ES3041903T3 - System and corresponding high efficiency energy recovery method for industrial boilers or steam generators - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un sistema de recuperación de energía de alta eficiencia (1) para calderas industriales (2) o generadores de vapor, del tipo que comprende al menos un intercambiador gas/líquido (7) que funciona como economizador (ECO2) para recuperar el calor de los gases de combustión que salen del quemador (5) de la caldera (2). Ventajosamente, según la invención, se proporciona un intercambiador gas/líquido adicional (4), alimentado por un flujo de aire a temperatura ambiente (8) que se utiliza como combustible del quemador (5) y por un porcentaje de agua de alimentación (9) extraída de la alimentación del economizador (7). En el mencionado intercambiador gas/líquido adicional (4), el agua de alimentación cede parte de su calor sensible, calentando el aire de combustión; el agua así enfriada se envía a un economizador adicional (6), que, gracias al paso por el intercambiador adicional (4), tiene una mayor capacidad para extraer calor de los gases de combustión. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0002] Sistema y procedimiento correspondiente de recuperación de energía de alto rendimiento para calderas industriales o generadores de vapor

[0003] Campo técnico

[0004] La presente invención se relaciona con un sistema y al correspondiente procedimiento de recuperación de energía de alta eficiencia para calderas industriales o generadores de vapor.

[0005] Más generalmente la presente invención se aplica en el campo de las calderas o generadores de vapor de uso industrial para potencias que varían desde al menos 1 MW hasta 100 MW, pero la siguiente descripción se hace con referencia a este campo de aplicación con el único objetivo de simplificar la exposición de la misma.

[0006] Estado de la técnica

[0007] En este campo técnico específico se sabe que el rendimiento de un generador de vapor, neto de las condiciones límite y de un buen aislamiento, es sustancialmente función de la temperatura de salida de los gases de combustión. De hecho, es bien sabido que cuando disminuye la temperatura de los gases de combustión se produce un aumento del rendimiento del generador. Todas las soluciones adoptadas hasta la fecha por el estado de la técnica para aumentar el rendimiento de un generador de vapor tienen por objeto reducir la temperatura de los gases de combustión.

[0008] Normalmente, un generador de vapor de tipo industrial es un aparato que realiza un calentamiento isobárico de un líquido provocando su ebullición y, por tanto, el cambio de estado de fase líquida a fase vapor; esto ocurre de forma continua y en condiciones controladas para utilizar el vapor así generado como portador de energía.

[0009] Para aumentar la eficiencia de un generador se necesita un fluido portador al que ceder la energía extraída de los gases de combustión.

[0010] También los generadores de vapor más modernos desde un punto de vista conceptual se componen de una primera zona, cámara de combustión, donde el intercambio térmico con el líquido es mayoritariamente radiactivo y de una segunda zona en la que el intercambio térmico es mayoritariamente convectivo, estas dos zonas delimitan la porción de caldera donde se produce la transición de fase. Los gases de combustión todavía ricos en entalpía pasan en este punto a través de aparatos de intercambio que se encargan de calentar otros fluidos portadores relativos o no a la propia caldera para ser después conducidos a la chimenea.

[0011] En la actualidad, como ya se ha señalado, todas las soluciones desarrolladas por el estado de la técnica intentan aumentar la eficiencia de un generador de vapor reduciendo la temperatura final de los gases de combustión a unos 60°C, valor límite por debajo del cual, cuando se utiliza gas natural como combustible, se produce el fenómeno de condensación. Para alcanzar este objetivo se aprovecha el fluido portador térmico, al que se suministra la energía extraída de los gases de combustión.

[0012] Los fluidos portadores térmicos pueden afectar a la misma máquina (por ejemplo: aire de combustión, agua de alimentación, vapor) o ser externos a la máquina (por ejemplo: agua sobrecalentada, circuito de aceite diatérmico, etc.). En el primer caso, hablamos del servicio del generador (tal y como se define en las normas EN 12953-11 y EN 12952-5); en el segundo, hablamos de la eficiencia del sistema en el que se inserta el generador.

[0013] La invención se relaciona con ambas categorías y fue concebida para explotar los fluidos portadores térmicos concernientes y no el generador.

[0014] Los sistemas más comunes que se utilizan para intentar aumentar la eficiencia en los generadores de vapor son esencialmente dos y explotan dos flujos "fríos" diferentes para recuperar el calor de los gases de combustión que salen de la caldera mediante un llamado economizador o mediante un precalentador de aire.

[0015] Primero se examina el caso del economizador. Se trata esencialmente de un intercambiador gas/líquido que transfiere el calor de los gases de combustión, que pueden tener una temperatura comprendida entre 180°C y 250°C de acuerdo con las condiciones de trabajo, al fluido portador térmico que es en general el agua de alimentación. En esencia, la entalpía sensible se cede al fluido portador térmico.

[0016] Normalmente, la temperatura de salida de los gases de combustión es unos 10-20 °C superior a la del fluido portador térmico que alimenta el economizador. En el caso típico en el que hay una temperatura del agua de alimentación y/o del fluido portador entre 80-160°C es evidente que el economizador por sí solo no permite tener temperaturas de salida de los gases de combustión por debajo de la temperatura del fluido portador térmico y así maximizar la recuperación de energía y por tanto la eficiencia. Por ejemplo, con una temperatura del fluido portador térmico de 95°C puede obtenerse una temperatura de los gases de combustión de unos 105°C con un rendimiento de aproximadamente el 95,8%.

[0017] Además, si se dispusiera del fluido portador térmico a 150 °C, se notaría una disminución considerable del rendimiento, ya que se obtendría una reducción más ligera de la temperatura final de los gases de combustión, cercana a 160 °C, es decir, con un rendimiento del 93%. Esta situación no es tan rara, ya que a veces el vapor es utilizado por ciclos cerrados en banco que llevan a tener agua de retorno a alta temperatura y presión.

[0018] Los expertos en la materia son conscientes de que incluso un solo punto porcentual menos de eficiencia corresponde a un coste considerable de combustible desperdiciado para hervir el agua.

[0019] En resumen, la primera solución propuesta por el arte previo tiene una limitación severa debido al hecho de que el economizador solo no permite tener temperaturas finales de salida de gases de combustión por debajo de la temperatura de alimentación del fluido portador térmico.

[0020] A continuación se examina la segunda solución propuesta por el estado de la técnica, que consiste en adoptar un precalentador de aire.

[0021] El precalentador de aire es sustancialmente un intercambiador gas/gas en el que los gases de combustión transfieren directamente calor al aire de combustión, normalmente a temperatura ambiente, por ejemplo 25° C. Este tipo de intercambiadores gas/gas tiene coeficientes de intercambio global relativamente bajos, aproximadamente la mitad con respecto a los de gas/líquido, y esto afecta a las superficies de intercambio que deben ser, en igualdad de condiciones, aproximadamente el doble con respecto a los economizadores.

[0022] Teóricamente, el uso de precalentadores de aire puede permitir reducir considerablemente las temperaturas finales de los gases de combustión hasta alcanzar los 80° C, pero esto, además de requerir enormes superficies de intercambio, puede implicar un aumento de los compuestos contaminantes emitidos por el generador. De forma más realista, con los sistemas propuestos por el estado de la técnica los gases de combustión salen a una temperatura de unos 120°C, con eficiencias del orden del 95%.

[0023] Con cargas bajas y/o durante transitorios, o incluso con aire muy frío, puede existir además el riesgo de condensación de los gases de combustión, ya que la temperatura de los gases de combustión que salen del precalentador no puede controlarse, a menos que se desvíe completamente. Sin embargo, de este modo se perdería toda la recuperación de calor.

[0024] Esencialmente, con esta segunda solución técnica conocida se pueden obtener teóricamente altos rendimientos, pero las superficies de intercambio, y por tanto los costes, se vuelven muy elevados, así como las temperaturas del aire, que pueden provocar un grave aumento de las emisiones. Otra limitación es la imposibilidad de controlar dinámicamente la temperatura de salida de los gases de combustión, lo que no permite maximizar el funcionamiento del generador de vapor en todas las condiciones de trabajo.

[0025] Una primera solución conocida en la técnica se desvela en una solicitud de patente PCT Núm. WO 2013/178446 y en otra solicitud de patente PCT Núm. WO 2012/114981. Ambos documentos se relacionan con un sistema de recuperación de energía para calderas industriales o generadores de vapor como en el preámbulo de la reivindicación 1 adjunta, pero en el que sin embargo no se regula la alimentación del agua de alimentación para obtener una mayor eficiencia del sistema.

[0026] Otra solución propuesta por el estado de la técnica que utiliza un precalentador de aire se describe en la Patente europea Núm. EP 2249079 B1.. El precalentador descrito en este documento se combina con un economizador para intentar obtener mayores eficiencias del generador de vapor. Aunque ventajosa en varios aspectos y capaz de obtener un rendimiento cercano al 95%, esta solución conocida tiene límites de funcionamiento, en particular con temperaturas del agua de alimentación ligeramente elevadas (por ejemplo, superiores a 110°C).

[0027] Esencialmente, si se intentara utilizar esta solución para aumentar aún más la eficiencia del generador se correría el riesgo de tener temperaturas muy altas del agua que sale del economizador, incluso con riesgo de ebullición en el propio economizador.

[0028] Una segunda solución del estado de la técnica se describe en cambio en la patente de los Estados Unidos Núm. US 8,286,595 en la que el agua de alimentación a la caldera (agua de alimentación) se utiliza como fluido portador para absorber la entalpía de la caldera. Esta solución proporciona una purga de agua de alimentación hacia un precalentador de aire, mientras que un sistema de control regula una válvula que controla el caudal de la división de agua hacia el precalentador. El sistema de control basa la regulación en la temperatura a la salida del economizador. Además esta solución sólo cumple parcialmente el objetivo de una mayor eficiencia ya que tiene una limitación considerable en todas aquellas aplicaciones en las que el agua de alimentación tiene una temperatura superior a 110°C, dicha solución tiene en cuenta como fluido portador exclusivamente el agua de alimentación (agua de alimentación) y no otros fluidos portadores térmicos.

[0029] El problema técnico subyacente a la presente invención es concebir un sistema y el correspondiente procedimiento de recuperación de energía de alta eficiencia, para calderas industriales o generadores de vapor, que tengan características estructurales y funcionales respectivas tales que permitan obtener la mayor eficiencia posible para este tipo de aparatos en presencia de cualquier fluido portador térmico con una temperatura superior a 80°C sin incurrir en la condensación parcial o total de los gases de combustión.

[0030] Un objetivo de la presente invención es, de todos modos, remediar los problemas presentes en la técnica previa por medio de un sistema de gestión de generador que es fácil de fabricar a costes relativamente limitados.

[0031] Otro objetivo de la presente invención es obtener rendimientos reales elevados en la recuperación de energía mediante un control dinámico en el funcionamiento de los componentes del aparato adoptando una solución sencilla y eficaz que implica unos costes de fabricación especialmente limitados.

[0032] Por último, otro objetivo de la invención es maximizar la recuperación de calor en todas las condiciones de trabajo del generador de vapor.

[0033] Sumario de la invención

[0034] La idea de solución que subyace en la presente invención consiste en proporcionar una solución mixta en la que una primera etapa de enfriamiento del fluido portador térmico alimentado se realiza aumentando la entalpía del aire de combustión, y una segunda etapa de calentamiento del fluido portador térmico mediante al menos un par de economizadores, en detrimento de la entalpía de los gases de combustión. Para la primera etapa se utiliza un intercambiador líquido/gas, comúnmente llamado aerotermo, que aprovecha el calentamiento del aire de combustión para enfriar un porcentaje del fluido portador térmico; para la segunda etapa se utilizan un primer y un segundo intercambiador líquido/gas, comúnmente llamados economizadores, alimentados por el lado de los gases de combustión.

[0035] Más concretamente, el núcleo del sistema fabricado de acuerdo con la presente invención para la recuperación de energía de los gases de combustión es la distribución del fluido portador térmico entre dos grupos de intercambio de tamaño adecuado. Un primer grupo consta de dos intercambiadores, un aerotermo y al menos un economizador, el primero (aerotermo) situado en el conducto de aire de combustión y el segundo (economizador) situado en el conducto de gases de combustión.

[0036] En el aerotermo, el fluido portador térmico cede una parte de su calor sensible calentando el aire de combustión, y el fluido enfriado se envía al economizador, que tiene así una mayor capacidad para extraer calor de los gases de combustión gracias a su paso por el aerotermo.

[0037] Ventajosamente, también se proporciona un segundo grupo de reducción, formado por un intercambiador adicional, es decir, un segundo economizador, que recoge la totalidad del fluido portador térmico alimentado, es decir, el alimentado que ha eludido el primer grupo de reducción y el que, en cambio, ha pasado a través de él.

[0038] Con estos dispositivos es posible enfriar los gases de combustión incluso hasta 60°C, aunque teniendo un fluido portador térmico superior a 110°C hasta alcanzar 160° C, obteniendo una eficiencia real igual a cerca del 98%. No obstante, para evitar problemas de condensación ácida, en la refrigeración de los gases de combustión podemos parar a una temperatura de unos 80°C.

[0039] Basándose en dicha idea de solución, el problema técnico mencionado se resuelve mediante un sistema de recuperación de energía de alta eficiencia, para calderas industriales o generadores de vapor, de acuerdo con la reivindicación 1.

[0040] Ventajosamente, dicho aerotermo tiene una salida de aire alimentada a la entrada del quemador de dicha caldera y una salida de líquido alimentada a la entrada de dicho intercambiador gas/líquido adicional que funciona como economizador.

[0041] Además, dicho aerotermo y dicho intercambiador gas/líquido adicional que funciona como economizador pertenecen a un grupo de intercambio y reducción térmica incorporado en el sistema aguas abajo de (en el lado de los gases de combustión) y en paralelo con (en el lado del líquido) dicho primer intercambiador gas/líquido que funciona como economizador.

[0042] Más particularmente, dicho primer intercambiador gas/líquido que funciona como economizador es alimentado a su vez por un porcentaje residual de fluido portador térmico y por el fluido portador térmico que sale de dicho intercambiador gas/líquido adicional que funciona como economizador.

[0043] A modo de ejemplo no limitativo se señala que, en el caso de que el fluido portador térmico fuera el agua de alimentación a la caldera, el porcentaje de dicha agua de alimentación se selecciona preferentemente entre el 25% y el 35% de la alimentación total del propio agua de alimentación.

[0044] Además hay que decir que la salida de gases de combustión de dicho quemador es la alimentación de gas tanto para el intercambiador gas/líquido que funciona como primer economizador como para el intercambiador gas/líquido que funciona como segundo economizador.

[0045] La invención también se relaciona con un procedimiento de recuperación de energía de alta eficiencia para calderas industriales o generadores de vapor de acuerdo con la reivindicación 8.

[0046] Ventajosamente, la etapa de enfriamiento del fluido portador térmico implica un intercambiador gas/líquido adicional alimentado por el flujo de aire a temperatura ambiente y por dicho porcentaje regulado del fluido portador térmico alimentado a dicho al menos un intercambiador gas/líquido que funciona como economizador.

[0047] Más concretamente, a modo de ejemplo no limitativo, en el caso de que el fluido portador térmico fuera el agua de alimentación de la caldera, el porcentaje mencionado varía entre al menos el 25% y el 35% del agua de alimentación. Además, el procedimiento prevé alimentar a dicho al menos un intercambiador gas/líquido que funciona como economizador el porcentaje residual de dicho fluido portador térmico así como el fluido portador térmico que sale de un intercambiador gas/líquido adicional que funciona a su vez como economizador. Este porcentaje regulado se obtiene a través de medios de válvula que comprenden una válvula de estrangulamiento de tres vías que recibe en la entrada la alimentación de dicho fluido portador térmico y distribuye en las salidas respectivas la alimentación de líquido para dicho intercambiador gas/líquido adicional y la alimentación residual de líquido para dicho al menos un intercambiador gas/líquido que funciona como economizador.

[0048] Debe notarse finalmente que la salida de gases de combustión de dicho al menos un intercambiador de gas/líquido que funciona como economizador es la alimentación de gas para dicho intercambiador de gas/líquido adicional que funciona a su vez como economizador. Otras características y ventajas del sistema y procedimiento de acuerdo con la invención serán más aparentes de la descripción detallada, hecha de ahora en adelante, de realizaciones no preferentes, y de reivindicaciones dependientes que delinean realizaciones preferentes y particularmente ventajosas de la invención.

[0049] Breve descripción de los dibujos

[0050] La invención se ilustra con referencia a las siguientes figuras, dadas a modo de ejemplo no limitativo, en las que:

[0051] • La figura 1 representa una vista esquemática en bloque de un sistema de recuperación de energía de alta eficiencia para calderas industriales o generadores de vapor;

[0052] • La figura 2 representa una vista esquemática en bloque de un diagrama de flujo que ilustra un aspecto del procedimiento de la presente invención;

[0053] • Las figuras 3 a 5 muestran diagramas respectivos que citan, en caso de que se utilizara el agua de alimentación como fluido portador, la temperatura más elevada de dicha agua a la salida del economizador de un sistema conocido cuando varía la temperatura del agua de alimentación y para diferentes presiones de funcionamiento;

[0054] • La figura 6 muestra, en caso de que se utilizara el agua de alimentación como fluido portador, un diagrama que cita la temperatura más alta del agua en el circuito de recuperación del sistema de la presente invención cuando varía la temperatura del agua de alimentación y para una presión de funcionamiento dada (10 barg);

[0055] • La figura 7 muestra, en caso de que se utilizara el agua de alimentación como fluido portador, un diagrama comparativo que ilustra la tendencia de la temperatura del aire de combustión frente a la temperatura del agua de alimentación para un sistema conocido (curva superior) y para el sistema de la presente invención.

[0056] Descripción detallada

[0057] Con referencia a estas figuras, y en particular al ejemplo esquemático de la figura 1, se indica global y esquemáticamente con 1 un sistema de recuperación de energía de alta eficiencia fabricado de acuerdo con la presente invención, para calderas industriales 2 o generadores de vapor, que utiliza a modo de ejemplo no limitativo el agua de alimentación como fluido portador.

[0058] El sistema 1 de acuerdo con la invención está destinado a la recuperación de energía a partir de los gases de combustión y se basa en la utilización de tres aparatos de intercambio térmico, conectados internamente entre sí y convenientemente dimensionados y gestionados para cumplir el objetivo prefijado. El sistema se aplica eficazmente a los generadores de vapor por tubería de gases de combustión y por tubería de agua, cuando la temperatura del fluido portador térmico se encuentra en un intervalo de valores entre 110°C y 150°C.

[0059] Las diferentes combinaciones del sistema de acuerdo con la invención permiten alcanzar derechos del orden de 97-97,5% si se desea mantener la temperatura final de descarga de los gases de combustión por encima del punto de rocío de los mismos y evitar así la formación de condensados ácidos. Este resultado se consigue mediante el uso de un banco que enfría el fluido portador térmico que calienta el aire comburente, un economizador y un banco final de enfriamiento de gases de combustión, es decir, un segundo economizador. El banco de enfriamiento del fluido portador térmico, primero, y el banco de enfriamiento final de los gases de combustión, después, son alimentados en serie, por el lado de la tubería, por el mismo fluido que tiene un caudal y una temperatura adecuados.

[0060] Además, el sistema propuesto puede recurrir al agua de alimentación de la caldera o a otro fluido de proceso de características adecuadas que funcione o no en circuito cerrado.

[0061] El caudal global de este fluido se divide en dos corrientes distintas de las cuales una se enfría primero, en un banco de intercambio térmico adecuado, por el aire comburente enviado al quemador.

[0062] Más en detalle, el sistema 1 comprende un primer grupo de intercambio y reducción térmica 20 que comprende al menos un primer 4 y un segundo intercambiador de gas/líquido 6.

[0063] El primer intercambiador 4 está destinado a realizar un enfriamiento de un porcentaje de un flujo de fluido portador térmico 9 a una temperatura, por ejemplo, comprendida entre 110 y 160°C y que precalienta un flujo de aire comburente 8, por ejemplo, próximo a 25°C.

[0064] El intercambiador 4 es un intercambiador de gas/líquido que en lo sucesivo se definirá también con el término argot de aerotermo.

[0065] Este aerotermo 4 recibe un porcentaje del fluido portador térmico de alimentación 9 a través de unos medios de válvula 3, por ejemplo una válvula de estrangulamiento de tres vías, que recibe a la entrada el fluido portador térmico de alimentación 9 y es susceptible de regular la alimentación del mismo fluido portador térmico saliendo por dos salidas respectivas 10 y 11.

[0066] La primera salida 10 de los medios de válvula 3 está conectada a la entrada del calentador de ventilador 4.

[0067] La segunda salida 11 de la válvula significa 3 se conecta en su lugar a una rama 12 de una unión en T, que se discutirá más adelante.

[0068] El sistema 1 de acuerdo con la presente invención puede recibir a la entrada el fluido portador térmico de alimentación 9 también a una temperatura relativamente alta, por ejemplo superior a 110 ° C hasta 160 ° C.

[0069] Los medios de válvula 3 permiten que un porcentaje de ese fluido portador térmico de alimentación 9 se dirija hacia el primer grupo de intercambio y reducción térmica 20, que también recibe el flujo 8 de aire comburente extraído del medio ambiente, que, en nuestra hipótesis, puede estar en promedio a una temperatura de unos 25 ° C.

[0070] De acuerdo con la invención, los medios de válvula 3 están interconectados a una unidad de regulación y control 25 que regula la apertura de la válvula de estrangulamiento de tres vías en función de una señal de temperatura del agua procedente de una salida 15 del aerotermo 4 a través de un sensor 27. En otras palabras, el caudal de fluido portador térmico a la entrada del aerotermo 4 es regulado automáticamente por la unidad de regulación y control 25, que controla la válvula de tres vías 3 en función de un valor de temperatura predeterminado requerido al fluido portador térmico a la salida 15 del banco de refrigeración del aerotermo 4. Ese caudal se envía a un banco de reducción final de gases de combustión ECO1, situado en la parte posterior del sistema 1, que se encarga del enfriamiento final de los gases de combustión. Este banco final de gases de combustión es un economizador adicional 6 que se ha instalado en el sistema 1 de la presente invención de forma diferente a lo previsto en soluciones conocidas en las que sólo se utiliza un economizador, que se describirá más adelante.

[0071] Si se ajusta adecuadamente un valor de temperatura de salida del fluido portador térmico igual a 60°C para el aerotermo 4, el fluido que llega a la etapa final ECO 1 tiene una temperatura superior al punto de rocío de los gases de combustión derivados de la combustión de gas natural, de modo que en el banco final de gases de combustión ECO1 se evita el fenómeno de formación de condensación.

[0072] A la salida 17 de ese último banco de gases de combustión ECO1, el fluido portador térmico recupera casi por completo la temperatura original que tenía antes de ser enfriado en el aerotermo 4. El caudal que sale por la salida 17 del economizador adicional se mezcla en una unión 12 con la porción restante del fluido portador térmico 9 y reconstituye el caudal global aproximadamente en las condiciones de temperatura nominal.

[0073] En este punto se alimenta un economizador 7, también indicado con ECO2, presente en el recorrido de los gases de combustión a la salida del quemador 5.

[0074] Ventajosamente, de acuerdo con la presente invención, el economizador 7 está dimensionado para liberar gases de combustión con un contenido térmico adaptado para recuperar entonces, en el banco final de enfriamiento de gases de combustión ECO1, las condiciones de temperatura adecuadas del flujo de fluido portador térmico previamente enfriado por el aire comburente en el aerotermo 4.

[0075] Más concretamente, como se muestra en el diagrama de flujo de la figura 2, el sensor 27 detecta constantemente la temperatura Tsw del fluido portador térmico a la salida 15 del aerotermo y proporciona una señal a la unidad 25 que la compara con un valor de referencia predeterminado Tsp. Si la temperatura del fluido portador térmico 15 es superior (Tsw > Tsp) al valor de referencia, se emite una señal de control para el cierre parcial de la válvula 3 al aerotermo 4; en caso contrario, se emite una señal que ordena una apertura mayor.

[0076] El citado porcentaje del fluido portador térmico 9, en el caso de que sea el agua de alimentación, se selecciona preferentemente entre el 25% y el 35% del total de la alimentación, sin que esta selección suponga una limitación de los derechos del Solicitante. En efecto, pueden adoptarse otros porcentajes en función de las necesidades de funcionamiento del sistema 1 de acuerdo con la invención de acuerdo con lo que se ilustra en el esquema simple de la figura 2.

[0077] El resultado del intercambio térmico dentro del aerotermo 4 es doble. Por un lado, el fluido portador térmico se libera a unos 60-70 ° C desde una salida 15 del calentador de ventilador 4; por otro lado, el aire comburente calentado se emite a través de una segunda salida 18 del calentador de ventilador 4.

[0078] La reducción térmica afecta sobre todo al fluido portador térmico 9, ya que el flujo de aire ambiente 8 se calienta en cambio por este paso a través del calefactor del ventilador 4.

[0079] Este aire comburente se alimenta a un quemador 5 de la caldera 2 de donde salen los gases de combustión 19 a una temperatura elevada e igual a unos 240 ° C.

[0080] Ventajosamente, de acuerdo con la invención, el aerotermo 4 y la primera etapa economizadora 6 forman en su conjunto el primer grupo de intercambio y reducción térmica 20 del sistema 1.

[0081] Esta etapa economizadora 6 (citada en la figura con la abreviatura ECO1) es sustancialmente un segundo intercambiador gas/líquido, adicional con respecto a ECO2, que recibe directamente en la entrada 16 la salida 15 del aerotermo 4 que lleva el fluido portador térmico a una temperatura de unos 60-70 ° C. La etapa 6 lleva en una salida 17, después del intercambio térmico, la temperatura del fluido portador térmico a aproximadamente el valor que tenía en la condición original 9.

[0082] La salida 17 del economizador 6 está conectada a la unión en T 12 que recibe también la salida 11 de la válvula 3. Las temperaturas del fluido portador térmico que converge en la unión 12 son similares.

[0083] Teniendo en cuenta los diferentes caudales de estas alimentaciones de fluido portador térmico, la temperatura de salida de la unión 12 es una media ponderada sobre los caudales respectivos entre las temperaturas de entrada de las corrientes 11 y 17.

[0084] Esta te de unión 12 está conectada a una entrada 13 de la segunda etapa economizadora 7 (representada en la figura con la abreviatura ECO2), que también puede definirse como un tercer intercambiador o como un segundo grupo de intercambio y reducción térmica 30 del sistema 1.

[0085] Esencialmente, el fluido portador térmico de alimentación 9 y el fluido portador térmico que sale de la primera etapa de reducción térmica 20 convergen en la unión 12 para ser alimentados en la entrada 13 de la segunda etapa de reducción térmica 30.

[0086] Este fluido portador térmico se alimenta a la entrada 13 del segundo economizador 7 que produce en una salida 14 la temperatura más alta del fluido portador térmico de todo el circuito y que se alimenta a la entrada de la caldera 2. Debe tenerse en cuenta que la temperatura del agua a la salida 14 del economizador ECO2 debe ser inferior a la temperatura de saturación a la presión de funcionamiento.

[0087] La temperatura de salida de los gases de combustión debe ser cercana a 80 ° C para obtener la eficiencia y el rendimiento deseados.

[0088] El sistema de acuerdo con la invención podría alcanzar también 60°C como temperatura final de salida de los gases de combustión, pero los requisitos anticondensación sugieren trabajar en las condiciones mencionadas hasta alcanzar unos 80°C en la temperatura final de los gases de combustión. La solución de la presente invención representa un compromiso óptimo entre el rendimiento obtenible y las condiciones de funcionamiento óptimas para una vida útil más duradera del generador.

[0089] Esencialmente, la invención proporciona la reducción de la temperatura de los gases de combustión mediante el precalentamiento del aire comburente alimentado al quemador 5 de la caldera 2 y el precalentamiento del fluido portador térmico a través de los economizadores 6 y 7.

[0090] Más concretamente, el núcleo del sistema fabricado de acuerdo con la presente invención para la recuperación de energía de los gases de combustión es la distribución del fluido portador térmico 9 entre dos grupos de intercambio o reducción 20, 30 de tamaño adecuado. Un primer grupo 20 consta de dos intercambiadores, el aerotermo 4 y el primer economizador 6. El aerotermo 4 se inserta en el conducto de aire de combustión hacia el quemador 5 de la caldera 2, mientras que el intercambiador 6 que funciona como primer economizador ECO 1 se inserta en el conducto de gases de combustión aguas abajo de la caldera 2 y del economizador 7.

[0091] En el aerotermo 4, el fluido portador térmico 9 cede una parte de su calor sensible calentando el aire de combustión a 25 °C. El fluido portador térmico así enfriado se envía al primer economizador 6, que tiene así una mayor capacidad para extraer calor de los gases de combustión debido a que el fluido portador térmico está a una temperatura inferior desde que pasó por el aerotermo 4.

[0092] Ventajosamente, es el segundo grupo de reducción 30 formado por el tercer intercambiador 7, es decir, por un tercer intercambiador que funciona como segundo economizador ECO2, el que recoge la totalidad del fluido portador térmico alimentado a través de la unión 12, es decir, tanto el fluido portador térmico 9 procedente de la salida 11 de la válvula de tres vías 3, que eludió el primer grupo de reducción 20, como el que pasó en cambio por dicho primer grupo 20 y salió por la salida 17 del primer economizador ECO1.

[0093] Debe tenerse en cuenta que la salida de gases de combustión del quemador 5 es la alimentación de gas para el tercer intercambiador de gas/líquido 7 que funciona como segundo economizador ECO2; mientras que la salida de gases de combustión de dicho segundo economizador ECO2 es la alimentación de gas del segundo intercambiador de gas/líquido 6 que funciona como primer economizador ECO1.

[0094] La regulación de los medios de válvula 3 la realiza la unidad de regulación y control 25 en función de la temperatura Tsw del fluido portador térmico 15 que sale del calentador de ventilador 4 detectada por el sensor 27. Los datos experimentales detectados por el Solicitante demostraron que el sistema de acuerdo con la invención funciona correctamente hasta temperaturas de 160 ° C del fluido portador térmico en la entrada 9. La temperatura de consigna óptima Tsp del fluido portador térmico 15 a la salida del aerotermo 4 es de aproximadamente 60°C. Por debajo de esta temperatura Tsp, la unidad de control 25 aumentará el porcentaje del fluido portador térmico 9 dirigido hacia el aerotermo 4 accionando un control de bucle cerrado hasta que la temperatura no vuelva a alcanzar un valor superior al valor de referencia Tsp.

[0095] En resumen, la lógica de intervención de la unidad de control 25 es la siguiente:

[0096] • si Tsw > Tsp, la válvula de regulación 3 reduce la cantidad de fluido portador térmico que llega al aerotermo 4;

[0097] • si Tsw < Tsp la válvula de regulación 3 aumenta la cantidad de fluido portador térmico al aerotermo 4.

[0098] Con estos dispositivos es posible enfriar los gases de combustión hasta 80°C aunque teniendo el agua de alimentación hasta 160 °C, concretamente entre 110°C y 160°C, obteniendo un rendimiento igual a aproximadamente el 98%. Por el contrario, los sistemas conocidos no son capaces de alcanzar estos rendimientos. Consideremos, por ejemplo, los diagramas de las figuras 3 a 5 que muestran para diferentes presiones de funcionamiento (iguales a 10, 15 y 20 barg, respectivamente) la temperatura más alta del agua que sale del economizador para el sistema descrito en la patente EP 2249079 B1 cuando varía la temperatura del agua de alimentación.

[0099] A la salida del economizador Tfa3 (ver figura 1 de dicha patente) existe el riesgo de tener una temperatura del agua en el punto más caliente del circuito muy cercana a la temperatura de saturación, esta condición es inaceptable para aplicaciones en generadores de vapor. De hecho, la temperatura del agua de alimentación en el punto más caliente del circuito de alimentación debe ser al menos 15-20°C más fría que la temperatura de saturación, para evitar la ebullición fuera del cuerpo cilíndrico. Sólo con un control dinámico de la temperatura de salida de los gases de combustión de acuerdo con la presente invención es posible maximizar el servicio en todas las condiciones de trabajo y, en particular, cuando las temperaturas de alimentación del fluido portador alcanzan los 150°C.

[0100] En el diagrama de la figura 6, puede apreciarse en cambio cómo el sistema de acuerdo con la invención asegura un buen margen (de al menos 15°C) con respecto a la temperatura de saturación con el agua de alimentación hasta 150°C. Por último, el diagrama comparativo de la figura 7 muestra la tendencia de la temperatura del aire de combustión con respecto a la temperatura del agua de alimentación para el sistema 1 de la presente invención. Como puede apreciarse, la temperatura del aire del sistema 1 de acuerdo con la invención, representada por la línea inferior es siempre inferior a la temperatura relativa al sistema conocido, descrito por ejemplo en la patente EP 2249079 B1, representada por la línea superior.

[0101] • El sistema y el procedimiento de la presente invención resuelven por lo tanto el problema técnico y consiguen varias ventajas que se resumen a continuación:

[0102] • maximización de la recuperación de calor en todas las condiciones de trabajo;

[0103] • la temperatura más baja posible de los gases de combustión que salen de la última etapa del economizador;

[0104] • se evita la formación de condensados ácidos, también parciales, a partir de los gases de combustión; • control dinámico de la temperatura de salida de los gases de combustión en todas las condiciones de trabajo;

[0105] • hacer que la eficacia de la máquina sea independiente de la temperatura de alimentación;

[0106] Nada impide que los materiales utilizados para fabricar los distintos intercambiadores de calor sean de alta calidad, aunque ello afecte sólo de forma limitada al rendimiento del sistema, que alcanza los rendimientos indicados adoptando una solución mixta con precalentamiento del aire comburente regulado en función de la temperatura del agua de alimentación.

[0108] Por lo tanto, lo que aquí se describe debe entenderse a modo de ejemplo no limitativo de la invención.

Claims (12)

1. REIVINDICACIONES

1. Sistema de recuperación de energía de alta eficiencia (1) para calderas industriales o generadores de vapor, del tipo que comprende al menos un intercambiador gas/líquido (7) que funciona como economizador (ECO2) para recuperar calor de los gases de combustión (19) que salen de un quemador (5) de una caldera (2), y un aerotermo de gas/líquido (4) alimentado por un flujo (8) de aire a temperatura ambiente para ser utilizado como comburente de dicho quemador (5) y por un porcentaje de un fluido portador térmico (9) sangrado de la alimentación de dicho economizador (ECO2); el sistema de recuperación de energía de alta eficiencia que comprende:

- un intercambiador gas/líquido adicional (6) que funciona como economizador (ECO1) alimentado en una entrada (16) por una salida de líquido (15) de dicho aerotermo (4) y que recibe en una entrada una salida del otro economizador (ECO2) para recuperar calor adicional de los gases de combustión que salen del quemador (5) de la caldera (2); - medios de válvula (3) para purgar y regular el porcentaje de fluido portador térmico (9) que entra en dicho aerotermo de gas/líquido (4); dichos medios de válvula (3) están conectados a una unidad de regulación (25) que funciona en función de una señal de temperatura (Tsw) detectada por un sensor (27) situado en la salida de líquido (15) de dicho aerotermo (4) y en función de una temperatura de consigna óptima (Tsp) de dicho fluido portador térmico (9) en dicha salida (15) de dicho aerotermo (4) de acuerdo con la siguiente lógica:

- si Tsw > Tsp dicha válvula de regulación (3) reduce la cantidad de fluido portador térmico (9) a dicho calentador de ventilador (4);

- si Tsw < Tsp dicha válvula de regulación (3) aumenta la cantidad de fluido portador térmico (9) hacia el aerotermo (4) en el que el sistema de recuperación de energía de alta eficiencia (1) está adaptado para utilizar dicho fluido portador térmico a una temperatura superior a 110 °C hasta alcanzar 160 °C;

- dichos medios de válvula (3) que comprenden una válvula estranguladora de tres vías (3) que recibe en una entrada la alimentación de dicho fluido portador térmico (9) y distribuye en salidas respectivas (10, 11) la alimentación de líquido para dicho aerotermo gas/líquido (4) y la alimentación residual de líquido para dicho al menos un intercambiador gas/líquido (7) que funciona como economizador (ECO2).

2. Sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho aerotermo de gas/líquido (4) es un aerotermo que tiene una salida de aire (18) alimentada a la entrada del quemador (5) de dicha caldera (2) y la salida de fluido portador térmico (15) alimentada a la entrada (16) de dicho intercambiador adicional de gas/líquido (6) que funciona como economizador (ECO1).

3. Sistema de acuerdo con la reivindicación 2, en el que dicho aerotermo (4) y dicho intercambiador gas/líquido adicional (6) que funciona como economizador (ECO1) pertenecen a un grupo de intercambio y reducción térmica (20) integrado en el sistema (1) aguas arriba del primer intercambiador gas/líquido (7) que funciona como economizador (ECO2).

4. Sistema de acuerdo con la reivindicación 2, en el que dicho primer intercambiador gas/líquido (7) que funciona como economizador (ECO2) es alimentado a su vez por un porcentaje residual de fluido portador térmico (9) y por el fluido portador térmico que sale de dicho intercambiador gas/líquido adicional (6) que funciona como economizador (ECO1).

5. Sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que, en caso de que el fluido portador térmico fuera el agua de alimentación de la caldera, el porcentaje de agua de alimentación (9) se selecciona preferentemente entre el 25% y el 35% de la alimentación de agua de alimentación (9).

6. Sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la salida de gases de combustión de dicho quemador (5) es la alimentación de gas para dicho al menos un intercambiador gas/líquido (7) que funciona como economizador (ECO2).

7. Sistema de acuerdo con la reivindicación 2, en el que la salida de gases de combustión de dicho al menos un intercambiador de gas/líquido (7) que funciona como economizador (ECO2) es la alimentación de gas para dicho intercambiador de gas/líquido adicional (6) que funciona como economizador (ECO1).

8. Un procedimiento de recuperación de energía de alta eficiencia para calderas industriales o generadores de vapor que comprende al menos un intercambiador gas/líquido (7) que funciona como economizador (ECO2) para recuperar calor de los gases de combustión (19) que salen de un quemador (5) de una caldera (2), un intercambiador gas/líquido (6) adicional que funciona como economizador (ECO1), y un aerotermo gas/líquido (4) alimentado por un flujo (8) de aire a temperatura ambiente que se utilizará como comburente de dicho quemador (5) y por un porcentaje de fluido portador térmico (9) purgado de la alimentación de dicho economizador (ECO2), siendo así que:

- al menos una etapa de recuperación de calor de los gases de combustión que salen de la caldera se realiza mediante un intercambio térmico gas/líquido en al menos un intercambiador gas/líquido (7) que funciona como economizador (ECO2) entre los gases de combustión y un fluido portador térmico

- una etapa de precalentamiento del aire comburente alimentado al quemador (5) de la caldera (2) mediante un intercambio térmico gas/líquido entre un flujo de aire ambiente (8) y al menos un porcentaje regulado de dicho fluido portador térmico (9); en dicha etapa de precalentamiento interviene el aerotermo gas/líquido (4) alimentado por el flujo (8) de aire a temperatura ambiente y por dicho porcentaje regulado de dicho fluido portador térmico (9) alimentado a dicho al menos un intercambiador gas/líquido (7) que funciona como economizador (ECO2) y en el que dicho fluido portador térmico es regulado por medios de válvula (3) y por una unidad de regulación (25) sobre la base de una señal de temperatura (Tsw) por un sensor (27) en la salida de líquido (15) de dicho aerotermo (4) y sobre la base de una temperatura de consigna óptima (Tsp) de dicho fluido portador térmico (9) en la salida (15) de dicho aerotermo (4) de acuerdo con la siguiente lógica:

- si Tsw > Tsp la cantidad de fluido portador térmico (9) a dicho calentador de ventilador (4) es reducida por dicha válvula de regulación (3);

- si Tsw < Tsp la cantidad de fluido portador térmico (9) al calentador de ventilador (4) es incrementada por dicha válvula de regulación (3);

en el que dicho fluido portador térmico (9) se utiliza a una temperatura superior a 110 °C hasta alcanzar 160 °C.

9. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8, en el que, en caso de que el fluido portador térmico fuera el agua de alimentación a la caldera, dicho porcentaje varía entre al menos el 25% y el 35% del agua de alimentación y es regulado por una unidad de control (25) en función de la temperatura (Tsw) del agua (15) que sale de dicho aerotermo gas/líquido (4).

10. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8, en el que se alimenta a dicho al menos un intercambiador gas/líquido (7) que funciona como economizador (ECO2) el porcentaje residual de dicho fluido portador térmico (9), así como el fluido portador térmico (9) que sale de un intercambiador gas/líquido adicional (6) que funciona como economizador (ECO1).

11. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 9, en el que dicho porcentaje regulado se obtiene a través de medios de válvula (3) que comprenden una válvula de estrangulamiento de tres vías que recibe en una entrada la alimentación del agua de alimentación (9) y distribuye en salidas respectivas (10, 11) una alimentación de líquido para dicho aerotermo gas/líquido (4) y la alimentación residual de líquido para dicho al menos un intercambiador de calor gas/líquido (7) que funciona como economizador (ECO2).

12. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 9, en el que la salida de gases de combustión de dicho al menos un intercambiador de gas/líquido (7) que funciona como economizador (ECO2) es la alimentación de gas para dicho intercambiador de gas/líquido adicional (6) que funciona como economizador (ECO1).