ES2608955T3 - Procedimiento y dispositivo para la transformación de la energía térmica de una fuente de calor de baja temperatura en energía mecánica - Google Patents

Procedimiento y dispositivo para la transformación de la energía térmica de una fuente de calor de baja temperatura en energía mecánica Download PDF

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ES2608955T3
ES2608955T3 ES07822436.7T ES07822436T ES2608955T3 ES 2608955 T3 ES2608955 T3 ES 2608955T3 ES 07822436 T ES07822436 T ES 07822436T ES 2608955 T3 ES2608955 T3 ES 2608955T3
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Abstract

Procedimiento para la transformación de la energía térmica de una fuente de calor de baja temperatura (20) en energía mecánica en un circuito cerrado con las siguientes etapas: - etapa 1: aumentar la presión de un agente activo líquido, - etapa 2: calentar el agente activo líquido aumentado en presión mediante transmisión de calor desde la fuente de calor de baja temperatura (20) al agente activo sin evaporación del agente activo, - etapa 3: descomprimir el agente activo líquido calentado, generándose mediante evaporación parcial del agente activo un agente activo descomprimido y parcialmente evaporado con una fase en forma de vapor y una fase líquida y transformándose la energía térmica del agente activo en energía mecánica, - etapa 4: condensar la fase en forma de vapor generada en la etapa 3 en un condensador (8) para la generación del agente activo líquido de la etapa 1, caracterizado por que - el agente activo descomprimido y parcialmente evaporado generado en la etapa 3 inmediatamente antes del condensador (8) se separa la fase líquida de la fase en forma de vapor, - solo se suministra la fase en forma de vapor al condensador (8), - se combinan la fase en forma de vapor condensada y la fase líquida después del condensador (8), aunque antes de la etapa 1, para la generación del agente activo líquido.

Description

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DESCRIPCION
Procedimiento y dispositivo para la transformacion de la energla termica de una fuente de calor de baja temperatura en energla mecanica
La invencion se refiere a un procedimiento y a un dispositivo para la transformacion de la energla termica de una fuente de baja temperatura en energla mecanica de acuerdo con el preambulo de la reivindicacion 1 o de la reivindicacion 5. Un procedimiento de este tipo o un dispositivo de este tipo se conocen, por ejemplo, por el documento US 7.093.503 B1 y por el documento DE10361223 A1.
Para el uso de la energla termica de fuentes de fuentes de calor de baja temperatura tales como, por ejemplo, de fuentes geotermicas, fuentes de calor de escape gaseosas, en forma de vapor o llquidas o de la energla solar, ya se conoce no evaporar, sino solo calentar en un circuito un agente activo mediante la fuente de calor. Mediante la supresion de la evaporation puede usarse normalmente la energla termica necesaria para la evaporation del agente activo, por ejemplo puede calentarse un flujo masico claramente mayor de agente activo. En este sentido, para fuentes de baja temperatura en el intervalo de temperatura de menos de 400 °C pueden alcanzarse claras ventajas de rendimiento frente a circuitos con una evaporacion del agente activo.
En el caso de un circuito conocido por el documento US 7.093.503 B1 se lleva en una primera etapa un agente activo llquido con una bomba hasta una presion aumentada. En una segunda etapa se calienta el agente activo llquido aumentado en presion en un intercambiador de calor mediante transmision de calor desde una fuente de baja temperatura sin que se evapore. En una tercera etapa se descomprime el agente activo llquido calentado en una turbina bifasica, generandose mediante evaporacion parcial del agente activo un agente activo descomprimido y parcialmente evaporado con una fase llquida y una fase en forma de vapor y se transforma energla termica del agente activo en energla mecanica.
La turbina bifasica presenta para ello inmediatamente en su entrada boquillas en las que el agente activo se expande mediante un incremento de volumen de una presion de entrada mayor a una presion de salida menor, por lo que se evapora parcialmente el agente activo. El chorro de agua-vapor originado de esta manera se conduce hacia palas de turbina de la turbina, mediante las que la energla cinetica del chorro de agua-vapor se transforma en energla mecanica de un eje de rotor. El eje de rotor esta unido a su vez con un generador, a traves del que se transforma la energla mecanica del eje de rotor en energla electrica.
El agente activo bifasico que abandona la turbina se suministra a continuation a un condensador. En el condensador se condensa entonces en una cuarta etapa la fase en forma de vapor del agente activo descomprimido y parcialmente evaporado y, por tanto, se genera el agente activo llquido mencionado al principio. Este se suministra a la bomba ya mencionada y, por tanto, se cierra el circuito. Un diagrama T-S representado en la Figura 2 ilustra el procedimiento clclico que a este respecto termina. A este respecto, SL denomina la curva de ebullition, TL la curva de roclo y K el punto crltico del agente activo. El agente activo se calienta a lo largo de la llnea de ebullicion SL desde el punto A hasta el punto B en las proximidades del punto crltico K, se descomprime desde el punto B hacia el punto C con una evaporacion parcial y se condensa desde el punto C hacia el punto A.
Por el documento WO 2005/031123 A1 se conoce, ademas, suministrar una mezcla bifasica que abandona una turbina bifasica a un separador para separar la fase en forma de vapor de la fase llquida. La fase en forma de vapor sigue expandiendose a continuacion en una turbina de vapor para generar energla mecanica adicional. El vapor descomprimido que abandona la turbina de vapor se suministra a un condensador, se condensa en el mismo, se lleva a continuacion por medio de una bomba hasta una presion aumentada y despues se combina con la fase llquida de la mezcla bifasica separada en el separador. La corriente de agente activo originada en este sentido se bombea a continuacion con ayuda de otra bomba en un intercambiador de calor calentandose mediante transmision de calor desde una fuente de baja temperatura. Al condensador se suministra, por tanto, solo el vapor de escape de la turbina de vapor, aunque no la mezcla bifasica de la turbina bifasica. Este circuito se caracteriza, en concreto, por un rendimiento muy bueno, aunque tambien por una complejidad y costes de inversion claramente mayores.
En el caso de un circuito conocido por el documento EP 0 485 596 A1 se suministra igualmente solo un agente activo llquido calentado, es decir no uno evaporado, a un equipo de descompresion y se evapora parcialmente en el mismo. La mezcla de agua-vapor que abandona el equipo de descompresion se suministra despues a un separador que sirve unicamente para medir las proporciones de llquido en el vapor.
Si en el circuito explicado al principio se suministra al condensador la mezcla bifasica que abandona la turbina, debido a los componentes de llquido puede producirse una erosion del condensador, por lo que se acorta la vida util del condensador.
Por tanto, es objetivo de la presente invencion perfeccionar un procedimiento de acuerdo con el preambulo de la reivindicacion 1 y un dispositivo de acuerdo con el preambulo de la reivindicacion 5 de tal modo que pueda
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impedirse de manera segura una erosion del condensador sin que se aumente de manera considerable la complejidad del circuito.
El procedimiento de acuerdo con la invencion preve que en el agente activo descomprimido y parcialmente evaporado inmediatamente antes del condensador se separe la fase llquida de la fase en forma de vapor. Solo la fase en forma de vapor se suministra al condensador para la condensacion. La fase en forma de vapor condensada (es decir, entonces llquida) y la fase llquida separada se combinan despues del condensador, pero antes de la etapa 1, es decir del aumento de la presion del agente activo llquido, para la generacion del agente activo llquido. La fase llquida se hace pasar, por tanto, por el condensador, por lo que puede impedirse una erosion del condensador. Para ello se hace pasar unicamente un separador para la separacion de la fase llquida de la fase en forma de vapor, un conducto de derivacion para la conduccion de la fase llquida por el condensador y es necesaria una combinacion para la combinacion de la fase llquida (separada) y la fase en forma de vapor condensada (es decir, entonces llquida). Por tanto, la complejidad del circuito se aumenta solo de manera insignificante.
El tamano de gotitas de la fase llquida en la fase en forma de vapor del agente activo despues de la descomprension depende de la presion del agente activo en el condensador. Cuanto mayor es la presion del agente activo en el condensador y, con ello, en la salida del equipo de descompresion, mas pequenas son las gotitas. Cuanto mas pequenas son, a su vez, las gotitas, menor es el riesgo de erosion que parte de las gotitas. Por otro lado, no obstante, cuando la presion del agente activo aumenta en el condensador y en la salida del equipo de descompresion, disminuye la energla mecanica que puede generarse mediante transformacion de energla termica mediante el equipo de descomprension.
Preferentemente se ajusta, por tanto, la presion del agente activo durante la condensacion a un optimo entre un tamano lo mas pequeno posible de gotitas de la fase llquida en la fase en forma de vapor del agente activo y una energla mecanica generada lo mas grande posible en la etapa 3. Por tanto, se reduce de manera precisa la energla mecanica genera para evitar una erosion del condensador. Debido a la enorme ventaja de rendimiento condicionada por el calentamiento, en lugar de la evaporacion del agente activo por la fuente de calor de baja temperatura pueden alcanzarse, no obstante, ademas, claras ventajas de rendimiento frente a circuitos convencionales con una evaporacion del agente activo por la fuente de calor de baja temperatura.
De acuerdo con una configuracion especialmente ventajosa del procedimiento de acuerdo con la invencion se efectua la combinacion de la fase en forma de vapor condensada (es decir, entonces llquida) y la fase llquida (separada) en un acumulador de agente activo. Debido a que un acumulador de este tipo esta presente de por si en muchos circuitos, puede renunciarse a un elemento constructivo adicional para la combinacion de las dos fases.
En este caso pueden alcanzarse rendimientos especialmente buenos cuando la fuente de baja temperatura presenta una temperatura de menos de 400 °C.
El dispositivo de acuerdo con la invencion presenta un separador para la separacion de la fase llquida de la fase en forma de vapor del agente activo descomprimido y parcialmente evaporado, estando dispuesto el separador en direccion de flujo del agente activo inmediatamente antes del condensador. Una combinacion sirve para combinar la fase llquida (separada) y la fase en forma de vapor condensada (es decir, entonces llquida) del agente activo descomprimido y parcialmente evaporado, estando dispuesta la combinacion en direccion de flujo del agente activo antes de la bomba. El separador esta unido con el condensador para el suministro de la fase en forma de vapor al condensador. La combinacion esta unida con el separador para el suministro de la fase llquida (separada) a la combinacion y con el condensador para el suministro de la fase en forma de vapor condensada (es decir, entonces llquida) a la combinacion. Las ventajas mencionadas para el procedimiento de acuerdo con la invencion se aplican de manera correspondiente para el dispositivo de acuerdo con la invencion.
De manera preferente puede ajustarse la presion del agente activo en el condensador a un optimo entre un tamano lo mas pequeno posible de gotitas de la fase llquida en la fase en forma de vapor del agente activo y una energla mecanica generada lo mas grande posible en el equipo de descompresion.
De acuerdo con una configuracion especialmente ventajosa, la combinacion esta configurada como un acumulador de agente activo.
De manera ventajosa estan dispuestas en el equipo de descompresion para la descompresion del agente activo calentado en direccion de flujo del agente activo una boquilla y una turbina la una a continuacion de la otra. En la boquilla puede expandirse el agente activo mediante un incremento de volumen de una presion de entrada mayor a una presion de salida menor, por lo que se evapora parcialmente el agente activo. El chorro de agua-vapor originado en este sentido puede conducirse entonces hacia las palas de turbina de la turbina, mediante el que se transforma la energla cinetica del chorro de agua-vapor en energla mecanica de un eje rotor. En lugar de solo una unica boquilla pueden estar dispuestos en la entrada de la turbina, por ejemplo en una configuracion anular, tambien varias boquillas a traves de las que puede fluir en paralelo el agente activo.
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La boquilla y la turbina pueden formar en este sentido tambien una unica unidad estructural, es decir, las boquillas estan dispuestas inmediatamente en la entrada de la turbina.
La invention as! como otras configuraciones ventajosas de la invention de acuerdo con las caracterlsticas de las reivindicaciones dependientes se explican en mas detalle a continuation mediante ejemplos de realization en las figuras. Aqul muestran:
la Figura 1 un circuito de un dispositivo de acuerdo con la invencion en representation esquematica simplificada y
la Figura 2 un diagrama T-S de un circuito conocido por el estado de la tecnica con un calentamiento (sin evaporation) de un agente activo por una fuente de baja temperatura.
Un dispositivo 1 de acuerdo con la invencion para la transformation de la energla termica de una fuente de calor de baja temperatura en energla mecanica comprende un circuito termodinamico en el que estan dispuestos en direction de flujo de un agente activo unos a continuacion de otros un intercambiador de calor 2, un equipo de descompresion 3, un separador 7, un condensador 8, un acumulador de agente activo en forma de un deposito de condensado 9 y una bomba 10.
En el caso de la fuente de calor de baja temperatura se trata de una fuente de calor con una temperatura de menos de 400 °C. Por ejemplo, para fuentes de calor de este tipo son fuentes geotermicas (agua termica), fuentes de calor de escape industriales (por ejemplo, calor de escape de instalaciones de la industria del acero, del vidrio o del cemento) as! como la energla solar.
Para temperaturas de menos de 300 °C se usa como age nte activo, por ejemplo, un llquido de refrigeration de tipo R134 y para temperaturas de mas de 300 °C se usa, por ejemplo, un llquido de refrigeracion de tipo R245. La bomba 10 sirve para bombear el agente activo llquido hasta una presion aumentada.
El intercambiador de calor 2 sirve para el calentamiento del agente activo llquido aumentado en presion del circuito mediante transmision de calor desde la fuente de calor de baja temperatura 20 al agente activo sin evaporacion del agente activo, es decir, el agente activo solo se calienta, y no se evapora, en el intercambiador de calor 2. A traves del intercambiador de calor se hace fluir para ello sobre un lado primario la fuente de calor de baja temperatura 20, por ejemplo un agua geotermica caliente, y sobre su lado secundario el agente activo aumentado en presion. Un conducto 11 une el lado secundario del intercambiador de calor 2 con el equipo de descompresion 3. El agente activo esta presente, ademas, como llquido en la entrada de lado secundario del intercambiador de calor 2 durante la entrada en el conducto 11.
El equipo de descompresion 3 sirve para la descompresion del agente activo llquido calentado, pudiendo generarse en el equipo de descompresion 3 mediante evaporacion parcial del agente activo llquido calentado un agente activo descomprimido y parcialmente evaporado, con una fase llquida y una fase en forma de vapor y pudiendo transformarse energla termica del agente activo llquido calentado en energla mecanica. El equipo de descompresion 3 comprende para ello una boquilla 4 y una turbina 5, que estan dispuestas la una a continuacion de la otra en direccion de flujo del agente activo. La boquilla y la turbina pueden formar en este sentido una unica unidad constructiva, es decir, la boquilla 4 esta dispuesta inmediatamente en la entrada de la turbina 5. En lugar de solo una unica boquilla 4 pueden estar dispuestas en la entrada de la turbina 5, por ejemplo en una configuration anular, tambien varias boquillas 4 a traves de las que puede fluir en paralelo el agente activo.
La turbina 5 esta unida por el lado de salida a traves de un conducto 12 con el separador 7. El separador 7 sirve para la separation de la fase llquida de la fase en forma de vapor del agente activo parcialmente evaporado en el equipo de descompresion 3. El separador 7 esta dispuesto en direccion de flujo del agente activo inmediatamente antes del condensador 8 y unido a traves de un conducto 13 con el condensador 8 para el suministro de la fase en forma de vapor al condensador 8 y a traves de un conducto 14 con el deposito de condensado 9 para el suministro de la fase llquida al deposito de condensado 9.
El condensador 8 sirve para generar el agente activo llquido mediante condensation del agente activo parcialmente evaporado.
El deposito de condensado 9 sirve para combinar la fase llquida y la fase en forma de vapor condensada (es decir, entonces llquida) del agente activo parcialmente evaporado. El deposito de condensado 9 esta dispuesto en direccion de flujo del agente activo despues del condensador 8 y antes de la bomba 10 y unido a traves de un conducto 14 con el separador 7 para el suministro de la fase llquida y a traves de un conducto 15 con el condensador 8 para el suministro de la fase en forma de vapor condensada al deposito de condensado 9.
Durante el funcionamiento del dispositivo 1, en una primera etapa se lleva agente activo llquido desde el deposito de
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condensado 9 mediante la bomba 10 hasta una presion aumentada y se bombea en el intercambiador de calor 2.
En una segunda etapa se calienta el agente activo Kquido aumentado en presion en el intercambiador de calor 2 mediante transmision de calor desde la fuente de calor de baja temperatura 20 que fluye atravesando por el lado primario el intercambiador de calor 2 al agente activo sin que se evapore.
En una tercera etapa se descomprime en el equipo de descompresion 3 el agente activo liquido calentado, evaporandose parcialmente el agente activo y transformandose su energia termica en energia mecanica. Mediante el equipo de descompresion 3 se genera, por tanto, un agente activo descomprimido y parcialmente evaporado con una fase Kquida y una fase en forma de vapor. Para ello se expande el agente activo Kquido calentado suministrado a traves del conducto 11 de la boquilla 4 en la boquilla 4 y de esta manera se evapora parcialmente. La energia cinetica del chorro de agua-vapor originado de esta manera se transforma en la turbina 5 en energia mecanica de un eje de rotor y, con ello, se acciona un generador 6 que transforma la energia mecanica a su vez en energia electrica.
El agente activo descomprimido y parcialmente evaporado generado en la tercera etapa y que abandona la turbina 5 en forma de una mezcla bifasica (vapor/liquido) se suministra a traves de un conducto 12 al separador 7 separandose la fase en forma de vapor de la fase liquida de la mezcla bifasica.
Solo la fase en forma de vapor se suministra a traves del conducto 13 al condensador 8. En el condensador 8 se condensa la fase en forma de vapor mediante una refrigeracion, por ejemplo mediante una refrigeracion directa, refrigeracion por aire, refrigeracion hibrida o refrigeracion de agua y se suministra la fase en forma de vapor condensada (es decir, entonces liquida) a traves del conducto 15 al deposito de condensado 9.
La fase liquida separada se hace pasar, en cambio, a traves del conducto 14 por el condensador 8 y solo despues, aunque aun antes de la bomba 10 y, por tanto, antes de la primera etapa, se combina con la fase en forma de vapor condensada (es decir, entonces liquida) en el deposito de condensado 9.
El agente activo liquido procedente del deposito de condensado 9 se lleva con ayuda de la bomba 10 hasta una presion aumentada y se bombea en el intercambiador de calor 2, por lo que se cierra el circuito.
Mediante la separacion de la fase liquida de la fase gaseosa de la mezcla bifasica que abandona la turbina 5 en el separador 7 y la conduccion posterior de la fase liquida pasando por el condensador 8 directamente hacia el deposito de condensado 9 puede impedirse una erosion del condensador 8.
La presion del agente activo en el condensador 8 esta ajustada en la tercera etapa en este sentido a un optimo entre un tamano lo mas pequeno posible de gotitas de la fase liquida en la fase en forma de vapor del agente activo y una energia mecanica generada lo mas grande posible. En este sentido aun puede seguir reduciendose una erosion del condensador.

Claims (8)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento para la transformation de la energla termica de una fuente de calor de baja temperatura (20) en energla mecanica en un circuito cerrado con las siguientes etapas:
    - etapa 1: aumentar la presion de un agente activo llquido,
    5 - etapa 2: calentar el agente activo llquido aumentado en presion mediante transmision de calor desde la fuente
    de calor de baja temperatura (20) al agente activo sin evaporation del agente activo,
    - etapa 3: descomprimir el agente activo llquido calentado, generandose mediante evaporacion parcial del agente activo un agente activo descomprimido y parcialmente evaporado con una fase en forma de vapor y una fase llquida y transformandose la energla termica del agente activo en energla mecanica,
    10 - etapa 4: condensar la fase en forma de vapor generada en la etapa 3 en un condensador (8) para la generation
    del agente activo llquido de la etapa 1,
    caracterizado por que
    - el agente activo descomprimido y parcialmente evaporado generado en la etapa 3 inmediatamente antes del condensador (8) se separa la fase llquida de la fase en forma de vapor,
    15 - solo se suministra la fase en forma de vapor al condensador (8),
    - se combinan la fase en forma de vapor condensada y la fase llquida despues del condensador (8), aunque antes de la etapa 1, para la generacion del agente activo llquido.
  2. 2. Procedimiento segun la reivindicacion 1, caracterizado por que la presion del agente activo en el condensador (8) se ajusta en la etapa 3 a un optimo entre un tamano lo mas pequeno posible de gotitas de la fase llquida en la
    20 fase en forma de vapor del agente activo y una energla mecanica generada lo mas grande posible.
  3. 3. Procedimiento segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizado por que la combination de la fase en forma de vapor condensada y la fase llquida se efectua en un acumulador de agente activo (9).
  4. 4. Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la fuente de baja temperatura presenta una temperatura de menos de 400 °C.
    25 5. Dispositivo (1) para la transformacion de la energla termica de una fuente de calor de baja temperatura (20) en
    energla mecanica en un circuito cerrado que comprende
    - una bomba (10) para el aumento de la presion de un agente activo llquido,
    - un intercambiador de calor (2) para el calentamiento del agente activo llquido aumentado en presion mediante transmision de calor desde la fuente de calor de baja temperatura (20) al agente activo sin evaporacion del
    30 agente activo,
    - un equipo de descompresion (3) para la descompresion del agente activo llquido calentado, pudiendo generarse en el equipo de descompresion (3) mediante evaporacion parcial del agente activo un agente activo descomprimido y parcialmente evaporado con una fase llquida y una fase en forma de vapor y pudiendo transformarse energla termica del agente activo en energla mecanica,
    35 - un condensador (8) para la condensation de la fase en forma de vapor del agente activo parcialmente
    evaporado para la generacion del agente activo llquido,
    caracterizado por
    - un separador (7) para la separation de la fase llquida de la fase en forma de vapor del agente activo descomprimido y parcialmente evaporado, estando dispuesto el separador (7) en direction de flujo del agente
    40 activo inmediatamente antes del condensador (8) y estando unido con el condensador (8) para el suministro de la fase en forma de vapor al condensador (8),
    - una combinacion (9) para la combinacion de la fase llquida y de la fase en forma de vapor condensada del agente activo parcialmente condensado, estando dispuesta la combinacion (9) en direccion de flujo del agente activo antes de la bomba (10) y estando unida con el separador (7) para el suministro de la fase llquida y con el
    45 condensador (8) para el suministro de la fase en forma de vapor condensada a la combinacion (9).
  5. 6. Dispositivo (1) segun la reivindicacion 5, caracterizado por que la presion del agente activo en el condensador (8) puede ajustarse a un optimo entre un tamano lo mas pequeno posible de gotitas de la fase llquida en la fase en forma de vapor del agente activo y una energla mecanica generada lo mas grande posible en el equipo de descompresion (3).
    50 7. Dispositivo (1) segun una de las reivindicaciones 5 o 6, caracterizado por que la combinacion (9) esta
    configurada como un acumulador de agente activo.
  6. 8. Dispositivo (1) segun una de las reivindicaciones 5 a 7, caracterizado por que en el equipo de descompresion (3) en direccion de flujo del agente activo estan dispuestas una boquilla (4) y una turbina (5) la una a continuacion de la otra.
  7. 9. Dispositivo (1) segun una de las reivindicaciones 5 a 8, caracterizado por que la boquilla (4) y la turbina (5) 5 forman una unica unidad estructural.
  8. 10. Dispositivo (1) segun una de las reivindicaciones 5 a 9, caracterizado por que la fuente de baja temperatura presenta una temperatura de menos de 400 °C.
ES07822436.7T 2007-08-31 2007-11-09 Procedimiento y dispositivo para la transformación de la energía térmica de una fuente de calor de baja temperatura en energía mecánica Active ES2608955T3 (es)

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