ES2841131T3 - Disposición y método para la utilización de calor residual - Google Patents

Abstract

Disposición (1) de CO2 supercrítico para la utilización de calor residual, que comprende al menos un intercambiador (3, 3', 3") de calor residual, al menos dos turbinas (6, 6', 6"), al menos dos recuperadores (11, 11') y al menos una unidad (8, 9, 8', 9', 8", 9") de enfriador en al menos un circuito de fluido, caracterizada porque una bomba y un compresor (10, 10', 10") están comprendidos en un dispositivo, conmutable entre una función de bomba y de compresor mediante un cambio de la frecuencia de rotación de un rotor del dispositivo.

Description

DESCRIPCIÓN

Disposición y método para la utilización de calor residual

La presente invención se refiere a una disposición y a un método para la utilización de calor residual, que comprende al menos un intercambiador de calor residual, al menos dos turbinas, al menos dos recuperadores y al menos una unidad de enfriador en al menos un circuito de fluido.

Se usan ciclos de Rankine orgánicos (ORC) para utilizar el calor residual, por ejemplo, procedente de generación de potencia, procedimientos tecnológicos en la fabricación de metal, producción de vidrio, la industria química, de compresores, motores de combustión interna, etc. La tecnología de ORC convencional sólo puede usar una determinada cantidad de calor residual debido a la estabilidad térmica limitada de los fluidos orgánicos. Limita la eficiencia térmica de los sistemas de ORC si la temperatura de fuente de calor supera de 250 a 300°C. En promedio, la eficiencia total de las unidades de ORC, conocida por el estado de la técnica, no supera valores del 10%. El 90% de la energía térmica se desecha a la atmósfera.

El uso de ciclos de CO² supercrítico (S-CO²) permite la utilización de calor residual con una eficiencia de hasta el 20% en sistemas muy compactos. El tamaño del sistema es la mitad del que usa la tecnología de ORC convencional. Puede usarse para utilizar el calor residual procedente de fuentes de calor diferentes.

Sustancialmente, por el estado de la técnica se conocen dos diseños de sistema básicos para los ciclos de S-CO², regenerativo y no regenerativo. Los dos sistemas de ciclo difieren entre sí por la presencia o la ausencia de un calentamiento intermedio de fluido de ciclo mediante los gases de escape de turbina en los recuperadores.

Ambos diseños de sistema se usan para utilizar el calor procedente de fuentes con un nivel de potencia y temperatura bajo con la ayuda de ciclos de ORC y S-CO².

La eficiencia térmica interna de los ciclos regenerativos es casi el doble de alta que la eficiencia de los ciclos no regenerativos. Puede superar el 30% para los sistemas de ciclo de S-CO². Sin embargo, en condiciones reales de eficiencia neta de implementación de ciclo de S-CO², la tasa de conversión de energía térmica a eléctrica, para sistemas con diseños sencillos, es de alrededor del 10% de la energía térmica total suministrada por la fuente de calor. Para mejorar el rendimiento y conseguir una eficiencia del 20%, tienen que usarse diseños de sistema más complejos.

La implementación de ciclo de S-CO² , dependiendo del diseño y de las condiciones ambientales, puede requerir tanto bombas para un flujo de CO² licuado como compresores para la compresión de gas de S-CO². En condiciones reales los ciclos regenerativos tienen una eficiencia térmica interna más del doble de alta que los ciclos no regenerativos y requieren menos energía térmica de la fuente de calor. Incluso para temperaturas relativamente bajas de las fuentes de calor, las temperaturas en la boca de descarga de calentador en ciclos regenerativos permanecen relativamente altas. Esto permite la utilización de la energía térmica remanente en unidades ubicadas de manera secuencial.

Para mejorar la eficiencia de sistema de S-CO² es posible una disposición secuencial sencilla de al menos dos sistemas de S-CO² independientes, en serie uno después del otro dentro de un flujo de gas con calor residual. En la disposición secuencial, el segundo ciclo regenerativo de S-CO² utiliza el calor aguas abajo con respecto al primer ciclo regenerativo proporcionando una eficiencia neta considerablemente más alta de la disposición de utilización de calor residual en su conjunto.

Por el estado de la técnica, por ejemplo, los documentos WO2012074905A2 y WO2012074911A2, se conocen disposiciones secuenciales más complejas de dos sistemas de S-CO². Los dos sistemas de SCO² regenerativos dispuestos de manera secuencial en una unidad de utilización de calor descritos en el estado de la técnica comprenden en ambos casos un enfriador común/combinado. La ventaja es una reducción de componentes, dado que sólo se requiere un enfriador. La complejidad del sistema aumenta y el control se vuelve más complicado dado que el flujo másico tiene que distribuirse internamente entre dos turbinas y unirse en un único enfriador. En el documento WO2012074905A2 se usan bombas, al suponerse un flujo de CO² licuado a continuación del enfriador. En el documento WO2012074911A2 se usan compresores, al suponerse un flujo de gas de CO² supercrítico a continuación del enfriador.

Se consigue una integración adicional uniendo los calentadores para dar una única unidad, tal como se describe, por ejemplo, en los documentos WO2011119650A2 y WO2012074940A3. Ambos diseños de sistemas de S-CO² regenerativos comprenden dos turbinas de expansión, dos recuperadores, pero sólo un calentador común, un enfriador común y una bomba para un flujo de CO² líquido. Hay menos componentes que en los sistemas descritos anteriormente, pero requieren una gestión de flujo más compleja. Dos corrientes de flujo se unen en un punto del sistema y se vuelven a dividir para separar las corrientes en otro punto del sistema aguas arriba.

En el documento WO2011119650A2 la corriente de flujo se divide después de una bomba y una porción de flujo se reenvía directamente a un intercambiador de calor residual. En el documento WO2012074940A3 el flujo, antes de dividirse, pasa a través de un recuperador situado aguas abajo de la bomba y sólo después de que la porción de flujo entre en el intercambiador de calor residual.

Los diseños diferentes descritos anteriormente de disposiciones de sistema de S-CO² difieren en los procesos termodinámicos, muestran eficiencias diferentes, comprenden componentes de hardware diferentes y demandan unos requisitos de gestión y de control de flujo másico de sistema diferentes. Una reducción de componentes requiere un esfuerzo aumentado en cuanto a la gestión y el control de flujo másico. El ahorro de componentes conduce a costes aumentados para el control y a una complejidad más alta con una tasa de error aumentada potencialmente.

Además, en el documento WO 2013/115668 A1 se da a conocer un motor térmico para utilizar calor residual a partir de un procedimiento técnico, con un primer bucle cerrado de líquido en el que un fluido de trabajo puede hacerse circular a través de un primer intercambiador de calor acoplado térmicamente a un fluido que porta el calor residual para transferir el calor residual al fluido de trabajo, una turbina para generar energía mecánica, un segundo intercambiador de calor para condensar el fluido de trabajo y una bomba para transportar el fluido de trabajo de vuelta al primer intercambiador de calor, mediante lo cual el segundo intercambiador de calor está acoplado térmicamente a un aparato de tratamiento de agua. Además, en el documento WO 2012/049259 A1 se dan a conocer un método y un sistema para la utilización de una fuente de energía de temperatura relativamente baja.

El objeto de la presente invención es presentar una disposición y un método para la utilización de calor residual con una eficiencia alta, que puedan usarse particularmente para utilizar pequeñas cantidades de calor residual a temperaturas sólo ligeramente más altas que en el entorno y que puedan usarse particularmente a temperaturas diferentes. Un objeto adicional de la disposición y el método según la presente invención es proporcionar una manera sencilla, rentable de utilizar el calor residual, con una disposición más sencilla.

Los objetos anteriores se consiguen mediante una disposición para la utilización de calor residual según la reivindicación 1 y un método para la utilización de calor residual según la reivindicación 11.

Se indican realizaciones ventajosas de la presente invención en las reivindicaciones dependientes. Las características de las reivindicaciones principales pueden combinarse entre sí y con las características de las reivindicaciones dependientes, y las características de las reivindicaciones dependientes pueden combinarse entre sí.

La disposición para la utilización de calor residual según la presente invención comprende al menos un intercambiador de calor residual, al menos dos turbinas, al menos dos recuperadores y al menos una unidad de enfriador en al menos un circuito de fluido. La disposición comprende además una bomba y un compresor en un dispositivo, conmutable entre una función de bomba y de compresor mediante un cambio de la frecuencia de rotación de un rotor del dispositivo.

Con una frecuencia más baja del rotor, el dispositivo trabaja como una bomba, aspirando el fluido hacia el dispositivo, y con una frecuencia más alta del rotor, el dispositivo trabaja como un compresor, empujando el fluido en el circuito de fluido para que el fluido siga fluyendo. El dispositivo de bomba/compresor combinados permite un funcionamiento más eficaz en un intervalo más amplio de condiciones de temperaturas ambientales y de trabajo de lo que se conoce por el estado de la técnica. Esto permite una eficiencia alta de la disposición, que puede usarse particularmente para utilizar pequeñas cantidades de calor residual a temperaturas sólo ligeramente más altas que en el entorno, pero también utilizar cantidades más altas de calor residual a temperaturas altas. El uso de la bomba/el compresor en un dispositivo permite un diseño sencillo, rentable de la disposición.

Pueden disponerse al menos dos recuperadores en serie, particularmente aguas abajo del al menos un circuito de fluido. El uso de dos recuperadores aumenta adicionalmente la cantidad de calor residual utilizado y aumenta la eficiencia de la disposición.

Puede disponerse un recuperador respectivamente junto a una turbina aguas abajo en un ciclo de fluido. Puede disponerse un recuperador particularmente junto a cada turbina. El recuperador usa el calor que viene de la turbina para el calor recuperable de fluido de ciclo que viene de la bomba/el compresor. El uso de un recuperador junto a cada turbina permite aumentar la eficiencia de la disposición.

La disposición puede comprender exactamente una unidad de enfriador, particularmente entre el último recuperador en serie aguas abajo en el al menos un circuito de fluido y el un dispositivo de bomba/compresor. El uso de sólo una unidad de enfriador simplifica el diseño de la disposición, ahorra costes y espacio al reducir el número de componentes.

La disposición puede comprender una válvula de derivación, para pontear fluídicamente al menos una turbina. Particularmente, cada turbina en el al menos un circuito de fluido puede pontearse mediante una válvula de derivación respectiva. La válvula puede controlarse o regularse manual o automáticamente. Dependiendo de la cantidad de calor residual, que cambia particularmente a lo largo del tiempo, y la temperatura en la turbina respectiva, puede pontearse una turbina si el calor residual no es suficiente como para utilizarlo de manera eficaz con la turbina. La disposición puede ajustarse a la cantidad de calor residual y mantenerse en el nivel de trabajo más eficaz.

El al menos un circuito de fluido puede comprender exactamente un intercambiador de calor residual. El intercambiador de calor residual es el componente más grande y más costoso. Usar sólo un intercambiador de calor residual puede ahorrar costes y proporciona una disposición sencilla, pequeña.

El al menos un circuito de fluido puede comprender alternativamente más de un intercambiador de calor residual, particularmente dos o tres intercambiadores de calor residual. Los intercambiadores de calor residual pueden disponerse uno después del otro en una corriente de calor residual que viene de la fuente de calor residual. La disposición en serie puede conducir a un aumento en la cantidad de calor residual utilizado por la disposición y a un aumento de su eficacia.

La disposición puede ser del tipo de sistema de CO² supercrítico regenerativo, particularmente con CO² como fluido de trabajo dentro del al menos un circuito de fluido. Los sistemas que comprenden CO² supercrítico como fluido de trabajo, también denominados sistemas de S-CO² , pueden utilizar calor residual incluso a temperaturas muy bajas por encima de la temperatura ambiental y utilizar de manera muy eficaz incluso pequeñas cantidades de calor residual. Las temperaturas muy bajas pueden ser sólo de algunos grados Celsius y la utilización puede realizarse hasta unos cientos de grados Celsius con la misma disposición.

El al menos un circuito de fluido puede estar en forma de un ciclo cerrado. Con un ciclo cerrado puede alcanzarse una eficiencia muy alta, sin contaminación del entorno. El fluido de trabajo no se pierde o no tiene que sustituirse todo el tiempo, ahorrando costes y esfuerzo. Se hace posible el uso de fluidos de trabajo como en los sistemas de S-CO².

Una turbina, particularmente cada turbina, puede estar conectada de manera mecánica respectivamente a al menos un generador. En el fluido de trabajo, el calor residual almacenado se convierte en energía mecánica mediante la turbina y el generador conectado de manera mecánica respectivo, que convierte la energía mecánica en energía eléctrica.

El método para la utilización de calor residual según la presente invención, particularmente con una disposición descrita anteriormente, comprende al menos un intercambiador de calor residual que calienta un fluido con calor procedente de una fuente de calor residual, fluyendo el fluido calentado a través de un primer conjunto de al menos una turbina y un recuperador, y fluyendo aguas abajo a través de al menos un segundo recuperador conectado fluídicamente a al menos una segunda turbina mediante una unión de fluido aguas arriba antes del al menos un segundo recuperador, fluyendo particularmente aguas abajo a través de al menos un tercer recuperador conectado fluídicamente a al menos una tercera turbina mediante una unión de fluido aguas arriba antes del al menos un tercer recuperador.

El fluido puede fluir aguas abajo después de los recuperadores a través de una unidad de enfriador, de manera particular exactamente una unidad de enfriador y adicionalmente aguas abajo a través de una bomba y un compresor en un dispositivo, conmutable entre la función de bomba y de compresor mediante un cambio de la frecuencia de rotación de un rotor del dispositivo.

El fluido puede fluir aguas abajo después de la bomba y el compresor en un dispositivo a través de los recuperadores, y puede calentarse mediante el flujo de fluido que viene, que viene de manera particular directamente de una turbina.

El fluido puede calentarse en exactamente un intercambiador de calor residual mediante gas de escape, almacenado particularmente en un fluido que viene de una fuente de gas de escape.

Alternativamente, el fluido puede calentarse en más de un intercambiador de calor residual mediante gas de escape, almacenado particularmente en un fluido que viene de una fuente de gas de escape, particularmente con los intercambiadores de calor residual dispuestos en serie en la corriente de fluido de escape uno después del otro. Las ventajas en relación con el método descrito para la utilización de calor residual según la presente invención son similares a las ventajas descritas previamente, en relación con la disposición para la utilización de calor residual y viceversa.

La presente invención se describe adicionalmente a continuación en el presente documento con referencia a las realizaciones ilustradas mostradas en los dibujos adjuntos, en los que:

la figura 1 ilustra una disposición 1 no regenerativa del estado de la técnica para la utilización de calor residual con CO² supercrítico, y

la figura 2 ilustra una disposición 1 regenerativa del estado de la técnica para la utilización de calor residual con CO² supercrítico, y

la figura 3 ilustra una disposición 1 regenerativa para la utilización de calor residual de dos ciclos 2, 2' cerrados, independientes con CO² supercrítico, uno detrás del otro dentro de una corriente de gas de escape, y

la figura 4 ilustra una disposición 1 regenerativa para la utilización de calor residual con un dispositivo 10 de bomba/compresor según la presente invención y con dos intercambiadores 3 de calor residual en un circuito con un enfriador 8 y dos pares de turbina 6, 6' y recuperador 11, 11', y la figura 5 ilustra una disposición 1 regenerativa tal como en la figura 4 que comprende tres intercambiadores 3 de calor residual, uno detrás del otro dentro de la corriente de gas de escape, en un circuito con un enfriador 8 y tres pares de turbina 6, 6', 6” y recuperador 11, 11', 11”, y

la figura 6 ilustra una disposición 1 regenerativa tal como en la figura 4 con sólo un intercambiador 3 de calor residual, y

la figura 7 ilustra una disposición 1 regenerativa tal como en la figura 5 con sólo un intercambiador 3 de calor residual.

En la figura 1 se muestra una disposición 1 no regenerativa del estado de la técnica para la utilización de calor residual con CO² supercrítico en un ciclo 2 de fluido. El gas de escape en una corriente de fluido de, por ejemplo, aire, que viene de una fuente de calor residual fluye a través de un intercambiador 3 de calor residual. Una fuente de calor residual es, por ejemplo, una máquina o un proceso industrial con producción de calor. El intercambiador de calor residual está comprendido en el ciclo 2 de fluido lleno, por ejemplo, de CO² supercrítico como fluido de transporte de calor, descrito adicionalmente como fluido o fluido de trabajo. El fluido absorbe calor del gas de escape dentro del intercambiador de calor y cambia su temperatura de una primera temperatura T¹ a una segunda temperatura T² , más alta. La primera temperatura T¹ es, por ejemplo, la temperatura ambiente y la segunda temperatura T² está, por ejemplo, en el intervalo de 100°C a 200°C. La segunda temperatura también puede ser más baja o más alta, dependiendo de la temperatura del gas de escape.

El fluido calentado en el ciclo 2 fluye hacia una turbina 6 comprendida en el ciclo 2. La turbina 6 transfiere la energía térmica del fluido para dar energía mecánica, enfriando el fluido. La turbina 6 está conectada mecánicamente con un generador 7 que transfiere la energía mecánica de la turbina 6 para dar energía eléctrica.

El fluido que viene de la turbina 6 fluye a través de un enfriador 8 conectado térmicamente con un disipador 9 de calor, que es por ejemplo un ventilador seco o una torre húmeda. El enfriador 8 enfría adicionalmente el fluido, por ejemplo, sustancialmente hasta una temperatura T¹. Una bomba 10 en el ciclo 2 de fluido bombea el fluido de vuelta al intercambiador 3 de calor residual y genera el flujo de fluido en el ciclo 2. Alternativamente, puede usarse un compresor 10 en lugar de la bomba.

En la figura 2 se muestra una disposición del estado de la técnica para la utilización de calor residual con CO² supercrítico tal como en la figura 1, sólo que con un diseño regenerativo. El ciclo 2 es tal como en la figura 1, comprendiendo adicionalmente un recuperador 11. El recuperador 11 está dispuesto en el flujo de fluido entre la turbina 6 y el enfriador 8, en conexión térmica con el fluido que fluye hacia el intercambiador 3 de calor residual después de la bomba o el compresor 10. El calor residual después de la turbina 6 se regenera en el recuperador 11. El fluido que viene de la bomba o el compresor 10 se calienta dentro del recuperador 11.

Las disposiciones 1 con el ciclo 2 cerrado de las figuras 1 y 2 pueden utilizar de manera efectiva aproximadamente el 10% del calor residual del gas de escape procedente de la fuente de calor residual. Para eficiencias más altas, son necesarias disposiciones más complejas.

En la figura 3 se muestra una disposición sencilla de dos sistemas de utilización de calor residual independientes similares al de la figura 2, con dos ciclos 2 cerrados, independientes. Cada ciclo comprende intercambiadores 3, 3' de calor residual propios dispuestos en la corriente de gas de escape uno junto al otro, un intercambiador 3' después del otro intercambiador 3 en una línea en la dirección de corriente. Particularmente, para sistemas con S-CO² de medio/fluido de trabajo como fluido en el ciclo 2, incluso a temperaturas más bajas de gas de escape en el segundo intercambiador 3' de calor residual, puede utilizarse calor residual. El sistema puede utilizar de manera efectiva aproximadamente el 20% del calor residual procedente de la fuente de calor residual. El precio alto y el espacio que ocupa la disposición 1 son una desventaja, dado que todos los componentes en dos circuitos de fluido de trabajo independientes, no interconectados del sistema están al menos dos veces en el mismo.

En la figura 4 se muestra una disposición 1 regenerativa según la presente invención para la utilización de calor residual con un dispositivo 10 de bomba/compresor según la presente invención. La disposición comprende dos intercambiadores 3 de calor residual en un circuito de fluido de trabajo interconectado con dos pares de turbina 6, 6' y recuperador 11, 11' y con un enfriador 8 y un dispositivo 10 de bomba/compresor. Cada turbina 6, 6' está conectada mecánicamente a un generador 7, 7' respectivamente para convertir la energía mecánica de la turbina 6, 6' en energía eléctrica. El enfriador 8 está conectado a un disipador 9 de calor tal como un ventilador seco o una torre húmeda, por ejemplo, mediante un circuito de fluido cerrado. El calor del fluido de trabajo se transfiere desde el enfriador 8 hasta el disipador 9 de calor y desde el mismo al entorno, enfriando el fluido de trabajo de la disposición 1 en el enfriador 8.

El fluido de trabajo en los intercambiadores 3 de calor residual recibe y almacena una cantidad de calor del gas de escape, que viene de la fuente de calor residual no mostrada en la figura por motivos de simplicidad. El fluido de escape fluye al interior del primer intercambiador 3 de calor residual a través de una entrada en la dirección 4, pasando por una unidad de intercambiador de calor, por ejemplo, en forma de placa o espiral, llena del fluido de trabajo que está comprendido en un circuito de fluido. El fluido de trabajo absorbe calor del gas de escape y el fluido de escape fluye fuera del primer intercambiador 3 de calor residual, por ejemplo, en la dirección 5 en un estado enfriado. En el flujo de fluido de escape aguas abajo del primer intercambiador 3 de calor residual está dispuesto un segundo intercambiador 3' de calor residual. El segundo intercambiador 3' de calor residual está construido, por ejemplo, y trabaja como el primer intercambiador 3 de calor residual, enfriando adicionalmente el gas de escape. El gas escape en un estado enfriado se libera del segundo intercambiador 3' de calor residual al entorno. El calor residual del gas de escape se absorbe y se almacena en el fluido de trabajo que pasa por los intercambiadores 3, 3' de calor residual.

La disposición 1 tal como se muestra en la figura 4, con un intercambiador 3 de calor residual, que usa particularmente CO² supercrítico como fluido de trabajo en el circuito, puede usar sustancialmente hasta el 10% del calor residual que viene de la fuente de calor residual. Por ejemplo, en el primer intercambiador 3 de calor residual, el gas de escape con una temperatura en el intervalo de unos cientos de grados Celsius puede enfriarse hasta de 100 a 200°C y en el segundo intercambiador 3' de calor residual el gas de escape puede enfriarse adicionalmente hasta sustancialmente 20°C, lo que significa la temperatura ambiente. La disposición 1 tal como se muestra en la figura 4, con dos intercambiadores 3, 3' de calor residual, puede usar sustancialmente hasta el 20% del calor residual del gas de escape.

El fluido de trabajo, que viene del intercambiador 3 de calor residual cargado con calor, fluye en el circuito de fluido hacia la turbina 6, por ejemplo, con un primer flujo másico m1. La turbina 6 está conectada mecánicamente a un generador 7. La energía, almacenada en el fluido de trabajo en forma de calor, lo que significa que el fluido de trabajo tiene una temperatura T² más alta que justo antes del intercambiador de calor residual con la temperatura T¹, se transforma en energía mecánica mediante la turbina 6 y en energía eléctrica mediante el generador 7. Normalmente, la turbina 6 puede usar sustancialmente hasta el 12% del calor residual del gas de escape para producir electricidad.

Desde la turbina 6, el fluido de trabajo fluye hacia un recuperador 11 dentro del circuito. El recuperador 11 regenera el calor de fluido de trabajo aguas abajo de la turbina 6 y enfría el mismo en este punto entre la turbina 6 y un enfriador 8.

Desde el recuperador 11, el fluido de trabajo fluye hacia una unión en el punto A.

El fluido de trabajo, que viene del segundo intercambiador 3' de calor residual cargado con calor, fluye en un segundo ramal del circuito de fluido hacia la segunda turbina 6', por ejemplo, con un segundo flujo másico m2. La turbina 6' está conectada mecánicamente a un generador 7'. La energía, almacenada en el fluido de trabajo en forma de calor procedente del intercambiador 3' de calor residual, se transforma en energía mecánica mediante la turbina 6' y en energía eléctrica mediante el generador 7'. Normalmente, la turbina 6' puede usar sustancialmente hasta el 8% del calor residual del gas de escape para producir electricidad.

El fluido de trabajo, que viene de la turbina 6', con el segundo flujo másico m2 fluye hacia la unión en el punto A. En la unión en el punto A, el fluido de trabajo que viene de la turbina 6 y que se hace pasar a través del recuperador 11 con un flujo másico m1 se hace converger con el fluido de trabajo que viene de la segunda turbina 6' con un flujo másico m2. El flujo de fluido de convergencia con flujo másico m1 más m2 fluye hacia y a través de un segundo recuperador 11'. El recuperador 11' regenera adicionalmente el calor del fluido de trabajo, particularmente las partes que vienen de la turbina 6' y el recuperador 11, y enfría el mismo en este punto entre la turbina 6', el recuperador 11 y un enfriador 8.

En el enfriador 8, el fluido de trabajo se enfría adicionalmente. En general, un enfriador 8 está conectado térmicamente a un disipador 9 de calor como un ventilador seco o una torre húmeda, constituyendo una unidad de enfriamiento. El enfriador puede ser un intercambiador de calor conectado mediante un ciclo de fluido al disipador 9 de calor. También son posibles otros dispositivos y diseños de enfriamiento.

Desde el dispositivo 8 de enfriamiento, el fluido de trabajo fluye hacia una unidad 10 de bomba/compresor según la presente invención. Dependiendo de la temperatura del fluido de trabajo, la unidad 10 de bomba/compresor puede hacerse funcionar como una bomba, que bombea, por ejemplo, fluido de trabajo de S-CO² licuado, o puede hacerse funcionar como un compresor, que comprime, por ejemplo, el fluido de trabajo de S-CO² en fase gaseosa. La conmutación de la unidad 10 del modo de bomba al modo de compresor se produce mediante un cambio de la frecuencia de rotación de un rotor en la unidad 10. Con una frecuencia más baja, la unidad 10 de bomba/compresor puede funcionar como una bomba y con una frecuencia más alta, la unidad 10 de bomba/compresor puede funcionar como un compresor, por ejemplo, de fluido supercrítico. La conmutación puede realizarse automáticamente o a mano. Puede controlarse o regularse, por ejemplo, mediante un ordenador, particularmente en relación con sensores como sensores de temperatura y/o de fase y/o de presión.

Una unidad 10 de bomba/compresor con ambas funcionalidades, función de bomba y de compresor, permite un funcionamiento más eficaz de sistemas con, por ejemplo, S-CO² como fluido de trabajo, en un intervalo amplio de condiciones de temperatura ambiental. Si la temperatura ambiental es lo suficientemente baja como para enfriar el fluido de trabajo, por ejemplo, CO² , hasta de 15 a 20°C y licuar el fluido de trabajo, la unidad 10 puede funcionar con una eficiencia alta, pero como una bomba. A otras temperaturas ambientales que son más altas, cuando no es posible licuar el fluido de trabajo, por ejemplo, CO², la unidad 10 tiene que trabajar como un compresor para que el fluido de trabajo supercrítico se mueva dentro del circuito de fluido.

El fluido de trabajo, que viene de la unidad 10 de bomba/compresor, con flujo másico m1 y m2 pasa al recuperador 11'. El recuperador 11' trabaja como un intercambiador de calor. Enfría el fluido de trabajo que viene de la turbina 6' y el recuperador 11 y que fluye hacia el enfriador 8, calentando el fluido de trabajo que viene de la unidad 10 de bomba/compresor hasta sustancialmente una temperatura de fluido de trabajo justo antes del intercambiador 3' de calor residual.

En una unión en el punto B, el flujo másico m1 y m2 se divide en dos partes. El fluido de trabajo que viene del recuperador 11' se divide en una parte m2, que fluye al interior del ramal hacia el intercambiador 3' de calor residual, y en una parte m1, que fluye hacia el recuperador 11. El recuperador 11 trabaja como el recuperador 11' y enfría el fluido de trabajo que viene de la turbina 6 y que fluye hacia el enfriador 8 mediante el recuperador 11', y calienta adicionalmente el fluido de trabajo que viene de la unidad 10 de bomba/compresor mediante el recuperador 11' y el punto B hasta sustancialmente una temperatura de fluido de trabajo justo antes del intercambiador 3 de calor residual. En los intercambiadores 3, 3' de calor residual, el circuito de fluido de trabajo está cerrado, comenzando desde el principio tal como se describió anteriormente. La temperatura de fluido de trabajo justo antes del intercambiador 3 de calor residual es en general más alta que la temperatura justo antes del intercambiador 3' de calor residual.

El diseño de la disposición 1 con un circuito de fluido de trabajo cerrado, dividido parcialmente en dos ramales entre los puntos A y B con, respectivamente, un intercambiador 3, 3' de calor residual y un par de turbina 6, 6' y generador 7, 7', unido de manera conjunta para enfriarse mediante un enfriador 8 y accionado fluídicamente por una unidad 10 de bomba/compresor, usa de manera eficaz calor residual con un número reducido de componentes a temperaturas ambientales diferentes. Tal como se muestra en la figura 4, los dos ramales del circuito de fluido de trabajo están en paralelo entre los puntos A y B, con, respectivamente, un intercambiador 3, 3' de calor residual y un par de turbina 6, 6' y generador 7, 7'.

Los intercambiadores 3, 3' de calor residual están dispuestos uno después del otro en el fluido de escape aguas abajo particularmente en serie. Los primeros intercambiadores 3 de calor residual en combinación con la turbina 6 pueden utilizar sustancialmente el 12% del calor residual a una temperatura más alta, por ejemplo, de entre 200 y 300°C, y los segundos intercambiadores 3' de calor residual en combinación con la turbina 6' pueden utilizar sustancialmente de manera adicional el 8% del calor residual a una temperatura más baja, por ejemplo, por debajo de 100°C hasta menos de 20°C, particularmente la temperatura ambiente. También son posibles otras disposiciones 1, por ejemplo, con intercambiadores 3, 3' de calor residual paralelos, pero que no se muestran en la figura por motivos de simplicidad. Las temperaturas dependen del gas de escape y la disposición 1. En la disposición 1 paralela de los intercambiadores 3, 3' de calor residual, por ejemplo, las temperaturas del gas de escape en ambos intercambiadores 3, 3' pueden ser similares.

El segundo ramal del circuito, respectivamente el ciclo de fluido con la turbina 6' tal como se muestra en la figura 4, utiliza el calor que no se utilizó dentro del primer ramal con la turbina 6. Esto se realiza con la turbina 6' al usar los intercambiadores 3 y 3' de calor residual en una línea uno después del otro en la corriente de calor residual en paralelo a la dirección de corriente, y al usar dos recuperadores 11 y 11' en el circuito de fluido de trabajo. El recuperador 11 de temperatura alta proporciona una transferencia de calor del fluido de trabajo m1, que viene de la turbina 6, al fluido de trabajo m1, que fluye hacia el intercambiador 3 de calor residual, precalentando el fluido de trabajo m1 que fluye hacia el intercambiador 3 de calor residual usando el calor residual almacenado en el fluido de trabajo procedente de la turbina 6. El recuperador 11' de temperatura baja proporciona una transferencia de calor del fluido de trabajo m1 y m2, que comprende fluido con una temperatura más baja que m1 que viene de la turbina 6.

El calor residual se almacena en el fluido que viene de la turbina 6' y el calor restante se almacena en el fluido de trabajo que abandona el recuperador 11, que viene de la turbina 6. El calor se transfiere en el recuperador 11' al fluido de trabajo m1 y m2 que viene de la unidad 10 de bomba/compresor, precalentando el fluido de trabajo antes de la división en el punto B. En el punto B, el flujo másico mi y m2 se divide en el flujo másico m1, que entra en el recuperador 11 aguas abajo, y el flujo másico m2, que entra en el intercambiador 3' de calor residual aguas abajo. Este diseño de la disposición no sólo aumenta la eficiencia al usar dos intercambiadores 3, 3' de calor residual uno después del otro, sino al regenerar adicionalmente el fluido de trabajo en dos recuperadores 11, 11' uno después del otro dentro de la corriente de fluido de trabajo.

Especialmente en combinación con el uso de, por ejemplo, S-CO² como fluido de trabajo y más de un intercambiador de calor residual, se alcanza una eficiencia alta de más de hasta el 20% de utilización de calor residual. El uso de una unidad 10, que combina una bomba y un compresor en una unidad, y un enfriador 8 proporciona una disposición 1 sencilla, rentable. La combinación de función de bomba y de compresor en la unidad 10 permite la utilización de calor residual en un intervalo amplio de temperaturas ambientales y en una disposición 1 de dos etapas con dos intercambiadores 3, 3' de calor residual y dos recuperadores 11, 11' respectivamente en serie en las corrientes de fluido, los intercambiadores 3, 3' de calor residual en serie en la corriente de gas de escape y los recuperadores 11, 11' en serie en la corriente de fluido de trabajo.

En la figura 5 se muestra una disposición 1 como en la figura 4, pero con tres intercambiadores 3, 3', 3” de calor residual y tres recuperadores 11, 11', 11” en lugar de dos respectivamente, que aumentan adicionalmente la eficiencia desde más del 20% hasta más del 22%. Las disposiciones de principio de las figuras 4 y 5 son las mismas, pero en la figura 5, el fluido de trabajo que viene del segundo recuperador 11' no fluye directamente hacia el enfriador 8 sino hacia una unión en el punto C y adicionalmente a través de un tercer recuperador 11”, y luego hacia el enfriador 8 y la unidad 10 de bomba/compresor.

En la unión en el punto C, llega fluido de trabajo con un flujo másico m3, que procede de un tercer ramal del circuito de fluido paralelo a los otros dos ramales, tal como se muestra en la figura 4, en el que el tercer ramal comprende un tercer intercambiador 3” de calor residual en línea aguas abajo en la corriente de calor residual hacia los dos primeros intercambiadores 3, 3' de calor residual en los otros ramales y comprende un tercer par de turbina 6” y generador 7”. En el punto C, el fluido de trabajo procedente de los dos primeros ramales con flujo másico m1 y m2 se hace converger con fluido de trabajo que viene de la tercera turbina 6” con flujo másico m3. El tercer recuperador 11” intercambia calor residual, almacenado dentro del fluido de trabajo que queda particularmente que viene de la turbina 6” y que queda después de los dos primeros recuperadores 11, 11', y calienta el fluido de trabajo que viene de la unidad 10 de bomba/compresor.

Aguas abajo del recuperador 11” en el punto D, la corriente de fluido de trabajo m1 y m2 y m3 se divide en una unión para dar una corriente de fluido de trabajo con flujo másico m2, que fluye hacia el segundo recuperador 11' aguas abajo, y una corriente de fluido de trabajo con flujo másico m1 y m3. Aguas abajo del recuperador 11” y el punto D, la corriente de fluido de trabajo con flujo másico m1 y m3 se divide en el punto B en una unión para dar una corriente de fluido de trabajo con flujo másico m3 y para dar una corriente de fluido de trabajo con flujo másico m1. El fluido de trabajo con flujo másico m3 fluye al interior del tercer ramal hacia el intercambiador 3” de calor residual, cerrando el circuito dentro del tercer ramal, fluyendo adicionalmente hacia la turbina 6” de nuevo. El fluido de trabajo con flujo másico m1 fluye al interior del primer ramal hacia el recuperador 11 y adicionalmente aguas abajo hacia el intercambiador 3 de calor residual, cerrando el circuito dentro del primer ramal, fluyendo adicionalmente hacia la turbina 6 de nuevo.

La disposición 1 en la figura 5 tiene las mismas ventajas que la disposición 1 en la figura 4, pero aumentando adicionalmente la eficiencia en caso de diferencias de temperatura altas entre la temperatura ambiental y la del gas de escape. El uso de tres intercambiadores 3, 3', 3” de calor residual, en combinación con tres turbinas 6, 6', 6” y tres recuperadores 11, 11', 11”, aumenta la cantidad de calor residual utilizado. El uso de un enfriador 8 común y una unidad 10 de bomba/compresor común en el circuito reduce costes y conduce a una disposición simplificada con menos componentes, que ocupa menos espacio. La bomba/el compresor en una unidad 10 permite la utilización de calor residual a temperaturas diferentes, particularmente cambiantes de la corriente de calor residual y temperaturas cambiantes en el entorno, usando particularmente S-CO² como fluido de trabajo en el circuito cerrado.

En la figura 6, se muestra una disposición 1 regenerativa tal como en la figura 4, pero con sólo un intercambiador 3 de calor residual en lugar de dos intercambiadores 3, 3' de calor residual. Esto conduce a una reducción de componentes, tamaño y costes. El intercambiador de calor residual es la parte más cara y más grande de la disposición 1. Combinar los dos intercambiadores 3, 3' de calor residual de la figura 4 para dar un intercambiador 3 de calor residual en la realización de la figura 6 permite la utilización de una cantidad alta de calor residual con costes y tamaño reducidos.

Tal como en la figura 4, hay dos ramales del circuito de fluido de trabajo en la disposición 1 de la figura 6. No obstante, la salida del recuperador 11 aguas abajo no está conectada fluídicamente de manera directa al intercambiador 3 de calor residual, como en la figura 4, sino a la entrada de la turbina 6'. De ese modo, el segundo ramal no comprende ningún intercambiador 3' de calor residual. La salida del intercambiador 3 de calor residual en la figura 6, que corresponde al intercambiador 3' de calor residual en la figura 4, está conectada fluídicamente de manera directa a la turbina 6, y comprendida de ese modo en el ramal uno en lugar del ramal dos tal como en la figura 4.

Puede usarse una derivación con la válvula 12 hacia la turbina 6' para poner en derivación fluídicamente y/o desactivar fluídicamente la turbina 6', particularmente si la cantidad de calor residual almacenado en el fluido de trabajo es baja. Si la cantidad de calor residual es demasiado baja para usarse por la turbina 6', la válvula 12 de derivación puede abrirse y el flujo de fluido con masa m2 fluye a través de la derivación en lugar de a través de la turbina 6'. La turbina 6' está en un estado desactivado. Al cerrar la válvula 12, el estado puede cambiarse a un estado activado, y el fluido de trabajo con flujo másico m2 fluye a través de la turbina 6' que está conectada mecánicamente al generador 7', convirtiendo la energía calorífica en energía mecánica mediante la turbina y adicionalmente en energía eléctrica mediante el generador. Otras funcionalidades de la disposición 1 en la figura 6 son tal como las descritas en principio para la disposición 1 de la figura 4.

Tal como se muestra en la figura 7, la disposición 1 de la figura 6 puede comprender tres ramales, respectivamente con un par de turbina 6, 6', 6” y generador 7, 7', 7”. El diseño y el funcionamiento en general de la disposición 1 en la figura 7 comprenden componentes tal como se describió para la figura 6 en comparación con la figura 4, con diferencias según la realización de la figura 5. En la figura 7, los flujos de salida de lado caliente del fluido de trabajo de los recuperadores 11, 11' respectivos aguas abajo están conectados a las tomas de admisión para fluido de trabajo de las turbinas 6' y 6” respectivas, que están dispuestas en ramales adyacentes del circuito de fluido. En la realización de la figura 5, los intercambiadores 3', 3” de calor residual están conectados en su lugar fluídicamente a las tomas de admisión de las turbinas 6' y 6” respectivas. En la realización de la figura 7, sólo el ramal de circuito con la turbina 6 comprende un intercambiador 3 de calor residual.

Las turbinas 6' y 6” pueden estar en un estado desactivado al usar una derivación con la válvula 12, 12' respectivamente, tal como se describió para la turbina 6' en la figura 6. Dependiendo de la cantidad de calor residual a utilizar y la temperatura del entorno, los ramales y las turbinas 6' y 6” pueden usarse o desactivarse.

En resumen, las disposiciones 1 de las figuras 4 a 7 según la presente invención comprenden una unidad 10 de bomba/compresor común. Tal como se muestra en las figuras 4 a 7, las disposiciones también comprenden un enfriador 8 común con un disipador 9 de calor. La unidad 10 de bomba/compresor, dependiendo de la temperatura y la fase del fluido de trabajo, puede trabajar como un compresor o una bomba con las ventajas tal como se describió anteriormente. El uso de dispositivos comunes reduce el número de componentes, los costes y el tamaño de la disposición 1. Al usar, por ejemplo, S-CO2 como fluido de trabajo, puede alcanzarse una eficiencia alta debido a la recuperación de calor mediante los recuperadores 11, 11', 11” en un intervalo amplio de temperaturas. Las turbinas 6, 6', 6” diferentes en, por ejemplo, ramales paralelos, que pueden estar particularmente en un estado activado o desactivado, permiten la utilización de cantidades diferentes de calor residual a temperaturas diferentes. La cantidad de calor residual que va a utilizarse en suma es más alta en las realizaciones descritas según la presente invención en comparación con el uso de sólo una turbina 6. El diseño, el control y/o la regulación simplificados de fluido y la posibilidad de utilizar calor residual en un intervalo amplio de temperatura, incluso con cambios de temperatura, son ventajas particulares de la presente invención.

Como ejemplo adicional, pueden usarse más de tres ramales para la disposición. Como fluido de trabajo pueden usarse fluidos supercríticos o normales, por ejemplo, aceite, agua, vapor, halógenos, etc. Pueden usarse ramales sin recuperador, dependiendo del fluido de trabajo en uso. La disposición 1 puede comprender componentes adicionales, tales como válvulas adicionales para controlar o regular el flujo de fluido en puntos especiales del circuito de fluido de trabajo.

La ausencia de puntos en el diseño que dividan el flujo de fluido en la dirección aguas arriba simplifica el diseño y simplifica los requisitos de control o de regulación para el flujo de fluido. Pueden usarse válvulas de derivación adicionales para responder a variaciones de temperatura de gas de escape y la velocidad de flujo, así como a otros parámetros ambientales. Aguas abajo, los ramales del circuito de fluido de trabajo pueden desactivarse con válvulas de derivación. Esto permite que una corriente de fluido se ajuste a las dimensiones de componente/dispositivo. No hay nodos de fluido aguas arriba en el diseño según la presente invención que dividan la corriente de fluido en la dirección aguas arriba. Todos los nodos como en los puntos A, B en las figuras 4 y 6 y A, B, C, D en las figuras 5 y 7 dividen el flujo de fluido en la dirección aguas abajo.

Claims (15)

1. REIVINDICACIONES

   i. Disposición (1) de CO² supercrítico para la utilización de calor residual, que comprende al menos un intercambiador (3, 3', 3”) de calor residual, al menos dos turbinas (6, 6', 6”), al menos dos recuperadores (11, 11') y al menos una unidad (8, 9, 8', 9', 8”, 9”) de enfriador en al menos un circuito de fluido, caracterizada porque una bomba y un compresor (10, 10', 10”) están comprendidos en un dispositivo, conmutable entre una función de bomba y de compresor mediante un cambio de la frecuencia de rotación de un rotor del dispositivo.
2. 2. Disposición (1) según la reivindicación 1, en la que los al menos dos recuperadores (11, 11') están dispuestos en serie.
3. 3. Disposición (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, en la que un recuperador (11, 11') está dispuesto respectivamente junto a una turbina (6, 6', 6”) aguas abajo en un ciclo de fluido.
4. 4. Disposición (1) según la reivindicación 2 o la reivindicación 3, si depende de la reivindicación 2, en la que está comprendida exactamente una unidad (8, 9) de enfriador, entre el último recuperador (11, 11') en serie aguas abajo en al menos un circuito de fluido y el un dispositivo (10, 10', 10”) de bomba/compresor.
5. 5. Disposición (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en la que está comprendida una válvula (12, 12') de derivación, para pontear fluídicamente al menos una turbina (6, 6', 6”).
6. 6. Disposición (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en la que el al menos un circuito de fluido comprende exactamente un intercambiador (3) de calor residual.
7. 7. Disposición (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en la que el al menos un circuito de fluido comprende más de un intercambiador (3, 3', 3”) de calor residual.
8. 8. Disposición (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en la que la disposición (1) es del tipo de sistema de CO² supercrítico regenerativo, con CO² como fluido de trabajo dentro del al menos un circuito de fluido.
9. 9. Disposición (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en la que el al menos un circuito de fluido está en forma de un ciclo cerrado.
10. 10. Disposición (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en la que una o cada turbina (6, 6', 6”) está conectada de manera mecánica respectivamente a al menos un generador (7, 7', 7”).
11. 11. Método para la utilización de calor residual, con una disposición (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, con al menos un intercambiador (3) de calor residual que calienta un fluido de trabajo con calor procedente de una fuente de calor residual, fluyendo el fluido calentado a través de un primer conjunto de al menos una turbina (6) y un recuperador (11), y fluyendo aguas abajo a través de al menos un segundo recuperador (11') conectado fluídicamente a al menos una segunda turbina (6') mediante una unión de fluido aguas arriba antes del al menos un segundo recuperador (11').
12. 12. Método según la reivindicación 11, en el que el fluido de trabajo fluye aguas abajo después de los recuperadores (11, 11') a través de una unidad (8, 9) de enfriador, y adicionalmente aguas abajo a través de una bomba y un compresor (10, 10', 10”) en un dispositivo, conmutable entre la función de bomba y de compresor mediante un cambio de la frecuencia de rotación de un rotor del dispositivo.
13. 13. Método según la reivindicación 12, en el que el fluido de trabajo fluye aguas abajo después de la bomba y el compresor (10, 10', 10”) en un dispositivo a través de los recuperadores (11, 11'), y se calienta mediante el flujo de fluido que viene, que viene directamente de una turbina (6, 6', 6”).
14. 14. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, en el que el fluido de trabajo se calienta en exactamente un intercambiador (3) de calor residual mediante gas de escape.
15. 15. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, en el que el fluido de trabajo se calienta en más de un intercambiador (3, 3', 3”) de calor residual mediante gas de escape.