ES2568830B2 - Conjunto de suministro para una turbina de un sistema termodinámico solar y sistema termodinámico solar que comprende dicho conjunto - Google Patents

Conjunto de suministro para una turbina de un sistema termodinámico solar y sistema termodinámico solar que comprende dicho conjunto Download PDF

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Abstract

Conjunto (20) de suministro para una turbina (13) de un sistema (10) termodinámico solar dotado de una pluralidad de múltiples espejos (12) parabólicos para calentar un primer fluido caloportador contenido en un tanque (11) hasta una primera temperatura T1, que comprende una estructura (30) columnar dotada, en la parte superior, de una salida (31) para purgar vapor de agua seco saturado, que comprende una sección (40) inferior y una sección (50) superior, y una estructura (60) de precalentamiento y suministro dispuesta para calentar el segundo fluido caloportador hasta la temperatura de precalentamiento T4 y para suministrárselo a la estructura (30) columnar.

Description

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CONJUNTO DE SUMINISTRO PARA UNA TURBINA DE UN SISTEMA TERMODINAMICO SOLAR Y SISTEMA TERMODINAMICO SOLAR QUE COMPRENDE DICHO CONJUNTO
DESCRIPCION
La presente invencion se refiere a un conjunto de suministro para una turbina de un sistema termodinamico solar y a un sistema termodinamico solar que comprende tal conjunto.
Hoy en dia, se conocen los denominados sistemas solares termodinamicos que pueden convertir la ene^a calorifica que se deriva de la radiacion solar en energia electrica.
En detalle, tales sistemas solares termodinamicos comprenden una pluralidad de espejos parabolicos dispuestos para convertir energia solar en energia termica para calentar un fluido caloportador generalmente contenido en un tanque.
El fluido caloportador calentado por los espejos se somete posteriormente a un ciclo termodinamico, por ejemplo un ciclo de Rankine, para generar el vapor de agua para su suministro a una turbina conectada a su vez a un alternador, transformando asi la energia calorifica acumulada en energia electrica tal como sucede en las estaciones termoelectricas comunes.
Por tanto, los sistemas solares termodinamicos conocidos hoy en dia estan dotados de un conjunto de suministro para la turbina mencionada anteriormente, que comprende una pluralidad de intercambiadores de calor y, mas en particular, un separador de vapor de agua, una caldera, un sobrecalentador, un resobrecalentador y un precalentador.
Tales intercambiadores de calor actuan sobre el primer fluido caloportador calentado por los espejos y sobre un segundo fluido caloportador al que se transfiere la energia calorifica almacenada desde el primer fluido obteniendo asi el vapor de agua que se suministra a la turbina.
Los intercambiadores de calor usados generalmente en los sistemas solares termodinamicos comprenden un haz de tubos que pueden ser del tipo de cabezal fijo o en forma de U y pueden ser del tipo con circulation de fluido natural o forzada.
En cada caso, tales intercambiadores de calor estan dispuestos habitualmente en configuration horizontal, es decir, dispuestos uno al lado de otro formando un conjunto de
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suministro que se desarrolla horizontalmente con respecto al suelo.
Con el objetivo de obtener esta configuracion horizontal, es por tanto necesario proporcionar una pluralidad de estructuras de soporte para los intercambiadores, asi como una pluralidad de tuberias de conexion auxiliares que crean una verdadera red hidraulica que tambien puede resultar que esta muy proxima.
Un conjunto de suministro como el mencionado anteriormente presenta algunos inconvenientes.
Un primer inconveniente reside en el hecho de que los conjuntos de suministro conocidos actualmente son a menudo voluminosos debido a la configuracion horizontal.
A esto se anade el hecho de que tal configuracion horizontal implica no solo altos costes de diseno e instalacion sino tambien complejas operaciones de montaje y mantenimiento.
Un objetivo de la presente invencion es superar los inconvenientes mencionados anteriormente y, en particular, el de crear un conjunto de suministro para una turbina de un sistema termodinamico solar de pequeno volumen con respecto a los conocidos actualmente.
Otro objetivo de la presente invencion es proporcionar un conjunto de suministro para una turbina de un sistema termodinamico solar que pueda simplificar las operaciones de montaje y mantenimiento.
Un objetivo adicional de la presente invencion es proporcionar un sistema termodinamico solar que sea economico de obtener con respecto a los conocidos actualmente.
Estos y otros objetivos segun la presente invencion se logran proporcionando un conjunto de suministro para una turbina de un sistema termodinamico solar y un sistema termodinamico solar que comprende tal conjunto, tal como se exponen en las reivindicaciones 1 y 12.
Caracteristicas adicionales del conjunto de suministro para una turbina de un sistema termodinamico solar y del sistema termodinamico solar son objeto de las reivindicaciones dependientes.
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Las caracteristicas y ventajas de un conjunto de suministro para una turbina de un sistema termodinamico solar y de un sistema termodinamico solar segun la presente invencion resultaran mas evidentes a partir de la siguiente description a modo de ejemplo y no limitativa con referencia a los dibujos esquematicos adjuntos, en los que:
- la figura 1 es una vista esquematica en section de un conjunto de suministro para una turbina de un sistema termodinamico solar segun la presente invencion;
- la figura 2 es una vista esquematica en seccion de un elemento de intercambiador de calor comprendido en una caldera del conjunto de suministro de la figura 1;
- la figura 3 es una vista esquematica en seccion a lo largo de la Nnea IN-IN de una camara de intercambio comprendida en el conjunto de suministro de la figura 1;
- la figura 4 es una vista en perspectiva esquematica de un elemento de calentamiento del que esta dotado el conjunto de suministro de la figura 1;
- la figura 5 es un diagrama de bloques de un sistema termodinamico solar segun la presente invencion;
- la figura 6 es una grafica esquematica que representa el ciclo termodinamico puesto en practica en el conjunto de suministro de la figura 1.
Con referencia a las figuras se muestra un sistema termodinamico solar indicado en su totalidad con 10.
Tal sistema 10 termodinamico solar comprende un tanque 11 para contener un primer fluido caloportador, una pluralidad de espejos 12 parabolicos dispuestos para convertir energia solar en energia termica para calentar hasta una primera temperatura T1 el primer fluido caloportador y una turbina 13 de vapor de agua.
El primer fluido caloportador puede ser una sal fundida, por ejemplo nitrato de sodio o nitrato de potasio, o puede ser un aceite diatermico.
En el caso en el que el primer fluido es una sal fundida, la primera temperatura T1 esta comprendida generalmente entre 550°C y 570°C; en caso contrario, en el caso en el que el
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primer fluido es un aceite diatermico, la primera temperatura T1 es menor de 400°C.
Segun la presente invencion, el sistema termodinamico solar comprende un conjunto 20 de suministro para la turbina 13 segun lo descrito a continuation en el presente documento.
Tal conjunto 20 de suministro comprende, ventajosamente, una estructura 30 columnar dotada, en la parte superior, de una salida 31 para purgar el vapor de agua saturado y una estructura 60 de precalentamiento y suministro.
En particular, la estructura 30 columnar comprende a su vez una section 40 inferior y una section 50 superior.
La estructura 60 de precalentamiento y suministro esta dispuesta ventajosamente para calentar un segundo fluido caloportador, normalmente agua, hasta una temperatura de precalentamiento T4 y suministrarlo a la seccion 50 superior de la estructura 30 columnar para compensar la salida del vapor de agua purgado. En particular, la estructura 60 de precalentamiento y suministro comprende un intercambiador de calor de haz de tubos para precalentar dicho segundo fluido caloportador.
La temperatura de precalentamiento T4 es ligeramente menor que la temperatura de saturation correspondiente a la presion que se genera en la seccion 50 superior.
La seccion 40 inferior esta dotada de dos entradas 41 conectadas al tanque 11 de modo que se le suministre el primer fluido caloportador calentado por los espejos parabolicos a la temperatura T1.
En particular, el primer fluido caloportador se introduce y se impulsa en circulation forzada en la seccion 40 inferior mediante el uso de una o mas bombas (no ilustradas).
La seccion 40 inferior esta compuesta por dos sectores semicirculares, que comprenden respectivamente un primer intercambiador 42 de calor y un segundo intercambiador 43 de calor combinados en un unico aparato y dispuestos para que se les suministre el segundo fluido caloportador, normalmente agua en el estado de vapor de agua, respectivamente a una temperatura sobrecalentada o de saturacion T2 y a una temperatura de resobrecalentamiento T3. Por tanto, el primer fluido realiza dos pasadas de intercambio, la primera ascendente y la segunda descendente, durante las cuales calienta el segundo
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fluido, enfriandose a su vez.
La temperatura de sobrecalentamiento o de saturacion T2 depende de la presion que se genera en la seccion 50 superior.
La temperatura de resobrecalentamiento T3 normalmente es sustancialmente equivalente a la temperatura de sobrecalentamiento o de saturacion T2.
La seccion 40 inferior comprende, para cada sector semicircular, una camara 44 de base dotada de una primera division 45 adaptada para crear una primera 46 y una segunda 47 subcamara, que contienen respectivamente el segundo fluido sobrecalentado o el segundo fluido resobrecalentado, y una camara 48 de intercambio de calor superpuesta a la camara 44 de base y dentro de la cual estan dispuestos el primer intercambiador 42 de calor y el segundo intercambiador 43 de calor. La camara 48 de intercambio de calor se separa de la camara 44 de base interponiendo una placa 49 tubular de separacion.
El primer intercambiador 42 de calor y el segundo intercambiador 43 de calor estan compuestos, respectivamente, a traves de un primer haz 42’ de tubos y un segundo haz 43’ de tubos en forma de U y paralelos entre si que estan enfrentados en la primera 46 y la segunda 47 subcamara.
Por tanto, el primer fluido caloportador se introduce (en el lado de camisa de los intercambiadores) en la camara 48 de intercambio de calor a traves de las entradas 41 y rodear los haces 42’ y 43’ de tubos atravesados por los fluidos en sobrecalentamiento y resobrecalentamiento, intercambiando asi calor con los mismos.
Tras las dos primeras pasadas de intercambio mencionadas anteriormente, el primer fluido realiza, volviendo a ascender, una tercera pasada de intercambio adiabatico en el espacio intermedio comprendido entre la parte externa de los haces 42’ y 43’ de tubos y la camisa externa de la seccion 40 inferior.
El primer haz 42’ de tubos y el segundo haz 43’ de tubos se suministran de modo que el segundo fluido sobrecalentado y el segundo fluido resobrecalentado estan en contracorriente con respecto al primer fluido.
La seccion 50 superior esta conectada ventajosamente en comunicacion de fluido con la
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seccion 40 inferior y dispuesta por encima de la misma. En particular, tal como puede observarse a partir de la figura 1, la seccion superior se superpone a la camara 48 de intercambio de calor. Por tanto, el primer fluido caloportador, que se enfria durante el intercambio de calor con el segundo fluido en la seccion 40 inferior, puede pasar libremente de tal seccion 40 inferior a la seccion 50 superior.
La seccion 50 superior comprende una caldera 51, 52 dispuesta para llevar el segundo fluido del estado liquido saturado al estado mixto de vapor de agua saturado y liquido saturado tras el intercambio de calor con el primer fluido; se produce la ebullicion parcial a la temperatura de ebullicion T5 que es equivalente a la temperatura de saturation correspondiente a la presion que se genera en la seccion 50 superior.
La seccion 50 superior comprende ademas un cuerpo 53 cilmdrico dispuesto sobre tal caldera 51, 52 para la separation del vapor de agua saturado debidamente deshumidificado para enviarse a las dos subcamaras 46 y 47 de la camara 44 de base.
En una realization de la presente invention, el cuerpo 53 cilmdrico comprende una camara 54 colectora a la que suministra la estructura 60 de precalentamiento y suministro de modo que contenga el segundo fluido precalentado hasta un nivel preestablecido.
Preferiblemente, para mantener el nivel del segundo fluido al valor predeterminado mencionado anteriormente, la camara 54 colectora esta dotada de una pluralidad de medios (no ilustrados) para la detection y el control del nivel del segundo fluido; el nivel del fluido en la camara 54 colectora garantiza la circulation natural del segundo fluido sustancialmente saturado en el interior de la caldera 51, 52.
La caldera 51, 52 comprende, espedficamente, una camara 51 de ebullicion intermedia conectada en comunicacion de fluido con la seccion 40 inferior y, mas en particular, con la camara 48 de intercambio de calor y conectada por la parte superior con la camara 54 colectora interponiendo una primera placa 55 tubular, tal como se ilustra en la figura 1.
Ventajosamente, la camara 51 de ebullicion intermedia esta dotada internamente de una pluralidad de diafragmas 75 de disco y una pluralidad de diafragmas 76 de corona dispuestos de manera alterna unos con respecto a otros en sucesion vertical definiendo una trayectoria reascendente en zigzag del primer fluido.
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La camara 54 colectora comprende una segunda placa 56 tubular que define un compartimento 57 inferior de la camara 54 colectora, en el que se recoge la mezcla del segundo fluido en el estado Kquido y vapor de agua saturado, y un compartimento 58 superior de la camara 54 colectora.
Espedficamente, la caldera 51, 52 comprende un tercer haz 52 de tubos del tipo denominado de "bayoneta” que se extiende verticalmente desde la camara 54 colectora hasta la camara 57 intermedia pasando a traves de la primera placa 55 tubular.
En particular, tal como puede observarse en la figura 2, cada tubo del tercer haz 52 de tubos comprende un conducto 71 interno enfrentado al compartimento 58 superior de modo que se le suministre el segundo fluido sustancialmente saturado, y un conducto 72 exterior coaxial con respecto al conducto 71 interno de modo que se crea un espacio intermedio entre los mismos. Tal conducto 72 exterior esta enfrentado al compartimento 57 inferior para introducir la mezcla del segundo fluido en el estado liquido y vapor de agua saturado en el mismo. Por tanto, el segundo fluido contenido en la camara 54 colectora entra en el conducto 71 interno y vuelve a ascender a traves del conducto 72 exterior hasta el compartimento 57 inferior. Durante la reascension a traves del conducto 72 exterior, el segundo fluido intercambia calor con el primer fluido presente en la camara 51 de ebullicion intermedia generando burbujas de vapor de agua.
Ventajosamente, el compartimento 57 inferior esta conectado en comunicacion de fluido al compartimento 58 superior a traves de al menos un conducto (73) de alimentacion exterior a la camara 57, 58 colectora. Por tanto, el segundo fluido a la temperatura de ebullicion T5 correspondiente a la presion que se genera en el cuerpo 53 cilmdrico se lleva al compartimento 58 superior en el que se produce la separacion entre el estado liquido y el estado de vapor de agua.
En primer lugar, tal separacion se produce debido a la accion de un drenaje 74 del que esta dotada la camara colectora 57, 58 y, posteriormente, debido a una rejilla 78 dispuesta por debajo de la salida 31 de vapor saturado seco.
Preferiblemente, el conjunto de suministro 10 comprende un elemento 77 de calentamiento que se enrolla alrededor de la camara 48 de intercambio de calor de la seccion 40 inferior y la camara 51 de ebullicion intermedia para mantener el primer fluido caloportador a una temperatura mayor que la temperatura de congelacion del mismo.
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En particular, tal como puede observarse a partir de la figura 4, el elemento 77 de calentamiento puede obtenerse a traves de una resistencia helicoidal que se instala alrededor de la camara 48 de intercambio de calor y la camara 51 de ebullicion intermedia.
Ventajosamente, la estructura 30 columnar comprende un sistema de ventilacion y drenaje que puede situarse de manera optima dada la simetria cilmdrica de la estructura 30 columnar. Espedficamente, tal sistema de ventilacion y drenaje comprende uno o mas picos 32 de ventilacion y uno o mas picos 33 de drenaje.
El pico 32 de ventilacion puede situarse de modo que succione tanto en la parte superior en la cabeza de los haces 42’ y 43’ de tubos de la camara 48 de intercambio de calor, asi como en el punto mas alto del circuito del primer fluido caloportador, es decir en la parte inferior de la primera placa 55 tubular. El pico 33 de drenaje puede situarse de modo que drene en el punto mas bajo del circuito, es decir en la parte superior con respecto a la placa 49 tubular de separacion.
La configuration del sistema de ventilacion y drenaje garantiza la seguridad del conjunto de suministro debido a la orientation vertical de la estructura 30 que facilita la ventilacion del fluido caliente desde el punto mas bajo del sistema.
La description expuesta muestra claramente las caracteristicas y ventajas del conjunto de suministro para una turbina de un sistema termodinamico solar y del sistema termodinamico solar objeto de la presente invention.
En realidad, el conjunto de suministro segun la presente invencion se desarrolla en una estructura columnar, excepto por la estructura de precalentamiento y suministro unicamente.
Por tanto, esto garantiza un pequeno volumen con respecto a los conjuntos de suministro conocidos en la tecnica anterior.
Ademas, la estructura columnar es facil y rapida de montar, limitando adicionalmente el uso de tubos auxiliares. Esto hace que los diversos componentes de la estructura columnar sean facilmente accesibles para realizar operaciones de mantenimiento.
Por ultimo, queda claro que el conjunto de suministro para una turbina de un sistema
termodinamico solar y el sistema termodinamico solar asi disenados pueden someterse a numerosas modificaciones y variantes, que entran todas dentro del alcance de proteccion de la invencion; ademas, todos los detalles pueden sustituirse por elementos tecnicamente equivalentes. En la practica, los materiales usados, asi como los tamanos, pueden variar 5 segun los requisitos tecnicos.

Claims (6)

  1. 5
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    REIVINDICACIONES
    Conjunto (20) de suministro para una turbina (13) de un sistema (10) termodinamico solar del tipo dotado de una pluralidad de espejos (12) parabolicos dispuestos para convertir ene^a solar en energia termica para calentar un primer fluido caloportador contenido en un tanque (11) hasta una primera temperatura T1, que comprende:
    - una estructura (30) columnar dotada, en la parte superior, de una salida (31) para purgar vapor de agua seco saturado:
    • una seccion (40) inferior dotada de dos entradas (41) conectadas a dicho tanque (11) de tal manera que se le suministre dicho primer fluido caloportador calentado por dichos espejos (12), comprendiendo dicha seccion (40) inferior un primer intercambiador (42) de calor y un segundo intercambiador (43) de calor dispuestos para que se les suministre un segundo fluido caloportador a una temperatura de sobrecalentamiento T2 y a una temperatura de resobrecalentamiento T3, respectivamente;
    • una seccion (50) superior conectada en comunicacion de fluido a dicha seccion (40) inferior y dispuesta por encima de la misma de modo que dicho primer fluido caloportador puede pasar desde dicha seccion (40) inferior hasta dicha seccion (50) superior, comprendiendo dicha seccion (50) superior una caldera (51, 52) dispuesta para llevar dicho segundo fluido a una temperatura de ebullicion T5 tras el intercambio de calor con dicho primer fluido, y un cuerpo (53) cilmdrico dispuesto encima de dicha caldera (51, 52) para generar vapor de agua para su suministro a dicha turbina (13);
    - una estructura (60) de precalentamiento y suministro dispuesta para calentar dicho segundo fluido caloportador hasta una temperatura de precalentamiento T4 y suministrarlo a dicha seccion (50) superior de dicha estructura (30) columnar.
    Conjunto (20) de suministro segun la reivindicacion 1, caracterizado porque dicha seccion (40) inferior esta compuesta por dos sectores semicirculares y comprende, para cada sector semicircular, una camara (44) de base dotada de una primera division (45) adecuada para crear una primera (46) y una segunda (47) subcamara que contienen dicho segundo fluido sobrecalentado y dicho segundo fluido
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    resobrecalentado, respectivamente, y una camara (48) de intercambio de calor que se solapa con dicha camara (44) de base y en la que estan dispuestos dicho primer intercambiador (42) de calor y dicho segundo intercambiador (43) de calor.
    Conjunto (20) de suministro segun la reivindicacion 2, caracterizado porque dicho primer intercambiador (42) de calor y dicho segundo intercambiador (43) de calor estan compuestos a traves de un primer haz (42’) de tubos y un segundo haz (43’) de tubos, en forma de U y paralelos entre si enfrentados a dicha primera (46) y dicha segunda (47) subcamara, respectivamente, para su suministro.
    Conjunto (20) de suministro segun la reivindicacion 2 o 3, caracterizado porque se suministran dicho primer intercambiador (42) de calor y dicho segundo intercambiador (43) de calor de tal manera que dicho segundo fluido sobrecalentado y dicho segundo fluido resobrecalentado fluyen a contracorriente con respecto a dicho primer fluido.
    Conjunto (20) de suministro segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho cuerpo (53) cilmdrico comprende una camara (54) colectora a la que suministra dicha estructura (60) de precalentamiento y suministro de modo que contenga dicho segundo fluido precalentado a un nivel preestablecido, y en el que dicha caldera (51, 52) comprende una camara (51) de ebullicion intermedia conectada en comunicacion de fluido a dicha seccion (40) inferior y conectada, por la parte superior, a dicha camara (54) colectora interponiendo una primera placa (55) tubular.
    Conjunto (20) de suministro segun la reivindicacion 5, caracterizado porque dicha camara (54) colectora comprende una segunda placa (56) tubular que define un compartimento (57) inferior de dicha camara (54) colectora y un compartimento (58) superior de dicha camara (54) colectora, y en el que dicha caldera (51, 52) comprende un tercer haz (52) de tubos que se extiende verticalmente desde dicha camara (54) colectora hasta dicha camara (51) intermedia pasando a traves de dicha primera placa (55) tubular, comprendiendo cada tubo de dicho tercer haz (52) de tubos un conducto (71) interno enfrentado a dicho compartimento (58) superior de modo que se le suministre dicho segundo fluido en estado liquido saturado, y un conducto (72) exterior coaxial con dicho conducto (71) interno de modo que se crea un espacio intermedio entre dichos conductos, estando dicho conducto (72) exterior
    enfrentado a dicho compartimento (57) inferior para suministrar al mismo dicho segundo fluido a dicha temperatura de ebullicion T5.
  2. 7. Conjunto (20) de suministro segun la reivindicacion 6, caracterizado porque dicho
    5 compartimento (57) inferior esta conectado en comunicacion de fluido a dicho
    compartimento (58) superior a traves de al menos un conducto (73) de alimentacion exterior a dicha camara (54) colectora.
  3. 8. Conjunto (20) de suministro segun una o mas de las reivindicaciones 4 a 7,
    10 caracterizado porque la camara (51) de ebullicion intermedia esta dotada en su
    interior de una pluralidad de diafragmas (75) de disco y una pluralidad de diafragmas (76) en forma de corona dispuestos de manera alterna unos con respecto a otros en una secuencia vertical que define una trayectoria ascendente en forma de zigzag de dicho primer fluido.
    15
  4. 9. Conjunto (20) de suministro segun una o mas de las reivindicaciones 4 a 6, caracterizado porque dicha camara (54) colectora esta dotada de un drenaje (74) dispuesto para actuar sobre dicho segundo fluido en ebullicion separando dicho segundo fluido en estado liquido de dicho segundo fluido en estado de vapor.
    20
  5. 10. Conjunto (20) de suministro segun una o mas de las reivindicaciones 4 a 9, caracterizado porque dicha camara (54) colectora esta dotada de medios para detectar y controlar el nivel de dicho segundo fluido en estado liquido.
    25 11. Conjunto (20) de suministro segun una o mas de las reivindicaciones 4 a 10,
    caracterizado porque comprende un elemento (77) de calentamiento que envuelve dicha camara (48) de intercambio de calor de dicha seccion (40) inferior y dicha camara (51) de ebullicion intermedia para mantener dicho primer fluido a una temperatura mayor que su temperatura de congelacion.
    30
  6. 12. Sistema (10) termodinamico solar, que comprende:
    - un tanque (11) para contener un primer fluido caloportador;
    35 - una pluralidad de espejos (12) parabolicos dispuestos para convertir energia solar
    en energia termica para calentar dicho primer fluido caloportador contenido en dicho
    tanque (11) hasta una primera temperatura T1;
    - una turbina (13);
    5 - un conjunto (20) de suministro para dicha turbina (13) segun una o mas de las
    reivindicaciones anteriores.
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