ES2914078T3 - ORC para transformar calor residual de una fuente de calor en energía mecánica y sistema de refrigeración que hace uso de tal ORC - Google Patents
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Abstract
ORC (Ciclo Orgánico de Rankine [por sus siglas en inglés]) para transformar calor de un gas comprimido usado como una fuente de calor (11) en energía mecánica, el ORC (8) comprende un circuito cerrado (14) que contiene un fluido de trabajo de dos fases, el circuito (14) comprende una bomba de líquido (15) para circular el fluido de trabajo en el circuito (14) de forma consecutiva a través de un evaporador (10) que está configurado para ser colocado en contacto térmico con dicha fuente de calor (11); a través de un expansor (12) para transformar la energía térmica del fluido de trabajo en energía mecánica; y a través de un condensador (16) que está en contacto térmico con un elemento refrigerante (17), caracterizado porque el expansor (12) está situado por encima del evaporador (10) y en que la salida de fluido (22) del evaporador (10) está conectada a una entrada de fluido (23) del expansor (12) por medio de una columna llamada elevadora (24), el ORC (8) está adaptado de forma que la columna elevadora (24) se llena con una mezcla de fluido de trabajo líquido y de burbujas gaseosas del fluido de trabajo, cuya mezcla se suministra al expansor (12), y en que la columna elevadora (24) se extiende con al menos una parte al mismo nivel o por encima del nivel de la entrada (23) del expansor (12) de forma que es posible un flujo gravitacional del fluido de trabajo líquido suministrado por la columna elevadora (24) al expansor (12).
Description
DESCRIPCIÓN
ORC para transformar calor residual de una fuente de calor en energía mecánica y sistema de refrigeración que hace uso de tal ORC
La presente invención se relaciona con un ORC para transformar calor residual de una fuente de calor en energía mecánica y con un sistema de refrigeración que comprende tal ORC para enfriar una fuente de calor residual.
Los ciclos de trabajo para WTP (Calor Residual a Energía [por sus siglas en inglés]) están bien descritos, tales como ORC, Kalina, Trilateral Flash etc.
Tales ciclos de trabajo están diseñados para recuperar el calor residual de la fuente de calor y para transformar dicha energía en energía mecánica útil que se puede usar, por ejemplo, para impulsar un generador para generar energía eléctrica.
El uso de un ORC (Ciclo Orgánico de Rankine [por sus siglas en inglés]) es conocido en particular por recuperar energía residual de fuentes de calor con temperatura relativamente baja como el calor del gas comprimido producido por una instalación compresora, o comprendido en gases de escape, gases de combustión, vapor, agua caliente o similares. Tal ORC comprende un circuito de bucle cerrado que contiene un fluido de trabajo de dos fases, el circuito además comprende una bomba de líquido para hacer circular el fluido en el circuito consecutivamente a través de un evaporador que está en contacto térmico con la fuente de calor para evaporar el fluido de trabajo; a través de un expansor como una turbina para transformar la energía térmica transmitida al fluido de trabajo gaseoso producido en el evaporador en energía mecánica útil; y finalmente a través de un condensador que está en contacto térmico con un medio de enfriamiento tal como agua o aire ambiente con el fin de transformar el fluido de trabajo en líquido que se puede regresar al evaporador para el siguiente ciclo de trabajo del fluido de trabajo.
En instalaciones que producen gases calientes, el ORC se usa para enfriar dichos gases calientes para llevar esos gases calientes en contacto con el evaporador del ORC y al mismo tiempo para usar el ORC para transformar el calor recuperado en el evaporador en energía útil en el expansor.
En el documento EP 1930558, se describe un circuito cerrado para convertir el calor en energía mecánica y eléctrica, que comprende un primer recipiente que está parcialmente lleno con fluido de trabajo líquido y en que este fluido de trabajo líquido se evapora por medio de calor provisto en un intercambiador de calor que solo está parcialmente sumergido en el fluido de trabajo líquido. Este fluido de trabajo evaporado está dirigido a través de una tubería cónica hacia un segundo recipiente en que se usa el fluido de trabajo para impulsar un motor.
En el documento US 2009/0249779, se divulga un proceso de máquina/bomba de vapor en un sistema cerrado para convertir energía térmica de una fuente de calor en energía mecánica de un pistón y energía eléctrica en un generador impulsado por este pistón. El vapor o gas saturado se envía desde una caldera en que se evapora el agua o los gases licuados hacia el pistón.
El documento FR 777 778 concierne a un circuito cerrado en que una fuerza impulsora se genera de energía (geo)térmica en una fuente de calor por la que se evapora el fluido de trabajo en el circuito cerrado en una caldera. El fluido de trabajo evaporado es guiado de esta caldera a una máquina receptora tal como una máquina de vapor, un generador de turbina, etc. Después de pasar a través de la máquina receptora, el fluido de trabajo se condensa en un condensador y se dirige de regreso a la caldera. La máquina receptora y el condensador están localizados a una misma altura considerablemente elevada por encima de la caldera.
El documento US 3938335 trata de una máquina de calor en que una turbina es impulsada por un vapor presurizado fluido de trabajo que se genera en una cámara de reacción por intercambio de calor con un líquido no volátil que llega de una fuente de calor. Después del paso a través de la turbina, el fluido de trabajo se condensa y se envía de regreso como un líquido a la cámara de reacción.
En el documento WO 2008/068491, se divulga un generador de electricidad que comprende un recipiente de campo a un nivel de presión por debajo de la presión atmosférica. En un extremo del fondo del recipiente, se calienta un fluido de trabajo y se evapora mediante agua residual caliente generada por una estación generadora. El fluido evaporado de trabajo se mueve hacia arriba a través de una abertura en una plataforma que se extiende hacia adentro de la pared interior del recipiente de campo y hacia las aspas de una turbina. Después de pasar a través de la turbina, el fluido de trabajo fluye a través de un elemento de condensación en un extremo superior del recipiente que está opuesto al extremo del fondo donde se evapora el fluido de trabajo. El fluido condensado de trabajo fluye después de regreso al extremo del fondo del recipiente.
En el documento FR 1010036, la energía geotérmica se usa para evaporar amonio en un evaporador, después de eso el vapor de amonio se usa para impulsar un generador de turbina en un circuito cerrado de amonio. Después de pasar a través del generador de turbina, el vapor de amonio se envía a través de un generador de vapor, opcionalmente después de la compresión en un compresor; el calor se intercambia con el vapor de amonio en un condensador; y el
amonio licuado del condensador se envía de regreso al evaporador.
El documento JPS 57 148011 divulga un generador de energía de circuito cerrado en que la circulación del fluido de trabajo es impulsada por evaporación del fluido de trabajo en una tubería del evaporador, de la cual se alimenta el fluido de trabajo de dos fases gas-líquido a través de una boquilla a la turbina impulsando un generador. Un condensador que es colocado en una posición por encima de esta turbina condensa la fracción de vapor del fluido de trabajo que llega de la turbina. La fracción de líquido del fluido de trabajo que llega de la turbina y el fluido de trabajo condensado del condensador se guían de regreso a la tubería del evaporador.
Una desventaja de los ORC existentes es que el tamaño del evaporador tiene que ser relativamente grande con el fin de tener un contacto de transferencia de calor suficiente entre el fluido de trabajo en el evaporador y la fuente de calor, especialmente con una fuente de calor de temperatura baja de por ejemplo 90°C o incluso 60°C, la superficie de contacto entre la fracción líquida del fluido de trabajo que se va a evaporar en el evaporador es solo una fracción pequeña de la superficie de contacto total del evaporador dado que el evaporador contiene solo líquido en el fondo y los vapores del fluido de trabajo en la parte superior de este.
Otra desventaja es que en caso de un fallo de la bomba o del expansor del líquido, la circulación del fluido de trabajo en el ORC se detiene automáticamente, dado que el evaporador necesita estar localizado por encima del expansor con el fin de proveer un flujo gravitacional de la fracción de líquido del fluido del evaporador al expansor, especialmente cuando se prefiere un fluido de dos fases a la entrada del expansor.
Cuando el fluido de trabajo en el ORC detiene la circulación, se pierde la función de enfriamiento del ORC para enfriar los gases calientes, llevando a situaciones potencialmente peligrosas en donde las instalaciones corriente abajo o los usuarios corriente abajo que hacen uso de los gases calientes sin enfriar pueden resultar dañados debido al sobrecalentamiento.
La solicitud de patente sin publicar belga 2014/0654 del mismo solicitante provee una solución en caso de fallo de la bomba de líquido del ORC al introducir refrigerantes auxiliares que no son parte del sistema del ORC y que, por lo tanto, pueden asegurar enfriar los gases comprimidos en caso de fallo del sistema del ORC.
Una desventaja es que se han provisto refrigerantes auxiliares.
Es un objetivo de la presente invención dar una solución a una o más de las desventajas anteriormente mencionadas y a otras de estas.
Por lo tanto, la invención tiene por objetivo un ORC para transformar calor residual de una fuente de calor en energía mecánica, el ORC comprende un circuito cerrado que contiene un fluido de trabajo de dos fases, el circuito comprende una bomba de líquido para circular el fluido de trabajo en el circuito consecutivamente a través de un evaporador que está configurado para ser colocado en contacto térmico con dicha fuente de calor; a través de un expansor para transformar la energía térmica del fluido de trabajo en trabajo; y a través de un condensador que está en contacto térmico con un elemento de enfriamiento, en donde el expansor está situado por encima del evaporador y la salida de fluido del evaporador está conectada a la entrada del expansor por medio de una columna llamada elevadora que está llena con una mezcla de fluido de trabajo líquido y de burbujas gaseosas del fluido de trabajo, cuya mezcla se suministra al expansor, y en la cual la columna elevadora se extiende con al menos una parte el mismo nivel o por encima del nivel de la entrada del expansor de forma que es posible un flujo gravitacional del fluido de trabajo líquido suministrado por la columna elevadora al expansor.
Al asegurar que la columna elevadora está llena con una mezcla de líquido y de fluido de trabajo gaseoso crea un tipo de efecto de bombeo para el fluido de trabajo de dos fases que se va a suministrar a la entrada del expansor y aún más cuesta abajo a la entrada del condensador por la fuerza de gravedad, el condensador está preferentemente localizado de forma primaria al mismo nivel o a un nivel más abajo que el expansor y el evaporador que está preferentemente localizado de forma primaria al mismo nivel o a un nivel más abajo que el condensador de forma que es posible un flujo gravitacional del fluido de trabajo líquido suministrado por el expansor al condensador y más abajo del condensador al evaporador. Una ventaja del efecto de bombeo de la columna elevadora es que, en caso de una bomba o expansor de líquido bloqueados, el flujo de trabajo aún continúa circulando de forma autónoma en el circuito ORC y el ORC empieza a funcionar como una clase de tubería de calor o de termosifón.
Una ventaja relacionada con este efecto de autocirculación es que, incluso en la desafortunada situación de una bomba o expansor de líquido bloqueado cuando el ORC se usa para enfriar la fuente de calor, el ORC continúa su función de enfriamiento, de esa manera eliminando la necesidad de tener que proveer dispositivos se enfriamiento por separado además del ORC cuando el enfriamiento es crítico.
De acuerdo con una realización preferida, la parte más baja de la entrada de fluido del condensador está localizada más abajo que la parte más baja de las partes rotatorias y activas del expansor.
A lo largo de este texto, la expresión "partes rotatorias, activas del expansor" se refiere a aquellas partes rotatorias del
expansor que, cuando están en operación, están directamente involucradas en el proceso de expansión del fluido, tal como los rotores helicoidales en caso de un expansor de tomillo, el propulsor en el caso de una turbina, el caracol en el caos de un expansor de caracol, el pistón en el caso de un expansor de pistón, o similares. La expresión "partes rotatorias, activas del expansor", excluyen, sin embargo, partes no activas que no están involucradas en el proceso de expansión, tales como cojinetes, un generador o similares.
De manera similar se prefiere que la parte más baja de la entrada de fluido del evaporador esté ubicada más abajo que la parte más baja de la salida del fluido del condensador.
El ORC está provisto preferentemente con una derivación que puentea la entrada y la salida de la bomba de líquido y que comprende una válvula con un control para mantener la válvula cerrada durante las condiciones de operación normal del ORC y que abre la válvula en caso de que la bomba de líquida no sea operativa debido a fallo u otras razones.
Una ventaja es que la derivación puede anular el flujo de resistencia de una bomba de líquido defectuosa que pueda obstruir el flujo gravitacional del flujo de trabajo y, por lo tanto, también el efecto de enfriamiento del ORC.
De modo parecido, el ORC está provisto preferentemente con una derivación que puentea la entrada y la salida del expansor y que comprende una válvula con un control para mantener la válvula cerrada durante las condiciones de operación normal del ORC y que abre la válvula en caso de que el expansor no sea operativo debido a fallo u otras razones.
Otro aspecto de la invención es que el ORC está diseñado de forma que en al menos algunas condiciones operativas el evaporador está completamente lleno con fluido de trabajo en ebullición y que la columna elevadora se llena con una mezcla de fluido de trabajo líquido y de burbujas gaseosas del fluido de trabajo, cuya mezcla se suministra al expansor. Una ventaja de un ORC de acuerdo con la invención es que el evaporador se llena con fluido de trabajo líquido en ebullición, de esa manera se maximiza la superficie de contacto entre el fluido de trabajo líquido y la fuente de calor y de esa manera se maximiza la transferencia de calor con la fuente de calor y, de esa manera, se maximiza la cantidad de calor recuperado de la fuente de calor que se va a transformar en energía mecánica por el expansor.
En caso de que un ORC sea usado para enfriar los gases comprimidos de una instalación compresora, esto significa también maximizar la función de enfriamiento del ORC.
Una ventaja relacionada con el enfriamiento eficiente de los gases comprimidos en contacto con el evaporador es que no se requiere enfriamiento adicional y que se puede seleccionar un evaporador más pequeño en diseño.
La columna elevadora provee una garantía de que las superficies del evaporador interno están cubiertas por líquido todo el tiempo, el líquido en la columna elevadora tiende a fluir hacia atrás hacia el evaporador para reemplazar las burbujas de gas producidas en el evaporador al ebullir el fluido de trabajo.
La presente invención se relaciona también con un sistema de refrigeración para enfriar una fuente de calor residual, en la cual el sistema de refrigeración comprende un ORC de acuerdo con la invención como los únicos medios para enfriamiento de la fuente de calor sin la necesidad de ningún enfriamiento externo adicional, también en condiciones de no operación del expansor y/o de la bomba de líquido.
Con la intención de mostrar mejor las características de la invención, de aquí en adelante, como un ejemplo sin ningún carácter limitativo, se describen algunas realizaciones preferidas de un ORC de acuerdo con la invención para transformar calor residual de una fuente de calor en energía mecánica y de una instalación compresora haciendo uso de tal ORC, con referencia a los dibujos que se anexan, en donde:
la figura 1 representa esquemáticamente una instalación compresora de una sola etapa que hace uso de un sistema ORC de acuerdo con la invención;
la figura 2 representa el ORC de la figura 1 de una forma más realista; y
la figura 3 representa una realización alternativa de la instalación compresora de la figura 1.
El sistema de refrigeración 1 representado en la figura 1 es un sistema de refrigeración para enfriar, por ejemplo, el gas comprimido producido por una instalación compresora que comprende un elemento compresor 2 con una entrada 3 y una salida 4, dicho elemento compresor 2 está conectado a un motor 5 para impulsar el elemento compresor 2 para comprimir un flujo de gas Q. Además, el sistema de refrigeración 1 comprende un refrigerante 6, que está provisto cuesta abajo de dicho elemento compresor 2, para enfriar el gas comprimido antes de que sea suministrado a una red 7 de consumidores del gas comprimido.
La instalación de refrigeración 1 comprende un ORC 8 de acuerdo con la invención en donde el refrigerante anteriormente mencionado 6 está integrado en un intercambiador de calor 9 que integra además un evaporador 10 del ORC 8 para recuperar el calor residual del gas comprimido usado como fuente de calor 11 estando configurado para
transformar dicho calor en energía mecánica útil por medio de un expansor 12 del ORC 8, por ejemplo, una turbina impulsando un generador eléctrico 13 como se muestra en el ejemplo de la figura 1.
El ORC comprende un circuito cerrado 14 que contiene un fluido de trabajo orgánico de dos fases con una temperatura de ebullición por debajo de la temperatura de la fuente de calor 11, el fluido de trabajo está circulando continuamente alrededor en el circuito 14 por medio de una bomba de líquido 15 en la dirección como se señala con las flechas F. El fluido de trabajo está hecho para fluir de forma consecutiva a través del evaporador 10 que está en contacto térmico con la fuente de calor 11; después a través del expansor 12 y finalmente a través de un condensador 16 antes de que sea lanzado de nuevo por la bomba de líquido 15 para un siguiente ciclo en el circuito 14.
El condensador 16 es parte de un intercambiador de calor 9' en que el condensador 16 está en contacto térmico con un elemento refrigerante 17 de un circuito refrigerante 18 que, en el ejemplo de la figura 1, se representa como un suministro de agua fría W tomada de un tanque 19 para circular a través del condensador 16 por medio de una bomba 20.
De acuerdo con la invención el condensador 16 está localizado físicamente más abajo que el expansor 12, mientras que el evaporador 10 está localizado físicamente más abajo que el condensador 16 de forma que es posible un flujo gravitacional del fluido de trabajo líquido suministrado por la columna elevadora 24 al expansor 12 y más abajo del expansor 12 al condensador 16 y del condensador 16 al evaporador 10.
El término "más abajo que" no requiere que todas las partes del condensador/evaporador estén localizadas más abajo. Esto significa que las partes principales del condensador/evaporador están a un nivel más abajo. El término se puede entender en el contexto de un requerimiento para crear un flujo gravitacional de la parte líquida del fluido de trabajo. Preferentemente, al menos la parte más baja de la entrada de fluido del condensador 16 está físicamente localizada más abajo que la parte más baja 12' de las partes rotatorias, activas 12" del expansor 12, como se representa esquemáticamente en la figura 2, mientras que la parte más baja de la entrada de fluido del evaporador 10 está localizada físicamente más abajo que la parte más baja de la salida de fluido del condensador 16, la salida de fluido 22 del evaporador 10 está conectada a la entrada de fluido 23 del expansor 12 por medio de una llamada columna elevadora 24.
El ORC 8 de acuerdo con la invención está diseñado de forma que en condiciones de operación normal el evaporador 10 está completamente lleno con fluido de trabajo en ebullición y en que la columna elevadora se llena sobre su altura completa con una mezcla de fluido de trabajo en forma líquida y de burbujas gaseosas del fluido de trabajo, cuya mezcla se suministra a la entrada de fluido 23 del expansor 12 a través de una parte doblada 24' de la columna elevadora 24, cuya parte doblada 24' se extiende con al menos una parte por encima de la parte más baja de la entrada de fluido 23 del expansor 12.
La expresión "llenado con fluido de trabajo líquido en ebullición" significa que las burbujas gaseosas creadas por ebullición no se acumulan en la parte superior del evaporador 10, de forma que el fluido de trabajo en el evaporador 10 no está separado en una parte líquida y una parte gaseosa acumulada en un espacio en la parte superior de la parte líquida como en los ORC conocidos.
La operación normal del ORC 8 de acuerdo con la invención es que el fluido de trabajo está hecho para ebullir en el evaporador 10 por el calor de los gases comprimidos que se enfrían al mismo tiempo.
La bomba de líquido 15 está diseñada para asegurar que está bombeando más fluido de trabajo al evaporador 10 que se puede evaporar por el calor del gas comprimido para estar seguro de que el evaporador está completamente lleno con líquido en ebullición para recuperación máxima del calor del gas comprimido.
En la columna elevadora 24 está una mezcla de burbujas de gas del fluido de trabajo y del fluido de trabajo en forma líquida, como se representa de forma esquemática en la figura 2, que se transporta y se suministra a la entrada 23 del expansor 12 que, por lo tanto, tiene que seleccionarse entre tipos de expansores que son capaces de tratar con tal mezcla de dos fases.
El doblez 24' debe estar localizado al mismo nivel o en un nivel más alto que la entrada de fluido 23 del expansor con el fin de que el líquido que llega con las burbujas de gas a través de la columna elevadora 24 fluya sobre el doblez 24' y caiga por gravedad hacia abajo a través del expansor 12 y al condensador 16, de donde se suministra de nuevo al evaporador 10 a través del conducto 25 del circuito 14 que conecta el condensador 16 con el evaporador 10.
Las burbujas de gas producidas en el evaporador 10 tenderán a elevarse en la columna elevadora 24 así como en el conducto 25 pero tomarán el pasaje de menos resistencia a través de la columna elevadora 24.
Como tal, se crea un tipo de efecto de autocirculación por la columna elevadora 24 que ayuda a circular el fluido de trabajo en el circuito 14.
Incluso cuando la bomba líquida 15 o el expansor 12 se bloquea, el ORC continúa circulando el fluido de trabajo en el circuito 14 asistido por la fuerza de gravedad, de ese modo provee suficiente enfriamiento del gas comprimido en el evaporador 10 para evitar que se susciten condiciones peligrosas hasta que la bomba de líquido 15 o el expansor 12 se puedan arreglar.
Es claro que un ORC 8 de acuerdo con la invención se puede usar también en otras aplicaciones distintas a enfriar gas comprimido, tal como enfriar gases de combustión, vapor, etc.
El enfriamiento del condensador 16 se puede realizar de otras maneras distintas al ejemplo de la figura 1, por ejemplo, al soplar aire ambiente sobre el condensador 16 mediante un ventilador o similares.
El expansor 12 puede ser de cualquier tipo de expansor capaz de generar energía mecánica por expansión de un suministro de fluido de dos fases, preferentemente un expansor volumétrico como un expansor de tornillo o un cilindro mecánico o similares que puede aceptar una mezcla de fluido de trabajo de líquido y gases.
Preferentemente un fluido de trabajo se usa del cual la temperatura de ebullición es menor que 90°C o incluso menor que 60°C, dependiendo de la temperatura de la fuente de calor disponible 11.
Un ejemplo de un fluido de trabajo orgánico adecuado es 1,1,1,3,3-pentafluoroprofano. El fluido orgánico se puede mezclar con un lubricante adecuado para la lubricación de al menos parte de las partes que se mueven del ORC.
En resumen, la columna elevadora 24 debe estar diseñada con las dimensiones adecuadas para acomodar los siguientes efectos:
- asegurar que las superficies del evaporador están siempre en contacto con el líquido;
- crear una diferencia de presión deseable entre el evaporador y la entrada del expansor;
- crear una diferencia de elevación adecuada entre el expansor y el condensador;
- permitir una diferencia de elevación adecuada entre el condensador y la bomba de líquido;
- asegurar que el sistema de WTP opera como una tubería de calor/termosifón cuando el expansor y / o la bomba de líquido no sean operables.
Debe entenderse que, cuando se evalúan los documentos de la técnica anterior en el campo del ORC, las localizaciones relacionadas con los componentes que los constituyen en los esquemas del ORC no corresponden necesariamente con las ubicaciones físicas relacionadas de esos componentes.
En la figura 3 se muestra una realización alternativa de una instalación de refrigeración de acuerdo con la invención que difiere de la realización de la figura 1 en que el circuito ORC está provisto con una derivación 26 que puentea la entrada 27 y la salida 28 de la bomba de líquido 15.
Dicha derivación 26 comprende una válvula 29 conectada a un control 30 para mantener cerrada la válvula 29 durante las condiciones de operación normal del ORC 8 y abrir la válvula 29 en caso de que la bomba de líquido 15 no sea operativa debido a fallo u otras razones. Por lo tanto, el control 30 se acopla a un sensor 31 por medio de un arnés eléctrico 32 para detectar cuando la bomba de líquido 15 no esté operativa.
De modo parecido, el ORC de la figura 3 se provee con una derivación 33 que puentea la entrada 23 y la salida 21 del expansor 12 y que comprende una válvula 34 conectada a través del arnés 32 al control 30 para mantener la válvula 34 cerrada durante las condiciones de operación normal del ORC 8 y abrir la válvula 34 en caso de que la señal que llega de un sensor 35 en el expansor 12 indique que el expansor 12 no está operativo.
El control 30 puede abrir solo una de las válvulas de derivación 29 o 34 dependiendo de cuál de la bomba de líquido 15 y del expansor 12 no estén operativos o puede abrir ambas válvulas 29 y 34 de forma simultánea.
La localización 36 donde la derivación 34 se ramifica al circuito ORC 14 en el lado de la entrada del expansor 12 necesitará estar situada preferentemente a un nivel más alto que el condensador 16.
La presente invención no está limitada de ninguna manera a la forma de las realizaciones descritas a manera de ejemplo y que se representan en las figuras, sin embargo, tal ORC de acuerdo con la invención para transformar calor residual de una fuente de calor en energía mecánica y de una instalación compresora haciendo uso del tal ORC se puede realizar de diversas formas sin dejar el ámbito de la materia de las reivindicaciones que se anexan.
Claims (15)
1. ORC (Ciclo Orgánico de Rankine [por sus siglas en inglés]) para transformar calor de un gas comprimido usado como una fuente de calor (11) en energía mecánica, el ORC (8) comprende un circuito cerrado (14) que contiene un fluido de trabajo de dos fases, el circuito (14) comprende una bomba de líquido (15) para circular el fluido de trabajo en el circuito (14) de forma consecutiva a través de un evaporador (10) que está configurado para ser colocado en contacto térmico con dicha fuente de calor (11); a través de un expansor (12) para transformar la energía térmica del fluido de trabajo en energía mecánica; y a través de un condensador (16) que está en contacto térmico con un elemento refrigerante (17), caracterizado porque el expansor (12) está situado por encima del evaporador (10) y en que la salida de fluido (22) del evaporador (10) está conectada a una entrada de fluido (23) del expansor (12) por medio de una columna llamada elevadora (24), el ORC (8) está adaptado de forma que la columna elevadora (24) se llena con una mezcla de fluido de trabajo líquido y de burbujas gaseosas del fluido de trabajo, cuya mezcla se suministra al expansor (12), y en que la columna elevadora (24) se extiende con al menos una parte al mismo nivel o por encima del nivel de la entrada (23) del expansor (12) de forma que es posible un flujo gravitacional del fluido de trabajo líquido suministrado por la columna elevadora (24) al expansor (12).
2. ORC de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual el condensador (16) está localizado de forma primaria al mismo nivel o a un nivel más bajo que el expansor (12) de forma tal que es posible un flujo gravitacional del fluido de trabajo líquido suministrado por el expansor (12) al condensador (16), en el cual preferentemente la parte más baja de una entrada de fluido del condensador (16) está localizada más abajo que la parte más baja de las partes rotatorias, activas del expansor (12).
3. ORC de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual el evaporador (10) está localizado de forma primaria al mismo nivel o a un nivel más bajo que el condensador (16) de forma tal que es posible un flujo gravitacional del fluido de trabajo líquido suministrado por el condensador (16) al evaporador (10), en el cual preferentemente la parte más baja de la entrada de fluido del evaporador (10) está localizada más abajo que la parte más baja de una salida de fluido del condensador (16).
4. ORC de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el ORC (8) está diseñado de forma que en al menos algunas condiciones operativas el evaporador (10) está completamente lleno con fluido de trabajo en ebullición y en que la columna elevadora (24) se llena con una mezcla de fluido de trabajo líquido y de burbujas gaseosas del fluido de trabajo, cuya mezcla se suministra al expansor (12).
5. ORC de acuerdo con la reivindicación 4, en el que la capacidad de la bomba de líquido (15) se selecciona de forma que dicha bomba de líquido (15) está bombeando más líquido del que se puede evaporar en el evaporador (10).
6. ORC de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el ORC (8) está diseñado de forma que, en el caso de que el expansor (12) y/o la bomba de líquido (15) no estén operativos debido a fallo u otras razones, el ORC (8) está adaptado para operar como un circuito de autocirculación, impulsado por efectos de gravitación térmica en el fluido.
7. ORC de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el circuito ORC (14) está provisto con una derivación (26) que puentea una entrada (27) y una salida (28) de la bomba de líquido (15) y que comprende una válvula (29) con un control para mantener la válvula (29) cerrada durante las condiciones de operación normal del ORC (8) y abrir la válvula (29) en caso de que la bomba de líquido (15) no fuera operativa debido a fallo u otras razones.
8. ORC de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el circuito ORC (14) está provisto con una derivación (33) que puentea la entrada (23) y una salida (21) del expansor (12) y que comprende una válvula (34) con un control (30) para mantener la válvula (34) cerrada durante las condiciones de operación normal del ORC (8) y que abre la válvula (34) en caso de que el expansor (12) no fuera operativo debido a fallo u otras razones.
9. ORC de acuerdo con la reivindicación 8 en el que el control de la válvula respectiva (29, 34) es tal que en caso de que falle el expansor (12) y/o la bomba de líquido (15), ambas válvulas (29, 34) se abren.
10. ORC de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el expansor (12) es de cualquier clase adecuada para aceptar una mezcla de fluido de trabajo líquido y gaseoso.
11. ORC de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el expansor (12) es un expansor volumétrico (12), preferentemente un expansor de tornillo (12).
12. ORC de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, adaptado para usar un fluido de trabajo que comprende un lubricante o que actúa como un lubricante.
13. ORC de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, adaptado para usar un fluido de trabajo del que la temperatura de ebullición es menor que 90°C, preferentemente menor que 60°C.
14. ORC de acuerdo con la reivindicación 8, en el que la derivación (33) ramifica (36) al circuito ORC (14) en el lado de la entrada del expansor (12) en una localización, que está situada Ls en un nivel más alto que el condensador (16).
15. Sistema de refrigeración para enfriar una fuente de calor residual de gas comprimido, en el que el sistema de refrigeración comprende un ORC (8) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores como el único medio para el enfriamiento de la fuente de calor (11) sin necesidad de ningún enfriamiento externo adicional, también en condiciones de no operación del expansor (12) y/o de la no operación de la bomba de líquido (15).
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