ES2886624T3

ES2886624T3 - Un expansor, un sistema de ciclo de Rankine orgánico que comprende un expansor de este tipo y un método para producir un sistema de ciclo de Rankine orgánico que comprende un expansor de este tipo

Info

Publication number: ES2886624T3
Application number: ES17728491T
Authority: ES
Inventors: David Frykerås; Joakim Wren
Original assignee: Againity AB
Current assignee: Againity AB
Priority date: 2016-06-01
Filing date: 2017-05-31
Publication date: 2021-12-20
Anticipated expiration: 2037-05-31
Also published as: EP3901417A1; SE540782C2; WO2017207615A1; LT3464835T; DK3464835T3; SE1650765A1; EP3464835B1; PL3464835T3; EP3464835A1

Abstract

Un expansor (4) para su uso a una temperatura de operación interior máxima de menos de o aproximadamente 180 °C, comprendiendo el expansor: - un alojamiento con una superficie interior cilíndrica; - una cubierta estacionaria(25) dispuesta a lo largo de una circunferencia interior de la superficie interior del alojamiento y con una primera superficie (31) dirigida generalmente radialmente hacia dentro expuesta al interior del alojamiento; - un rotor (30) montado en dicho alojamiento y que puede girar alrededor de un eje central longitudinal de dicho alojamiento; - una pluralidad de álabes (10) o álabes cubiertos (10') dispuestos circunferencialmente alrededor de dicho rotor (30) y que se extienden sustancialmente de forma radial desde dicho rotor hacia la primera superficie de la cubierta estacionaria (25), en donde los álabes (10) o las álabes cubiertos (10') están dispuestos de tal forma que cuando el expansor (4) está en una condición previa a la operación, se forma un espacio sustancialmente radial (r) entre una superficie de una punta radialmente más exterior del álabes (10) o los álabes cubiertos (10') y la primera superficie (31) de la cubierta estacionaria (25); caracterizado por que el material de los álabes (10), o álabes cubiertos (10'), y de la cubierta estacionaria (25) comprende al menos el 80 % atómico de aluminio, y los álabes (10) o álabes cubiertos (10') y al menos la primera superficie (31) de la cubierta estacionaria (25) presentan una capa superficial (20) que tiene un espesor (d) de 1 a 1000 μm y una dureza Vickers media de 400 HV o más, de tal forma que el espacio (r) se define entre dos superficies que presentan dicha capa superficial (20).

Description

DESCRIPCIÓN

Un expansor, un sistema de ciclo de Rankine orgánico que comprende un expansor de este tipo y un método para producir un sistema de ciclo de Rankine orgánico que comprende un expansor de este tipo

Campo técnico

La presente divulgación se refiere a un expansor para su uso a una temperatura de operación interior máxima de menos de o aproximadamente 180 °C, al uso de un expansor de este tipo, a un sistema de ciclo de Rankine orgánico que comprende un expansor de este tipo, y a un método para producir un sistema de ciclo de Rankine orgánico que comprende un expansor de este tipo.

Técnica naterior

Una central térmica transforma la energía de una fuente de calor en trabajo. El ciclo de Rankine es el ciclo termodinámico que se realiza con mayor frecuencia en las centrales térmicas. Este ciclo implica un fluido de trabajo que se calienta y, al menos en parte, se vaporiza a una presión relativamente alta en una caldera, y posteriormente se expande a través de una turbina o dispositivo similar en el que la energía interior y/o la energía de flujo en el fluido de trabajo se convierte en trabajo y, a partir de entonces, se convierte fácilmente en electricidad mediante un generador. Después de la turbina, el fluido de trabajo está a una temperatura y presión más bajas que antes de la turbina, y se enfría más, ya sea directamente en un condensador o pasando primero a través de un recuperador en el que parte de la energía del fluido de trabajo se reutiliza en el ciclo.

En un ciclo de Rankine orgánico (ORC), el fluido de trabajo es un fluido orgánico, a menudo un fluido de masa molecular relativamente alta con un cambio de fase líquido-vapor, o punto de ebullición, que se produce a una temperatura más baja que el cambio de fase agua-vapor. Ejemplos de tales fluidos son pentano y R245FA. En muchos sistemas o Rc , esto da como resultado una rotación más lenta de la turbina de vapor, menor presión en la turbina de vapor y menos etapas de turbina que en las turbinas de vapor de ciclo Rankine estándar. Otra ventaja de la mayoría de los fluidos orgánicos que se pueden utilizar en un ORC es que se consideran "secos", lo que significa que no hay riesgo de condensación en la turbina mientras la entropía aumente o sea constante a través de la turbina, que es casi siempre el caso en la práctica.

El ORC permite la recuperación de calor de fuentes de calor de baja temperatura, tal como el calor residual industrial, calor geotérmico, gases de escape de combustión de biomasa y sistemas de calor solar. El calor a baja temperatura se convierte en trabajo útil que se puede convertir, por ejemplo, en electricidad. La eficiencia de un ORC es normalmente menor que un ciclo Rankine estándar como resultado de la diferencia de temperatura más baja entre el suministro de calor en la caldera y el rechazo de calor en el condensador. El beneficio es que el ORC funciona de forma eficiente a temperaturas más bajas que el ciclo Rankine de vapor de agua debido al punto de ebullición más bajo del ORC, y que el ORC es algo más fácil de realizar de forma rentable para pequeñas centrales térmicas (producción de electricidad < 1 MW).

Otro ciclo termodinámico que permite la recuperación de calor de fuentes de calor de baja temperatura es el ciclo de Kalina, que utiliza un fluido de trabajo gaseoso en expansión que incluye al menos dos componentes que tienen diferentes puntos de ebullición para transformar su energía en una forma utilizable. El ciclo de Kalina utiliza a menudo una mezcla de amoníaco y agua como fluido de trabajo.

Los ciclos termodinámicos, tales como los ORC, ciclos Kalina y similares, que transforman la energía de una fuente de calor a baja temperatura en una forma utilizable son de creciente interés para la producción de electricidad en áreas en las que se generan grandes cantidades de calor residual.

Los sistemas de ciclos termodinámicos tales como los sistemas ORC, sistemas de ciclo de Kalina o sistemas de ciclo similares que se utilizan en la actualidad son, sin embargo, bastante costosos con respecto a la producción, costes de material y operativos, porque el tiempo transcurrido desde la compra hasta la amortización es largo.

El documento EP 2 275 688 A2 se refiere a un impulsor para una pieza de turbomáquinas y a un método de producción para producir dicho impulsor de turbomáquinas. El impulsor puede estar hecho de una aleación ligera tal como, por ejemplo, aluminio, titanio, magnesio o cualquier otra aleación a base de metal ligero, y se puede usar al menos una capa de revestimiento niquelado para aumentar la protección contra la erosión.

El documento US 3 802 186 A se refiere a un método de generación de energía mediante la operación de un sistema de ciclo de Rankine orgánico, en el que se utiliza tetracloroetileno como fluido de trabajo. Se describe que pueden usarse álabes de turbina de metales ligeros tales como aluminio o plásticos factibles para la construcción de álabes de turbina.

El documento US 6 159618 A se refiere a un material multicapa que comprende un sustrato hecho de aluminio, magnesio o una de sus aleaciones, y un revestimiento antierosión, antiabrasión y antidesgaste que comprende un depósito a base de tungsteno. El material se puede utilizar, por ejemplo, para hélices, álabes del rotor y del compresor de motores de aeronaves o álabes de turbina de centrales eléctricas.

Sumario de la invención

En vista de lo anterior, un objetivo de esta divulgación es presentar un expansor que sea menos costoso con respecto a la producción, costes de material y operativos que los expansores utilizados en sistemas de ciclos termodinámicas conocidos para convertir el calor de fuentes de calor de baja temperatura en trabajo. También un objetivo es proporcionar un uso de un expansor de este tipo, un sistema de ciclo de Rankine orgánico que comprende un expansor de este tipo y un método para producir un sistema de ciclo orgánico que comprende un expansor de este tipo.

La invención está definida por las reivindicaciones independientes adjuntas. Las realizaciones se establecen en las reivindicaciones dependientes, en los dibujos adjuntos y en la siguiente descripción.

De acuerdo con un primer aspecto, se proporciona un expansor para su uso a una temperatura de operación interior máxima de menos de o aproximadamente 180 °C, comprendiendo el expansor un alojamiento con una superficie interior cilíndrica, una cubierta estacionaria dispuesta a lo largo de una circunferencia interior de la superficie interior del alojamiento y con una primera superficie generalmente dirigida radialmente hacia dentro expuesta al interior del alojamiento, y un rotor montado en el alojamiento y que puede girar alrededor de un eje central longitudinal del alojamiento. Una pluralidad de álabes o álabes cubiertos se disponen circunferencialmente alrededor del rotor y se extienden sustancialmente de forma radial desde el rotor hacia la primera superficie de la cubierta estacionaria, en el que los álabes o álabes cubiertos se disponen de tal forma que cuando el expansor está en una condición previa a la operación, se forma un espacio sustancialmente radial entre una superficie de una punta radialmente más exterior de los álabes o álabes cubiertos y la primera superficie de la cubierta estacionaria. El material de los álabes o álabes cubiertos, y de la cubierta estacionaria comprende al menos 80 % atómico de aluminio, y los álabes o álabes cubiertos y al menos la primera superficie de la cubierta estacionaria presentan una capa superficial que tiene un espesor (d) de 1 a 1000 pm y una dureza Vickers media de 400 HV o más. El espacio entre la superficie de la punta radialmente más exterior de los álabes o álabes cubiertos y la primera superficie de la cubierta estacionaria es tal que el espacio está definido entre dos superficies que presentan dicha capa superficial.

Por % atómico se entiende el porcentaje atómico.

Por expansor se entiende en el presente documento un dispositivo tal como una turbina de vapor, vaho o gas axial, una turbina de vapor o vaho radial o una turbina de vapor o vaho de impulso (el vapor/vaho puede ser agua o cualquier fluido orgánico).

Por expansor se entiende alternativamente, un expansor de voluta o un expansor de paletas.

El álabe puede ser el álabe del rotor llevado por el rotor de una turbina de vapor o vaho y puede ser de cualquier tipo conocido, por ejemplo, álabe curvo, ahusado y/o retorcido.

En el caso de un expansor de voluta, el álabe es la voluta de espiral concéntrica.

El álabe es en el caso de un expansor de paletas, la paleta.

Por temperatura de operación interior máxima se entiende la temperatura de un fluido de trabajo (vapor/vaho de agua, uno o más fluidos orgánicos o mezcla de agua y uno o más fluidos orgánicos) al entrar en el expansor.

El hecho de que el expansor se utilice a una temperatura operativa interior máxima de menos de o aproximadamente 180 °C significa que no es adecuado para usarse a temperaturas internas superiores a aproximadamente 180 °C. La cubierta estacionaria es un cuerpo estacionario curvo que tiene una primera superficie interior cóncava, es decir, una superficie de paso de fluido y una parte posterior generalmente convexa dispuesta a lo largo de la circunferencia interior de la superficie interior del alojamiento. El hecho de que la cubierta esté dispuesta a lo largo de la superficie interior del alojamiento significa en el presente documento que está dispuesta directamente sobre la superficie interior del alojamiento o que está dispuesta a una distancia de la superficie interior. La cubierta estacionaria puede ser, por ejemplo, un anillo o un tubo situado fuera del álabe de turbina giratorio en la dirección radial y tener una extensión en la dirección axial que es similar o mayor que la extensión axial del álabe. Las cubiertas estacionarias son conocidas en la técnica.

Por álabes cubiertos se entiende que al menos la parte radialmente más exterior de los álabes está cubierta por una cubierta que forma parte de los álabes o está sujeta a los mismos y, por lo tanto, gira con los álabes para reducir remolinos, fugas y otras pérdidas, y para estabilizar los álabes. La cubierta podría estar formada por una pluralidad de cubiertas individuales, cada una de las que cubriría la porción más exterior de un álabe o la cubierta podría ser de una sola pieza, tal como en forma de anillo que cubre las porciones más exteriores de todos los álabes. La expresión álabe cubierto, por ende, incluye tanto los álabes como la cubierta y son conocidas per se. Estos están hechos preferiblemente de la misma aleación de aluminio o similar y tienen la misma capa/revestimiento superficial.

Durante la operación del expansor, el fluido de trabajo evaporado o parcialmente evaporado (vaho, vapor, mezcla de líquido saturado y vapor o gas saturado) pasan a través de la turbina, afectando los álabes con una fuerza radial que hace que el rotor gire con los álabes. Para lograr una alta eficiencia, la menor cantidad posible del fluido de trabajo evaporado debe filtrarse alrededor de la punta de los álabes o álabes cubiertos al pasar a través del espacio entre la punta más exterior de los álabes o álabes cubiertos y la superficie adyacente de la cubierta estacionaria.

Por condiciones previas a la operación se entiende en el presente documento las condiciones antes de que se inicie el expansor. Durante la operación del expansor puede haber una expansión de material del rotor, los álabes, la cubierta y la cubierta estacionaria, cambiando así el tamaño del espacio, es decir, reduciendo el espacio. Las partes giratorias se expanden más que las fijas.

Los ciclos termodinámicos utilizados para la recuperación de calor de fuentes de calor de baja temperatura, tal como sistemas de calor residual industrial, de calor geotérmico, de combustión de biomasa y de calor solar, son, por ejemplo, el ciclo de Rankine orgánico (ORC) y el ciclo de Kalina. En un sistema ORC, la temperatura de operación interior máxima en el expansor suele estar entre 80 y 170 °C. En un sistema de ciclo de Kalina, la temperatura de operación interior máxima en el expansor suele ser de 100-300 °C, dependiendo de la temperatura de la fuente de calor y de la mezcla y concentración de los dos fluidos que componen el fluido de trabajo. Por ende, el expansor como se ha descrito anteriormente es adecuado para ser utilizado en tales sistemas cuando la temperatura de operación interior máxima en el expansor es menor que o aproximadamente 180 °C.

El presente expansor se puede utilizar también en otros ciclos termodinámicos para recuperar calor de fuentes de calor de baja temperatura, tanto los medios simples como los medios compuestos que consisten en una mezcla de, por ejemplo, agua y amoniaco que pueden verse como variantes del ciclo Rankine estándar. Dicho ciclo puede ser cualquier ciclo en el que se suministre calor en una caldera o dispositivo similar para vaporizar parcial o totalmente un líquido a una presión aumentada, expandir el vapor o la mezcla a través de una turbina que convierte parte de la energía en trabajo, seguido de un condensador que condensa el vapor a líquido comprimido, líquido saturado o al menos una calidad de vapor inferior (masa de vapor dividida entre la masa total de vapor y líquido). Después del condensador hay una bomba que aumenta la presión e impulsa el fluido de trabajo hacia la caldera que cierra el ciclo.

El expansor no debe usarse en un sistema de ciclo Rankine estándar en el que los niveles máximos de temperatura de operación del expansor interno son aproximadamente 200-600 °C a niveles de presión de hasta varios cientos de bares.

En algunos sistemas ORC y sistemas de ciclo de Kalina que se utilizan hoy en día, los expansores, tales como turbinas de vapor o expansores de voluta, óptimos para los sistemas de ciclo Rankine convencionales, se utilizan. En otros sistemas ORC se utilizan compresores de tipo estándar impulsados hacia atrás. En los sistemas de ciclo Rankine de vapor convencionales, los niveles de temperatura en el expansor son más altos que en un sistema ORC o un sistema de ciclo de Kalina. Los álabes están, por lo tanto, sujetos a una corrosión por temperatura más alta en un sistema de ciclo Rankine de vapor en comparación con un sistema de ORC o ciclo de Kalina. En variantes del ciclo Rankine estándar, tal como el ciclo de Kalina o el ciclo de Goswami, que se pueden ejecutar utilizando una mezcla de dos compuestos de, por ejemplo, agua y amoniaco, los álabes pueden estar sujetos a corrosión severa incluso a temperaturas moderadas de 100-180 °C.

El material de los álabes en una turbina del sistema de ciclo Rankine suele ser una aleación de titanio, aleación de acero a base de níquel o tal aleación tratada superficialmente, que demuestra una buena resistencia a la erosión y a la corrosión junto con una buena resistencia mecánica. El aluminio no puede soportar las altas temperaturas en una turbina de vapor de un sistema de ciclo Rankine convencional durante períodos prolongados de tiempo, pero también estará sujeto en poco tiempo a un envejecimiento importante a alta temperatura, fatiga térmica y erosión en un entorno tan extremo. Si se utiliza aluminio como material de álabes en un ORC, ciclo de Kalina, Goswami o cualquier ciclo similar basado en el ciclo estándar de Rankine estará también sujeto a erosión.

De forma adicional, debido a la erosión del álabe, la geometría del álabe se deteriora y, por tanto, el rendimiento aerodinámico del mismo.

Por ende, el aluminio no es adecuado como material de los álabes o álabes cubiertos en un expansor, ni en un sistema de ciclo Rankine de vapor estándar ni en un ORC, ciclo de Kalina o cualquier otro ciclo basado en el ciclo de Rankine estándar.

En un ORC, ciclo de Kalina, ciclo de Goswami o sistema de ciclo similar, sin embargo, puesto que los niveles de temperatura son más bajos que en un sistema de ciclo Rankine y cuando la temperatura de operación interior máxima del expansor es menor que o aproximadamente 180 °C, puede usarse un expansor con álabes que comprenda al menos el 80 % atómico de aluminio y que presente una capa superficial que tenga un espesor de 1 a 1000 |j y que tenga una dureza Vickers media de 400 HV o más.

Tales álabes exhiben una superficie más fuerte, que es más resistente al desgaste y a la corrosión en comparación con un álabe de aluminio/aleación de aluminio sin una capa superficial de este tipo. La aleación de aluminio sin tratar 6082, por ejemplo, tiene una dureza Vickers media de 100-120 HV.

De ese modo, el tiempo que se pueden usar tales álabes en un ORC, ciclo de Kalina o un sistema de ciclo similar sin estar sujeto a erosión (bajo las mismas condiciones de temperatura y presión) en comparación con la aleación de aluminio no tratada 6082 se puede extender al menos 2 veces, al menos 5 veces, al menos 10 veces, al menos 50 veces, al menos 100 veces, al menos 500 veces o al menos 1000 veces.

De forma adicional, debido a la menor erosión, el rendimiento aerodinámico de un álabe de este tipo se mantiene durante un período de tiempo más largo en comparación con un álabe que comprende aluminio/aleación de aluminio sin dicha capa superficial.

Los aluminios/aleaciones de aluminio son menos costosas que, por ejemplo, las aleaciones de titanio. De forma adicional, el tiempo de producción es más corto y el desgaste de las herramientas utilizadas para producir los álabes es menor que para el titanio. Por ende, los costes de producción y materiales se pueden reducir para los sistemas ORC, ciclo de Kalina o de ciclos similares que comprenden expansores con álabes que comprenden al menos 80 % atómico de aluminio y que presentan una capa superficial que tiene un espesor de 1 a 1000 jm y que tiene una dureza Vickers media de 400 HV o más.

Para lograr una alta eficiencia del expansor, la menor cantidad posible del fluido de trabajo evaporado debe filtrarse alrededor de los álabes o álabes cubiertos al pasar a través del espacio entre la punta más exterior de los álabes o álabes cubiertos y la primera superficie de la cubierta estacionaria. Por ende, puede ser necesario mantener el espacio entre los álabes que giran a alta velocidad y el alojamiento que las rodea pequeño durante el mayor tiempo posible. Se sabe que la dimensión de espacio o de este espacio no es constante, sino que está sujeto a cambios durante las diferentes fases de operación del expansor. Por tanto, entre otras cosas, los álabes experimentan un alargamiento en la dirección radial bajo cargas de trabajo elevadas, debido al estrés térmico y a la fuerza centrífuga que actúa. De forma adicional, también se hace que la cubierta estacionaria se expanda.

Después de que el expansor ha estado operando con una determinada carga o con condiciones de carga variables durante un período de tiempo, los componentes alcanzan una condición de operación estable. Puesto que las diversas partes de la turbina en general tienen diferentes temperaturas, la expansión térmica es diferente en las partes, provocando que el espacio entre las partes estacionarias y giratorias cambie con la temperatura del fluido de trabajo y la carga de la turbina. Durante condiciones de estado inestable, tales como el arranque y la parada de la turbina, la constante de tiempo asociada con el aumento/disminución de la temperatura es diferente para las partes de la turbina. Por tanto, durante tales condiciones, el espacio entre las partes giratorias y estacionarias de la turbina varía también con el tiempo. Es deseable que el espacio entre las puntas de los álabes cubiertos/sin cubrir y la cubierta estacionaria sea lo más pequeño posible para limitar las fugas que disminuyen el rendimiento de la turbina. Se sabe en la técnica que la reducción del espacio no se puede lograr simplemente colocando los componentes de modo que el espacio sea mínimo en una condición operativa, puesto que la configuración de los componentes que forman el espacio debe tener en cuenta todas las posibles condiciones de operación, y las condiciones de arranque, parada y parada de emergencia. Las partes de turbinas giratorias y estacionarias cambian de temperatura a diferentes velocidades, lo que hace que varíe la distancia de separación. En condiciones de parada de emergencia, el diámetro de la cubierta estacionaria se reduce a un ritmo más rápido que la longitud de los álabes de la turbina. Por lo tanto, a menos que los componentes se hayan colocado de forma que se haya establecido un espacio suficiente entre los álabes de la turbina y la cubierta de la turbina en condiciones de operación, los álabes de la turbina pueden golpear la cubierta estacionaria porque el diámetro de los componentes de la cubierta se reduce a un ritmo más rápido que los álabes de la turbina. La colisión de los álabes de la turbina y la cubierta a menudo provoca fuertes roces en la punta de los álabes y puede resultar en daños. Por tanto, existe la necesidad de un sistema para reducir los espacios entre las puntas de los álabes de la turbina y una cubierta circundante en condiciones de operación, teniendo en cuenta el espacio libre necesario en las condiciones de arranque, parada y parada de emergencia.

Para evitar que las puntas de los álabes y el alojamiento circundante/cubierta estacionaria se dañen en sistemas en los que se permite el "contacto" entre las puntas de los álabes y el alojamiento circundante/cubierta estacionaria, se puede aplicar un denominado revestimiento abrasivo aplicado a las puntas de los álabes o a la cubierta de los álabes cubiertos, mientras que el alojamiento circundante se reviste con un revestimiento correspondiente de desgaste o abrasión.

Cuando la punta del álabe o la punta del álabe cubierto roza el revestimiento de abrasión introducido en el alojamiento circundante, las partículas abrasivas aplicadas a la punta del álabe cortan o frotan el revestimiento de abrasión y lo desgastan. Al mismo tiempo, la abrasión del revestimiento abrasivo está también asociada con una cierta cantidad de desgaste del revestimiento abrasivo.

El rápido desgaste del revestimiento abrasivo resulta ser desventajoso, ya que esto conlleva, por un lado, a un aumento en el espacio entre la punta del álabe y el alojamiento circundante, que, como se ha descrito anteriormente, resulta en pérdidas de eficiencia. Por otro lado, el desgaste prematuro del revestimiento abrasivo significa también que las puntas de los álabes de los álabes de la turbina están sujetas a un desgaste prematuro, es decir, prácticamente se desmoronan, lo que a su vez conduce a costosas reparaciones de las puntas de los álabes y al acortamiento de la vida útil del motor de turbina de gas.

También es convencional utilizar álabes con puntas "debilitadas" que se gastan/desgastan o se doblan al golpear la cubierta estacionaria.

Para expansores convencionales, un espacio entre las puntas de los álabes y la cubierta, en condiciones previas, está en el área de 0,45 mm.

Con el expansor descrito anteriormente, los álabes o álabes cubiertos, y de la cubierta estacionaria comprende al menos 80 % atómico de aluminio, y los álabes o álabes cubiertos y al menos la primera superficie de la cubierta estacionaria presentan una capa superficial que tiene un espesor (d) de 1 a 1000 pm y una dureza Vickers media de 400 HV o más. El espacio formado entre la superficie de la punta radialmente más exterior de los álabes o álabes cubiertos y la primera superficie de la cubierta estacionaria es tal que el espacio está definido entre dos superficies que presentan dicha capa superficial.

Con el presente expansor no se utilizan revestimientos abrasivos en la primera superficie de la cubierta estacionaria o en las puntas de los álabes o puntas de los álabes cubiertos. Además, las puntas de los álabes o las puntas de los álabes cubiertos no se debilitan.

Si la cubierta estacionaria es de aluminio, la primera superficie de la misma tiene la misma capa superficial que el álabe o el álabe cubierto y después se define el espacio entre dos componentes de aluminio tratados en la superficie.

Perturbaciones temporales como vibraciones, topes, y colisiones temporales de los álabes o álabes cubiertos y la cubierta estacionaria con el presente expansor han demostrado que no dan como resultado ningún daño de los álabes o álabes cubiertos. De ese modo, es posible utilizar un pequeño espacio entre las puntas de los álabes/álabes cubiertos y la primera superficie de la cubierta estacionaria.

En una realización, el espacio sustancialmente radial entre la superficie de la punta radialmente más exterior de los álabes o álabes cubiertos y la primera superficie de la cubierta estacionaria en la condición previa a la operación es de 0,05 a 0,5 mm, 0,05-0,4 mm, 0,05-0,3 mm, 0,05-0,2 mm, 0,05-0,15 mm, 0,1-0,5 mm, 0,1-0,4 mm, 0,1 -0,3 mm, 0,1-0,2 mm, 0,1-0,15 mm, 0,2-0,5 mm, 0,2-0,4 mm, 0,2-0,3 mm, 0,3-0,5 mm o 0,30-0,4 mm.

Como alternativa, el espacio puede ser de 0,5 mm-1 mm, 0,5 mm-0,9 mm, 0,5-0,8 mm, 0,5-0,7 mm, 0,5-0,6 mm, 0,6 mm-1 mm, 0,6 mm-0,9 mm, 0,6-0,8 mm, 0,6-0,7 mm, 0,7 mm-1 mm, 0,7 mm-0,9 mm, 0,7-0,8 mm, 0,8 mm-1 mm, 0,8 mm-0,9 mm o 0,9-1 mm.

Incluso si hay un contacto temporal entre las puntas de los álabes o álabes cubiertos y la primera superficie de la cubierta estacionaria, no hay desgaste de las partes.

De ese modo, los costes operativos pueden reducirse ya que hay menos daño en las partes cruciales del expansor (álabes, álabes cubiertos y cubierta estacionaria), y menos número de paradas de emergencia durante la operación debido a partes desgastadas. Además, la eficiencia del expansor es alta ya que poco fluido de trabajo evaporado pasa por el estrecho espacio entre los álabes/álabes cubiertos y la cubierta estacionaria.

La distancia de separación elegida depende de la aplicación del expansor y depende también de las tolerancias de fabricación, aumentos de temperatura y, por lo tanto, la expansión del material durante la operación del expansor, juego en los cojinetes del eje del rotor y deflexión del eje del rotor.

El material puede comprender 80-100 % atómico de aluminio, 85-100 % atómico de aluminio, 90-100 % atómico de aluminio, 95-100 % atómico de aluminio, 80-95 % atómico de aluminio, 80-90 % atómico de aluminio u 80-85 % atómico de aluminio.

El material puede comprender además uno o más elementos de aleación de aluminio seleccionados de un grupo que comprende cobre, magnesio, silicio, zinc, hierro, manganeso, titanio y cromo.

Un contenido total de uno o más elementos de aleación en el material puede ser del 0,01 al 20 % atómico, del 0,01 al 15 % atómico, del 0,01 al 10 % atómico, del 0,01 al 5 % atómico, del 5 al 20 % atómico, del 10 al 20 % atómico o del 15 al 20 % atómico.

Cuando el contenido total de uno o más elementos de aluminio y aleación de aluminio en el material no asciende al 100 %, el resto puede contener contaminantes.

La capa superficial puede tener un espesor de 10 a 700 |jm, de 25 a 500 |jm, de 30 a 200 |jm, de 20 a 100 |jm, de 50 a 150 jim o de 40 a 80 jim.

La capa superficial puede tener una dureza Vickers media de 400-3000 HV, 600-2500, 800-2000 HV, 1000-1800 HV, 1200-1500 HV o 600-1600 HV.

La capa superficial puede tener una rugosidad superficial k de 1/100 a 1/5, 1/100 a 1/10, 1/100 a 1/25, 1/100 a 1/50, 1/100 a 1/75, 1/75 a 1/5, 1/50 a 1/5, 1/25 a 1/5 o 1/10 a 1/5 del espesor de la capa superficial.

La rugosidad superficial de la capa superficial del álabe o álabe cubierto afecta las pérdidas aerodinámicas y, por tanto, el rendimiento de los expansores. Las pérdidas surgen debido a varios efectos diferentes, incluido el aumento del transporte turbulento en las capas límite que se desarrollan a lo largo de la superficie (rugosa), aumento del espesor de la capa límite, separación de la capa límite y aumento de la difusión turbulenta.

"k" es una media aritmética de valores absolutos. Cuanto menor sea el valor de "k", más suave será la superficie y, por ende, las pérdidas aerodinámicas.

El álabe o álabe cubierto puede ser un componente sólido de aluminio o aleación de aluminio con la capa superficial formada sobre la misma.

La capa superficial puede comprender Al2O3.

La capa superficial puede comprender SiO2.

Un borde de salida del álabe puede tener un radio de 0,05 a 0,3 mm, de 0,1 a 0,3 mm, de 0,15 a 0,3 mm, de 0,20 a 0,3 mm, de 0,25 a 0,3 mm, de 0,05 a 0,25 mm, de 0,05 a 0,2 mm, de 0,05 a 0,15 mm o de 0,05 a 0,1 mm.

Por borde de salida se entiende en el presente documento un borde trasero del álabe, en el que se vuelve a unir un flujo separado por un borde de ataque del álabe.

De acuerdo con un segundo aspecto, se proporciona un uso del expansor descrito anteriormente en un sistema de ciclo de Rankine orgánico o ciclo de Kalina.

De acuerdo con un tercer aspecto, se proporciona un sistema de ciclo de Rankine orgánico que comprende un fluido de trabajo orgánico, una disposición de calentamiento y evaporación para calentar y evaporar el fluido de trabajo, y un expansor como se ha descrito anteriormente dispuesto para convertir la energía en el fluido de trabajo evaporado de la disposición de calentamiento y evaporación en energía de giro.

El fluido de trabajo orgánico es un fluido que tiene un cambio de fase líquido-vapor, o punto de ebullición, que se produce, bajo las mismas condiciones ambientales tales como presión, a una temperatura más baja que el cambio de fase agua-vapor. El fluido de trabajo orgánico es un fluido que tiene un cambio de fase líquido-vapor que se produce, a una presión de 1 atmósfera (1 atm), a una temperatura inferior a 100 °C.

El fluido de trabajo orgánico puede seleccionarse de un grupo que consiste en refrigerantes (por ejemplo, R245fa y R134a), hidrocarburos como n-pentano y tolueno, aceites térmicos y aceites de silicona.

La disposición de calentamiento y evaporación puede comprender una fuente de calentamiento que puede ser cualquier fuente de calor residual de, por ejemplo, la industria química, la industria de alimentos y bebidas, la industria del caucho y el plástico, la industria metalúrgica y minera, la industria de la pulpa y el papel, la industria del cristal, cementera y cerámica, o de, por ejemplo, generadores diésel.

La disposición puede comprender además un intercambiador de calor que calienta el fluido de trabajo utilizando calor de la fuente de calentamiento, y un evaporador que evapora el fluido de trabajo calentado del intercambiador de calor.

El sistema de ciclo de Rankine orgánico puede comprender además un convertidor de energía que podría ser un generador de energía conectado al rotor y dispuesto para convertir la energía de giro en energía eléctrica. El convertidor de energía podría ser alternativamente una bomba o un compresor, etc. conectado al rotor.

De acuerdo con un cuarto aspecto, se proporciona un método para producir un sistema de ciclo de Rankine orgánico que comprende los pasos de: proporcionar un fluido de trabajo orgánico, proporcionar una disposición de calentamiento y evaporación para calentar y evaporar el fluido de trabajo, proporcionar un expansor como se ha descrito anteriormente para la conversión de energía en el fluido de trabajo evaporado de la disposición de calentamiento y evaporación en trabajo en forma de energía de giro, proporcionar un convertidor de energía conectado al rotor para convertir la energía de giro del rotor en otra forma de energía.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 muestra una descripción esquemática de un sistema ORC que comprende un expansor.

La Figura 2 muestra un álabe para una turbina de vapor.

La Figura 3 muestra una vista en sección transversal tomada a lo largo de la línea A-A de la figura 2.

La Figura 4a es una sección transversal esquemática de un expansor que muestra un álabe cubierto y un espacio radial entre el álabe cubierto y una cubierta estacionaria.

La Figura 4b es una sección transversal esquemática de un expansor que muestra un álabe y un espacio radial entre el álabe y una cubierta estacionaria.

Descripción detallada

Una central térmica transforma la energía de una fuente de calor en trabajo. El ciclo de Rankine es el ciclo termodinámico que se realiza con mayor frecuencia en las centrales térmicas.

Las variantes del ciclo de Rankine, tales como el ciclo de Rankine orgánico (ORC), el ciclo de Kalina y el ciclo de Goswami son ejemplos de ciclos termodinámicos que permiten la recuperación de calor de fuentes de calor de baja temperatura, tales como el calor residual industrial, calor geotérmico, combustión de biomasa y sistemas de calor solar. El calor de baja temperatura se convierte en trabajo útil que se puede convertir en otras formas de energía como la electricidad.

Un sistema de ciclo de Rankine orgánico (ORC) 1 comprende, véase figura 1, un fluido de trabajo orgánico 2 en circuito cerrado. El fluido de trabajo 2 es un fluido orgánico, de alta masa molecular con un cambio de fase líquidovapor, o punto de ebullición, que se produce a una temperatura más baja que el cambio de fase agua-vapor. El fluido de trabajo orgánico 2 es un fluido que tiene un cambio de fase líquido-vapor que se produce, a una presión ambiental de 1 atmósfera (1 atm), a una temperatura inferior a 100 °C. El fluido de trabajo orgánico 2 puede seleccionarse de un grupo que consiste en refrigerantes, hidrocarburos como n-pentano y tolueno, aceites térmicos, aceites de silicona y fluidos orgánicos secos. La selección del fluido de trabajo orgánico depende de la aplicación, propiedad de la fuente de calor, propiedades termodinámicas del fluido de trabajo y condiciones de operación.

El sistema ORC 1 comprende además una disposición de calentamiento y evaporación 3 para calentar y evaporar el fluido de trabajo 2. La disposición de calentamiento y evaporación 3 puede comprender una fuente de calentamiento que puede ser cualquier fuente de calor residual de la industria química, la industria de alimentos y bebidas, la industria del caucho y el plástico, la industria metalúrgica y minera, la industria de la pulpa y el papel, la industria del cristal, cementera y cerámica, o de, por ejemplo, generadores diésel. La disposición 3 comprende además un intercambiador de calor que calienta el fluido de trabajo utilizando calor de la fuente de calentamiento, y un evaporador que evapora el fluido de trabajo calentado del intercambiador de calor.

El sistema ORC 1 comprende un expansor 4, Figuras 4a y 4b, que puede seleccionarse de un grupo que consiste en una turbina de vapor o vaho axial, una turbina de vapor o vaho radial, una turbina de vapor o vaho de impulso, un expansor de desplazamiento positivo, un expansor de tornillo, un expansor de voluta o un expansor de paletas. El expansor 4 comprende un alojamiento (no mostrado) con una superficie interior cilíndrica, una cubierta estacionaria 25 dispuesta a lo largo de una circunferencia interior de la superficie interior del alojamiento y con una primera superficie generalmente dirigida radialmente hacia dentro 31 expuesta al interior del alojamiento, y un rotor 30 montado en el alojamiento y que puede girar alrededor de un eje central longitudinal X del alojamiento. El rotor 30 está provisto de álabes 10 (Figura 4b) o álabes cubiertos 10' (Figura 4a) dispuestos circunferencialmente alrededor del rotor 30 y que se extienden sustancialmente radialmente desde el rotor 30 hacia la primera superficie 31 de la cubierta estacionaria 25, en el que los álabes 10 o las álabes cubiertos 10' se disponen de tal forma que cuando el expansor 4 está en una condición previa a la operación, se forma un espacio r sustancialmente radial entre una punta radialmente más exterior de los álabes 10 o los álabes cubiertos 10' y la primera superficie 31 de la cubierta estacionaria 25.

Por álabes cubiertos 10' se entiende que al menos la porción radialmente más exterior de los álabes está cubierta por una cubierta. La cubierta gira con los álabes. La cubierta podría estar formada por una pluralidad de cubiertas individuales, cada una de las que cubriría la porción más exterior de un álabe o la cubierta podría ser de una sola pieza, tal como en forma de anillo que cubre las porciones más exteriores de todos los álabes. La expresión álabe cubierto, por ende, incluye tanto los álabes como la cubierta.

El expansor 4 está dispuesto para convertir la energía del fluido de trabajo evaporado 2 procedente de la disposición de calentamiento y evaporación 3 en energía de giro.

El álabe 10 o álabe cubierto 10' puede ser el álabe del rotor llevado por el rotor de una turbina de vapor y puede ser de cualquier tipo conocido, por ejemplo, cilindrico con una sección constante, ahusado (Figuras 2 y 3) y/o retorcido. En el caso de una turbina de vapor axial, la relación de admisión puede ser inferior a 0,5, inferior a 0,3, inferior a 0,2 o inferior a 0,1. (La relación de admisión es una medida de hasta qué punto está abierta la entrada de la turbina, en la que 1 significa completamente abierta y 0,5 significa que la mitad de la entrada está abierta).

Puede conectarse un convertidor de energía 5 al rotor 30 y disponerse para convertir la energía de giro del rotor en otra forma de energía. El convertidor de energía podría ser un generador de energía conectado al rotor y dispuesto para convertir la energía de giro en energía eléctrica. Como alternativa, el convertidor de energía podría ser una bomba o un compresor, etc. conectado al expansor 4.

Puede disponerse un condensador 6 para enfriar el fluido de trabajo 2 evaporado del expansor 4 y puede disponerse una bomba 7 para bombear el fluido de trabajo 2 condensado desde el condensador 6 de vuelta a la disposición de calentamiento y evaporación 3. Se puede utilizar como refrigerante un flujo de agua en el condensador 6 o aire ambiente.

El ciclo de Kalina es un ciclo similar al ciclo ORC. En un sistema de ciclo de Kalina (no mostrado) se usa un fluido de trabajo gaseoso que incluye al menos dos componentes que tienen diferentes puntos de ebullición como fluido de trabajo para transformar su energía en una forma utilizable. La concentración de uno de los componentes cambia en el ciclo. Ejemplos de fluidos de trabajo son amoniaco y agua o mezclas orgánicas, tal como una mezcla de R22 y R114 o una mezcla de hexametildisiloxano y decametiltetrasiloxano.

El fluido de trabajo gaseoso se expande en un expansor. El expansor 4 puede ser el mismo tipo de expansor que se discutió anteriormente para el sistema ORC. Los componentes del fluido de trabajo gaseoso del expansor 4 se separan, condensan por separado, y después los componentes se mezclan nuevamente antes de ser alimentados a la disposición de calentamiento y evaporación.

El material de los álabes 10, o álabes cubiertos 10', y alternativamente también la cubierta estacionaria 25 puede comprender al menos 80 % atómico de aluminio, y los álabes 10 o álabes cubiertos 10' y al menos la primera superficie 31 de una cubierta estacionaria 25 si de al menos 80 % atómico de aluminio presenta una capa superficial que tiene un espesor (d) de 1 a 1000 pm y una dureza Vickers media de 400 HV o más. El espacio r entre la superficie de la punta radialmente más exterior de los álabes 10 o las álabes cubiertos 10' y la primera superficie 31 de la cubierta estacionaria 25 en condiciones previas a la operación está, por ende, definido entre dos superficies en las que al menos una de las superficies presenta dicha capa superficial.

La cubierta estacionaria comprende al menos 80 % atómico de aluminio y presenta la capa superficial en al menos su primera superficie, de tal forma que el espacio r se define entre dos superficies que tienen esta capa superficial. El material puede comprender 80-100 % atómico de aluminio, 85-100 % atómico de aluminio, 90-100 % atómico de aluminio, 95-100 % atómico de aluminio, 80-95 % atómico de aluminio, 80-90 % atómico de aluminio u 80-85 % atómico de aluminio.

El contenido total de uno o más elementos de aleación en el material es del 0,01 al 20 % atómico, del 0,01 al 15 % atómico, del 0,01 al 10 % atómico, del 0,01 al 5 % atómico, del 5 al 20 % atómico, del 10 al 20 % atómico o del 15 al 20 % atómico.

Un ejemplo de dicha aleación de aluminio es Al-Mn-Mg-Si (96,5-98,3 % atómico; 0,4-1 % atómico; 0,6-1,2 % atómico; 0,7-1,3 % atómico).

Otro ejemplo (EN AW 6082) consiste en 0,40 - 1,00 % atómico de Mn, 0,0 - 0,50 % atómico de Fe, 0,60 - 1,20 % atómico de Mg, 0,70 - 1,30 % atómico de Si, 0,0 - 0,10 % atómico de Cu, 0,0 - 0,20 % atómico Zn, 0,0 - 0,10 % atómico de Ti, 0,0 - 0,25 % atómico de Cr, aluminio (Al) en equilibrio.

Otro ejemplo más es EN AL 5052 que consiste en 2,20 - 2,80 % atómico de Mg, 0,15 - 0,35 % atómico de Cr, 0,0 -0,40 % atómico de Fe, 0,0 - 0,25 % atómico de Si, otros totalizan 0,0 - 0,15 % atómico, 0,0 - 0,10 % atómico de Mn, 0,0 -0,10 % atómico de Zn, 0,0 - 0,10 % atómico de Cu, otros (cada uno) 0,0 - 0,05 % atómico, aluminio (Al) en equilibrio.

El álabe 10 o el álabe cubierto 10' y al menos la primera superficie 31 de la cubierta estacionaria 25 si están hechos de aluminio pueden presentar una capa superficial 20 que tiene un espesor de 10 a 700 pm, de 25 a 500 pm, de 30 a 200 pm, de 20 a 100 pm, de 50 a 150 pm o de 40 a 80 mm.

La capa superficial 20 puede tener una dureza Vickers media de 400-3000 HV, 600-2500 HV, 800-2000 HV, 10001800 HV, 1200-1500 HV o 600-1600 HV.

El álabe 10 o álabe cubierto 10' puede ser un componente sólido de aluminio o aleación de aluminio con la capa superficial 20 formada sobre la misma.

De acuerdo con un ejemplo no reivindicado, la cubierta estacionaria 25 puede estar hecha de acero o de cualquier aleación del mismo, o de titanio o de cualquier aleación del mismo.

El álabe 10 puede ser un componente de aluminio o aleación de aluminio provisto de un espacio cerrado (no mostrado).

En el espacio cerrado puede haber un vacío. Como alternativa, el espacio cerrado puede llenarse con un gas o un núcleo de un material diferente del aluminio o la aleación de aluminio. El material del núcleo puede ser, por ejemplo, un material amortiguador de vibraciones.

El espesor de la pared del componente provisto de un espacio cerrado puede estar entre 1 mm y 100 mm.

En un ejemplo, el álabe 10 o el álabe cubierto 10 pueden comprender un orificio pasante que proporciona un canal de enfriamiento para el medio de enfriamiento (no mostrado).

Cuando el contenido total de uno o más elementos de aluminio o aleación de aluminio en el material no asciende al 100 %, el resto puede contener contaminantes.

Como alternativa, en tal caso, la cantidad total de aluminio o aleación de aluminio en el material es inferior al 100 % atómico, se puede proporcionar otro material adecuado, por ejemplo acero/aleación de acero o titanio/ aleación de titanio, en una porción expuesta hacia fuera del álabe 10, tal como en un borde de ataque 12 del álabe 10.

La capa superficial 20 puede comprender AhO³.

Una capa superficial 20 que comprende AhO³puede comprender además un dopante, tal como ZrO²y/o CeO². La capa superficial 20 puede comprender SiO².

En otros ejemplos, la capa superficial 20 puede comprender Ni³Al, AhNi, Ni, NiO, NiAhO⁴, Cr²O³o TiO².

En un ciclo Rankine convencional, los niveles de temperatura de operación interior máxima en el expansor son aproximadamente 200-600 °C a niveles de presión de hasta varios cientos de bares. En un sistema ORC, la temperatura de operación interior máxima en el expansor suele estar entre 80 y 170 °C. En un sistema de ciclo de Kalina, la temperatura de operación interior máxima en el expansor suele ser 100-300 °C.

En algunos sistemas ORC y sistemas de ciclo de Kalina que se utilizan hoy en día, se utilizan expansores como turbinas de vapor o expansores de voluta optimizados para sistemas convencionales de ciclo Rankine. En algunos sistemas se utilizan compresores de tipo estándar impulsados hacia atrás.

Como los niveles de temperatura en el expansor de un sistema de ciclo Rankine de vapor convencional son más altos que en un sistema ORC o un sistema de ciclo de Kalina, los álabes están sujetos a una corrosión por temperatura más alta en un sistema de ciclo Rankine de vapor en comparación con un sistema ORC o ciclo de Kalina.

El material de los álabes en una turbina del sistema de ciclo Rankine suele ser una aleación de titanio, aleación de acero a base de níquel o tal aleación tratada superficialmente, que demuestra una buena resistencia a la erosión y a la corrosión junto con una buena resistencia mecánica. El aluminio no puede soportar las temperaturas en una turbina de vapor de un sistema de ciclo Rankine convencional durante períodos prolongados de tiempo, pero también estará sujeto en poco tiempo a un envejecimiento importante a alta temperatura, fatiga térmica y erosión en un entorno tan extremo. Si se utiliza aluminio como material de álabes en un ORC, El ciclo de Kalina o Goswami o cualquier ciclo similar basado en el ciclo estándar de Rankine estará también sujeto a erosión.

Por ende, el aluminio no es adecuado como material de los álabes en un expansor, ni en un sistema de ciclo Rankine de vapor estándar ni en un ORC, ciclo de Kalina o cualquier otro ciclo basado en el ciclo de Rankine estándar.

En, por ejemplo, un ORC, sistema de ciclo de Kalina o Goswami, sin embargo, cuando la temperatura de operación interior máxima es inferior o aproximadamente 180 °C, un expansor con álabes o álabes cubiertos que comprenden al menos un 80 % atómico de aluminio y que presenta una capa superficial 20 con un espesor de 1 a 1000 |jm y con una dureza Vickers media de 400 HV o más.

Tales álabes exhiben una superficie más fuerte, que es más resistente al desgaste y a la corrosión en comparación con un álabe de aluminio/aleación de aluminio sin una capa superficial de este tipo. (La aleación de aluminio sin tratar 6082, por ejemplo, tiene una dureza Vickers media de 100-120 HV).

Se puede extender el tiempo que se pueden usar tales álabes en un sistema ORC o de ciclo de Kalina sin estar sujetos a erosión (bajo las mismas condiciones de temperatura y presión) en comparación con la aleación de aluminio 6082 sin tratar.

De forma adicional, debido a una menor erosión, el rendimiento aerodinámico de un álabe de este tipo se mantiene durante un período de tiempo más largo en comparación con un aluminio/ aleación de aluminio sin dicha capa superficial.

Los aluminios/aleaciones aluminio son menos costosos, el tiempo de producción es más corto y el desgaste de las herramientas utilizadas para producir los álabes 10 o los álabes cubiertos 10' es mucho menor que para las aleaciones de titanio. Por ende, los costes de producción y materiales se pueden reducir para ORC, ciclo de Kalina o sistemas de ciclo similares que comprenden expansores 4 con álabes 10 o álabes cubiertos 10' que comprenden al menos 80 % atómico de aluminio y que presentan una capa superficial 20 con un espesor de 1 a 1000 jm y con una dureza Vickers media de 400 HV o más en comparación con los expansores provistos de álabes o álabes cubiertos que comprenden titanio.

Un método para producir un sistema de ciclo de Rankine orgánico 1 comprende el paso de proporcionar un fluido de trabajo orgánico 2, proporcionar una disposición de calentamiento y evaporación 3 para calentar y evaporar el fluido de trabajo 2, proporcionar un expansor 4 como se ha descrito anteriormente para la conversión de energía en el fluido de trabajo evaporado 2 de la disposición de calentamiento y evaporación 3 en energía de giro, proporcionar un convertidor de energía 5 conectado al rotor para convertir la energía de giro del rotor en otra forma de energía. Un método para proporcionar el álabe 10 o el álabe cubierto 10' o al menos la primera superficie 31 de la cubierta estacionaria 25 con dicha capa superficial 20 es el tratamiento electroquímico de la superficie, tal como el proceso Keronite® (US 6365028 B) que usa oxidación electrolítica por plasma (PEO) para transformar la superficie de aluminio/aleación de aluminio en una cerámica densa, fuerte con resistencia a la corrosión y al desgaste, por conversión superficial de aluminio/aleación aluminio en alúmina (AhOa), tanto en formas amorfas como cristalinas y duras. La capa de óxido presenta una barrera protectora contra la corrosión al aislar el sustrato metálico de los ambientes corrosivos.

En otro tratamiento superficial electroquímico adecuado de Keronite® (véase documento US2012031765) se combina un paso de oxidación electrolítica por plasma con un paso de pasivación química.

Con el proceso de tratamiento superficial electroquímico Keronite® se puede obtener una capa de superficie que tiene una dureza Vickers de aproximadamente 1200 HV o más.

Otro tratamiento superficial electroquímico que puede usarse para tratar el aluminio/aleación de aluminio es la anodización fuerte. La mayoría de las aleaciones se pueden anodizar fuertemente. Esta es una técnica para espesar la capa de óxido natural colocando el metal como ánodo en una celda electrolítica. Existen diferentes sistemas de anodización, pero todos pretenden aumentar la capa de óxido a un espesor de 1000-10 000 veces su espesor natural. El ácido sulfúrico diluido a temperatura ambiente se utiliza normalmente como electrolito. La anodización da una película de óxido porosa con microporos. Como postratamiento se sellan los poros para obtener una superficie impermeable.

Con ionización fuerte, se puede obtener una capa superficial que tiene una dureza Vickers de 400 HV o más (a menudo 400-600 HV) y un espesor de capa de aproximadamente 25-80 jm.

El aluminio/aleación de aluminio puede tratarse superficialmente de varias formas diferentes además de los procesos electroquímicos descritos anteriormente.

El álabe 10, el álabe cubierto 10' y la primera superficie 31 de la cubierta estacionaria 25 pueden estar provistas de una capa superficial 20 de SiO²que preferiblemente está expuesta hacia fuera en una dirección normal a una superficie del álabe 10. Una capa superficial 20 de este tipo puede aplicarse, por ejemplo, mediante revestimiento por inmersión de sol-gel.

Tufram® es una capa anodizada fuerte que se impregna y se trata la superficie con materiales plásticos de flúor seleccionados. A través del tratamiento térmico posterior, se crea una fuerte unión entre el óxido de aluminio y el plástico flúor produciendo una superficie duradera, fuerte y resistente a la corrosión que resiste el uso continuo a temperaturas de -220 a 350 °C.

El revestimiento láser implica que partículas fuertes, por ejemplo, carburo de silicio, tungsteno o diamantes, se horneen en la capa superficial, lo que proporciona baja fricción, buena resistencia al desgaste y alta capacidad de carga en la superficie. El revestimiento de plástico proporciona un área con alta o baja fricción, protección contra el desgaste,

revestimiento superficial con, por ejemplo, cromo, estaño, níquel, plata o cobre se realiza para dar las características o funcionalidad requeridas, como resistencia a la corrosión, dureza, resistencia al desgaste y resistencia a la temperatura.

La invención no se limita a las capas superficiales específicas 20 ejemplificadas en el presente documento ni a los métodos ejemplificados para proporcionar tales capas superficiales. Debe entenderse que tampoco se mencionan las capas superficiales o los métodos para proporcionar tales capas superficiales, las capas superficiales que son adecuadas para una álabe de aluminio o de aleación de aluminio 10, álabe cubierto 10' y primera superficie 31 de la cubierta estacionaria 25 y con un espesor de 1 a 1000 pm y una dureza Vickers media de 400 HV o más, caen dentro del alcance de la invención.

Tratamientos superficiales que agregan una capa superficial 20 de, por ejemplo, AhO³al álabe 10 o al álabe cubierto 10' cambiarán la rugosidad y la topología de la superficie del álabe 10, 10', y se pueden utilizar para mejorar la situación de flujo que rodea los álabes 10, 10' y las palas en el rotor/estator. Por ejemplo, pequeños arañazos presentes en la superficie del metal antes del tratamiento de la superficie serán cubiertos por el material superficial agregado (por ejemplo, AhO³), dando así una superficie más lisa con una fricción cutánea reducida y, por lo tanto, pérdidas de flujo reducidas.

La rugosidad superficial de los álabes y palas de las turbinas afecta las pérdidas aerodinámicas y, por tanto, el rendimiento de las turbinas. Se ha demostrado que la rugosidad superficial de un álabe/pala de la turbina tiene un efecto sustancial sobre la magnitud de las pérdidas aerodinámicas. Las pérdidas surgen debido a varios efectos diferentes, incluido el aumento del transporte turbulento en las capas límite que se desarrollan a lo largo de la superficie (rugosa), aumento del espesor de la capa límite, separación de la capa límite (especialmente para capas límite turbulentas con números de Reynolds de moderados a altos) y mayor difusión turbulenta.

Hay varias formas diferentes de cuantificar la rugosidad superficial. El parámetro más comúnmente utilizado para describir la rugosidad superficial es el promedio aritmético de valores absolutos (k), aunque, por ejemplo, el valor de raíz cuadrada media (kRMs) se utiliza también. En dinámica de fluidos, es muy común describir o aproximar una rugosidad superficial con una rugosidad de grano de arena equivalente (ks). En aplicaciones de turbinas, ks a veces se relaciona con la longitud de cuerda (c) del álabe. Un álabe de turbina lisa (pulida) tiene un ks/c cercano a cero, y una superficie rugosa puede tener un ks/c>0,002. También es posible mediante el uso de ciertos algoritmos traducir k en ks y viceversa. En aplicaciones de turbinas, una superficie lisa, bastante rugosa y rugosa puede tener una k de 5 pm, 25 pm y 65 pm, respectivamente. Un tratamiento superficial que consiste, por ejemplo, en AhO³aplicado por p Eo tiene normalmente una rugosidad superficial k de 1/10 del espesor de capa d, lo que significa una k de aproximadamente 20 pm para una capa de 200 pm de espesor. El pulido puede reducir k a <1/30 del espesor de la capa d.

El álabe 10, 10' del presente expansor 4 puede presentar una capa superficial 20 que tiene una rugosidad superficial k de 1/100 a 1/5, 1/100 a 1/10, 1/100 a 1/25, 1/100 a 1/50, 1/100 a 1/75, 1/75 a 1/5, 1/50 a 1/5, 1/25 a 1/5 o 1/10 a 1/5 del espesor d de la capa superficial 20.

Para álabes/pala de la turbina con números Mach entre 0,5 y 1, una rugosidad superficial de k = 25 pm y k = 60 mm puede tener normalmente una pérdida aerodinámica integrada del 30 % y 50 % más alta, respectivamente, que la de una superficie lisa (k = 0,5 pm), También es posible reducir las pérdidas de flujo totales de un álabe/pala afectando la transición de una capa límite laminar a una turbulenta. Esto se puede lograr, por ejemplo, aumentando la rugosidad superficial a una cierta distancia del borde de ataque 12.

Estos dos efectos se pueden utilizar también simultáneamente, por ejemplo, una superficie lisa cerca de un borde de ataque 12 del álabe (Figura 2) para reducir la fricción superficial y una superficie más rugosa comenzando a una cierta distancia aguas abajo del borde de ataque 12 para controlar la transición y separación de la capa límite. La topología de la superficie y la rugosidad de la superficie tratada pueden mejorarse adicionalmente, por ejemplo, puliendo para lograr una superficie aún más fina o, por ejemplo, por grabado y chorro de arena para lograr una superficie más rugosa.

Un tratamiento superficial puede, en el caso de un material superficial con propiedades mecánicas más fuertes/mejores (es decir, límite elástico, módulo de Young, etc.) que el material del álabe 10, utilizarse para reducir las pérdidas de flujo en el borde de salida facilitando un borde de salida fino y/o un radio pequeño en/del borde de salida mientras se mantiene la resistencia general del álabe/pala, por ejemplo, resistencia a la flexión y resistencia a la fatiga y al aleteo. De forma equivalente, es posible lograr una álabe más fuerte manteniendo constantes las pérdidas en el borde de salida. Las pérdidas de flujo en el borde de salida se ven afectadas tanto por el espesor como por la forma del borde de salida. Mediante una combinación de material, método de fabricación y tratamiento superficial, el borde de salida y sus pérdidas se pueden optimizar para la parte o aplicación real de la turbina, así como la situación de flujo para álabes de rotor/estator específicos. En conjunto, esto se ve afectado, por ejemplo, por la carga de la turbina, grado de reacción de la etapa, número de Reynolds, compresibilidad, intensidad de la turbulencia, número de Mach y rugosidad superficial.

Un borde de salida 11 del álabe 10, 10' puede tener un radio R que es de 0,05 a 0,3 mm, de 0,1 a 0,3 mm, de 0,15 a 0,3 mm, de 0,20 a 0,3 mm, de 0,25 a 0,3 mm, de 0,05 a 0,25 mm, de 0,05 a 0,2 mm, de 0,05 a 0,15 mm o de 0,05 a 0,1 mm, véase Figura 2.

Para una álabe que comprende aluminio o aleación de aluminio no provisto de una capa superficial que tenga un espesor de 1 a 1000 pm y que tenga una dureza Vickers media de 400 HV o más, un radio normal del borde de salida está entre 0,4 y 0,8 mm.

Al usar un material superficial con una conductividad térmica más baja que el aluminio/aleación de aluminio en el álabe 10, también es posible aumentar la resistencia a la fatiga térmica del álabe 10 que surge fácilmente debido al cambio cíclico de temperatura del expansor 4, especialmente en expansores 4 con bajas relaciones de admisión. También otras partes de un expansor 4 comprendidas en el sistema ORC o de ciclo de Kalina 1 y afectadas por el fluido de trabajo, tales como álabes de estator y rotor pueden comprender también al menos 80 % atómico de aluminio y presentar una capa superficial 20 con un espesor de 0,1 a 1000 pm y con una dureza Vickers media de 400 HV o más para evitar la erosión de estas partes.

Para lograr una alta eficiencia en el expansor, la menor cantidad posible del fluido de trabajo evaporado debería filtrarse alrededor de los álabes 10 o los álabes cubiertos 10' pasando a través del espacio r entre la superficie de la punta más exterior de los álabes 10 o los álabes cubiertos 10' y la primera superficie 31 de la cubierta estacionaria 25.

La reducción del espacio r no se puede lograr simplemente colocando los componentes de modo que el espacio r sea mínimo en una condición de operación, puesto que la configuración de los componentes que forman el espacio r debe tener en cuenta todas las posibles condiciones de operación, y las condiciones de arranque, parada y parada de emergencia. Las partes de turbinas giratorias y estacionarias cambian de temperatura a diferentes velocidades, lo que hace que varíe la distancia de separación r. Por lo tanto, a menos que los componentes se hayan colocado de forma que se haya establecido un espacio suficiente entre los álabes de la turbina y la cubierta de la turbina en todas las condiciones de operación, los álabes de la turbina pueden golpear la cubierta estacionaria porque el diámetro de los componentes de la cubierta se reduce a un ritmo más rápido que los álabes de la turbina. Es deseable que el espacio r entre las puntas de los álabes y la cubierta estacionaria sea lo más pequeño posible para limitar las fugas más allá de las puntas de los álabes durante todas las diferentes condiciones de operación.

Con el presente expansor no se utilizan revestimientos abrasivos en la primera superficie 31 de la cubierta estacionaria 25 o en las puntas del álabe 10 o en las puntas del álabe cubierto 10'. Además, las puntas de los álabes o las puntas de los álabes cubiertos no se debilitan.

Perturbaciones temporales como vibraciones, topes, y colisiones temporales de los álabes o álabes cubiertos y la cubierta estacionaria con el presente expansor 4 han demostrado que no dan como resultado ningún daño de los álabes 10 o álabes cubiertos 10'. De ese modo, es posible utilizar un pequeño espacio entre las puntas de los álabes/álabes cubiertos y la primera superficie de la cubierta estacionaria.

El espacio sustancialmente radial entre la superficie de la punta radialmente más exterior de los álabes o álabes cubiertos y la primera superficie de la cubierta estacionaria en la condición previa a la operación puede ser de 0,05 a 0,5 mm, 0,05-0,4 mm, 0,05-0,3 mm, 0,05-0,2 mm, 0,05-0,15 mm, 0,1-0,5 mm, 0,1-0,4 mm, 0,1-0,3 mm, 0,1-0,2 mm, 0,1-0,15 mm, 0,2-0,5 mm, 0,2-0,4 mm, 0, 2-0,3 mm, 0,3-0,5 mm o 0,30-0,4 mm.

Como alternativa, el espacio r puede ser de 0,5 a 1 mm.

Incluso si hay un contacto temporal entre las puntas de los álabes 10 o las álabes cubiertos 10' y la primera superficie 31 de la cubierta estacionaria 25, no hay desgaste de las partes.

De ese modo, los costes operativos pueden reducirse ya que hay menos daño en las partes cruciales del expansor (álabes, álabes cubiertos y cubierta estacionaria), y menos número de paradas de emergencia durante la operación debido a partes desgastadas. Además, la eficiencia del expansor 4 es alta ya que poco fluido de trabajo evaporado pasa por el estrecho espacio r entre los álabes/álabes cubiertos y la cubierta estacionaria.

Cuando la cubierta estacionaria está hecha de acero o aleación de acero o titanio o aleación de titanio, se pueden obtener resultados similares a los obtenidos con una cubierta estacionaria de aluminio con una capa superficial en al menos la primera superficie.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un expansor (4) para su uso a una temperatura de operación interior máxima de menos de o aproximadamente 180 °C, comprendiendo el expansor:

- un alojamiento con una superficie interior cilíndrica;

- una cubierta estacionaria(25) dispuesta a lo largo de una circunferencia interior de la superficie interior del alojamiento y con una primera superficie (31) dirigida generalmente radialmente hacia dentro expuesta al interior del alojamiento;

- un rotor (30) montado en dicho alojamiento y que puede girar alrededor de un eje central longitudinal de dicho alojamiento;

- una pluralidad de álabes (10) o álabes cubiertos (10') dispuestos circunferencialmente alrededor de dicho rotor (30) y que se extienden sustancialmente de forma radial desde dicho rotor hacia la primera superficie de la cubierta estacionaria (25), en donde los álabes (10) o las álabes cubiertos (10') están dispuestos de tal forma que cuando el expansor (4) está en una condición previa a la operación, se forma un espacio sustancialmente radial (r) entre una superficie de una punta radialmente más exterior del álabes (10) o los álabes cubiertos (10') y la primera superficie (31) de la cubierta estacionaria (25);

caracterizado por que

el material de los álabes (10), o álabes cubiertos (10'), y de la cubierta estacionaria (25) comprende al menos el 80 % atómico de aluminio, y los álabes (10) o álabes cubiertos (10') y al menos la primera superficie (31) de la cubierta estacionaria (25) presentan una capa superficial (20) que tiene un espesor (d) de 1 a 1000 pm y una dureza Vickers media de 400 HV o más, de tal forma que el espacio (r) se define entre dos superficies que presentan dicha capa superficial (20).

2. El expansor (4) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el espacio sustancialmente radial (r) entre la superficie de la punta radialmente más exterior de los álabes (10) o álabes cubiertos (10') y la primera superficie de la cubierta estacionaria (25) en la condición previa a la operación es de 0,05- 0,5 mm, 0,05-0,4 mm, 0,05-0,3 mm, 0,05-0,2 mm, 0,05-0,15 mm, 0,1-0,5 mm, 0,1-0,4 mm, 0,1-0,3 mm, 0,1-0,2 mm, 0,1-0,15 mm, 0,2-0,5 mm, 0,2-0,4 mm, 0,2-0,3 mm, 0,3-0,5 mm o 0,30-0,4 mm.

3. El expansor (4) de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en el que el material comprende el 80-100 % atómico de aluminio, el 85-100 % atómico de aluminio, el 90-100 % atómico de aluminio, el 95-100 % atómico de aluminio, el 80-95 % atómico de aluminio, el 80-90 % atómico de aluminio o el 80-85 % atómico de aluminio.

4. El expansor (4) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el material comprende además uno o más elementos de aleación de aluminio seleccionados de un grupo que comprende cobre, magnesio, silicio, zinc, hierro, manganeso, titanio y cromo.

5. El expansor [4] de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la capa superficial (20) tiene un espesor (d) de 10 a 700 pm, de 25 a 500 pm, de 30 a 200 pm, de 20 a 100 pm, de 50 a 150 mm o de 40 a 80 mm.

6. El expansor [4] de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que la capa superficial (20) tiene una dureza Vickers media de 400-3000 HV, 600-2500 HV, 800-2000 HV, 1000-1800 HV, 1200-1500 HV o 600 1600 HV.

7. El expansor (4) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que la capa superficial (20) tiene una rugosidad superficial k de 1/100 a 1/5, 1/100 a 1/10, 1/100 a 1/25, 1/100 a 1/50, 1/100 a 1/75, 1/75 a 1/5, 1/50 a 1/5, 1/25 a 1/5 o 1/10 a 1/5 del espesor (d) de la capa superficial (20).

8. El expansor (4) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el álabe (10) y/o el álabe cubierto (10') es un componente sólido de aluminio o de aleación de aluminio con la capa superficial (20) formada sobre el mismo.

9. El expansor (4) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que la capa superficial (20) comprende AhO³.

10. El expansor (4) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que la capa superficial (20) comprende SiO².

11. El expansor (4) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que un borde de salida (11) del álabe (10) tiene un radio (R) que es de 0,05 a 0,3 mm, de 0,1 a 0,3 mm, de 0,15 a 0,3 mm, de 0,20 a 0,3 mm, de 0,25 a 0,3 mm, de 0,05 a 0,25 mm, de 0,05 a 0,2 mm, de 0,05 a 0,15 mm o de 0,05 a 0,1 mm.

12. Uso de un expansor (4) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11 en un sistema de ciclo de Rankine orgánico o un sistema de ciclo de Kalina.

13. Un sistema de ciclo de Rankine orgánico (1) que comprende:

- un fluido de trabajo orgánico (2);

- una disposición de calentamiento y evaporación (3) para calentar y evaporar el fluido de trabajo (2); y - un expansor (4) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, dispuesto para convertir la energía del fluido de trabajo evaporado de la disposición de calentamiento y evaporación (3) en energía de giro.

14. Método de producción de un sistema de ciclo de Rankine orgánico (1) que comprende los pasos de:

- proporcionar un fluido de trabajo orgánico (2); y

- proporcionar una disposición de calentamiento y evaporación (3) para calentar y evaporar el fluido de trabajo (2);

caracterizado por que el método comprende, además:

- proporcionar un expansor (4) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11 para la conversión de la energía en el fluido de trabajo evaporado (2) de la disposición de calentamiento y evaporación (3) en energía de giro, y

- proporcionar un convertidor de energía (5) conectado al rotor del expansor (4) para convertir la energía de giro del rotor en otra forma de energía.