la operación del generador de vapor A, la bomba de alimentación de agua 18 suministra la alimentación de agua relativamente fría al economizador 16, a través del cual pasa, y se calienta mientras lo hace. La alimentación de agua caliente fluye dentro de la sección de un paso 22 del evaporador 14 donde al menos 20% de este y preferentemente 50% se convierte en vapor saturado y el resto permanece como agua la cual circula a través de la sección de circulación natural 24 para convertirse en más vapor saturado. El vapor producido en las dos secciones 22 y 24 abandonan el evaporador 14 a través de la línea de descarga 28 que se dirige dentro del recalentador 12. Dentro del recalentador 12 el vapor saturado del evaporador 14 se vuelve vapor recalentado.
Considerando la operación del evaporador 14 más completamente, la bomba de alimentación de agua 18 fuerza al agua dentro de los tubos 34 de la sección de un solo paso 22, y los tubos 34, siendo calentados por los gases calientes en el conducto 2, transfiriendo calor al agua. Los tubos 34 operan a una temperatura un poco por arriba del punto de ebullición del agua, así algo de agua en los tubos 34 se transforma en vapor saturado - poro no toda. En efecto, el flujo a través de los tubos 34 sigue siendo mayor para producir un vapor con calidad entre 20% y 90% preferentemente entre 40% y 60%. Ya que la calidad está por debajo del 100% los interiores de los tubos 34 permanecen totalmente mojados. El vapor que se produce en los tubos 34 toma la forma de burbujas arrastradas en el agua líquida. El agua fluye fuera de los tubos 34 y dentro de la línea de conexión 36 que la dirige dentro del colector de vapor 42 de la sección de circulación natural 24. La sección de circulación natural 24 así misma se llena con agua líquida, en efecto a un nivel que llena parcialmente el colector 42 que forma la parte más alta del evaporador 14. La línea de conexión 36 descarga el agua - y el vapor - de la sección de un solo paso 22 dentro del colector de vapor 42 por debajo del nivel del agua líquida en el colector 42. Una vez que entra al colector 42, el vapor arrastrado se descarga dentro de la porción superior del colector 42 y desde allí fluye fuera del colector 42 dentro de la línea de descarga 28. El agua líquida de la sección de un solo paso 22 se mezcla con el agua en el colector 42. Esto representa el único suministro de agua líquida del colector 42 y toda la sección de circulación natural 24. Las impurezas en el agua que entran al colector 42 desde la sección de un solo paso 22 permanecen en el agua en el colector 42. Como en un sistema de circulación de convección natural, pocas de las impurezas quedan en el vapor que se descarga. El agua que se suministra al colector 42 de la sección de circulación natural 24 representa la fuente de agua para esta sección 24. El agua líquida que se colecta en el colector 42 fluye fuera del colector 42 dentro del conducto de tubo descendente 46 y después dentro del cabezal de distribución 48 donde se distribuye a los tubos 44 en la sección 24. Los gases calientes en el conducto 2 fluyen a través de los tubos 44, calentándolos, y por consiguiente, los tubos 44 transfieren el calor que poseen los gases al agua dentro de los tubos 44. Un poco de agua hierve, pero no toda, así los interiores de los tubos 44 del mismo modo permanecen mojados en su totalidad, así, asegurando la eficiente transferencia de calor de los gases al agua. El vapor que se desarrolla como una consecuencia de la ebullición existente como burbujas en el agua que abandona los tubos 44. Esta agua, con el vapor arrastrado en esta, fluye fuera de los tubos 44 dentro del cabezal 50 y de allí dentro de los tubos ascendentes - 52 que la dirige de regreso dentro del colector de vapor 42. El vapor se descarga dentro de la porción superior del colector 42 y desde allí sale a través de la línea de descarga 28 en una condición saturada. Actualmente, el agua de la sección de un paso 22 y el agua suministrada desde los tubos ascendentes 52 de la sección de circulación se mezclan en el colector 42. El agua de ambas secciones 22 y 42 tiene vapor saturado arrastrado en esta, y este vapor se descarga dentro de la porción superior del colector 42 y fluye al recalentador 12 a través de la línea de descarga 28. Así, el agua que fluye descendentemente a través del conducto de tubo descendente 46 representa agua de las dos fuentes - es decir, de los tubos 34 de la sección de un solo paso a través de la sección 22 y desde los tubos 44 de la sección de circulación 24. De vez en cuando se saca agua líquida del colector 42 a través de la línea de purga 54, y esto limita la acumulación de impurezas en el agua que circula a través de la sección de circulación natural 24. Ya que la mayoría del vapor saturado que se produce por el evaporador 14 deriva de la sección de un solo paso 22, la sección de circulación natural 24, puede ser considerablemente menor que un simple evaporador de circulación por convección natural de capacidad equivalente al evaporador total 14. El tamaño más pequeño se traduce en un conducto de tubo descendente más pequeño 46 y cabezales más pequeños 48 y 50, y también pocos tubos 44. Esto también permite que la sección de circulación 24 alcance las condiciones de operación en menor tiempo, por esto se minimiza la puesta en marcha. Aun así, el evaporador 14 tiene agua almacenada que da una medida de protección contra el secado. Las condiciones de pared seca no existen en el evaporador 14, así el evaporador 14 no sufre las consecuencias de la transferencia de calor asociadas con estas condiciones. La sección de circulación 24 evita inherentemente las paredes secas en sus tubos 44, mientras el agua en exceso bombeada a través de los tubos 34 de la sección de un solo paso 22 evita las condiciones de pared seca en esta sección 22. No se requiere especial esfuerzo para la eliminación de impurezas del agua que entra al evaporador 14 en su línea de alimentación 26, ya que el colector 42 remueve inherentemente las impurezas y previene que fluyan fuera del evaporador 14 y dentro de la línea de descarga 28. En lugar de depender totalmente de las variaciones en la densidad para hacer circular agua a través de la sección 24, puede utilizarse una bomba. Así, la expresión "sección de circulación" significa una sección del evaporador que depende de la circulación natural o la circulación auxiliada por una bomba. También, el vapor producido en los tubos 34 de la sección de un solo paso 22 puede estar separado del agua líquida antes del colector de vapor 42, pero el agua líquida de la sección 22 debe fluir en el colector de vapor 42. En algunos generadores de vapor convencionales que utilizan los evaporadores de circulación natural, se ha sabido que los economizadores se recalientan y producen el vapor saturado. Pero la calidad del vapor producido por estos economizadores vaporizadores no alcanza la calidad del vapor producido por la sección de un solo paso 22 del evaporador 14, así el evaporador 14 difiere de la mayoría con respecto de un evaporador de circulación natural acoplado a un economizador vaporizador. Se hace constar que con relación a este fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.