ES2334758A1 - Sistema de refrigeracion de centrales termicas. - Google Patents

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Rafael Ruben Amengual Matas
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Antonio Rovira De Antonio
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Abstract

Sistema de refrigeración de centrales térmicas que consta de un circuito cerrado de líquido que se enfría en un aero-refrigerador (10), por cuyo exterior es impulsado el aire atmosférico, contando además en el circuito cerrado con un depósito de gran tamaño, o aljibe (25) del mencionado líquido. El líquido refrigerante del depósito o aljibe (25) puede enviarse a ser enfriado en el aero-refrigerador (10) cuando su temperatura es mayor que la del aire exterior, y la central térmica no está funcionando; o puede enviarse dicho líquido al foco frío (6) del ciclo de potencia de la central térmica, cuando ésta se encuentra funcionando y la temperatura del líquido del aljibe (25) es inferior a la temperatura que puede alcanzar el líquido en su enfriamiento a través del aero-refrigerador (10), según la temperatura del aire atmosférico.

Description

Sistema de refrigeración de centrales térmicas.
Sector de la técnica
La invención se encuadra en el campo de las centrales térmicas dedicadas a la generación de electricidad, o de energía mecánica de rotación, mediante un ciclo termodinámico que requiere, entre otros componentes, un foco frío. Este foco frío puede ser un condensador; o un enfriador de calor sensible; o ambos.
En concreto la invención se inscribe en el campo de los dispositivos, configuraciones y modos de funcionamiento aplicados para la extracción de calor del foco frío, de tal manera que la temperatura del fluido de trabajo alcance un valor muy bajo, y por tanto se consiga un rendimiento alto en el ciclo termodinámico.
En particular la invención es aplicable a centrales o instalaciones térmicas que no tienen posibilidad de usar agua como sumidero último de calor. Es conocido que muchas instalaciones existentes usan agua de mar, de un río, de un embalse o la evaporada en una torre de refrigeración de tiro húmedo, pero en muchas otras localizaciones no se dispone de agua, y el consumo de ésta en grandes cantidades es imposible no sólo desde el punto de vista económico, sino desde el punto de vista social y ambiental, por la necesidad del agua para otros usos más primarios, como es el mantenimiento de la vida.
Concretando aún más el campo de la invención, ésta es aplicable a las instalaciones que no funcionan por la noche, bien porque la fuente térmica no esté disponible, como es el caso de la energía solar, bien porque no sea necesario su funcionamiento por la noche, pues a esas horas la demanda de electricidad está en su mínimo. Pero es precisamente por la noche cuando la temperatura ambiental es menor, y por tanto mayor facilidad se tiene para refrigerar un foco frío.
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Antecedentes de la invención
Existe una amplia variedad de sistemas de enfriamiento del foco frío de una central térmica. Lo ideal es que el fluido que refrigera el foco frío (el condensador, en los casos que utilizan ciclos de Rankine, que son muy comunes) sea agua, por su alta densidad, alto calor específico, alto coeficiente de película de convección y baja potencia de bombeo consumida en su movimiento.
Cuando no es posible el uso de agua, lo más usual es recurrir al aire para la refrigeración del foco frío; pero el aire no reúne las características antedichas del agua. Más aún, el aire se calienta durante el día de manera notable, lo cual es tremendamente perjudicial para el rendimiento de la central, pues la temperatura alcanzada por el fluido de trabajo en el foco frío resulta relativamente alta, y ello perjudica el rendimiento (tanto el teórico del Carnot, como el real del ciclo, sea éste de tipo Rankine con condensación de un vapor, o sea tipo Brayton, con enfriamiento del gas que actúa de fluido de trabajo, antes de volver a ser presurizado).
Existen varios refrigeradores basados en el uso del aire como fluido que haga de sumidero último de calor. En estos dispositivos, el fluido de trabajo suele circular por el interior de tubos metálicos, aleteados por el exterior, que es por donde circula el aire, impulsado en general por un ventilador o batería de ventiladores.
Aunque el aire pueda usarse directamente para condensar el fluido de trabajo, cuando éste está en fase de vapor a la salida de la turbina, esa disposición térmico-geométrica no es buena del todo, en particular para unidades de gran potencia, en las cuales el caudal de vapor a condensar es muy grande, y la condensación se realiza mejor por el exterior de los tubos; por dentro de los cuales circula el líquido frío que hace de sumidero de calor in situ. No obstante, ese calor ha de ser transferido a un macro-elemento natural que haga de sumidero último de calor, que no puede ser otro que la atmósfera o la hidrosfera.
Análogamente, en el caso de utilizar gas (no condensable) como fluido de trabajo (ciclo Brayton cerrado, como ejemplo más señero), en el enfriador no es fácil encontrar una buena disposición térmico-geométrica entre el fluido de trabajo y el aire, pues al ser ambos gases, sus coeficientes de película son modestos, y ambos requieren mucha superficie de termo-transferencia.
Una posible alternativa, aunque interponga un intercambiador adicional en el circuito global de la transformación energética, es el uso de un circuito cerrado de refrigeración con un líquido, de tal forma que sea este líquido quien refrigere el foco frío del ciclo, y a su vez transmita el calor extraído al aire, que es el elemento ubicuo en la superficie del planeta. Esta solución de un circuito líquido cerrado para refrigerar el foco frío y transferir el calor al aire es la que se usa en la generalidad de los vehículos automóviles, aunque en este caso los ciclos termodinámicos usados (Otto o Diesel) no son iguales a los de las centrales térmicas. En el circuito líquido cerrado antedicho puede usarse agua, pues al ser cerrado no hay consumo, salvo fugas por averías, u otro líquido, orgánico, mineral o de otra naturaleza química, aunque el agua reúne propiedades térmicas y económicas muy positivas.
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Aún con esta opción de configuración de los circuitos de refrigeración en su conjunto, subsiste el inconveniente de que el aire se calienta sustancialmente durante el día, de modo que, a las horas en que es más necesario refrigerar la central, las condiciones del sumidero último de calor (el aire) son las peores. Por el contrario, cuando menos necesario es el funcionamiento de la central, que es por la noche, mejores son las condiciones de refrigeración.
El problema a resolver, pues, es encontrar un montaje y modo de funcionamiento en los cuales se refrigere la central durante su funcionamiento diurno con condiciones que sean cercanas a la temperatura nocturna, sin sobrecargar mucho ni las inversiones en la instalación, ni el incremento de entropía que se produce cada vez que se interpone una transferencia de calor en un sistema.
Descripción de la invención
La invención consiste en un sistema de refrigeración de centrales térmicas mediante al menos un circuito cerrado de líquido que comprende:
-
un componente de refrigeración del foco frío del fluido de trabajo del ciclo termodinámico, que abreviadamente denominamos "foco frío", sea éste de tipo condensador (para fluidos de trabajo que sean vapores condensables) o sea un intercambiador de calor sensible (para gases no condensables), el cual componente tendrá como fluido primario el propio fluido de trabajo, y como secundario el líquido del circuito cerrado, que puede ser particularmente, pero no obligatoriamente, agua;
-
un intercambiador, que denominamos aero-refrigerador, que forma parte del circuito cerrado de líquido, cuyo fluido primario es el propio líquido del circuito, siendo el aire el fluido secundario, que actúa de sumidero último de calor; y estando conectado hidráulicamente éste intercambiador con el foco frío descrito en el apartado anterior, incluyendo en el circuito de conexión la bomba o circulador para mover el líquido del circuito, y las válvulas de control y de cierre que gradúen el caudal del líquido y, particularmente, que hagan nulo, por cierre de las válvulas, este caudal de conexión entre estos dos componentes; y existiendo además un ventilador o batería de éstos para mover el aire que actúa de fluido secundario en este aero-refrigerador;
-
un depósito del líquido del circuito cerrado, que denominamos aljibe, que contiene una masa dada de este líquido, y está aislado térmicamente del exterior, y preferiblemente está localizado subterráneamente, lo cual le aísla especialmente de las evoluciones diarias de temperatura del aire, aunque también puede estar ubicado este depósito en superficie, requiriendo en tal caso de una cubierta reflectante en el aislamiento, o de un edificio acondicionado térmicamente; estando conectado hidráulicamente éste aljibe con el foco frío descrito en el primer apartado de esta Descripción, incluyendo en el circuito de conexión una bomba o circulador para mover el líquido del circuito, y las válvulas de control y de cierre que gradúen el caudal del líquido y, particularmente, que hagan nulo, por cierre de las válvulas, este caudal de conexión entre estos dos componentes, aljibe y foco frío; y estando conectado hidráulicamente además el aljibe con el aero-refrigerador descrito en el apartado anterior de esta Descripción, incluyendo en el circuito de conexión una bomba o circulador para mover el líquido del circuito, y las válvulas de control y de cierre que gradúen el caudal del líquido y, particularmente, que hagan nulo, por cierre de las válvulas, este caudal de conexión entre estos dos componentes, aljibe y aero-refrigerador.
La invención incluye una pluralidad de válvulas de corte o cierre, en los diversos ramales de los circuitos de conexión entre los componentes antedichos, que en su posición natural estarán cerradas, abriéndose cada una de ellas, individualizadamente, cuando reciba la orden electromagnética o mecánica correspondiente. Estas órdenes a válvulas concretas se dan en función de las condiciones de temperatura en los diversos fluidos relevantes, y en función de si se requiere o no el funcionamiento de la central. Mediante estas órdenes se configura el sistema en disposiciones estructurales y funcionales distintas, cumpliendo el objetivo propuesto. Las órdenes de apertura a las válvulas se dan según las prescripciones siguientes:
-
en condiciones de funcionamiento con temperatura del aire no mayor que la de su valor tope de diseño de la central en la que se aplica la invención, se sitúan automáticamente las válvulas correspondientes en posición de "cerradas", de manera que sólo funciona la conexión hidráulica entre el foco frío y el aero-refrigerador, refrigerándose así el foco frío, llamándose a este modo refrigeración directa;
-
en condiciones de no funcionamiento del ciclo termodinámico de la central a la que se aplique la invención, y cuando la temperatura del aire sea menor que la existente en el líquido del circuito cerrado, se sitúan automáticamente las válvulas correspondientes en posición de "cerradas", de manera que sólo funciona la conexión hidráulica entre el aljibe y el aero-refrigerador, reduciéndose progresivamente la temperatura del líquido almacenado en el aljibe, llamándose a este modo enfriamiento del aljibe;
-
en condiciones de funcionamiento con temperatura del aire mayor que la de su valor tope de diseño de la central en concreto en la que se aplica la invención, y estando la temperatura del líquido del aljibe por debajo de la del aire, se sitúan automáticamente las válvulas correspondientes en posición de "cerradas", de manera que sólo funciona la conexión hidráulica entre el foco frío y el aljibe, refrigerándose así el foco frío, llamándose a este modo refrigeración indirecta.
En una central pueden disponerse varios sistemas de refrigeración de focos fríos con esta disposición, en caso de tener objetivos diferentes de enfriamiento del fluido de trabajo según la evolución de éste, teniendo en cada caso, cada uno de estos sistemas, su propia referencia como temperatura de diseño para activar un modo u otro de
funcionamiento.
Adicionalmente la invención comporta la opción de estructurar el aljibe o depósito de líquido del circuito cerrado con unas falsas soleras perforadas horizontales, que lo atraviesan en su sección recta, y que producen la estratificación térmica del líquido contenido en el depósito, con una temperatura superior en las capas más altas, teniendo las falsas soleras perforadas las perforaciones contrapuestas, en el sentido de que las impares, en numeración desde arriba, tienen la perforación central, y las pares tienen la perforación periférica; o viceversa; pudiendo haber un número cualquiera de estas falsas soleras perforadas; y pudiendo estructurarse las perforaciones, en el caso de depósitos rectangulares, de tal manera que se alternen a derecha e izquierda de la pared mas larga del aljibe, según la paridad de la solera; aunque esta disposición no es obligatoria, y en algunos casos puede usarse un depósito sin estas falsas soleras, por ser de menor interés la estratificación del líquido en capas térmicas, y preferirse una homogeneización rápida de la temperatura del líquido.
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Breve descripción de las figuras
A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.
La figura 1 muestra el esquema de una central térmica con ciclo de condensación de vapor (Rankine) en la que se incluyen los elementos de la invención para refrigeración del foco frío (condensador) del ciclo.
La figura 2 muestra el esquema del circuito cerrado de líquido en el modo de funcionamiento con temperatura del aire no mayor que la del valor tope de diseño de la central representada en la figura 1, según el modo llamado de refrigeración directa, en el que las válvulas representadas son las únicas que están abiertas en el circuito cerrado de líquido; y la bomba, la única en funcionamiento.
La figura 3 muestra el esquema del circuito cerrado de líquido en el modo de refrigeración del aljibe, cuando la temperatura del aire es menor que la existente en el líquido del aljibe. Las válvulas representadas son las únicas que están abiertas en el circuito cerrado de líquido; y la bomba, la única en funcionamiento.
La figura 4 muestra el esquema del circuito cerrado de líquido en el modo de funcionamiento llamado de refrigeración indirecta, con temperatura del aire mayor que la del valor tope de diseño de la central representada en la figura 1, estando la temperatura del líquido del aljibe por debajo de la del aire. Las válvulas representadas son las únicas que están abiertas en el circuito cerrado de líquido; y la bomba, la única en funcionamiento.
La figura 5 muestra el esquema de una central con ciclo de fluido (gas) no condensable, tipo Brayton cerrado, en el que se aprecia el sistema de refrigeración, que en este caso tiene dos circuitos cerrados de líquido como los de la invención, uno para efectuar el enfriamiento final del gas, y otro para refrigerar éste en una etapa intermedia de la compresión.
La figura 6 muestra el esquema del circuito cerrado de líquido en el modo de funcionamiento con temperatura del aire no mayor que la del valor tope de diseño de la central representada en la figura 5, según el modo llamado de refrigeración directa. Se ha optado por un solo aero-refrigerador, pero podrían ser dos en paralelo, o una batería de ellos. Las válvulas representadas son las únicas que están abiertas en el circuito cerrado de líquido; y las bombas, las únicas en funcionamiento.
La figura 7 muestra el esquema del circuito cerrado de líquido en el modo de refrigeración de los aljibes, con temperatura del aire menor que las existentes en el líquido de los circuitos cerrados de la central representada en la figura 5. Las válvulas representadas son las únicas que están abiertas en el circuito cerrado de líquido; y las bombas, las únicas en funcionamiento.
La figura 8 muestra el esquema del circuito cerrado de líquido en el modo de funcionamiento de la central con temperatura del aire mayor que la del valor tope de diseño de la central representada en la figura 5, estando la temperatura del líquido de los aljibes por debajo de la del aire, según el modo llamado de refrigeración indirecta. Las válvulas representadas son las únicas que están abiertas en el circuito cerrado de líquido; y las bombas, las únicas en funcionamiento.
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Modos preferentes de realización de la invención
Para facilitar la comprensión de las materializaciones preferentes de la invención, a continuación se relacionan los elementos relevantes de la misma, que aparecen en las figuras:
1.
Generador de vapor.
2.
Aportación de calor al generador de vapor.
3.
Turbina.
4.
Alternador eléctrico.
5.
Eje de conexión.
6.
Condensador (foco frío).
7.
Circuito o componente del condensador.
8.
Bomba de condensado.
9.
Circuito del aero-refrigerador.
10.
Aero-refrigerador de un circuito de enfriamiento.
11.
Ventilador.
12.
Aire atmosférico succionado.
13.
Aire caliente impulsado.
14.
Bomba de circulación del líquido de enfriamiento.
15.
Válvula VR15 del sistema de refrigeración de la invención en una central térmica con ciclo de condensación de vapor (Rankine), que cierra el paso de salida del circuito 7 del foco frío 6.
16.
Válvula VR16 del sistema de refrigeración de la invención en una central térmica con ciclo de condensación de vapor (Rankine), que cierra el paso de retorno del circuito 7 al circuito 9 del aero-refrigerador.
17.
Válvula VR17 del sistema de refrigeración de la invención en una central térmica con ciclo de condensación de vapor (Rankine), que cierra el paso general de retorno al circuito 9 del aero-refrigerador.
18.
Válvula VR18 del sistema de refrigeración de la invención en una central térmica con ciclo de condensación de vapor (Rankine), que cierra el paso de retorno del circuito 9 del aero-refrigerador al aljibe 25.
19.
Válvula VR19 del sistema de refrigeración de la invención en una central térmica con ciclo de condensación de vapor (Rankine), que cierra el paso de retorno del circuito 7 al aljibe 25.
20.
Válvula VR20 del sistema de refrigeración de la invención en una central térmica con ciclo de condensación de vapor (Rankine), que cierra el paso de la impulsión desde el aljibe 25 al circuito 9 del aero-refrigerador.
21.
Válvula VR21 del sistema de refrigeración de la invención en una central térmica con ciclo de condensación de vapor (Rankine), que cierra el paso de la impulsión desde el aljibe 25 al circuito 7 del foco frío 6.
22.
Válvula VR22 del sistema de refrigeración de la invención en una central térmica con ciclo de condensación de vapor (Rankine), que cierra el paso de la impulsión desde el circuito 9 del aero-refrigerador al circuito 7 del foco frío 6.
23.
Terreno (o cubierta del aljibe si éste no es subterráneo).
24.
Aislamiento.
25.
Aljibe del sistema de refrigeración de la invención en una central térmica con ciclo de condensación de vapor (Rankine).
26.
Bomba sumergida en el aljibe 25.
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27.
Boca de retorno.
28.
Ramal de conexión del aero-refrigerador con el condensador, en un sistema de refrigeración de la invención en una central térmica con ciclo de condensación de vapor (Rankine).
29.
Ramal de conexión del condensador con el aero-refrigerador, en un sistema de refrigeración de la invención en una central térmica con ciclo de condensación de vapor (Rankine).
30.
Ramal de conexión del aljibe con el aero-refrigerador en un sistema de refrigeración de la invención en una central térmica con ciclo de condensación de vapor (Rankine).
31.
Ramal de conexión del aero-refrigerador con el aljibe en un sistema de refrigeración de la invención en una central térmica con ciclo de condensación de vapor (Rankine).
32.
Ramal de conexión del aljibe con el condensador, en un sistema de refrigeración de la invención en una central térmica con ciclo de condensación de vapor (Rankine).
33.
Ramal de conexión del condensador con el aljibe, en un sistema de refrigeración de la invención en una central térmica con ciclo de condensación de vapor (Rankine).
34.
Calentador de gas del sistema de refrigeración de la invención en una central con ciclo de fluido (gas) no condensable, tipo Brayton cerrado.
35.
Aportación de calor desde una fuente energética exterior.
36.
Turbina de gas.
37.
Alternador eléctrico.
38.
Eje de unión entre la turbina y el alternador.
39.
Recuperador de calor de los gases de escape de la turbina.
40.
Extracción de calor.
41.
Enfriador final (foco frío).
42.
Circuito o componente de refrigeración que actúa en el enfriador final.
43.
Compresor del gas frío.
44.
Enfriador adicional (foco frío).
45.
Circuito o componente de refrigeración que refrigera el enfriador adicional
46.
Compresor del gas.
47.
Aero-refrigerador de dos circuitos de enfriamiento.
48.
Aire atmosférico succionado por el aero-refrigerador.
49.
Aire expulsado por el aero-refrigerador.
50.
Ventilador de succión en el aero-refrigerador.
51.
Circuito del aero-refrigerador conectado al enfriador final 41.
52.
Circuito del aero-refrigerador conectado al enfriador adicional 44.
53.
Bomba de circulación del sistema del enfriador final 41 (foco frío).
54.
Válvula VB54 del sistema de refrigeración de la invención en una central con ciclo de fluido (gas) no condensable, tipo Brayton cerrado, que cierra el paso de retorno desde el circuito 42 del foco frío 41 al circuito 51 del aero-refrigerador 47
55.
Válvula VB55 del sistema de refrigeración de la invención en una central con ciclo de fluido (gas) no condensable, tipo Brayton cerrado, que cierra el paso de retorno desde el circuito 42 del foco frío 41 al aljibe 62.
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56.
Válvula VB56 del sistema de refrigeración de la invención en una central con ciclo de fluido (gas) no condensable, tipo Brayton cerrado, que cierra el paso de retorno desde el circuito 51 del aero-refrigerador 47 al circuito 42 del foco frío 41.
57.
Válvula VB57 del sistema de refrigeración de la invención en una central con ciclo de fluido (gas) no condensable, tipo Brayton cerrado, que cierra el paso de impulsión desde el aljibe 62 al circuito 51 del aero-refrigerador 47.
58.
Válvula VB58 del sistema de refrigeración de la invención en una central con ciclo de fluido (gas) no condensable, tipo Brayton cerrado, que cierra el paso de impulsión desde el aljibe 62 al circuito 42 del foco frío 41.
59.
Válvula VB59 del sistema de refrigeración de la invención en una central con ciclo de fluido (gas) no condensable, tipo Brayton cerrado, que cierra el paso de retorno desde el circuito 51 del aero-refrigerador 47 al aljibe 62.
60.
Bomba de descarga del aljibe primario 62.
61.
Aislamiento térmico del aljibe del aljibe primario 62.
62.
Aljibe primario.
63.
Aro o matriz de tuberías para succionar líquido del aljibe primario.
64.
Aro o matriz de tuberías para descargar líquido en el aljibe primario.
65.
Boquillas de succión.
66.
Boquillas de impulsión.
67.
Aljibe secundario.
68.
Toma de succión desde el aljibe secundario.
69.
Tubería de vertido del líquido en el aljibe secundario.
70.
Aislamiento térmico del aljibe secundario.
71.
Válvula VB71 del sistema de refrigeración de la invención en una central con ciclo de fluido (gas) no condensable, tipo Brayton cerrado, que cierra el paso de retorno desde el enfriador adicional 44 (foco frío) al aljibe secundario 67.
72.
Válvula VB72 del sistema de refrigeración de la invención en una central con ciclo de fluido (gas) no condensable, tipo Brayton cerrado, que cierra el paso de retorno desde el circuito 52 del aero-refrigerador 47 al aljibe secundario 67.
73.
Válvula VB73 del sistema de refrigeración de la invención en una central con ciclo de fluido (gas) no condensable, tipo Brayton cerrado, que cierra el paso de impulsión desde el circuito 52 del aero-refrigerador 47 al enfriador adicional 44 (foco frío).
74.
Válvula VB74 del sistema de refrigeración de la invención en una central con ciclo de fluido (gas) no condensable, tipo Brayton cerrado, que cierra el paso de impulsión desde el aljibe secundario 67 al circuito 52 del aero-refrigerador 47.
75.
Válvula VB75 del sistema de refrigeración de la invención en una central con ciclo de fluido (gas) no condensable, tipo Brayton cerrado, que cierra el paso general de retorno desde el enfriador adicional 44 (foco frío).
76.
Válvula VB76 del sistema de refrigeración de la invención en una central con ciclo de fluido (gas) no condensable, tipo Brayton cerrado, que cierra el paso de impulsión desde el aljibe secundario 67 al enfriador adicional 44 (foco frío).
77.
Bomba de descarga del aljibe secundario 67.
78.
Bomba de circulación entre el enfriador adicional 44 y el circuito 52 del aero-refrigerador 47.
79.
Ramal de conexión del circuito 51 del aero-refrigerador 47 con el enfriador final 41.
80.
Ramal de conexión del enfriador final 41 con el circuito 51 del aero-refrigerador 47.
81.
Ramal de conexión del circuito 52 del aero-refrigerador 47 con el enfriador adicional 44.
82.
Ramal de conexión del enfriador adicional 44 con el circuito 52 del aero-refrigerador 47.
83.
Ramal de conexión del aljibe primario 62 con el circuito 51 del aero-refrigerador 47.
84.
Ramal de conexión del circuito 51 del aero-refrigerador 47 con el aljibe primario 62.
85.
Ramal de conexión del aljibe secundario 67 con el circuito 52 del aero-refrigerador 47.
86.
Ramal de conexión del circuito 52 del aero-refrigerador 47 con el aljibe secundario 67.
87.
Ramal de conexión del aljibe primario 62 con el enfriador final 41.
88.
Ramal de conexión del enfriador final 41 con el aljibe primario 62.
89.
Ramal de conexión del aljibe secundario 67 con el enfriador adicional 44.
90.
Ramal de conexión del enfriador adicional 44 con el aljibe secundario 67.
91.
Falsas soleras horizontales del aljibe primario, perforadas centralmente.
92.
Falsas soleras horizontales del aljibe primario, perforadas periféricamente.
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Descripción de una realización preferida de la invención
En los modos de realización preferida cabe distinguir dos casos fundamentales: los ciclos con fluido de trabajo condensable, que siguen un ciclo de Rankine o asimilable y para los que se utiliza el sistema de refrigeración que comprende un circuito cerrado en el que el foco frío es un condensador, como el representado en las figuras 1-4, y los ciclos con gas no condensable como fluido de trabajo, que corresponden a un ciclo de Brayton cerrado, y para los que se utiliza el sistema de refrigeración de la invención con mas de un circuito cerrado como el representado en las figuras 5-8, en el que el foco frío son dos enfriadores dando lugar a dos circuitos cerrados.
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A) Sistema de refrigeración de la invención en una central térmica con ciclo de condensación de vapor (Rankine)
En las figura 1-4 se muestra el esquema de una central térmica con ciclo de condensación de vapor (Rankine) en la que el foco frío del sistema de refrigeración de la invención es un condensador (6) del ciclo que comprende en su interior un componente de refrigeración (7) y cuyo fluido primario corresponde con el propio fluido de trabajo de la central térmica, y cuyo fluido secundario corresponde con el líquido del propio circuito cerrado; un intercambiador o aero-refrigerador (10), cuyo fluido primario es el propio líquido del circuito, siendo el aire el fluido secundario, que actúa de sumidero último de calor; y estando conectado hidráulicamente este aero-refrigerador (10) con el componente de refrigeración (7) instalado en el foco frío (6), incluyendo en el circuito de conexión una bomba (14) para mover el líquido del circuito, y válvulas de control y de cierre VR15 (15), VR16 (16), VR17 (17) y VR22 (22) que gradúan el caudal del líquido y, particularmente, que hacen nulo, por cierre de las válvulas, este caudal de conexión entre estos dos componentes; y existiendo además un ventilador o batería de éstos (11) para mover el aire que actúa de fluido secundario;
Así mismo, el sistema representado en la figura 1, comprende un depósito o aljibe (25) del líquido del circuito cerrado, que comprende un aislamiento térmico (24) en el exterior, estando conectado hidráulicamente este aljibe (25) con
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el componente de refrigeración (7) instalado en el foco frío (6) incluye una pluralidad de ramales de conexión (32, 33) con una pluralidad de válvulas VR15 (15), VR19 (19) y VR21 (21) de control y de cierre que gradúan el caudal del líquido y, hacen nulo, por cierre de dichas válvulas (como se representa en la figura 4), este caudal de conexión entre estos dos componentes; y
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el aero-refrigerador (10) incluyendo una pluralidad de ramales de conexión (31, 30) con una pluralidad de válvulas VR17 (17), VR18 (18) y VR20 (20) de control y de cierre que gradúan el caudal del líquido y hacen nulo, por cierre de dichas válvulas (como puede verse en la figura 3), este caudal de conexión entre estos dos componentes.
incluyendo en el circuito de conexión al menos una bomba o circulador (26) para mover el líquido del circuito.
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Aunque no es imprescindible, por cuestiones de mejorar el aislamiento, el aljibe (25) puede ser subterráneo. De estar en superficie, la cubierta (23), representada en la figura 1, del aljibe, es la parte superior de su aislamiento (24), y es de material reflectante a la radiación solar.
Salvo que reciban una orden expresa e individualizada de apertura, todas las válvulas de este conjunto de circuitos están cerradas, abriendo el paso de fluido al recibir esa orden; y todas las bombas o circuladores están inactivos, y sólo se activan e impulsan el fluido sobre el que trabajan cuando reciben una orden expresa e individualizada de activación.
Tal y como puede verse en la figura 1, en el ciclo de condensación de vapor se produce una aportación de calor (2) en el generador de vapor (1), pudiendo provenir este calor de combustión química, de reacciones nucleares en un reactor nuclear, o de la radiación solar, así como de cualquier otra fuente de energía térmica explotable técnica y económicamente. El fluido de trabajo se expansiona en la turbina (3), que puede tener varias extracciones intermedias, pero su tipología no modifica la estructura y disposición de la invención, teniendo que ser condensado en el condensador (6), que es el foco frío. El fluido de trabajo condensado se bombea hasta la presión de trabajo en la que funciona el generador de vapor, merced a la bomba de condensado (8) que inyecta éste en el generador de vapor (1). Típicamente la turbina (3) mueve un alternador (4) al que está conectado a través de un eje de conexión (5).
En particular es importante el caso de una central termo-solar, pues su radiación sólo está disponible durante las horas del día, y la central funciona además las horas que pueda proveer el almacenamiento térmico de que disponga, que generalmente serán las del anochecer y primera parte de la noche. En condiciones convencionales, dentro de los límites de diseño prescritos en temperatura del aire para la central en cuestión, el funcionamiento viene asegurado porque en el condensador (6) se extrae el calor gracias al circuito (7) por cuyo interior circula el líquido de enfriamiento del sistema de refrigeración de la invención, que es parte del circuito cerrado del líquido enfriador, que en esas condiciones convencionales cede ese calor extraído al aire atmosférico que pasa por el aero-refrigerador (10), merced a que el líquido pasa por el circuito (9), que forma parte de dicho circuito cerrado de líquido. Por el exterior del circuito (9), que puede ir aleteado exteriormente, circula el aire atmosférico, impelido por la acción del ventilador (11) o batería de ventiladores, que puede ponerse aguas arriba o aguas abajo del aero-refrigerador (10), por el interior de cuya carcasa circula el aire.
La mayor parte de la noche, que es cuando más se enfría el aire, no funciona la central termo-solar, y el aero-refrigerador (10) se emplea para enfriar el líquido del aljibe (25). Este depósito de líquido enfriado es empleado al día siguiente, cuando la temperatura del aire sube por encima del valor tope de diseño. El condensador (6) de la central en ese modo, que llamamos de refrigeración indirecta, se enfría gracias a la circulación del líquido del aljibe (25), y el aero-refrigerador (10) no funciona.
Por el contrario, como ya se ha dicho, el aero-refrigerador (10) es lo que enfría al condensador (6) cuando la temperatura del aire está por debajo del valor de diseño. El ventilador (11) succiona el aire atmosférico (12), que extrae el calor del circuito (9), y es expelido como aire más caliente (13) hacia el exterior del aero-refrigerador (10). En este modo, que se llama de refrigeración directa, funciona la bomba de circulación (14) y están abiertas las válvulas de cierre VR15 (15), VR16 (16), y VR17 (17) de la tubería superior del circuito y la válvula VR22 (22) en la tubería de impulsión desde el aero-refrigerador, permaneciendo cerradas la válvula VR18 (18) del ramal vertical derecho del circuito, la válvula VR19 (19) de la tubería central de descarga en el aljibe (25), la válvula VR20 (20) del ramal derecho de impulsión desde el aljibe (25), y la válvula VR21 (21) del ramal izquierdo de impulsión desde el aljibe (25), no habiendo circulación del líquido del aljibe (25). Sólo circula líquido de enfriamiento por la tubería de conexión (28) del aero-refrigerador (10) con el condensador (6) y por la tubería de conexión (29) del condensador (6) con el aero-refrigerador (10). Esto se visualiza en la figura 2.
Cuando la temperatura del aire está por encima del valor tope de diseño, estando la temperatura del líquido del aljibe (25) por debajo de la del aire, se aplica el modo de refrigeración indirecta, en el que la circulación del líquido del aljibe (25) refrigera el condensador (6). En este modo, funciona la bomba sumergida (26) de descarga del líquido desde el aljibe (25) y están abiertas la válvula VR21 (21) del ramal izquierdo de impulsión desde el aljibe, la válvula VR15 (15) del ramal izquierdo de la tubería superior del circuito y la válvula VR19 (19) de la tubería central de descarga en el aljibe (25), permaneciendo las demás cerradas, y no funcionando el aero-refrigerador (10). El líquido circula por las tuberías (32) y (33). Esto se visualiza en la figura 4.
Cuando la central no funciona y la temperatura del aire (12) está por debajo de la existente en el líquido del aljibe (25), se aplica el modo de enfriamiento del aljibe (25), en el cual no circula líquido por el circuito (7) del condensador (6), funcionando la bomba (26) y estando abiertas las válvulas VR20(20), VR17(17) y VR18(18), estando las demás cerradas. El líquido circula por la tubería (30) de conexión del aljibe (25) con el aero-refrigerador (10) y por la tubería de conexión (31) del aero-refrigerador (10) con el aljibe (25). Esto se visualiza en la figura 3.
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B) Sistema de refrigeración de la invención en una central con ciclo de fluido (gas) no condensable, tipo Brayton cerrado
Las figuras 5-8 muestran una central con ciclo de fluido (gas) no condensable, tipo Brayton cerrado, en el que se aprecia el sistema de refrigeración, que en este caso tiene dos circuitos cerrados de líquido como los de la invención, uno para efectuar el enfriamiento final del gas, y otro para refrigerar éste en una etapa intermedia de la compresión. En este caso, el foco frío del sistema de refrigeración de la invención son dos enfriadores, uno final (41) y uno adicional (44) que comprenden en su interior un componente de refrigeración cada uno (42 y 45) y cuyo fluido primario corresponde con el propio fluido de trabajo de la central térmica, y cuyo fluido secundario corresponde con el líquido del propio circuito cerrado; un intercambiador o aero-refrigerador (47), cuyo fluido primario es el propio líquido del circuito, siendo el aire el fluido secundario, que actúa de sumidero último de calor; y estando conectado hidráulicamente este intercambiador con el componente de refrigeración (42, 45) instalado en cada foco frío (41, 44), incluyendo, en el circuito de conexión de cada circuito cerrado, una bomba (53, 78) para mover el líquido del circuito, y válvulas de control y de cierre VB54 (54), VB56 (56), VB73 (73) y VB75 (75) que gradúan el caudal del líquido y, particularmente, que hacen nulo, por cierre de las válvulas, este caudal de conexión entre estos dos componentes; y existiendo además un ventilador o batería de éstos (50) para mover el aire que actúa de fluido secundario.
Así mismo, el sistema representado en la figura 5, comprende dos depósitos o aljibes que, denominaremos primario (62) y secundario (67), del líquido del circuito cerrado, que comprende un aislamiento térmico (61, 70) en el exterior, estando conectado hidráulicamente éste aljibe con
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los componentes de refrigeración (42, 45) instalados los respectivos focos fríos (41 y 44) incluyendo una pluralidad de ramales de conexión (87, 88, 89, 90) con una pluralidad de válvulas VB55 (55), VB58 (58); VB71 (71), VB75 (75), VB76 (76) de control y de cierre que gradúan el caudal del líquido y, hacen nulo, por cierre de dichas válvulas, este caudal de conexión entre estos dos componentes, como puede verse en la figura 8; y
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el aero-refrigerador (47) incluyendo una pluralidad de ramales de conexión (83, 84, 86, 85) con una pluralidad de válvulas VB57 (57), VB59 (59); VB72 (72), VB74 (74) de control y de cierre que gradúan el caudal del líquido y hacen nulo, por cierre de dichas válvulas, este caudal de conexión entre estos dos componentes, como puede verse en la figura 7.
incluyendo en el circuito de conexión una bomba o circulador (60) para el aljibe primario (62) y una bomba o circulador (77) para el aljibe secundario (67), para mover el líquido del circuito.
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Salvo que reciban una orden expresa e individualizada de apertura, todas las válvulas de este conjunto de circuitos están cerradas, abriendo el paso de fluido al recibir esa orden; y todas las bombas o circuladores están inactivos, y sólo se activan e impulsan el fluido sobre el que trabajan cuando reciben una orden expresa e individualizada de activación.
En la figura 5 se expone el esquema de este caso, en el cual hay una aportación de calor en el calentador del gas (34), que está a alta presión. La aportación de calor (35) puede provenir de combustión química, de reacciones nucleares en un reactor nuclear, o de la radiación solar, así como de cualquier otra fuente de energía térmica explotable técnica y económicamente. El gas se expansiona en la turbina de gas (36), que mueve al alternador eléctrico (37) a través del eje de unión (38). El gas sale de la turbina a baja presión pero con temperatura superior a la del medio ambiente. De ahí que ese gas de salida pase por un intercambiador de recuperación de calor, (39), que puede ser una caldera de un vapor para alimentar un ciclo de Rankine con la temperatura disponible en esa recuperación, o puede ser otra utilización térmica, no necesariamente de conversión energética, que en todo caso supone una extracción de calor (40) del recuperador (39) a temperatura relativamente alta. A la salida del recuperador (39) el gas aún posee temperatura por encima de la del medio ambiente, y se ha de terminar de enfriar en lo que es el foco frío de ese ciclo, que es el enfriador final (41), al cual se le aplica la invención.
El gas enfriado se comprime hasta la presión de trabajo en la que funciona el calentador del gas, pero en ese proceso es muy aconsejable hacer una o varias refrigeraciones intermedias, tal como está esquematizado en una primera etapa en el compresor (43) y en una segunda etapa en el compresor de gas (46) que comprime el gas del ciclo Brayton hasta la presión de trabajo del calentador (34), existiendo un refrigerador adicional (44), que es un foco frío complementario, al que también se le aplica la invención, para mejorar las prestaciones de la central y su rendimiento global.
Ya se ha señalado que en particular es importante el caso solar, en el que quedan muy explícitamente marcados los tres modos de funcionamiento de la invención.
La radiación solar sólo está disponible durante las horas del día, y la central funciona además las horas que pueda proveer el almacenamiento térmico, que generalmente serán las del anochecer y primera parte de la noche. El resto de la noche, que es cuando más se enfría el aire, no funciona la central termo-solar, y los aero-refrigeradores (47) (pues puede haber más de uno, aunque en la figura 5 sólo se haya representado uno) se emplean para enfriar el líquido del aljibe, o de los aljibes (62, 67), pues el enfriador adicional (44) puede tener un margen de temperaturas de funcionamiento algo superior al enfriador final (41). El líquido enfriado y contenido en los aljibes (62, 67) es empleado al día siguiente, cuando la temperatura del aire sube por encima del valor tope de diseño.
En el modo que se llama de refrigeración directa, el aero-refrigerador de doble circuito (47) representado en la figura 5, enfría el enfriador final (41) cuando la temperatura del aire está por debajo del valor tope de diseño, y enfría también el enfriador adicional (44) de refrigeración intermedia de la compresión. En la refrigeración directa que se describe en este caso, el circuito cerrado del foco frío está activado por paso del líquido por el circuito (42) del enfriador final (41), para lo cual funciona la bomba de circulación (53) y están abiertas las válvulas relativa a dicha bomba (54) y la válvula VB56 (56) de corte de conexión entre el circuito permaneciendo las demás cerradas, no habiendo circulación del líquido del aljibe primario (62). La única circulación se establece por el ramal de entrada (79) de conexión del enfriador final (41) y el intercambiador (47), que alimenta al circuito interno (42) del enfriador final (41), y el ramal de salida (80), que devuelve el líquido al intercambiador o aero-refrigerador (47). Y además en este modo, en el circuito cerrado del enfriador adicional (44) funciona la bomba (78) y están abiertas las válvulas VB73 (73) y VB75 (75) permaneciendo las demás cerradas, no habiendo circulación del líquido del aljibe correspondiente (67). La única circulación se establece por el ramal de entrada (81), que alimenta al enfriador adicional (44) por el exterior del circuito o componente de refrigeración (45), por dentro del cual pasa el gas, presurizado tras la primera etapa; y circula el líquido también por el ramal de salida (82), que devuelve el líquido al aero-refrigerador (47). Esto se visualiza en la figura 6.
Cuando la temperatura del aire está por encima del valor tope de diseño, estando la temperatura del líquido del aljibe por debajo de la del aire, se aplica el modo de refrigeración indirecta. En este modo, en el circuito cerrado del enfriador final (41) funciona la bomba correspondiente (60) y están abiertas las válvulas VB58 (58) y VB55 (55), permaneciendo las demás cerradas, y no funcionando el aero-refrigerador (47). El líquido sólo circula por los ramales (87 y 88), de entrada y retorno del circuito o componente de refrigeración (42), y además en el circuito cerrado del enfriador adicional (44) funciona la correspondiente bomba (77) y están abiertas las válvulas VB76 (76), VB 75 (75) y VB71 (71), permaneciendo las demás cerradas, no habiendo circulación al aero-refrigerador (47). El líquido de ese circuito cerrado sólo circula por los ramales (89 y 90), de entrada y retorno del enfriador adicional (44), por el exterior del circuito o componente de refrigeración (45), por dentro del cual va el gas tras su primera etapa de compresión. Esto se visualiza en la figura 8. En ella se utiliza la opción de estructurar el aljibe primario (62), ó depósito de líquido del circuito cerrado, con unas falsas soleras perforadas horizontales (91, 92), que lo atraviesan en su sección recta, que producen la estratificación térmica del líquido contenido en el depósito, con una temperatura superior en las capas más altas, teniendo las falsas soleras perforadas las perforaciones contrapuestas, en el sentido de que las impares, en numeración desde arriba, tienen la perforación central (91), y las pares tienen la perforación periférica (92); o viceversa; pudiendo haber un número cualquiera de estas falsas soleras perforadas.
Cuando la central no funciona y la temperatura del aire atmosférico está por debajo de la existente en los líquidos de los aljibes, se aplica el modo de enfriamiento del aljibe correspondiente, o de los dos. En este modo, en el circuito cerrado del aljibe primario (62) funciona la bomba correspondiente (60) y están abiertas las válvulas VB57 (57) y VB59 (59), permaneciendo las demás cerradas. El líquido de ese circuito cerrado sólo circula por los ramales de entrada (83) y salida (84). Y además en el circuito cerrado del aljibe secundario (67) funciona la bomba correspondiente (77) y están abiertas las válvulas VB74 (74) y VB72 (72) permaneciendo las demás cerradas. El líquido de ese circuito cerrado sólo circula por los ramales de entrada (85) y salida (86). Esto se visualiza en la figura 7.
Una vez descrita de forma clara la invención, se hace constar que las realizaciones particulares anteriormente descritas son susceptibles de modificaciones de detalle siempre que no alteren el principio fundamental y la esencia de la invención.

Claims (9)

1. Sistema de refrigeración de centrales térmicas, basado en una configuración de central térmica con un fluido de trabajo que evoluciona según un ciclo termodinámico caracterizado por comprender al menos un circuito cerrado de refrigeración con un líquido que comprende:
-
al menos un componente de refrigeración (7, 42, 45) instalado en el foco frío (6, 41, 44) del ciclo termodinámico de la central térmica, cuyo fluido primario corresponde con el propio fluido de trabajo de la central térmica, y cuyo fluido secundario corresponde con el líquido del propio circuito cerrado;
-
al menos un intercambiador o aero-refrigerador (10, 47), cuyo fluido primario es el propio líquido del circuito, siendo el aire el fluido secundario, que actúa de sumidero último de calor; y estando conectado hidráulicamente éste intercambiador con el componente de refrigeración (7, 42, 45) instalado en el foco frío (6, 41 y 44), incluyendo en el circuito de conexión al menos una bomba o circulador (14, 53, 78) para mover el líquido del circuito, y una pluralidad de válvulas de control y de cierre (15, 16, 17, 22; 54, 56; 73, 75) que gradúan el caudal del líquido y, particularmente, que hacen nulo, por cierre de las válvulas, este caudal de conexión entre estos dos componentes; y existiendo además un ventilador o batería de éstos (11, 50) para mover el aire que actúa de fluido secundario;
-
al menos un depósito o aljibe (25, 62, 67) del líquido del circuito cerrado, que comprende un aislamiento térmico (24, 61, 70) en el exterior, estando conectado hidráulicamente este aljibe con
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el componente de refrigeración (7, 42, 45) instalado en el foco frío (6, 41 y 44) incluyendo una pluralidad de ramales de conexión (32, 33, 87, 88, 89, 90) con una pluralidad de válvulas (15, 19, 21; 55, 58; 71, 75, 76) de control y de cierre que gradúan el caudal del líquido y, hacen nulo, por cierre de dichas válvulas, este caudal de conexión entre estos dos componentes; y
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el aero-refrigerador (10, 47) incluyendo una pluralidad de ramales de conexión (30, 31, 83, 84, 86, 85) con una pluralidad de válvulas (17, 18, 20; 57, 59; 72, 74) de control y de cierre que gradúan el caudal del líquido y hacen nulo, por cierre de dichas válvulas, este caudal de conexión entre estos dos componentes.
incluyendo en el circuito de conexión al menos una bomba o circulador (26, 60, 77) para mover el líquido del circuito.
2. Sistema de refrigeración de centrales térmicas, según reivindicación 1 caracterizado por que el foco frío es un condensador (6).
3. Sistema de refrigeración de centrales térmicas, según reivindicación 1 caracterizado por que el foco frío comprende un enfriador primario (41) y un enfriador adicional (44) dando lugar a dos circuitos cerrados de líquido de refrigeración.
4. Sistema de refrigeración de centrales térmicas, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que el depósito o aljibe (25, 62, 67) comprende una pluralidad de falsas soleras perforadas horizontales (91, 92), que lo atraviesan en su sección recta, con las perforaciones contrapuestas, en el sentido de que las impares, en numeración desde arriba, tienen la perforación central, y las pares tienen la perforación periférica; o viceversa.
5. Sistema de refrigeración de centrales térmicas, según reivindicación 4 caracterizada por que las perforaciones se alternan a derecha e izquierda de la pared mas larga del aljibe, según la paridad de la solera.
6. Sistema de refrigeración de centrales térmicas según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que incluye una pluralidad de válvulas de corte o cierre (15), (16), (17), (18), (19), (20), (21), (22), (54), (55), (56), (57), (58), (59), (71), (72), (73), (74), (75) y (76) en los diversos ramales de los circuitos de conexión entre los componentes de refrigeración (6, 41, 44), el aero-refrigerador (10, 47) y el aljibe (25, 62, 67), estando cerradas todas las válvulas, y abriéndose cada una de ellas, individualizadamente, cuando recibe la orden electromagnética o mecánica correspondiente, dándose estas órdenes a válvulas concretas en función de las condiciones de temperatura en los diversos fluidos relevantes, y en función de si se requiere o no el funcionamiento de la central; y existiendo asimismo, en dichos circuitos, bombas o circuladores de impulsión de caudal (8), (14), (26), (53), (60), (77) y (78) que están inactivos hasta que reciben órdenes individualizadas concretas con la energización correspondiente, en función de las condiciones de temperatura en los diversos fluidos relevantes, y en función de si se requiere o no el funcionamiento de la central, de manera que mediante estas órdenes, y las antedichas órdenes a las válvulas, se configura el sistema en circuitos de fluidos con disposiciones estructurales y funcionales distintas y específicas.
7. Sistema de refrigeración de centrales térmicas, según reivindicación 6 caracterizado por que inicialmente todas las válvulas están cerradas y todas las bombas o circuladores inactivos, abriéndose las válvulas (15), (16), (17), (22), (54), (56), (73) y (75) y activándose las bombas o circuladores (8), (14), (53) y (78) cuando la temperatura del aire es menor que la de su valor tope de diseño de la central en la que se aplica la invención y ésta está o va a entrar en funcionamiento, de tal manera que funciona sólo la conexión hidráulica entre el foco frío (6, 41 y 44) y el aero-refrigerador (10, 47), refrigerándose así el foco frío (6, 41, 44).
8. Sistema de refrigeración de centrales térmicas, según reivindicación 6 caracterizado por que inicialmente todas las válvulas están cerradas y todas las bombas o circuladores inactivos, abriéndose las válvulas (17), (18), (20), (57), (59), (72) y (74) y activándose las bombas o circuladores (26), (60) y (77) cuando la temperatura del aire es menor que la existente en el líquido del circuito cerrado y no funciona el ciclo termodinámico de la central, funcionando sólo la conexión hidráulica entre el aljibe (25, 62, 67) y el aero-refrigerador (10, 47), reduciéndose progresivamente la temperatura del líquido almacenado en al aljibe (25, 62, 67).
9. Sistema de refrigeración de centrales térmicas, según reivindicación 6 caracterizado por que inicialmente todas las válvulas están cerradas y todas las bombas o circuladores inactivos, abriéndose las válvulas (15), (19), (21), (55), (58), (71), (75) y (76) y activándose las bombas o circuladores (8), (26), (60) y (77) cuando la temperatura del aire es mayor que la de su valor tope de diseño de la central en concreto en la que se aplica la invención, y está o va a entrar en funcionamiento, y la temperatura del líquido del aljibe (25, 62, 67) está por debajo de la del aire, funcionando solo la conexión hidráulica entre el aljibe (25, 62, 67) y el foco frío (6, 41 y 44), refrigerándose así el foco frío (6, 41 y 44).
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