ES2327501T3 - Proceso de evaporacion para generar vapor saturado. - Google Patents
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Abstract
Un proceso para producir vapor de agua saturado a partir de un flujo de gases calientes, comprendiendo el citado proceso: - introducir agua líquida en unos primeros tubos (34) situados en el flujo de los gases, - introducir el agua líquida procedente de los primeros tubos en un recipiente (42), y - hacer circular el agua líquida desde el recipiente a través de unos segundos tubos (44) situados en el flujo de los gases y retornarla al recipiente; caracterizado el citado proceso por: - forzar el agua líquida a través de los primeros tubos a una velocidad suficiente para que el interior de los primeros tubos esté totalmente humectado por el agua y se produzca vapor de agua en el agua, teniendo el vapor de agua un título de por lo menos 20%, con lo que el agua que sale de los primeros tubos tiene vapor de agua atrapado, - separar del agua líquida que sale de los primeros tubos el vapor de agua atrapado, - siendo la citada circulación del agua líquida desde el recipiente a través de los segundos tubos tal que el interior de los segundos tubos permanece humectado en su totalidad por el agua y se produce vapor de agua en el agua por lo que el agua que entra en el recipiente procedente de los segundos tubos tiene vapor de agua atrapado, y - en el recipiente separar del agua que sale de los segundos tubos el vapor de agua atrapado.
Description
Proceso de evaporación para generar vapor
saturado.
Esta invención se refiere en general a
generadores de vapor de agua y más particularmente a un proceso de
evaporación.
Muchos de los equipos para generar energía
eléctrica se basan en el vapor de agua y, para ello, hay una
diversidad de procesos industriales. En todos los casos, gases
calientes, en muchos casos generados por combustión, pasan a través
de un generador que convierte agua en vapor de agua recalentado.
Típicos de estas instalaciones son generadores de vapor de agua, de
recuperación de calor, que se usan para extraer calor de los gases
calientes descargados por turbinas de gas que accionan generadores
eléctricos. El calor extraído produce vapor de agua que pasa por
una turbina de vapor que acciona otro generador eléctrico.
El generador típico de vapor de agua, además de
un conducto a través del cual pasan los gases calientes, en su
forma más básica incluye tres componentes adicionales, a saber, un
recalentador, un evaporador y un economizador o calentador del agua
de alimentación, dispuestos en este orden con respecto al flujo de
los gases en el conducto. El agua circula en dirección contraria,
esto es, a través del economizador donde se calienta aunque
permanece líquida, después a través del evaporador donde se
convierte en vapor de agua saturado y después a través del
recalentador donde el vapor de agua saturado se convierte en vapor
de agua recalentado.
Los evaporadores pueden ser de dos
configuraciones básicas: del tipo de circulación y del tipo de
proceso directo, cada uno con sus propias ventajas e
inconvenientes. Las dos tienen un conjunto de tubos en el conducto a
través del cual pasan los gases calientes.
En el tipo de circulación, los tubos están en un
circuito con un calderín de vapor de agua encima de los tubos. El
calderín contiene agua que sale del calderín, pasa por un tubo
vertical de bajada y después entra en los tubos donde parte se
convierte en vapor de agua, pero el vapor de agua existe en forma de
burbujas en el agua, y retorna a través de un tubo de subida al
calderín de vapor de agua. Aquí el vapor de agua, que es saturado,
se separa del agua líquida y pasa al recalentador. Es reemplazado
por agua de alimentación suministrada al calderín. Los tubos de un
evaporador de circulación permanecen húmedos siempre, es decir,
existe agua líquida en contacto con la superficie interior de todos
los tubos y esto promueve una buena transferencia de calor. Además,
las impurezas, como sales disueltas, se concentran en el agua
presente en el calderín y en el resto del circuito de circulación,
dejando que el vapor de agua saturado salga prácticamente exento de
ellas. Un flujo pequeño de agua, conocido como purga, es extraído
del calderín para controlar la acumulación de impurezas. Para hacer
circular el agua en el evaporador, la mayoría de los evaporadores de
circulación dependen totalmente de la diferencia de densidad entre
el agua del tubo vertical de bajada y la mezcla de
agua-vapor de agua de los tubos, aunque algunos
tienen la ayuda de una bomba. Además, un evaporador de circulación
contiene un depósito de agua almacenada. Así, el fallo de una bomba
no afecta inmediatamente al funcionamiento del evaporador que lo
haría vulnerable a un recalentamiento. También, los evaporadores de
circulación funcionan muy bien en una amplia gama de condiciones de
carga. Finalmente, los evaporadores de circulación predominan y,
como consecuencia, los operadores de calderas están familiarizados
con su funcionamiento.
Pero los evaporadores de circulación tienen sus
inconvenientes. Quizás el más importante de estos es el gasto
atribuible a los calderines de vapor de agua y a los tubos
verticales de bajada y cabezales grandes para suministrar agua a
sus tubos. Además, los depósitos de agua contenidos en ellos
requieren tiempo para alcanzar la temperatura de ebullición por lo
que se alarga el tiempo de puesta en marcha de un evaporador de
circulación.
Los evaporadores de proceso directo no requieren
tubos verticales de bajada ni calderines por lo que sólo el agua
almacenada en ellos está en los propios tubos. Esto permite llevar
un evaporador de proceso directo a sus condiciones operativas más
rápidamente que un evaporador de circulación natural. Sin embargo,
un evaporador de proceso directo debe convertir totalmente el agua
en vapor de agua por lo que sólo sale de él y entra al recalentador
vapor de agua saturado. Del evaporador no debe salir agua líquida.
Como consecuencia, ciertas zonas de los tubos están secas, es
decir, su superficie interior no está humectada por agua líquida. La
transferencia de calor disminuye significativamente en estas zonas,
incluso aunque las zonas funcionen a temperaturas superiores a las
de las zonas húmedas. Algunos fabricantes de evaporadores de proceso
directo recurren a metales hiperaleados para permitir que los tubos
soporten mejor las temperaturas elevadas. Mientras un evaporador de
circulación descarga vapor de agua exento prácticamente de
impurezas, un evaporador de proceso directo descarga vapor de agua
que contiene todas las impurezas presentes en el agua de
alimentación bombeada al evaporador. Por lo tanto, es necesario
tratar el agua de alimentación para eliminar la mayor parte posible
de impurezas.
Por lo tanto, los evaporadores de circulación y
de proceso directo tienen cada uno ventajas e inconvenientes.
La patente de Estados Unidos número 5.419.285
describe una caldera que permite una cantidad pequeña de
vaporización en los tubos de un solo paso del economizador. Los
tubos de un solo paso de flujo ascendente están situados al final
del economizador por lo que, si hierve fluido en el final del
economizador, puede salir vapor de agua a través de los tubos de un
solo paso.
La presente invención proporciona un proceso
para producir vapor de agua saturado a partir de un flujo de gases
calientes, comprendiendo el citado proceso: introducir agua líquida
en unos primeros tubos situados en el flujo de los gases,
introducir el agua líquida procedente de los primeros tubos en un
recipiente y hacer circular el agua líquida desde el recipiente a
través de unos segundos tubos situados en el flujo de los gases y
retornarla después al recipiente; caracterizado: por forzar el agua
líquida a través de los primeros tubos a una velocidad suficiente
para permitir que el interior de los primeros tubos esté totalmente
humectado por el agua y se produzca vapor de agua en el agua,
teniendo el vapor de agua un título de por lo menos 20%, con lo que
el agua que sale de los primeros tubos tiene vapor de agua atrapado;
separar del agua líquida que sale de los primeros tubos el vapor de
agua atrapado; hacer circular el agua líquida desde el recipiente a
través de los segundos tubos siendo la circulación tal que el
interior de los segundos tubos permanece humectado en su totalidad
por el agua y se produce vapor en el agua por lo que el agua que
entra en el recipiente procedente de los segundos tubos tiene vapor
de agua atrapado; y en el recipiente separar del agua que sale de
los segundos tubos el vapor de agua atrapado.
A continuación se describe un evaporador que
tiene muchas de las ventajas y pocos de los inconvenientes de un
evaporador de circulación y de un evaporador de proceso directo.
Para este fin, el evaporador incluye unos primeros tubos situados
en un flujo de gases calientes, unos segundos tubos situados también
en el flujo de gases calientes y un recipiente conectado a los
primeros y segundos tubos de modo que recibe agua de los primeros
tubos y este agua circula desde el recipiente a través de los
segundos tubos y retorna al recipiente.
Un evaporador para extraer calor de una
corriente de gases calientes y convertir agua líquida en vapor de
agua saturado comprende: unos primeros tubos situados en la
corriente y conectados a una fuente de agua líquida, un recipiente
en comunicación con los primeros tubos, unos segundos tubos situados
en la corriente de gases calientes y conectados al recipiente de
modo que el agua circula desde el recipiente a través de los
segundos tubos y una descarga del recipiente; caracterizado porque
el agua líquida está y circula a través de los primeros tubos a un
caudal que permite que los primeros tubos conviertan el agua en una
mezcla de agua y vapor de agua, siendo el título del vapor de agua
de por lo menos aproximadamente 20%, el recipiente contiene y recibe
el agua líquida y vapor de agua de los primeros tubos, en los
segundos tubos el vapor de agua queda atrapado en el agua por lo
que el agua y el vapor de agua atrapado retornan al recipiente, y la
descarga contiene vapor de agua saturado que sale del
recipiente.
La figura 1 es una vista esquemática en sección
transversal de un generador de vapor de agua equipado con un
evaporador, y
la figura 2 es una vista esquemática de un
evaporador.
Con referencia ahora a los dibujos, un generador
A de vapor de agua (figura 1) incluye básicamente un conducto 2 que
tiene una boca de entrada 4 y una boca de descarga 6. La boca de
entrada 4 está conectada a una fuente de gases calientes, como una
turbina de gas o un incinerador, y estos gases circulan a través del
conducto 2 saliendo por la boca de descarga 6. Además, el generador
A de vapor de agua incluye un recalentador 12, un evaporador 14 y
un economizador o calentador del agua de alimentación 16, dispuestos
en el conducto 2 en este orden desde la boca de entrada 4 a la boca
de salida 6. Así, los gases calientes circulan primero a través del
recalentador 12, después a través del evaporador 14 y finalmente a
través del economizador 16. El agua circula en dirección contraria.
Más específicamente, el economizador 16 está conectado a una bomba
de alimentación de agua 18 que suministra agua líquida de
alimentación al economizador 16. El economizador extrae calor de
los gases calientes y transfiere este calor al agua líquida que
circula a través de aquél con lo que eleva la temperatura del agua.
Después de salir del economizador, el agua líquida circula a través
del evaporador 14. El evaporador 14 eleva aún más la temperatura
del agua líquida (en realidad, lo suficiente para convertir parte
del agua en vapor de agua saturado). El vapor de agua saturado
circula a través del recalentador 12 que eleva su temperatura
convirtiéndolo en vapor de agua recalentado que se puede usar para
accionar una turbina o en un proceso industrial o incluso para
calentar un edificio. El recalentador 12 y el economizador 16 son
básicamente un haz de tubos. El evaporador 14 es más complejo.
El evaporador 14 representa, en cierta medida,
una combinación de un evaporador de proceso directo y un evaporador
de circulación natural. Como tal, incluye (figura 2) una sección de
proceso directo 22 y una sección de circulación natural 24. Por la
tubería de alimentación 26 se introduce en la sección de proceso
directo 22 agua caliente procedente del economizador 16, agua que
está en fase líquida, y en las dos secciones 22 y 24 este agua
caliente se transforma en vapor de agua saturado que se descarga de
la sección de circulación natural 24 a una tubería de descarga 28
que la suministra al recalentador 12.
Considerando primero la sección de proceso
directo 22, ésta incluye (figura 2) tubos 34 que están en un
conducto 2 por lo que los gases calientes pasan por encima de
ellos. Incluye también una tubería de conexión 36 que lleva a la
sección de circulación natural 24. El economizador 16 suministra
agua caliente a los tubos 34 de la sección de proceso directo 22
donde parte del agua se convierte en vapor de agua saturado en los
tubos 34. El flujo es tal que el título del vapor de agua de salida
es bajo y el interior de los tubos 34 está humectado en su
totalidad, controlándose este flujo por la bomba de alimentación de
agua 18. Así, en el interior de los tubos 34 hay agua líquida,
aunque ésta puede contener burbujas de vapor de agua saturado. Al
contrario que un evaporador convencional de proceso directo, los
tubos 34 de la sección de proceso directo 22 no tienen sus paredes
secas. En efecto, la disposición es tal que asegura que los tubos 34
están totalmente humectados y asegura también que el título del
vapor de agua en la tubería de conexión 36 está en el intervalo
entre 20 y 90% y preferiblemente entre 40 y 60%. "Título"
significa la fracción en peso de la mezcla de agua y vapor de agua
que es realmente vapor de agua. Así, un flujo con un título de vapor
de agua del 40% contiene 40% en peso de vapor de agua y 60% en peso
de agua líquida.
La sección de circulación natural 24 incluye
(figura 2) un calderín de vapor de agua 42, que es un recipiente
cilíndrico situado fuera y encima del conducto 2, y tubos 44
situados en el conducto 2. Además, la sección de circulación
natural 24 tiene un tubo vertical de bajada 46 que se dirige hacia
abajo desde el calderín 42, por fuera del conducto 2, y en su
extremo inferior comunica con un cabezal de distribución 48 que se
extiende por el conducto 2 y al que están conectados los extremos
inferiores de los tubos 44. También, la sección de circulación
natural 24 tiene un cabezal colector 50 en el que los extremos
superiores de los tubos 44 comunican con el conducto 2 y tubos de
subida 52 que van desde el cabezal colector 50 al calderín 42.
Finalmente, el calderín 42 tiene conectada una tubería de purga
54.
El calderín de vapor de agua 42, el tubo
vertical de bajada 46, los dos cabezales 48 y 50 así como los tubos
44 entre estos y los tubos de subida 52 contienen todos agua líquida
y este agua procede de la sección de proceso directo 22. A este
fin, la tubería de conexión 36 procedente de los tubos 34 de la
sección de proceso directo 22 comunica con el calderín 42. La
sección de proceso directo 22 suministra al calderín 42 agua líquida
suficiente para mantener siempre el calderín 42 parcialmente lleno
de agua líquida. La tubería de conexión 36 comunica con el calderín
42 por debajo del nivel de agua presente en el calderín 42, igual
que los tubos de subida 52. El tubo vertical de bajada 46 y la
tubería de purga 54 salen del calderín 42 por debajo del nivel de
agua presente en el calderín 42.
Los tubos 34 y 44 de las dos secciones 22 y 24,
respectivamente, pueden estar dispuestos lado a lado en el conducto
2 o los tubos 34 pueden estar delante de los tubos 44 o los tubos 44
pueden estar delante de los tubos 34. Se prefiere la última
disposición.
En el funcionamiento del generador A de vapor de
agua, la bomba de alimentación de agua 18 suministra agua fría de
alimentación al economizador 16, que se calienta cuando aquélla pasa
a través de éste. El agua caliente de alimentación entra en la
sección de proceso directo 22 del evaporador 14 donde por lo menos
el 20% y preferiblemente el 50% se convierte en vapor de agua
saturado y el resto permanece como agua que circula a través de la
sección de circulación natural 24 y se convierte en más vapor de
agua saturado. El vapor de agua producido en las dos secciones 22 y
24 sale del evaporador 14 por la tubería de descarga 28 que lo
dirige al recalentador 12. En el recalentador 12 el vapor de agua
saturado procedente del evaporador 14 se convierte en vapor de agua
recalentado.
Considerando con más detalle el funcionamiento
del evaporador 14, la bomba de alimentación de agua 18 introduce el
agua en los tubos 34 de la sección de proceso directo 22 y los tubos
34, que se calientan por los gases calientes en el conducto 2,
transfieren calor al agua. Los tubos 34 funcionan a una temperatura
algo mayor que el punto de ebullición del agua por lo que una parte
del agua, pero no toda, presente en los tubos 34 se transforma en
vapor de agua saturado. En realidad, el flujo a través de los tubos
34 es lo suficientemente grande para producir un vapor de agua con
un título entre 20 y 90%, preferiblemente entre 40 y 60%. Como el
título es menor que 100%, el interior de los tubos 34 está
totalmente humectado. El vapor de agua producido en los tubos 34
toma la forma de burbujas atrapadas en el agua líquida. Este agua
sale de los tubos 34 y entra en la tubería de conexión 36 que la
dirige al calderín de vapor de agua 42 de la sección de circulación
natural 24.
La propia sección de circulación natural 24 está
llena de agua líquida, hasta un nivel que llena parcialmente el
calderín 42 que forma la parte más alta del evaporador 14. La
tubería de conexión 36 descarga el agua (y vapor de agua) de la
sección de proceso directo 22 al calderín de vapor de agua 42 por
debajo del nivel del agua líquida presente en el calderín 42.
Después de entrar en el calderín 42, el vapor de agua atrapado
escapa de la porción superior del calderín 42 y de aquí sale del
calderín 42 a la tubería de descarga 28. El agua líquida procedente
de la sección de proceso directo 22 se mezcla con el agua presente
en el calderín 42. Este agua representa el único aporte de agua
líquida al calderín 42 y a toda la sección de circulación natural
24. Las impurezas presentes en el agua que entra en el calderín 42
procedente de la sección de proceso directo 22 permanecen en el
agua presente en el calderín 42. Como en un sistema convencional de
circulación natural, pocas de estas impurezas permanecen en el
vapor de agua que sale.
El agua que se suministra al calderín 42 de la
sección de circulación natural representa la fuente de agua para
esa sección 24. El agua líquida recogida en el calderín 42 sale del
calderín 42 al tubo vertical de bajada 46 y después al cabezal de
distribución 48 donde es distribuida a los tubos 44 de la sección
24. Los gases calientes presentes en el conducto 2 cruzan los tubos
44 calentándolos y, en consecuencia, los tubos 44 transfieren calor
poseído por los gases al agua presente en los tubos 44. Parte del
agua hierve, aunque no toda, por lo que el interior de los tubos 44
también permanece humectado en su totalidad asegurando así una
transferencia eficiente de calor de los gases al agua. El vapor de
agua que se produce como consecuencia de la ebullición existe en
forma de burbujas en el agua que sale de los tubos 44. Este agua,
con el vapor de agua atrapado, sale de los tubos 44 al cabezal 50 y
de éste a los tubos de subida 52 que la retorna al calderín de vapor
42. El vapor de agua escapa por la porción superior del calderín 42
y sale de éste por la tubería de descarga 28 en estado saturado.
Realmente, el agua procedente de la sección de proceso directo 22 y
el agua suministrada de los tubos de subida 52 de la sección de
circulación se mezclan en el calderín 42. El agua procedente de las
dos secciones 22 y 24 tiene vapor de agua atrapado y este vapor de
agua escapa a la porción superior del calderín 42 y entra en el
recalentador 12 por la tubería de descarga 28. Así, el agua que
desciende por el tubo vertical de bajada 46 representa agua
procedente de dos fuentes, a saber, de los tubos 34 de la sección
de proceso directo 22 y de los tubos 44 de la sección de
circulación.
De vez en cuando, se purga agua del calderín 42
por la tubería de purga 54 y esto limita la acumulación de
impurezas en el agua que circula a través de la sección de
circulación natural 24.
Como mucho del vapor de agua saturado producido
por el evaporador 14 proviene de la sección de proceso directo 22,
la sección de circulación natural 24 puede ser considerada más
pequeña que un evaporador simple convencional de circulación
natural de capacidad equivalente al evaporador 14 en su conjunto.
Este tamaño más pequeño se traduce en un tubo vertical de bajada 46
más pequeño y en cabezales 48 y 50 más pequeños así como en menos
tubos 44. Esto permite también que la sección de circulación alcance
las condiciones operativas en menos tiempo con lo que se minimiza
el tiempo de puesta en marcha. Aún así, el evaporador 14 tiene agua
almacenada que da una medida de protección contra un funcionamiento
seco. En el evaporador 14 no existen condiciones de paredes secas
por lo que el evaporador 14 no adolece de las consecuencias
negativas de transferencia de calor asociadas a dichas condiciones.
La sección de circulación 24 evita inherentemente paredes secas en
sus tubos 44 mientras que el agua en exceso bombeada a través de
los tubos 34 de la sección de proceso directo 22 evita condiciones
de paredes secas en esta sección 22. No se requieren esfuerzos
especiales para eliminar impurezas del agua que entra en el
evaporador 14 por su tubería de alimentación 26 puesto que el
calderín 42 elimina inherentemente impurezas y evita que salgan del
evaporador 14 y entren en la tubería de descarga 28.
En lugar de depender de las variaciones de
densidad, para hacer circular agua a través de la sección 24 se
puede utilizar una bomba. Así, la expresión "sección de
circulación" significa la sección de un evaporador que depende
de una circulación natural o de una circulación ayudada por una
bomba. También, el vapor de agua producido en los tubos 34 de la
sección de proceso directo 22 se puede separar del agua líquida
antes del calderín de vapor de agua 42 pero el agua líquida
procedente de la sección 22 debe entrar en el calderín de vapor de
agua 42.
En algunos generadores convencionales de vapor
de agua que utilizan evaporadores de circulación natural, los
economizadores se emplean para calentar y producir vapor de agua
saturado. Pero el título del vapor de agua producido por estos
economizadores vaporizadores no se aproxima al título del vapor de
agua producido por la sección de proceso directo 22 del evaporador
14 por lo que el evaporador 14 difiere en este aspecto principal de
un evaporador de circulación natural acoplado a un economizador
vaporizador.
Claims (9)
1. Un proceso para producir vapor de agua
saturado a partir de un flujo de gases calientes, comprendiendo el
citado proceso:
- -
- introducir agua líquida en unos primeros tubos (34) situados en el flujo de los gases,
- -
- introducir el agua líquida procedente de los primeros tubos en un recipiente (42), y
- -
- hacer circular el agua líquida desde el recipiente a través de unos segundos tubos (44) situados en el flujo de los gases y retornarla al recipiente;
caracterizado el citado proceso por:
- -
- forzar el agua líquida a través de los primeros tubos a una velocidad suficiente para que el interior de los primeros tubos esté totalmente humectado por el agua y se produzca vapor de agua en el agua, teniendo el vapor de agua un título de por lo menos 20%, con lo que el agua que sale de los primeros tubos tiene vapor de agua atrapado,
- -
- separar del agua líquida que sale de los primeros tubos el vapor de agua atrapado,
- -
- siendo la citada circulación del agua líquida desde el recipiente a través de los segundos tubos tal que el interior de los segundos tubos permanece humectado en su totalidad por el agua y se produce vapor de agua en el agua por lo que el agua que entra en el recipiente procedente de los segundos tubos tiene vapor de agua atrapado, y
- -
- en el recipiente separar del agua que sale de los segundos tubos el vapor de agua atrapado.
2. El proceso de acuerdo con la reivindicación
1, en el que la mezcla de agua y vapor de agua descargada de los
primeros tubos (34) tiene entre aproximadamente 40% y
aproximadamente 60% en peso de vapor de agua.
3. El proceso de acuerdo con la reivindicación
1, que comprende además calentar agua líquida en un economizador
(16) con los gases calientes, para proporcionar el agua líquida que
se introduce en los primeros tubos (34).
4. El proceso de acuerdo con la reivindicación
3, que comprende además dirigir el vapor de agua procedente del
recipiente (42) a un recalentador (12) que está en el flujo de los
gases calientes corriente arriba del evaporador.
5. El proceso de acuerdo con la reivindicación
3, en el que la temperatura del agua líquida que se dirige desde el
economizador (16) a los primeros tubos (34) es inferior a la
temperatura a la que el agua líquida se convierte en vapor de agua
saturado.
6. El proceso de acuerdo con la reivindicación
1, en el que el vapor de agua atrapado en el agua líquida procedente
de los primeros tubos (34) se separa del agua líquida en el
recipiente (42).
7. El proceso de acuerdo con la reivindicación
1, en el que la mezcla de agua y vapor de agua descargada de los
primeros tubos (34) tiene entre aproximadamente 20% y
aproximadamente 90% en peso de vapor de agua.
8. El proceso de acuerdo con la reivindicación
1, en el que el recipiente (42) está situado encima de los segundos
tubos (44).
9. El proceso de acuerdo con la reivindicación
1, que comprende además extraer del recipiente (42) agua líquida
para mejorar la pureza del agua que circula a través del recipiente
y de los segundos tubos (44).
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