ES2272772T3 - Sistema integrado de produccion microcombinada de calor y electricidad. - Google Patents
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Abstract
Un sistema de cogeneración configurado para operar con un fluido orgánico de trabajo, comprendiendo el mencionado sistema una fuente de calor; un primer circuito (100) configurado para transportar el mencionado fluido orgánico de trabajo, el mencionado primer circuito en comunicación térmica con la mencionada fuente de calor tal que el calor transferido desde el mismo supercalienta el mencionado fluido orgánico de trabajo, comprendiendo el mencionado primer circuito (100): un dispositivo de expansión (101) en espiral configurado para recibir el mencionado fluido orgánico de trabajo tal que el mencionado fluido orgánico de trabajo permanece supercalentado tras pasar a través del mencionado dispositivo de expansión (101) en espiral; un condensador (102) en y comunicación de fluido con el mencionado dispositivo de expansión (101) en espiral; y una bomba (103) configurada para circular en el mencionado fluido orgánico de trabajo a través del mencionado primer circuito (100); y un generador (105) operativamente acoplado al mencionado dispositivo de expansión (101) en espiral para producir electricidad.
Description
Sistema integrado de producción microcombinada
de calor y electricidad.
La presente invención se refiere genéricamente a
un sistema de cogeneración para el suministro de energía eléctrica,
agua de calefacción de espacio (SH) y agua caliente doméstica (DHW)
y, más particularmente, a un sistema de cogeneración del tipo
Rankine a pequeña escala que utiliza un dispositivo de expansión en
espiral y un fluido orgánico de trabajo. Véase por ejemplo el
documento WO-A-01/055561.
El concepto de cogeneración, o calor y energía
eléctrica (CHP) combinados, se ha conocido durante algún tiempo
como una forma de mejorar el rendimiento total en sistemas de
producción de energía. Con un típico sistema CHP, el calor
(normalmente en forma de aire o agua caliente), y electricidad son
las dos formas de energía que se generan. En un sistema como éste,
el calor producido a partir de un proceso de combustión puede
accionar un generador eléctrico, así como calentar agua, a menudo
girándola dentro de vapor para calor de vivienda o de proceso. Los
sistemas CHP más actuales hoy en día tienden a ser más bien grandes,
produciendo calor y energía eléctrica bien para un vasto número de
consumidores o para grandes centros industriales. Tradicionalmente,
las economías de escala han impedido que un enfoque como éste se
extrapole hasta un número discreto de usuarios. Sin embargo,
aumentos en los costes de combustible han disminuido los beneficios
de la energía eléctrica generada de forma centralizada. En
consecuencia, existe un gran mercado potencial donde se pueden
utilizar gran número de productores de calor y electricidad
distribuidos, relativamente autónomos. Por ejemplo, en
infraestructura de transporte de calor existente más antigua, donde
se permite la presencia de tuberías que portan fluido, la inclusión
de un sistema que puede proporcionar CHP sería especialmente
prometedora, ya que no se precisa entorpecer la estructura contigua
del edificio para insertar una nueva tubería. Análogamente, una
capacidad multifunción inherente a un sistema CHP puede reducir la
redundancia estructural.
El mercado para la capacidad localizada de
generación de calor en Europa y en el Reino Unido (UK), así como en
ciertas partes de los Estados Unidos, dictan que en una única unidad
para lugares residenciales monofamiliares y pequeños comercios
proporciona calor tanto para SH (tal como un sistema hidrónico con
radiador), como para DHW (tal como una alcachofa de ducha o grifo en
un fregadero o bañera), vía solicitud o sistema instantáneo. A
veces se usan unidades de combinación existentes, allí donde el
calor para DHW se acumula en una combinación de tanque de
almacenamiento y serpentín de caldera. En una configuración, el agua
SH circula a través del serpentín de caldera, que actúa como el
elemento de calefacción para el agua en el tanque de almacenamiento.
A modo de ejemplo, como la capacidad de almacenamiento requerida
por la DHW que abastece una o dos duchas en una residencia mono
familiar (tal como una casa separada o un gran apartamento) es de
aproximadamente 120 a 180 L, se sigue que el tamaño del tanque de
almacenamiento debe ser más bien grande, a veces prohibitivo para
satisfacer los requisitos térmicos de hasta 25 kW térmicos
(kW_{t}) para almacenar agua caliente para cumplir tal demanda
pico de ducha. Sin embargo, en hogares más recientes y pequeños, a
menudo no hay un espacio adecuado para acomodar tal volumen de
tanque de almacenamiento. Además de la necesidad instantánea de
capacidad de DHW de hasta 25 kW_{t}, hasta 10 kW_{t} para SH es
estacionalmente necesario para calentar una vivienda de tamaño
medio.
Además, incluso en sistemas que emplean SH y DHW
en un sistema de calefacción para consolidar el espaciado, no se
incluye ninguna disposición para CHP. En el ejemplo dado en lo que
antecede, es probable que los requisitos eléctricos concomitantes
con el uso de 35 kW_{t} esté entre 3 y 5 kilovatios eléctricos
(kW_{e}). El enfoque tradicional para proporcionar ambas formas de
energía eléctrica, como se trató en lo que antecede, era tener una
de gran estación central de generación de electricidad que
proporcione electricidad a una rejilla común para miles e incluso
millones de usuarios, con capacidad de producción de calor y agua
caliente proporcionada en o cerca del usuario final en base a un
individuo o pequeño grupo. De este modo, con el enfoque tradicional,
el consumidor no sólo tiene poco control sobre el coste de
generación de energía eléctrica, ya que dicho coste está sujeto a
tarifas vigentes y a demanda procedente de otros consumidores, sino
que también debe pagar más la ineficacia inherente de un sistema
que no explota la sinergia de usar calor residual para proporcionar
generación eléctrica adicional o capacidad de calefacción.
Los sistemas de cogeneración a gran escala (en
el rango del megavatio [MW] y superior), aunque ayudan a reducir las
ineficacias mencionadas en lo que antecede en las instalaciones de
generación de energía eléctrica de concepción centralizada no son
muy adecuadas para proporcionar calor y energía eléctrica a pequeña
escala (por debajo de unos cientos kW), especialmente en el
intervalo de la pequeña escala de unos pocos kW_{e}, y por debajo
(sistemas basados en micro) hasta algunas docenas de kW_{e}
(sistemas basados en mini). Mucho de esto se debe a la incapacidad
de los grandes sistemas motrices para reducirse de escala, ya que un
rendimiento eléctrico razonable a menudo únicamente se consigue con
sistemas que respondan a la variación de carga, estrictas
tolerancias dimensiones de componentes clave y correspondientes
altos costes de capital. Representantes de esta clase son turbinas
de gas, cuya construcción es cara para aplicaciones a pequeña
escala, y sacrifican el rendimiento cuando operan sobre requisitos
de carga eléctrica que varía. Los dispositivos que fomentan el
rendimiento, tales como recuperadores, tienden de a reducir el calor
disponible para los ciclos de DHW o SH, limitando, de este modo, su
uso en aplicaciones con una alta relación calor/energía eléctrica
(en adelante Q/P). Una subclase de dispositivo motriz basado en la
turbina de gas, es la microturbina, que incluye un generador de alta
velocidad acoplado a electrónica de potencia, podría ser un enfoque
factible para sistemas de cogeneración de pequeña escala. Otros
inconvenientes asociados con sistemas de CHP a gran escala, proceden
de configuraciones con vida limitada que tienen altos costes de
mantenimiento. Esta clase incluye dispositivos motrices que
incorporan motores convencionales de combustión interna, donde el
ruido, las emisiones de escape, los cambios de aceite de lubricación
y bujías y los requisitos relacionados con el mantenimiento y el
empaquetado hacen que el uso dentro de una vivienda residencial o
luz comercial se objetable. Esta clase de dispositivos motrices
tampoco refleja una cantidad suficiente de calor para situaciones
que precisen un alto Q/P, tales como las que se puede esperar
encontrarse en viviendas mono familiares. Otras configuraciones de
dispositivo de accionamiento, tales como turbinas de vapor, aunque
generalmente llevan a altos Q/P, están incluso menos adaptadas a los
requisitos de fluctuación eléctrica que las turbinas de gas.
Además, el enfoque basado en vapor típicamente incluye un arranque
lento del sistema, y altos costes iniciales del sistema, militando
ambos contra las aplicaciones a pequeña escala.
A la vista de las limitaciones de la técnica
existente, los inventores de la presente invención han descubierto
que lo que se necesita es un sistema autónomo que integre producción
de electricidad y calor en un generador distribuido de energía
accesible, compacto, eficaz y distribuido.
Estas necesidades son cumplidas por la presente
invención, donde se describe un nuevo sistema micro CHP. En
micro-CHP, un dispositivo motriz compacto puede
proporcionar tanto potencia eléctrica de salida, tal cómo a partir
de un generador acoplado a una fuente de calor, como potencia de
salida calorífica para proporcionar aire tibio y agua caliente a
viviendas. Lo que distingue a la micro-CHP de una
CHP tradicional es el tamaño: en la micro-CHP, la
potencia eléctrica de salida es bastante pequeña, en el intervalo
bajo de kW_{e}, e incluso en el intervalo por debajo del kW_{e}.
El sistema de la presente invención puede proporcionar respuesta
rápida a los requisitos DHW, ya que el tamaño de tanques necesarios
para almacenar agua se reduce drásticamente, o posiblemente incluso
se elimina. El tamaño del sistema micro-CHP descrito
en la presente memoria se puede adaptar a necesidades particulares
del usuario; por ejemplo, un sistema para una vivienda mono familiar
se podría dimensionar para producir aproximadamente de 3 a 5
kW_{e}, 10 kW_{t} SH y 25 kW_{t} DHW. Para pequeñas
aplicaciones comerciales o multi vivienda (tales como un grupo de
apartamentos) el uso del sistema podría ser escalado hacia arriba
en consecuencia. La relación calor-energía
eléctrica, Q/P, es un parámetro importante en la configuración del
sistema. Para la mayoría de las aplicaciones residenciales y de
pequeños comercios, un Q/P en el intervalo de 7:1 a 11:1 es
preferible, ya que relaciones mucho más pequeñas que ésta podrían
ocasionar una generación eléctrica residual, y relaciones mucho
mayores que éstas no son prácticas para todos sino para los climas
más fríos (donde la necesidad de calefacción es más constante que
estacional). Como la producción de electricidad (a través, por
ejemplo, de un generador o pila de combustible) es un subproducto
del proceso de generación de calor del dispositivo de accionamiento,
no se generan dióxido de carbono adicional ni contaminantes
atmosféricos relacionados, haciendo, de este modo, que el sistema de
la presente invención sea adecuado para requisitos de control de
emisión más estrictos.
Según un primer aspecto de la presente
invención, se describe un sistema de cogeneración. El sistema de
cogeneración incluye un fluido orgánico de trabajo, una fuente de
calor capaz de supercalentar el fluido orgánico de trabajo, un
primer fluido para transportar el fluido orgánico de trabajo, y un
generador para producir electricidad. Al menos una parte del primer
circuito, que incluye un dispositivo de expansión en espiral, un
condensador y una bomba, está en comunicación térmica con la fuente
de calor. La bomba circula el fluido orgánico de trabajo a través
del primer circuito. Preferiblemente la fuente de calor es un
quemador en comunicación térmica con un evaporador tal que el calor
proporcionado por el quemador hace que el fluido orgánico de trabajo
fluya a través del evaporador para ser supercalentado. En el
presente contexto, el término "comunicación térmica" significa
abarcar ampliamente todos los casos de intercambio térmico
ocasionados a consecuencia de acoplamiento entre componentes de
sistema, mientras que el más reducido "comunicación de intercambio
de calor" (tratado en lo que sigue) significa abarcar la relación
más específica entre componentes de intercambio de calor directo,
adyacente diseñados específicamente para ese fin. Por la naturaleza
del fluido orgánico de trabajo, éste permanece en un estado
supercalentado desde el principio hasta que entra en el dispositivo
de expansión en espiral hasta después de salir del mismo. La alta
densidad de vapor y las propiedades de transferencia de calor del
fluido orgánico de trabajo supercalentado, aseguran que el máximo
calor y energía eléctrica se pueden extraer del fluido sin tener que
recurrir a un gran dispositivo de expansión en espiral.
El sistema de cogeneración se puede configurar
de tal forma que el fluido orgánico de trabajo se enciende directa o
indirectamente. En la primera configuración, la relación entre el
quemador y el evaporador que porta fluido orgánico de trabajo es
tal que la llama desde el proceso de combustión en el quemador
incide directamente, bien sobre el conducto que porta el fluido o
sobre un contenedor (al que se hace referencia alternativamente
como una cámara de combustión) que aloja al menos una parte del
conducto que porta fluido orgánico de trabajo tal que la parte del
conducto donde el fluido orgánico de trabajo se supercalienta se
considera el evaporador. En la última configuración, la llama
procedente del proceso de combustión en el quemador cede una parte
de su calor al conducto que configura un circuito secundario, que a
su vez lleva un fluido de intercambio de calor hasta un
intercambiador de calor de bucle intermedio. El fluido de
intercambio de calor podría ser agua, una mezcla de agua y un
aditivo que inhiba la congelación (tal como propilenglicol), o un
orgánico tal como el del fluido orgánico de trabajo del primer
circuito. El primer bucle del intercambiador de calor de bucle
intermedio se conecta fluídicamente al primer circuito que lleva
fluido orgánico de trabajo, mientras el segundo bucle se conecta
fluídicamente al segundo circuito que lleva fluido de intercambio de
calor. Preferiblemente, el intercambiador de calor de bucle
intermedio está situado entre la bomba y el dispositivo de expansión
en espiral del primer circuito de forma que actúa como un evaporador
para el fluido orgánico de trabajo. La última configuración también
puede incluir un dispositivo de precalentado de bucle de calefacción
de espacio que está en comunicación de intercambio de calor con el
segundo bucle del condensador tal que una parte del calor aún
presente en el fluido de intercambio de calor tras ceder una parte
de su calor al fluido orgánico de trabajo en el intercambiador de
calor de bucle intermedio se pueda usar para precalentar fluido en
un bucle externo SH.
Además, al igual que con la configuración
primera, el quemador se puede disponer en un contenedor. En ambas
configuraciones, el contenedor puede incluir un conducto de gases de
escape para alejar productos de combustión (primariamente gas de
escape), un ventilador de gas de escape para facilitar, además, la
retirada de dicho producto, así como un intercambiador de calor de
gas de escape dispuesto adyacente al (preferiblemente dentro del)
conducto de escape de forma que el calor residual presente en el gas
de escape se pueda usar para calefacción suplementaria en otras
partes del sistema de cogeneración. El intercambiador de calor de
gas de escape puede incluir, además, un dispositivo de
recirculación de gas de escape para mejorar además la transferencia
de calor desde el gas de escape. En la configuración primera, el
calor recogido por el intercambiador de calor de gas de escape se
puede enrutar a diferentes lugares dentro del primer circuito o del
bucle de calefacción de espacio para proporcionar precalentado
adicional del fluido orgánico de trabajo o fluido de calefacción de
espacio, respectivamente. Además, cualquier configuración se puede
adaptar para intercambiar calor con un bucle exterior DHW. El
intercambio de calor puede tener lugar, además, en un intercambiador
de calor configurado similar al condensador, tal que dos bucles
individuales estén colocados contiguos entre sí para facilitar la
transferencia de calor entre los correspondientes fluidos que fluyen
a través suyo, o en un tanque de almacenamiento (tal como un tanque
de almacenamiento de agua caliente) tal que el fluido almacenado en
su interior (preferiblemente agua) se mantiene a una temperatura
elevada para tener un abastecimiento rápidamente disponible de
grifo, baño y ducha de agua caliente. En el caso de un enfoque
basado en tanque de almacenamiento, la calefacción adicional de
líquido el tanque se puede producir por un elemento de calefacción
que recibe su energía eléctrica del generador. Cuando no hay
presente ningún tanque, el calor hasta el bucle de DHW se puede
tomar de una conexión al primer condensador de circuito (en la
configuración directamente encendida) o el fluido de intercambio de
calor que fluye a través del segundo circuito (en la configuración
indirectamente encendida). Además, en una cualquiera de entre las
configuraciones encendida directamente o encendida indirectamente,
si se desea mantener la capacidad de proporcionar DHW mientras se
mantiene un sistema en conjunto simplista de bajo coste, se puede
usar un quemador sobredimensionado o de múltiples fases. Esta
calefacción de sugerencia puede reducir el tamaño de, e incluso
obviar la necesidad de, un gran tanque de almacenamiento, mientras
aún es capaz de proporcionar sustancialmente agua caliente
"instantánea" cuando se precise.
Las condiciones de servicio, incluyendo
temperatura y presión máximas, del primer circuito del sistema de
cogeneración se configuran para estar dentro del intervalo de diseño
del fluido orgánico de trabajo. Se puede incorporar un controlador
al monitor y, si fuera necesario, cambiar los parámetros de servicio
dentro del sistema. Conmutadores, sensores y válvulas se pueden
incorporar en el sistema para ayudar al controlador a realizar su
función. Por ejemplo, para impedir sobrevelocidad en el dispositivo
de expansión durante los transitorios de arranque o parada, o baja
(no ausencia de) carga en la rejilla, el controlador puede activar
bloques directamente y puentear válvulas, forzando, de este modo, a
que el fluido orgánico de trabajo supercalentado puentee el
dispositivo de expansión. El controlador también puede integrarse
con condiciones determinadas por el usuario a través del
termostato.
El uso de fluido orgánico de trabajo, en lugar
de un fluido más fácilmente disponible (tal como agua), es
importante allí donde el transporte e incluso algunos usuarios
finales podrían someter partes del sistema a congelación (por debajo
de 0ºC). Con un sistema lleno de agua, el daño y la inoperabilidad
podrían sobrevenir tras una exposición prolongada a temperaturas
por debajo de la congelación. Además, al usar un fluido orgánico de
trabajo en lugar de agua, la corrosión emite gérmenes al agua en
presencia de oxígeno, y se evitan el dimensionado del dispositivo
de expansión o emisiones de fases/remansos asociados con fluidos de
baja densidad de vapor. El fluido orgánico de trabajo es
preferiblemente o un refrigerante halocarbonado o un hidrocarburo
que se produzca naturalmente. Ejemplos del primero incluyen
R-245fa, mientras que ejemplos del último incluyen
algunos de los alcanos, tal como isopentano. Otros conocidos fluidos
y refrigerantes de trabajo, a pesar de presentar atractivas
propiedades termodinámica, son excluidos por otras razones. Por
ejemplo, el R-11 es uno de una clase de
refrigerantes ahora proscritos en la mayor parte del mundo por
motivos medioambientales. Análogamente, para el
R-123, mucho menos objetable medioambientalmente
(por ahora) que el R-11, está el asunto de
descomposición que preocupa ante ciertas condiciones de servicio de
micro-CHP. La necesidad de operar el condensador a
una temperatura suficientemente alta para permitir la calefacción
hidrónica útil del espacio y la necesidad de tener una sustancial
relación de expansión de vapor (de 5 a 7 u 8) limita el número de
fluidos con propiedades útiles. Además, la necesidad de tener una
sustancial densidad de vapor en la entrada del dispositivo de
expansión tiene un impacto directo en la elección de fluido y en el
diámetro de las espirales, los cuales inciden en el coste de la
espiral. Con muchos fluidos la temperatura de condensación y la
necesidad de expansión significativa se traduce en presiones muy
altas en la entrada de la espiral (aumentando la potencia de
bombeo) o en condiciones súper críticas en la entrada, traduciéndose
en dificultades en la operación y control de diseño del evaporador.
Estas mismas condiciones son preocupantes cuando uno considera otros
fluidos naturales (hidrocarburos). Por ejemplo, aunque el pentano,
butano y propano todos ellos se consideraron como potenciales
fluidos de trabajo, los inventores determinaron que, de los
hidrocarburos que se producen naturalmente, el isopentano ofrece
superiores propiedades de fluido para aplicaciones de
micro-CHP.
De acuerdo con otro aspecto de la presente
invención, se describe un sistema de cogeneración configurado para
operar con un fluido orgánico de trabajo. El sistema incluye una
fuente de calor, un primer circuito configurado para transportar el
fluido orgánico de trabajo, y un generador acoplado operativamente a
un dispositivo de expansión en espiral para producir electricidad.
El primer circuito incluye un dispositivo de expansión en espiral
configurado para recibir el fluido orgánico de trabajo, un
condensador en comunicación de fluido con el dispositivo de
expansión en espiral, y una bomba configurada para circular el
fluido orgánico de trabajo. El primer circuito está en comunicación
térmica con la fuente de calor tal que el calor de transferido desde
el mismo convierte el fluido orgánico de trabajo en un vapor
súpercalentado.
De acuerdo con otro aspecto de la presente
invención, se describe una micro-CHP calentada
indirectamente, que incluye una fuente de calor, primer y segundo
bucles de circulación de fluido y un intercambiador de calor de
bucle intermedio. La micro-CHP encendida
indirectamente es ventajosa en términos de flexibilidad y
mantenibilidad del sistema. Se emplean múltiples bucles de
circulación de fluido tal que la fuente de calor (por ejemplo, un
quemador) se proporciona hasta un segundo bucle de circulación de
fluido que está en comunicación térmica con, pero fluídicamente
aislado de, un primer bucle de circulación de fluido. El segundo
bucle de circulación de fluido incluye tubería usada para llevar un
fluido de intercambio de calor. Esta tubería es, preferiblemente,
de serpentines y aletas para maximizar la transferencia de calor
entre la fuente de calor y el fluido de intercambio de calor. Se
usa al menos una bomba para hacer circular el fluido de intercambio
de calor. El segundo bucle de circulación de fluido contiene,
además, un conjunto paralelo de sub-bucles, uno de
los cuales pasa a través de un intercambiador de calor de DHW para
calentar agua municipal, mientras que el otro pasa a través del
intercambiador de calor de bucle intermedio como un intermediario
entre la fuente de calor y el fluido orgánico de trabajo que fluye
a través del primer bucle de circulación de fluido. Además de pasar
el fluido orgánico de trabajo a través del intercambiador de calor
de bucle intermedio, el primer bucle de circulación de fluido
incluye un dispositivo de expansión en espiral conectado a un
generador, un intercambiador de calor de SH y una bomba de
circulación. Al aplicar calor, el fluido de trabajo orgánico se
súpercalienta, a continuación se expande en el dispositivo de
expansión en espiral para girar el generador, produciendo, de este
modo, energía eléctrica. La fluido orgánico de trabajo a menor
presión, pero aún súpercalentado, que abandona el dispositivo de
expansión en espiral, entra en el intercambiador de calor de SH
donde otro fluido, típicamente aire o agua, puede pasar a través
suyo y ser calentado por el fluido orgánico de trabajo. Este fluido
de SH se circula, a continuación, hasta radiadores o dispositivos
similares de calefacción de espacio, dentro de una vivienda. La
bomba de circulación, regresa el fluido orgánico de trabajo
condensado hasta el intercambiador de calor de bucle intermedio,
donde puede repetir el proceso.
Opcionalmente, un dispositivo precalentado para
el bucle de SH se puede colocar en comunicación de intercambio de
calor con el segundo bucle de circulación de fluido tal que se pueda
efectuar SH adicional. Además, al igual que con el aspecto previo,
la fuente de calor puede incluir un quemador dispuesto dentro de un
contenedor del tipo cámara de combustión. El contenedor puede
incluir un conducto de escape, un ventilador de escape y un
intercambiador de calor de gas de escape dispuesto adyacente al
conducto de escape. El intercambiador de calor de gas de escape
puede incluir, además, un dispositivo de recirculación de gas de
escape para mejorar adicionalmente la transferencia de calor desde
el gas de escape. El calor residual, que de otro modo sería venteado
fuera del conducto y a la atmósfera, se puede capturar y volver a
enrutar a otras partes dentro del sistema. Por ejemplo, el
intercambiador de calor de gas de escape puede estar integrado en el
primer sub-bucle del segundo bucle de circulación
de fluido con el fin de proporcionar calefacción adicional al
intercambiador de calor de DHW.
Aún de acuerdo con otro aspecto de la presente
invención, se describe un sistema de cogeneración directamente
encendido, configurado para circular un fluido orgánico de trabajo.
La micro-CHP encendida directamente es ventajosa en
términos de coste y sencillez de sistema. El sistema incluye a un
bucle de tubería que define una trayectoria del flujo de fluido
orgánico de trabajo, un fluido orgánico de trabajo dispuesto en el
bucle de tubería, un evaporador dispuesto en la trayectoria del
flujo de fluido orgánico de trabajo, un quemador en comunicación
térmica con el evaporador tal que el calor transferido al evaporador
súpercalienta el fluido orgánico de trabajo, un dispositivo de
expansión en espiral dispuesto en la trayectoria del flujo de fluido
orgánico de trabajo tal que el fluido orgánico de trabajo
súpercalentado que pasa a través del dispositivo de expansión en
espiral permanece súpercalentado al descargarse del dispositivo de
expansión en espiral, de un generador que responde operativamente al
dispositivo de expansión en espiral para generar electricidad, de
un condensador y de una bomba dispuesta en la trayectoria del flujo
de fluido orgánico de trabajo entre el condensador y el evaporador.
El condensador comprende un bucle primario dispuesto en la
trayectoria del flujo de fluido orgánico de trabajo tal que el
bucle primario está en comunicación de fluido con el dispositivo de
expansión en espiral, y un bucle secundario en relación de
intercambio de calor con el bucle primario, donde el bucle
secundario está configurado para transferir al menos una parte del
calor contenido en el fluido orgánico de trabajo que pasa a través
del bucle primario hasta un bucle externo, tal como un dispositivo
de calefacción de espacio.
Opcionalmente, el sistema de
micro-CHP directamente encendido incluye un
controlador, válvulas, cámara de combustión y características de
escape similares a las de los aspectos previos. También, al igual
que con los aspectos previos, el fluido orgánico de trabajo es,
preferiblemente, bien un hidrocarburo que se produce naturalmente
(tal como isopentano), bien un refrigerante halocarburo, tal como
R-245fa. Además, la fuente de calor, que puede ser
un quemador, puede estar sobredimensionada para proporcionar calor
adicional durante las variaciones del sistema que no emplean un
tanque de almacenamiento con fines de DHW. En esa situación, el
quemador puede ser o bien más grande, o bien un dispositivo de
múltiples fases tal que cada fase se destina a una pieza particular
de los circuitos externos de calefacción, tales como los circuitos
de SH o DHW. Además, los circuitos externos de calefacción se pueden
acoplar al sistema de cogeneración desde una única conexión en el
condensador, tal que las trayectorias bifurcadas que se corresponden
con los bucles de SH y DHW, pueden estar, ambas, acomodadas.
Aún según otro aspecto de la presente invención,
se describe un sistema micro combinado de calor y energía eléctrica.
El sistema micro combinado de calor y energía eléctrica comprender
un bucle de generación de electricidad y una conexión a un bucle
externo de calefacción. El bucle de generación de electricidad
incluye un quemador para elevar la temperatura del fluido orgánico
de trabajo tal que el fluido orgánico de trabajo se súpercalienta,
un dispositivo de expansión en espiral para recibir el vapor
súpercalentado tal que el fluido de trabajo permanece en una fase
supercalentada tras pasar a través suyo, un generador operativamente
acoplado al dispositivo de expansión en espiral para producir
electricidad, un condensador dispuesto en comunicación de fluido con
el dispositivo de expansión en espiral y una bomba para circular el
fluido orgánico de trabajo. La conexión se dispone en el
condensador, y se configura para colocar el bucle externo de
calefacción en comunicación térmica con el condensador. Este bucle
externo de calefacción puede ser bien un bucle de DHW, bien un bucle
de SH, o ambos. Al igual que con los aspectos previos de la
invención, se pueden incorporar controlador similar, cámara de
combustión y características relacionadas.
Según un aspecto adicional de la presente
invención, se describe un sistema para la producción de agua
caliente doméstica, calor y electricidad de espacio a partir de un
ciclo pasado en Rankine con un fluido orgánico de trabajo. El
sistema incluye una trayectoria de fluido sustancialmente en
circuito cerrado configurado para transportar el fluido orgánico de
trabajo a través suyo, un quemador configurado para proporcionar
calor suficiente para supercalentar el fluido orgánico de trabajo,
y un controlador para regular la operación del sistema. La
trayectoria de fluido sustancialmente en circuito cerrado se define,
al menos parcialmente, mediante un conducto con serpentines
configurado para actuar como un elemento de transferencia de calor
para el fluido orgánico de trabajo, e incluye como componentes un
dispositivo de expansión en espiral, un generador, un condensador y
una bomba. El término "tubo" se puede usar intercambiablemente
con "conducto", ya que ambos describen una vasija hueca cerrada
usada para el transporte de fluidos. El quemador está en
comunicación térmica con la trayectoria de fluido sustancialmente
en circuito cerrado. El dispositivo de expansión en espiral está
configurado para aceptar el fluido orgánico de trabajo
súpercalentado. El condensador está configurado para extraer al
menos una parte del calor que permanece en el fluido orgánico de
trabajo una vez que el fluido orgánico de trabajo pasa a través del
dispositivo de expansión en espiral. La bomba presuriza y circula
fluido orgánico de trabajo.
Aún según otro aspecto adicional de la presente
invención, se describe un sistema de cogeneración indirectamente
encendido que comprende una fuente de calor, un elemento pasivo de
transferencia de calor en comunicación térmica con la fuente de
calor, un primer circuito, un generador y un segundo circuito. El
primer circuito está configurado para transportar un fluido orgánico
de trabajo, y se dispone contiguo a un extremo del elemento pasivo
de transferencia de calor tal que el calor transferido desde el
elemento pasivo de transferencia de calor aumenta el contenido
energético del fluido orgánico de trabajo. El primer circuito está
compuesto por al menos un dispositivo de expansión en espiral
configurado para recibir el fluido orgánico de trabajo, un
condensador en comunicación de fluido con el dispositivo de
expansión en espiral, y una bomba configurada para circular el
fluido orgánico de trabajo. El condensador está configurado para
transferir al menos una parte del exceso de calor contenido en el
fluido orgánico de trabajo hasta un bucle externo de calefacción.
Al igual que con los aspectos previos, el generador se acopla al
dispositivo de expansión en espiral para producir electricidad en
respuesta al movimiento impartido al mismo desde la espiral. El
segundo circuito está configurado para transportar un fluido de
intercambio de calor a través suyo, y se dispone contiguo a un
extremo del elemento de pasivo de transferencia de calor tal que el
calor transferido desde el mismo aumenta el contenido energético
del fluido de intercambio de calor. El segundo circuito está
compuesto por al menos una cámara de combustión dispuesta contigua
a la fuente de calor tal que el gas de escape puede ser retirado.
Los detalles relativos a la cámara de combustión son similares a los
tratados conjuntamente con los aspectos previos, a excepción de un
extremo del elemento pasivo de transferencia de calor (que es
preferiblemente una tubería de calor) que se dispone dentro de la
cámara de combustión de tal forma que dicho extremo absorbe calor
procedente de la fuente de calor.
Aún según otro aspecto de la presente invención,
se describe un sistema de cogeneración que comprende una fuente de
calor, un elemento pasivo de transferencia de calor en comunicación
térmica con la fuente de calor y un primer circuito. El primer
circuito está configurado para transportar un fluido orgánico de
trabajo, y se dispone contiguo a un extremo del elemento pasivo de
transferencia de calor de tal forma que el calor transferido desde
el elemento pasivo de transferencia de calor súpercalienta el fluido
orgánico de trabajo. El primer circuito está compuesto por al menos
un dispositivo de expansión en espiral configurado para recibir el
fluido orgánico de trabajo, un condensador en comunicación de fluido
con el dispositivo de expansión en espiral, y una bomba configurada
para circular el fluido orgánico de trabajo. Un generador se acopla
al dispositivo de expansión en espiral para generar electricidad en
respuesta a la expansión del fluido orgánico de trabajo en la
espiral. El condensador se configura para transferir al menos una
parte del calor en exceso contenido en el fluido orgánico de
trabajo hasta un bucle externo de calefacción. Al igual que con el
aspecto previo, el elemento pasivo de transferencia de calor es,
preferiblemente, una tubería de calor, y su integración en la cámara
de combustión es similar.
De acuerdo con otro aspecto de la presente
invención, se describe un procedimiento de producción de calor y
energía eléctrica a partir de un dispositivo de cogeneración. El
procedimiento incluye las etapas de configurar un primer circuito
para transportar a un fluido orgánico de trabajo, supercalentar el
fluido orgánico de trabajo con una fuente de calor que esté en
comunicación térmica con el primer circuito, expandir el fluido
orgánico de trabajo súpercalentado en un dispositivo de expansión
en espiral, hacer girar un generador que esté acoplado al
dispositivo de expansión en espiral para generar electricidad,
refrigerar el fluido orgánico de trabajo en condensador tal que al
menos una parte del calor en el fluido orgánico de trabajo que pasa
a través de condensador se transfiera a un bucle externo de
calefacción, usando al menos una parte del calor que se ha
transferido al bucle externo de calefacción para proporcionar calor
de espacio, y retornar el fluido orgánico de trabajo que sale del
condensador hasta una posición en el primer circuito tal que pueda
recibir entrada de calor adicional desde la fuente de calor.
Opcionalmente, el procedimiento incluye mantener
el fluido orgánico de trabajo en un estado súpercalentado a través
de la etapa de expansión. Como una etapa adicional, el procedimiento
puede usar selectivamente al menos una parte del calor que se ha
transferido al bucle externo de calefacción para calentar un bucle
de agua caliente doméstica. Se puede usar un grupo alternativo de
etapas para configurar un segundo circuito para transportar un
fluido de intercambio de calor hasta un bucle de DHW, donde el bucle
de DHW se desacopla del bucle de SH que está térmicamente acoplado
al condensador. El segundo circuito se define mediante una
trayectoria del flujo de tubería que está en comunicación térmica
con la fuente de calor. El segundo circuito está en comunicación de
intercambio de calor con al menos un bucle de agua caliente
doméstica, tal como un intercambiador de calor o tanque de
almacenamiento de agua, por ejemplo. El segundo circuito está
configurado tal que al menos una parte del calor que se ha
transferido al fluido de intercambio de calor irá a calentar un
fluido (tal como agua) en el bucle de agua caliente doméstica.
Preferiblemente, el fluido orgánico de trabajo se súpercalienta
hasta aproximadamente -12 a -1ºC por encima de su punto de
proyección en la etapa de súpercalefacción, y se presuriza hasta
una presión máxima de aproximadamente 1,38 - 3,10 MPa en la etapa
(de bombeo) de retorno. Además, la etapa de súpercalefacción produce
una temperatura máxima de entre aproximadamente
121-127ºC en el fluido orgánico de trabajo. Además,
la etapa de expansión se realiza tal que la potencia eléctrica de
salida del generador es de hasta 10 kW mientras que la tapa de
refrigeración se realiza tal que la potencia térmica de salida
transferida al bucle externo de calefacción es de hasta 60 kW. La
fuente de calor puede encender, bien directamente, bien
indirectamente el fluido orgánico de trabajo. Una etapa adicional
puede incluir, además, operar un conjunto de válvulas configuradas
para permitir que el fluido orgánico de trabajo puentee el
dispositivo de expansión en espiral en una condición
preestablecida, que puede ser una interrupción de la corriente de
rejilla, transitorio de arranque o transitorio de parada de
emergencia.
De acuerdo con otro aspecto de la presente
invención, se describe un sistema para la producción de electricidad
y calor de espacio a través de la expansión de un fluido orgánico de
trabajo en un estado súpercalentado. El sistema comprende un fluido
orgánico de trabajo, una trayectoria del flujo configurada para
transportar el fluido orgánico de trabajo, una cámara de combustión
dispuesta en la trayectoria del flujo, un dispositivo de expansión
en espiral dispuesto en la trayectoria del flujo para recibir y
descargar el fluido orgánico de trabajo en el estado súpercalentado,
un generador operativamente acoplado al dispositivo de expansión en
espiral para producir electricidad, un condensador en comunicación
de fluido con el dispositivo de expansión en espiral, y una bomba
para circular el fluido orgánico de trabajo por la trayectoria del
flujo. La cámara de combustión comprende un quemador, un elemento
de transferencia de calor adaptado para llevar el fluido orgánico
de trabajo contiguo al quemador, y un conducto de escape para llevar
productos de combustión producidos por el quemador a la atmósfera.
Al igual que con aspectos previos, el acoplamiento entre el
condensador y un bucle externo de calefacción se puede usar para
efectuar un intercambio de calor con un bucle de SH. Además, se
pueden emplear dispositivos de regulación de sistema, tal como un
controlador, conmutadores y válvulas, como pueden serlo
dispositivos adicionales de intercambio de calor que se acoplan al
conducto de escape o al condensador, también tratado conjuntamente
con los aspectos previos.
La siguiente descripción detallada de las
realizaciones preferidas de la presente invención se pueden entender
mejor cuando se leen conjuntamente con los siguientes dibujos, donde
una estructura análoga se indica con números de referencia
análogos:
la figura 1 muestra un diagrama esquemático de
un sistema integrado micro-CHP según una realización
de la presente invención que muestra una configuración
indirectamente encendida con un tanque de almacenamiento y tanto
capacidad de SH como de DHW;
la figura 2 muestra un diagrama esquemático de
una micro-CHP integrada que muestra una
configuración indirectamente encendida sin tanque de almacenamiento
y tanto capacidad de SH como de DHW;
la figura 3 muestra un diagrama esquemático de
una micro-CHP integrada que muestra una
configuración directamente encendida sin tanque de almacenamiento y
tanto capacidad de SH como de DHW;
la figura 4 muestra un diagrama esquemático de
una micro-CHP integrada que muestra una
configuración directamente encendida con un tanque de
almacenamiento y tanto capacidad de SH como de DHW;
la figura 5 muestra un diagrama esquemático de
una micro-CHP integrada que muestra una
configuración directamente encendida sin tanque de almacenamiento y
capacidad de SH;
la figura 6 muestra la integración de una
tubería de calor en una realización indirectamente encendida de la
presente invención, resaltando, además, un intercambiador común de
calor tanto para SH como para DHW;
la figura 7 muestra la integración de una
tubería de calor en una realización directamente encendida de la
presente invención, resaltando, además, un intercambiador de calor
común, tanto para SH como para DHW; y
la figura 8 muestra los detalles de un
intercambiador de calor de gas de escape, que incluye detalles de un
dispositivo de recirculación de gas de escape.
Haciendo referencia inicialmente a la figura 1,
una realización del sistema 1 de micro-CHP es un
sistema indirectamente calentado de bucle dual, que incluye un
primer circuito 101 (o primario) y un segundo circuito 150. Una
ventaja del sistema indirectamente encendido es que se evitan el
sobrecalentado y subsiguiente quemado del conducto de la caldera (o
del evaporador) del primer circuito. El primer circuito 100 incluye
un dispositivo de expansión 101, un condensador 102, una bomba 103
y una parte de intercambiador de 104 de calor de bucle intermedio.
Un fluido orgánico de trabajo (tal como refrigerantes hidrocarburos
o halocarburos que se producen naturalmente, no mostrados) circula
a través del bucle definido por el dispositivo de expansión 101
fluídicamente conectado, condensador 102, bomba 103 e
intercambiador 104 de calor de bucle intermedio. La tubería 110 se
usa para conectar los diversos componentes del primer circuito 100,
mientras que la bomba 103 proporciona la presión para abastecer el
fluido orgánico de trabajo al intercambiador 104 de calor de bucle
intermedio, terminando, de este modo, el primer circuito 100. Un
generador 105 (preferiblemente de tipo de inducción) se acopla al
dispositivo de expansión 101 tal que el movimiento impartido al
mismo por el dispositivo de expansión 101 genera electricidad.
Aunque el dispositivo de expansión 101 puede ser de cualquier tipo,
se prefiere que sea un dispositivo en espiral. El dispositivo de
expansión en espiral puede ser un dispositivo convencional de una
sola espiral, como se conoce en la técnica. Se usa una bomba 108 de
aceite para proporcionar lubricante a la espiral. La presencia de
aceite ayuda a establecer una junta estanca entre las envueltas
estacionarías y orbitales de concatenación de fases que forman las
cámaras con forma creciente de espiral (no mostradas). Un conmutador
120 de indicación de nivel con indicadores de nivel alto 120A y
bajo 120B, está situado en la descarga del condensador 103. El
controlador 130 se usa para regular la operación del sistema.
Detecta parámetros, tales como temperaturas de fluido orgánico de
trabajo, en diversos puntos dentro del primer circuito y la
información de nivel tomada por el conmutador 120 indicador de
nivel. Mediante lógica de programa adecuada, se puede usar para
abrir y cerrar válvulas (no mostradas actualmente) en respuesta a
condiciones predeterminadas, tales como una interrupción de la
corriente de rejilla. El generador 105 es, preferiblemente, un
dispositivo asíncrono, favoreciendo, de este modo, operación
sencilla y a bajo coste del sistema 1, ya que no se precisan
complejos controles de velocidad del generador ni interconexiones
de rejillas relacionadas. Un generador asíncrono siempre suministra
la máxima potencia sin controles, ya que la retirada de su par
aumenta rápidamente cuando el generador 105 supera la frecuencia
del sistema. El generador 105 se puede diseñar para proporcionar
potencia a frecuencia comercial, 50 ó 60 Hz, aunque permanece
dentro de una aproximación estrecha (a menudo 150 o menos
revoluciones por minuto [r.p.m.]) de velocidad síncrona (3.000 ó
3.600 r.p.m.).
Un bucle 140 externo de calefacción (mostrado
preferiblemente como un bucle de SH) se puede acoplar al primer
circuito 100 vía conectores (no mostrados) en el condensador 102.
Como una opción, se puede insertar una bobina 145 de precalentado
en el bucle 140 externo de calefacción tal que el fluido hidrónico
(típicamente agua) que fluye a través suyo, pueda recibir un
aumento adicional de temperatura en virtud de su relación de
intercambio de calor con el fluido de intercambio de calor que
fluye a través del segundo circuito 150 (tratado con más detalle en
lo que sigue). El fluido hidrónico que fluye a través del bucle 140
externo de calefacción, se circula con una bomba 141 convencional,
y se suministra como calor de espacio vía radiador 148 o dispositivo
relacionado. Como un ejemplo, fluido hidrónico podría salir del
condensador 102 aproximadamente a 50ºC y volver al mismo tan bajo
como 30ºC. La capacidad del sistema 1 es de hasta 60 kW_{t}; sin
embargo, está dentro del ámbito de la presente invención que
unidades con mayor o menor capacidad puedan ser utilizadas según
las necesidades. Inherente en un sistema de cogeneración de
micro-CHP es la capacidad de proporcionar calor,
además de electricidad. El calor en exceso, procedente tanto de la
fuente de calor como del fluido de trabajo expandido, se puede
transferir a bucles externos de DHW y SH. La naturaleza del proceso
de intercambio de calor se prefiere bien a través de
intercambiadores de calor a contra flujo (para uno cualquiera o para
ambos bucles de DHW y SH), bien a través de un tanque convencional
de almacenamiento de agua caliente (para un bucle de DHW). Aquellos
ordinariamente expertos en la técnica apreciarán que aunque las
realizaciones descritas en las figuras muestran intercambiadores de
calor de DHW y SH en paralelo (y en algunas circunstancias siendo
abastecidos desde el mismo dispositivo de intercambio de calor,
mostrado más adelante), es dentro del espíritu de la presente
descripción que esas configuraciones de intercabiadores de calor en
serie o secuencia se deberían usar.
El segundo circuito 150 incluye dos
sub-bucles 150A, 150B en paralelo. El calor hasta
los dos sub-bucles 150A, 150B en paralelo se
proporciona mediante un quemador 151, que es abastecido con
combustible mediante un tren 152 de gas y válvula 153 de gas de
flujo variable. La tubería 160 (que compone los
sub-bucles paralelos) pasa a través de una cámara
154 de combustión, que es donde el calor procedente de la combustión
del combustible en el quemador 151 se cede al fluido de intercambio
de calor (no mostrado) que fluye a través de las tuberías 160. La
tubería 160, que incluye una parte 161 de tubo con aletas dispuesta
dentro de la cámara 154 de combustión, se ramifica en el primer
sub-bucle 150A en paralelo, que transporta el fluido
de intercambio de calor que se ha calentado en cámara 154de
combustión hasta el intercambiador 104 de calor de bucle intermedio
con el fin de ceder el calor al fluido orgánico de trabajo que
fluye a través del primer circuito 100. Se podrían usar válvulas de
bloque (no mostradas) para regular el flujo entre los
sub-bucles; sin embargo, al funcionar en vacío la
bomba del sub-bucle inactivo, se impide flujo
significativo en este sub-bucle sin necesidad de
valvulería adicional. El segundo sub-bucle 150B en
paralelo transporta el fluido de intercambio de calor hasta el
intercambiador 180 de calor de DHW con el fin de calentar agua
caliente doméstica. Un lado del intercambiador 180 de calor de agua
caliente doméstica (que puede ser un tanque de almacenamiento de
agua) incluye serpentín 180A configurado para transportar el fluido
de intercambio de calor, y otro lado, la carcasa 180B, para
transportar agua caliente doméstica (no mostrada) desde una entrada
191A de agua fría, que pasa frente al serpentín 180A y hasta la
salida 191B de DHW. Típicamente, el agua fría procede bien de un
pozo bien de un abastecimiento de agua de la ciudad/municipal.
Análogamente, el sensor 171B de temperatura puede detectar la
temperatura del DHW saliente de intercambiador 180 de calor de DHW.
Este sensor también se puede vincular a un controlador 130 (tratado
con más detalle en lo que sigue). La cámara 154 de combustión
incluye un conducto 155 de salida, un dispositivo 156 de
recirculación de gas de escape con intercambiador 157 de calor de
conducto de escape, y ventilador 158. Aquellos expertos en la
técnica apreciarán que, aunque el ventilador 158 se muestra
preferiblemente como un ventilador de tiro inducido, también podría
ser un ventilador de tiro forzado, si estuviera debidamente situado
respecto de la cámara 154 de combustión. El sensor 171A de
temperatura se coloca a la salida de la cámara 154 de combustión
para que el segundo circuito 150 mida las condiciones de temperatura
del fluido de intercambio de calor, de una forma similar a la del
sensor 171B de temperatura. Las bombas 185A, 185B del segundo
circuito se usan para circular fluido de intercambio de calor a
través del segundo circuito 150, con la bomba 185B circulando fluido
de intercambio de calor a través del calentador 180 de DHW, y la
bomba 185A circulando fluido de intercambio de calor a través del
intercambiador 104 de calor de bucle intermedio. El intercambiador
157 de calor de conducto de gas de escape y un dispositivo 156 de
recirculación de gas de escape (EGR) aceptan gas caliente de escape
procedente del quemador 151 y lo circulan en un proceso interno de
intercambio de calor, reduciendo, de este modo, la temperatura del
gas de escape que se retira y ventea a la atmósfera mediante
ventilador 158. El calor cedido por el gas de escape en el
intercambiador 157 de calor de gas de escape se usa para
proporcionar calor adicional a otras piezas del sistema 1. En la
presente figura, este calor adicional se usa para aumentar la
temperatura del fluido de intercambio de calor que fluye en el
segundo circuito 150.
Un controlador 130, que podría ser un
controlador lógico programable (PLC) u ordenador convencional (no
mostrado), se puede usar para proporcionar un control detallado del
sistema. Todas las bombas se pueden configurar para que sean de
velocidad variable, y respondan ante señales de entrada procedente
del controlador 130. A la recepción de una señal por calor, el
quemador 151 ignita el combustible, mientras la correcta bomba 185B
o 185A de circulación se pone a tensión. Para DHW, el conmutador
190 de flujo, conjuntamente con el sensor 171B de temperatura,
proporciona entradas al controlador 130. El conmutador 190 de flujo
seleccionar el modo DHW, donde el punto de configuración de DHW se
acopla al sensor 171A de temperatura. El flujo de gas de quemador y
el flujo de bomba 185B de DHW se regulan para proporcionar la
temperatura deseada en 171B según la temperatura preestablecida por
el usuario en el termostato de DHW (no mostrado).
Cuando el sistema está funcionando, el fluido
calentado de intercambio de calor se desplaza pasando frente al
sensor 171A, que es capaz de proporcionar una señal válida al
controlador 130 de forma que la velocidad de encendido del quemador
151 y el flujo de la bomba 185B se pueden regular tanto para la
operación segura como para la potencia de salida necesaria. Sin
embargo, cuando el sistema acaba de arrancar, se debe dar al
controlador 130 algún estado inicializado que se pueda usar como una
condición segura de operación hasta un momento tal en el que el
fluido de intercambio de calor fluye por delante de un sensor 171A
de temperatura. Es deseable tener una cantidad mínima de flujo de
fluido de intercambio de calor durante el arranque, en forma que el
fluido se calienta tan rápidamente como sea posible. Sin embargo,
algo de flujo es necesario para impedir el sobrecalentamiento local
del fluido en la cámara 154 de combustión, y para proporcionar al
controlador 130 una indicación de que el quemador 151 se está, de
hecho, encendiendo. La velocidad de gas se ajusta para proporcionar
el tiempo de funcionamiento más largo posible para el sistema,
consistente con la temperatura medida en el exterior y la velocidad
de cambio de temperatura en el interior. La bomba 185B se opera para
mantener en la cámara 154 de combustión abastecida con el fluido de
intercambio de calor en el valor preestablecido de fábrica para el
sensor 171A de temperatura. Cuando el sensor 171A de temperatura
alcanza aproximadamente el 50% del punto configurado en el
termostato, la velocidad de la bomba 185B se aumenta hasta que la
lectura de temperatura en el sensor 171A de temperatura alcanza su
punto configurado, en cuyo momento el quemador 151 y la bomba 185B
se modulan para valores constantes de los sensores 171A y 171B de
temperatura. Cuando el conmutador 190 de flujo indica flujo cero,
el quemador 151 y la bomba 185B dejan de funcionar. Un pequeño
tanque de expansión (no mostrado) se puede colocar en el segundo
circuito 150 para permitir expansión térmica diferencial a presiones
moderadamente altas del fluido de intercambio de calor.
Cuando el usuario desea calor, como se indica
por el termostato (no mostrado) de sala, el quemador 150 se pone a
aproximadamente el 50% de su capacidad para calentar el sistema 1.
La bomba 185A se pone a una velocidad predeterminada para coincidir
con los requisitos de flujo de establecidos por la velocidad inicial
de encendido de quemador y la respuesta de diseño del sistema. El
controlador 130 responde a la demanda de usuario de calor, y al
punto configurado seleccionado por el propietario para la
temperatura de sala. El encendido de quemador 151 y el flujo de
bomba 185A se controlan en parte, y convencionalmente, mediante
temperatura de sala y su punto configurado, así como temperatura en
el exterior (sensor no mostrado). La bomba 103 del primer circuito
funciona lo suficientemente rápido para mantener el nivel del
líquido de fluido orgánico de trabajo entre las configuraciones de
conmutador de bajo nivel 120B y de alto nivel 120A. El controlador
130 de instrucciones a la bomba 103 para que arranque o acelere
cuando el nivel del líquido de fluido orgánico de trabajo aumenta
por encima del nivel 120A, y para que se detenga cuando el nivel
está, por ejemplo, por debajo del nivel 120B.
La longitud de la parte 161 de tubo con aletas
de tubería 160 que está dentro de la cámara 154 de combustión se
puede minimizar seleccionando cuidadosamente bombas, puntos de
control y tamaño de conducto. Haciendo referencia ahora a la figura
8 conjuntamente con la figura 1, se muestran detalles del
dispositivo 156 de EGR para el sistema 1 de
micro-CHP. En esencia, el dispositivo 156 de EGR
funciona conjuntamente con el conducto 155 de escape y es una pieza
integral del intercambiador 157 de calor de gas de escape. La
corriente caliente de gas de escape se dirige axialmente a través
del dispositivo 156 de EGR, que está preferiblemente colocado entre
el quemador 151 y el conducto 155 de escape. Un conducto 156B anular
de recirculación pasa algo del gas de escape de una forma a contra
flujo hasta que es rechazado en la entrada 156A. Las paredes del
dispositivo 156 de EGR son refrigeradas por el fluido de
intercambio de calor que pasa a través de intercambiador 157 de
calor de conducto, y como resultado, el gas de recirculación que
entra en el plano 156A de entrada se refrigera parcialmente. Esta
corriente templada de gas que abandona el plano 156B entra en la
segunda sección de transferencia de calor definida por la parte 161
de tubo con aletas de la segunda tubería de circuito (no mostrada
actualmente), en la cual se produce refrigeración adicional de gas.
En una disposición más compacta, el conducto anular interno del
dispositivo 156 del EGR se debería sustituir por una disposición de
tubos finos (no mostrada), teniendo cada uno un inductor de flujo
para gas caliente en el extremo de admisión. Aunque un enfoque como
éste implicaría el uso de una cantidad más grande de fluido, que
aumentaría el tiempo de respuesta del sistema, se podrían obtener
beneficios significativos, incluyendo la aplicación del dispositivo
156 de EGR al evaporador donde se usa un fluido orgánico de trabajo,
tal que el fluido nunca se expone a toda la temperatura del gas de
escape, y la recuperación final de calor no se reduce por ninguna
forma de dilución de gas de combustión añadido, especialmente aire
frío. El efecto primario del dispositivo 156 de EGR es que los
niveles de subproductos gaseosos perjudiciales (tales como
NO_{x}) se reducen. Un beneficio adicional de dispositivo de EGR
es que reduciendo la temperatura más alta que la parte 161 de tubo
con aletas a la que está expuesto, se pueden usar componentes más
sencillos que tendrán menor coste con lo que se puede alcanzar la
misma vida útil de materiales más costosos.
Haciendo referencia a continuación la figura 2,
se muestra una realización alternativa del sistema 2 de micro CHP
indirectamente encendido. Aquí, el segundo circuito 250 no rodea
sub-bucles en paralelo. En cambio, un único bucle
se enruta directamente desde la cámara 254 de combustión hasta el
intercambiador 204 de calor de bucle intermedio. La capacidad de
DHW, que se proporcionó por el segundo sub-bucle
150B en la realización mostrada en la figura 1, ahora está
integrada en el bucle 240 externo de calefacción. Este bucle
externo, que sirve tanto a DHW como a SH, se puede bifurcar tras
acoplarse al condensador 202, con válvulas 247A, 247B que operan
para abastecer radiadores 248 de SH o intercambiador 280 de calor de
DHW, según las necesidades. El intercambiador 280 de calor de DHW
puede ser bien un tanque de agua para almacenar agua caliente (como
se trató conjuntamente con el aspecto previo), bien un dispositivo
de intercambio de calor a contra flujo de doble paso. Una vez que el
fluido (típicamente agua) pasa a través de uno cualquiera o de ambos
de los intercambiadores de calor de SH y DHW, se circula a través
del bucle 240 de calefacción de nuevo al condensador 202 para que
su ciclo comience de nuevo. Antes de entrar en el condensador 202,
el fluido se puede precalentar pasándolo térmicamente contiguo al
segundo circuito 250 en un dispositivo 245 de precalentado.
Haciendo referencia ahora a las figuras 3 y 4,
se muestra un sistema de micro-CHP directamente
encendido. Este sistema tiene la ventaja de ser de construcción más
sencilla, con el correspondiente menor coste. En la actual
realización, el sistema 3 no incluye un circuito secundario. El
intercambiador de calor de bucle intermedio, que actuaba como la
fuente de calor para los primeros circuitos de realizaciones
previas, se colocó junto a una cámara 304 de combustión, donde
tienen lugar tanto el quemado de combustible, a través del tren 352
de gas, válvula 353 y quemador 351 y la evaporación del fluido
orgánico de trabajo. Al igual que con las realizaciones previas, el
fluido orgánico de trabajo está súpercalentado. El generador 305, al
igual que con las realizaciones previas, se une asíncronamente a
una carga, preferiblemente en el lado del cliente/usuario del
medidor eléctrico, que es típicamente la rejilla eléctrica. La carga
sobre el dispositivo de expansión 301 en espiral impuesta por la
rejilla asegura que las velocidades mecánicas en la espiral 301 se
mantienen dentro de sus límites estructurales. La válvula 307A de
bloque y la válvula 307B en espera están situadas en la trayectoria
del flujo de fluido orgánico de trabajo definida por la tubería a
310 (de cuyo conducto 361 forma parte). Estas válvulas responden a
una señal en el controlador 330 que indicaría si no hubiera carga
(tal como una interrupción de la corriente de rejilla) en el
sistema, permitiendo que el vapor súpercalentado puentee alrededor
del dispositivo de expansión, evitando de este modo la
sobrevelocidad de espiral 301. En esta condición, el vapor
súpercalentado reenrutado se alimenta al interior de la entrada de
condensador 302. En condiciones normales de servicio, donde hay una
carga en el sistema, el vapor súpercalentado entra en el
dispositivo de expansión 301 en espiral, haciendo que la envoltura
en espiral involuta que órbita se desplace respecto de la envuelta
en espiral involuta fija de concatenación de fases. A medida que el
vapor súpercalentado se expande a través de las cámaras o en forma
creciente y volumen creciente, el movimiento que induce en la
envuelta que orbita se transfiere al generador 305, vía un árbol
acoplado o una combinación integral de rotor/estator en la espiral
301. En función del tipo de aceite usado en el sistema (tal como que
si el aceite es miscible o inmiscible en relación con el fluido
orgánico de trabajo), la espiral 301 puede incluir preferiblemente
una bomba 308 de aceite para circular aceite presente en la espiral
desde el vapor súpercalentado. Los trabajos del conducto 355 de
escape y ventilador 358 son similares a los del aspecto previo; sin
embargo, el presente dispositivo 356 de EGR y el intercambiador 357
de calor de conducto de escape, en lugar de proporcionar calor
adicional a un fluido de intercambio de calor que fluye a través del
segundo circuito 150, 250 de las realizaciones previas, se pueden
usar para proporcionar calor suplementario a diferentes lugares
dentro del sistema 3. Por ejemplo, se puede usar para añadir calor
al fluido de trabajo que procede de la bomba 385, mostrada en el
punto A. Análogamente, se puede usar para añadir calor al bucle 340
externo de calefacción en los puntos B o C. La ubicación precisa de
los puntos A, B o C de intercambio de calor estaría determinada por
la naturaleza del fluido de trabajo orgánico y de sus propiedades.
Observe que el intercambiador 380 de calor de DHW puede estar
configurado como un intercambiador de calor en contra flujo de doble
paso, o como tanque de almacenamiento de agua, como se trató en
aspectos previos. En situaciones donde no se usa ningún tanque de
almacenamiento (o se usa uno pequeño) (tal como, por ejemplo, cuando
el espacio es escaso), entonces con el fin de proporcionar DHW de
respuesta rápida, se puede precisar generación adicional de calor.
Un enfoque es usar un quemador (no mostrado) mayor o de múltiples
fases. Esto podría proporcionar tiempos rápidos de respuesta para
demandas instantáneas o casi instantáneas asociadas con usos de DHW
(tales como duchas, baños y grifos de agua caliente). Haciendo
referencia particularmente a la figura 4, se muestra una variación
en la micro-CHP directamente encendida de la figura
3. En este caso, el sistema 4 incluye específicamente un tanque 480
de almacenamiento. Este enfoque permite la inclusión de capacidad
DHW sin tener que recurrir a la capacidad aumentada de quemador.
Además, se puede proporcionar potencia a un elemento 480C de
calefacción de tanque de almacenamiento directamente fuera del
generador 405. Además, se pueden hacer mutuas concesiones entre el
tamaño del tanque 480 de almacenamiento y el tamaño o número de
quemador 451 para adecuarse mejor a la funcionalidad y al
empaquetado/requisitos de volumen del sistema.
Haciendo referencia ahora a la figura 5, se
muestra un sistema 5 de micro-CHP directamente
encendida. Esto representa el sistema más sencillo, ya que está
dirigido hacia la generación exclusiva de electricidad y de SH. Al
no incluir capacidad DHW, se puede evitar un tanque de
almacenamiento sin sacrificar la funcionalidad del sistema ni
precisar capacidad aumentada de quemador. En otros aspectos, este
sistema es similar al de las realizaciones previas directamente
encendidas, incluyendo la operación de los componentes 551, 552 y
553 de fuente de calor, componentes 555, 556, 557 y 558 de escape,
componentes 501, 502, 503, 504, 507A, B y 508 de trayectoria del
flujo de fluido orgánico de trabajo, generador 505 y detección de un
aparato 520, 530 de control.
Haciendo referencia ahora a las figuras 6 y 7,
se muestra una variación de los sistemas de cogeneración
indirectamente encendidos y directamente encendidos de los aspectos
previos. Haciendo referencia particular a la figura 6, un elemento
pasivo de transferencia de calor, preferiblemente en forma de una
tubería 675 de calor, se puede disponer entre el primer circuito
600 y el segundo circuito 650 para efectuar intercambio de calor
entre aquellos circuitos y la fuente de calor. Haciendo referencia
particular a la figura 7, la tubería 775 de calor se dispone con la
trayectoria del flujo del primer circuito, que también incluye
dispositivo de expansión 701 en espiral, condensador 702 y bomba
703. En una cualquiera de las configuraciones, la tubería de calor
es en un contenedor evacuado y sellado que contiene una pequeña
cantidad de flujo de trabajo, tal como agua o metanol. Cuando un
extremo de la tubería (a la que típicamente se hace referencia como
el extremo de evaporador) se calienta, el fluido de trabajo
rápidamente se vaporiza, debido en parte a la baja presión interna
del fluido. El vapor viaja hasta el extremo opuesto de baja presión
(al que típicamente se hace referencia como el extremo de
condensador), cediendo su calor latente. Preferiblemente, la
gravedad o acción capilar permite que el fluido condensado se
desplace de nuevo hasta el extremo de evaporador, donde el ciclo se
puede repetir. Cuando el fluido tiene un gran calor de
vaporización, una cantidad significativa de calor se puede
transferir, incluso cuando las diferencias de temperatura entre los
extremos opuestos no es grande. En otros aspectos, la operación de
los sistemas es similar a la de aspectos previos.
Haciendo referencia ahora a la figura 8, se
muestran detalles del intercambiador 157 de calor de conducto de
escape y del dispositivo 156 de recirculación de gas de escape. La
cámara 154 de combustión (realmente no dibujada a escala) encierra
bastantes de los aparatos de fuente de calor, incluyendo el quemador
151) para asegurar que el gas de escape y los productos
relacionados de combustión son llevados al interior del conducto
155 de escape tal que puedan ser ventilados a la atmósfera. Se puede
usar un ventilador de tiro inducido (mostrado en cualquier lugar)
para obtener el venteo a través de los productos de combustión. El
dispositivo 156 de recirculación de gas de escape es un conducto
co-anular que toma el gas de escape que abandona la
región alrededor de quemador 151 a través del anillo 156A
interiores, y dobla de nuevo una parte del gas para fluir dentro
del anillo 156B exterior. Durante el tiempo en que la parte del gas
que se circula a través del anillo 156B exterior, éste cede algo de
su calor al intercambiador 157 de calor de conducto de escape, que
se muestra como un conducto con serpentines. A partir aquí, el
conducto con serpentines del intercambiador 157 de calor se puede
enrutar a otras ubicaciones (mostradas en cualquier otro lugar) en
el sistema, donde se puede usar para proporcionar calor
suplementario.
Habiéndose descrito la invención al detalle y
haciendo hecho referencia a las realizaciones preferidas de la
misma, será evidente que son posibles modificaciones y variaciones
sin abandonar el alcance de la invención definido en las
reivindicaciones anexadas.
Claims (24)
1. Un sistema de cogeneración configurado para
operar con un fluido orgánico de trabajo, comprendiendo el
mencionado sistema
una fuente de calor;
un primer circuito (100) configurado para
transportar el mencionado fluido orgánico de trabajo, el mencionado
primer circuito en comunicación térmica con la mencionada fuente de
calor tal que el calor transferido desde el mismo supercalienta el
mencionado fluido orgánico de trabajo, comprendiendo el mencionado
primer circuito (100):
un dispositivo de expansión (101) en espiral
configurado para recibir el mencionado fluido orgánico de trabajo
tal que el mencionado fluido orgánico de trabajo permanece
supercalentado tras pasar a través del mencionado dispositivo de
expansión (101) en espiral;
un condensador (102) en y comunicación de fluido
con el mencionado dispositivo de expansión (101) en espiral; y
una bomba (103) configurada para circular en el
mencionado fluido orgánico de trabajo a través del mencionado primer
circuito (100); y
un generador (105) operativamente acoplado al
mencionado dispositivo de expansión (101) en espiral para producir
electricidad.
2. Un sistema de cogeneración según la
reivindicación 1, el cual la mencionada fuente de calor es un
quemador (151) en comunicación térmica con un evaporador.
3. Un sistema de cogeneración según la
reivindicación 2, en el cual el mencionado quemador (151) y el
mencionado evaporador están encerrados dentro de un contenedor
común, incluyendo el mencionado contenedor un conducto (155) de
escape.
4. Un sistema de cogeneración según la
reivindicación 3, que comprende, además, un intercambiador (157) de
calor contiguo al mencionado conducto (155) de escape, que
preferiblemente comprende, además, un dispositivo (156) de
recirculación de gas de escape.
5. Un sistema de cogeneración según la
reivindicación 4, en el cual una parte del calor retirado del
mencionado conducto (155) de escape por el mencionado intercambiador
(157) de calor se coloca en comunicación térmica con al menos un
fluido de circulación, aumentando, de este modo, la temperatura del
mencionado fluido.
6. Un sistema de cogeneración según la
reivindicación 2, en el cual la mencionada comunicación térmica
entre el mencionado quemador (151) y el mencionado primer circuito
(100) es a través de un intercambiador (104) de calor de bucle
intermedio dispuesto entre la mencionada bomba y el mencionado
dispositivo de expansión en espiral.
7. Un sistema de cogeneración según la
reivindicación 2, que comprende, además, un segundo circuito
dispuesto contiguo al mencionado quemador, incluyendo el mencionado
segundo circuito (150) al menos un bucle de tubería adaptado para
llevar un fluido de intercambio de calor a través suyo.
8. Un sistema de cogeneración según la
reivindicación 7, en el cual el mencionado quemador (151) está
contenido dentro de una cámara de combustión que está en
comunicación térmica con el mencionado segundo circuito (150),
incluyendo la mencionada cámara de combustión un conducto de escape
en comunicación de combustión con el mencionado quemador.
9. Un sistema de cogeneración según la
reivindicación 8, que comprende, además, un ventilador (158) de
escape acoplado al mencionado conducto (155) de escape para
facilitar la retirada de gas de escape de la mencionada cámara de
combustión,
o en el cual el mencionado conducto (155) de
escape comprende, además, un dispositivo (156) de recirculación de
gas de escape tal que al menos una parte de calor residual existente
en el mencionado gas de escape se transfiere al mencionado fluido de
intercambio de calor.
10. Un sistema de cogeneración según la
reivindicación 8, en el cual el mencionado fluido de intercambio de
calor en el mencionado segundo circuito (150) comprende una mezcla
de agua y un aditivo que inhiba la congelación, y/o
el mencionado fluido de intercambio de calor en
el mencionado segundo circuito comprende un fluido orgánico de
transferencia de calor.
11. Un sistema de cogeneración según cualquier
reivindicación previa, en el cual la mencionada fuente de calor y
el mencionado primer circuito (100) están configurados tales que la
máxima presión de servicio del mencionado fluido orgánico de
trabajo dentro del mencionado primer circuito, es de aproximadamente
1,38-3,10 MPa, y la máxima temperatura de servicio
es de aproximadamente 121 - 177ºC.
12. Un sistema de cogeneración según cualquier
reivindicación previa, en el cual el mencionado fluido orgánico de
trabajo comprende un refrigerante halocarburo, preferiblemente el
mencionado refrigerante halocarburo comprende
R-245fa.
13. Un sistema de cogeneración según cualquier
reivindicación previa, en el cual el mencionado fluido de trabajo
comprende al menos un hidrocarburo que se producen naturalmente, que
tenga preferiblemente la fórmula general C_{n}H_{2n+2}, tal como
isopentano.
14. Un sistema de cogeneración según cualquier
reivindicación previa, en el cual el mencionado condensador (102)
está configurado para estar en comunicación de intercambio de calor
con un bucle de calefacción de espacio.
15. Un sistema de cogeneración según la
reivindicación 14, que comprende, además, un dispositivo de
precalentado de bucles de calefacción de espacio situado en
comunicación de intercambio de calor con un segundo circuito (150)
adaptado para llevar un fluido de intercambio de calor a través
suyo.
16. Un sistema de cogeneración según cualquier
reivindicación previa,
en el cual el mencionado primer circuito (100)
está configurado tal que la electricidad producida por el mencionado
generador (105) es de hasta 10 kilovatios; y/o
en el cual el mencionado sistema está
configurado tal que una parte de la mencionada electricidad
producida por el mencionado generador (105) se usa para operar la
mencionada bomba; y/o
en el cual el mencionado condensador (102) es
capaz de transferir hasta 60 kW de energía térmica.
17. Un sistema de cogeneración según cualquier
reivindicación previa, que incluye, además, un controlador (130)
configurado para monitorizar y variar selectivamente el alcance al
que se supercalienta el mencionado fluido orgánico de trabajo.
18. Un sistema de cogeneración según la
reivindicación 17, en el cual el mencionado controlador (130) se
configura para comparar señales de temperatura en el mencionado
evaporador y el mencionado dispositivo de expansión en espiral para
determinar el alcance al cual el mencionado fluido orgánico de
trabajo está precalentado.
19. Un sistema de cogeneración según la
reivindicación 18, que comprende, además, al menos un conmutador
(120) que responde a un nivel del mencionado fluido de trabajo a la
salida del mencionado condensador (102), estando el mencionado al
menos un conmutador acoplado al mencionado controlador.
20. Un sistema de cogeneración según las
reivindicaciones 18 ó 19, que comprende, además, un juego de
válvulas configuradas para permitir que el mencionado fluido
orgánico de trabajo puentee el mencionado dispositivo de expansión
(101) en espiral en una condición preestablecida, la condición
preestablecida puede ser una interrupción de la corriente de
rejilla, un transitorio de arranque o un transitorio de parada.
21. Un sistema de cogeneración según cualquier
reivindicación precedente, en el cual el mencionado sistema de
cogeneración está configurado para estar en comunicación de
intercambio de calor con un bucle (140) de agua caliente, y/o está
dispuesto para la producción de agua caliente, calor de espacio y
electricidad a partir de un ciclo basado en Rankine.
22. Un sistema de cogeneración según la
reivindicación 21, en el cual la mencionada comunicación de
intercambio de calor entre el mencionado sistema de cogeneración y
el mencionado bucle de agua caliente doméstica se produce en un
tanque de almacenamiento (180) dispuesto dentro de un segundo
circuito (150), y en el cual el mencionado segundo circuito (150)
está adaptado para llevar un fluido de intercambio de calor a través
suyo.
23. Un sistema de cogeneración según la
reivindicación 22, que comprende, además, un elemento de calefacción
dispuesto en el mencionado tanque (180) de almacenamiento de agua,
el mencionado elemento de calefacción se calienta por electricidad
suministrada por el mencionado generador (105).
24. Un sistema de cogeneración según cualquiera
de las reivindicaciones 21 a 23, en el cual la mencionada
comunicación de intercambio de calor entre el mencionado sistema de
cogeneración, y el mencionado bucle de agua caliente doméstica
ocurre en el mencionado condensador (102).
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