ES2403550B1 - Ciclo rankine orgánico regenerativo de condensación cuasi-crítica. - Google Patents
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Abstract
La invención denominada Ciclo Rankine orgánico regenerativo de condensación cuasi-crítica, consiste en la conversión de energía térmica en energía eléctrica por medio de turbomáquinas térmicas operando con fluidos de trabajo orgánicos como el dióxido de carbono, el amoníaco, el etano, el xenón, el oxígeno o el nitrógeno o mezclas de ambos, en donde la fase de condensación del fluido orgánico de trabajo es llevada a cabo a temperaturas y presiones cuasi-críticas con objeto de minimizar la evasión del calor latente de condensación y en consecuencia minimizar la energía térmica evadida por el condensador al refrigerante del condensador.
Description
CICLO RANKINE ORGÁNICO REGENERATlVO DE CONDENSACiÓN CUASICRíTICA
CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCiÓN
La presente invención pertenece al campo técnico de la conversión de energía térmica en energía eléctrica vía energía mecánica mediante generadores eléctricos impulsados por turbomáquinas que operan mediante el ciclo termodinámico de Rankine operando con fluidos de trabajo orgánicos.
OBJETIVO DE LA INVENCiÓN El objetivo de la presente invención denominada "Ciclo Rankine orgánico regenerativo de condensación cuasi-crítica", consiste en la conversión de energía térmica en energía eléctrica por medio de turbomáquinas térmicas operando con fluidos de trabajo orgánicos como el dióxido de carbono, el amoniaco, el etano, el xenón oxígeno, nitrógeno o mezclas de ambos, en donde la fase de condensación del fluido orgánico de trabajo es llevada a cabo a temperaturas y presiones cuasi-críticas con objeto de minimizar el calor latente de condensación y en consecuencia minimizar la energía térmica evadida por el condensador al refrigerante.
ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN
Las plantas de ciclo Rankine y ciclo Rankine Orgánico que operan en la industria de la conversión de energía utilizan criterios de incremento de la eficiencia térmica basados en la reducción de la presión y en consecuencia la temperatura del fluido de trabajo en la fase de condensación. La eficiencia térmica es una función que depende de las temperaturas extremas del ciclo. Por tanto cuanto mayor sea la temperatura de la fuente de energía, y cuanto menos sea la temperatura de condensación, mayor eficiencia térmica proporciona todo ciclo de rankine. Mediante la refrigeración del condensador se consigue que la energía que transporta el fluido de trabajo a su entrada en el condensador pase íntegramente al fluido de refrigeración del condensador. En general , cuanta más energía sea intercambiada en el condensador mayor cantidad de energía se extrae del ciclo a través del fluido refrigerante del condensador con la consiguiente pérdida de eficiencia térmica. Para evitar este
inconveniente se proponen fluidos orgánicos de trabajo cuya condensación se realizada a temperatura y presión casi-crítica con objeto de minimizar le energía térmica rechazada en la fase de condensación, la cual es transferida al refrigerante del condensador.
En el estado actual de la técnica, las plantas térmicas de ciclo Rankine orgánico, operan con fluidos orgánicos de trabajo capaces de aprovechar la energía térmica de baja temperatura y condensan a la mínima temperatura y presión posibles en detrimento de un elevado valor del calor latente de condensación el cual es evadido con el fluido refrigerante del condensador. Con respecto a las innovaciones tecnológicas patentadas más relevantes conocidos en diversas aplicaciones relacionadas con el ciclo Rankine, se hallan los siguientes:
(WO/2004/043606) ORGANIC RANKINE CYCLE WASTE HEAT APPLlCATIONS.
(WO/2007/105724) WORKING MEDIUM FOR HEAT CYCLE, RANKINE CYCLE.
(WO/2005/078046) ORGANIC RANKINE CYCLE FLUID.
(WO/2006/138459) ORGANIC RANKINE CYCLE MECHANICALLY AND
THERMALLY.
(WO/2005/049975) ORGANIC RANKINE CYCLE SYSTEM WITH SHARED HEAT.
(WO/2006/014609) WORKING FLUIDS FOR THERMAL ENERGY CONVERSION OF
(WO/2006/092786) ORGANIC WORKING FLUIDS
(WO/1999/011917) COMBINED CYCLE WASTE HEAT RECOVERY SYSTEM
En el estado actual de la tecnología relacionada con la conversión de energía tanto de alta como de baja temperatura que operan mediante ciclos Rankine orgánicos, no es conocida ninguna alternativa tecnológica similar a la de las características de este invento. Es decir, máquinas térmicas que operen con ciclos de Rankine orgánicos supercríticos diseñados para realizar la condensación en la zona próxima del punto crítico para cada fluido de trabajo denominada de condensación cuasi-critica. Tiene la ventaja de lograr un importante incremento en el rendimiento térmico del ciclo como consecuencia de la minimización del calor latente de condensación, (1 calor latente es mínimo en el punto critico) y en consecuencia la minimización del calor evadido al refrigerante del condensador, lo que conlleva la reducción de los efectos perjudiciales provocados por la masiva utilización de los combustibles fósiles en base a la reducción del consumo de los mismos.
DESCRIPCiÓN DE LAS FIGURAS
A continuación, para facilitar la comprensión de la invención, a modo ilustrativo pero no limitativo se describirá una realización de la invención que hace referencia a las siguientes de figuras: Figura 1. Ciclo Rankine orgánico regenerativo de condensación cuasi-crítica sin recalentamiento que comprende:
- 1.
- Vaporizador-sobrecalentador.
- 2.
- Turbina de alta presión.
- 5.
- Regenerador
- 6.
- Condensador.
- 7.
- Bomba de alimentación.
- 8.
- Generador eléctrico.
- 9.
- Fuente de energía térmica.
Figura 2. Ciclo Rankine orgánico regenerativo de condensación cuasi-crítica con recalentamiento que comprende:
- 1.
- Vaporizador-sobrecalentador.
- 2.
- Turbina de alta presión.
- 3.
- Recalentador
- 4.
- Turbina de baja presión.
- 5.
- Regenerador
- 6.
- Condensador.
- 7.
- Bomba de alimentación.
- 8.
- Generador eléctrico.
- 9.
- Fuente de energía térmica.
DESCRIPCiÓN DE LA INVENCiÓN
La invención denominada "Ciclo Rankine orgánico regenerativo de condensación cuasi-crítica", está caracterizada por un ciclo de Rankine regenerativo con o sin recalentamiento caracterizado por:
- •
- los fluidos orgánicos de trabajo seleccionados,
- •
- las temperaturas y presiones de condenación (cuasi-críticas) y
• la regeneración de calor en base a la inserción de un regenerador de calor entre la exhausta ció n de la turbina de baja y el condensador. Los fluidos de trabajo posibles comprenden dióxido de carbono, amoniaco, etano, xenón, oxígeno, nitrógeno o mezcla de algunos de los citados fluidos. Las presiones y temperaturas de condensación de cada fluido de trabajo corresponden con sus presiones y temperaturas cuasi-críticas, lo que significa valores de presión y temperatura inferior a los valores críticos pero tan próximos al punto crítico como
resulte técnicamente posible.
La condensación del fluido de trabajo a presiones y temperaturas cuasi-críticas goza
de la propiedad de requerir un calor latente de condensación mínimo y por tanto,
presenta la notable ventaja de minimizar la cantidad de energía térmica evadida hacia
el refrigerante en el condensador, con el consiguiente incremento de eficiencia
térmica .
La regeneración en base a la inserción del regenerador entre el condensador y la
turbina de baja consigue que el calor asociado al fluido de trabajo en la evacuación de
la turbina de baja sea transferido al fluido de trabajo en la fase de alimentación , lo que
evita que sea evadido al refrigerante del condensador.
La característica esencial del invento propuesto radica en la asociación de las tres
aportaciones siguientes:
Utilización de alguno de los citados fluidos de trabajo. Condensación a temperaturas y presiones cuasi-críticas Regeneración de calor en base a la inserción de un regenerador de calor
entre la exhaustación de la turbina de baja y el condensador El ciclo Rankine orgánico regenerativo de condensación cuasi-critica sin recalentamiento según se muestra en la figura 1 está constituido como mínimo por los siguientes componentes fundamentales: el vaporizador-sobrecalentador (1), la turbina de alta presión (2), el regenerador (5), el condensador (6) , la bomba de alimentación (7), un generador eléctrico (8) y una fuente de energía térmica (9).
El ciclo Rankine orgánico regenerativo de condensación cuasi-crítica con recalentamiento según se muestra en la figura 2 está constituido como mínimo por los siguientes componentes fundamentales: el vaporizador-sobrecalentador (1), la turbina de alta presión (2), el recalentador (3), la turbina de baja presión (4), el regenerador (5), el condensador (6) , la bomba de alimentación (7), un generador eléctrico (8) y una fuente de energía térmica (9). El ciclo Rankine orgánico regenerativo de condensación cuasi-critica sin recalentamiento según se muestra en la figura 1 opera del siguiente modo: El fluido orgánico de trabajo (monóxido de carbono, etano, xenón, amoníaco o combinación de alguno de ambos) es obligado a circular por un vaporizador-sobrecalentador (1) el cual toma la energía procedente de una fuente térmica (9) que puede ser una fuente de energía fósil o una fuente de energía térmica solar o una fuente de energía geotérmica
- o una fuente de calor residual o una fuente de energía nuclear o combinación de alguna de las citadas. El fluido de trabajo a presión y temperatura ultra-supercrítica abandona el vaporizador-sobrecalentador, pasando a accionar la turbina de alta presión (2), que evacua a presión cuasi-crítica. El fluido de trabajo, al abandonar la turbina de alta presión pasa al regenerador (5) donde cede parte del calor y seguidamente pasa al condensador (6) donde cambia del estado gaseoso al estado liquido a temperatura y presión ligeramente inferior a su temperatura y presión critica. El fluido de trabajo en estado liquido es extraido del condensador mediante la bomba de alimentación (7) que lo transfiere a presión ultra-supercritica al vaporizadorsobrecalentador (1) vía regenerador (5) de donde captura el calor de regeneración evacuado por la turbina de alta presión (2). El ciclo Rankine orgánico regenerativo de condensación cuasi-crítica con recalentamiento según se muestra en la figura 2 opera del siguiente modo: El fluido orgánico de trabajo (monóxido de carbono, etano, xenón, amoníaco o combinación de alguno de ambos) es obligado a circular por un vaporizador-sobrecalentador (1) el cual toma la energía procedente de una fuente térmica (9) que puede ser una fuente de energía fósil o una fuente de energía térmica solar o una fuente de energía geotérmica
- o una fuente de calor residual o una fuente de energía nuclear o combinación de alguna de las citadas. El fluido de trabajo a presión y temperatura ultra-supercrítica abandona el vaporizador-sobrecalentador, pasando a accionar la turbina de alta presión (2), de donde es conducido hacia el recalentador (3), donde incrementa su temperatura a presión constante y seguidamente pasa a la turbina de baja presión (4) que evacúa a presión cuasi-crítica. El fluido de trabajo, al abandonar la turbina de baja
presión pasa al regenerador (5) donde cede parte del calor y seguidamente pasa al condensador (6) donde cambia del estado gaseoso al estado liquido a temperatura y presión ligeramente inferior a su temperatura y presión crítica . El fluido de trabajo en estado líquido es extraído del condensador mediante la bomba de alimentación (7) que lo transfiere a presión ultra-supercrítica al vaporizador-sobrecalentador (1) vía regenerador (5), de donde captura el calor de regeneración evacuado por la turbina de baja presión (4). Las turbinas (2) y (4) acopladas mediante el correspondiente eje accionan un generador eléctrico (8). Debido a las altas presiones de evacuación (presiones cuasi-críticas), el ciclo Rankine orgánico regenerativo de condensación cuasi-crítica está caracterizado por la utilización de turbinas de contrapresión.
DESCRIPCiÓN DE UNA REALIZACiÓN PREFERENTES DE LA INVENCiÓN
Tal y como se puede observar en la figuras 1 y 2, el objeto de la presente invención es la realización de la fase de condensación del ciclo Rankine a presiones y temperaturas ligeramente inferiores a la presión y temperatura critica (cuasi-crítica) de cada fluido de trabajo y tan próximas a la temperatura crítica de cada fluido de trabajo como resulte técnicamente posible. Con objeto de implementar la realización preferente, se presentan la alternativa más eficiente (la que proporciona mayor rendimiento termodinámico) la cual opera con dióxido de carbono como fluido térmico de trabajo, la cual opera según el ciclo Rankine orgánico regenerativo de condensación cuasi-crítica con recalentamiento según se muestra en la figura 2, y opera del siguiente modo: El fluido orgánico de trabajo (monóxido de carbono) es obligado a circular por un vaporizador-sobrecalentador (1) el cual toma la energía procedente de una fuente térmica (9) que puede ser una fuente de energía fósil o una fuente de energía térmica solar o una fuente de energía geotérmica o una fuente de calor residual o una fuente de energía nuclear o combinación de alguna de las citadas. El dióxido de carbono a presión y temperatura ultra-supercrítica (400 bar y 1000 (K)) abandona el vaporizadorsobrecalentador, pasando a accionar la turbina de alta presión (2), desde donde es conducido hacia el recalentador (3) a la presión de 160 bar, donde incrementa su temperatura a presión constante alcanzando los 1000 (K) Y seguidamente pasa a la turbina de baja presión (4) de donde evacua a presión cuasi-crítica (60 bar). El fluido
parte del calor pasando de 854 (K) a 340 (K) Y seguidamente pasa al condensador (6)
donde cambia del estado gaseoso al estado líquido a temperatura y presión ligeramente inferior a su temperatura y presión crítica (60 bar y 295 (K» . El fluido de 5 trabajo en estado líquido es extraído del condensador mediante la bomba de alimentación (7) que lo transfiere a presión ultra-supercrítica (400 bar) al vaporizadorsobrecalentador (1) vía regenerador (5), de donde captura el calor de regeneración
evacuado por la turbina de baja presión (4) pasando de 332 (K) a 723 (K).
Las turbinas (2) y (4) acopladas mediante el correspondiente eje accionan un 10 generador eléctrico (8)
La eficiencia térmica con la realización preferente descrita alcanza el valor de 56,86%.
Claims (4)
- REIVINDICACIONES1. Ciclo Rankine orgánico regenerativo de condensación cuasi-crítica,caracterizado por que comprende los siguientes componentes: un vaporizador-sobrecalentador (1), una turbina de alta presión (2), un regenerador (5), un condensador (6) , una bomba de alimentación (7), un generador eléctrico (8) y una fuente de energía térmica (9).
-
- 2.
- Ciclo Rankine orgánico regenerativo de condensación cuasi-crítica según la reivindicación 1, caracterizado por los fluidos de trabajo a utilizar que comprende dióxido de carbono, amoníaco, etano, xenón , oxígeno, nitrógeno o mezcla de algunos de los citados fluidos.
-
- 3.
- Ciclo Rankine orgánico regenerativo de condensación cuasi-crítica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por las presiones y temperaturas de condensación de cada fluido de trabajo las cuales corresponden con sus presiones y temperaturas cuasi-críticas , lo que significa valores de presión y temperatura inferior a los valores críticos pero tan próximos al punto crítico como resulte técnicamente posible.
- 4. Ciclo Rankine orgánico regenerativo de condensación cuasi-crítica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por la utilización de turbinas de contra presión .
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Publications (3)
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