ES2383805A1

ES2383805A1 - Sistema de revalorización de fuentes de calor de baja temperatura.

Info

Publication number: ES2383805A1
Application number: ES200930553A
Authority: ES
Inventors: Joaquín Navarro Esbrí; Roberto Collado Puig
Original assignee: Ihren Ingenieros S L; IHREN INGENIEROS SL
Current assignee: EXPANDER TECH, S.L.
Priority date: 2009-08-03
Filing date: 2009-08-03
Publication date: 2012-06-26
Anticipated expiration: 2029-08-03
Also published as: ES2383805B1

Abstract

Sistema de revalorización de fuentes de calor de baja temperatura que tiene las etapas: bombear (1-2) un fluido mediante una bomba (1A); desde una presión de enfriamiento (1); hasta una presión de calentamiento (2); para comprimir el fluido y obtener un fluido supercrítico a una entropía menor que la entropía del punto crítico (Sc); controlar (3-3') una presión de calentamiento mediante un dispositivo de control de presión de calentamiento (3A); calentar (3-4) el fluido supercrítico hasta una entropía mayor que la entropía del punto crítico (Sc), tomando calor de un foco caliente (5A); expandir (4-5) el fluido supercrítico en un expansor (6A) que tiene medios de recuperación de energía mecánica conectados a un generador eléctrico (7A); controlar (6-6') una presión de enfriamiento mediante un dispositivo de control de presión de enfriamiento (8A); enfriar (6'-1) el fluido en medios de enfriamiento (9A, 10A) cediendo calor a un foco frío (11A).

Description

SISTEMA DE REVALORIZACiÓN DE FUENTES DE CALOR DE BAJA TEMPERATURA

Campo de la invención

5 La presente invención se enmarca en el campo de la obtención o generación de energía eléctrica mediante ciclos de potencia, basados en ciclos termodinámicos tipo Rankine, capaces de revalorizar una fuente de calor de baja temperatura. El sistema comprende un ciclo termodinámico transcrítico o supercrítico para generar energía mecánica (electricidad) y calor a partir de fuentes térmicas de baja

10 temperatura. Antecedentes de la invención En el caso de fuentes térmicas de baja temperatura, el uso del ciclo tradicional Rankine de vapor de agua no ofrece resultados satisfactorios, debido principalmente, a su bajo rendimiento. Así, han surgido y se ha planteado la implantación en los últimos

15 años de ciclos de Rankine orgánicos (ORC). Aún siendo los rendimientos ofrecidos por los ciclos orgánicos de Rankine superiores al ciclo Rankine convencional, en la última década está existiendo un fuerte impulso de la comunidad investigadora internacional para aumentar la eficiencia de los ciclos de potencia para fuentes de baja temperatura. Así, recientemente se han investigado fluidos de trabajo multicomponentes con

20 diferentes puntos de ebullición para reducir las irreversibilidades del proceso de transferencia de calor. Existe aún mucho camino para mejorar la eficiencia de estos ciclos, bien mediante la adecuada selección del fluido de trabajo, bien mediante la optimización de su configuración o con estrategias de operación eficiente innovadoras. La presente invención propone mejorar la eficiencia termodinámica de los

25 ciclos de potencia de baja temperatura mediante el uso de una configuración transcrítica o supercrítica, donde el fluido de trabajo no se evapora, sino que sufre un calentamiento de un fluido supercrítico. En este caso, la presión máxima del ciclo es superior a la presión crítica del fluido de trabajo, y el fluido va aumentando su temperatura de forma continua al no coexistir las fases líquida y gaseosa (fluido

30 supercrítico). Así para el ciclo transcrítico o supercrítico se producen menores y más uniformes diferencias de temperatura con respecto a la fuente térmica, lo que conlleva una reducción considerable de las irreversibilidades en el calentamiento (caldera) y, por tanto, a un aumento de la eficiencia en el proceso de absorción de calor de la fuente de calor.

35 De igual forma, el fluido a la salida del dispositivo de expansión puede no ser un vapor recalentado, sino un fluido supercrítico; en este caso, el fluido sufre un enfriamiento y no una condensación, lo que lleva a la configuración supercrítica. Con lo cual el proceso de cesión de calor al foco frío se efectúa con menor irreversibilidad, aumentando la eficiencia del proceso de cesión de calor.

En estos ciclos, al no existir una relación presión-temperatura (como sucede en los cambios de estado), se puede variar la presión de calentamiento y/o enfriamiento. Esto hace que se pueda optimizar la eficiencia del ciclo al variar estas presiones de operación.

10 Descripción de la invención A continuación se describe el ciclo que comprende la invención: 1-2: Bombeo y control de presión, en el que se produce la compresión de un fluido en estado líquido o supercrítico, con entropías menores que las correspondientes al punto crítico, hasta la presión de calentamiento. Debido

15 a que no existe una correspondencia entre presión y temperatura en la zona supercrítica, se necesita un dispositivo de control de presión, que puede estar basado en una válvula de control y un depósito de acumulación, antes del sistema de calentamiento. 3-4: Calentamiento de fluido supercrítico a alta presión. Una vez obtenida la

20 presión de trabajo requerida para optimizar el rendimiento del ciclo, el fluido es sometido a un calentamiento hasta entropías mayores que las correspondientes al punto crítico.

4-5: El fluido supercrítico llevado a las zonas con mayor inclinación de las líneas isentrópicas se hace pasar por un dispositivo de expansión con recuperación 25 de energía mecánica que puede mover un generador eléctrico.

2-3/5-6: Posteriormente, dependiendo del estado termodinámico del fluido a la salida del expansor, este se puede utilizar para calentar mediante un regenerador el fluido a la salida del sistema de bombeo 2-3/5-6 y/o para aprovechamiento térmico 6'-7.

30 7-1 : El fluido a la salida del sistema de recuperación de calor puede ser un vapor recalentado o bien un fluido supercrítico con entropías superiores al punto crítico. -En el caso de ser un vapor recalentado, por debajo de la presión crítica, el fluido pasa a un condensador cediendo calor a un agente condensante

35 hasta conseguir líquido saturado o ligeramente subenfriado.

En el caso de tener un fluido supercrítico con entropías superiores al punto crítico, existe un sistema válvula-depósito para controlar la presión de enfriamiento y un enfriador de fluido supercrítico (con un agente de enfriamiento externo que puede ser agua o el ambiente, hasta conseguir

5 las condiciones de entrada del sistema de presión.

Mediante el ciclo de la invención, la absorción de calor de la fuente de baja temperatura se realiza por encima del punto crítico y el fluido va aumentando su temperatura de forma continua al no coexistir las fases líquida y gaseosa, pues se trata de un fluido supercrítico. Así, se producen menores y más uniformes diferencias

10 de temperatura con respecto a la fuente térmica, lo que conlleva una reducción considerable de las irreversibilidades durante el calentamiento en la caldera/gasheater y, por tanto, a un aumento de la eficiencia.

De la misma forma, la cesión de calor al foco frío se puede realizar bien mediante una condensación o bien mediante un enfriamiento de un fluido supercrítico 15 (en el gas-cooler). Esta última opción permite reducir las irreversibilidades del ciclo y

conseguir aumentar la eficiencia del ciclo.

En el caso más general, las presiones durante las etapas de calentamiento y enfriamiento tienen libertad y se proponen controlar mediante un sistema de válvuladepósito para optimizar la eficiencia del ciclo. Se trata de un sistema consistente en

20 una sonda de presión y un sistema de control que actúa sobre la válvula para controlar la presión disponiendo de un cierto volumen para permitir tal control. La presente invención propone mejorar la eficiencia termodinámica de los ciclos de potencia de baja temperatura mediante el uso de una configuración transcrítica o supercrítica, donde el fluido de trabajo no se evapora, sino que sufre un

25 calentamiento de un fluido supercrítico. De igual forma, en la ejecución supercrítica, el fluido a la salida del dispositivo sufre un enfriamiento y no una condensación. Así, los procesos de absorción de calor del foco caliente (en el ciclo transcrítico y supercrítico) y el de cesión de calor al foco frío (en el ciclo supercrítico) se efectúan con menores irreversibilidades, aumentando la eficiencia teórica del ciclo.

30 Con un diseño de intercambiadores de calor estándar para los procesos equivalentes de evaporación (en la absorción de calor del foco caliente) y de condensación (en la cesión de calor al foco frío) se necesitan unas diferencias de temperatura <'1T con la temperatura de saturación (evaporación o condensación), mientras que en los procesos de calentamiento y enfriamiento del fluido supercrítico se

35 requieren diferencias de temperaturas del orden de la mitad (<'1T/2). Ello supone que el potencial de rendimiento del ciclo puede aproximarse más a la eficiencia ideal marcada por el ciclo de Carnot, ya que el rendimiento máximo potencial depende de las temperaturas máximas y mínimas alcanzadas durante el ciclo.

Supongamos el caso de que el foco caliente se encuentre a 100 oC (373 K) Y el 5 foco frío a 30 oC (303 K). El rendimiento teórico máximo viene marcado por el ciclo ideal de Carnot:

FOCO 11CARNOT T ' [K] 303 '

=1-TCALIENTE [K] =1-373 =1876%

FOCO FRIO

10 En el caso del ciclo real, el rendimiento máximo potencial (definido como aquel rendimiento ideal resultado de seguir el ciclo ideal de Carnot con las temperaturas de absorción y cesión de calor) marcarían el límite ideal de ejecución del ciclo.

=1-Tcesión calor [K] 11 MAX POTENCIAL [ ] Tabsorción calor K

En este caso, tal y como se ha comentado, las temperaturas de absorción y cesión de calor deben ser menores y mayores, respectivamente, respecto a los focos caliente y frío. En la siguiente expresión se presentan los valores de este rendimiento máximo potencial en el caso de una configuración clásica y en una configuración

20 transcrítica y supercrítica (suponiendo un <'1T = 5 K):

Configuración clásica: = 1-Teesiónealor [K] = 1-303 -AT = 16 30o/c

11 MAX POTENCIAL [ ] , o

-: Tabsoreión calor K 373 -AT

f· ." t "t' T, [K] 373-AT/2

Con Iguraclon ranscn Ica: = 1-absorelOnealor = 1-12 = 1686%

11MAX_POTENCIAL T., [K] 303-AT '

ceSlOn calor

f· ." "t' T ' [K] 373-AT/2

Con Iguraclon supercn Ica: = 1-absoreionealor = 1-12 = 17 54o/c

11MAX _POTENCIAL T., [K] _AT/ ' O

eeslOn calor 303 /2

Breve descripción de los dibujos

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

5 ésta. La Figura 1 muestra un ciclo de potencia transcrítico obtenido con el sistema de la invención. La Figura 2 muestra un ciclo de potencia supercrítico obtenido con el sistema de la invención. 10 La Figura 3 muestra un esquema de una planta de generación de energía de la invención válido tanto para la configuración transcrítica como supercrítica.

En las figuras se identifican una serie de referencias que corresponden a los elementos indicados a continuación: -Bomba 1A;

15 -Regenerador 2A; -Dispositivo de control presión en el calentamiento (válvula-depósito) 3A ; -Medios de calentamiento, Gas-heater 4A ; -Foco caliente (fuente de calor a baja temperatura) 5A ; -Expansor 6A ;

20 -Generador eléctrico 7 A ; -Dispositivo de control presión en el enfriamiento (válvula-depósito) 8A ; -Dispositivo de recuperación de calor (recuperador) 9A -Medios de enfriamiento, Condensador o Gas-cooler 10A, que puede integrar un

dispositivo de aprovechamiento térmico; 25 -Foco frío 11A (fuente fría) Descripción de una realización preferida de la invención Una primera aplicación de la invención puede darse en el aprovechamiento de calor de colectores solares de baja temperatura para producir energía eléctrica y calor. Una segunda aplicación de la invención puede darse en el aprovechamiento de 30 calor de aceite de refrigeración de motores térmicos para producir energía eléctrica y calor. En general, la invención puede tener aplicación en todos los casos donde se busca optimizar el aprovechamiento de fuentes de baja o muy baja temperatura. En una realización de la invención, el sistema está basado en un ciclo 35 termodinámico de Rankine en el que se utilizan fluidos orgánicos o CO2, en lugar de

vapor de agua, para tener un buen rendimiento cuando la fuente de calor es de muy baja temperatura, en torno a 70-100 oC. El sistema de la invención comprende: -un sistema de bombeo, en el que se produce la compresión del líquido o fluido 5 supercrítico (con entropías menores a las del punto crítico) hasta la presión de alta;

-: un calentador de gas que utiliza una fuente de calor a baja temperatura. En esta etapa el fluido de trabajo no se evapora, sino que sufre un calentamiento de un fluido supercrítico; un equipo de expansión donde se obtiene la energía mecánica que se puede

10 transformar en energía eléctrica;

-: un condensador o un gas-cooler, donde el fluido de trabajo se evapora o se enfría (por encima del punto crítico, sucediéndose en tal caso un enfriamiento de un fluido supercrítico).

En el sistema de la invención, la presión máxima del ciclo termodinámico que

15 tiene lugar, es superior a la presión crítica del fluido de trabajo, y el fluido va aumentando su temperatura de forma continua al no coexistir las fases líquida y gaseosa (fluido supercrítico).

Así mismo, en el caso de optar por un enfriamiento en condiciones supercríticas, la presión mínima del ciclo también será superior a la presión crítica del 20 fluido de trabajo, y el fluido va disminuyendo su temperatura de forma continua al no

coexistir las fases líquida y gaseosa (fluido supercrítico).

Una realización de la invención se refiere a un sistema de revalorización de fuentes de calor de baja temperatura que comprende: 1 a) bombear (1-2) un fluido en un estado seleccionado entre líquido y supercrítico

25 mediante una bomba (1A); 1 a1) desde una presión de enfriamiento (1); 1 a2) hasta una presión de calentamiento (2); 1 a3) para comprimir el fluido y obtener un fluido supercrítico a una entropía

menor que la entropía del punto crítico (Se); 30 1 b) controlar (3-3') una presión de calentamiento mediante un dispositivo de control de presión de calentamiento (3A); 1 c) calentar (3-4) el fluido supercrítico hasta una entropía mayor que la entropía del punto crítico (Se), tomando calor de un foco caliente (5A); 1 d) expandir (4-5) el fluido supercrítico en un expansor (6A) que tiene medios de 35 recuperación de energía mecánica conectados a un generador eléctrico (7A);

1 e) controlar (6-6') una presión de enfriamiento mediante un dispositivo de control de

presión de enfriamiento (8A); 1f) enfriar (6'-1) el fluido en medios de enfriamiento (9A, 10A) cediendo calor a un foco frío (11A), desde una entropía mayor que la entropía del punto crítico (Se) 5 hasta una entropía menor que la entropía del punto crítico (Se). El sistema además comprende:

2a) un intercambio de calor (2-3/5-6) en un regenerador (2A), donde el fluido a la salida del expansor (6A) cede calor (5-6), tomando calor (2-3) el fluido a la salida de la bomba (2A);

10 3a) un aprovechamiento térmico (6'-7) en un recuperador (9A), donde se extrae calor

del fluido; 4) un elemento de enfriamiento (1 OA) seleccionado entre: 4a) un condensador:

4a1) cuando el fluido (6) es un vapor recalentado a una presión por debajo de la 15 presión crítica,

4a2) donde el fluido cede calor a un agente condensante hasta conseguir fluido en un estado seleccionado entre líquido saturado y líquido ligeramente subenfriado;

4b) un conjunto de dispositivo válvula-depósito y enfriador de fluido supercrítico: 20 4b1) cuando el fluido (6) es un fluido supercrítico con entropía superior a la entropía del punto crítico (Se); 4b2) donde el fluido cede calor a un agente de enfriamiento externo. El sistema de revalorización de fuentes de calor de baja temperatura de la invención comprende:

25 5a) una bomba (1A); 5b) un regenerador (2A); 5c) un dispositivo de control de presión de calentamiento (3A); 5d) un gas-heater (4A); 5e) un foco caliente (5A);

30 5f) un expansor (6A); 5g) un generador eléctrico (7A) ; 5h) un dispositivo de control presión de enfriamiento (8A) ; 5j) un recuperador (9A); 5i) un condensador/gas-cooler (1 OA);

35 5j) un foco frío (11A).

Claims

REIVINDICACIONES

1. Sistema de revalorización de fuentes de calor de baja temperatura caracterizado porque comprende: 1 a) bombear (1-2) un fluido en un estado seleccionado entre líquido y supercrítico

5 mediante una bomba (1A);

1 a1) desde una presión de enfriamiento (1);

1 a2) hasta una presión de calentamiento (2);

1 a3) para comprimir el fluido y obtener un fluido supercrítico a una entropía

menor que la entropía del punto crítico (Se); 10 1 b) controlar (3-3') una presión de calentamiento mediante un dispositivo de control de presión de calentamiento (3A); 1 c) calentar (3-4) el fluido supercrítico hasta una entropía mayor que la entropía del punto crítico (Se), tomando calor de un foco caliente (5A); 1 d) expandir (4-5) el fluido supercrítico en un expansor (6A) que tiene medios de 15 recuperación de energía mecánica conectados a un generador eléctrico (7A); 1 e) controlar (6-6') una presión de enfriamiento mediante un dispositivo de control de presión de enfriamiento (8A); 1f) enfriar (6'-1) el fluido en medios de enfriamiento (9A, 10A) cediendo calor a un foco frío (11A), desde una entropía mayor que la entropía del punto crítico (Se) 20 hasta una entropía menor que la entropía del punto crítico (Se).
2. El sistema de revalorización de fuentes de calor de baja temperatura de la reivindicación 1 caracterizado porque además comprende: 2a) un intercambio de calor (2-3/5-6) en un regenerador (2A), donde el fluido a la

25 salida del expansor (6A) cede calor (5-6), tomando calor (2-3) el fluido a la salida de la bomba (2A).
3. El sistema de revalorización de fuentes de calor de baja temperatura de cualquiera de las reivindicaciones 1-2 caracterizado porque además comprende:

30 3a) un aprovechamiento térmico (6'-7) en un recuperador (9A), donde se extrae calor del fluido.
4. El sistema de revalorización de fuentes de calor de baja temperatura de cualquiera

de las reivindicaciones 1-3 caracterizado porque además comprende un elemento de 35 enfriamiento (10A) seleccionado entre:

4a) un condensador: 4a1) cuando el fluido (6) es un vapor recalentado a una presión por debajo de la presión crítica, 4a2) donde el fluido cede calor a un agente condensante hasta conseguir fluido 5 en un estado seleccionado entre líquido saturado y líquido ligeramente subenfriado; 4b) un conjunto de dispositivo válvula-depósito y enfriador de fluido supercrítico: 4b1) cuando el fluido (6) es un fluido supercrítico con entropía superior a la entropía del punto crítico (Se); 10 4b2) donde el fluido cede calor a un agente de enfriamiento externo.
5. El sistema de revalorización de fuentes de calor de baja temperatura de cualquiera de las reivindicaciones 1-4 caracterizado porque comprende: 5a) una bomba (1A);

15 5b) un regenerador (2A); 5c) un dispositivo de control de presión de calentamiento (3A); 5d) un gas-heater (4A); 5e) un foco caliente (5A); 5f) un expansor (6A);

20 5g) un generador eléctrico (7A) ; 5h) un dispositivo de control presión de enfriamiento (8A) ; 5j) un recuperador (9A); 5i) un condensador/gas-cooler (1 OA); 5j) un foco frío (11A).