MXPA05003380A - Evaporador de proceso directo para generador de vapor. - Google Patents

Abstract

La presente invencion se refiere a un generador de vapor (A) que tiene un evaporador de proceso directo (14) el cual convierte el agua liquida en vapor en los tubos (30) sobre los cuales fluyen los gases calientes. Cada tubo contiene una cinta metalica (40) la cual esta retorcida en una configuracion helicoidal para inducir la turbulencia en la niebla producida por le ebullicion, y la turbulencia asegura que la niebla humedezca las superficies internas de los tubos, produciendo asi una buena transferencia de calor y temperaturas moderadas en los tubos.

Description

EVAPORADOR DE PROCESO DIRECTO PARA GENERADOR DE VAPOR Campo de la Invención Esta invención se refiere en general a generadores de vapor y, más particularmente, a un evaporador para un generador de vapor y a la tubería para tal evaporador. Antecedentes de la Invención El vapor encuentra uso extendido en la industria, quizás el más importante de estos usos es la generación de energía eléctrica. Típicamente, los gases calientes, en muchos casos generados por combustión, pasan a través de un generador de vapor el cual convierte el agua en vapor sobrecalentado. Son representativos de estas instalaciones los generadores de vapor de recuperación de calor (HRSGs) (por sus siglas en inglés) los cuales son utilizados para extraer el calor de los gases calientes descargados por las turbinas de gas que impulsan ios generadores eléctricos. El calor extraído produce vapor el cual pasa sobre una turbina de vapor que acciona otro generador eléctrico. El generacor de vapor típico, a un lado de un conducto a través del cual pasan ios gases calientes, en su forma más básica, incluye tres componentes adicionales especialmente, un sobrecalentador , un evaporador, y un economizado! o calentador del agua de alimentación, arreglados en este orden con respecto al flujo de gases en el conducto. El agua fluye en la dirección opuesta, es decir a través del Ref.162840 economizador en donde el mismo es calentado, pero permanece como líquido, luego a través del evaporador en donde el mismo es convertido en vapor saturado en su mayoría, y luego a través del sobrecalentador en donde el vapor saturado llega a ser vapor sobrecalentado. Los evaporadores vienen en dos configuraciones básicas - el tipo de circulación y el tipo de proceso directo cada uno con sus propias ventajas y desventajas. Ambos tienen un arreglo de tubos en el conducto a través del cual pasan los gases calientes. En el tipo de circulación, los tubos radican en un circuito con un colector de vapor que está arriba de los tubos. El colector contiene agua la cual fluye desde el colector, a través de un tubo de descenso, y luego hacia los tubos en donde algo de él es convertido en vapor, pero el vapor existe como burbujas dentro del agua, y es regresado a través de un tubo ascendente hacia el colector de vapor. Aquí el vapor, el cual está saturado, se separa del agua líquida y pasa sobre el sobrecalentador. El mismo es reemplazado por el agua de alimentación la cual es suministrada al colector. Los tubos de un evaporador de circulación permanecen húmedos todo el tiempo - es decir, el agua líquida existe contra sus superficies interiores en todas partes. Esto promueve la buena transferencia de calor. Esto también mantiene los tubos a temperaturas relativamente moderadas, eliminando así la necesidad de aleaciones de temperaturas elevadas en la tubería . Pero los evaporadores de circulación tienen sus desventajas. Quizás la más grande de éstas es el costo atribuible a los colectores de vapor, tubos de descenso grandes, y tubos colectores para suministrar el agua a sus tubos. Además, los depósitos de agua contenidos en ellos requieren tiempo para alcanzar la temperatura de ebullición, de modo que el tiempo de arranque para un evaporador de circulación es prolongado. Los evaporadores de proceso directo no requieren tubos de descenso o colectores y son menos costosos en su fabricación. Además, la única agua almacenada en ellos radica en los propios tubos y el tubo colector de suministro a través del cual se extienden los tubos. Esto hace posible que un evaporador de proceso directo sea llevado a las condiciones operativas más rápidamente que un evaporador de circulación natural. Sin embargo, un evaporador de proceso directo debe convertir completamente el agua en el vapor, de modo que solamente el vapor escape de sus tubos y fluya sobre el sobrecalentador . Nada de agua líquida debe dejar el evaporador. El evaporador se conecta con una bomba de alimentación de agua localizada corriente arriba en el circuito de agua para hacer circular el agua a través del mismo a una velocidad controlada - una velocidad que si es correcta permite que el vapor se aleje en una condición saturada o ligeramente sobrecalentada. Por consiguiente, en un evaporador de proceso directo las paredes del tubo más cercanas a la entrada de agua se extienden en condiciones húmedas como en un evaporador del tipo de circulación, a causa de que en estos extremos del tubo solamente se observa agua líquida. Pero más alejado en los tubos el agua se convierte en una niebla y luego en vapor saturado. En el régimen de flujo en forma de niebla, el agua es desviada desde las superficies interiores de las paredes del tubo, de modo que la niebla existe en núcleos que se extienden a través de los centros de los tubos. Las paredes alrededor de estos núcleos se extienden en condiciones secas. Esto produce una temperatura más elevada en las paredes del tubo y una transferencia de calor menos eficiente. Las temperaturas más elevadas pueden requerir metales que son más capaces de resistir estas temperaturas o, en otras palabras, un recurso para los aceros de aleaciones elevadas, costosos. Breve Descripción de las Figuras La figura 1 es una vista en sección esquemática de un generador de vapor equipado con un evaporador de proceso directo construido de acuerdo con y que incorpora la presente invención; La figura 2 es una vista en perspectiva del evaporador; la figura 3 es una vista en sección tomada a lo largo de la línea 3-3 de la figura 2; la figura 4 es una vista en sección fragmentaria del extremo de uno de los tubos evaporadores que muestra una cinta retorcida fijada en el tubo; la figura 5 es una vista en sección fragmentaria semejante a la figura 4, pero girada 90°; y la figura 6 es una vista fragmentaria de uno de los tubos del evaporador, parcialmente retirado por corte y en sección, que muestra el flujo en el tubo. Descripción Detallada de la Invención Con referencia ahora a las figuras, un generador de vapor A (figura 1) básicamente incluye un conducto 2 que tiene un extremo de entrada 4 y un extremo de descarga 6. El extremo de entrada 4 está conectado a una fuente de gases calientes, tales como una turbina de gas o un incinerador, y estos gases fluyen a través del conducto 12, dejándolos en el extremo de descarga 6. Además, un generador de vapor A incluye un sobrecalentador 12, un evaporador 14, y un calentador o economizador 16 del agua de alimentación arreglados en el conducto 2 en este orden desde el extremo de entrada 4 del extremo de salida 6. Por consiguiente, los gases calientes fluyen primero a través del sobrecalentador 12, luego a través del evaporador 14, y finalmente a través del economizador 16. El agua fluye en la dirección opuesta. Para este fin, el economi zador 16 está conectado a una bomba de alimentación de agua 18 la cual suministra el agua de alimentación al economizador 16. El mismo extrae calor desde los gases calientes y transfiere este calor al agua líquida que fluye a través del mismo, por lo cual se eleva la temperatura del agua, pero el agua permanece en estado líquido. Dejando el economizador 16, el agua líquida fluye entonces al evaporador 14 a través del cual pasa la misma. El evaporador 14 convierte el agua en vapor, en su mayoría vapor saturado. El vapor fluye hacia el sobrecalentador 12 el cual eleva su temperatura, transformándolo en vapor sobrecalentado que puede ser utilizado para suministrar energía a una turbina o en algún proceso industrial o aún para calentar un edificio. El sobrecalentador 12, el evaporador 14, y el economizador 16 son básicamente bancos de tubos. El evaporador 14 opera sobre el principio de proceso directo. Realmente, el generador de vapor A puede tener más de un evaporador 14. El evaporador 14 incluye (figura 2) un tubo colector de suministro 25, un tubo colector de descarga 28 y tubos 30 los cuales se extienden entre los dos tubos colectores 26 y 28. El tubo colector de suministro 26 tiene una abertura de entrada 32 que está conectada al economizador 16 y recibe el agua caliente desde el economizador 16 - realmente, el agua que es suministrada al mismo bajo la presión producida por la bomba 18. El tubo colector de descarga 26 tiene aberturas de salida 34 las cuales están conectadas al sobrecalentador 12, y a través de las aberturas 34 el vapor, el cual está saturado o ligeramente sobrecalentado, es dirigido al sobrecalentador 12. Los tubos 30 tienen aletas 36 que facilitan la extracción del calor de los gases que fluyen a través del conducto 2. Dentro de los tubos 30 el agua caliente desde el tubo colector de suministro 26 es convertido en el vapor que se colecta dentro del tubo colector de descarga 28 y luego pasa sobre el sobrecalentador 12. Por consiguiente, la porción de cada tubo 30 que está más cercana al tubo colector de suministro 20 contiene agua líquida, mientras que la porción que está más cercana al tubo colector de descarga 28 contiene vapor que está saturado y quizás aún ligeramente sobrecalentado. En la porción intermedia de cada tubo 30 el agua líquida padece el cambio de fase y llega a convertirse en vapor. Aquí, el agua hierve, llegando a ser una niebla o una mezcla de agua y vapor saturado. Además, la niebla llega a ser vapor saturado, y finalmente el vapor saturado puede llegar a ser vapor sobrecalentado, quizás sólo ligeramente sobrecalentado. La región sobrecalentada del tubo 30, si realmente existe vapor sobrecalentado, es muy corta. Los tubos 30 están formados de acero al carbón o de acero con molibdeno de cromo. Cada tubo 30 contiene una cinta helicoidal 40 (figuras 3-5) que se extiende desde su entrada y, es decir desde su extremo que está conectado al tubo colector de suministro 26, a través de las regiones en las cuales existe la niebla. El ancho de cada cinta 30 es ligeramente menor que el diámetro interno del tubo 30 a través del cual se extiende la misma, de modo que la cinta 40 pueda ser insertada dentro o extraída del tubo 30 sin interferencia del propio tubo 30. Preferentemente, el ancho de cada cinta 40 debe ser de aproximadamente 0.158 cm (1/16 pulgadas) más pequeño que el diámetro interno de su tubo 30, al menos para un tubo que tiene un diámetro interno de 5.08 cm (2 pulgadas) . La cinta 40 es retorcida muchas veces entre sus extremos, de modo que sus bordes formen hélices que descansan a lo largo de la superficie interna del tubo 30. Realmente, un retorcimiento completo de 360° de la cinta 40 debe ocurrir dentro de una distancia que se cuantifica a una longitud con respecto al diámetro de 5 a 25. Por ejemplo, para un tubo 30 que tiene un diámetro interno de 5.08 cm (2 pulgadas) y una relación de la longitud con respecto al diámetro de 5 para el retorcimiento en su cinta 40, un retorcimiento total de 360° de la cinta 40 ocurrirá en 25.4 cm (10 pulgadas) del tubo 40. Este extremo de la cinta 40 que radica en la entrada del tubo 30 está equipado con una barra de fijación 42 que se extiende transversalmente a través del extremo de entrada semejante del tubo 32. La barra 42 está soldada al extremo del tubo 30 y a la cinta 40, fijando por consiguiente la cinta 40 con su tubo 30. Las cintas 40 están formadas a ' partir de un metal que puede resistir las temperaturas asociadas con el vapor ligeramente sobrecalentado y son compatibles adicionalmente con el metal del tubo 30 en el sentido de que las reacciones electrolíticas son minimizadas. El acero inoxidable es adecuado cuando los tubos 30 son de acero al carbón. En la operación del generador de vapor A, los gases calientes que fluyen a través del conducto 2 pasan sobre los tubos del sobrecalentador 12, el evaporador 14 y el economizador 16 en este orden y en cada uno padece una reducción en la temperatura. La bomba 18 del agua de alimentación fuerza el agua hacia y a través del economizador 16 en donde el agua extrae el calor de los gases que fluyen sobre los tubos del economizador 16. La temperatura del agua se eleva, pero el agua permanece en la fase líquida. Bajo la presión producida por la bomba 18, el agua fluye desde el economizador 16 hacia el tubo colector de suministro 26 del evaporador 14 y luego hacia los tubos 30 del evaporador 14. Dentro de los tubos 30, el agua se encuentra aún a temperaturas más elevadas derivadas de los gases que pasan a través del conducto 2. Realmente, les gases que pasan a través del evaporador 14 elevan la temperatura de los tubos 30 a un nivel suficientemente elevado para convertir el agua en los tubos 30 en vapor. El agua, inicialmente durante la introducción en los tubos 30, permanece en la fase líquida, pero cuando la misma fluye a través de los tubos 30 la misma empieza a hervir, produciendo una niebla. Las cintas 40 se extienden a través de la región del flujo de niebla y produce una buena medida de la turbulencia en la niebla cuando la misma fluye hacia el tubo colector de descarga 28. La turbulencia lleva la niebla, es decir las partículas de agua, contra la superficie interna de los tubos 30 (figura 6), por lo cual efectúan de manera mejorada y más eficiente la transferencia de calor entre los gases que fluyen sobre los tubos 30 y la niebla en los tubos 30. Esto protege adicionalmente los tubos 30 del sobrecalentamiento. En donde no existan las cintas 40, la niebla podría tender a permanecer en el centro de los tubos 30 y podría estar rodeada por vapor saturado o sobrecalentado a lo largo de las superficies interiores de los tubos 30, provocando así que los tubos 30 en las regiones de la niebla operen a temperaturas más elevadas. Cuando la niebla en los tubos 30 fluya sobre y se aproxima al tubo colector de descarga 28, la misma se transforma en vapor saturado y puede cambiar aún a vapor sobrecalentado, quizás sólo ligeramente sobrecalentado. Pero las regiones de los tubos 30 en que se observa solamente vapor sobrecalentado son cortas y son mantenidas a temperaturas relativamente moderadas en virtud del calor conducido desde ellos hasta las regiones ocupadas por la niebla y el agua líquida.

En lugar de fijar las cintas 40 a los tubos 30 en el tubo colector de suministro 26, las mismas pueden ser fijadas en el tubo colector de descarga 28, en tal caso las mismas se extenderán hacia el tubo colector de suministro 26. Las cintas 40 pueden extenderse sobre las longitudes totales de los tubos 30 a través de los cuales las mismas pasan o solamente a través de las regiones de flujo de la niebla. El evaporador 14 en lugar de tener sus tubos 30 arreglados en un solo banco, puede tenerlos organizados en bancos múltiples. Se hace constar que con relación a esta 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.

Claims (18)

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones . 1. Un evaporador de proceso directo para un generador de vapor, caracterizado porque comprende: un tubo colector de suministro para recibir agua

1 íquida ; un tubo colector de descarga espaciado del tubo colector de suministro para recibir el vapor; tubos que se extienden entre y están conectados a los tubos colectores de suministro y de descarga, de modo que el agua del tubo colector de suministro puede fluir hacia el tubo colector de descarga y sea convertida en vapor por el calor al cual los tubos están sometidos; y cintas en al menos algunos de los tubos para inducir la turbulencia en una niebla que es producida en tales tubos cuando el agua es convertida en vapor en tales tubos.

2. Un evaporador de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque cada cinta es retorcida de tal modo que sus bordes formen hélices que radican a lo largo de las superficies interiores de los tubos en los cuales las mismas radican.

3. Un evaporador de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque cada cinta tiene una longitud con respecto al diámetro para un retorcimiento de 360° de aproximadamente 5 hasta 25.

4. Un evaporador de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la cinta está fijada en un extremo del tubo a través del cual se extiende la misma.

5. Un evaporador de conformidad con la reivindicación 2, y caracterizado porque además comprende una barra que se extiende transversalmente a través de cada tubo que contiene una cinta en el extremo del tubo al cual la misma está fijada; en donde la barra está fijada al tubo a través del cual la misma se extiende; y en donde la cinta para el tubo está asegurada a la barra.

6. Un evaporador de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque cada cinta está fijada al tubo a través del cual la misma se extiende en este extremo del tubo el cual está en el tubo colector de suministro.

7. Un evaporador de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el ancho de cada cinta es menor que el diámetro interno del tubo a través del cual la misma se extiende.

8. En un generador de vapor que incluye un conducto a través del cual pasan los gases calientes, un sobrecalentador y un economizador localizado en el conducto, con el sobrecalentador que está localizado corriente arriba del economizador con respecto al flujo de gases, una bomba para suministrar agua líquida al econom zador, un evaporador de proceso directo mejorado localizado en el conducto entre el sobrecalentador y el evaporador y que está conectado ai economizador y al sobrecalentador de tal modo que el agua del economizador fluya hacia el evaporador que la convierte en un flujo de niebla y luego en vapor que es dirigido hacia el sobrecalentador en donde el mismo sale como vapor sobrecalentado, el evaporador está caracterizado porque comprende : tubos los cuales radican dentro del conducto de modo que los gases calientes pasen sobre ellos,- y una cinta retorcida localizada dentro de cada tubo en la región del flujo de la niebla.

9. La combinación de conformidad con la reivindicación 8, caracterizada porque las cintas son retorcidas de tal modo que sus bordes formen hélices que radican a lo largo de las superficies internas de los tubos.

10. La combinación de conformidad con la reivindicación 8, caracterizada porque cada cinta está fijada en un extremo del tubo a través del cual la misma se extiende.

11. La combinación de conformidad con la reivindicación 10 y caracterizada porque además comprende una barra que se extiende a través de y está asegurada a cada tubo en el extremo del cual la cinta está fijada; y en donde la cinta retorcida en este tubo está fijada a la barra.

12. La combinación de conformidad con la reivindicación 8, caracterizada porque el agua líquida dentro de cada tubo se transforma en una niebla y luego en vapor saturado, y en donde la cinta para el tubo radica al menos dentro de la región de la niebla.

13. La combinación de conformidad con la reivindicación 12, caracterizada porque la cinta retorcida en cada tubo se extiende desde la entrada y a través de al menos la región del tubo en el cual existe la niebla.

14. Para su uso en un evaporador de proceso directo, la combinación esta caracterizada porque comprende: un tubo que tiene un extremo de entrada y un extremo de salida; y una cinta retorcida localizada dentro del tubo y que tiene bordes helicoidales que radican a lo largo de las superficies internas del tubo.

15. La combinación de conformidad con la reivindicación 14, caracterizada porque la cinta está fijada al tubo en uno de los extremos del tubo.

16. La combinación de conformidad con la reivindicación 14, caracterizada porque la cinta posee una longitud con respecto al diámetro para un retorcimiento total de 360° de 5 a 25.

17. La combinación de conformidad con ia reivindicación 14, caracterizada porque el ancho de la cinta para cada tubo es ligeramente menor que el diámetro interno del tubo.

18. La combinación de conformidad con la reivindicación 14, y caracterizada porque además comprende agua dentro de un extremo del tubo y vapor en el otro extremo y una región de flujo de niebla entre el agua y el vapor, y en donde la cinta radica dentro de la región de flujo de la niebla .