ES2849436T3 - Motor térmico con descompresión de ciclo de Rankine orgánico mejorado - Google Patents

Motor térmico con descompresión de ciclo de Rankine orgánico mejorado Download PDF

Info

Publication number
ES2849436T3
ES2849436T3 ES14749586T ES14749586T ES2849436T3 ES 2849436 T3 ES2849436 T3 ES 2849436T3 ES 14749586 T ES14749586 T ES 14749586T ES 14749586 T ES14749586 T ES 14749586T ES 2849436 T3 ES2849436 T3 ES 2849436T3
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
refrigerant
pressure zone
organic
positive displacement
heat
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
ES14749586T
Other languages
English (en)
Inventor
Keith Sterling Johnson
Corey Jackson Newman
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Heat Source Energy Corp
Original Assignee
Heat Source Energy Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Heat Source Energy Corp filed Critical Heat Source Energy Corp
Application granted granted Critical
Publication of ES2849436T3 publication Critical patent/ES2849436T3/es
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/04—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for the fluid being in different phases, e.g. foamed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/08—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle with working fluid of one cycle heating the fluid in another cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K3/00—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein
    • F01K3/18—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having heaters
    • F01K3/26—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having heaters with heating by steam
    • F01K3/262—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having heaters with heating by steam by means of heat exchangers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K7/00—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating
    • F01K7/34—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being of extraction or non-condensing type; Use of steam for feed-water heating
    • F01K7/36—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being of extraction or non-condensing type; Use of steam for feed-water heating the engines being of positive-displacement type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F01K25/103—Carbon dioxide
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

Abstract

Un motor térmico que emplea un ciclo de Rankine orgánico que comprende: un refrigerante (101) orgánico que muestra un punto de ebullición atmosférico por debajo de -35 grados Celsius; un disipador (107) térmico; una trayectoria en bucle cerrado sellada para el refrigerante orgánico, teniendo la trayectoria en bucle cerrado sellada tanto una zona de alta presión que absorbe calor de la fuente (103) térmica de agua caliente que tiene una temperatura de menos de 82 grados Celsius, y que contiene una primera porción del refrigerante orgánico en al menos una fase gaseosa, y una zona de baja presión que transfiere calor al disipador térmico, y que contiene una segunda porción del refrigerante orgánico en al menos una fase líquida; un descompresor (105) de desplazamiento positivo que proporciona un gradiente de presión a través del cual el refrigerante orgánico en la fase gaseosa fluye de forma continua desde la zona de alta presión a la zona de baja presión, manteniendo el descompresor de desplazamiento positivo un diferencial de presión entre la zona de alta presión y la zona de baja presión de entre aproximadamente 20 bar y aproximadamente 42 bar, extrayendo el descompresor de desplazamiento positivo energía mecánica debida al gradiente de presión; un generador (147) eléctrico acoplado al descompresor de desplazamiento positivo que convierte la energía mecánica extraída en energía eléctrica; y una bomba (109) hidráulica de desplazamiento positivo para proporcionar un flujo continuo del refrigerante orgánico en la fase líquida desde la zona de baja presión a la zona de alta presión, caracterizado por que además comprende un tanque (189) de refrigerante orientado verticalmente de un área en sección trasversal que se estrecha en dirección descendente y decreciente en dirección descendente, el tanque de refrigerante orientado verticalmente configurado para emplear gravedad para asegurar una densidad máxima del refrigerante orgánico en la fase líquida a medida que el refrigerante orgánico entra en la bomba hidráulica de desplazamiento positivo.

Description

DESCRIPCIÓN
Motor térmico con descompresión de ciclo de Rankine orgánico mejorado
Antecedentes de la invención
Campo de la invención
La invención se refiere, en general, a sistemas de ciclo de Rankine orgánico.
Historia de la técnica anterior
El ciclo de Rankine es un ciclo termodinámica que convierte calor en trabajo. El calor es suministrado externamente a un bucle cerrado, que normalmente utiliza agua como el fluido de trabajo. El ciclo genera aproximadamente un 80% de toda la energía eléctrica utilizada a lo largo de todo el mundo, y es utilizado prácticamente por todas las centrales solares térmicas, de biomasa, de carbón y de energía nuclear. Se denomina así gracias a William John Macquorn Rankine un ingeniero y físico escocés (5 de julio de 1820-24 de diciembre de 1872). William Thomson (Lord Kelvin) y Rudolf Clausius fueron los fundadores contribuyentes a la ciencia de la termodinámica. Rankine desarrolló una teoría completa del motor de vapor y, de hecho, de todos los motores térmicos. Sus manuales de ciencia y práctica de ingeniería se utilizaron durante muchas décadas después de su publicación en la década de 1850 y la década de 1860. Público varios cientos de publicaciones y notas sobre tópicos de ciencia e ingeniería, desde 1840 en adelante, y sus intereses fueron extremadamente variados, incluyendo, en su juventud, la botánica, la teoría musical y la teoría de los números, y, en sus años de madurez, la mayoría de las ramas de la ciencia, las matemáticas y la ingeniería. Un ciclo de Rankine describe un modelo de un motor térmico de avance accionado por vapor que se encuentra de forma más común en las centrales de generación de electricidad. La combustión de carbón, gas natural y petróleo, así como fusión nuclear comúnmente proporcionan el calor para las centrales eléctricas que emplean el ciclo de Rankine. Los sistemas de energía de ciclo de Rankine normalmente transforman la energía térmica en energía eléctrica. Un sistema de energía de ciclo de Rankine convencional emplea las siguientes cuatro etapas básicas: (1) se utiliza energía térmica, en una caldera, para convertir agua en vapor; (2) el vapor es enviado a través de una turbina, que a su vez acciona un generador eléctrico; (3) el vapor se condensa de nuevo en agua descargando la energía térmica que resta en el vapor al ambiente; y (4) el condensado es bombeado de vuelta a la caldera. En el ciclo de Rankine ideal, la expansión es isentrópica y los procesos de evaporación y de condensación son isobáricos. Sin embargo, la presencia de irreversibilidades se atribuye principalmente a dos factores.
El primero es que durante la expansión del gas, sólo parte de la energía recuperable de la diferencia de presiones transformada en trabajo útil. La otra parte se convierte en calor y se pierde. La eficiencia del expansor se determina como un porcentaje de trabajo que podría realizarse por una expansión isentrópica teórica, en la cual la entropía permanece constante. La segunda causa es la poca eficiencia del intercambiador de calor provocada por las caídas de presión asociadas a las trayectorias largas y sinuosas que aseguran un buen intercambio de calor, pero reducen la energía recuperable del ciclo.
La eficiencia del ciclo de Rankine es una función de las propiedades físicas del fluido de trabajo. Sin que la presión alcance los niveles supercríticos para el fluido de trabajo, el rango de temperatura a la cual puede funcionar el ciclo es bastante pequeño. Las temperaturas dentro de la turbina son típicamente de 565 °C (el límite de fluencia del acero inoxidable) y las temperaturas de condensador están alrededor de 30 °C. Esto da una eficiencia de Carnot teórica de aproximadamente un 63% en comparación con una eficiencia real del 42% para una estación de energía accionada por carbón. Esta temperatura de entrada de turbina baja (en comparación con una turbina de gas de combustión interna) es la razón por la cual el ciclo de Rankine se utiliza a menudo como un ciclo inferior en estaciones de energía de turbina de gas de ciclo combinado. El fluido de trabajo en un ciclo de Rankine sigue un bucle cerrado y es reutilizado de forma continua. Aunque muchos fluidos de trabajo pueden y han sido utilizados en el ciclo de Rankine, el agua es normalmente el fluido de elección debido a que es abundante, barata, no tóxica, en general no es reactiva, y posee propiedades termodinámicas favorables. Los ciclos de Rankine orgánicos se han desarrollado para permitir la recuperación de energía a partir de fuentes de una temperatura menor, tal como calor residual industrial, calor geotérmico, tanque solares, y así sucesivamente. El ciclo de Rankine orgánico (ORC) se denomina así por su uso de un fluido de alta masa molecular que tiene un cambio de fase líquido-vapor o punto de ebullición que se produce a una temperatura inferior que el cambio de fase agua-vapor. Utilizando el ORC, el calor a baja temperatura se puede convertir a trabajo útil lo cual, por ejemplo, se puede aprovechar para generar electricidad. Un prototipo de sistema de energía ORC se desarrolló primero y se mostró en 1961 por los ingenieros solares israelíes Harry Zvi Tabor y Lucien Bronicki.
La tecnología de ciclo de Rankine orgánico tiene muchas posibles aplicaciones. Entre ellas, los campos más extendidos y prometedores son los siguientes [1]: recuperación de calor residual es el campo de desarrollo más importante para el ORC. Se puede aplicar a centrales térmicas y eléctricas o procesos industriales y agrícolas tales como fermentación de productos orgánicos, escapes calientes de hornos o calderas, condensación de gas de combustión, gases de escape de vehículos, refrigeración intermedia de un compresor, y el condensador de un ciclo de trabajo.
La biomasa está disponible en todo el mundo y se puede utilizar para la producción de electricidad en centrales eléctricas de pequeño y medio tamaño. El problema de los costes de inversión específicos altos para la maquinaria tal como calderas de vapor se supera debido a las bajas presiones de trabajo en los centrales eléctricas de ORC. El proceso de ORC también ayuda a superar las cantidades relativamente pequeñas de combustible de entrada disponible en muchas regiones debido a que es posible una central eléctrica de ORC para centrales de tamaño más pequeño.
Las fuentes de calor geotérmicas varían en temperatura de 50 a 350°. El ORC es, por lo tanto, especialmente adecuado para este tipo de aplicación. Sin embargo, es importante recordar que para las fuentes geotérmicas de baja temperatura (normalmente menos de 100 °C) la eficiencia es muy baja y depende fuertemente de la temperatura de disipación térmica, que es típicamente la temperatura ambiente.
El ORC también se puede utilizar en la tecnología de canal parabólico solar en lugar de un ciclo de Rankine de vapor usual. El ORC permite una temperatura de colector inferior, una eficiencia de recogida mejor (pérdidas ambientes reducidas) y por tanto la posibilidad de reducir el tamaño del campo solar.
La selección de un fluido de trabajo apropiado es de importancia clave en ciclos de Rankine de baja temperatura. Debido a la baja temperatura, las ineficiencias de transferencia térmica son altamente perjudiciales. Estas ineficiencias dependen de forma muy importante de las características termodinámicas del fluido y de las condiciones de funcionamiento. Con el fin de recuperar energía de fuentes térmicas de bajo grado, el fluido de trabajo debe tener una temperatura de ebullición menor que el agua. Refrigerantes e hidrocarburos son los componentes más comúnmente utilizados. A diferencia del agua, los fluidos orgánicos sufren normalmente un deterioro y descomposición químicos altas temperaturas. La temperatura de fuente caliente máxima es por tanto limitada por la estabilidad química del fluido de trabajo. Adicionalmente, el punto de congelación debería ser menor que la temperatura más baja en el ciclo. Un fluido con un calor latente y densidad altos absorbe más energía de la fuente en el evaporador y por tanto reduce el caudal requerido, el tamaño de la instalación, y el consumo de energía de la bomba. Otras características importantes para un fluido de trabajo orgánico son que tenga un bajo agotamiento de ozono y un bajo potencial de calentamiento global, que no sea corrosivo, no inflamable, no tóxico, además de estar fácilmente disponible a un coste razonable.
El 29 de mayo de 2008 ElectraTherm, Inc. de Carson City, Nevada anunció la instalación exitosa de su primer generador de calor residual comercial en la Universidad metodista del Sur en Dallas, Texas. El generador, bautizado como “Máquina Verde” produce electricidad a partir del calor industrial residual que hasta ahora se desperdiciaba. El departamento de energía estadounidense informa que siete mil billones de fuentes de calor residual exceden la producción actual de todas las otras fuentes de energías renovables estadounidenses combinadas. Esto incluye la hidroeléctrica, la de madera, la de biocombustibles, la geotérmica, la eólica, y la solar fotovoltaica. Con una producción escalable de 50-500 kW y un periodo de amortización sin subvenciones de menos de tres años, la creación de ElectraTherm tiene un potencial para expandir de forma significativa la producción de electricidad a un coste muy bajo en cada central eléctrica alimentada por combustible fósil sin quemar petróleo gas o carbón adicional y sin una polución o daño adicional para el medio ambiente. A partir de líquidos que tienen temperaturas tan bajas como 93 grados C, el proceso extrae calor para hacer funcionar un expansor de doble husillo, el cual está acoplado a un generador. El expansor de doble husillo de la compañía, que cuesta alrededor de una décima parte del precio de una turbina, funciona sin cajas de cambio expansivas y de electrónica, funciona a una décima parte de la velocidad de la turbina, funciona con mucha menos fricción que lo hace una turbina, y utiliza una lubricación de proceso sin la necesidad de una bomba de aceite tradicional, un tanque de aceite, líneas de aceite y filtro de aceite, permite a la Máquina Verde producir electricidad a un coste de 0,03 $ a 0,04 $ por kw/h durante el periodo de amortización y menos de 0,01 $ por kw/h posteriormente. Aunque la solicitud de patente estadounidense No. 11/407,555 titulada “Generador de recuperación de calor residual” fue presentada por el inventor Richard K. Langson el 19 de abril de 2006 cubriendo el proceso y el aparato de generador, con una fecha de prioridad basada en la presentación de la solicitud de patente provisional No. 60/673,543, la solicitud fue finalmente rechazada por obviedad en diciembre de 2007. 30 Langson también presentó posteriormente una solicitud relacionada titulada “Mezclador de energía”, que cubre ciertos aspectos de la invención, y que se concedió como la patente estadounidense No. 7,637,108.
El documento US 2011/167818 A1 trata del problema que en el caso de que una cantidad de refrigerante se acorta cuando comienza a funcionar un ciclo de Rankine, debido a que la diferencia de presión no sucede a través de una bomba de refrigeración, no se puede inyectar refrigerante desde un circuito de baipás al ciclo de Rankine , y por lo tanto no se puede controlar el grado de sobreenfriamiento. Se proporciona un sistema de recuperación térmico de escape que puede ajustar el grado de sobreenfriamiento incluso en el caso de que no suceda una diferencia de presión a través de la bomba de refrigerante. El sistema incluye un tanque de refrigerante, para almacenar refrigerante, que está conectado mediante tuberías al lado del circuito de baja presión y al lado del circuito de alta presión del ciclo de Rankine a través de una válvula del lado de baja presión y una válvula del lado de alta presión, respectivamente, y un ajustador de temperatura para ajustar la temperatura interna del tanque de refrigerante.
El documento DE10 2010 022408 A1 divulga un método para el funcionamiento de un proceso de ciclo de vapor realizado en aparatos que tienen un evaporador o generador de vapor para la evaporación de un medio de trabajo líquido y un expansor, que está lubricado mediante un lubricante, para el rendimiento de trabajo mecánico. El método comprende a) suministrar el medio de trabajo líquido al evaporador, en el cual se evapora y se alimenta al expansor en forma de vapor; b) suministrar un líquido iónico, que a temperatura ambiente forma dos fases líquidas con el medio de trabajo líquido, al expansor como un lubricante; y c) separar el líquido iónico que forma en lubricante para el expansor del medio de trabajo aguas arriba del evaporador.
El documento WO 2011/01204 A1 divulga un sistema térmico de generación de energía de ciclo múltiple. El primer ciclo es un ciclo de Rankine en el cual el agua es utilizada como medio de trabajo. Un medio de trabajo de bajo punto de ebullición se utiliza como el medio de trabajo de ciclo en el segundo ciclo. El vapor de agua que ha hecho el trabajo se condensa en agua por el medio de trabajo de bajo punto de ebullición que absorbe el calor para expandirse para hacer el trabajo y generar energía. El sistema puede también incluir un tercer ciclo que utiliza el tercer medio que es una sustancia con un punto de ebullición inferior.
Resumen de la invención
La invención que se define en detalle en la reivindicación 1 se refiere a un motor térmico que emplea un ciclo de Rankine orgánico que incluye un refrigerante orgánico que muestra un punto de ebullición atmosférica por debajo de - 35 grados Celsius; un disipador térmico; una trayectoria en bucle cerrado sellada para el refrigerante orgánico, teniendo la trayectoria en bucle cerrado sellada tanto una zona de alta presión que absorbe calor de una fuente térmica de agua caliente que tiene una temperatura menor de 82 grados Celsius y, que contiene una primera porción del refrigerante orgánico en al menos una fase gaseosa, y una zona de baja presión que transfiere calor al disipador térmico, y que contiene una segunda porción del refrigerante orgánico en al menos una fase líquida; un descompresor de desplazamiento positivo que proporciona un gradiente de presión a través del cual el refrigerante orgánico en la fase gaseosa fluye de forma continua desde la zona de alta presión a la zona de baja presión, manteniendo el descompresor de desplazamiento positivo un diferencial de presión entre la zona de alta presión y la zona de baja presión de aproximadamente entre 20 bar y aproximadamente 42 bar, extrayendo el descompresor de desplazamiento positivo energía mecánica debido al gradiente de presión; un generador eléctrico acoplado al descompresor de desplazamiento positivo que convierte la energía mecánica extraída en energía eléctrica; una bomba hidráulica de desplazamiento positivo para proporcionar un flujo continuo del refrigerante orgánico en la fase líquida desde la zona de baja presión a la zona de alta presión, y un tanque de refrigerante orientado verticalmente de área en sección trasversal que se estrecha en dirección descendente y decreciente en dirección descendente, el tanque de refrigerante orientado verticalmente configurado para emplear gravedad para asegurar una densidad máxima de refrigerante orgánico en la fase líquida a medida que el refrigerante orgánico entra en la bomba hidráulica de desplazamiento positivo.
También se divulga, pero no es parte de la invención, un motor térmico que emplea un ciclo de Rankine orgánico que comprende: un refrigerante orgánico que muestra un punto de ebullición atmosférica por debajo de -35 grados Celsius; un disipador térmico, una trayectoria en bucle cerrado sellada para el refrigerante orgánico, la trayectoria en bucle cerrado sellada que tiene tanto una zona de alta presión que absorbe calor de la fuente térmica de agua caliente que tiene una temperatura de menos de 82 grados Celsius, y que contiene una primera porción de refrigerante orgánico en al menos una fase gaseosa, y una zona de baja presión que transfiere calor al disipador térmico, y que contiene una segunda porción del refrigerante orgánico en al menos una fase líquida; un descompresor de desplazamiento positivo que proporciona un gradiente de presión a través del cual el refrigerante orgánico en la fase gaseosa fluye de forma continua desde la zona de alta presión a la zona de baja presión, manteniendo el descompresor de desplazamiento positivo un diferencial de presión entre la zona de alta presión y la zona de baja presión de aproximadamente entre 20 bar y aproximadamente 42 bar, extrayendo el descompresor de desplazamiento positivo energía mecánica debida al gradiente de presión; un generador eléctrico acoplado al descompresor de desplazamiento positivo que convierte la energía mecánica extraída en energía eléctrica; y una bomba hidráulica de desplazamiento positivo para proporcionar un flujo continuo del refrigerante orgánico en la fase líquida desde la zona de baja presión a la zona de alta presión, en donde la zona de alta presión comprende un intercambiador de calor tubular orientado verticalmente que tiene una entrada de agua para la fuente térmica de agua caliente en una porción superior del mismo y una salida de agua de la fuente térmica de agua caliente en una porción inferior del mismo, una entrada para el refrigerante orgánico en la fase gaseosa en la porción inferior del mismo y una salida para el refrigerante orgánico en la fase gaseosa en la porción superior del mismo, en donde el refrigerante orgánico en la fase gaseosa que sale del intercambiador de calor orientado verticalmente entra directamente en una entrada del descompresor de desplazamiento positivo, creando el intercambiador de calor tubular orientado verticalmente un gradiente de temperatura asistido por gravedad, cuyo gradiente de temperatura asegura que el refrigerante orgánico en la fase gaseosa que sale del intercambiador de calor tubular absorba una cantidad máxima de calor de la fuente térmica de agua caliente y logra una densidad mínima.
El motor térmico de descompresión mejorado utiliza un ciclo de Rankine que tiene dos zonas de presión diferencial de fase múltiple separadas tanto por un descompresor de desplazamiento positivo como por una bomba hidráulica de desplazamiento positivo. El descompresor positivo descomprime un refrigerante orgánico calentado de un estado de vapor a alta presión a un estado de vapor a baja presión, por lo tanto creando un trabajo mecánico. El descompresor de desplazamiento positivo alcanza su máximo potencial de energía cuando se libera la presión mediante un flujo continuo sin pistones o válvulas que interrumpan el flujo.
Aunque se relacionan con un ciclo de Rankine orgánico convencional (ORC) el motor térmico de descompresión de ciclo de Rankine orgánico difiere debido a que se centra principalmente en la energía derivada de la energía de presión diferencial (Delta P) en lugar del ORC convencional que se centra en un caudal de masa de alta velocidad a través de un expansor con una Delta T alta.
El motor térmico mejorado se utiliza principalmente para generar electricidad a partir de una fuente térmica que tiene una temperatura menor de 82 grados Celsius. Debido a que la energía podría hasta ahora no ser extraída de forma económica de dichas fuentes térmicas, se ignoró durante mucho tiempo. La fuente térmica puede variar desde un calor geotérmico natural a baja temperatura como un manantial de agua caliente, calor residual de generadores de metano, fabricación de cualquier fuente térmica o fuente térmica residual disponible.
El motor térmico mejorado tiene la habilidad de capturar energía térmica muy baja disponible de forma abundante (por debajo de 82 grados Celsius) y transferir esa energía en energía eléctrica de forma más eficiente que en la tecnología actualmente disponible. Dicha energía es extraída utilizando un refrigerante de punto de ebullición muy bajo (tal como R410a, que hierve a aproximadamente -51 grados Celsius C) y que transforma la presión de alto diferencial desde aproximadamente 20 a 42 bar en generación de electricidad a través de un descompresor desplazamiento positivo.
Fuentes de refrigeración proporcionan una zona de baja presión en el motor térmico mejorado disipando calor a corrientes frías abundantes y vías fluviales, o incluso al aire ambiente. Fuentes de calor y refrigeración inferiores abundantes se utilizarán por el motor térmico como nunca se ha hecho antes, permitiendo que esté disponible para el mundo una energía renovable limpia.
Una breve comparación de un ciclo de Rankine orgánico convencional (ORC) con respecto al motor térmico de descompresión mejorado está en orden. El ORC convencional es un ciclo que utiliza una fuente térmica y una fuente de enfriamiento para hacer funcionar un tipo de motor térmico para producir trabajo mecánico a un Delta T dado. Debido a los requisitos de flujo de alta masa de un ORC, se limita en el uso de fluidos de trabajo para refrigerantes. Un ORC convencional utiliza un cambio de fase de vapor de alta velocidad en el fluido de trabajo y una presión relativamente baja para producir trabajo mecánico. A una temperatura térmica baja de ORC típica (aproximadamente 93 °C a aproximadamente 149 °C ) R245a se vaporizará instantáneamente o sufrirá un cambio de fase de vapor y volver a una fase líquida a temperaturas cercanas a la ambiente (aproximadamente 21 °C) durante este cambio de fase el diferencial de presión varía desde aproximadamente 0,69 bar a 1,38 bar @ aproximadamente 12,8 °C a 21 °C en el lado frío y aproximadamente 10,9 bar a 13,8 bar @ aproximadamente 93 °C a 149 °C en el lado caliente. La fuerza para lograr el trabajo mecánico es un caudal de masa de vapor de alta velocidad/CFM antes del expansor/accionador en aproximadamente 6,9 bar a 13,8 bar. Esta presión relativamente baja a una alta CFM, logra el trabajo mecánico de un motor térmico de ORC. El fluido de trabajo en un ORC debe fluir a una alta tasa a través del proceso de intercambio para trasferir calor y desde un fluido de trabajo/refrigerante de alta fluencia, por tanto requiriendo un rendimiento de BTU o KW excesivo. La máquina motriz primaria en un ORC está destinada a proporcionar resistencia a una fuerza de vapor de alta velocidad de alta masa pero no es un desplazamiento positivo debido a que la máquina motriz primaria de desplazamiento positivo puede comprimir el vapor a un fluido en su entrada y ralentizar el accionador. Similar a una pala de aerogenerador, la velocidad del viento debe pasar por la pala/accionador para proporcionar una resistencia suficiente para rotar la pala/accionador. Las máquinas motrices primarias/expansores de ORC permiten al vapor expandirse de forma efectiva a través de los álabes del propulsor con el fin de capturar una suficiente fuerza de soplado por CFM a una presión baja para lograr un trabajo mecánico. Un ORC trabaja mejor con una diferencia de temperatura lo más alto posible (alta Delta T).
El motor térmico mejorado está relacionado con un ORC convencional ya que este último utiliza una fuente térmica y una fuente de enfriamiento para hacer funcionar algún tipo de motor térmico para producir trabajo mecánico. Aunque los dos ciclos están relacionados, el motor térmico mejorado es de forma única diferente. El descompresor para el motor térmico mejorado es un dispositivo de desplazamiento positivo, y utiliza un principio de presión de flujo inferior/CFM superior. El vapor súper calentado alta presión (fluido de trabajo) a aproximadamente 41,4 bar @ 65,6 °C que entra en la máquina motriz primaria de desplazamiento positivo se descomprimirá hasta aproximadamente vapor de una presión inferior a 13,8 bar @ 21 °C y convertirá la energía de la presión diferencial de 27,6 bar (Delta P) en trabajo mecánico, como un ejemplo. Está función de energía de presión diferencial es similar a un compresor de refrigerante que funciona a la inversa mientras un compresor que puede mover 105 kW de calor puede requerir un motor eléctrico de 62 kW para comprimir un refrigerante a un vapor alta presión a 41,4 bar a 65,6 °C, el motor térmico mejorado puede generar más de 62 kW de potencia cuando el refrigerante de alta presión comprimido calentado a 65,6 °C está forzando el proceso de compresor en la dirección opuesta. La energía térmica residual por ejemplo es la fuerza de energía que acciona el proceso de compresor inverso para generar electricidad en lugar de que la electricidad sea forzada para comprimir un vapor/gas frío a un vapor/gas caliente.
El ORC mejorado comparado con un ORC típico
Centrándose en la energía de diferencial de presión (Delta P) cuando se utilizan refrigerantes de alta presión con un punto de ebullición muy bajo, se puede utilizar una Delta T más pequeña para lograr una presión diferencial equivalente (Delta P). La energía que se puede extraer utilizando el ORC mejorado con un diferencial de presión de 27,6 bar es mucho más grande que la energía que se puede extraer utilizando un ORC convencional con un diferencial de presión de energía de 9,65 bar.
ORC Refrigerante R245fa Temperatura-Presión Delta T y Delta P
21 °C = 1,2 bar 93 °C = 10,9 bar
Delta T de 72 °C = Delta P de energía de 9,7 bar
HEDC Refrigerante R407c Temperatura-Presión Delta T y Delta P
21°C = 9,6 bar 78 °C = 37,5 bar
Delta T de 57 °C = Delta P de energía de 27,9 bar
HEDC Refrigerante R410a Temperatura-Presión Delta T y Delta P
21°C = 13,8 bar 66 °C = 41,4 bar
Delta T de 45°C = Delta P de energía de 27,6 bar
HEDC Refrigerante CO2 Temperatura-Presión Delta T y Delta P
20 °C = 57,4 bar 38 °C = 85,4 bar
Delta T de 18 °C = Delta P de energía de 28,0 bar
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es un diagrama esquemático del motor térmico de descompresión de ciclo de Rankine orgánico mejorado
Descripción detallada del modo de realización preferido
La invención se describirá ahora con referencia la figura 1 que muestra la disposición ordenada del equipo requerido para implementar el motor 100 térmico de descompresión de ciclo de Rankine orgánico mejorado. El motor 100 térmico mejorado, que utiliza un ciclo de Rankine orgánico altamente especializado, proporciona una trayectoria en bucle cerrado sellada para un refrigerante 101 orgánico que tiene un punto de ebullición por debajo de -35 grados Celsius. Los elementos de la trayectoria en bucle cerrado se enumerarán posteriormente. El motor 100 térmico mejorado también incluye una fuente 103 térmica de fluido de bajo grado que tiene una temperatura de menos de 82 grados Celsius. En casi todos los casos, es preferible que la fuente 103 térmica de fluido sea una fuente térmica de agua caliente, ya que es posible una rápida trasferencia térmica debido al alto calor específico del agua (1 caloría/gramo °C = 4,186 julio/gramo °C), que es más alto que el de cualquier otra sustancia común. Dichas fuentes térmicas de bajo grado son extremadamente abundantes. Las mismas pueden, por ejemplo, ser agua geotérmica, agua refrigerante de reactores nucleares o de procesos industriales, y muchas otras fuentes que sean considerado, hasta ahora de temperatura demasiado baja para ser útiles en un proceso de recuperación de energía. También es ciertamente concebible que la fuente 103 térmica de fluido pueda consistir en gases calientes. Sin embargo, dicho escenario requerirá un intercambiador mucho más grande que el que se requeriría para una fuente de agua caliente.
Una diferencia principal entre el motor 100 térmico mejorado de la presente invención y los motores térmicos divulgados previamente que emplean ciclos de Rankine orgánicos convencionales es el uso, en este motor térmico, de refrigerantes orgánicos que tienen un peso molecular muy bajo y puntos de ebullición muy bajos. En esencia, el motor 100 térmico mejorado es efectivo debido a su habilidad para mantener un diferencial de presión relativamente alto de aproximadamente entre 20 a 42 bar en lados opuestos de un descompresor 105 de desplazamiento positivo altamente eficiente. Aunque para un modo de realización preferido actualmente del motor 100 térmico mejorado, se utiliza un descompresor de desplazamiento orbital fabricado por la compañía danesa Danfoss, también se podrían utilizar compresores de desplazamiento orbital (modificados para uso como descompresor es) de otros fabricantes, tales como Trane, Copeland, Emerson Electric y Bristol. Adicionalmente, otros tipos de descompresor es de desplazamiento positivo se pueden sustituir por un descompresor de desplazamiento orbital. Por ejemplo, se pueden utilizar bombas de tipo Roots, bombas starrotor y bombas de doble lóbulo casi con toda seguridad con éxito. En cualquier caso, el uso de un descompresor 105 de desplazamiento positivo altamente eficiente permite que el motor 100 térmico mejorado sea utilizado para generar energía eléctrica a partir de fuentes térmicas de bajo grado que han sido hasta ahora ignoradas. El motor 100 térmico mejorado también incluye un disipador 107 térmico que está a una temperatura que es menor que o igual a la temperatura ambiente. Aunque el disipador 107 térmico es, idealmente, una fuente de agua fría fluida, tal como de un manantial o estanque que está a menos de la temperatura ambiente, se puede emplear un disipador térmico que utiliza aire ambiente, pero con una caída de eficiencia resultante del motor 100 térmico.
Otro componente del motor 100 térmico mejorado que es crítico para mantener el diferencial de presión de entre aproximadamente 20 a 42 bar en lados opuestos del descompresor es una bomba 109 hidráulica de desplazamiento positivo. La única función de la bomba 109 hidráulica que es accionada por un primer motor 111 eléctrico, es transferir el refrigerante 101, en su estado líquido, desde una zona a baja presión a una zona a alta presión. En dicha capacidad, la bomba 109 hidráulica debe mover el líquido refrigerante mientras que coincide la presión en la zona de alta presión. A partir de la toma 113 de salida de la bomba 109 hidráulica a una toma 115 de admisión del descompresor 105, el refrigerante 101 orgánico viaja en la zona de alta presión del motor 100 térmico. Del mismo modo, desde las tomas 117 de escape del descompresor 105 a la toma 119 de entrada de la bomba 109 hidráulica, el refrigerante 101 orgánico viaja en la zona de baja presión del motor 100 térmico. A modo de aclaración, debería mencionarse que las cabezas de flecha cercanas a los bordes externos del bloque rectangular que representa el descompresor 105 simbolizan las tomas de escape, así como su ubicación y dirección relativas. Debería observarse que las tomas 117 de escape están cubiertas por un primer separador 121 de aceite poroso.
Todavía con referencia a la figura 1, desde la toma 113 de salida de la bomba 109 hidráulica, el refrigerante 101 orgánico, en general en su estado líquido, entra en un tanque 123 de contención de presión de refrigerante frío con forma excéntrica. Debido a la forma del tanque 123 de contención, suficiente vapor de refrigerante llega a quedar atrapado en el tanque 123 de contención de manera que puede servir como un amortiguador de pulsaciones para mitigar el efecto de ariete del fluido a medida que la bomba hidráulica transfiere el refrigerante desde la zona de baja presión a la zona de alta presión. Desde el tanque 123 de contención, el refrigerante fluye a través de una válvula 125 de retención camino a un intercambiador 127 térmico de calentamiento de refrigerante. Desde el intercambiador 127 térmico de calentamiento de refrigerante, el refrigerante fluye a un potenciador 129 de vapor a alta presión, que es, esencialmente, un intercambiador de calor de tubo fino, tubular, orientado verticalmente. Se observará que el agua caliente de la fuente 103 térmica de agua caliente entra cerca de la parte superior del potenciador 129 de vapor de alta presión a través de una toma 131 de entrada de agua caliente y sale cerca de la parte inferior del mismo a través de una toma 133 de salida de agua caliente, mientras el refrigerante entra en la parte inferior del potenciador 129 de vapor a alta presión y sale en la parte superior del mismo. El potenciador 129 de vapor a alta presión asegura que el refrigerante 101, a medida que pase a través del mismo, es vaporizado instantáneamente a un vapor sobrecalentado, en cuyo estado se desplaza hasta la toma 115 de admisión del descompresor 105. Las tuberías 139 están dimensionadas para mantener este estado de vapor a alta presión. Después de que el agua caliente de la fuente 103 térmica abandona la toma 133 de salida, es conducida a una toma 135 de entrada de agua caliente cerca de la parte superior del intercambiador 127 térmico de calentamiento de refrigerante. Después de que se transfiere el calor al refrigerante orgánico, abandona el intercambiador 127 térmico de calentamiento de refrigerante a través de la toma 137 de salida de agua caliente. Una primera válvula 141 actuadora sirve como una válvula de descarga de presión para el vapor de refrigerante sobrecalentado que abandona el potenciador 129 de vapor de alta presión. En dicha capacidad de limitación de presión, la primera válvula 141 actuadora dirige el exceso de calor a la zona de baja presión, y también sirve como válvula de baipás para una operación previa al inicio o posterior a la ejecución. Una segunda válvula 143 actuadora controla la presión del vapor de refrigerante sobrecalentado que entra en el descompresor 105.
Todavía con referencia la figura 1, el descompresor 105 está ubicado dentro de una carcasa 145 de máquina motriz primaria, que también alberga a un generador 147 de alta eficiencia que esté acoplado mecánicamente al descompresor 105 de desplazamiento positivo. Aceite 149 lubricante está contenido en un depósito 151, que está separado del generador 147 mediante un protector 153 térmico que tiene algunas pequeñas aberturas en el mismo, que permite al aceite drenar dentro del depósito 151. El aceite lubricante contenido en el depósito 151 se calienta mediante un bucle 153 de agua caliente que comienza en la toma 131 de entrada de agua caliente del potenciador 129 de vapor de alta presión y termina en la toma 137 de salida de agua caliente del intercambiador 127 térmico de calentamiento de refrigerante. La temperatura del aceite lubricante en el depósito 151 es controlada mediante un termostato 155 y un solenoide 157 de control de flujo. El aceite 149 lubricante se hace circular mediante una bomba 159 de aceite accionada por un segundo motor 161 eléctrico y se inyecta en la toma 115 de admisión del descompresor 105. Las funciones primarias del aceite 149 lubricante son lubricar y ayudar a sellar los pequeños huecos entre el desplazamiento estacionario y el desplazamiento orbital del descompresor 105, por lo tanto mejorando la eficiencia del descompresor 105. De forma alternativa, el aceite 149 lubricante puede hacerse circular mediante una bomba de aceite interna dentro del árbol de accionamiento del descompresor 105 de desplazamiento positivo. Después de que el vapor de refrigerante ha escapado de las tomas 117 de escape del descompresor 105, entra en la zona de baja presión y pasa a través del primer separador 121 de aceite poroso, que retira la mayoría del aceite lubricante del vapor de refrigerante. El aceite retirado pasa a través de aberturas 163 en un anillo 165 de barrera de gas de escape y después se drena a través del protector 153 térmico en el depósito 151 de aceite. El vapor de refrigerante entonces entra en la tubería 167 de escape y se desplaza hasta una cámara 169 de vapor de expansión, que contiene un segundo separador 171 de aceite poroso. El aceite retirado del vapor de refrigerante por el separador 171 de aceite vuelve, por gravedad, al depósito 151 de aceite a través del tubo 173 de retorno. Se observará que la cámara 169 de expansión de vapor tiene un tubo 174 de salida que se extiende dentro de la carcasa 175 de cámara, por lo tanto haciendo más difícil para el aceite escapar de la Cámara 169 de expansión a través de la trayectoria de escape de refrigerante normal. La refrigeración del generador 147, junto con el equilibrio de presión para la carcasa 145 de la máquina motriz principal se logra con una válvula 177 actuadora y tuberías 179 de equilibrio de presión desde la carcasa 145 de la máquina motriz principal hasta la parte superior de la carcasa 175 de cámara.
Todavía con referencia la figura 1, desde la cámara 169 de expansión de vapor, el vapor de refrigerante pasa dentro de una extensión 181 de cámara de expansión con forma excéntrica, que también está conectada en su vértice a las tuberías 179 de equilibrio de presión. Se observará que hay un primer serpentín 183 de subenfriamiento dentro de la extensión 181 de cámara de expansión. Se observará adicionalmente que el primer serpentín 183 de subenfriamiento ventila dentro de la extensión de cámara de expansión, donde el gas que está escapando del serpentín 183 se une al vapor de refrigerante que ha sido liberado desde el descompresor 105. Debido al efecto de expansión y enfriamiento, el vapor de refrigerante comienza condensarse en un líquido. Debería entenderse que la propensión del vapor de refrigerante a condensarse está directamente relacionada con la cantidad de carga de líquido refrigerante mantenida en la zona de baja presión. Desde la extensión 181 de cámara de expansión, el vapor de condensación se mueve hasta un intercambiador 185 térmico de enfriamiento de refrigerante, donde el calor del refrigerante es transferido al disipador 107 térmico, que es de forma preferible una fuente de agua fría. Desde el intercambiador 185 térmico de enfriamiento de refrigerante, el vapor de refrigerante de condensación pasa a través de una unidad 187 de filtrado/secadora, que retira cualquier humedad del agua y cualquier partícula sólida del refrigerante de condensación. Desde la unidad 187 de filtrado/secadora, el refrigerante 101 en su mayor parte condensado entra en un tanque 189 de refrigerante orientado verticalmente de área en sección trasversal que se estrecha en dirección descendente y decreciente en dirección descendente, que emplea la gravedad para asegurar una densidad máxima de refrigerante 101 en su estado líquido a medida que entra en la toma 119 de entrada de la bomba 109 hidráulica. Se observará que el tanque 189 de refrigerante orientado verticalmente está también conectado a las tuberías 179 de equilibrio de presión. Se observará adicionalmente que un segundo serpentín 191 de subenfriamiento, que está instalado dentro del tanque 189 de refrigerante, se puede utilizar para enfriar adicionalmente el refrigerante condensado antes de que entre en la bomba 109 hidráulica. Una válvula 193 dosificadora proporciona una caída de presión para cualquiera de líquido o el vapor a presión almacenados dentro del tanque 123 de contención. Este líquido o vapor liberado pasa, primero, a través del segundo serpentín 191 de subenfriamiento, posteriormente, a través del primer serpentín 183 de subenfriamiento, por lo tanto ayudando en la condensación y el enfriamiento del vapor de refrigerante en la extensión 181 de cámara de expansión y el refrigerante líquido en el tanque 189 de refrigerante orientado verticalmente.
Todavía con referencia la figura 1, una válvula 195 de descarga de presión protege a la zona de alta presión de eventos accidentales o involuntarias de sobrepresión. El vapor liberado y/o el refrigerante líquido se libera hacia la toma 197 de entrada de la unidad 187 de filtrado/secadora. Adicionalmente, una válvula 199 actuadora permite un alivio de presión controlado para el sistema de inicio previo con el fin de purgar cualquier vapor de refrigerante desde la bomba 109 hidráulica. Una vez más, el vapor liberado y/o el refrigerante líquido es liberado hacia la toma 197 de entrada de la unidad 187 de filtrado/secadora.

Claims (9)

REIVINDICACIONES
1. Un motor térmico que emplea un ciclo de Rankine orgánico que comprende:
un refrigerante (101) orgánico que muestra un punto de ebullición atmosférico por debajo de -35 grados Celsius;
un disipador (107) térmico;
una trayectoria en bucle cerrado sellada para el refrigerante orgánico, teniendo la trayectoria en bucle cerrado sellada tanto una zona de alta presión que absorbe calor de la fuente (103) térmica de agua caliente que tiene una temperatura de menos de 82 grados Celsius, y que contiene una primera porción del refrigerante orgánico en al menos una fase gaseosa, y una zona de baja presión que transfiere calor al disipador térmico, y que contiene una segunda porción del refrigerante orgánico en al menos una fase líquida;
un descompresor (105) de desplazamiento positivo que proporciona un gradiente de presión a través del cual el refrigerante orgánico en la fase gaseosa fluye de forma continua desde la zona de alta presión a la zona de baja presión, manteniendo el descompresor de desplazamiento positivo un diferencial de presión entre la zona de alta presión y la zona de baja presión de entre aproximadamente 20 bar y aproximadamente 42 bar, extrayendo el descompresor de desplazamiento positivo energía mecánica debida al gradiente de presión;
un generador (147) eléctrico acoplado al descompresor de desplazamiento positivo que convierte la energía mecánica extraída en energía eléctrica; y
una bomba (109) hidráulica de desplazamiento positivo para proporcionar un flujo continuo del refrigerante orgánico en la fase líquida desde la zona de baja presión a la zona de alta presión, caracterizado por que además comprende
un tanque (189) de refrigerante orientado verticalmente de un área en sección trasversal que se estrecha en dirección descendente y decreciente en dirección descendente, el tanque de refrigerante orientado verticalmente configurado para emplear gravedad para asegurar una densidad máxima del refrigerante orgánico en la fase líquida a medida que el refrigerante orgánico entra en la bomba hidráulica de desplazamiento positivo.
2. El motor térmico de la reivindicación 1, que además comprende un aceite (149) lubricante que en general es inmiscible con el refrigerante orgánico, en donde el aceite lubricante circula a través de la trayectoria en bucle cerrado sellada y realiza funciones de lubricación de sellado en el descompresor de desplazamiento positivo.
3. El motor térmico de la reivindicación 1, en el que el descompresor de desplazamiento positivo es seleccionado del grupo que consiste en bombas de desplazamiento orbital, Roots, starrotor y de doble lóbulo.
4. El motor térmico de la reivindicación 1, que además comprende un tanque (123) de contención de refrigerante de forma excéntrica que sirve como un amortiguador de pulsaciones para mitigar el efecto de ariete del fluido a medida que la bomba hidráulica de desplazamiento positivo transfiere el refrigerante orgánico desde la zona de baja presión a la zona de alta presión.
5. El motor térmico de la reivindicación 1, en el que el refrigerante orgánico muestra un punto de ebullición atmosférico por debajo de -40 grados Celsius.
6. El motor térmico de la reivindicación 1, en el que el refrigerante orgánico muestra un punto de ebullición atmosférico por debajo de -45 grados Celsius.
7. El motor térmico de la reivindicación 1, en el que la zona de alta presión comprende un intercambiador (129) térmico tubular orientado verticalmente que tiene una entrada (131) para agua desde la fuente térmica de agua caliente en una porción superior del mismo y una salida (133) para el agua desde la fuente térmica de agua caliente en una porción inferior del mismo, una entrada para el refrigerante orgánico en la fase gaseosa en la porción inferior del mismo y una salida para el refrigerante orgánico en la fase gaseosa en la porción superior del mismo, en donde el refrigerante orgánico en la fase gaseosa que sale del intercambiador de calor tubular orientado verticalmente entra directamente en la entrada del descompresor de desplazamiento positivo, creando el intercambiador térmico tubular verticalmente orientado un gradiente de temperatura ayudado por la gravedad, cuyo gradiente de temperatura asegura que el refrigerante orgánico en la fase gaseosa salga del intercambiador de calor tubular que absorbe una cantidad máxima de calor desde la fuente térmica de agua caliente y logra una densidad mínima.
8. El motor térmico de la reivindicación 1, que además comprende al menos dos separadores (121, 171) de aceite situados en serie para extraer aceite del refrigerante orgánico en la fase gaseosa.
9. El motor térmico de la reivindicación 1, que además comprende al menos un serpentín (183) de refrigeración dentro de la zona de baja presión, recibiendo el al menos un serpentín de refrigeración refrigerante orgánico presurizado desde la zona de alta presión antes de que el refrigerante orgánico se caliente desde la fuente térmica de agua caliente, por lo tanto permitiendo un subenfriamiento mejorado de la zona de baja presión.
ES14749586T 2013-02-05 2014-02-05 Motor térmico con descompresión de ciclo de Rankine orgánico mejorado Active ES2849436T3 (es)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201361761115P 2013-02-05 2013-02-05
US201361817862P 2013-04-30 2013-04-30
US201361841610P 2013-07-01 2013-07-01
PCT/US2014/014965 WO2014124061A1 (en) 2013-02-05 2014-02-05 Improved organic rankine cycle decompression heat engine

Publications (1)

Publication Number Publication Date
ES2849436T3 true ES2849436T3 (es) 2021-08-18

Family

ID=51300117

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES14749586T Active ES2849436T3 (es) 2013-02-05 2014-02-05 Motor térmico con descompresión de ciclo de Rankine orgánico mejorado

Country Status (16)

Country Link
US (2) US9745870B2 (es)
EP (1) EP2954177B1 (es)
JP (1) JP6502859B2 (es)
CA (1) CA2900257C (es)
CY (1) CY1123876T1 (es)
DK (1) DK2954177T3 (es)
ES (1) ES2849436T3 (es)
HR (1) HRP20210222T1 (es)
HU (1) HUE053566T2 (es)
LT (1) LT2954177T (es)
PL (1) PL2954177T3 (es)
PT (1) PT2954177T (es)
RS (1) RS61465B1 (es)
RU (1) RU2660716C2 (es)
SI (1) SI2954177T1 (es)
WO (1) WO2014124061A1 (es)

Families Citing this family (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
PL2954177T3 (pl) 2013-02-05 2021-05-31 Heat Source Energy Corp. Ulepszony silnik cieplny z dekompresją wykorzystujący organiczny obieg rankine’a
CA2903784C (en) 2013-03-04 2021-03-16 Echogen Power Systems, L.L.C. Heat engine systems with high net power supercritical carbon dioxide circuits
US9385574B1 (en) * 2013-06-26 2016-07-05 Ever Source Science & Technology Development Co., Ltd. Heat transfer fluid based zero-gas-emission power generation
ES2689924T3 (es) * 2014-08-29 2018-11-16 Siemens Aktiengesellschaft Aerogenerador con un tren motriz
US10570777B2 (en) 2014-11-03 2020-02-25 Echogen Power Systems, Llc Active thrust management of a turbopump within a supercritical working fluid circuit in a heat engine system
CN107407164A (zh) * 2014-12-18 2017-11-28 艾克竣电力系统股份有限责任公司 被动的交流发电机减压和冷却系统
CN104832967B (zh) * 2015-04-03 2018-07-20 陈新 模块化组合式智能集热器系统
PT3303779T (pt) * 2015-06-02 2019-06-12 Heat Source Energy Corp Motores tèrmicos, sistemas de fornecimento de refrigerante pressurizado e métodos relacionados
GB2567858B (en) * 2017-10-27 2022-08-03 Spirax Sarco Ltd Heat engine
US11187112B2 (en) 2018-06-27 2021-11-30 Echogen Power Systems Llc Systems and methods for generating electricity via a pumped thermal energy storage system
WO2021001671A1 (es) * 2019-07-01 2021-01-07 La Espectativa Sa Proceso de presurización por combinación de expansión térmica y cambios de estado súbitos
IT201900015770A1 (it) * 2019-09-06 2021-03-06 Ivar Spa Nuovo ciclo combinato seol
MX2022002622A (es) * 2019-09-06 2022-03-25 Ivar Spa Nuevo ciclo termodinamico con alta recuperacion de energia.
IT201900015776A1 (it) * 2019-09-06 2021-03-06 Ivar Spa Macchina termica configurata per realizzare cicli termici e metodo per realizzare cicli termici
US11435120B2 (en) 2020-05-05 2022-09-06 Echogen Power Systems (Delaware), Inc. Split expansion heat pump cycle
GB2597900B (en) * 2020-06-11 2022-08-24 Katrick Tech Limited Heat engine and method of manufacture
CN111810268A (zh) * 2020-08-11 2020-10-23 四川大学 热端恒温导热型余热发电装置
JP2024500375A (ja) 2020-12-09 2024-01-09 スーパークリティカル ストレージ カンパニー，インコーポレイティド ３貯蔵器式電気的熱エネルギー貯蔵システム
US11592009B2 (en) 2021-04-02 2023-02-28 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods for generation of electrical power at a drilling rig
US11421663B1 (en) 2021-04-02 2022-08-23 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods for generation of electrical power in an organic Rankine cycle operation
US11486370B2 (en) 2021-04-02 2022-11-01 Ice Thermal Harvesting, Llc Modular mobile heat generation unit for generation of geothermal power in organic Rankine cycle operations
US11187212B1 (en) 2021-04-02 2021-11-30 Ice Thermal Harvesting, Llc Methods for generating geothermal power in an organic Rankine cycle operation during hydrocarbon production based on working fluid temperature
US11326550B1 (en) 2021-04-02 2022-05-10 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods utilizing gas temperature as a power source
US11480074B1 (en) 2021-04-02 2022-10-25 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods utilizing gas temperature as a power source
US11644015B2 (en) 2021-04-02 2023-05-09 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods for generation of electrical power at a drilling rig
US11493029B2 (en) 2021-04-02 2022-11-08 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods for generation of electrical power at a drilling rig
US11293414B1 (en) 2021-04-02 2022-04-05 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods for generation of electrical power in an organic rankine cycle operation

Family Cites Families (36)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3603087A (en) * 1969-06-27 1971-09-07 Cci Aerospace Corp Dual fluid rankine cycle powerplant
US4024908A (en) * 1976-01-29 1977-05-24 Milton Meckler Solar powered heat reclamation air conditioning system
JPS5934956B2 (ja) * 1977-04-25 1984-08-25 日立造船株式会社 温水の熱回収システム等において使用せられる蒸発器
JPS5781105A (en) * 1980-11-10 1982-05-21 Chiyoda Chem Eng & Constr Co Ltd Method for recovery of power from lng through rankine cycle
JPS5815167A (ja) 1981-07-21 1983-01-28 Hitachi Ltd 電気機器巻線の放電位置測定装置
JPS5815167U (ja) * 1981-07-22 1983-01-29 株式会社東芝 熱駆動式冷凍装置
US4484446A (en) * 1983-02-28 1984-11-27 W. K. Technology, Inc. Variable pressure power cycle and control system
JPS6065211A (ja) * 1983-09-21 1985-04-15 Hitachi Ltd Ｌνｇ冷熱発電設備の運転方法
JP2546868B2 (ja) * 1987-12-28 1996-10-23 株式会社 日阪製作所 熱併給バイナリー発電装置
RU2169271C1 (ru) * 1999-12-06 2001-06-20 Султанов Адхам Закирович Теплоэлектроцентраль с кольцевыми водяными, паровыми котлами
US6598397B2 (en) * 2001-08-10 2003-07-29 Energetix Micropower Limited Integrated micro combined heat and power system
US6594997B2 (en) * 2001-10-09 2003-07-22 Pat Romanelli Vapor engines utilizing closed loop fluorocarbon circuit for power generation
US7019412B2 (en) * 2002-04-16 2006-03-28 Research Sciences, L.L.C. Power generation methods and systems
US7971449B2 (en) 2004-08-14 2011-07-05 State Of Oregon Acting By And Through The State Board Of Higher Education On Behalf Of Oregon State University Heat-activated heat-pump systems including integrated expander/compressor and regenerator
JP4654655B2 (ja) 2004-10-19 2011-03-23 株式会社デンソー 蒸気圧縮式冷凍機
GB0501630D0 (en) * 2005-01-28 2005-03-02 Thermal Energy Systems Ltd Heat pump
US20060236698A1 (en) * 2005-04-20 2006-10-26 Langson Richard K Waste heat recovery generator
JP4077868B2 (ja) * 2005-10-26 2008-04-23 松下電器産業株式会社 膨張機を用いたヒートポンプ応用機器
US7637108B1 (en) 2006-01-19 2009-12-29 Electratherm, Inc. Power compounder
DE102007020086B3 (de) * 2007-04-26 2008-10-30 Voith Patent Gmbh Betriebsflüssigkeit für einen Dampfkreisprozess und Verfahren für dessen Betrieb
EP2014880A1 (en) * 2007-07-09 2009-01-14 Universiteit Gent An improved combined heat power system
US20100034684A1 (en) 2008-08-07 2010-02-11 General Electric Company Method for lubricating screw expanders and system for controlling lubrication
US8006496B2 (en) * 2008-09-08 2011-08-30 Secco2 Engines, Inc. Closed loop scroll expander engine
JP4935935B2 (ja) 2008-12-18 2012-05-23 三菱電機株式会社 排熱回生システム
RU2435050C2 (ru) * 2009-03-13 2011-11-27 Общество С Ограниченной Ответственностью "Центр Кортэс" Энергоаккумулирующая установка
CN101614139A (zh) 2009-07-31 2009-12-30 王世英 多循环发电热力系统
US20110175358A1 (en) * 2010-01-15 2011-07-21 Richard Langson One and two-stage direct gas and steam screw expander generator system (dsg)
US20120006023A1 (en) 2010-03-22 2012-01-12 Keith Sterling Johnson Loop thermal energy system
EP2551613B1 (en) * 2010-03-25 2017-10-11 Mitsubishi Electric Corporation Refrigeration cycle apparatus and method for operating same
DE102010022408B4 (de) * 2010-06-01 2016-11-24 Man Truck & Bus Ag Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines Dampfkreisprozesses mit geschmiertem Expander
JP2012202369A (ja) * 2011-03-28 2012-10-22 Aisin Seiki Co Ltd 蒸発器一体型熱ポンプおよびランキンサイクル装置
JP5592305B2 (ja) * 2011-04-15 2014-09-17 株式会社神戸製鋼所 発電装置
US20120291433A1 (en) * 2011-05-19 2012-11-22 Ning Meng Low temperature rankine cycle solar power system with low critical temperature hfc or hc working fluid
JP5891614B2 (ja) * 2011-06-27 2016-03-23 株式会社Ihi 廃熱発電装置
CN105074140A (zh) 2013-01-28 2015-11-18 伊顿公司 具有润滑回路的有机朗肯循环系统
PL2954177T3 (pl) 2013-02-05 2021-05-31 Heat Source Energy Corp. Ulepszony silnik cieplny z dekompresją wykorzystujący organiczny obieg rankine’a

Also Published As

Publication number Publication date
PT2954177T (pt) 2021-02-15
HUE053566T2 (hu) 2021-07-28
JP6502859B2 (ja) 2019-04-17
LT2954177T (lt) 2021-02-25
US20150369086A1 (en) 2015-12-24
EP2954177A4 (en) 2016-11-16
US10400635B2 (en) 2019-09-03
RU2015137839A (ru) 2017-03-10
RS61465B1 (sr) 2021-03-31
US20170335724A1 (en) 2017-11-23
EP2954177B1 (en) 2021-01-13
EP2954177A1 (en) 2015-12-16
CA2900257C (en) 2020-10-06
CY1123876T1 (el) 2022-05-27
JP2016513201A (ja) 2016-05-12
SI2954177T1 (sl) 2021-04-30
US9745870B2 (en) 2017-08-29
RU2660716C2 (ru) 2018-07-09
CA2900257A1 (en) 2014-08-14
DK2954177T3 (da) 2021-02-15
HRP20210222T1 (hr) 2021-03-19
WO2014124061A1 (en) 2014-08-14
PL2954177T3 (pl) 2021-05-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ES2849436T3 (es) Motor térmico con descompresión de ciclo de Rankine orgánico mejorado
Karellas et al. Supercritical fluid parameters in organic Rankine cycle applications
Rahbar et al. Review of organic Rankine cycle for small-scale applications
Quoilin et al. Techno-economic survey of Organic Rankine Cycle (ORC) systems
ES2914078T3 (es) ORC para transformar calor residual de una fuente de calor en energía mecánica y sistema de refrigeración que hace uso de tal ORC
ES2332134T3 (es) Procedimiento y dispositivo para la ejecucion de un ciclo termodinamico.
ES2848307T3 (es) Sistema y método de recuperación de energía térmica residual
ES2402073T3 (es) Instalación y procedimiento asociado para la conversión de energía calorífica en nergía mecánica, eléctrica y/o térmica
US20150135714A1 (en) Pressure power unit
CA2867120C (en) System and method for recovery of waste heat from dual heat sources
US20200332681A1 (en) Gas turbine plant and operation method therefor
Ovsyannik et al. Thermodynamic analysis and optimization of low-boiling fluid parameters in a turboexpander
Kaczmarczyk et al. The experimental investigation of the biomass-fired ORC system with a radial microturbine
Klemencic et al. Comparison of conventional and CO2 power generation cycles for waste heat recovery
Saadatfar et al. Thermodynamic vapor cycles for converting low-to medium-grade heat to power: a state-of-the-art review and future research pathways
JP2022537062A (ja) バイナリーサイクル発電システム
TWM527042U (zh) 地熱濕蒸氣發電系統
Hijriawan et al. Organic Rankine Cycle (ORC) system in renewable and sustainable energy development: A review of the utilization and current conditions for small-scale application
Mihók et al. Low-Temperature Organic Rankine Cycles Using Natural Working Fluids
ES2601582B1 (es) Sistema termodinámico para la generación de energía eléctrica.
WO2016020706A1 (en) Thermodynamic system for powering an engine using an external thermal energy source
JP2024002520A (ja) 発電システム
US20170306807A1 (en) Systems and Methods for Improving Power Plant Efficiency
ES2436717A2 (es) Planta térmica de dos ciclos rankine en serie para instalaciones de regasificación de gas natural licuado
Lombard et al. Small scale organic Rankine cycle for solar applications