ES2236395T3 - Transformacion de calor con represurizacion. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la transformación de calor mediante una unidad de generación de torbellinos, por ejemplo un tubo de Ranque-Hilsch, en el que un flujo de vapor, en particular un flujo de vapor saturado, se divide en la unidad de generación de torbellinos en un flujo parcial calentado y un flujo parcial enfriado, se produce una condensación en el flujo parcial enfriado y, después de aumentar la presión mediante una bomba, el condensado absorbe el calor del flujo parcial calentado y se evapora, y el vapor, después de haber efectuado un trabajo en una máquina, es devuelto al flujo turbulento, caracterizado porque una cantidad residual de vapor residual, una vez comprimida mediante un compresor de vapor (K), es conducida a una unidad de generación de torbellinos (W), estando la cantidad de vapor residual compuesta por el flujo parcial caliente de la última unidad de generación de torbellinos (W3) y por el vapor de escape de la última máquina de trabajo (T3).

Description

Transformación de calor con represurización.

La invención se refiere a un procedimiento para la transformación de calor mediante una unidad de generación de torbellinos, por ejemplo un tubo de Ranque-Hilsch, en el cual un flujo de vapor, en particular un flujo de vapor saturado, se divide en la unidad de generación de torbellinos en un flujo parcial calentado y un flujo parcial enfriado, se produce una condensación en el flujo parcial enfriado y, después de aumentar la presión mediante una bomba, el condensado absorbe el calor del flujo parcial calentado y se evapora, y el vapor, después de haber efectuado un trabajo en una máquina, es devuelto al flujo turbulento según la patente DE nº 199 16 684.

El objetivo de la invención consiste en aprovechar mejor la energía del vapor de escape de una central eléctrica que trabaja según la patente DE nº 199 16 684.

Este objetivo se alcanza según la invención introduciendo en una unidad de generación de torbellinos (W) una cantidad de vapor residual comprimido mediante un compresor de vapor, estando la cantidad de vapor residual compuesta por el flujo parcial caliente de la última unidad de generación de torbellinos y por el vapor procedente de la última máquina.

A diferencia del procedimiento que se describe en la memoria de la patente DE nº 199 16 684, al producirse una recompresión, no resulta tan importante obtener en un único circuito la mayor disminución posible de la cantidad de vapor que debe condensarse en el condensador, mediante el sistema de transformación con el mayor número posible de etapas de transformador conectadas en serie.

Una provechosa potencia suplementaria de la turbina en comparación con el compresor también puede hacer justificable económicamente un proceso de transformación de una sola etapa. No obstante, con la reducción de la diferencia de potencia entre compresor y turbina con una sola etapa de transformación, aumenta el número de pasadas necesario.

Evidentemente, en lugar de utilizar el vapor de una instalación existente también puede adquirirse vapor de otras fuentes, o suministrarse a través de un compresor de vapor. Por ejemplo, puede efectuarse una alimentación de vapor a partir de una instalación térmica de desalinización de agua de mar en la fase de vapor, mediante compresión, y después de ser utilizado para la generación de energía, el vapor se suministra de nuevo en forma de condensado. Asimismo, puede obtenerse vapor por evaporación del agua caliente generada a través del sol, por el calentamiento de la tierra o de cualquier otro modo.

En la optimización del proceso de transformación, una divergencia de la potencia alcanzable de las turbinas no produce tanto una variación del rendimiento del proceso como un aumento del número de pasadas a través de la recompresión, y en consecuencia un aumento de la capacidad de instalación necesaria y de los costes, ya que las pasadas precedentes consideradas individualmente en realidad transcurren conjuntamente de forma simultánea.

Por lo tanto, resulta esencial que la potencia de las turbinas alcanzada sea lo más elevada posible a la potencia del compresor, para limitar el número de pasadas y en consecuencia la capacidad de los componentes. Una igualdad de potencia dificultaría el proceso de transformación. Una diferencia por debajo del rango de la diferencia de potencia aceptable encarecería la instalación hasta hacerla inviable económicamente debido al aumento excesivo del número de ciclos.

También la inclusión simplificada de tres turbinas de condensación sin extracción de agua por vacío y del compresor sin refrigeración intermedia se sitúa en el marco del rango de un cálculo presupuestario.

Al ser el aporte de calor por compresión muy reducido en comparación con la entalpía de vapor, en el suministro de vapor externo, en la mayoría de los casos esta clase de suministro resulta económicamente provechosa, ya que lo decisivo no es la exergía, sino la energía. De este modo también puede aumentarse el nivel de presión del proceso de transformación, con el fin de optimizar el dimensionado.

En los circuitos generales de recompresión y los estudios del proyecto, la efectividad se determinó preferentemente mediante la diferencia de temperatura entre la expansión y la compresión. No obstante, en la recompresión en conexión con un transformador de calor, el proceso de trabajo se desarrolló preferentemente en una zona de vapor húmedo y vapor saturado. Tampoco en este caso se añadió calor, sino que se transfirió el calor latente presente del medio de trabajo hasta que el vapor estuvo ampliamente condensado.

El rendimiento de la transformación sin recompresión aumentó gradualmente dependiendo de la calidad de las condiciones marco, como por ejemplo la cantidad y la pérdida de presión de las etapas de transformador, altura, magnitud del flujo parcial frío y su diferencia de temperatura con el flujo caliente.

Estos criterios influyen en una central eléctrica que trabaje de acuerdo con el procedimiento según la invención especialmente en los costes. La medida de la diferencia de potencia entre la turbina y el compresor es decisiva por sí sola para la factibilidad, ya que de ella dependen las medidas de los circuitos y la capacidad de la instalación, así como los costes de la misma. Si según los costes una instalación de recompresión parece económica, el rendimiento interior puede aproximarse a casi un 100%.

Sobre la cuestión de la factibilidad se debe considerar lo siguiente: con el tubo de Ranque-Hilsch se ha determinado experimentalmente el aislamiento térmico con aire. Es de esperar que también con vapor y una unidad de generación de torbellinos aparezca un efecto correspondiente. Por último, la naturaleza demuestra que en un tornado se produce una condensación. Este modo de funcionamiento se habría entendido y repetido técnicamente.

El calor de escape de una central eléctrica puede entonces conducirse, en lugar de a un condensador y a una torre de frío, a una nueva central eléctrica con transformación y recompresión gradual y generar una potencia sin utilización adicional de combustible.

La figura 1 muestra un diagrama esquemático de una central eléctrica que trabaja de acuerdo con el procedimiento según la invención.

En los dibujos significan

A =	Instalación antigua
N =	Instalación nueva
G =	Generador
T =	Turbina
W =	Unidad de generación de torbellinos
P =	Bomba
V =	Vaporizador
K =	Compresor
m =	(kg/s) relativa
1m =	100% vapor añadido
p =	(bar) presión
pi =	Presión dinámica
t =	(ºC) Temperatura
h =	(kJ/kg) Entalpía
B =	Recipiente de condensado

En la central eléctrica con instalación de condensación según la figura 1, el vapor de una turbina T_{0} procedente de una instalación antigua existente A fluye por una conducción 1 a una unidad de generación de torbellinos W_{1} y se divide en dos flujos parciales de temperatura diferente. El flujo parcial más frío condensa, y el condensado es llevado a través de una conducción 2 a una bomba P_{1} para aumentar la presión. A continuación, el condensado absorbe en el vaporizador V_{1} el calor de condensación del flujo frío absorbido y transportado por el flujo caliente y se vaporiza. El vapor fluye por una conducción 5 a la turbina T_{1}. Después de la prestación del trabajo, el vapor se introduce a través de una conducción 7 en la unidad de generación de torbellinos W_{2} de la etapa inferior siguiente.

El flujo parcial caliente de la unidad de generación de torbellinos W_{1} ya enfriado en el vaporizador V_{1} a su entalpía de entrada, es conducido a través de una conducción 8 a la unidad de generación de torbellinos W_{2}. Pueden preverse una o varias etapas de la unidad de generación de torbellinos, en las cuales se repite cada vez la división en dos flujos parciales.

En un cálculo de una central eléctrica con recompresión según la figura 1, se situó en la figura 2 la relación de flujo frío a flujo caliente a 2:1 y se introdujeron datos iniciales parcialmente aceptados en las etapas de transformación de calor individuales. En un ejemplo se representa un circuito cerrado en sí mismo como base para un cálculo aproximativo.

Con los valores aplicados, con una cantidad de vapor añadido de 1m (1m = 1 kg/s - simbólicamente para un 100%) resulta una potencia de turbina de vapor de aproximadamente 940 KWI en total, con tres etapas de transformación con las turbinas parciales respectivamente asignadas. La potencia mínima de la turbina de toma de vapor T_{0} \Delta N = 1m \cdot (2545 - 2340) h \cdot 0,98 = 200 KWi (h = kJ/kg) con una cantidad de calor cedida al sistema de

Q = 1m (2545-163) h = 2382 KW th,

es decir, el rendimiento parcial simulado para la cantidad de vapor tomado en 1m, considerando el calor de condensación, ascendió solamente a

\eta = 200 KWi : 2382 KWth = 0,084

En comparación, el concepto según la invención según la figura 2 presenta la misma potencia total de 940 KWi. Después de la reducción de la potencia mínima de 200 KWi quedan 740 KWI o Ne = aproximadamente 740 KWi 0,96 = 710 KWe.

Para control, la cantidad de calor transferido en la primera pasada según la figura 2 asciende a

100

El concepto según la invención consiste en que la cantidad de vapor de escape de 0,702 m a 0,07 bar que llega al condensador vuelve a suministrarse al valor de entrada original de 0,56 bar a 2545 h, mediante recompresión con extracción de agua previa y subsiguiente refrigeración por inyección. La potencia de compresor necesaria para ello asciende a 280 KW

Evidentemente, la cantidad de vapor añadido comprimido desciende a 0,71 m en comparación con el 1,0 m original. Después de esta primera pasada, empieza un ciclo repetidor con la recompresión, disminuyendo el caudal másico respectivo al 71% de la pasada previa.

101

Al procesarse la cantidad de calor en ciclos repetidos con recompresión (280 KW), dependiendo del número de ciclos se obtienen los valores siguientes:

3

referidos a 2382 h (kJ/kg).

Después del décimo ciclo se alcanza un rendimiento de aproximadamente el 80%. Por consiguiente, a la potencia mínima de 200 KW formada por la toma de vapor se opone una potencia en el sistema de transformación ahora de aproximadamente 1900 KWe. La cantidad de vapor circulante en los ciclos alcanza casi el triple del valor de la cantidad de vapor inicial, lo cual exige una capacidad correspondiente elevada de la instalación.

Este cálculo aproximativo debe servir únicamente para ilustrar la tendencia. Las condiciones marco supuestas pueden modificarse según los resultados del ensayo.

La transferencia térmica en la transformación es un proceso continuo, en el cual el calor de condensación del flujo frío no se acumula en la entalpía del flujo térmico, sino que la transferencia térmica se produce de forma gradual y continua y sirve para la evaporación. A continuación se presenta el hecho de que finalmente la potencia de turbina producida corresponde al calor de vaporización del condensado transportado. En la salida de la turbina, la entalpía del vapor ha disminuido debido a la potencia de trabajo, por lo cual este vapor sólo puede producir una cantidad reducida de vapor saturado secundario. El condensado innecesario, que condensa sin descarga externa de calor, se evacúa por el desagüe.

La potencia producida de aproximadamente 940 KWI corresponde en orden de magnitud a la cantidad de calor liberada en la condensación de la cantidad de condensado cedida del sistema, a saber

1.

de la etapa transformación con Q. condensado = 0,298 m \cdot (2545-212) h = 695 KW th y

2.

de la etapa de extracción de agua del compresor: Q condensado = 0,117 \cdot (2545-163) h = 278 KW th \Sigma Q. condensado = 695 +278 = 973 KW th

La potencia interior de las turbinas asciende a 940 KWi. El primer ciclo después de la compresión, con un 71% de la cantidad de vapor añadido presenta también de forma correspondiente el 71% del valor mencionado anteriormente, debiendo deducirse la potencia de compresión (280 KW en el segundo ciclo) en lugar de la potencia mínima de las turbinas de 200 KWI.

Ya que, debido al aumento de temperatura y entalpía del vapor secundario (210ºC, 2800 kJ/kg) en comparación con el vapor primario afluyente (84ºC, 2545 h), el calor del vaporizador V_{1} no es suficiente para la vaporización de la cantidad total de condensado, el excedente se evacúa al recipiente de recogida de condensados B.

Una cantidad de vapor residual sin condensar que está formada por ambas cantidades de vapor de escape de la última etapa de transformación (conducción 10) y de la última turbina T_{3} (conducción 11), se comprime después de la extracción de agua en un compresor de vapor K y después de la inyección de agua para refrigeración - para facilitar el cálculo - se devuelve en estado de vapor añadido a la conducción 1 y allí se introduce de nuevo en el proceso por Y. Por lo tanto, el condensador resulta innecesario.

Claims (3)

1. Procedimiento para la transformación de calor mediante una unidad de generación de torbellinos, por ejemplo un tubo de Ranque-Hilsch, en el que un flujo de vapor, en particular un flujo de vapor saturado, se divide en la unidad de generación de torbellinos en un flujo parcial calentado y un flujo parcial enfriado, se produce una condensación en el flujo parcial enfriado y, después de aumentar la presión mediante una bomba, el condensado absorbe el calor del flujo parcial calentado y se evapora, y el vapor, después de haber efectuado un trabajo en una máquina, es devuelto al flujo turbulento, caracterizado porque una cantidad residual de vapor residual, una vez comprimida mediante un compresor de vapor (K), es conducida a una unidad de generación de torbellinos (W), estando la cantidad de vapor residual compuesta por el flujo parcial caliente de la última unidad de generación de torbellinos (W_{3}) y por el vapor de escape de la última máquina de trabajo (T_{3}).

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la cantidad de vapor residual se comprime hasta el valor inicial.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque cada etapa de transformación tiene asignada una turbina (T_{1}, T_{2}, T_{3}).