ES2299856T3 - Sistema de recuperacion de energia. - Google Patents

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Miriam Simcock
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Abstract

Un sistema de recuperación de energía para extraer energía de una fuente de calor residual, siendo el sistema un sistema cerrado con un fluido de trabajo en circulación que comprende: un primer cambiador de calor (102) para recibir una fuente de fluido que incorpora el calor residual a una primera temperatura y que saca dicho fluido residual a una segunda temperatura y para recibir dicho fluido de trabajo a una tercera temperatura y sacar el fluido de trabajo a una cuarta temperatura, siendo dicha cuarta temperatura mayor que dicha tercera temperatura y mayor que el punto de ebullición del fluido de trabajo; una unidad de turbina (114) dispuesta para recibir la salida del fluido de trabajo desde el primer cambiador de calor (102) a una primera presión y sacar el fluido de trabaja a una segunda presión, siendo dicha segunda presión menor que la primera presión, confiriendo la unidad de turbina (114) de esta manera una energía rotacional a un árbol de turbina (116) montado en un cojinete (422) dentro de la unidad de turbina (114); una unidad de conversión electromecánica (120) acoplada al árbol de turbina (116) para convertir dicha energía rotacional en energía eléctrica; y un sistema de refrigeración acoplado a la unidad de turbina (114) y al primer cambiador de calor (102) para recibir el fluido de trabajo de la unidad de turbina (114) a una quinta temperatura, refrigerar el fluido y suministrar el fluido al primer cambiador de calor (102) a dicha tercera temperatura en el que el sistema de refrigeración incluye: un segundo cambiador de calor (126) acoplado a la unidad de turbina (114) y al primer cambiador de calor (102) para recibir un primer suministro del fluido de trabajo desde la unidad de turbina (114) a dicha quinta temperatura y sacar fluido de trabajo de dicho primer suministro a una sexta temperatura, siendo dicha sexta temperatura menor que dicha quinta temperatura, estando adaptado el segundo cambiador de calor (126) para recibir un segundo suministro de fluido de trabajo en forma líquida a una séptima temperatura y sacar el fluido de trabajo del segundo suministro de fluido a dicho primer cambiador de calor (102) a dicha tercera temperatura; una unidad de condensación (134) acoplada al segundo cambiador de calor (126) y adaptada para recibir un suministro de fluido de refrigeración, para recibir la salida del fluido de trabajo mediante el segundo cambiador de calor (126) a dicha sexta temperatura y sacar el fluido de trabajo en forma líquida a dicha séptima temperatura, siendo dicha séptima temperatura menor que dicha sexta temperatura y menor que el punto de ebullición del fluido de trabajo; y una bomba (144) acoplada a la unidad de condensación (134) para recibir el fluido de trabajo líquido a dicha séptima temperatura y bombear dicho fluido de trabajo líquido a dicho segundo cambiador de calor (128), proporcionando de esta manera dicho segundo suministro de fluido de trabajo al segundo cambiador de calor (126); y caracterizado porque una tubería de fluido (160) está conectada entre la salida para la bomba (144) que proporciona dicho segundo suministro de fluido de trabajo y dicho cojinete (422) proporcionando de esta manera lubricación de dicho cojinete (422) mediante una parte del fluido de trabajo líquido diferente de dicho segundo suministro.

Description

Sistema de recuperación de energía.
La presente invención se refiere al uso de energía en diversas formas de la industria y más particularmente se refiere a un sistema de recuperación de energía.
Hay muchas técnicas convencionales para generar energía (eléctrica); más típicamente implican la combustión de algún combustible (por ejemplo, carbón, gas natural) que, en última instancia, tienen un suministro limitado.
Además, se han descrito numerosas técnicas de conversión de energía. Por ejemplo, el documento US-A- 4.895.509 describe un proceso para convertir energía térmica en energía mecánica en un ciclo Rankine. En él, se repite un ciclo que comprende las etapas de vaporizar un fluido de trabajo con una fuente de calor caliente (tal como agua caliente de una caldera, usada típicamente para producir vapor de agua), que expande el vapor resultante en un dispositivo de expansión (dispositivo rotatorio o de desplazamiento recíproco, por ejemplo una turbina), refrigerándolo con una fuente de calor fría (tal como agua fría) para condensarlo (por ejemplo, usando los condensadores empleados típicamente en el aparto de refrigeración), y comprimiéndolo usando una bomba. Dichos sistemas, sin embargo, emplean típicamente combustión en la ebullición.
Adicionalmente, un problema con los sistemas de ciclo Rankine disponibles típicamente es que las plantas a gran escala funcionan a un intervalo de multimegavatios y no son adecuadas para la extracción de energía a una escala menor, a partir de fuentes a temperatura relativamente baja, tales como fluido residual caliente de instalaciones industriales pequeñas, motores de combustión de automóviles y similares.
El documento US-A-2002/047267 describe la producción de energía a partir de una fuente de calor usando un fluido intermedio.
El documento US-A-3.234.735 describe una central eléctrica que incluye una turbina de vapor.
Hay necesidad de un sistema de recuperación de energía que supere los problemas mencionados anteriormente y que proporcione un sistema de recuperación mejorado.
La presente invención proporciona un sistema de recuperación de energía, para extraer energía de una fuente de calor residual, siendo el sistema un sistema cerrado con un fluido de trabajo en circulación, que comprende: un primer cambiador de calor para recibir el fluido de la fuente, incorporar el calor residual a una primera temperatura y sacar dicho fluido residual a una segunda temperatura, y para recibir dicho fluido de trabajo a una tercera temperatura y sacar dicho fluido de trabajo a una cuarta temperatura, siendo dicha cuarta temperatura mayor que dicha tercera temperatura y mayor que el punto de ebullición del fluido de trabajo; una unidad de turbina, dispuesta para recibir la salida del fluido de trabajo desde el primer cambiador de calor a una primera presión y sacar el fluido de trabajo a una segunda presión, siendo dicha segunda presión menor que la primera presión, confiriendo de esta manera la turbina energía rotacional a un árbol de turbina montado en un cojinete dentro de la unidad de turbina; una unidad de conversión electromecánica acoplada al árbol de turbina, para convertir dicha energía rotacional en energía eléctrica, y un sistema de refrigeración acoplado a la unidad de turbina y al primer cambiador de calor, para recibir el fluido de trabajo desde la unidad de turbina a una quinta temperatura, refrigerar el fluido y suministrar el fluido al primer cambiador de calor a dicha tercera temperatura, en el que el sistema de refrigeración incluye: un segundo cambiador de calor acoplado a la unidad de turbina, y al primer cambiador de calor, para recibir un primer suministro de trabajo desde la unidad de turbina a dicha quinta temperatura y sacar el fluido de trabajo de dicho primer suministro a una sexta temperatura, siendo dicha sexta temperatura menor que dicha quinta temperatura, estando adaptado el segundo intercambiador de calor para recibir un segundo suministro de trabajo en forma líquida a una séptima temperatura y sacar el fluido de trabajo del segundo suministro de fluido a dicho primer cambiador de calor a dicha tercera temperatura; una unidad de condensación acoplada al segundo cambiador de calor y adaptada para recibir un suministro de fluido de refrigeración, para recibir el fluido de trabajo que sale del segundo cambiador de calor a dicha sexta temperatura y sacar el fluido de trabajo en forma líquida a dicha séptima temperatura, siendo dicha séptima temperatura menor que dicha sexta temperatura y menor que el punto de ebullición del fluido de trabajo; y una bomba acoplada a la unidad de condensación para recibir el fluido de trabajo líquido a dicha séptima temperatura y bombear dicho fluido de trabajo líquido a dicho segundo cambiador de calor, proporcionando de esta manera dicho segundo suministro de fluido de trabajo al segundo cambiador de calor, y en el que una tubería de fluido se conecta entre una salida de la bomba, que proporciona dicho segundo suministro de trabajo, y dicho cojinete con lo que se proporciona lubricación a dicho cojinete mediante una parte del fluido de trabajo líquido diferente de dicho segundo suministro.
En una realización, la primera temperatura es de 110 a 225ºC. En una realización, la segunda temperatura es de 80 a 140ºC. En una realización, la primera temperatura es aproximadamente 180ºC y dicha segunda temperatura es 123ºC. En una realización, la primera presión es de 10 x 10^{5} a 30 x 10^{5} N/m^{2} (10 a 30 bar), absoluto. En una realización, la segunda presión es de 0,5 x 10^{5} a 2 x 10^{5} N/m^{2} (0,5 a 2 bar) absoluto.
Preferiblemente, el fluido de trabajo comprende un único componente fluido seleccionado entre alcanos. Preferiblemente, el fluido de trabajo comprende un fluido con un punto de ebullición de 30-110ºC.
Preferiblemente, la unidad de conversión electromecánica incluye un alternador adaptado para sacar una corriente eléctrica. Preferiblemente, la unidad de conversión electromecánica incluye una unidad de acondicionamiento eléctrico o electrónico acoplada a dicho alternador, para alterar la frecuencia de la corriente recibida desde el alternador y sacar una corriente a la frecuencia de la red. Preferiblemente, el alternador es un alternador de alta velocidad.
En las realizaciones preferidas, la unidad de turbina tiene al menos una etapa de turbina montada en el árbol de turbina, incorporando la o cada etapa de turbina un conjunto de paletas. La al menos una etapa de turbina puede estar hecha de aluminio o acero. En ciertas realizaciones, la al menos una etapa de turbina está hecha de material plástico. El material plástico puede ser (a) polieteretercetona (PEEK), que contiene fibra de carbono, por ejemplo PEEK con un 40% de fibra de carbono, (b) Ultern 2400 o (c) Valox 865.
De acuerdo con otro aspecto de la invención se proporciona el uso de HFE-7100 o hexano o agua como fluido de trabajo en el sistema de la invención.
De acuerdo con otro aspecto de la invención se proporciona el uso de uno de los alcanos como fluido de trabajo en el sistema de la invención.
De acuerdo con otro aspecto de la invención se proporciona un sistema de generación de energía eléctrica que comprende: un sistema de microturbina, comprendiendo el sistema de microturbina una unidad de combustión acoplada a una fuente de combustible, para quemar dicho combustible y sacar un primer fluido de escape, una segunda unidad de turbina, acoplada para recibir dicho primer fluido de escape con lo que se confiere energía rotacional, durante el uso, a un segundo árbol de turbina de la segunda unidad de turbina, estando adaptada la segunda unidad de turbina para sacar un segundo fluido de escape; una unidad de transferencia de calor intermedia acoplada para recibir dicho segundo fluido de escape y adaptada para realizar una transferencia de calor desde el segundo fluido de escape a un fluido de transferencia de calor intermedio y sacar el fluido de transferencia de calor intermedio después de dicha transferencia de calor; y un sistema de recuperación de energía de acuerdo con la invención, teniendo el sistema de conversión de energía dicho primer cambiador de calor acoplado para recibir dicho fluido de transferencia de calor intermedio, representando el fluido de transferencia de calor intermedio dicha fuente de fluido.
De acuerdo con otro aspecto de la invención se proporciona un sistema de generación de energía eléctrica que comprende: un sistema de combustión interna, comprendiendo el sistema de combustión interna un motor de combustión interna acoplado a una fuente de combustible, para quemar dicho combustible y sacar un fluido de escape del motor, estado dispuesto el motor de combustión interna de manera que se confiere energía rotacional, durante el uso, a un árbol de transmisión; una unidad de transferencia de calor intermedia acoplada para recibir dicho fluido de escape del motor y adaptada para realizar una transferencia de calor desde el fluido de escape del motor a un fluido de transferencia de calor intermedio y sacar el fluido de transferencia de calor intermedio después de dicha transferencia de calor; y un sistema de recuperación de energía de acuerdo con la invención, teniendo el sistema de recuperación de energía dicho primer cambiador acoplado para recibir dicho fluido transferencia de calor intermedio, representando el fluido de transferencia de calor intermedio dicha fuente de fluido.
De acuerdo con otro aspecto de la invención se proporciona un sistema de generación de energía eléctrica que comprende: una chimenea de evacuación de gas residual incluyendo la chimenea de evacuación de gas residual, una etapa base, incluyendo la etapa base una soplante para soplar gas que contiene oxígeno a la chimenea de evacuación de gas residual, una etapa de combustión adyacente a la etapa base, acoplada a una fuente de gas residual, siendo o incluyendo el gas residual y gas combustible, estando adaptada la etapa de combustión para quemar durante el uso dicho gas residual y dicho gas que contiene oxígeno, una etapa de mezcla adyacente a dicha etapa de combustión adaptada para generar una mezcla de gases que comprenden aire mezclado con los gases de escape del combustor resultantes de dicha etapa de combustión; una unidad de transferencia de calor intermedia acoplada para recibir dicha mezcla de gases y adaptada para realizar una transferencia de calor a un fluido de transferencia de calor intermedio y sacar el fluido de transferencia de calor intermedio después de dicha transferencia de calor; y un sistema de recuperación de energía de acuerdo con la invención, teniendo el sistema de conversión de energía dicho primer cambiador de calor acoplado para recibir dicho fluido de transferencia de calor intermedio, representado el fluido de transferencia de calor intermedio dicha fuente de fluido.
Una ventaja de la presente invención es que proporciona el sistema de recuperación de energía que es de escala compacta. Otra ventaja es que es capaz de extraer energía de fuentes a una temperatura relativamente baja. Una ventaja adicional, es que puede recuperar energía a una eficacia razonable a partir de fuentes de calor que de otra manera se desecharían o de fuentes de energía renovables y/o potencia significativamente la cantidad de energía eléctrica generada en un sistema de generación de energía.
Diseño de la turbina
Otro problema es que, aunque se conocen las turbinas de flujo radial de una sola etapa, y se conocen turbinas de flujo axial de dos etapas, hasta ahora ha habido una carencia de un diseño de turbina de flujo radial de dos etapas capaz de funcionar a la alta velocidad y diferenciales de presión extremadamente altos encontrados en algunas industrias. A menudo, un problema es que no es posible que una turbina radial de una sola etapa haga frente a ciertas caídas de presión.
De esta manera, se proporciona preferiblemente una unidad de turbina de flujo de entrada radial que comprende: una carcasa con un puerto de entrada para recibir fluido a una primera presión, un árbol montado en un cojinete dentro de la carcasa y que tiene un eje de rotación; una turbina dispuesta sobre el árbol, comprendiendo la turbina una primera etapa de turbina que comprende una primera serie de paletas montadas en el árbol, siendo dicho fluido recibido por el puerto de entrada radialmente incidente sobre dicha primera serie de paletas y saliendo de la primera etapa de turbina a una tercera presión y en una primera dirección predeterminada, una segunda etapa de turbina que comprende una segunda serie de paletas montadas en el árbol, un conducto para transportar el fluido que sale de la primera etapa de turbina a la segunda etapa de turbina, recibiéndose dicho fluido por la segunda etapa y siendo radialmente incidente en dicha segunda serie de paletas y saliendo de la segunda etapa de turbina a una segunda presión y en una segunda dirección predeterminada, en el que dicho fluido confiere energía rotacional a dicho árbol en ambas primera y segunda etapas de turbina.
Preferiblemente, la primera presión es aproximadamente de 2 a 10 veces la segunda presión. Preferiblemente, la tercera presión es aproximadamente 3-4 veces la segunda presión.
Preferiblemente, la dimensión radial de dicha segunda etapa de turbina es mayor que la dimensión radial de la primera etapa de turbina. Preferiblemente, la dimensión radial de la primera etapa de turbina es de aproximadamente 1,25 veces la dimensión radial de la primera etapa de turbina. Preferiblemente, la dimensión axial de dicha primera etapa de turbina es de aproximadamente 0,3 a 0,375 veces la dimensión de la primera etapa de turbina. Preferiblemente, la dimensión axial de dicha segunda etapa de turbina es de aproximadamente 0,35 a 0,4 veces la dimensión radial de dicha segunda etapa de turbina.
En una realización, particular, la unidad de turbina incluye también: una tercera etapa de turbina que comprende una tercera serie de paletas montadas en el árbol, un conducto para transportar el fluido que sale de la segunda etapa de turbina a la tercera etapa de turbina, recibiéndose dicho fluido por la tercera etapa de turbina que es radialmente incidente en dicha tercera serie de paletas y que sale de la tercera etapa de turbina a una cuarta presión y en una tercera dirección predeterminada, con lo que dicho fluido confiere energía rotacional a dicho árbol a dicha primera, segundas y tercera etapas de turbina.
Preferiblemente, la dimensión axial de dicha tercera etapa de turbina es aproximadamente 1/3 veces la dimensión radial de la tercera etapa de turbina.
Preferiblemente, dicha primera, segunda y/o tercera dimensiones predeterminadas es generalmente axial.
En una realización, dicho fluido es un gas. Preferiblemente, es HFE-7100 o hexano. El fluido puede ser uno de los alcanos.
Una ventaja del diseño de turbina es que puede usarse a altas velocidades rotacionales (por ejemplo 25.000 a 50.000 rpm). Una ventaja adicional es que el diseño de dos etapas supone que ocurre una caída de presión en cada etapa, permitiendo que haga frente a presiones de entrada mayores (hasta 20 bar absoluto).
Otra ventaja es que se permite un diseño relativamente compacto de la turbina.
Los atributos anteriores aseguran que la turbina puede emplearse ventajosamente en sistemas (sistemas de ciclo Rankine) donde ocurre conversión de energía desde fluidos (gases) a presiones operativas muy altas con una eficacia mejorada.
Diseño del cojinete
Surge otro problema al carecer de disponibilidad de sistemas de cojinete para una escala compacta para maquinaria rotatoria. Hay necesidad de dichos dispositivos para soportar el árbol de un componente rotatorio que está girando a una alta velocidad. Además, un problema es proporcionar un sistema de cojinete que funcione tanto como cojinete liso y como cojinete de empuje en una maquinaria a pequeña escala. Los cojinetes de este tipo deben ser también robustos y fiables de manera que pueden emplearse en sistemas que funcionan 24 horas al día, siete días a la semana durante largos periodos (y que tengan una esperanza de vida del orden de quince años o mayor).
La presente invención proporciona un cojinete para soportar un árbol que puede girar alrededor de un eje y al menos dispuesto parcialmente dentro de una carcasa que comprende: un miembro de cojinete, unido de forma fija a la carcasa y que tiene una primera superficie de cojinete opuesta a una segunda superficie de cojinete en el árbol, dicha primera y segunda superficies de cojinete se extienden generalmente transversales al eje, y una canal interno cilíndrico que define una tercera superficie de cojinete que se extiende generalmente paralela al eje y dispuesta opuesta a una cuarta superficie de cojinete en el árbol, incluyendo el miembro de cojinete conductos adaptados para transportar producto lubricante hacia al menos el espacio entre la tercera y cuarta superficies de cojinete.
Preferiblemente, el miembro de cojinete tiene un extremo del mismo opuesto a la primera superficie de cojinete una quinta superficie de cojinete que se extiende generalmente transversal al eje.
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Preferiblemente, el miembro del cojinete tiene generalmente una sección transversal con forma de T. Preferiblemente, la primera superficie del elemento de cojinete está definida por una superficie anular elevada en la parte superior de la T que se extiende parcialmente entre el límite radial interno y el límite radial externo del miembro de cojinete. Preferiblemente, se proporciona una pluralidad de primeros huecos alargados que se extienden radialmente en la primera superficie, facilitando de esta manera el flujo de fluido lubricante al espacio opuesto de la primera superficie. Preferiblemente, los primeros huecos se extienden parcialmente entre el límite radial interno y el límite radial externo de la primera superficie.
Preferiblemente, se proporciona una pluralidad de segundos huecos alargados que se extiende radialmente en la quinta superficie, facilitando de esta manera el flujo de fluido lubricante al espacio opuesto a la cuarta superficie. Preferiblemente, los segundos huecos se extienden parcialmente entre el límite radial interno y el límite radial externo de la quinta superficie.
Preferiblemente, en un punto entre los extremos opuestos de la parte alargada del miembro de cojinete con forma de T se define un hueco circunferencial en la superficie en el límite radial externo del miembro de cojinete. Preferiblemente, se proporciona una pluralidad de primeros canales de lubricación que se extienden radialmente entre el hueco circunferencial y el límite radial interno del miembro de cojinete permitiendo de esta manera el flujo de fluido de lubricante entre el exterior del miembro de cojinete y el interior del canal cilíndrico.
Preferiblemente, el miembro de cojinete incluye una pluralidad de segundos canales de lubricación, extendiéndose cada canal radialmente entre un primer hueco alargado en la primera superficie y un segundo hueco alargado opuesto en la quinta superficie.
Preferiblemente, el número de primeros y/o segundos huecos alargados es entre 2 y 8, y preferiblemente 6.
Preferiblemente, el número de segundos canales de lubricación es entre 2 y 8.
El cojinete preferiblemente incluye también una arandela en la que, durante el uso, una superficie de la arandela se apoya en la quinta superficie del miembro de cojinete y la otra superficie de la arandela está adaptada para apoyarse en una superficie correspondiente de un elemento accionador, por ejemplo una turbina. La ventaja del diseño de cojinete es que proporciona un cojinete que es de escala compacta. Otra ventaja es que es capaz de actuar tanto como cojinete liso y como cojinete de empuje. Una ventaja es que la lubricación la proporciona el fluido de trabajo y no es necesario un suministro de lubricante por separado.
Acoplamiento
Un cuarto problema es que, aunque se conocen acoplamientos magnéticos, hasta ahora ha habido una carencia de un diseño de acoplamiento capaz de funcionar a alta velocidad y en una unidad sellada que haga frente a los diferenciales de presión extremadamente altos encontrados en algunas industrias. A menudo, un problema es que no es posible proporcionar dicho dispositivo con pequeñas dimensiones.
De esta manera, se proporciona preferiblemente un acoplamiento magnético rotatorio que comprende: un primer miembro rotatorio que incluye un primer árbol que tiene dispuesto en el mismo un primer miembro magnético, estando accionado dicho primer árbol, durante el uso, por una fuente de energía rotacional, un segundo miembro rotatorio que incluye un segundo árbol que tiene dispuesto en el mismo un segundo miembro magnético, recibiendo dicho segundo miembro rotatorio, durante el uso, energía rotacional desde el primer miembro rotatorio a través del acoplamiento del primer y segundo miembros magnéticos, en el que uno de dicho primer y segundo miembros magnéticos o ambos comprenden una pluralidad de secciones magnéticas dispuestas a diferentes posiciones angulares con respecto al eje de dicho primer y segundo árboles.
Preferiblemente, el primer miembro rotatorio se dispone dentro de una carcasa sellada herméticamente, estando dispuesta una parte de la carcasa entre el primer miembro rotatorio y el segundo miembro rotatorio y estando hecha de un material no magnético. Preferiblemente, el material no magnético comprende acero inoxidable, aleación nimonic o plástico.
En una realización, el primer miembro magnético comprende una parte de armadura interna generalmente cilíndrica integral con el primer árbol y una pluralidad de primeras secciones de imán, unidas de forma fija al exterior de la parte de armadura; y el segundo miembro magnético comprende una parte de soporte externa generalmente cilíndrica integral con el segundo árbol y una pluralidad de segundas secciones magnéticas unidas de forma fija al interior de la parte de soporte. Preferiblemente, el primer miembro magnético comprende adicionalmente una cubierta de contención dispuesta en el exterior de la primera sección magnética para retener dichas primeras secciones magnéticas en su sitio durante la rotación a alta velocidad del primer árbol. La cubierta de contención puede estar hecha de un material compuesto por ejemplo, plástico reforzado con fibra de carbono (CFRF), plástico reforzado con Kevlar o fibra de vidrio (GRP). Preferiblemente, el primer miembro magnético está dispuesto dentro del segundo miembro magnético y separado del mismo por la parte de la carcasa. Preferiblemente, las secciones magnéticas comprenden dipolos magnéticos en la dirección N-S de cada uno extendiéndose radialmente.
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En otra realización, el primer miembro magnético generalmente tiene forma de disco y comprende una primera sección de montaje que tiene montada de forma fija dentro del mismo la pluralidad de las primeras secciones de imán, formando de esta manera la primera sección de imán una forma de disco; y el segundo miembro magnético tiene generalmente forma de disco y comprende una segunda sección de montaje que tiene ondas de forma fija dentro de la pluralidad de segundas secciones de imán, formando por lo tanto las segundas secciones de imán una forma de disco. Preferiblemente, la primera y segunda secciones de imán forman sectores de un disco. Preferiblemente, la primera y segundas secciones de imán comprenden imanes dipolo con la dirección N-S de cada uno de ellos extendiéndose axialmente. Preferiblemente, dicho primer miembro magnético con forma de disco se dispone axialmente alineado adyacente al segundo miembro magnético con forma de disco y separado del mismo por la parte de la carcasa.
Preferiblemente, el número de secciones magnéticas de dicho primer miembro magnético y/o segundo miembro magnético es un número par de 2 o más. Más preferiblemente, el número de secciones magnéticas de dicho primer miembro magnético y/o dicho segundo miembro magnético es 4.
Preferiblemente, las secciones magnéticas están hechas de material ferrita, cobalto samario o neodimio hiero boro.
Una ventaja del acoplamiento magnético rotatorio, es que puede usarse a altas velocidades rotacionales (por ejemplo, de 25.000 a 50.000 rpm). Una ventaja adicional, es que proporciona una unidad sellada que evita el escape del fluido de trabajo (en ocasiones dañino o peligroso) que acciona la turbina. Otra ventaja es que se permite un diseño relativamente compacto de la turbina; y el aislamiento mecánico/acoplamiento magnético es particularmente ventajoso para permitir que la energía de la turbina accione un alternador inmediato, tal como los encontrados en aplicaciones en automóviles.
Los atributos anteriores aseguran que el acoplamiento magnético puede emplearse ventajosamente en sistemas (sistemas de ciclo Rankine), donde ocurre conversión de energía desde fluidos bajos, gases a velocidades rotacionales muy altas.
Control de energía
Otros inconvenientes de los sistemas de ciclo Rankine disponibles son que típicamente son plantas a gran escala que funcionan en el intervalo de multi MW y, no son adecuadas para extracción de energía a una escala menor a partir de fuentes a una temperatura relativamente baja tal como el fluido residual caliente de instalaciones industriales pequeñas, motores de combustión de automóvil y similares.
Además, en situaciones en las que la energía eléctrica se está obteniendo de fuentes tal como calor residual o de fuentes térmicas solares, es deseable que el sistema se emplee para extraer la energía con la eficacia óptima.
La mayoría de máquinas de ciclo Rankine existentes son unidades de baja velocidad con alternadores sincrónicos, que funcionan a la misma frecuencia que la red de suministro nacional. La velocidad de la turbina y el control de la potencia generalmente se realiza mediante válvulas para evitar entrar en la turbina. Por ejemplo, el documento US-B-4.537.032 describe una turbina de ciclo Rankine modular de etapas en paralelo en la que la carga en la turbina se controla controlando el funcionamiento de cada una de las válvulas de admisión. Y el documento US-A-2002/018372 describe un sistema de generación de potencia que incluye dos sistemas de potencia de ciclo de Rankine orgánico caliente en el que un sistema de ciclo Rankine incluye una válvula de control para abrir y cerrar la salida del generador de acuerdo con el otro sistema de turbina del ciclo Rankine.
Hay una necesidad de un sistema de recuperación de energía y técnicas para controlarlo, que superen los problemas mencionados anteriormente y proporcionen un sistema de recuperación mejorado.
De esta manera, de acuerdo con otro aspecto de la invención, se proporciona un método realizado en un sistema de recuperación de energía en el que la unidad de conversión electromecánica incluye un alternador y el sistema comprende también un sistema de control acoplado al alternador y adaptado para variar la tensión procedente del alternador, comprendiendo el método las etapas de: (a) aumentar la tensión en una etapa de tensión; (b) medir la potencia de salida del alternador; si la potencia de salida medida en la etapa (b) es menor o igual que la potencia de salida anterior, (I) disminuir la tensión en una etapa (ii) repetir la etapa (1) disminuyendo la tensión en una etapa de tensión (2) medir la potencia de salida del alternador; mientras que la potencia de salida medida en la etapa (c) (ii(2) sea mayor que la potencia de salida medida anteriormente, y si la potencia de salida medida en la etapa (b) es mayor que la potencia de salida previa, repetir las etapas (iii) aumentado la tensión en la etapa de tensión (iv) midiendo de la potencia de salida del alternador, mientras que la potencia de salida medida en la etapa (c) (iv) es mayor que la potencia de salida medida anteriormente.
Como alternativa, cada etapa de aumento de la tensión en un aumento de tensión se sustituye por la etapa de disminución de la tensión en una etapa de tensión y viceversa.
La cantidad de etapa de tensión puede ser de aproximadamente el 1% al 2,5% de la tensión media. Preferiblemente, la etapa (a) se realiza aproximadamente cada segundo.
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La etapa de medir la potencia de salida del alternador puede comprender medir una tensión de salida V procedente de la salida del alternador, midiendo la corriente de salida I procedente de la salida del alternador, y calculando la potencia de salida = V*I. Como alternativa, la etapa de medir la potencia de salida del alternador comprende medir la potencia de salida con un dispositivo de medida de potencia diferente.
Preferiblemente, el método comprende también convertir la tensión del alternador de una primera frecuencia a una segunda frecuencia. Preferiblemente, la primera frecuencia es mayor que la segunda frecuencia y la segunda frecuencia es de aproximadamente la frecuencia de la red de suministro. Preferiblemente, dicha etapa de convertir la tensión comprende: rectificar la salida de tensión mediante el alternador usando un circuito de rectificación derivando de esta manera una tensión CC y generando una tensión AC para dicha tención CC usando una unidad de acondicionamiento de potencia.
El método comprende también preferiblemente almacenar el último valor medido de la potencia de salida.
La invención proporciona también un sistema de control programable cuando se programa adecuadamente para realizar el método de la invención, incluyendo el sistema un procesador, una memoria, una interfaz acoplada a la unidad de conversión electromecánica, y una interfaz de usuario.
Una ventaja de la presente invención es que hace posible sistemas y técnicas que maximizan la eficacia y son aplicables en sistemas compactos de alta velocidad y en particular en unidades de baja potencia.
Purificación del fluido de trabajo
En muchos sistemas de conversión de energía convencionales que funcionan como sistemas cerrados y que emplean un dispositivo de expansión tal como una turbina, por ejemplo sistemas de ciclo Rankine, que emplean un fluido de trabajo que pasa a través de diversas etapas en el sistema y que normalmente es líquido desde algún punto.
Típicamente, cuando el sistema se llena inicialmente, el fluido de trabajo es un líquido y, por lo tanto, el resto del sistema debe llenarse con un gas tal como nitrógeno.
Un problema con dichos sistemas es que, si no hay gases condensables presentes durante el funcionamiento del sistema, el rendimiento global puede reducirse sustancialmente. Esto se debe por ejemplo a que con un sistema basado en turbina, la presión a la que el gas de la turbina se expande en la salida debe ser tan baja como sea posible para hacer que la proporción de presión en la turbina (presión en la entrada: presión en la salida) sea tan alta como sea posible.
Las técnicas para conseguir tratar con este problema se han descrito en las patentes de Estados Unidos Nº 5.119.635 y 5.487.765. Sin embargo esto implica el requisito adicional de aparatos diferentes para bombear gases fuera del condensador, refrigerarlos para condensar el fluido de trabajo y sacar gases no condensables indeseables y después bombear el fluido de trabajo líquido de nuevo hacia el sistema.
La presente invención pretende proporcionar un sistema implementado más sencillo y fácil para retirar impurezas de un fluido de trabajo.
De esta manera, se proporciona preferiblemente un sistema de purificación de fluido de trabajo para un sistema de conversión de energía, siendo el sistema de conversión de energía un sistema cerrado con un fluido de trabajo en circulación que circula en una trayectoria a través del mismo y que incluye un dispositivo de expansión, por ejemplo, una turbina que comprende: un tanque de expansión; un diafragma dentro del tanque de expansión, definiendo de esta manera un volumen variable conectado para recibir dicho fluido de trabajo; y una válvula de control dispuesta entre dicha trayectoria y el tanque de expansión, estando adaptada la válvula de control para controlar el flujo de fluido hacia y/o desde dicho volumen variable; en el que la válvula de control está conectada mediante un conducto a un punto de conexión en la trayectoria, estando dicho punto de conexión en el punto más alto de dicha trayectoria.
Preferiblemente, la válvula de control se monta en un punto más alto que dicho punto de conexión. Preferiblemente, el tanque de expansión se monta en un punto más alto que dicha válvula de control.
El sistema incluye también preferiblemente un controlador, estando adaptado el controlador, para abrir y cerrar dicha válvula de control. Preferiblemente, el controlador está configurado para realizar un ciclo de purificación, comprendiendo dicho ciclo de purificación abrir la válvula de control durante un primer periodo predeterminado y cerrar la válvula de control durante un segundo periodo predeterminado. Preferiblemente, el controlador está configurado para realizar, en una secuencia de arranque de duración predeterminada después de la conexión del sistema, una pluralidad de dichos ciclos de purificación. Preferiblemente, la pluralidad de ciclos de purificación comprende aproximadamente de 3 a 5 ciclos de purificación. Preferiblemente, el primer periodo predeterminado es de aproximadamente un minuto y dicho segundo periodo predeterminado es de aproximadamente diez minutos.
El sistema incluye también preferiblemente un detector de presión acoplado al controlador; en el que el controlador está configurado para realizar al menos un ciclo de purificación cuando la presión indicada por el detector está por encima de un nivel predeterminado. Preferiblemente, el detector de presión se dispone para detectar la presión en la salida de una turbina (dispositivo de expansión).
La presente invención se describirá ahora a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos en los que:
La Figura 1 muestra (a) una vista global esquemática de un sistema de recuperación de energía de acuerdo con un aspecto de la invención, y (b) elementos electrónicos intermedios que modifican la salida del alternador;
La Figura 2 es una ilustración esquemática de la derivación de una fuente de calor residual en un aspecto de la invención;
La Figura 3 ilustra con más detalle la unidad de turbina y alternador de la Figura 1;
La Figura 4 es una vista ampliada del cojinete de la turbina de la Figura 3;
La Figura 5 muestra en más detalle el miembro de cojinete empleado en el cojinete de la Figura 4 indicando flujos de fluido;
La Figura 6 ilustra un acoplamiento alternativo (magnético) de la unidad de turbina y alternador de la Figura 1, en otro aspecto de la invención;
La Figura 7 proporciona diversas vistas de un sistema basado en microturbina (a) en aislamiento, (b) con un recuperador y (c) y (d) los mismos sistemas que en (a) y (b) respectivamente incorporando de acuerdo con los aspectos de la invención un sistema de recuperación de energía;
La Figura 8 muestra (a) un motor de combustión interna basado en un sistema de generación de energía, y (b) el mismo sistema que incorpora, de acuerdo con otro aspecto de la invención, un sistema de recuperación de energía; y
La Figura 9 muestra una chimenea de combustión basada en un sistema de generación de energía que incorpora, de acuerdo con otro aspecto de la invención, un sistema de recuperación de energía.
Volviendo a los dibujos, en los que se han usado números iguales para diseñar elementos similares, la Figura 1(a) es una vista global esquemática de un sistema de recuperación de energía 100 de acuerdo con un aspecto de la invención. Las referencias en este documento a un "sistema de recuperación de energía" incluyen la referencia a sistemas de recuperación de energía que recuperan energía (por ejemplo, eléctrica) a partir de fuentes de energía (por ejemplo, calor) que de otra manera se desecharían y los sistemas de conversión de energía que convierten la energía de una forma (por ejemplo, calor) a otra (por ejemplo eléctrica) y en circunstanciad donde la energía original (calor) no se gastaría necesariamente pero tendría que usarse en su forma existente (por ejemplo para contribuir al menos a calentar un edificio).
Un cambiador de calor principal 102 tiene al menos una fuente de entrada de fluido 105 a través de la que recibe una fuente de fluido caliente que incorpora la energía térmica que se quiere recuperar mediante el sistema. La temperatura de la fuente de fluido que entra al cambiador de calor principal 102 se denomina t1.
El cambiador de calor 102 puede accionarse por cualquier fuente de calor y los ejemplos de fuentes incluyen, aire caliente, vapor, aceite caliente, bases de escape de motores, fluido caliente residual de un proceso de fabricación, fluidos de escape de sistemas de generación de electricidad basados en microturbinas, sistemas de generación de electricidad basados en motores de CI, gases residuales de calcinación de chimeneas de combustión, etc. Como alternativa, la fuente de calor puede ser energía térmica solar que calienta un fluido adecuado (por ejemplo, un aceite de transferencia de calor) que forma la fuente de fluido para el cambiador principal 102.
Haciendo referencia brevemente a la Figura 2, esto es una ilustración esquemática de la derivación de una fuente de residuo en un aspecto de la invención: un ejemplo importante de energía gastada o residual es el motor de combustión interna ubicuo, sea de gasolina, gasoil o gas, recíproco o de turbina. El motor que funciona con un combustible fósil de ciclo sencillo (distinto de centrales eléctricas o centrales eléctricas o motores marinos muy grandes) estará entre el 35-40% de eficacia, esto significa que el 60-65% de la energía del combustible usado para que funcione el motor se pierde como calor residual.
Volviendo a la Figura 1(a), la fuente de fluido sale del intercambiador principal de calor 102 a una temperatura reducida t2, mediante al menos una salida de fuente de fluido 106.
El cambiador de calor principal 102 que es adecuadamente de tipo de flujo en contracorriente, tiene también una entrada de fluido de trabajo 108 y una salida de fluido de trabajo 110 a través de la cual recibe (como un líquido a la temperatura t3) y saca (a la temperatura t4) respectivamente el fluido de trabajo del sistema. El fluido de trabajo que se calienta y vaporiza dentro del cambiador principal 102, se elige cuidadosamente de manera que sus propiedades termodinámicas y químicas son adecuadas para el diseño del sistema, y la temperatura y presiones de operación. En una realización, el fluido de trabajo es HFE-7100.
Después de salir de la salida de fluido de trabajo 110 del cambiador de calor principal 102, el fluido de trabajo gaseoso fluye en la dirección de las flechas a hacia la entrada de turbina 112 de la unidad de turbina 114. El fluido de trabajo llega a la unidad de turbina 114 a una presión p1, pierde calor y presión para accionar la turbina (no mostrada) montada en el árbol de la turbina 116 dentro de una unidad de turbina 114, y sale de la unidad de turbina 114 a través de salida de turbina 108, una presión p2 que es sustancialmente menor que p1. En una realización, la presión p1 es 11,5 bar absolutos y la presión p2 es 1,0 bar absolutos.
En una realización, el árbol de turbina 116 se monta en un cojinete (no mostrado) y se acopla mecánicamente a un alternador, por ejemplo, la armadura de la turbina y alternador (no mostrado) se montan en un árbol común 116. De esta manera, la rotación a alta velocidad del árbol de turbina 116 provoca que la energía eléctrica se genere en el alternador 120 apareciendo la tensión consecuente en la salida del alternador 122. El acoplamiento del árbol de turbina 118 al alternador 120 se describe a continuación en este documento con referencia a las Figuras 3 a 5.
Después de salir de las salidas de la turbina 118, el fluido de trabajo viaja en la dirección de las flechas B hacia la entrada 124 de un segundo cambiador de calor 126, que actúa como precanlentador del fluido de trabajo usando el escape de la turbina. El fluido de trabajo se introduce de esta manera al segundo cambiador de calor 126 a una temperatura t5 y sale otra vez a través de la salida 128 a una temperatura menor t6. Al mismos tiempo, el segundo cambiador de calor recibe otro flujo de fluido de trabajo (en la dirección de las flechas C) por debajo de su punto de ebullición y en forma líquida a través de la entrada 130 a una temperatura t7. En el segundo cambiador de calor 126, la energía térmica se transfiere al flujo del fluido de trabajo que llega a la entrada 130, el fluido de trabajo sale a través de la salida 132 a una temperatura t3 y fluye (en la dirección de las flechas D) a la entrada 108 del cambiador de calor principal 102.
El sistema incluye también una unidad de condensación (o refrigerador de agua) 134, en el que el agua fría llega a través de la entrada 136 y sale a través de la salida 138. Durante el funcionamiento, el fluido de trabajo del segundo cambiador de calor, 126 que fluye en la dirección de la flecha E, llega a la unidad de condensación 134 a través de la entrada 140, se enfría y se condensa en un líquido en al unidad de condensación 134 y después se aleja a través de la salida 142. Este fluido de trabajo líquido (a la temperatura t7) se fuerza mediante la bomba 144 a través de la válvula 146 en la dirección de las flechas C y forma el segundo suministro de fluido de trabajo que llega al segundo cambiador de calor 126, para comenzar el ciclo completo de nuevo. Una línea de fluido diferente 160 suministra fluido de trabajo líquido al cojinete que acopla la unidad de turbina 114 y el alternador 120, para lubricación.
De esta manera, el sistema funciona en un ciclo Rankine y se sella de manera que no hay escape o consumo de trabajo, simplemente realizando un ciclo a través de sus diversas fases.
En una realización, el sistema incluye un sistema de control 150, para controlar la salida de potencia del sistema. La mayoría de máquinas de ciclo Rankine existentes son unidades de baja velocidad con alternadores sincrónicos que funcionan a la misma frecuencia que la red de suministro nacional. La velocidad de la turbina y el control de la potencia generalmente es mediante válvulas que evitan entrar en la turbina. Sin embargo, el sistema de acuerdo con un aspecto de la presente invención, emplea un alternador de alta velocidad 120, y una unidad de acondicionamiento de potencia se usa preferiblemente para convertir la salida del alternador de alta frecuencia a la frecuencia de la red.
Mas específicamente, el sistema de control incluye componente electrónicos intermedios 151, una unidad de acondicionamiento de potencia (PCU) 152 y un controlador 154. La salida de potencia del alternador 120 en las salidas 122 es a una frecuencia muy alta, debido a la alta velocidad de rotación del árbol de la turbina y está modificado por los elementos electrónicos intermedios 151 que se describen con más detalle en la Figura 1(b).
Haciendo referencia a la Figura 1(b) las salidas 122 del alternador 120 están conectadas a las entradas 160 (tres de ellas para un alternador trifásico) de los elementos electrónicos intermedios denominados de forma general 151. La primera etapa de los elementos electrónicos intermedios 151 es una etapa de transformador opcional 162, para amplificar la tensión de cada una de las líneas: esto asegura, cuando sea necesario, que hay una tensión CC suficiente que aparece finalmente en la PCU 152 de manera que una onda senoidal completa de 240 V (como para la red de suministro en Reino Unido) puede generarse en la salida de la PCU 152. En ciertas realizaciones, sin embargo, el nivel de salida de tensión del alternador 120 es deficientemente alto de manera la etapa del transformador 162 puede omitirse.
A continuación, las salidas de tensiones de la etapa del transformador 162 y 164 pasan a una etapa de rectificación 166 que comprende un conjunto de seis diodos de rectificación 168 como se sabe bien en la técnica. De esta manera, se suministra una tensión CC cercana, rectificada, en las salidas 170 de la etapa de rectificación 166 y de esta manera en condiciones de funcionamiento normales aparece en la salida 172 de los elementos electrónicos intermedios 151.
En el caso de una pérdida repentina de conexión con la red de suministro nacional, se perderá toda la carga del alternador. Esto puede provocar un exceso de velocidad significativa del alternador 120 y de esta manera, también una válvula de amortiguado (no mostrada) para evitar entrar en la turbina, los elementos electrónicos intermedios 151 incluyen una etapa de seguridad 174 que incluye un resistor de amortiguación 158 para suministrar una carga al alternador 120 en el caso de pérdida de conexión con la red de suministro nacional para evitar el exceso de velocidad.
Un transistor 176 está en serie con el resistor amortiguado 172 a través de las salidas 152, con la base b del transistor 178 accionada por una unidad de deleción de exceso de velocidad (no mostrada). Esta última suministra una señal PWM al transistor 176, cuyo ciclo de trabajo es proporcional a la extensión del exceso de velocidad, de manera que cuando más alto sea el exceso de velocidad mayor será la carga aplicada por el resistor amortiguado 158.
Como puede observarse en la Figura 1(b) la potencia suministrada en la salida 172 (denominada en este documento enlace CC), está a una tensión V y la corriente 1 se suministra a la PCU 152. La PCU 152 que se conoce en la técnica está adaptado para convertir la potencia de CC a AC a la frecuencia de la red (50 Hz en Reino Unido) y tensión
(240 V en Reino Unido). La PCU a su vez puede variar el voltaje del enlace CC de manera que ajusta la salida de potencia del sistema.
Variando la tensión del enlace CC (V en la Figura 1(b)) en la unidad de acondicionamiento de potencia 152 controla la velocidad del árbol de la turbina 116. Reduciendo la tensión del enlace se aumenta la carga en el alternador 120 provocando que se extraiga más corriente desde el alternador. A la inversa, aumentando la tensión del enlace se provoca que la corriente del alternador caiga. Calculando la potencia (usando P=VI, o usando un dispositivo de medida de potencia) antes y después del cambio de tensión del bus, puede determinarse si la potencia aumenta o disminuye por el cambio de tensión del bus. Esto permite que el punto de máxima salida de potencia del alternador 120 se encuentre y después se le haga un "seguimiento continuo" alternado la tensión del bus.
En una realización, la tensión suministrada por el alternador sin carga es 290 Vac (todas las tensiones se miden de línea a línea) en cada una de las tres fases a 45.000 rpm, la velocidad tasada máxima del alternador 120. La menor velocidad a la que puede generarse la potencia es de 28.000 rpm, a la que el punto de tensión es de 180 Vac sin carga. Aumentar la carga reducirá también la tensión del alternador: por ejemplo, a 45.000 rpm, la tensión será de 210 Vac a 6,3 KW.
El control de la salida de potencia variando la tensión del enlace puede implementarse por elementos electrónicos analógicos o digitales adecuados, microcontroladores y similares. Puede controlarse también manualmente usando un ordenador personal (PC) como controlador 154. Preferiblemente, sin embargo, la salida de potencia se controla automáticamente usando un PC programado automáticamente u otra máquina de tipo ordenador como controlador 154. En cualquier caso, el PC comunica con la PCU 152 mediante un dispositivo de comunicación en serie RS232, aunque podría usarse también un adaptador RS 422 ó RS 485 como se sabe en la técnica. El PC por lo tanto, en cualquier momento puede tener una lectura de V e I, permitiendo de esta manera conocer la potencia instantánea.
En el caso de control con PC automático, el método de control puede ser mediante un programa adecuado implementando los siguiente.
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Mientras el sistema está conectado
aumentar la tensión del enlace mediante una etapa de tensión
medir la nueva tensión (=Vt)
si la nueva tensión es menor o igual que la antigua tensión entonces disminuir la tensión en una etapa de tensión
disminuir la tensión en un etapa de tensión
medir la nueva tensión
mientras que la nueva tensión sea mayor que la antigua tensión
también
aumentar la tensión en una etapa de tensión
medir la nueva tensión
mientras que la nueva tensión sea mayor que la antigua tensión
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Una persona experta en la técnica entenderá que el tamaño de la etapa de tensión lo determina las condiciones operativas y es una pequeña fracción (por ejemplo 1-2,5%) determinada adecuadamente de la tensión media del enlace.
En una realización, la etapa de cambio de tensión se realiza cada segundo.
Una característica opcional distinta incorporada en el sistema es un sistema de purificación del fluido de trabajo designado de forma general como 160 en la Figura 1. Como se ha mencionado anteriormente en este documento, si hay gases no condensables presentes durante el funcionamiento del sistema, el rendimiento global puede reducirse sustancialmente, es decir, la proporción de presión de la turbina es menor que la que debería ser. Por ejemplo, en la turbina mencionada en los ejemplos de este documento, la presión de entrada p1 se proyecta para que sea 20 bar; y si la presión de salida p2 es 2 bar en lugar del 1 bar pretendido, la proporción de presión es 10 en lugar de 20, dando un rendimiento significativamente reducido (1 bar = 105 N/m^{2}).
Una dificultad es que cuando se llena el sistema inicialmente el fluido de trabajo es un líquido y el resto del sistema debe llenarse con un gas, por ejemplo nitrógeno. Cuando se realiza esta etapa la presión puede reducirse a por debajo de la presión atmosférica para reducir la masa de nitrógeno en el sistema. Sin embargo, la presión no puede reducirse tanto u ocurrirá cavitación en la bomba. Por lo tanto, la forma óptima para retirar el gas no deseado del sistema es durante el funcionamiento del sistema.
El sistema de purificación del fluido de trabajo 170 incluye un conducto 172 conectado por un extremo a un punto Q del segundo cambiador de calor (precalentador) 126 y por el otro extremo a una válvula de control 174 que puede estar en el puerto de entrada/salida de la base 176 de un tanque de expansión 176, que en un ejemplo puede ser del tipo de tanque de expansión usado en sistemas de calentamiento central. El tanque de expansión 176 tiene una membrana flexible o diafragma 178 de manera que en su parte inferior contiene un volumen variable V de gas y/o líquido.
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En el ejemplo (sistema de 6 kW) mencionado posteriormente en este documento las medidas son las siguientes
Volumen del sistema 70 litros
Volumen del fluido 18 litros
Volumen del tanque de expansión 50 litros.
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Como puede observarse, cuando el sistema se llena inicialmente con fluido, habrá 52 litros de nitrógeno. Bajar la presión de este gas con una bomba de vacío reduce la cantidad de gas que tiene que mantenerse en el tanque de expansión 176, lo que significa que puede hacerse más pequeño. Este bombeo provoca también que el diafragma 178 se expanda hacia abajo hacia el tanque de expansión, haciendo que todo el tanque o casi todo esté disponible para recibir gases.
Como el gas nitrógeno tiene una menor densidad que el vapor de fluido de trabajo, tiende a acumularse en la localización más alta dentro del sistema. En este punto (Q en la Figura 1) el fluido puede sacarse del tanque de expansión 176, el diafragma 187 permite que tenga lugar al expansión, ampliando el volumen V, es decir, con la válvula de control 174 abierta, se permite que los gases se muevan lentamente hacia el tanque de expansión 176. Como el nitrógeno tiene una menor densidad que el fluido de trabajo, la mayor parte del contenido del tanque de expansión 176 será nitrógeno, con solo una pequeña cantidad de fluido de trabajo.
Una vez que la válvula 174 se ha cerrado, el tanque de expansión 176 y sus contenidos se enfrían de forma natural provocando que el fluido de trabajo condense. La siguiente vez que la válvula de control 174 se abra, el fluido de trabajo (ahora líquido) fluye de nuevo por gravedad de nuevo hacia el circuito principal del sistema (a través de la válvula de control 1745 y el conducto 172), mientras que los gases no condensables tienden a permanecer en el tanque de expansión 176 debido a su menor densidad. Un ciclo de (a) válvula de control abierta durante un periodo fijo, seguido de (b) válvula de control cerrada durante un periodo fijo se usa para purificar el fluido de trabajo y este ciclo puede repetirse varias veces (por ejemplo, de 3 a 5 veces) durante la puesta en marcha del sistema de recuperación de energía como para recoger tanto nitrógeno en el tanque de expansión 176 como sea posible. En el sistema mencionado anteriormente (de 6 kW), la válvula se abre durante un minuto y después se cierra durante 10 minutos. La abertura y cierre de la válvula de control 174 puede realizarse manualmente o puede realizarse automáticamente mediante un controlador adecuado, en este caso el controlador 154.
El sistema incluye también preferiblemente un detector de presión acoplado al controlador 154, estando situado el detector de presión para detectar la presión en la salida del dispositivo de expansión (turbina), y el ciclo de purificación puede repetirse si la presión empieza a acumularse durante el funcionamiento normal del sistema y se detecta en el detector de presión que la presión ha superado un umbral de seguridad predeterminado.
La Figura 3 ilustra con más detalle el acoplamiento de la unidad de turbina y el alternador de la Figura 1 (a). Aquí, la unidad de turbina se designa de forma general como 114 y el alternador se designa de forma general como 120. El árbol de la turbina gira alrededor de un eje 302 y es integral con una sección 304 que forma parte del rotor 306 del alternador 120. Los imanes permanentes 308, generalmente cilindros parciales, se disponen en la sección 304 del árbol 116. Retener los imanes 308 en su sitio en el árbol 116, es un cilindro de retención 309: este cilindro de retención (hecho de un material no magnético tal como CFRP) asegura que los imanes 308 no se desengranarán durante la rotación a alta velocidad del árbol 116. El estator 311 que incorpora una pluralidad de bobinados (no mostrados) en el que se genera corriente, se monta alrededor del rotor 306, como se sabe bien en la técnica y se encierra dentro del alojamiento 310. La sección 304 del árbol 116 está soportada en un extremo de la carcasa 310 por un cojinete liso 312 y el otro extremo por el cojinete designado de forma general 314 que se describe con más detalle a continuación en este documento.
La Figura 4 es una vista ampliada del acoplamiento de turbina-cojinete de la Figura 3. Como puede observarse, la unidad de turbina 114 incluye una primera etapa de turbina 402 y una segunda etapa de turbina 404. El fluido de trabajo calentado a alta presión (a la presión p1) presente en el espacio 406 dentro de la carcasa de la unidad de turbina 408 entra a través del puerto de entrada 410 de la primera etapa de turbina 402 e influye en la dirección de la flecha de manera que incide en una primera serie de paletas 402 montadas de forma segura en el árbol 116. El fluido de trabajo que fluye rápidamente confiere de esta manera energía rotacional al árbol 116. Después de salir de la primera etapa de turbina 402 (a la presión p3), el fluido de trabajo fluye en la dirección de las flechas G.
A continuación, el fluido de trabajo a la presión p3 (intermedia) (que es sustancialmente menor que p1 pero aún relativamente alta) pasa, a través del conducto 413 a la siguiente etapa de turbina 404. Aquí, el fluido de trabajo entra a través del puerto de entrada 414 de la segunda etapa de turbina 404 y fluye en la dirección de la flecha H de manera que incide con una segunda serie de paletas 416 montadas de forma segura en el árbol 116. El fluido de trabajo que fluye rápido confiere de esta manera energía rotacional al árbol 116. Después de salir de la segunda etapa de turbina 404 (a la presión p2) el fluido de trabajo fluye en la dirección de la flecha J. De esta manera, p1>p3>p2.
Como puede observarse, las dimensiones axial y radial de las paletas 416 de la segunda etapa de turbina 404 son mayores que aquellas de las paletas 412 de la primera etapa de turbina 402. En una realización, hay dos etapas de turbina de igual diámetro y la de menor dimensión axial de la primera etapa de turbina es 3/10 el diámetro, y la dimensión axial de la segunda etapa de turbina es 4/10 el diámetro. En otra realización, hay tres etapas de turbina. Los diámetros de la primera, segunda y tercera etapas de turbina están en una proporción 4:5:6. La dimensión axial de la primera etapa de turbina es 0,375 x el diámetro respectivo. La dimensión axial de la segunda etapa de turbina es
0,35 x el diámetro respectivo. La dimensión axial de la primera etapa de turbina es 0,33 x el diámetro respectivo.
La elección de material del que se fabrican las etapas de turbina es importante. En una realización del sistema se usa aluminio (Al 354; una aleación de moldeo de alta resistencia); y en sistemas mayores (120 kW) se usa acero inoxidable (E3N).
El requisito principal para el material es que tenga una alta proporción de resistencia a tracción final (UTS) a densidad. Cuando se gira a alta velocidad, cuanto mayor sea la densidad del material, mayor será la tensión en la turbina y por lo tanto se requieren también materiales más densos para que tengan una resistencia proporcionalmente mayor.
De acuerdo con una realización, las etapas de la turbina (denominadas también ruedas de la turbina) que incorporan las paletas, se hacen de plásticos modificados tales como polieteretercetona (PEEK) relleno con un 40% de fibra de carbono. Dichos materiales tienen la ventaja de un coste muy bajo y las ruedas de turbina pueden producirse por moldeo por inyección. Las ruedas de la turbina de plástico se montan usando una técnica de fijación adecuada por ejemplo un árbol de acero. Las propiedades de los diversos materiales de turbina se muestran en la Tabla 1.
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TABLA 1
1 
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Como se observa a partir de la Tabla 1, el mejor material (mayor proporción UTS/densidad) es PEEK al 40% de FC. Otros dos plásticos de alto rendimiento (Ultem 2400 y Valox 865) se incluyen también en la Tabla 1 para ilustrar la anchura de los plásticos disponibles y adecuados para usar en la fabricación de las etapas de turbina. Una consideración en el uso de plásticos (las tres últimas filas en la Tabla 1) es el efecto de la temperatura operativa (temperatura de entrada a la turbina) que puede emplearse. Mientras que en los sistemas con turbina esta temperatura puede ser de hasta 200ºC, incluso mayor con turbinas de acero inoxidable, en sistemas con por ejemplo PEEK con 40% de CF las turbinas solo pueden usarse hasta 150ºC. En el último caso, el ciclo del sistema global 100 se diseña para tener en cuenta esta temperatura operativa.
Volviendo a la Figura 4, se proporciona una arandela 418 unida de forma fija a un saliente 420 de la turbina 404 y tiene su otra superficie apoyada en un miembro de cojinete 422 que se describe con más detalle a continuación en este documento y, durante el funcionamiento, el fluido de trabajo permea en el espacio entre la arandela 418 y el miembro de cojinete 422 para proporcionar lubricación.
El miembro de cojinete 422 tiene una sección transversal con forma generalmente de T. Incluye una primera superficie de cojinete 424 en una parte elevada de la parte superior de la T. Durante el uso, esta superficie se dispone opuesta a una segunda superficie de cojinete 426, sustancialmente de la misma forma anular y tamaño en el árbol 116 cerca de la sección de armadura 304. El miembro de cojinete 422 tiene un canal cilíndrico central 428 que define de esta manera una tercera superficie de cojinete cilíndrica 430 en el miembro de cojinete 422 que se dispone opuesta a la cuarta superficie de cojinete 432 en el exterior del árbol 116. Una quinta superficie de cojinete 434 se proporciona en el miembro de cojinete 422 en el extremo del mismo opuesto a la primera superficie de cojinete 424 y ésta se dispone opuesta a la superficie respectiva de la arandela 418. En una realización, el fluido de trabajo permea a todos los espacios definidos opuestos a las superficies de cojinete 424, 430 y 434 del miembro de cojinete 422, proporcionando de esta manera la lubricación del cojinete. El fluido de trabajo se proporciona como un líquido desde la bomba 154 (véase la Figura 1(a)) a través de la teoría de fluido 160, separado del flujo principal, que comunica con la superficie exterior del miembro de cojinete 422.
Se entenderá que el cojinete, de esta forma, proporciona un cojinete de empuje bidireccional: el miembro de cojinete 422 tiene dos superficies de cojinete 424 y 434 que permiten recibir empuje en dos direcciones.
La Figura 5 muestra en más detalle el miembro de cojinete 422 empleado en el cojinete en la Figura 4 indicando los flujos de fluido, la Figura 5 (a) es una vista final que muestra la primera superficie de cojinete 424. El borde 502 que forma la parte superior de la T está provisto con dos orificios de tornillo 504 que permiten que el miembro de cojinete 422 se atornille o se emperne a la carcasa 410 del alternador 120. Seis primeros huecos (ranuras ) 506 alargados que se extienden radialmente espaciados igualmente, se disponen en la primera superficie de cojinete 424 que se extiende desde la extremidad interna radial de la primera superficie de cojinete 424 hacia la extremidad externa radial de la primera superficie de cojinete 424 permitiendo el paso del fluido lubricante. Como puede observarse en la Figura 5(b) cada hueco 506 no alcanza suficientemente la extremidad externa 508 de la primera superficie de cojinete 424. En la realización de la Figura 5(a) cada hueco 506 está provisto con un segundo canal de lubricación que se extiende axialmente 510 que se extiende a un hueco circunferencial (o ranura) descrito posteriormente en este documento.
En otras realizaciones, puede no haber un segundo canal de lubricación 510 en cada hueco 506. Por ejemplo la Figura 5(c) ilustra el caso en el que un segundo canal de lubricación 510 se proporciona solo en dos huecos 506.
Haciendo referencia a la Figura 5(d), un hueco (surco) 512 que se extiende circunferencialmente se proporciona en la superficie exterior 514 del miembro de cojinete 422. Puede observarse que el primer canal de lubricación 516 (en este caso, cuatro de ellos, espaciados igualmente circunferencialmente equidistantes), se extiende entre el hueco 512 que se extiende circunferencialmente y el interior del miembro de cojinete 422, permitiendo el paso del fluido de lubricación. Como se observa mejor en la Figura 5(e) los segundos canales de lubricación 512 se extienden entre la primera superficie de cojinete 424 y el hueco circunferencial 512. Los extremos de los segundos canales de lubricación 512 se muestran también en la Figura 5(f). Esa misma figura muestra también una pluralidad (en este caso, seis) de segundos huecos (ranuras) 516 alargados dispuestos en la quinta superficie de cojinete 434. Dos de los segundos huecos alargados 516 tienen segundos canales de lubricación que se extienden entre ellos a los huecos circunferenciales mencionados anteriormente 512. La Figura 5(g) es una sección transversal parcial que muestra los huecos y canales de otra manera.
Volviendo a la Figura 5(e), el fluido de lubricación entra en el miembro de cojinete 422 en la dirección de las flechas K. El fluido fluye en la dirección de las flechas L a los primeros huecos alargados 506 en la superficie de cojinete 424 en la dirección de la flecha M hacia los segundos huecos alargados 516 en la quinta superficie de cojinete 434 y en la dirección de la flecha N (hacia el papel) hacia el interior del miembro de cojinete y la tercera superficie de cojinete 430, lubricando de esta manera el cojinete.
Ejemplo 1
Se muestran a continuación los valores específicos para un ejemplo (versión de 6 kW) del sistema. Todas las expresiones están en bar (absoluto). Toda las temperaturas están en ºC. El fluido de trabajo es HEF-7100.
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2 
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3
Ejemplo 2
Se muestran a continuación los valores específicos para un segundo ejemplo (versión a 120 kW) del sistema. Todas las expresiones están en bar (absoluto). Toda las temperaturas están en ºC. El fluido de trabajo es hexano.
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Los resultados del sistema demuestran una eficacia termodinámica muy útil (electricidad que puede usarse para calentar) para la recuperación de calor e industrias térmicas solares - 10% para una fuente de fluido que entra a 110ºC y 22% para una fuente de fluido que entra a 270ºC.
Haciendo referencia a la Figura 6, esto ilustra un acoplamiento alternativo (magnético) de la unidad de turbina y el alternador de la Figura 1(a) en otro aspecto de la invención. La vista en la Figura 6(a) es una sección transversal del acoplamiento, que muestra un primer miembro rotatorio 602 formado por el árbol de turbina 604 y el primer miembro magnético 606. A su vez, el primer miembro magnético 606 comprende una parte de armadura 608, hecha de acero o hierro, integral con el árbol y una pluralidad de secciones magnéticas 610 que se describirán posteriormente en este documento.
El primer miembro rotatorio 602 se sella herméticamente dentro de una carcasa 612 que contiene la turbina (no mostrada) y el fluido de trabajo, incluyendo en la carcasa una parte cilíndrica 614 que contiene el primer miembro magnético 606. Al menos la parte 614 está hecha de un material no magnético tal como acero inoxidable, aleación nimonic o plástico.
Un segundo miembro rotatorio 616 comprende un segundo árbol 618 y un segundo miembro magnético 620, generalmente cilíndrico, integral con el mismo. El segundo miembro magnético a su vez comprende un miembro de soporte extremo 622 que tiene una pluralidad de secciones de imán 624 unidas de forma fija al interior del mismo.
Como se muestra mejor en la Figura 6(b), el primer miembro rotatorio 602 puede tener una cubierta de contención compuesta 626 alrededor de al menos la parte cilíndrica del mismo para mantener las tres primeras secciones de imán 610 en su sitio durante la rotación a alta velocidad. La cubierta de contención puede estar hecha de un compuesto tal como plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP), plástico reforzado con kevlar o fibra de vidrio (GRP).
La Figura 6(c) es una sección transversal en A-A en la Figura 6(a). Esta muestra las primeras secciones de imán 512 y las segundas secciones de imán 624 con más detalle: en este caso hay cuatro de cada una de ellas. Las secciones de imán son alargadas con una sección transversal similar al sector de un disco. Las secciones de imán son imanes permanentes formados de un material adecuado tal como un material ferrita, samario, cobalto o neodimio hierro boro. La dirección de la dirección norte - sur para las direcciones de imán es radial, como se ilustra esquemáticamente en la Figura 6(b).
Volviendo a la Figura 6(e), se muestra una realización alternativa en la que el primer miembro magnético 606' y el segundo miembro magnético 620' tienen forma sustancialmente de disco. El primer miembro magnético 606' comprende una primera sección de montaje 628 y las primeras secciones de imán 610' y el segundo miembro magnético 620' incluye una segunda sección de montaje 630 y segundas secciones de imán 624'. Como en el caso anterior, una parte no magnética 614' de la carcasa (similar a 614 y hecha del material no magnético mencionado anteriormente) separa las caras de los miembros magnéticos 606' y 620' con forma de disco, que están en proximidad cercana.
La disposición de los polos para las secciones de imán y uno o ambos del primer y segundo miembros magnéticos 606'; 620' se ilustra esquemáticamente en la Figura 6(f). Como se ilustra en la Figura 6(g), la polaridad de la cara de la secciones de imán 610' (o 624') se alterna según se desplaza tangencialmente desde la sección de imán a otra sección de imán.
Estas disposiciones de imán permiten el acoplamiento y transferencia de energía rotacional y par motor desde el árbol de turbina 604 al árbol 618 del alternador y están adaptadas para hacer esto a velocidades relativamente altas, por ejemplo de 25.000 a 50.000 rpm.
La Figura 7 proporciona diversas vistas de un sistema basado en microturbina (a) en solución (b) con un recuperador y (c) y (d) los mismos sistemas que (a) y (b) incorporando, respectivamente, de acuerdo con los aspectos de la invención, un sistema de recuperación de energía.
Haciendo referencia a la Figura 7(a), esto muestra un sistema de microturbina designado de forma general como 700. Dichos sistemas típicamente se clasifican del orden de 60 kW y se usan en edificios medianos a grandes (residenciales, comerciales, gubernamentales, etc.) para generar electricidad desde el lugar de combustión del combustible.
El sistema de microturbina 700 incluye un combustor 702 suministrado con una línea de combustible 704 y una línea de suministro de aire 706 que proporciona un gas que contiene oxígeno, por ejemplo aire. El combustible suministrado a través de la línea 704 puede ser por ejemplo gas natural, diesel o queroseno. Los gases de escape calientes del combustor se transportan a través del conducto de escape 706 a una turbina 710 donde confieren energía rotacional al árbol de turbina 712. El árbol de turbina 712 accionado por un generador 714 (por ejemplo que incluye un alternador, como se sabe bien en la técnica, generando de esta manera energía eléctrica) y un compresor 716. El compresor 716 toma aire a través de la entrada 718, lo comprime y lo proporciona a una presión elevada mediante una línea de suministro de aire 706 al combustor 702.
La salida de escape 720 de la turbina 710 típicamente libera gases aún calientes a la atmósfera, gastando de esta manera calor; aunque alguna energía calorífica en los gases de escape puede usarse para proporcionar calor dentro del edificio en el que está la microturbina, al menos algo de este calor se pierde la liberación de los gases calientes. Por ejemplo, en algunos sistemas, la electricidad generada puede ser del orden de 60 kW y el calor generado del orden de 400 kW. La eficacia eléctrica del sistema puede mejorarse añadiendo un componente.
La Figura 7(b) demuestra una configuración alternativa del sistema de microturbina de la Figura 7(a); aquí, se emplea adicionalmente un recuperador 722, suministrado mediante gases de escape calientes en las unidades 720 de la turbina 710. El recuperador 722 puede ser un cambiador de calor inmediato, aunque adecuadamente es un cambiador de calor diseñado a medida para este fin. Aquí la línea de suministro de aire 706 no está conectada al combustor 702 aunque suministra al recuperador 722. De esta manera, durante el uso del recuperador 722, se extrae calor de los gases de la turbina 710 y se usan para precalentar el aire que se hace pasar a través de la línea de suministro de aire recuperado 724 al combustor 702. El recuperador 722, independientemente, libera gases de escape aún calientes a través de la salida del recuperador 726.
El efecto del recuperador sobre el sistema puede observarse mediante las primeras dos filas de la Tabla 2.
TABLA 2
6
Los datos en las dos segundas filas se analizaran posteriormente en este documento. Se observará que el calentamiento del suministro de aire mediante el recuperador da como resultado una utilización mejorada del calor y de esta manera y aumento de la eficacia eléctrica (26% frente al 16%) del sistema en al Figura 7(b). Sin embargo, una desventaja es que mucha energía aún está encarnada en el calor de los gases de escape y la eficacia eléctrica no se ha optimizado. También, los recuperadores son caros y poco fiables y fallan durante la operación deteniendo el funcionamiento de todo el sistema.
Las Figuras 7(c) y (d) ilustran los mismos sistemas que (a) y (b), respectivamente, incorporando de acuerdo con aspectos de la invención, un sistema de recuperación de energía (ERS), designado de forma general como 100. El sistema de recuperación de energía 100 es adecuado como el sistema descrito anteriormente en este documento con referencia a la Figura 1(a), y por lo tanto no se describirá con mayor detalle.
En la disposición de la Figura 7(c) el escape de la turbina 720 de la turbina 710 suministra mediante la línea 720 a un cambiador de calor intermedio 730 que a su vez tiene una salida de escape del cambiador de calor intermedio 732 que durante el uso libera gases de escape a una menor temperatura que en el escape de la turbina 720. Durante el funcionamiento, el aceite de transferencia de calor (por ejemplo, BP Transcal N) circula entre el cambiador de calor intermedio 730 y el cambiador de calor principal (o caldera) 102 del sistema de recuperación de energía 100 a través de las líneas 734 y 736. El calor en el aceite de transferencia de calor se transfiere al fluido de trabajo en el cambiador de calor principal, proporcionando de esta manera la fuente de calor a partir de la que se deriva la energía eléctrica como se ha descrito anteriormente con referencia a la Figura 1, etc.
En la disposición de la Figura 7(c), es la salida del recuperador 726 la que suministra al cambiador de calor intermedio 730 de manera que la cantidad de calor disponible a transferir en el cambiador de calor intermedio 730 es menor que en la disposición descrita anteriormente. El funcionamiento, sin embargo, es el mismo.
Los efectos ventajosos de este uso del cambiador de calor intermedio 730 incluyen la separación del sistema de recuperación de energía (ciclo Rankine) de las temperaturas de escape potencialmente muy altas, permitiendo un mejor control del sistema y permitiendo el funcionamiento de la microturbina 700 sin (independiente de) el sistema de recuperación de energía 100.
Otros beneficios son evidentes cuando se considera un ejemplo particular (véase la tercera y cuarta filas de la Tabla 2), en este caso, una microturbina a 60kW.
1.
La eficacia eléctrica global del sistema aumenta sustancialmente: en el sistema de la Figura 7(c) sube casi al nivel del sistema recuperado de la Figura 7(b). En el sistema recuperado (Figura 7(c)) aumenta a casi el 35% mayor para una unidad de este tamaño
2.
La salida eléctrica global aumenta. La microturbina no recuperada, (Figura 7(c)) da ahora 92,5 kW y la microturbina no recuperada (Figura 7(c)) da 74,5 kW.
Como se indica, a diferencia del recuperador 722 en el sistema de la Figura 7(b), otra ventaja del uso del sistema de recuperación de energía 100 es que si falla o tiene que cerrarse durante el funcionamiento, el sistema de microturbina 700 no se ve afectado y puede funcionar independientemente del estado del sistema de recuperación de energía 100. El único inconveniente del sistema es que el calor disponible en el escape (columna 5 de la Tabla 2) es ahora mucho menor: está amortiguado a aproximadamente 50ºC, demasiado bajo para poder usarlo. Sin embargo, el objeto es extraer más electricidad útil.
La Figura 8 muestra (a) un motor de CI basado en un sistema de generación de energía y (b) el mismo sistema que incorpora, de acuerdo con otro aspecto de la invención, un sistema de recuperación de energía. Haciendo referencia a la Figura 8(a) el sistema de generación de energía designado de forma general como 800 incluye un motor CI recíproco 802 que tiene una línea de suministro de combustible 804 y una línea de suministro de aire 806. La refrigeración del motor CI 802 se facilita mediante una entrada 808 y salida 810 de agua de refrigeración para reducir la temperatura del motor durante el funcionamiento. El motor CI, usando técnicas bien conocidas, proporciona accionamiento mediante engranajes, acoplamientos, etc., según sea apropiado, y el árbol 812 a un generador 814, por ejemplo un alternador. En el sistema, como se sabe bien, los gases de escape calientes se desechan durante la carrera de escape del motor de CI 802 a través de la salida de escape 816: estos gases calientes se suministran a un cambiador de calor de gas de escape o caldera 818 usado para aplicaciones de calor y energía combinadas.
Volviendo a la Figura 8(b), esta muestra el sistema de la Figura 8(a) que incorpora el sistema de recuperación de energía 100 de la Figura 1(a). Aquí, la caldera 818 está sustituida por el cambiador de calor intermedio 730 (como en la Figura 7c) que transfiere calor al sistema final de recuperación de energía mediante el circuito de aceite de transferencia de calor 100 proporcionado por las líneas 734 y 736.
En el sistema de la Figura 8(b), la salida de agua de refrigeración del motor de la salida 810 también está disponible para proporcionar calor, y esto no está afectado por la utilización del sistema de recuperación de energía 100 en este sistema.
Como con los sistemas de las Figuras 7(c) y (d), la presencia del sistema de recuperación de energía 100 aumenta la salida de energía eléctrica y eleva la eficiencia eléctrica. La Tabla 3 ilustra los resultados para un motor de gas natural recíproco de 90 kW típico.
TABLA 3
7 
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La Figura 9 muestra una chimenea de combustión basada en un sistema de generación de energía que incorpora, de acuerdo con otro aspecto de la invención, un sistema de recuperación de energía 100. Las chimeneas de combustión son estructuras de tipo torre que se emplean en vertederos, basureros y otros lugares donde hay un exceso, o producto residual, de suministro de gas que incorpora gases combustibles.
En vertederos, la acumulación de gas de vertedero debe desecharse y a menudo es muy contaminante. El gas de vertedero es principalmente metano con muchas impurezas. La composición para un sitio típico se indica en la Tabla 4. Sin embargo, otros sitios informan que se consigue más del 50% de metano. El tipo y cantidad de constituyentes varía considerablemente dependiendo del tipo de residuo en el vertedero.
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TABLA 4
8 
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Volviendo de nuevo a la Figura 9, como puedes observarse, la chimenea de combustión 900 incluye una etapa base 902 en la que el aire se sopla a través de una soplante 903. Inmediatamente por encima de la sección base hay una etapa de combustión 904 en la que se hace pasar el gas de vertedero (incluido por bombeo) a través de la entrada 906. Por encima de la etapa de combustión 904 hay una etapa de mezcla 908 en la que el gas de vertedero se mezcla con un suministro de aire que se introduce en la etapa de mezcla 908 mediante una entrada de aire 910.
Como con las realizaciones de las Figura 7 y 8, se proporciona un cambiador de calor intermedio 730, esta vez como etapa superior de la chimenea 900. De nuevo, usando un aceite de transferencia de calor que circula a través de las líneas 734 y 736, el cambiador de calor 730, proporciona de esta manera la fuente de calor para el cambiador de calor principal 102 del sistema de recuperación de energía 100 analizado anteriormente en relación con la Figura 1(a).
En las chimeneas de combustión, las salidas de calor típicas están en la región de 5 MW aproximadamente. Usando el sistema de recuperación de energía 100 a través del circuito de aceite de transferencia de calor intermedio, el calor puede recuperarse desde el escape de la chimenea. La potencia eléctrica generada por el sistema de recuperación de energía 100, puede exportarse a la red de suministro nacional. Como alternativa o adicionalmente, el sistema de recuperación de energía 100 se acopla eléctricamente a una soplante 903 para accionarla eléctricamente. El efecto de soplado de aire en la chimenea 900 (en la etapa basa 902) reducirá las emisiones de la propia chimenea, disminuyendo las temperatura de combustión; las emisiones de óxido de nitrógeno pueden reducirse de esta manera. Además, el mayor tiempo de permanencia en la chimenea 900 debido a la adición del cambiador de calor 730 da más tiempo para que ocurran las reacciones químicas, reduciendo de esta manera también las emisiones dañinas de la chimenea.
Los datos sugieren que el número de chimeneas de combustión en los que pueden emplearse estas técnicas es de varios cientos en algunos países y del orden de varios miles en otros. También se prevé que en una chimenea que produce un total de 1 MW, puede recuperarse energía eléctrica del orden de 200-250 kW para el uso de los sistemas mencionados anteriormente. Eso es particularmente útil, puesto que muchas chimeneas están en áreas rurales remotas (vertederos, basureros), y es particularmente deseable que se recupere tanta energía eléctrica como sea posible en el sitio.

Claims (39)

1. Un sistema de recuperación de energía para extraer energía de una fuente de calor residual, siendo el sistema un sistema cerrado con un fluido de trabajo en circulación que comprende:
un primer cambiador de calor (102) para recibir una fuente de fluido que incorpora el calor residual a una primera temperatura y que saca dicho fluido residual a una segunda temperatura y para recibir dicho fluido de trabajo a una tercera temperatura y sacar el fluido de trabajo a una cuarta temperatura, siendo dicha cuarta temperatura mayor que dicha tercera temperatura y mayor que el punto de ebullición del fluido de trabajo;
una unidad de turbina (114) dispuesta para recibir la salida del fluido de trabajo desde el primer cambiador de calor (102) a una primera presión y sacar el fluido de trabaja a una segunda presión, siendo dicha segunda presión menor que la primera presión, confiriendo la unidad de turbina (114) de esta manera una energía rotacional a un árbol de turbina (116) montado en un cojinete (422) dentro de la unidad de turbina (114);
una unidad de conversión electromecánica (120) acoplada al árbol de turbina (116) para convertir dicha energía rotacional en energía eléctrica; y
un sistema de refrigeración acoplado a la unidad de turbina (114) y al primer cambiador de calor (102) para recibir el fluido de trabajo de la unidad de turbina (114) a una quinta temperatura, refrigerar el fluido y suministrar el fluido al primer cambiador de calor (102) a dicha tercera temperatura en el que el sistema de refrigeración incluye:
un segundo cambiador de calor (126) acoplado a la unidad de turbina (114) y al primer cambiador de calor (102) para recibir un primer suministro del fluido de trabajo desde la unidad de turbina (114) a dicha quinta temperatura y sacar fluido de trabajo de dicho primer suministro a una sexta temperatura, siendo dicha sexta temperatura menor que dicha quinta temperatura, estando adaptado el segundo cambiador de calor (126) para recibir un segundo suministro de fluido de trabajo en forma líquida a una séptima temperatura y sacar el fluido de trabajo del segundo suministro de fluido a dicho primer cambiador de calor (102) a dicha tercera temperatura;
una unidad de condensación (134) acoplada al segundo cambiador de calor (126) y adaptada para recibir un suministro de fluido de refrigeración, para recibir la salida del fluido de trabajo mediante el segundo cambiador de calor (126) a dicha sexta temperatura y sacar el fluido de trabajo en forma líquida a dicha séptima temperatura, siendo dicha séptima temperatura menor que dicha sexta temperatura y menor que el punto de ebullición del fluido de trabajo; y
una bomba (144) acoplada a la unidad de condensación (134) para recibir el fluido de trabajo líquido a dicha séptima temperatura y bombear dicho fluido de trabajo líquido a dicho segundo cambiador de calor (128), proporcionando de esta manera dicho segundo suministro de fluido de trabajo al segundo cambiador de calor (126); y
caracterizado porque una tubería de fluido (160) está conectada entre la salida para la bomba (144) que proporciona dicho segundo suministro de fluido de trabajo y dicho cojinete (422) proporcionando de esta manera lubricación de dicho cojinete (422) mediante una parte del fluido de trabajo líquido diferente de dicho segundo suministro.
2. El sistema de la reivindicación 1, en el que dicha primera temperatura es de 110 a 225ºC.
3. El sistema de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que dicha segunda temperatura es de 80 a 140ºC.
4. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que dicha primera temperatura es aproximadamente 180ºC y dicha segunda temperatura es aproximadamente 123ºC.
5. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha primera presión es de 10 x 10^{5} a
3 x 10^{5} N/m^{2} (10 a 30 bar) absoluto.
6. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha segunda presión es de 0,5 x 10^{5} a
2 x 10^{5} N/m^{2} (0,5 a 2 bar) absoluto.
7. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que el fluido de trabajo comprende un único componente fluido seleccionado entre alcanos.
8. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el fluido de trabajo comprende un fluido con un punto de ebullición de 30-110ºC.
9. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la unidad de conversión electromecánica (120) incluye un alternador (120) adaptado para producir corriente eléctrica.
10. El sistema de la reivindicación 9, que comprende adicionalmente una unidad de acondicionamiento eléctrico (152) acoplada a dicho alternador (120) para alterar la frecuencia de la corriente recibida desde el alternador (120) y producir una corriente a la frecuencia de la red.
11. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la unidad de turbina (114) tiene al menos una etapa de turbina (402, 404) montada en el árbol de la turbina (116), incorporando la o cada etapa de turbina (402, 404) un conjunto de paletas (412, 416).
12. El sistema de la reivindicación 11, en el que al menos una etapa de turbina (402, 404) está hecha de aluminio o acero.
13. El sistema de la reivindicación 11, en el que al menos una etapa de turbina (402, 404) está hecha de material plástico.
14. El sistema de la reivindicación 13, en el que el material plástico es (a) polieteretercetona (PEEK) que contiene fibra de carbono, por ejemplo, PEEK con 40% de fibra de carbono, (b) Ultem 2400 o (c) Valox 865.
15. El uso de HFE-7100 o hexano o agua como fluido de trabajo en el sistema de conversión de energía de cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
16. El uso de uno de los alcanos como fluido de trabajo en el sistema de conversión de energía de cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
17. Un sistema de generación de energía eléctrica que comprende:
un sistema de microturbina (700), comprendiendo el sistema de microturbina (700)
una unidad de combustión (702) acoplada a un fuente de combustible para quemar dicho combustible y producir un primer fluido de escape,
una segunda unidad de turbina (710) acoplada para recibir dicho primer fluido de escape con lo que se confiere energía rotacional, durante el uso a un segundo árbol de turbina (712) de la segunda unidad de turbina (710), estando adaptada la segunda unidad de turbina (710) para producir un segundo fluido de escape,
una unidad de transferencia de calor intermedia (730) acoplada para recibir dicho segundo fluido de escape y adaptada para realizar una transferencia de calor desde el segundo fluido de escape a un fluido de transferencia de calor intermedio y producir el fluido de transferencia de calor intermedio después de dicha transferencia de calor, y
un sistema de recuperación de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, teniendo el sistema de conversión de energía dicho primer cambiador de calor (102) acoplado para recibir dicho fluido de transferencia de calor intermedio, representado el fluido de transferencia de calor intermedio dicha fuente de fluido.
18. El sistema de generación de energía eléctrica de la reivindicación 17, en el que el sistema de microturbina (700) incluye adicionalmente un compresor (716) acoplado a la segunda unidad de turbina (710) y la unidad de combustión (702) se acciona, durante el uso, por el segundo árbol de turbina (712), recibiendo el compresor (716) un suministro de fluido que contiene oxígeno y suministrado dicho fluido que contiene oxígeno en un estado comprimido durante el uso a la unidad de combustión (702).
19. El sistema de generación de energía eléctrica de la reivindicación 17 ó 18, en el que el sistema de microturbina (700) incluye adicionalmente un generador (714) acoplado a la segunda unidad de turbina (710) y accionado, durante el uso, por el segundo árbol de turbina (712) estando adaptado el generador (714) para producir energía eléctrica.
20. El sistema de generación de energía eléctrica de cualquiera de las reivindicaciones 17 a 19, que incluye adicionalmente un recuperador (722) dispuesto entre la segunda unidad de turbina (710) y la unidad de transferencia de calor intermedia (730) y acoplado para recibir dicho segundo fluido de escape y producir el tercer fluido de escape a la unidad de transferencia de calor intermedia (730), estando el recuperador (712) adaptado adicionalmente para recibir un suministro de fluido que contiene oxígeno, por ejemplo, desde el compresor (718) y para transportar dicho fluido que contiene oxígeno al combustor (702) después de transferir calor al mismo desde dicho segundo fluido de
escape.
21. El sistema de generación de energía eléctrica de la reivindicación 20, en el que recuperador (722) comprende un tercer cambiador de calor.
22. Un sistema de generación de energía eléctrica que comprende:
un sistema de combustión interno, comprendiendo el sistema de combustión interna:
un motor de combustión interna (802) acoplado a una fuente de combustible para quemar dicho combustible y producir un fluido de escape del motor, estando dispuesto el motor de combustión interna (802) de manera que se confiere energía rotacional durante el uso a un árbol de transmisión (812),
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una unidad de transferencia de calor intermedia (730) acoplada para recibir dicho fluido de escape del motor y adaptada para realizar una transferencia de calor desde el fluido de escape del motor a un fluido de transferencia de calor intermedio y sacar el fluido de transferencia de calor intermedio después de dicha transferencia de calor, y
un sistema de recuperación de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, teniendo el sistema de conversión de energía dicho primer cambiador de calor (102) acoplado para recibir dicho fluido de transferencia de calor intermedio, representado el fluido de transferencia de calor intermedio dicha fuente de fluido.
23. El sistema de generación de energía eléctrica de la reivindicación 22, en el que el sistema de combustión interna incluye adicionalmente un generador (814) acoplado al motor de combustión interna (802) y accionado durante el uso por el árbol de transmisión (812), estando adaptado el generador (814) para producir energía eléctrica.
24. El sistema de generación de energía eléctrica de la reivindicación 22 ó 23, en el que el motor de combustión interna (802) está acoplado a un suministro de combustible y a un suministro de fluido que contiene oxígeno.
25. Un sistema de generación de energía eléctrica que comprende:
una chimenea de evacuación de gas residual (900), incluyendo la chimenea de evacuación de gas residual (900)
una etapa base (902), incluyendo en la etapa base (902) una soplante (903) para soplar un gas que contiene oxígeno a la chimenea de evacuación de gas residual (900),
una etapa de combustión (904) adyacente a la etapa base, acoplada a una fuente de gas residual, siendo o incluyendo el gas residual un gas combustible, estando adaptada la etapa de combustión (904) para quemar, durante el uso, dicho gas residual en dicho gas que contiene oxígeno,
una etapa de mezcla (908) adyacente a dicha etapa de combustión (904) adaptada para generar un mezcla de gases que comprende aire mezclado con los gases de escape del combustor dando como resultado dicha etapa de combustión (904),
una unidad de transferencia de calor intermedia (730) acoplada para recibir dicha mezcla de gases y adaptada para realizar una transferencia de calor desde la mezcla de gases a un fluido de transferencia de calor intermedio y para producir el fluido de transferencia de calor intermedio después de dicha transferencia de calor, y
un sistema de recuperación de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, teniendo el sistema de conversión de energía dicho primer cambiador de calor (102) acoplado para recibir dicho fluido de transferencia de calor intermedio, representado el fluido de transferencia de calor intermedio dicha fuente de fluido.
26. El sistema de generación de energía eléctrica de la reivindicación 25, en el que la soplante (903) comprende una soplante accionada eléctricamente, estando acoplada la soplante (903) eléctricamente a la unidad de compresión electromecánica (120) y, al menos parte de la energía eléctrica generada durante el uso por el sistema de conversión de energía, acciona la soplante (903).
27. El sistema de generación de energía eléctrica de cualquiera de las reivindicaciones 17 a 26, en el que la unidad de transferencia de calor intermedia (730) comprende un cambiador de calor y/o el fluido de transferencia de calor intermedia comprende aceite de transferencia de calor.
28. Un método realizado en un sistema de recuperación de energía de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, en el que la unidad de conversión electromecánica (120) incluye un alternador, y el sistema comprende adicionalmente un sistema de control acoplado al alternador (120) y adaptado para variar la tensión procedente del alternador comprendiendo el método las etapas de:
(a) aumentar la tensión en una etapa de tensión;
(b) medir la potencia de salida del alternador (120);
(c) si la potencia de salida medida en la etapa (b) es menor o igual que la potencia de salida anterior,
(i)
disminuir la tensión en una etapa de tensión
(ii)
repetir las etapas de
(1)
disminuir la tensión de una etapa de tensión
(2)
medir la potencia de salida del alternador (120); mientras que la potencia de salida media de la etapa (c)(ii 2) sea mayor que la potencia de salida medida anteriormente, y
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si la potencia de salida medida de la etapa (b) es mayor que la potencia de salida anterior, repetir las etapas de
(iii)
aumentar la tensión a una etapa de tensión
(iv)
medir la potencia de salida del alternador (120) mientras que la potencia de salida en la etapa (c)(iv) sea mayor que la potencia de salida medida anteriormente.
29. El método de la reivindicación 28, en el que cada etapa de aumento de tensión en una etapa de tensión se sustituye por la etapa de disminuir la tensión en una etapa de tensión y viceversa.
30. El método de la reivindicación 28 o la reivindicación 29, en el que la etapa de tensión es de aproximadamente el 1% al 2,5% de la tensión media.
31. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 28 a 30, en el que la etapa (a) se realiza aproximadamente cada segundo.
32. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 28 a 31, en el que la etapa de medir la potencia de salida del alternador (120) comprende medir una tensión de salida V derivada de la salida del alternador (120), medir la corriente de salida I procedente de la salida del alternador (120) y calcular la potencia de salida =V*I.
33. El método de cualquiera de las reivindicaciones 26 a 32, en el que la etapa de medir la potencia de salida del alternador (120) comprende medir la potencia de salida con un dispositivo de medir la potencia diferente.
34. El método de cualquiera de las reivindicaciones 28 a 33, que comprende adicionalmente convertir la tensión del alternador (120) de una primera frecuencia a una segunda frecuencia.
35. El método de la reivindicación 34, en el que la primera frecuencia es mayor que la segunda frecuencia, y la segunda frecuencia es aproximadamente la frecuencia del suministro de la red.
36. El método de la reivindicación 34 ó 35, en el que dicha etapa de convertir la tensión comprende: rectificar la salida de tensión del alternador (120) usando un circuito de rectificación (166) derivando de esta manera una tensión CC y generando una tensión AC de dicha tensión CC, usando una unidad de acondicionamiento de potencia (152).
37. El método de cualquiera de las reivindicaciones 28 a 36, que comprende adicionalmente almacenar el último valor medido de potencia de salida.
38. Un sistema de control programable cuando se programa adecuadamente para realizar el método de cualquiera de las reivindicaciones 28 a 37, incluyendo el sistema un procesador, una memoria, una interfaz acoplada a la unidad de conversión electromecánica y una interfaz para el usuario.
39. El sistema de control de la reivindicación 38 que incluye un dispositivo de conversión de frecuencia para alterar la frecuencia de una tensión AC.
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