ES2231390T3 - Sistema generador de energia. - Google Patents
Sistema generador de energia.Info
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Abstract
Un sistema de generación de energía que comprende una cámara de combustión (16) para la combustión de material combustible sólido, un intercambiador de calor (18) asociado con la cámara de combustión (16) a través del cual pasa un fluido para calentarse mediante la combustión del material combustible sólido, y una turbina (14) que se impulsa mediante el fluido caliente para generar energía, caracterizado porque el intercambiador de calor (18) incluye unas placas deflectoras (29, 31) retirables selectivamente.
Description
Sistema generador de energía.
El presente invento se refiere a sistemas de
generación de energía, tales como los que se describen en el
documento US-A-5687570.
La generación de energía eléctrica, y en
particular la generación de energía eléctrica a una escala
relativamente pequeña que emplea técnicas convencionales, tiene
varias desventajas.
Recientemente, se han desarrollado las
microturbinas, que son pequeñas turbinas de gas recuperadas que
ofrecen muchos beneficios sobre las tecnologías convencionales de
generación de energía en pequeña escala. Sus beneficios principales
son los costes reducidos, el aumento de su fiabilidad y
disponibilidad, y también las emisiones
ultra-bajas.
Sin embargo, una desventaja significativa de las
microturbinas es que solamente pueden funcionar con combustibles
gaseosos y líquidos.
De acuerdo con el presente invento, se
proporciona un sistema de generación de energía que comprende una
cámara de combustión en la que tiene lugar la combustión de un
material combustible sólido, un intercambiador de calor asociado con
la cámara de combustión a través del cual pasa fluido para
calentarse mediante la combustión del material combustible sólido, y
una turbina que es impulsada por el fluido caliente para generar
energía, en el que el intercambiador de calor incluye placas
deflectoras selectivamente retirables.
La turbina es preferiblemente una turbina de
gas, y puede comprender una microturbina.
El intercambiador de calor puede comprender una
admisión de fluido a través de la cual se introduce un fluido
preferentemente precalentado en parte al intercambiador de calor. El
fluido se puede introducir a compresión en el intercambiador de
calor, y se puede haber hecho pasar a través de un compresor que
puede haber precalentado al fluido para su introducción en el
intercambiador. El fluido se puede introducir a una temperatura
comprendida en el intervalo 150-250ºC, y
preferiblemente a 200ºC. Preferiblemente el fluido es un gas, y
puede ser aire atmosférico.
Preferiblemente, el intercambiador de calor está
situado en una parte superior de la cámara de combustión, y con
preferencia en o cerca de la parte más alta de la misma. El
intercambiador de calor puede comprender un conducto a través del
cual circule fluido que se va a calentar, cuyo conducto define un
camino sinuoso que sirve para facilitar el calentamiento del aire
contenido en el mismo. Preferiblemente, el intercambiador de calor
mantiene al fluido separado de los gases de combustión generados
durante la combustión, mientras que al mismo tiempo permite que los
gases pasen alrededor de la parte exterior del conducto para de ese
modo calentar el fluido que pasa a través del conducto.
Las placas deflectoras se pueden instalar en el
intercambiador de calor para desviar los gases de combustión sobre
el conducto, con el fin de facilitar la transmisión de calor.
Preferiblemente, el intercambiador de calor comprende además
materiales aislantes para mejorar adicionalmente la transmisión de
calor. El material aislante puede revestir el interior de una
carcasa del intercambiador de calor y puede comprender material
cerámico.
El intercambiador de calor puede comprender
materiales capaces de resistir temperaturas elevadas y de conservar
la resistencia mecánica y la geometría a temperaturas de hasta del
orden de 1000ºC mientras que al mismo tiempo proporcionen una buena
conducción del calor, tales como el acero inoxidable exótico u otro
material adecuado, que sea conductor y aún duradero. El
intercambiador de calor preferiblemente se desarma fácilmente, al
menos en parte, para facilitar su limpieza, en particular la
limpieza de la parte exterior del conducto, por ejemplo para retirar
subproductos de la combustión tales como hollín y otros depósitos
carbonosos.
Preferiblemente, el intercambiador de calor está
diseñado para permitir el paso de fluido a través del mismo que se
va a calentar hasta aproximadamente 800-900ºC,
dependiendo del material que se esté quemando.
Preferiblemente, la cámara de combustión está
dispuesta para acomodar la combustión de una gama de materiales
sólidos, tales como residuos combustibles, combustibles fósiles y
madera. Es preferible usar combustibles sostenibles o
renovables.
Preferiblemente, el fluido caliente sale del
intercambiador de calor para introducirse a la turbina con el fin de
impulsar a la turbina para generar energía eléctrica. Un conducto
puede conectar el intercambiador de calor a la turbina, que puede
estar distante del intercambiador de calor. Se pueden proveer medios
para procesar la energía eléctrica generada, tales como unos medios
de inversor/rectificador.
Preferiblemente, se proveen medios para alimentar
el fluido caliente que ha impulsado a la turbina de retorno a la
cámara de combustión, donde cualquier calor residual contenido en el
fluido facilita y aumenta el rendimiento de la combustión.
El sistema puede comprender además medios para
utilizar los gases residuales de la cámara de combustión,
particularmente para usar el calor residual contenido en los gases
para calentar por ejemplo un aparato doméstico, tal como un
radiador, antes de que los gases se descarguen del sistema.
El invento proporciona además un método de
generación de energía eléctrica, cuyo método comprende quemar un
material combustible sólido en una cámara de combustión para
calentar un fluido que pasa a través de un intercambiador de calor
asociado con la cámara de combustión y que incluye unas placas
deflectoras selectivamente retirables, y usar dicho fluido caliente
para impulsar una turbina con el fin de generar energía
eléctrica.
El método puede comprender el uso de un sistema
sustancialmente según se ha definido en cualquiera de los doce
párrafos precedentes.
A continuación se describe una realización
preferida del presente invento solamente a título de ejemplo, y con
referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
La Figura 1 es una representación esquemática de
un sistema de generación de energía de acuerdo con el presente
invento;
La Figura 2 es una vista en planta de un
intercambiador de calor de acuerdo con el presente invento; y
La Figura 3 es una vista en alzado del
intercambiador de calor de la Figura 2.
Con referencia a los dibujos, se provee un
sistema de generación 10 que comprende un dispositivo 10 de
combustión en el que se usa la combustión de material combustible
(no mostrado) para calentar un fluido, tal como aire, y una turbina
14 que se impulsa mediante el fluido caliente para generar
energía.
Dicho con más detalle, el dispositivo 12 de
combustión comprende una cámara 16 de combustión en o cerca de cuya
parte más alta está situado un intercambiador de calor 18. La cámara
de combustión comprende una admisión 20 de combustible, generalmente
hacia la parte inferior de la misma. La cámara se puede construir de
materiales generalmente convencionales, y puede comprender una
envuelta metálica exterior revestida con material ignífugo, tal como
ladrillos refractarios.
Refiriéndose en particular a las Figuras 2 y 3,
el intercambiador de calor comprende un conducto 22 que tiene una
admisión 24 de aire y una descarga 26 de aire.
El conducto 22 comprende una pluralidad de tubos
23 que definen una matriz dentro del intercambiador de calor 16
alrededor de cuya parte exterior los gases de combustión procedentes
de la cámara 16 pueden circular para calentar el aire que atraviesa
el conducto 22. El conducto 22 se ha mostrado comprendiendo cuatro
tubos a, b, c y d que se extienden transversalmente a través del
intercambiador de calor desde la admisión 24 hasta un extremo
respectivo a, b, c, d en el que los tubos experimentan un giro de
90º para extenderse hacia abajo en una corta distancia desde hacia
la parte más alta del intercambiador de calor hacia la parte más
baja, Los tubos 26 a,b,c,d se extienden hacia abajo una corta
distancia, luego transversalmente, de vuelta transversalmente hacia
la admisión 22, y luego hacia abajo y transversalmente hasta que
definen un camino tortuoso que se extiende hasta la parte más baja
del intercambiador de calor. Hacia la parte más baja, el conducto 22
pasa por debajo de una placa deflectora 29 para abrirse en un
conjunto ordenado adicional de tubos 26 e, f, g, h que son
similares a los tubos 26 a, b, c, d. Los tubos 26 e, f, g, h,
siguen su camino hacia arriba hacia la parte más alta del
intercambiador de calor de una forma similar a la descrita para los
tubos 26 a, b, c, d.
Generalmente, en la parte más alta del
intercambiador de calor, los tubos 26 e, f, g, h pasan sobre una
placa deflectora adicional 31 para abrirse en un conjunto ordenado
final de tubos i, j, k, l que se dirigen tortuosamente hacia debajo
de una forma similar hasta la descarga 26. Esta matriz tortuosa de
tubos proporciona una transmisión eficiente de calor de los gases de
combustión a medida que éstos pasan alrededor de los tubos 26 a
hasta 26l a través del espacio 33 comprendido entre los mismos. El
conducto 22 se ha hecho de un material capaz de resistir
temperaturas hasta del orden de 1.000ºC, manteniendo al mismo tiempo
la resistencia mecánica y la geometría y proporcionando una buena
transmisión de calor por medio de un elevado coeficiente de
conductividad térmica. El intercambiador de calor 18 se ha
construido de acero inoxidable exótico, aunque se podrían usar otros
materiales adecuados. Las placas deflectoras 29, 31 son retirables
selectivamente para permitir la limpieza de las mismas y también del
conducto 22. Las placas deflectoras 29, 31 comprenden material
reflectante de calor tal como un material cerámico. Adicionalmente,
la carcasa 35 del intercambiador de calor podría comprender material
reflectante del calor, tal como un revestimiento de material
cerámico, para ayudar a conservar el calor dentro del intercambiador
de calor 18 y de ese modo facilitar la transmisión de calor dentro
del intercambiador de calor 18.
Se ha provisto un compresor 28 que recibe aire de
la atmósfera a través de una admisión de aire y comprime el aire,
cuyo aire comprimido se introduce al intercambiador de calor por la
admisión 24. El aire comprimido se precalienta hasta aproximadamente
200ºC, consiguiéndose esta temperatura por la compresión del
aire.
La descarga 26 para el aire caliente que sale del
intercambiador de calor se conecta a la turbina 14, que es una
turbina de gas, preferiblemente una microturbina, mediante un
conducto 30. Alternativamente, la turbina 14 podría conectarse
directamente a la descarga 26. El aire que sale del intercambiador
de calor 18 se encuentra aproximadamente a 850ºC.
El aire caliente impulsa la microturbina 14 y el
generador 32 de la turbina para generar energía eléctrica, cuya
salida eléctrica se puede hacer pasar por un inversor/rectificador
antes de descargarla para uso posterior.
El aire caliente usado para impulsar la turbina
14 se recoge, una vez usado para impulsar la turbina 14, y se
reintroduce a la cámara de combustión 16 a través de un conducto 35,
para con ello aumentar y mejorar el rendimiento de la combustión.
Este aire probablemente se encontrará a una temperatura del orden de
550ºC, y se introduce en la cámara de combustión 16 a través de una
admisión 36.
En la cámara de combustión 16 se ha provisto una
descarga 38, para permitir que los gases de combustión se descarguen
de la cámara 16, una vez que estos gases se han usado para calentar
el aire en el intercambiador de calor 18. La temperatura de los
gases descargados es del orden de 300ºC, y estos gases se introducen
en un aparato doméstico tal como un radiador u otro aparato 40 de
calefacción que pudiera usarse, para calentar un objeto o una
habitación por intercambio de calor. Esto proporciona un rendimiento
energético adicional al sistema 10.
Los gases se descargan luego del aparato
doméstico, por ejemplo a la atmósfera.
En uso, el sistema 10 permite que las turbinas de
gas, y en particular las microturbinas, relativamente ventajosas, se
impulsen indirectamente usando combustibles sólidos. Hasta la fecha,
la impulsión de las turbinas de gas y en particular de las
microturbinas no ha sido posible empleando combustible sólido.
La ventaja de poder usar combustible sólido, es
que se pueden usar combustibles de fuentes sostenibles y renovables,
así como residuos y subproductos, tales como madera, papel,
productos animales y productos similares. Las partes internas de la
cámara de combustión se podrían modificar de acuerdo con los
combustibles que se vayan a quemar.
En uso, los combustibles adecuados se introducen
en la cámara de combustión 16 a través de la admisión 20, y se
encienden para quemarlos.
El calor y los gases generados por la combustión
ascienden por la cámara 16 y pasan alrededor de la parte exterior
del conducto 22 del intercambiador de calor 18 a través del espacio
33 comprendido entre el mismo. Las placas deflectoras 29, 31 ayudan
a dirigir los gases de combustión sobre el conducto 22. Cuando está
sucediendo esto, el aire es comprimido por el compresor 28 e
introducido a través de la admisión 24 al intercambiador de calor a
una temperatura de aproximadamente 200ºC. A medida que el aire pasa
a través de los tubos 26 a hasta 26l del intercambiador de calor
hacia la descarga 26, los gases de combustión calientan el aire,
hasta que éste sale a través de la descarga 26 generalmente a una
temperatura del orden de 850ºC. El revestimiento cerámico de la
carcasa 35 ayuda a mejorar el rendimiento del intercambiador de
calor.
Este aire caliente se introduce luego a la
turbina 14, por lo cual el aire caliente, que ahora se está
desplazando con relativa rapidez, hace girar a los álabes dentro de
la turbina 14, impulsando de ese modo a la turbina 14 para generar
energía eléctrica por medio del generador 32, cuya energía eléctrica
se hace pasar por un inversor/rectificador para entregarla como
salida para su uso, por ejemplo para alimentar aparatos y sistemas
eléctricos en la forma normal.
El aire caliente que impulsa la microturbina 14
se descarga una vez que ha pasado por los álabes y se realimenta a
la cámara de combustión 16 a través de la admisión 36. Este aire se
encuentra a una temperatura del orden de 550ºC; y por tanto cuando
se introduce en la cámara 16 actúa para mejorar el rendimiento de la
combustión, y también para calentar aire adicional a medida que pasa
a través del intercambiador de calor 18.
A medida que continúa la combustión, los gases de
combustión que se han usado para calentar aire, y por tanto que se
encuentran a una temperatura relativamente baja (del orden de
300ºC), se descargan a través de la descarga 28 para calentar un
aparato doméstico 40, tal como un radiador. Esto aporta mayor
rendimiento al sistema.
Hay que hacer notar que el sistema 10 de acuerdo
con el invento proporciona una generación eficiente de energía
eléctrica usando fuentes sostenibles y renovables de combustible
para impulsar microturbinas, y por tanto permite acoplar las
ventajas de las microturbinas a las ventajas de la utilización de
combustibles sostenibles y renovables.
La combustión de los combustibles da lugar a
productos de combustión tales como hollín y otros materiales
carbonosos que forman depósitos en la parte exterior del conducto
22. A medida que estos depósitos se acumulan, podrían afectar
perjudicialmente al intercambio de calor, y por ello una
característica del intercambiador de calor 10 es que se puede
desarmar selectivamente para permitir su limpieza.
Se pueden realizar diversas modificaciones sin
apartarse del espíritu o del alcance del presente invento. Por
ejemplo, la disposición y la estructura de un intercambiador de
calor se podrían variar de acuerdo con las aplicaciones que se
deseen. Además, se podrían usar una pluralidad de intercambiadores
de calor. El sistema podría usar cualquier combustible adecuado para
calentar, tal como un gas procedente de una fuente de gas.
El sistema podría comprender cualquier número de
los componentes y características anteriormente mencionados en
cualquier combinación.
Claims (33)
1. Un sistema de generación de energía que
comprende una cámara de combustión (16) para la combustión de
material combustible sólido, un intercambiador de calor (18)
asociado con la cámara de combustión (16) a través del cual pasa un
fluido para calentarse mediante la combustión del material
combustible sólido, y una turbina (14) que se impulsa mediante el
fluido caliente para generar energía, caracterizado porque el
intercambiador de calor (18) incluye unas placas deflectoras (29,
31) retirables selectivamente.
2. Un sistema de generación de energía de acuerdo
con la reivindicación 1, en el que la turbina es una turbina de
gas.
3. Un sistema de generación de energía de acuerdo
con la reivindicación 1 o con la reivindicación 2, en el que la
turbina de gas comprende una microturbina.
4. Un sistema de generación de energía de acuerdo
con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el
intercambiador de calor comprende una admisión de fluido a través de
la cual se introduce fluido en el intercambiador de calor.
5. Un sistema de generación de energía de acuerdo
con la reivindicación 4, en el que el fluido introducido se
precalienta parcialmente.
6. Un sistema de generación de energía de acuerdo
con la reivindicación 4 o con la reivindicación 5, en el que el
fluido introducido en el intercambiador de calor está sometido a
compresión.
7. Un sistema de generación de energía de acuerdo
con la reivindicación 5 o con la reivindicación 6, en el que el
fluido se ha hecho pasar a través de un compresor que ha
precalentado el fluido.
8. Un sistema de generación de energía de acuerdo
con cualquiera de las reivindicaciones 4 a 7, en el que el fluido se
introduce a una temperatura que está comprendida en el intervalo de
250 a 250ºC.
9. Un sistema de generación de energía de
acuerdo con la reivindicación 8, en el que el fluido se introduce a
una temperatura de aproximadamente 200ºC.
10. Un sistema de generación de energía de
acuerdo con la reivindicación precedente, en el que el fluido es un
gas.
11. Un sistema de generación de energía de
acuerdo con la reivindicación 10, en el que el fluido es aire
atmosférico.
12. Un sistema de generación de energía de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el
que el intercambiador de calor está situado en una parte superior de
la cámara de combustión.
13. Un sistema de generación de energía de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el
que el intercambiador de calor está situado en o cerca de la parte
más alta de la cámara de combustión.
14. Un sistema de generación de energía de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el
que el intercambiador de calor comprende un conducto a través del
cual circula el fluido a calentar, cuyo conducto define un camino
tortuoso para facilitar el calentamiento del fluido en el mismo.
15. Un sistema de generación de energía de
acuerdo con la reivindicación 14, en el que el intercambiador de
calor mantiene al fluido separado de los gases de combustión
generados durante la combustión, permitiendo al mismo tiempo que los
gases pasen alrededor de la parte exterior del conducto para de ese
modo calentar el fluido que pasa a través del conducto.
16. Un sistema de generación de energía de
acuerdo con la reivindicación 14 o con la reivindicación 15, en el
que las placas deflectoras desvían a los gases de combustión sobre
el conducto para facilitar la transmisión de calor.
17. Un sistema de generación de energía de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el
que el intercambiador de calor comprende un material aislante para
mejorar adicionalmente la transmisión de calor.
18. Un sistema de generación de energía de
acuerdo con la reivindicación 17, en el que el material aislante
reviste el interior de una carcasa del intercambiador.
19. Un sistema de generación de energía de
acuerdo con la reivindicación 17 o con la reivindicación 18, en el
que el material comprende material cerámico.
20. Un sistema de generación de energía de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el
que el intercambiador de calor comprende materiales capaces de
resistir temperaturas elevadas y de conservar la resistencia
mecánica y la geometría a temperaturas de hasta del orden de 1.000ºC
mientras que al mismo tiempo proporcionan buena conducción del
calor, tales como acero inoxidable exótico u otro material adecuado,
conductor y todavía duradero.
21. Un sistema de generación de energía de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el
que el intercambiador de calor es fácilmente desarmable, al menos en
parte, para facilitar la limpieza del mismo, en particular la
limpieza de la parte exterior del conducto, por ejemplo para retirar
los subproductos de la combustión tales como hollín y otros
depósitos carbonosos.
22. Un sistema de generación de energía de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el
que el intercambiador de calor está diseñado para permitir el paso
de fluido a través del mismo para calentarlo a aproximadamente
800-900ºC, dependiendo del material que se esté
quemando.
23. Un sistema de generación de energía de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el
que la cámara de combustión está dispuesta para acomodar la
combustión de una gama de materiales de combustibles sólidos, tales
como residuos combustibles, combustibles fósiles y madera.
24. Un sistema de generación de energía de
acuerdo con la reivindicación 23, en el que la cámara está dispuesta
para acomodar la combustión de fluido sostenible y/o renovable.
25. Un sistema de generación de energía de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el
que el fluido caliente sale del intercambiador de calor para
introducirse en la turbina con el fin de impulsar a la turbina para
generar energía eléctrica.
26. Un sistema de generación de energía de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el
que un conducto conecta el intercambiador de calor a la turbina.
27. Un sistema de generación de energía de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el
que la turbina está distante del intercambiador de calor.
28. Un sistema de generación de energía de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el
que se han provisto medios para tratar la energía generada.
29. Un sistema de generación de energía de
acuerdo con la reivindicación 28, en el que los medios comprenden
unos medios de inversor/rectificador.
30. Un sistema de generación de energía de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el
que se han provisto medios para alimentar el fluido caliente que ha
impulsado a la turbina de retorno a la cámara de combustión, por lo
cual cualquier cantidad de calor residual contenido en el fluido
facilita y aumenta el rendimiento de la combustión.
31. Un sistema de generación de energía de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el
que el sistema comprende además medios para utilizar los gases
residuales de la cámara de combustión, en particular para usar el
calor residual contenido en los gases con el fin de calentar, por
ejemplo, un aparato doméstico, tal como un radiador, antes de que
los gases se expulsen del sistema.
32. Un método de generación de energía, cuyo
método comprende quemar material combustible sólido en una cámara de
combustión para calentar un fluido que pasa a través de un
intercambiador de calor asociado con la cámara de combustión y que
incluye unas placas deflectoras retirables selectivamente, y usar
dicho fluido caliente para impulsar una turbina con el fin de
generar energía.
33. Un método de acuerdo con la reivindicación
32, que comprende el uso de un sistema como el reivindicado en
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 31.
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