PT2856055T

PT2856055T - Processo de transferência de calor entre um sal fundido e outro fluido num permutador de calor em espiral

Info

Publication number: PT2856055T
Application number: PT137229951T
Authority: PT
Inventors: Winkler Hubertus; Steinbauer Manfred; Kerber Christiane; Koning Steven; Lochbrunner Andrew; Weikl Markus; Reiter Norbert; Müller-Thorwart Ole; Deichsel Florian; Adametz Helgo
Original assignee: Linde Ag
Priority date: 2012-05-24
Filing date: 2013-05-14
Publication date: 2016-11-21
Also published as: WO2013174486A1; CY1118367T1; MA20150348A1; AU2013265698A1; AU2013265698B2; ZA201408436B; DE102012010311A1; MA37558B1; ES2600734T3; CN104321608A; CL2014003179A1; EP2667135A1; EP2856055A1; EP2856055B1

Description

DESCRIÇÃO "PROCESSO DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR ENTRE UM SAL FUNDIDO E OUTRO FLUIDO NUM PERMUTADOR DE CALOR EM ESPIRAL" A invenção refere-se a um processo de transferência de calor indireto entre um sal fundido como primeiro agente de transferência de calor e pelo menos um segundo agente de transferência de calor, tal como o fluido térmico. 0 sal fundido é utilizado como agente de transferência de calor, por exemplo, nas centrais elétricas movidas a energia solar térmica.

Aqui, compreende-se por agente de transferência de calor um fluido liquido, gasoso ou supercritico que, numa posição do processo da central elétrica, recebe ou transfere uma quantidade de calor que, numa outra posição do processo da central elétrica ou fora desta, a volta a receber ou a transferir. Neste sentido, é também de considerar como agente de transferência de calor um agente de funcionamento, ao qual será administrado, no processo da central elétrica, energia térmica, para transformar esta em trabalho mecânico.

Nas centrais elétricas movidas a energia solar térmica, é produzida eletricidade, que é extraída da energia solar através de um ciclo termodinâmico. Neste caso, é produzido gás superaquecido através da circulação de um agente de funcionamento (por exemplo, água ou amoníaco) no circuito do gás que é, consequentemente, numa turbina de gás anexada a um gerador elétrico, descomprimido para o trabalho produtivo. Assim, pode ser administrado calor ao agente de funcionamento, diretamente através dos raios solares ou indiretamente através de um permutador de calor (por exemplo, fluido térmico, sal fundido) que, por sua vez, é aquecido através de luz solar concentrada. Para a extensão da produção da eletricidade no tempo, em que o sol não brilha ou, para nivelar as interrupções dos raios solares, provocadas pelas nuvens, pode ser memorizada temporariamente uma parte do calor solar já captado, com a ajuda deste mesmo (direto) ou de outro agente de transferência de calor (indireto) . Regra geral, são utilizados para fins de armazenamento de calor, sais fundidos (tipicamente misturas eutécticas de KNO3 e NaNCh) , que são aquecidos diretamente ou indiretamente, através de outro agente de transferência de calor, como por exemplo o fluido térmico, até uma temperatura entre 250-400 °C ou 600 °C e são armazenados em tanques de fundo plano, transferindo, direta ou indiretamente, o seu calor aos agentes de funcionamento.

Para a transferência de calor entre um sal fundido e um outro agente de transferência de calor é utilizado, em regra, um permutador de calor de carcaça e tubos, denominado STHEs (advém da designação inglesa Shell and Tube Heat Exchangers). Tendo em conta as quantidades elevadas de calor que têm que ser transferidas em baixas diferenças de temperatura entre o calor que é trocado pelos agentes de transferência de calor, são ativados vários STHEs em série. Em instalações existentes (Andasol 1 ou 2) estão ao dispor, por exemplo, seis permutadores para o carregamento e descarregamento do armazenamento do sal fundido. No caso de transferências de quantidades mais elevadas de calor, devem ser construídos condutores paralelos. Isto leva a elevados custos de investimento e perdas de eficiência suplementares na transferência de calor.

Os STHEs anteriormente utilizados mostram ainda, devido ao seu tipo de construção, uma menor flexibilidade relativamente a alterações de temperatura na aproximação e partida da central elétrica ou no carregamento e descarregamento do armazenamento do calor o que leva a um tempo de reação mais elevado, nos casos de variações de carga, resultando em dificuldades na adaptação das exigências da rede de eletricidade.

No documento DE 10 2010 009 485 Al consta um mecanismo de produção de vapor de água superaquecido através de energia solar. O mecanismo engloba um circuito de agentes de transferência de calor e um circuito de água/vapor de água. O sal fundido pode ser utilizado como agente de transferência de calor. Os tubos de água estão dispostos em forma de meandro num recipiente sobre pressão e estão ordenados paralelamente e compactados em conjuntos de tubos. O fluido do agente de transferência de calor passa através do recipiente de pressão, ao lado dos tubos de água, organizados transversalmente. Assim, dá-se uma transferência de calor entre os agentes de transferência de calor e a água/vapor de água. O documento DE 10 2010 009 485 mostra um processo de acordo com a denominação genérica da Reivindicação 1. O documento NL 8 201 857 A refere-se a um mecanismo para o armazenamento de calor. Este engloba um recipiente 1, que está cheio de um sal, que atinge o seu ponto de fusão entre os 50 °C e 80 °C. Através de uma canalização 5 é transportado um fluido introdutor de calor e através de uma canalização 7 é transportado um fluido recetor de calor. Primordialmente, é transportado através da canalização 5 o fluido introdutor de calor que irá derreter o sal contido no recipiente 1. De seguida, é transportado, através da canalização 7, um fluido recetor de calor, que absorve o calor advindo da fusão, através do qual o sal volta a cristalizar. No sentido de melhorar a transferência do calor, está contido, no interior do recipiente, um material fino, tal como uma tela metálica.

Através do documento ES 2 355 911 é conhecido um forno para derreter sais inorgânicos. 0 forno engloba um recipiente com uma entrada para sal inorgânico, uma saida para o sal derretido no forno e uma quantidade de tubos de transferência de calor, através dos quais passam os gases de combustão a elevadas temperaturas, que aquecem e derretem os sais inorgânicos contidos no recipiente. Os tubos mostram uma seção em forma de espiral. Numa forma de execução, os tubos estão organizados em diferentes alturas, que estabelecem diferentes níveis de aquecimento para aquecer o recipiente. 0 documento EP 1 975 537 A2 corresponde, igualmente, a um processo e um mecanismo para derreter sais cristalinos. 0 objetivo da presente invenção é o de especificar um processo da técnica em apreço, através do qual se consegue ultrapassar a desvantagem do estado da técnica, nomeadamente no que respeita aos STHEs anteriormente utilizados.

Esta tarefa é solucionada através de um processo de acordo com a Reivindicação 1. As Reivindicações dependentes 2 a 6 correspondem a formas de execução preferenciais.

Destarte, é disponibilizado um processo para a permuta indireta de calor entre um sal fundido, como primeiro agente de transferência de calor e pelo menos um segundo agente de transferência de calor, como por exemplo, o fluido térmico ou água ou vapor de água. De acordo com a invenção, o sal fundido e o segundo agente de transferência de calor são, para efeitos de permuta de calor, introduzidos em, pelo menos um, permutador de calor em espiral e transportados através deste, onde o permutador de calor em espiral mostra uma quantidade mais elevada de tubos, que se encontram enrolados em várias posições à volta de um tubo base central e estão envoltos num manto, que limita um espaço de revestimento à volta do tubo, através do qual o sal fundido é transportado, pelo espaço de revestimento do permutador de calor em espiral e a temperatura da fusão do sal fundido se encontra entre cerca de 250 °C até cerca de 600 °C e onde o segundo ou outros agentes de transferência de calor são sal fundido, água, vapor, amoníaco, dióxido de carbono supercrítico ou fluido térmico e onde o segundo ou outros agentes de transferência de calor são transportados através dos tubos do permutador de calor em espiral.

Os permutadores de calor em espiral, denominados CWHEs (advém da designação inglesa Coil-Wound Heat Exchangers) são tipos especiais de agentes de transferência de calor, que são, atualmente, utilizados em diferentes processos da grande tecnologia, como por exemplo na lavagem de metanol, na liquefação de gás natural ou na produção de etileno. Um permutador de calor em espiral mostra uma quantidade mais elevada de tubos, que se encontram enrolados em várias posições à volta de um tubo base central. Os tubos estão envoltos num manto que limita o espaço exterior do tubo, daqui para a frente designado por espaço de revestimento. No demais, são os tubos, a maior parte das vezes, colocados enrolados em um ou mais conjuntos, em fundos com buracos na extremidade do permutador de calor e estão atados com apoios ao manto do mesmo. Assim, podem os tubos do permutador de calor transportar um único fluxo de transferência de calor (fluxo único) ou vários fluxos separados de transferência de calor (múltiplos fluxos).

Através do espaço de revestimento do permutador de calor, pode um agente de transferência de calor do revestimento ser transportado e, assim, transferir o calor com um ou vários fluxos de transferência de calor para um agente de transferência de calor do tubo.

Os STHEs, em comparação aos CWHEs, têm uma maior relação de área de transferência de calor relativamente ao volume de produção, pelo que são mais compactos. Por outro lado, também são mais robustos e flexíveis no seu funcionamento. Através da direção do fluxo com elevadas velocidades do fluxo e, assim, com elevados coeficientes de transferência de calor, são os CWHEs também adequados para aplicações, nas quais os agentes de transferência de calor mostram diferenças minimas de temperatura. Com os CWHEs podem ser atingidas grandes diferenças entre a temperatura de entrada e a temperatura de saida do respetivo agente de transferência de calor. Outra mais-valia dos CWHEs é que estas podem ser esvaziadas por si só, tanto do lado do revestimento como do lado dos tubos. Isto é importante para a utilização do sal fundido, pois o sal congelado no interior do permutador de calor, já não pode voltar a ser derretido. Para além disto, os CWHEs são insensíveis a mudanças elevadas de temperaturas que se verificam diariamente nas instalações de energia solar térmica que utilizam sal fundido.

De acordo com a invenção, o sal fundido é transportado através do espaço de revestimento do permutador de calor em espiral. A temperatura do sal fundido encontra-se num intervalo entre cerca de 250 °C até cerca de 600 °C, preferencialmente num intervalo entre cerca de 250 °C até cerca de 400 °C ou muito preferencialmente, nos casos de utilização a elevadas temperaturas, entre cerca de 550 °C até cerca de 600 °C.O segundo ou outros agentes de transferência de calor, de acordo com a invenção são estes, outros sais fundidos, água, vapor de água, amoníaco, dióxido de carbono supercrítico ou fluido térmico, são transportados através dos tubos do permutador de calor em espiral. Do lado dos tubos, existe, assim, a possibilidade de transportar, com um permutador de calor em espiral de múltiplo fluxo, vários diferentes agentes de transferência de calor, separados entre si, através dos tubos do permutador de calor.

Em algumas invenções, será necessário a utilização paralela de vários permutadores de calor em espiral, ordenados uns aos outros, para a transferência de uma quantidade definida de calor entre o sal fundido e o segundo agente de transferência de calor.

Uma variante preferencial do processo de invenção pressupõe que a totalidade da quantidade do calor a transferir entre os dois agentes de transferência de calor seja transferida entre não mais do que dois CWHEs. Devem ser realizadas, preferencialmente, num CWHE, várias etapas de transferência de calor, como por exemplo o aquecimento e/ou a evaporação e/ou o superaquecimento de um agente de transferência de calor, como por exemplo água ou vapor.

Uma variante especialmente preferencial do processo de invenção pressupõe que a totalidade da quantidade de calor a transferir entre ambos os agentes de transferência de calor, seja transferida através de exatamente um CWHE. 0 aquecimento, a evaporação e o superaquecimento de um agente de transferência de calor, como por exemplo água ou vapor, deve ser realizado, preferencialmente, em exatamente um CWHE. 0 processo de invenção é especialmente vantajoso quando aplicado em centrais elétricas movidas a energia solar térmica, pois, atendendo à simplicidade mecânica dos CWHEs, o armazenamento de calor de uma central elétrica movida a energia solar térmica, deixa-se moldar mais compactamente do que seria possível através do estado da técnica, o que leva a custos de investimento claramente inferiores.

Nas centrais elétricas movidas a energia solar térmica podem, igualmente, surgir utilizações nas quais os agentes de transferência de calor ou os agentes de funcionamento, que não sejam sal fundido, conseguem transferir calor entre eles, como por exemplo o fluido térmico ou água/vapor.

Também aqui podem ser utilizados, de forma vantajosa, para a transferência de calor entre os agentes de transferência de calor, que não sejam sais fundidos, permutadores de calor em espiral. No entanto, estas utilizações não reportam às formas de execução da presente invenção.

Seguidamente, deve a invenção, com o auxílio de exemplos de formas de realização, ser explicada mais de perto. As figuras mostram:

Figura 1: uma representação esquemática de dois processos para a transferência de calor indireta entre um sal fundido, como primeiro agente de transferência de calor e um segundo agente de transferência de calor, mediante a ajuda de um permutador de calor em espiral numa central elétrica movida a energia solar térmica;

Figura 2: uma vista de uma perspetiva parcialmente cortada de um permutador de calor em espiral retirada da Fig. 1.

Primeiro exemplo: A condução do agente de transferência de calor do primeiro exemplo está retratado nas linhas continuas das Fig. 1 e 2. Do tanque de armazenamento 1 é extraído, como primeiro agente de transferência de calor, sal fundido 2, com uma temperatura de cerca de de 300 °C e é adicionado, através de uma canalização 4, a um permutador de calor em espiral 5, que está retratado numa vista perspetivada na Fig. 2. O permutador de calor em espiral 5, retratado na Fig.2, mostra um manto 6, que engloba um espaço de revestimento 7 no interior do permutador de calor em espiral 5. No interior do espaço de revestimento 7, encontra-se uma quantidade maior de tubos 8, que estão enrolados em várias posições à volta de um tubo base central 9. O permutador de calor 5, retratado na Fig. 2, mostra três conjuntos 10 de tubos, que podem transportar, respetivamente, através de apoios separados 11 ou 21, fluidos. Para a presente utilização é, no entanto, suficiente uma execução de fluxo único com um único conjunto 10 de tubos. Os três respetivos conjuntos 10 existentes, apoios 11 ou 21, são para serem considerados em substituição, através de um respetivo conjunto 10, um apoio 11 da extremidade inferior do permutador de calor 5 e um apoio 21 na extremidade superior do permutador de calor. Parte-se, assim, do pressuposto, que na próxima descrição, se trata de uma execução de fluxo único. O sal fundido 2 é introduzido no espaço de revestimento 7 do permutador de calor 5, através de um apoio 16 na extremidade inferior do permutador de calor, pela canalização 4. Na extremidade superior do permutador de calor 5, é introduzido fluido térmico como segundo agente de transferência de calor 15, a uma temperatura de cerca de 400 °C, através do apoio 21 nos tubos 8 do permutador de calor em espiral 5. Assim, entra nos tubos 8 o corrente fluido térmico quente 15 em transferência de calor indireta com o sal fundido 2, que corre no espaço de revestimento 7, que é, assim, aquecido. O sal fundido 2 aquecido abandona o espaço de revestimento 7 do permutador de calor 5, a uma temperatura de cerca de 400 °C através de um apoio 14 na extremidade superior do permutador de calor 5 e é, como retratado pela Fig. 1, introduzido num segundo tanque de armazenamento 20, através da canalização 17. O sal fundido 2 aquecido pode ser retirado do tanque de armazenamento 20, para demais utilizações. O fluido térmico 15, esfriado para uma temperatura de cerca de 300 °C, abandona o permutador de calor 5 na sua extremidade inferior, através do apoio 11.

Segundo exemplo: A condução do agente de transferência de calor do segundo exemplo está retratado em linhas descontinuas das Fig. 1 e 2. O sal fundido 2' é transferido através da canalização 4', mediante a ajuda de uma bomba 3, do tanque de armazenamento 1 para o permutador de calor 5. Na extremidade superior do permutador de calor 5, é introduzido o sal fundido 2', através do apoio 14 para o espaço de revestimento 7 do permutador de calor 5, com uma temperatura num intervalo entre 250 °C e 600 °C, em regra de 250 °C a 400 °C ou em utilizações de elevadas temperaturas também num intervalo entre 550 °C e 600 °C. O sal fundido 2' entra em direta transferência de calor com a água 15', que é introduzida através do apoio 11 nos tubos 8 da extremidade inferior do permutador de calor 5. A água 15' ao correr pelos tubos 8 é primeiro aquecida, depois evaporada e, por fim, superaquecida, antes de abandonar, em forma de superaquecido vapor de água 15'', o permutador de calor em espiral 5, através do apoio 21 e de ser introduzida, de seguida, numa turbina de vapor, não retratada. 0 sal fundido 2', esfriado no permutador de calor 5, abandona o espaço de revestimento 7 do permutador de calor 5 através do apoio 16 e é introduzido, pela canalização 17', no tanque de armazenamento 20. A partir daqui, pode o sal fundido 2' ser novamente aquecido, adicionando energia solar direta ou indireta, ficando depois novamente disponível para ser utilizado na transferência de calor no permutador de calor 5.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Processo para a permutação de calor indireto entre um sal fundido (2, 2') como primeiro agente de transferência de calor e pelo menos um segundo agente de transferência de calor (15, 15'), caraterizado por o sal fundido (2, 2') e o segundo agente de transferência de calor (15, 15') serem introduzidos num permutador de calor em espiral (5), passando através deste, onde o permutador de calor mostra uma maior quantidade de tubos (8), que se encontram enrolados em várias posições à volta de um tubo base central (9) envoltos num manto (6), que delimita um espaço de revestimento (7) à volta dos tubos (8), onde 0 sal fundido (2, 2') é introduzido por esse espaço de revestimento (7) do permutador de calor em espiral (5) e a temperatura do sal fundido se encontra num intervalo entre cerca de 250 °C até cerca de 600 °C e onde o segundo ou mais agentes de transferência de calor (15, 15') que é um sal fundido, água, vapor, amoníaco, dióxido de carbono supercrítico ou fluido térmico, é introduzido através dos tubos (8) do permutador de calor em espiral (5).
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caraterizado por a temperatura do sal fundido se encontrar num intervalo entre cerca de 250 °C até cerca de 400 °C ou cerca de 550 °C até cerca de 600 °C.
3. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caraterizado por a quantidade total de calor a transferir, entre o sal fundido (2, 2') e um segundo agente de transferência de calor (15, 15'), ser transferida através de vários permutadores de calor em espiral, paralelamente organizados entre si.
4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caraterizado por a quantidade total de calor a transferir, entre o sal fundido (2, 2') e um segundo agente de transferência de calor (15, 15'), ser transferida através de não mais do que dois permutadores de calor em espiral (5) .
5. Processo de acordo com uma das reivindicações 1, 2 ou 4, caraterizado por a quantidade total de calor a transferir, entre o sal fundido (2, 2') e um segundo agente de transferência de calor (15, 15'), ser transferida através de exatamente um permutador de calor em espiral (5).
6. Utilização de um processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, numa central elétrica movida a energia solar térmica.