ES2312416T3

ES2312416T3 - Un intercambiador de calor de enfriammiento y de preenfriamiento para el acondicionamiento del aire de admision de un turbina.

Info

Publication number: ES2312416T3
Application number: ES01911121T
Authority: ES
Inventors: Andrew J. Becwar
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-02-23
Filing date: 2001-02-23
Publication date: 2009-03-01
Anticipated expiration: 2021-02-23
Also published as: EP1257349B1; WO2001062372A1; EP1257349A4; CA2400149C; EP1257349A1; ATE404272T1; US6385987B2; DE60135308D1; US20010032477A1; AU2001238654A1; CA2400149A1

Abstract

Un pre-enfriador para enfriar el aire de admisión de una turbina de gas, que comprende: (a) un intercambiador de calor de enfriamiento por evaporación indirecta con etapas múltiples; en donde una primera etapa (1) está ligada con una segunda etapa (2) de tal manera que la salida fría de dicha primera etapa se pueda alimentar a la entrada de dicha segunda etapa; en el que la salida fría de dichas etapas ligadas primera y segunda de intercambiadores de calor es aproximadamente la adición de las salidas frías de dichas etapas primera y segunda ligadas de intercambiadores de calor consideradas individualmente; (b) una etapa de enfriamiento por evaporación directa de múltiples etapas (1044, 1046, 1048); en la que hay una o más sub-etapas de depuración de aire (1046, 1048) de dicha etapa de evaporación directa de múltiples sub-etapas; y (c) unos sumideros (1036) de múltiples etapas en los que cada etapa de sumidero, que se encuentra en una relación de correspondencia con una etapa de dicho intercambiador de calor de enfriamiento por evaporación indirecta, puede contener agua de sumidero a diferentes temperaturas, y en donde dichos sumideros separados (1036) están térmicamente aislados entre sí; y en donde (d) al menos una última etapa de dicho intercambiador de calor utiliza una fracción (1072) de un flujo de aire de lado seco (1014) para introducirla en el flujo de aire de evaporación (1016) del lado húmedo, en donde dicho aire se ha enfriado sensiblemente con respecto al mismo, y se encuentra a una temperatura de bola húmeda inferior a la del aire ambiente.

Description

Un intercambiador de calor de enfriamiento y de preenfriamiento para el acondicionamiento del aire de admisión de una turbina.

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Campo de aplicación del invento

El invento se refiere a un método y un aparato para aumentar la densidad del aire que se utiliza en un proceso de compresión tal como en los compresores de aire, turbinas de gas y otros procesos en los que es importante el aumento de la densidad del aire. Este invento se refiere también a un método y un aparato para reducir la temperatura del aire. Se refiere al acondicionamiento de aire. Se refiere a los intercambiadores de calor.

Antecedentes

El enfriamiento por evaporación indirecta, inventado a media década de los 70 (véase, por ejemplo, la patente de EE.UU. Nº 4.023.949, concedida a Schlom y colaboradores) utiliza el calor latente de la evaporación del agua para extraer calor del aire. Por otra parte, los enfriadores por evaporación directa, también conocidos como condensadores de evaporación, enfrían el aire haciéndolo pasar a través de almohadillas húmedas mediante las cuales la absorción por evaporación del calor latente de evaporación por parte del agua enfría directamente el aire. Como el vapor de agua se evapora directamente en el aire, el aire acaba con una intensa carga de humedad. Con una tercera solución, la refrigeración directa, el aire atraviesa un intercambiador de calor en el que hace evaporarse a un refrigerante tal como freón. Para reciclar el freón se usa una energía adicional con el fin de comprimir y condensar el freón desde el estado de vapor otra vez al estado líquido, en el que se encuentra el freón, por ejemplo, en el caso de la refrigeración. Por tanto, el rendimiento del uso de la energía se aumenta en el proceso de evaporación indirecta, porque no se gasta energía en la condensación de la parte de refrigerante de un proceso de refrigeración.

Tradicionalmente, los sistemas de admisión de las turbinas de gas dependen de la densidad del aire para aumentar el rendimiento. Históricamente, tres métodos para aumentar el rendimiento de la admisión de una turbina de gas incluyen la inyección de vapor, la refrigeración, y el enfriamiento por evaporación directa. Una solución más barata para aumentar la densidad del aire de admisión por enfriamiento, distinta a estos métodos históricos, es una solución por evaporación indirecta Las patentes de la técnica anterior en este campo incluyen: las concedidas a Scholm y colaboradores, patentes de EE,UU. Números 4.023.949; 4.107.940; 4.137.058; 4.156.351 y 4.418.527; la concedida a Foglman, patente de EE,UU. Nº 5.076.347; y la concedida a Kopko, documento Nº W09851916A1.

Entre las áreas en las que se podría mejorar un aumento adicional de rendimiento del enfriamiento por evaporación indirecta o el "Ciclo Everest" (patente de EE.UU. Nº 4.023.949), se incluyen (a) un proceso con mejor intercambio de calor, (b) un proceso mejorado de evaporación de agua, y (c) llevar la "temperatura de bola seca de admisión del compartimiento" a un valor lo más próximo posible a la "temperatura de bola húmeda del aire de escape", con el fin de aumentar el rendimiento termodinámico del proceso real.

Sumario del invento

De acuerdo con el presente invento, se provee un pre-enfriador para una turbina de gas según se define más adelante en la reivindicación 1.

El presente invento se basa en novedosos intercambiadores de calor y en métodos de construcción de intercambiadores de calor para uso en aplicaciones de enfriamiento por evaporación indirecta. El intercambiador de calor es útil para procesos de evaporación indirecta tanto de unidades simples como de unidades múltiples (en los que una pluralidad de intercambiadores de calor se instalan adosados mutuamente) El aparato evaporador para el enfriamiento comprende un intercambiador de calor para enfriamiento por evaporación indirecta de múltiples etapas; y un sumidero de múltiples etapas en el que cada etapa de sumidero, en una relación unitaria con una etapa del intercambiador de calor de múltiples etapas, tiene agua de sumidero a temperaturas progresivamente más frías a medida que se progresa más al interior del intercambiador de calor. Como existen etapas separadas del intercambiador de calor y de los sumideros de agua, se induce un enfriamiento progresivo sobre el aire de salida del lado seco. Se pueden combinar otros intercambiadores de calor de múltiples etapas con sus correspondientes sumideros de múltiples etapas, con el aire enfriado de un primer conjunto de evaporación de múltiples etapas alimentando el extremo de admisión de un segundo conjunto de evaporación de etapas múltiples, y así sucesivamente.

En cuanto a un proceso de múltiples etapas, para n etapas, cuando n tiende a infinito, el rendimiento termodinámico podría tender a un valor máximo, dado que la producción de entropía (dS = dq/T) se podría minimizar (S = entropía,
dq = calor trasmitido a la temperatura T). Esto ocurre cuando el ciclo operativo del proceso de múltiples etapas está lo más cerca posible de un proceso reversible, En la práctica real, la mayor parte de la ganancia en rendimiento termodinámico se podría conseguir con cuatro a seis etapas.

Estos intercambiadores de calor se pueden usar para un enfriamiento de confort, para el pre-enfriamiento del aire de admisión para turbinas de gas, y para suministrar aire de refrigeración para otras aplicaciones tales como generadores eléctricos y enfriadores de aceite lubricante. Para el confort, o para otro enfriador, el presente invento se podría usar bien como una unidad autónoma de enfriamiento o bien como un pre-enfriador para otro dispositivo de acondicionamiento de aire en el que se pre-enfríe el aire ambiente.

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Como una aplicación, el aparato de evaporación indirecta-directa se puede considerar como un conjunto completo para el pre-enfriamiento y la limpieza del aire que entra a una turbina de gas o cualquier otro dispositivo de respiración de aire. En esas condiciones, se incluye una etapa adicional, verbigracia, una etapa de depuración del aire en la que el aire se enfría directamente por evaporación y en la que simultáneamente el aire también se limpia de polvo, suciedad y otras impurezas.

Breve descripción de los dibujos

Las anteriores y otras características y ventajas del invento resultarán más evidentes a partir de la siguiente descripción detallada, en la que:

La Figura 1A representa esquemáticamente unas placas de intercambiador de calor, en particular un tipo de placa sinusoidal;

La Figura 1B representa esquemáticamente placas de intercambiador de calo, en particular un tipo de placa poligonal;

La Figura 1C representa esquemáticamente placas de intercambiador de calor, en particular, un conjunto de dos placas poligonales para formar una trayectoria de circulación de aire;

La Figura 1D representa esquemáticamente placas de intercambiador de calor, en particular, el conjunto de la Figura 1C incluyendo una placa intermedia;

La Figura 2A representa esquemáticamente una placa poligonal con deformaciones para inducir turbulencia de aire, es decir, "elementos de turbulencia" embutidos en las placas de intercambiador de calor;

La Figura 2B muestra un ensamblaje de placas con deformaciones para inducir turbulencia de aire;

La Figura 3A presenta un ensamblaje de placas con lengüetas para inducir turbulencia de aire;

La Figura 3B muestra una placa intermedia con lengüetas para inducir turbulencia de aire;

La Figura 3C muestra un detalle de una lengüeta individual;

La Figura 3D es un detalle que representa un corte de una placa intermedia, como en la figura 3B, mostrando una circulación de aire en relación de asociación, como una consecuencia de una lengüeta instalada en una placa intermedia;

La Figura 4A presenta una placa sin lengüetas ni deformaciones;

La Figura 4B es una vista desde un extremo de una parte de un intercambiador de calor, mostrando divisores;

La Figura 5 muestra un corte esquemático de un enfriador por evaporación indirecta de dos etapas mostrando trayectorias de circulación de aire;

La Figura 6 presenta un corte esquemático de un enfriador por evaporación indirecta de múltiples tapas ("n" etapas en serie), mostrando trayectorias de circulación de aire;

La Figura 7 muestra un corte esquemático de sumideros en cascada;

La Figura 8A muestra una vista esquemática desde arriba de un enfriador por evaporación indirecta con una primera etapa indirecta en los costados;

La Figura 8B es una vista lateral esquemática de un enfriador por evaporación indirecta con una primera etapa indirecta en los costados;

La Figura 9 presenta un corte esquemático de un enfriador por evaporación indirecta de múltiples etapas con un depurador de aire que funciona termodinámica y psicométricamente de acuerdo con el ciclo de Schlom;

La Figura 10 muestra un corte esquemático del depurador de aire;

La Figura 11 muestra una vista lateral de la unidad descrita en la Figura 5, con la admisión de aire a la izquierda;

La Figura 12 presenta un corte isométrico de la unidad descrita en la Figura 5;

La Figura 13 muestra una vista desde un extremo y un corte de la admisión de la unidad descrita en la Figura 5;

La Figura 14 muestra una vista desde un extremo y un corte de la descarga de la unidad descrita en la Figura 5;

La Figura 15 muestra una vista lateral de la unidad descrita en la Figura 5, con la admisión a la derecha;

La Figura 16 presenta una vista desde arriba de la unidad descrita en la Figura 5;

La Figura 17 muestra una vista desde arriba de la unidad de etapas múltiples mostrada en la Figura 6;

La Figura 18 muestra un gráfico psicrométrico que representa diversos ciclos de evaporación (enfriamiento por evaporación indirecta, enfriamiento por evaporación directa con niebla, enfriamiento por evaporación indirecta con múltiples etapas y enfriamiento por evaporación indirecta con depurador de aire) con comparaciones relacionadas con la densidad del aire;

La Figura 19 muestra divisores de placas construidos con orificios;

La Figura 20 muestra divisores de placas construidos con tablillas;

La Figura 21 muestra divisores de placa construidos con espuma reticulada;

La Figura 22 presenta divisores de placa macizos;

La Figura 23 presenta un corte isométrico de la unidad dibujada en la Figura 9 con referencias de item;

La Figura 24 presenta un corte isométrico de la unidad descrita en la Figura 9, con la trayectoria de circulación de aire dibujada;

La Figura 25 presenta un corte de una unidad descrita en la Figura 9, vista desde el extremo de admisión;

La Figura 26 presenta un corte de una unidad descrita en la Figura 9, vista desde el extremo de descarga;

La Figura 27 presenta un gráfico psicrométrico en el que se dibuja la trayectoria termodinámica de una disposición de "n" en serie de intercambiadores de calor, para "n" = 4;

La Figura 28 muestra un corte de una unidad descrita en la Figura 9, con referencias de item.

Descripción detallada de la realización preferida

La siguiente descripción es el modo óptimo que actualmente se contempla para llevar a cabo el invento. Esta descripción no debe tomarse con carácter limitativo, sino que simplemente se ha hecho con el fin de describir los principios generales del invento. El alcance del invento debería determinarse con referencia a las reivindicaciones.

A continuación se relacionan los números de referencia de cada item y su descripción:

Nº de elemento y descripción

1002: Placas sinusoidales

1004: Placas poligonales

1006: Placa intermedia en el ensamblaje de la figura 1D.

1008: Parte deformada de placa para inducir turbulencia.

1010: Lengüetas y/o deformaciones para inducir turbulencia.

1012: Corte de placa intermedia con deformaciones que causan que varíe el flujo de aire.

1014: Trayectoria de aire en lado seco (aire primario)

1016: Trayectoria de aire en lado húmedo (aire secundario)

1018: Aire de lado seco - salida

1020: Aire de lado húmedo - salida

1022: Ventilador (o ventiladores) de impulsión de lado húmedo

1024: Cimentación (base)

1026: Sumidero (o sumideros)

1028: Distribuidor de pulverización

1030: Entrada de agua

1032: Válvula de flotador

1034: Línea de agua desde la válvula de flotador hasta el primer sumidero

1036: Sumidero

1038: Tubería para trasiego de agua

1040: Tubería para rebosamiento/drenaje

1042: Rejillas

1044: Distribuidor de pulverización-depurador de aire

1046: Cubierta, depurador de aire-fluido de primario

1048: Cubierta, depurador de aire-fluido de secundario

1050: Medios de primario para evaporación

1052: Medios de secundario para evaporación

1054: Bomba de distribución - medios de primario

1056: Bomba de distribución - medios de secundario

1058: Bomba para el distribuidor de pulverización - depurador de aire

1060: Bomba/s medios de primario y secundario

1062: Tubería desde bomba a distribuidor de pulverización

1064: Tubería desde bomba/s a tuberías de distribución de fluidos

1066: Panel de acceso

1068: Alojamiento

1070: Eliminador de humedad

1072: Trayectoria de circulación de aire desde el aire del primario al aire del secundario (el aire enfriado indirectamente va ahora al lado húmedo de la etapa siguiente).

1074: Conjunto de intercambiador de calor

1076: Unidad y componentes de "n" series

1078: Separador de placa con orificios - vista desde un extremo

1079: Separador de placa con orificios - vista lateral

1080: Separador de placa con tablillas (rejillas) - vista desde un extremo

1081: Separador de placa con tablillas (rejillas) - vista lateral

1082: Separador de placa con espuma reticulada - vista desde un extremo

1083: Separador de placa con espuma reticulada - vista lateral

1084: Separador de placa, macizo - vista desde un extremo

1085: Separador de placa, macizo - vista lateral

1086: Filtro para bomba/s

1088: Campana para aire de admisión

1090: Filtros para aire de admisión

1092: Bastidor (estructura)

1094 A-B: Circulación de aire a través de intercambiador de calor hasta cámara de distribución.

1094 B-C: Circulación de aire hacia abajo en cámara de distribución

1094 C-D: Circulación de aire desde cámara de distribución hasta zona de sumideros.

1094 D-E: Circulación de aire hacia arriba a través del lado húmedo del intercambiador de calor hasta la atmósfera.

1096: Alojamiento de descarga de aire

1098: Cámara de distribución (éste es el recinto donde el aire que se ha enfriado por evaporación indirecta sale del lado seco del intercambiador de calor y luego entra al lado húmedo de la etapa siguiente).

El nuevo diseño de intercambiador de calor utiliza placas o chapas de material bien de una forma sinusoidal 1002 (Figura 1A) o bien de una forma poligonal 1004 (Figura 1B) en corte transversal, de las que cualquiera de las dos se aproximan mucho a una forma de onda periódica. Las placas 1004 (Figura 1C) podrían disponerse por pares formando canales para la circulación de aire, cuya circulación se indica por las flechas en la Figura 1C. Opcionalmente, como un incremento de prestaciones del intercambiador de calor, pares de placas podrían utilizar una placa intermedia 1006 para separar el par de placas y proporcionar un canal uniformemente conformado entre ellas. El objeto de esta placa intermedia 1004 (Figura 1D) es formar otra superficie para transmisión de calor, que transmita calor entre el centro del flujo de aire y las paredes poligonales.

Las placas se podrían fabricar de uno o más de una serie de materiales. Podría ser un candidato cualquier material conductor del calor. Sin carácter limitativo ni restrictivo para el material o los materiales de los que se podrían fabricar las placas a continuación se indican una serie de materiales candidatos. Estos materiales incluyen acero, hierro galvanizado, acero galvanizado, acero inoxidable, un plástico conductor del calor, un material cerámico conductor del calor, metal recubierto con pintura, metal barnizado, metal revestido de un plástico, metal revestido de un material cerámico, metal revestido de vidrio, metal recubierto con un recubrimiento parecido al diamante, titanio, un material compuesto conductor del calor, aluminio, magnesio, cobre o plata.

Como un flujo de aire turbulento sobre una superficie de agua puede aumentar la velocidad de evaporación para un caudal neto determinado de aire, se utilizan un incremento de rugosidad y generadores de torbellino para aumentar la turbulencia del aire que circula sobre la película de agua, y la propia película de agua circula hacia abajo por gravedad hacia un sumidero. La extrapolación de datos conocidos de rugosidades en superficies oceánicas relacionado con velocidades de evaporación dan un factor de tres o más alto para la velocidad aumentada de evaporación para el flujo de aire turbulento en comparación con un tipo laminar de flujo de aire sobre una superficie oceánica lisa.

Otra utilización de la placa intermedia es proveer una superficie de soporte para las lengüetas y aletas que ayudan a habilitar la turbulencia en el aire que circula sobre ellas. La turbulencia aumenta la transmisión de calor mediante el cambio de flujo laminar a flujo turbulento.

Un método de iniciación de turbulencia en el flujo de aire es el uso de irregularidades (1008, Figura 2A) producidas por medios mecánicos u otros medios sobre la superficie de las placas preformadas 1002 (Figura 1A), 1004 (Figura 1B) usadas para producir los "pares" (Figura 1C). La rugosidad de estas irregularidades da lugar a una longitud de mezcla de la turbulencia vertical aumentada en el flujo de aire. Estas irregularidades se pueden producir, bien por embutición del material 1008 (Figuras 2A y 2B), o bien mediante la fijación mecánica de lengüetas, aletas 1010 (Figuras 3A, 3B, 3C) o "elementos de turbulencia", a los que en adelante se hará referencia genéricamente de estas lengüetas, aletas, embutidos o protuberancias. Los embutidos 1008 (Figura 2A) se podrían aplicar al interior de las paredes exteriores de los canales constituidos por pares de placas según se muestra en las Figuras 2A y 2B.

Las lengüetas 1010 (Figura 3B) se presentan formadas sobre una placa intermedia 1006. La Figura 3A muestra el conjunto como en la Figura 1D, pero con la placa intermedia 1006 que tiene unas lengüetas 1010. Los elementos creadores de turbulencia que actúan sobre el flujo de aire del proceso producen remolinos e interrumpen el flujo laminar. La Figura 3D muestra un estado de circulación del aire (con flechas) 1012 sobre una lengüeta 1010 sobre una placa intermedia 1006.

Se pueden añadir protuberancias o elementos parecidos a lengüetas de cualquier material compatible con la estructura básica. Estos materiales podrían incluir materiales tales como polvo metálico sinterizado y metal celular, los cuales, cuando se aplican, actúan para aumentar la rugosidad superficial, y podría actuar también para aumentar la superficie húmeda total. Para muchas de las lengüetas o protuberancias, el agua que circule por gravedad hacia abajo por un canal podría encontrarse con un vértice o borde de una lengüeta, protuberancia u otro material fijado, y se podría desprender del objeto en forma de gotitas, con la posibilidad de proveer una mayor velocidad de evaporación, puesto que las gotitas dejarían al descubierto un área superficial mayor. El efecto neto de introducir métodos y dispositivos para producir turbulencia es aumentar el rendimiento de operación de todo el aparato.

La Figura 4A muestra un conjunto de placas poligonales 1004 y placa intermedia opcional 1006. La Figura 4B presenta varios conjuntos como en la Figura 4A ensamblados a un intercambiador de calor con placas poligonales 1004, divisores de placa intermedia 1006, y muestra también la trayectoria 1014 del aire en el lado seco (aire primario) y la trayectoria 1016 del aire en el lado húmedo (aire secundario).

La Figura 5 presenta un corte esquemático de la versión de dos etapas del enfriador por evaporación indirecta, mostrando trayectorias de circulación del aire. La Figura 5 muestra la trayectoria 1014 del aire del lado seco (primario), la trayectoria 1016 del aire del lado húmedo (secundario), el aire del lado seco 1018 saliendo de la unidad, el aire del lado húmedo 1020 que sale, y la trayectoria de circulación de aire desde el aire primario hasta el aire secundario 1072. La versión de dos etapas del enfriador evaporador se asienta en una base 1024, que soporta a unos sumideros 1026 que recogen el agua que desciende en cascada hacia abajo del enfriador que se somete a un chorro pulverizado mediante el distribuidor de pulverización 1028. El aire del lado húmedo 1016, 1020 es expulsado hacia fuera por los ventiladores de impulsión 1022 de lado húmedo.

La Figura 6 presenta una vista en corte esquemático de un enfriador por evaporación indirecta de n etapas (se muestran cinco etapas). El aire entrante del lado seco (primario) 1014 lo hace desde la parte izquierda de la Figura 6 y por último sale por la derecha 1018. El aire del lado húmedo 1016 entra desde el fondo (izquierda) y una parte sale a través de la parte superior 1020, impulsado por los ventiladores de lado húmedo 1022.

Sin embargo, en el proceso de n etapas, una parte del aire del lado seco, en cada etapa, es redirigida al aire del lado húmedo, en una etapa siguiente sucesiva. Por consiguiente, el aire ya enfriado del lado seco se convierte en el aire del lado húmedo, resultando en un aire de lado húmedo a temperatura más baja con una temperatura inferior de punto de rocío de lado húmedo. El efecto, como se verá, es enfriar eficazmente el aire del lado seco que sale 1018 a una corriente de aire de temperatura más baja con una densidad de aire más alta. El lado seco más frío 5022 (Figura 5) se está enfriando por el agua más fría y el aire más frío con la temperatura más fría de bola húmeda.

Otra característica ventajosa de esta realización del intercambiador de calor es la provisión de sumideros distintos separados 1036, 1036, 1036 (Figura 7) para el agua utilizada en el "lado húmedo" del intercambiador de calor. Los sumideros separados mantienen el agua más fría en el lado de salida del intercambiador de calor. Adicionalmente, estos sumideros se pueden disponer en una modalidad "en cascada" (Figura 7, 1036, 1036, 1036) en donde el agua circula desde el sumidero más frío 1036 de la parte derecha hasta el sumidero más cálido 1036 de la parte izquierda de la figura.

Una válvula de flotador 1032 regula el relleno del sumidero más frío 1036 de la derecha de la figura, según se requiera, por el nivel del sumidero del lado cálido 1036 de la parte izquierda. Cuando desciende el nivel en el sumidero 1036 de la parte izquierda, la válvula de flotador 1032 permite al agua entrar desde la admisión 1030 de agua. La tubería 1034 de agua que va desde la válvula de flotador hasta el primer sumidero 1036 en la parte derecha, permite que el primer sumidero se rellene de acuerdo con el nivel del último sumidero (1036 de la parte izquierda). Una tubería 1038 de trasiego de agua y una tubería 1040 de rebosamiento completan el sistema de sumideros.

Cada sumidero separado se asienta en el fondo de sistemas de pulverización separados 1028 (Figura 5) con bombas separadas que alimentan cada chorro de pulverización y unidad de sumidero. En la realización preferida, el primer sumidero 1036 (en la parte derecha) estaría en el depurador de aire, o bien, en el último intercambiador de calor, si no se usa una etapa de evaporación directa. En esta realización, el agua se suministra solamente a la etapa de evaporación directa y luego circula hacia abajo hasta el sumidero más bajo donde se descarga cualquier exceso de agua. Asimismo, en este punto 1040 se empleará una "sangría" suficiente para mantener una concentración baja de sólidos disueltos en el agua con el fin de prevenir la acumulación de estos sólidos disueltos en las paredes del intercambiador de calor. Como los diferentes sumideros están aislados térmicamente en un grado suficiente, y el aire que progresa a través de cada separación o etapa tiende a estar más frío que en la separación o etapa anterior, la temperatura de los sumideros clasificados térmicamente refleja este aumento de enfriamiento y al mismo tiempo contribuye al mismo.

Una característica exclusiva de este intercambiador de calor es que provee que una parte del aire primero se enfríe indirectamente por evaporación y luego se use 1072 (Figuras 8, 8B) para el lado húmedo de la parte final del intercambiador de calor. La Figura 8A presenta una vista esquemática desde arriba de una realización del enfriador por evaporación indirecta con una primera etapa de evaporación indirecta en los costados. La Figura 8B presenta una vista lateral esquemática de una realización del enfriador por evaporación indirecta con una primera etapa de evaporación indirecta en los costados.

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Ventajosamente, este proceso, desarrollado dentro del propio intercambiador de calor, mejora significativamente las características de funcionamiento. En la tecnología anterior se utilizaban intercambiadores de calor separados para conseguir este proceso. El aire tiende a evaporar el agua. El agua cambia del estado líquido al estado de vapor, lo que requiere una ganancia de energía cinética molecular. Esta ganancia de energía cinética molecular se realiza a expensas del agua remanente, que pierde esa cantidad de energía, expresada como calor latente de evaporación. De ese modo, la temperatura del agua no evaporada y de las superficies de intercambio de calor en contacto con ella refleja cierto descenso en su energía cinética molecular (principio de conservación de la energía). La disminución de energía cinética molecular se expresa como una disminución de temperatura. Una temperatura de bola húmeda es la temperatura a la que descendería un termómetro totalmente aspirado debido a la evaporación del agua que se suministra continuamente por una mecha humedecida. Con el fin de enfriar adicionalmente ese termómetro de bola húmeda, se necesita llevarlo a establecer contacto con materia que esté a una temperatura más baja. Entonces, el calor sensible se transmite desde el termómetro a la materia más fría. La transmisión de calor sensible se realiza en forma de las moléculas con que transmiten energía cinética a la materia de menor energía cinética. Esta transmisión de calor sensible puede entonces bajar la temperatura del termómetro a un valor inferior al de la temperatura de bola húmeda, si la temperatura de la materia más fría es menor que la temperatura de bola húmeda del termómetro. El aire del lado seco que se ha enfriado hacia la temperatura de bola húmeda del aire del lado húmedo tiene una temperatura más baja de bola seca.

Si se colocase un recuadro imaginario alrededor del intercambiador de n etapas, se podrían analizar aspectos del rendimiento. El proceso de aire del lado húmedo está evaporando agua. La evaporación es un cambio de fase y tiene lugar de forma isotérmica. Para una cantidad de energía (latente) liberada igual a L, cierta cantidad es absorbida por el aire del lado seco, L - dL. La cantidad dL representa la pérdida de energía no transmitida al aire seco. La cantidad de energía transmitida desde el flujo de aire del lado húmedo a temperatura ambiente es: L/T_{ambiente} mientras que la entropía transportada por el aire del lado seco es (L - dL) (T_{ambiente} - dT), puesto que el aire del lado seco se ha enfriado sensiblemente. La diferencia es entonces: calor absorbido en la temperatura más alta menos calor expulsado a la temperatura más baja, o sea,

(T_{ambiente} \ dL - LdT)(T_{ambiente} \ (T_{ambiente} - dT))

Cuando la pérdida de calo latente (dL) se mantiene tan pequeña como sea factible, el factor determinante es LdT. Como L es una constante, la diferencia entre la temperatura en el flujo de aire del lado húmedo y el aire del lado húmedo (dT) determina el rendimiento del proceso. Cuanto menor sea dT, más eficiente será el proceso. En el proceso de etapas múltiples, dT se mantiene pequeña automáticamente mediante la utilización de una parte del flujo del aire seco enfriado para la etapa siguiente del enfriamiento del lado húmedo.

La Figura 9 presenta una vista en corte esquemática de un enfriador de evaporación indirecta de múltiples etapas con un depurador de aire que funciona en los aspectos termodinámicos y psicrométricos de acuerdo con el ciclo de Schlom. El aire seco 1014 entra desde la izquierda; el aire húmedo 1016 entra desde la parte inferior izquierda. Parte del aire seco enfriado 1072 se usa en el lado húmedo de la etapa siguiente. Los sumideros separados 1026 están aislados térmicamente entre sí bastante bien. El aire final, seco y frío 1018, sale por la parte derecha para utilizarlo, por ejemplo, en una turbina de gas para la generación de energía eléctrica. Unas rejillas 1042 están colocadas en la corriente de aire 1018. Unos distribuidores 1044 de chorro pulverizado proporcionan la depuración del aire. Existe una cubierta 1046 para los medios del primario y una cubierta 1048 para los medios del secundario.

La Figura 10 presenta un corte esquemático de un depurador de aire que funciona en los aspectos termodinámico y psicrométrico de acuerdo con el ciclo de Schlom. El depurador de aire es la etapa final en este proceso de evaporación indirecta-directa. En el depurador de aire, el aire recibe su enfriamiento final y también es depurado minuciosamente de polvo y agentes contaminantes de todos los tipos. El depurador de aire consiste en dos sub-etapas. La primera sub-etapa es una sección de pulverización 1044 donde el aire debe pasar a través de una lluvia de pulverización fina (no niebla) 1044. La segunda sub-etapa, final, comprende dos sub-etapas 1046,1048 de tipo de medios. En estas dos sub-etapas de tipo de medios, el agua limpia de circulación 1054 (tubería de distribución para los medios del primario), 1056 (tubería de distribución para los medios del secundario), extrae cualquier suciedad que pudiera haberse introducido a través de las etapas anteriores. Asimismo, esta agua limpia de circulación 1054, 1056 volverá a disolver cualesquiera sales que se hayan podido arrastrar en la evaporación en las etapas anteriores.

En la primera sub-etapa del depurador de aire, las boquillas 1044 (Figura 10) se alimentan con agua limpia que se ha limpiado mediante el uso de un filtro de diez micras. En esta realización preferida, esta agua puede estar a la presión normal de la tubería, 3,45-4,63 bares (50-70 libras por pulgada cuadrada) o se pueden alimentar del sumidero por medio de una bomba a presiones tan bajas como 0,35-0,7 bares (5-10 libras por pulgada cuadrada). Se podría utilizar cualquier intervalo de presiones que funcionen. Las rejillas 1042 instaladas en esta corriente de aire se emplean también para una rotura adicional de las gotitas. El distribuidor 1044 de chorro pulverizado dirige su chorro de gotitas de agua a las rejillas 1042 donde tienden a romperse en gotitas más pequeñas mediante el choque contra las rejillas con el flujo de aire seco (1018- flechas mostradas pero sin número) que entra desde la izquierda.

La Figura 10 muestra un corte esquemático del depurador de aire incluyendo la bomba 1058 para el distribuidor de chorro pulverizado para la alimentación de agua a través de la tubería 1062 al distribuidor 1044 de chorro pulverizado. Una bomba 1060 suministra agua para los medios del primario 1050 y medios del secundario 1052 a través de las tuberías 1064.

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La velocidad del aire en esta sub-etapa de sección de depurador de aire se mantiene suficientemente baja para prevenir el arrastre de humedad a la sub-etapa final. Para una realización preferida, esta velocidad podría ser inferior a 2,54 m/s (500 pies por minuto). El exceso de agua procedente de este sumidero de sub-etapa 10261 circulará al sumidero 10262 de la etapa final del intercambiador de calor, donde se usará en el lado húmedo de esta etapa.

La primera sub-etapa de medios consiste en los medios 1050, 1052 tales como un diseño de canales transversales implementado sobre un papel de celulosa, tal como el "CELDEK" ® de Munter, o implementado en mateado de vidrio tal como el "GLASS DEK" ® de Munter que se alimentan con agua muy limpia 1054, 1056, que se ha depurado con un filtro de de una micra. Como en esta etapa apenas se produce evaporación, sólo se necesita una cantidad muy pequeña de agua, justo la suficiente para mantener la humedad a lo largo de toda esta sección. En esta sub-etapa no sólo se eliminará cualquier materia en partículas que se haya podido introducir pasada la sub-etapa anterior, sino que en esta sub-etapa se causará que cualesquiera sólidos disueltos que se hubiesen evaporado se redisuelvan otra vez y luego se arrastren a presión eliminándose del sistema.

Se podrían usar también unos medios privados en esta etapa. Se han diseñado para permitir que el agua purificada depure muy eficazmente el aire que circule a través de los mismos, y no requieren sustituciones frecuentes. El agua de esta sub-etapa de sección de depurador de aire pasará solamente una vez y no se usará de nuevo en esta sub-etapa. Esta agua irá al sumidero 10261 de una etapa de evaporación indirecta, donde se filtrará antes de utilizarse en esa etapa.

Este uso de este depurador de aire libera de una gran cantidad de trabajo a los filtros normales de aire de admisión. Anteriormente, su papel era eliminar cualquier material en partículas del aire, que podría ser lesivo para la turbina de gas. Hoy solamente necesitan eliminar material en partículas grandes como protuberancias, hojas de árbol, plumas y otros artículos de cierto tamaño, que podrían ser nocivos para el intercambiador de calor.

Ventajosamente, la sub-etapa del depurador de aire proveerá la limpieza requerida por la turbina utilizando solamente agua potable, sin ningún agua desionizada. El uso de agua potable normal para limpiar el aire es un gran perfeccionamiento sobre la práctica actual, la cual necesita agua desionizada (más cara) como base del método para conseguir gran limpieza. Ventajosamente, debería hacerse notar que la adición de vapor de agua al aire enfriado alimentado a una turbina de gas podría tener un impacto significativo en la reducción de emisiones de NOx y otros agentes de polución.

La Figura 11 presenta una vista lateral de la unidad descrita en la Figura 5, con la admisión de aire en la parte derecha de la figura mostrando los ventiladores de impulsión 1022, la cimentación 1024, el alojamiento 1068, el flujo 1016 de aire del lado húmedo, la tubería desde la bomba al distribuidor de pulverización 1062, y el panel de acceso 1066.

La Figura 12 muestra un corte isométrico de la unidad descrita en la Figura 5. El flujo entrante de aire 1016 del lado húmedo se muestra junto con una válvula 1032 de flotador, en unión de una bomba para el distribuidor de pulverización 1058, una tubería 1040 de rebosamiento/drenaje, un sumidero 1036, la cimentación 1026, el conjunto de intercambiador de calor 1074, el distribuidor de pulverización 1028, alojamiento 1068, panel de acceso 1066, un ventilador de impulsión 1022 de lado húmedo, y la trayectoria de circulación de aire desde el aire primario hasta el aire secundario 1072.

La Figura 13 presenta una vista desde un extremo y un corte de la admisión de la unidad descrita en la Figura 5. Se podría ver la válvula 1032 de flotador, junto con una tubería 1040 de rebosamiento/drenaje, cimentación 1024, alojamiento 1068, el conjunto 1074 de intercambiador de calor, una tubería 1062 desde la bomba hasta el distribuidor de pulverización, un distribuidor de pulverización 1028, un ventilador de impulsión 1022 de lado húmedo y un eliminador de humedad 1070.

La Figura 14 muestra una vista desde un extremo y un corte de la descarga de la unidad descrita en la Figura 5. Se podría ver la tubería 1040 de rebosamiento/drenaje, junto con la cimentación 1024, alojamiento 1068, el conjunto 1074 de intercambiador de calor, una tubería 1062 desde la bomba hasta el distribuidor de pulverización, un distribuidor de pulverización 1028, un ventilador de impulsión 1022 de lado húmedo, panel de acceso 1066 y un eliminador de humedad 1070.

La Figura 15 presenta una vista lateral de la unidad descrita en la Figura 5, con la admisión a la izquierda. Se muestran la cimentación 1024, el flujo 1016 de entrada de aire del lado húmedo, alojamiento 1068 y ventiladores de impulsión 1022 del lado húmedo.

La Figura 16 presenta una vista desde arriba de la unidad descrita en la Figura 5 con ventiladores de impulsión 1022 de lado húmedo y alojamiento 1068.

La Figura 17 presenta una vista desde arriba de la unidad de múltiples etapas mostrada en la Figura 6 con unidades de n series y componentes 1076 indicados en la misma.

La Figura 18 presenta un gráfico psicrométrico que muestra varios ciclos de evaporación (enfriamiento por evaporación directa, enfriamiento por evaporación directa con niebla, enfriamiento por evaporación indirecta con múltiples etapas y enfriamiento por evaporación indirecta con depurador de aire) con comparaciones relativas a la densidad del aire.

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La Figura 19 muestra divisores de placa construidos con orificios, incluyendo una vista 1078 desde un extremo, y un corte transversal 1079. La Figura 20 presenta divisores de placa construidos con tablillas, incluyendo una vista desde un extremo 1080 y un corte transversal 1081. La Figura 21 presenta divisores de placa construidos con espuma reticulada, incluyendo una vista desde un extremo 1082 y un corte transversal 1083. La Figura 22 presenta divisores de placa macizos, incluyendo una vista desde un extremo 1084 y un corte transversal 1085.

La Figura 23 presenta un corte isométrico de la unidad dibujada en la Figura 9. Se muestra el flujo de entrada 1016 de aire del lado húmedo junto con una válvula 1032 de flotador, un filtro 1086 para la bomba, unos sumideros 1036, la cimentación 1024, el conjunto de intercambiador de calor 1074, el distribuidor de pulverización 1028, la estructura 1092, la campana 1088 de aire de admisión, un ventilador de impulsión 1022 de lado húmedo, unos filtros 1090 para el aire de admisión, un eliminador de humedad 1070, una tapa 1046 de depurador de aire para los medios del primario, una tapa 1048 de depurador de aire para los medios del secundario, un alojamiento 1096 para descarga de aire, un distribuidor 1044 de pulverización de depurador de aire, unos medios 1050 de evaporación del primario, y unos medios 1052 de evaporación del secundario.

La Figura 24 presenta un corte isométrico de la unidad descrita en la Figura 9 con la trayectoria dibujada 1094 de circulación del aire. El flujo de aire 1094 sobre la trayectoria de A a B es el flujo de aire que entra al intercambiador de calor y que circula a través de la cámara de distribución. En el próximo ramal del flujo, sobre la trayectoria B hasta C, el flujo es descendente en la cámara de distribución. En el próximo ramal de flujo de aire, la trayectoria es desde C hasta D, desde la cámara de distribución hasta la zona de sumidero. En el último ramal de flujo de aire mostrado, la trayectoria es desde D hasta E, desde la zona de sumidero hacia arriba a través del lado húmedo del intercambiador de calor, a la atmósfera.

La Figura 25 muestra un corte de una unidad descrita en la Figura 9, vista desde el extremo de admisión. En ella se muestra la cimentación 1024, una bomba para el distribuidor 1058 de pulverización, una tubería 1062 desde la bomba hasta el distribuidor de pulverización, sumideros 1036, el conjunto de intercambiador de calor 1074, el distribuidor 1028 de pulverización, la estructura 1092, los ventiladores de impulsión 1022 del lado húmedo, el eliminador de humedad 1070, un distribuidor 1044 de pulverización para depurador de aire, medios 1050 de evaporación de primario, y medios 1052 de evaporación de secundario.

La Figura 26 presenta un corte de una unidad descrita en la Figura 9, según se ve desde el extremo de descarga. En ella aparecen la cimentación 1024, una bomba para el distribuidor 1058 de pulverización, una tubería 1062 desde la bomba al distribuidor de vaporización, unos sumideros 1036, el conjunto de intercambiador de calor 1074, el distribuidor 1028 de pulverización, la estructura 1092, los ventiladores de impulsión 1022 del lado húmedo, el eliminador de humedad 1070, medios de evaporación de primario 1050, y medios de evaporación de secundario 1052.

La Figura 27 presenta un gráfico psicrométrico en que se ha dibujado la trayectoria termodinámica de una disposición de "n" series de intercambiadores de calor, para n = 4. En el descenso progresivo de la temperatura, desde el punto 1 hasta el punto 2 y desde el punto 3 hasta el punto 4, las variaciones de entalpía progresivamente más pequeñas se han designado como \Deltah_{1}. \Deltah_{2}, \Deltah_{3}, y \Deltah_{4}, donde \Deltah_{1} > \Deltah_{2} > \Deltah_{3} > \Delta_{h4}. Esto ilustra que el efecto de n etapas converge rápidamente durante las primeras cuatro a seis etapas múltiples.

La Figura 28 presenta un corte de una unidad descrita en la Figura 9. En ella se muestran la cimentación 1024, una bomba 1058 para el distribuidor de pulverización, unos sumideros 1036, el conjunto de intercambiador de calor 1074, el distribuidor 1028 de pulverización, la estructura 1092, los ventiladores de impulsión 1022 del lado húmedo, un eliminador de humedad 1070, un distribuidor 1044 de pulverización para depurador de aire, una tapa 1046 de depurador de aire para los medios de evaporación de primario, una tapa 1048 del depurador de aire para los medios de evaporación de secundario y el alojamiento 1096 de descarga de aire. Se muestra también el flujo de entrada de aire 1016 del lado húmedo, el flujo de entrada de aire 1014 del lado seco, el flujo de salida 1018 de aire seco, bombas para los medios 1060 de pulverización, campana 1088 de aire de admisión y filtros 1090 de aire de admisión.

Ventajosamente, este invento utiliza más flujo de aire 1016 (Figura 28) en el lado húmedo en comparación con el lado seco 1014. Este mayor flujo de aire en el lado húmedo con respecto al lado seco crea un rendimiento térmico mucho más alto. El aire procedente del lado húmedo, que no haya sido recirculado por el lado seco, en las circunstancias en que se hace, o bien utilizarse de otro modo, se vacía a la atmósfera 1020 (Figura 5). En este invento, no hay necesidad de mantener el flujo de aire en el lado húmedo comparable al del lado seco. Por tanto, el caudal relativo de aire del lado húmedo con respecto al del lado seco se puede elegir para intentar el máximo rendimiento factible. Mientras que en épocas anteriores los intercambiadores de calor tendían a utilizar tubos o una forma semi-rectangular dispuesta verticalmente y tendían a tener láminas colectoras en cada extremo para mantener separados los flujos de aire primario y secundario, la nueva forma se puede utilizar en cualquiera de las dos aplicaciones vertical u
horizontal.

Cuando se use como un pre-enfriador para turbinas de gas, el método preferido es disponer los tubos horizontales, en la dirección de flujo de aire a la admisión de la turbina de gas. En esta situación, se puede ajustar la longitud de las placas para proporcionar atenuación de sonido como "tramos sintonizados" con el fin de amortiguar frecuencias específicas. Adicionalmente, el intercambiador de calor se puede construir de dos o más secciones, cada una de ellas de diferente longitud, de tal manera que se puedan amortiguar varias frecuencias. Una realización adicional utiliza un espacio o cámara de distribución entre secciones de intercambiador de calor, cuyas secciones actúan como cámaras de expansión para amortiguar más el ruido, y se pueden instalar también dispositivos de atenuación de sonidos en estas cámaras de expansión.

Lo que se ha descrito es un sistema completo y único para enfriar y depurar el aire que está usando una turbina de gas. Este ciclo tiene un rendimiento mucho mayor que cualquier sistema que hoy esté en el mercado, o incluso contemplarse en cualquier literatura teórica. El gráfico psicrométrico (Figura 11) muestra gráficamente cómo se compara ventajosamente esta tecnología con otras tecnologías, y cómo, en un día cálido normal, en regiones semi-áridas el sistema puede proveer aire con una densidad casi igual a las condiciones de la Organización Internacional de Normalización (en adelante ISO). Desde el punto de partida de condiciones ambientales nominales de temperatura de aproximadamente 37,8ºC (100ºF, punto A, Figura 18) y una temperatura de bola húmeda de aproximadamente 21,1ºC (70ºF, punto A, figura 18) con una humedad relativa de alrededor de un 22% (punto A, Figura 18), se puede alcanzar una temperatura de bola seca para el aire enfriado de aproximadamente 18,3ºC (65ºF, punto E, Figura 18). Comenzando en el punto A, Figura 18, se puede desplazar uno a lo largo de una línea de humedad o porcentaje de agua constantes (punto E, Figura 18), mediante un enfriamiento por evaporación indirecta. En el enfriamiento por evaporación indirecta, la humedad no se extrae del aire del lado "seco". El enfriamiento por evaporación directa, en el que la entalpía, o calor sensible es constante y no se suma, da lugar a una temperatura de bola húmeda de aproximadamente 14,4ºC (58ºF, punto F, Figura 18). En el proceso de múltiples etapas, en las mismas condiciones aproximadas, se puede conseguir una temperatura de bola seca de aproximadamente 11,9ºC (53,5ºF), con un menor consumo de energía, porque el proceso de n etapas trabaja con más rendimiento.

Aunque el invento expuesto en la presente memoria se ha descrito por medio de realizaciones y aplicaciones específicas del mismo, los expertos en la técnica podrían realizar numerosas modificaciones y variaciones sin apartarse del alcance del invento especificado en las reivindicaciones.

Claims

1. Un pre-enfriador para enfriar el aire de admisión de una turbina de gas, que comprende:

(a) un intercambiador de calor de enfriamiento por evaporación indirecta con etapas múltiples; en donde una primera etapa (1) está ligada con una segunda etapa (2) de tal manera que la salida fría de dicha primera etapa se pueda alimentar a la entrada de dicha segunda etapa; en el que la salida fría de dichas etapas ligadas primera y segunda de intercambiadores de calor es aproximadamente la adición de las salidas frías de dichas etapas primera y segunda ligadas de intercambiadores de calor consideradas individualmente;

(b) una etapa de enfriamiento por evaporación directa de múltiples etapas (1044, 1046, 1048); en la que hay una o más sub-etapas de depuración de aire (1046, 1048) de dicha etapa de evaporación directa de múltiples sub-etapas; y

(c) unos sumideros (1036) de múltiples etapas en los que cada etapa de sumidero, que se encuentra en una relación de correspondencia con una etapa de dicho intercambiador de calor de enfriamiento por evaporación indirecta, puede contener agua de sumidero a diferentes temperaturas, y en donde dichos sumideros separados (1036) están térmicamente aislados entre sí; y en donde

(d) al menos una última etapa de dicho intercambiador de calor utiliza una fracción (1072) de un flujo de aire de lado seco (1014) para introducirla en el flujo de aire de evaporación (1016) del lado húmedo, en donde dicho aire se ha enfriado sensiblemente con respecto al mismo, y se encuentra a una temperatura de bola húmeda inferior a la del aire ambiente.

2. El pre-enfriador como se ha reivindicado en la reivindicación 1, en el que dicho intercambiador de calor se ha fabricado como dos o más secciones, en donde cada sección es de una longitud diferente.

3. El pre-enfriador como se ha reivindicado en la reivindicación 2, que comprende además una cámara de distribución entre dichas secciones de intercambiador de calor, en donde dichas secciones de cámara (o cámaras) de distribución actúan como cámaras de expansión para amortiguar adicionalmente el ruido.

4. El pre-enfriador como se ha reivindicado en la reivindicación 3, que comprende además unos dispositivos de atenuación de sonido instalados en dichas cámaras de expansión.

5. El pre-enfriador como se ha reivindicado en la reivindicación 1, que comprende unos canales de lados húmedo y seco, partes de dichos canales de lados húmedo y seco comprendiendo además al menos un auxiliar (1008, 1010) seleccionado del grupo que consiste en auxiliares de generación de turbulencia de aire, auxiliares de generación de turbulencia de aire, auxiliares de generación de turbulencia de aire húmedo, auxiliares de aumento de superficie de película de agua, y auxiliares de formación de gotitas de película de agua.

6. El pre-enfriador como se ha reivindicado en la reivindicación 1, que comprende además unos canales de lado seco y lado húmedo formados mediante la colocación en sentidos contrarios, de chapas preconformadas juntas (1002, 1004) de material térmicamente conductor, en donde dichas chapas preconformadas se seleccionan del grupo que consiste en chapas preconformadas acanaladas poligonales (1004) y chapas preconformadas acanaladas onduladas sinusoidales (1002).

7. El pre-enfriador como se ha reivindicado en la reivindicación 6, que comprende además tubos horizontales, en la dirección del flujo de aire a la admisión de turbina de gas, en donde dicha longitud de las chapas (1002, 1004) es ajustable para proveer atenuación de sonido con el fin de amortiguar frecuencias específicas.