ES2923207T3 - Planta y procedimiento para el suministro de potencia eléctrica y/o potencia mecánica, potencia calorífica y/o potencia frigorífica - Google Patents
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Abstract
El objeto de la presente invención es una planta y método relacionado para el suministro al usuario final, haciendo uso de la energía calorífica transferida por cualquier tipología de fuente de calor (tipo tradicional, por ejemplo, gas, productos derivados del petróleo, carbón o tipo renovable, por ejemplo, biomasa solar, geotérmica), simultáneamente de energía eléctrica y/o mecánica, calorífica y frigorífica (modo de funcionamiento Calor-Frío de la planta) o simultáneamente de energía eléctrica y/o mecánica y sólo calorífica ("Calor-Frío"). "modo de operación de la planta) o simultáneamente de energía eléctrica y/o energía mecánica y energía frigorífica únicamente (modo de operación "Refrigeración" de la planta). La planta de funcionamiento, según cada uno de dichos tres modos de funcionamiento, se obtiene gracias a la regulación de varias válvulas de cierre y una válvula de regulación de caudal. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Planta y procedimiento para el suministro de potencia eléctrica y/o potencia mecánica, potencia calorífica y/o potencia frigorífica
Sector de la invención
La presente invención se refiere al sector de las plantas de producción de energía y, en concreto, se refiere a una nueva planta y a un procedimiento relacionado, para el suministro de potencia eléctrica y/o potencia mecánica, potencia calorífica y/o potencia frigorífica.
Estado de la técnica anterior
Según la Directiva Europea 2004/8/CE, la cogeneración consiste en la producción de energía eléctrica y/o energía mecánica y energía térmica en un solo proceso. En concreto, una planta de cogeneración (calor y potencia combinados, CHP) actualmente en el mercado está constituida por un motor principal (normalmente turbina de vapor, turbina de gas, microturbina, motor de combustión interna, motor Stirling, pila de combustible) para el suministro de potencia eléctrica y/o potencia mecánica al usuario final, y un sistema de recuperación de calor, que utiliza la cascada térmica del motor principal, para el suministro de potencia calorífica al usuario final.
Una planta de trigeneración actualmente en el mercado (potencia, calor y refrigeración combinados , CCHP) está constituida por la planta de cogeneración definida anteriormente, para el suministro de potencia eléctrica y/o potencia mecánica y potencia calorífica al usuario final, y por un dispositivo para el suministro de potencia frigorífica al usuario final. El dispositivo de refrigeración puede ser activado térmicamente (por ejemplo, refrigerador de absorción o adsorción) haciendo uso de la cascada térmica de dicho sistema de recuperación de calor o, incluso ser activado de manera mecánica o eléctrica (por ejemplo, ciclo de refrigeración por compresión de vapor) haciendo uso de la potencia eléctrica y/o potencia mecánica proporcionada por dicho motor principal de la planta de cogeneración. Por otro lado, en el sector de la tecnología dirigida al suministro al usuario final de potencia calorífica y/o potencia frigorífica y, posiblemente, también de potencia eléctrica y/o potencia mecánica, se propusieron algunas plantas (y los procedimientos respectivos) que funcionan con expansores de fluido bifásicos y/o compresores de fluido bifásicos. Dichos dispositivos de expansión y compresión no convencionales se describen brevemente a continuación.
A diferencia de los dispositivos de expansión tradicionales (turbina de vapor, turbina de gas, turbina hidráulica y turbina eólica), un expansor de fluido bifásico es capaz de trabajar con una especie química en la fase de vapor saturado húmedo (es decir, constituida por una parte en la fase de líquido saturado y una parte en la fase de vapor saturado seco), convirtiendo su energía termodinámica en energía eléctrica (o mecánica), por medio de la expansión simultánea de dichas dos fases. Dicha tecnología se puede clasificar, como las tradicionales máquinas de fluido monofásico, de acuerdo con las siguientes dos categorías: a) expansores volumétricos de fluido bifásico (doble tornillo, desplazamiento, paletas rotativas, pistones alternantes o rodantes); b) expansores dinámicos de fluido bifásico (flujo axial o tangencial de impulso, flujo radial de impulso-reacción y flujo radial de reacción). Un extenso resumen bibliográfico de dicha tecnología se presenta en [1].
En concreto, la eficiencia isoentrópica del expansor de fluido bifásico de flujo axial de impulso comercializado por la firma Energent Corp. [2] y del expansor de fluido bifásico de flujo radial de impulso-reacción comercializado por la firma Ebara International Corp. [3] alcanza valores iguales a aproximadamente 0,80 y 0,90, respectivamente.
Con respecto al compresor de fluido bifásico, a diferencia de los dispositivos de compresión tradicionales (bomba de circulación y compresor monofásico), este es capaz de determinar simultáneamente el aumento de presión de las dos fases (líquido saturado y vapor saturado seco) de una especie química en la fase de vapor saturado húmedo haciendo uso de la potencia eléctrica (o mecánica) proporcionada por un motor externo. Dicha tecnología se puede clasificar, como los compresores monofásicos tradicionales, según las dos categorías siguientes: a) compresores volumétricos de fluido bifásico (pistones alternantes o rodantes, membrana, tornillo simple o doble, paletas rotativas, desplazamiento y anillo líquido); b) compresores dinámicos de fluido bifásico (flujo axial o radial).
Otros dispositivos para el proceso de compresión de fluido bifásico son la bomba multifásica y el difusor bifásico adiabático. Un extenso resumen bibliográfico de los compresores de fluido bifásico se presenta de nuevo en [1]. Hasta la fecha, dicha tecnología no está disponible en el mercado, principalmente debido a los modestos valores, obtenidos empíricamente, de la eficiencia isoentrópica. No obstante, un modelo matemático, elaborado específicamente para la simulación del proceso de compresión de fluido bifásico de amoníaco en un compresor bifásico exento de aceite, de doble tornillo, demostró que la eficiencia isoentrópica alcanza el valor igual a aproximadamente 0,89 [4].
Diferentes plantas (y procedimientos respectivos) que funcionan con expansores de fluido bifásico y/o compresores de fluido bifásico para el suministro al usuario final de potencia calorífica y/o potencia frigorífica y, posiblemente,
también de potencia eléctrica y/o potencia mecánica, están presentes en la tecnología más avanzada.
En una planta descrita en [1], [5], el fluido de trabajo circula en un circuito cerrado que se compone de los siguientes componentes en secuencia: bomba de circulación, generador de vapor isobárico, en el que la potencia calorífica se transfiere mediante una fuente de calor al fluido de trabajo, expansor de fluido bifásico, evaporador isobárico, compresor interrefrigerado de una sola etapa o de múltiples etapas y monofásico y, finalmente, condensador isobárico. La planta suministra al usuario final potencia calorífica en el condensador y/o potencia frigorífica en el evaporador. Además, en correspondencia con las condiciones de funcionamiento adecuadas, la planta también puede suministrar al usuario final potencia eléctrica (y/o potencia mecánica), debido a que, en dichas condiciones, la potencia eléctrica y/o la potencia mecánica producida en el expansor bifásico es superior a la potencia eléctrica y/o a la potencia mecánica totales solicitadas por la bomba de circulación y el compresor.
En otra planta descrita en [6], el fluido de trabajo circula en un circuito cerrado que se compone de los siguientes componentes en secuencia: condensador isobárico, lado caliente del regenerador térmico isobárico, válvula de laminación, evaporador isobárico, lado frío del regenerador térmico isobárico y, finalmente, compresor bifásico. Esta planta suministra al usuario final potencia calorífica en el condensador y/o potencia frigorífica en el evaporador, pero no es capaz de suministrar potencia eléctrica (o potencia mecánica) al usuario final.
El documento de Patente FR 2924951A1 da a conocer un procedimiento de cogeneración, que es útil para el suministro simultáneo al usuario final de potencia eléctrica y potencia térmica (es decir, vapor a alta presión), y un procedimiento de trigeneración, que se diferencia del de cogeneración por el suministro adicional de hidrógeno al usuario final.
El procedimiento está constituido, principalmente, como sigue:
• el gasificador o, como mínimo, una unidad de reformado catalítico de vapor, donde tiene lugar la conversión del combustible sólido (por ejemplo, carbón) en gas combustible (es decir, gas de síntesis, constituido, principalmente, por H2 y CO);
• el ciclo termodinámico de Joule-Brayton, que está constituido por un compresor de aire adiabático, una cámara de combustión y una turbina de gas. El gas de combustión se produce por la combustión del gas de síntesis (proveniente del gasificador) en la cámara de combustión por medio del medio oxidante (es decir, aire) proveniente del compresor de aire adiabático. Los gases de combustión circulan en la turbina de gas para el suministro al usuario final de potencia eléctrica;
• como mínimo, dos unidades de alta presión que funcionan en paralelo para capturar CO2 y/o H2S, evitando su emisión a la atmósfera, llevadas a cabo, como mínimo, por un gas combustible y por otro gas no combustible.
El documento de Patente US 2009/126381 A1 da a conocer una planta de trigeneración y un procedimiento útil para el suministro simultáneo al usuario final de potencia eléctrica, potencia térmica (por ejemplo, agua caliente a 40 °C) y potencia frigorífica (por ejemplo, aire acondicionado).
La planta está constituida por dos subsistemas, es decir, el superior (102) transfiere potencia térmica al inferior (100) a través del intercambiador de calor 1 (106).
El subsistema superior (102) proporciona potencia frigorífica al usuario final a través del fluido de trabajo (por ejemplo, CO2) que fluye según el ciclo termodinámico de compresión de vapor. Este subsistema está constituido por la siguiente secuencia de componentes:
• el compresor (108), donde se pone a presión el fluido de trabajo hasta una presión supercrítica;
• el intercambiador de calor 1 (106), donde el fluido de trabajo transfiere potencia térmica al subsistema inferior (100) mencionado anteriormente;
• la válvula de expansión (110), donde la presión del fluido de trabajo se reduce hasta el valor adecuado en el siguiente evaporador (112);
• el evaporador (112), donde el fluido de trabajo suministra potencia frigorífica al usuario final.
El subsistema inferior (100) proporciona potencias eléctrica y térmica al usuario final a través del fluido de trabajo (por ejemplo, CO2) que fluye según el ciclo termodinámico de Rankine. Este subsistema está constituido por la siguiente secuencia de componentes:
• la bomba (114), donde se pone a presión el fluido de trabajo hasta una presión supercrítica;
• el intercambiador de calor 1 (106), donde el fluido de trabajo absorbe la potencia térmica transferida desde el subsistema superior (102) mencionado anteriormente;
• el intercambiador de calor 3 (116), donde el fluido de trabajo absorbe la potencia térmica transferida por una fuente de calor adicional, por ejemplo, un colector térmico solar o una cascada térmica proveniente de procesos industriales;
• la turbina (118), donde el fluido de trabajo suministra potencia eléctrica al usuario final;
• el intercambiador de calor 2 (120) y el condensador (122) posterior, a través de cada uno de los cuales el fluido de trabajo suministra potencia térmica al usuario final.
Finalmente, el documento de Patente WO 2009/142608 A2 se refiere a la planta de generación de energía (100) y al procedimiento útil para el suministro al usuario final de potencia eléctrica.
La planta (100) está constituida por los siguientes subsistemas:
• el subsistema de gasificación (1), donde tiene lugar la conversión del combustible carbonoso en gas combustible (es decir, gas de síntesis);
• el primer subsistema de generación de potencia (2), que se basa en el ciclo termodinámico de Joule-Brayton y está constituido, principalmente, por el compresor de aire adiabático (38), la cámara de combustión (44) y la turbina de gas (48). El gas de combustión se produce por la combustión del gas de síntesis (proveniente del subsistema de gasificación 1) en la cámara de combustión (44) por medio del medio oxidante (es decir, aire) proveniente del compresor de aire adiabático (38). El gas de combustión circula en la turbina de gas (48) para el suministro al usuario final de potencia eléctrica;
• el primer ciclo de Rankine (3), que está constituido, principalmente, por la bomba (63), el generador de vapor de recuperación de calor (Heat Recovery Steam Generator, HrSg , 66), la turbina de vapor (58) y el condensador (61). La producción de potencia eléctrica adicional tiene lugar a través de la energía térmica transferida, como mínimo, desde el primer subsistema de generación de potencia (2) en el HRSG (66);
• el segundo ciclo de Rankine (4), que está constituido, principalmente, por la bomba (87), el intercambiador de calor (76), la turbina de vapor (82) y el condensador (84). La producción de potencia eléctrica adicional tiene lugar a través de la energía térmica transferida desde el subsistema de gasificación (1) o el primer ciclo de Rankine (3) en el intercambiador de calor (76).
Tanto en el primero como en el segundo ciclo de Rankine, el fluido de trabajo puede ser agua o un fluido orgánico. Características de la invención
Teniendo en cuenta lo anterior, el objetivo principal de la presente invención es dar a conocer una planta y un procedimiento para el suministro al usuario final de potencia eléctrica y/o potencia mecánica, potencia calorífica y/o potencia frigorífica, que proporciona, como mínimo, las dos ventajas siguientes en comparación con las plantas de CCHP actualmente en el mercado y las plantas de CCHP que funcionan con expansores de fluido bifásico y/o compresores de fluido bifásico presentes en la tecnología más avanzada:
1) capacidad para cumplir los requisitos de potencia eléctrica (y/o potencia mecánica), potencia calorífica y potencia frigorífica del usuario final con una flexibilidad considerablemente mayor;
2) valores más altos de los indicadores de rendimientos termodinámicos de la planta.
Este y otros objetivos se consiguen con la planta y el procedimiento según la presente invención, cuyas características esenciales están definidas por las reivindicaciones independientes adjuntas. Otras características secundarias importantes están abarcadas por las reivindicaciones dependientes.
Breve descripción de los dibujos
Las características y ventajas de la planta y el procedimiento según la presente invención se harán evidentes a partir de la siguiente descripción de sus realizaciones, proporcionada a modo de ejemplo y no limitativa, haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
- la figura 1 es un esquema de circuitos de una planta, según una primera realización de la invención;
- las figuras 2a a 2c son variantes respectivas de la zona rodeada por el recuadro II de la figura 1;
- las figuras 3 a 5 son diagramas cualitativos de temperatura-entropía (entropía específica), representativos del procedimiento según la presente invención en la planta de la figura 1, respectivamente en modo de funcionamiento de la planta para el suministro de potencia eléctrica y/o potencia mecánica, potencia calorífica y potencia frigorífica (figura 3), solo para el suministro de potencia eléctrica y/o potencia mecánica y potencia calorífica (figura 4), y solo para el suministro de potencia eléctrica y/o potencia mecánica y de potencia frigorífica (figura 5);
- las figuras 6a, 6b y 6c muestran, en relación con la figura 3, respectivas variantes del diagrama en la zona rodeada por el círculo VI y correspondientes a las variantes de circuitos de las figuras 2a a 2c, respectivamente, siendo dichas variantes del diagrama de las figuras 6a, 6b y 6c y las correspondientes variantes de circuitos de las figuras 2a a 2c que pueden ser asociadas también al diagrama de la figura 5 y a los de las sucesivas figuras 8 y 10; - la figura 7 es un esquema de circuitos de una planta, según una segunda realización de la invención;
- las figuras 8 a 10 son diagramas cualitativos de temperatura-entropía (entropía específica), representativos del procedimiento según la presente invención en la planta de la figura 7, respectivamente en modo de funcionamiento de la planta para el suministro de potencia eléctrica y/o potencia mecánica, potencia calorífica y potencia frigorífica (figura 8), solo para el suministro de potencia eléctrica y/o potencia mecánica y potencia calorífica (figura 9), y solo
para el suministro de potencia eléctrica y/o potencia mecánica y potencia frigorífica (figura 10);
- la figura 11 es un esquema de circuitos de una planta según una tercera realización de la invención;
- la figura 12 es una diagrama cualitativo de temperatura-entropía (entropía específica) representativo del procedimiento según la presente invención en la planta de la figura 11 en el modo de funcionamiento de la planta para el suministro de potencia eléctrica y/o potencia mecánica, potencia calorífica y potencia frigorífica, los diagramas relacionados con los otros modos de funcionamiento (a los que son a su vez aplicables las variantes referidas a las anteriores figuras 6a, 6b y 6c) siendo también deducibles de manera evidente por este mismo esquema.
Descripción detallada de la invención
Haciendo referencia por el momento a las figuras 1 a 6c, una planta según la presente invención está adaptada para el suministro a un usuario final de potencia eléctrica y/o potencia mecánica y, simultáneamente, de potencia calorífica y/o potencia frigorífica haciendo uso de un solo fluido de trabajo adaptado para absorber la potencia calorífica transferida mediante cualquier tipología de fuente de calor (renovable, por ejemplo, biomasa, solar, geotérmica, cascada térmica de procesos industriales o tradicional, por ejemplo, productos derivados del petróleo, gas natural, carbón). Por el contrario, en los sistemas de CCHP actualmente en el mercado, la tipología del fluido de trabajo que circula en el motor principal es, en general, diferente de la tipología del fluido de trabajo que circula en el dispositivo (activado térmica, eléctrica o mecánicamente) adaptado al suministro de potencia frigorífica al usuario final.
La planta que se está considerando puede funcionar con un fluido de trabajo de tipología “húmeda” o “seca” (la distinción entre fluidos “húmedos” y “secos” se produce, como se sabe, en relación a la diferente configuración de la curva de vapor seco saturado); además, dicho fluido de trabajo puede ser de un solo componente (es decir, constituido por una sola especie química) o azeotrópico de múltiples componentes (es decir, constituido por varias especies químicas). En ambas tipologías de fluidos, durante la condensación isobárica o la evaporación isobárica, la temperatura es constante y, asimismo, la composición de la fase de vapor es igual a la composición de la fase líquida. De lo contrario, la planta que se está considerando puede funcionar con un fluido no azeotrópico de múltiples componentes (por ejemplo, agua-amoníaco). En dicha tipología de fluido, durante la condensación isobárica o la evaporación isobárica, la temperatura cambia y, asimismo, la composición de la fase de vapor es diferente en comparación con la composición de la fase líquida. Los rendimientos termodinámicos de la planta pueden variar con el cambio de dichas tipologías de fluidos.
Por lo tanto, la planta de la primera realización, partiendo de medios de regulación isoentálpica de caudal S para la distribución isoentálpica del caudal total del fluido de trabajo en dos partes, incluye un primer circuito C1, que comprende primeros medios de compresión adiabáticos bifásicos, materializados, en este caso, por dos compresores mecánicos sucesivos, CP^ y CP^2 , adaptados para aumentar la presión y, en consecuencia, la temperatura del fluido de trabajo, alimentados por una fracción de la potencia eléctrica y/o la potencia mecánica totales generadas por la planta, tal como se explicará más adelante.
En el primer circuito C1 de la planta que se está considerando, entre dichos dos compresores está dispuesto un medio de regeneración térmica isobárica R, en concreto un intercambiador de calor a contracorriente, cuyo proceso se comprenderá mejor en breve.
Más abajo del primer medio de compresión adiabático bifásico, un medio de generación de vapor GV isobárico utiliza la potencia calorífica transferida por una fuente de calor, y precede al primer medio de expansión adiabático, en este caso tres etapas EP^, EP^ 2 y EP^3 , de las cuales como mínimo la última, EP^, incluye exclusivamente medios de expansión adiabáticos bifásicos. La potencia eléctrica y/o la potencia mecánica es producida por dicho primer medio de expansión adiabático, de ahí la citada fracción necesaria para alimentar los compresores utilizados en la planta. De manera más general, el primer medio de expansión adiabático EP^n+1 en el primer circuito comprende, como mínimo, dos etapas (más arriba de dicha última etapa) que comprende, exclusivamente, expansores adiabáticos bifásicos, o turbinas de vapor adiabáticas seguidas o precedidas por expansores adiabáticos bifásicos, o incluso exclusivamente turbinas de vapor adiabáticas.
El primer circuito está configurado de tal manera que el medio de regeneración térmica R intercepta el fluido de trabajo más abajo de la primera etapa de expansión adiabática, para favorecer la regeneración térmica isobárica mediante la transferencia de energía calorífica al fluido de trabajo más abajo de la primera etapa de compresión adiabática bifásica.
A continuación, el primer circuito incluye medios de condensación isobáricos CND adaptados para condensar dicho fluido de trabajo con el suministro resultante al usuario final de potencia calorífica.
En paralelo al primer circuito, partiendo nuevamente de los medios de regulación de caudal S, se desarrolla un segundo circuito C2, que incluye un primer medio de disipación térmica isobárico D1, adaptado para favorecer la transferencia de calor de dicho fluido de trabajo al ambiente externo, uno segundo medio de expansión EP2 , adaptado para generar potencia eléctrica y/o potencia mecánica debido a la expansión adiabática bifásica del fluido
de trabajo, y, a continuación, un medio de evaporación EVA, adaptado para suministrar al usuario final potencia frigorífica mediante la evaporación isobárica del fluido de trabajo.
Más abajo de los medios de evaporación, se utilizan, a continuación, segundos medios de compresión adiabáticos bifásicos, para aumentar la presión y, en consecuencia, la temperatura del fluido de trabajo. Tal como se muestra en las figuras 1 y 2a a 2c, dichos medios de compresión pueden ser configurados según diferentes variantes.
En concreto, pueden comprender, exclusivamente, uno o varios medios de compresión adiabáticos bifásicos CP2 alimentados mediante una fracción de la potencia eléctrica y/o la potencia mecánica totales generadas por la misma planta (figura 2b). En este caso, un medio de mezcla isoentálpico M asume la función de una interfaz de salida con el primer circuito, en concreto mezclando la parte del fluido de trabajo que circula en el segundo circuito, con la dirigida previamente hacia el primer circuito y que circulaba en el mismo.
Una segunda y una tercera variantes (en las figuras 1 y 2a, respectivamente) dan a conocer un medio de expulsión adiabático bifásico EIT, que también recibe la parte del fluido de trabajo en el primer circuito y que, por lo tanto, también realiza la (re)combinación entre las dos partes del fluido de trabajo, y uno o varios de dichos medios de compresión adiabáticos bifásicos CP2 situados más arriba (figura 1) o más abajo (figura 2a) de dichos medios de expulsión adiabáticos bifásicos EIT. Además, en una cuarta variante (figura 2c), el proceso de compresión en el segundo circuito se realiza únicamente en un medio de expulsión adiabático bifásico EIT, también en este caso claramente con la tarea de una conexión funcional con el primer circuito.
En concreto, un medio de expulsión adiabático bifásico realiza el aumento de la presión de la segunda parte del fluido de trabajo que circula en el segundo circuito (fluido secundario) utilizando la energía termodinámica de la primera parte del fluido de trabajo que circula en el primer circuito (fluido principal), teniendo este último una presión superior en la entrada con respecto a la del fluido secundario en la entrada. Por lo tanto, el fluido de trabajo a la salida del medio de expulsión adiabático bifásico, obtenido mezclando las dichas dos partes en el mismo medio de expulsión, alcanza una presión más alta en comparación con la presión del fluido secundario en la entrada.
Un tercer circuito C3 se bifurca más abajo del medio de compresión adiabático bifásico CP2 , EIT, y está adaptado para funcionar como conexión entre las salidas del primer y segundo circuito y del medio de regulación de caudal S. Más arriba de este último, el tercer circuito comprende segundos medios de disipación térmica isobáricos D2 , que favorecen la transferencia de calor desde el fluido de trabajo hacia el ambiente externo.
La planta comprende, además, una pluralidad de ramas de desviación entre las cuales, en concreto, una primera rama de desviación RD1 que parte del primer circuito y evita el condensador CND, en concreto, que se extiende entre una primera válvula todo-nada de tres vías V1 y una segunda válvula todo-nada de tres vías V2.
Finalmente, una segunda rama de desviación RD2 se extiende entre el primer circuito C1, más abajo de la última etapa de expansión adiabática EP^3 , y el tercer circuito C3, más arriba del segundo medio de disipación térmica isobárico, D2 sorteando prácticamente todo el segundo circuito C2. De manera más precisa, en el ejemplo, dicha segunda rama de desviación está delimitada por una tercera válvula todo-nada de tres vías V3, situada más abajo de los medios de expansión EP^3 , y por una cuarta válvula todo-nada de tres vías V4, situada entre los segundos medios de compresión adiabáticos bifásicos CP2 y/o EIT y los segundos medios de disipación térmica D2.
Todos los componentes mencionados anteriormente deben ser considerados conocidos para el experto en la materia cuando son considerados per se, en su naturaleza y construcción. No obstante, en aras de la exhaustividad, se observa que, por ejemplo, en [1] se proporciona una descripción general extensa de los expansores bifásicos e incluye, entre los expansores de fluidos bifásicos de mayor rendimiento actualmente en el mercado, el expansor bifásico de flujo radial de impulso-reacción en [3] y el expansor bifásico de flujo axial de impulso en [2]. De manera similar, se pueden encontrar ejemplos de compresor mecánico bifásico en [1], que, en concreto, da a conocer el compresor mecánico bifásico de doble tornillo en [4]. Finalmente, en [7] se presenta un ejemplo de un eyector bifásico, en concreto, el eyector de condensación bifásico.
Este último funciona con fluidos principal y secundario en la entrada, ambos en fase de vapor saturado húmedo (en concreto, la calidad del fluido secundario en la entrada está cerca del valor unitario), siendo la velocidad del fluido principal en la entrada notablemente más alta en comparación con la del fluido secundario, y también no siendo la presión del fluido secundario en la entrada significativamente inferior en comparación con la del fluido principal en la entrada. En esta situación, la alta velocidad del intercambio de calor (en el que la energía térmica es transferida por la fase de vapor a la fase líquida) implica la alta velocidad de condensación de la fase de vapor con el alto momento resultante ejercido por el fluido principal.
De ello se deduce que la presión del fluido a la salida del eyector resulta más alta, en comparación con las presiones tanto del fluido principal como del secundario a la entrada. Con las soluciones de optimización adecuadas, dicho eyector es capaz de funcionar según las siguientes situaciones de funcionamiento: calidad del fluido secundario en la entrada significativamente menor que el valor unitario, presión del fluido secundario en la entrada notablemente menor en comparación con la presión del fluido principal en la entrada y finalmente, presión del fluido a la salida del
eyector intermedia entre las presiones de los dos fluidos (principal y secundario) a la entrada.
Desde un punto de vista de funcionamiento, los tres modos de funcionamiento alternativos según los cuales la planta puede ser configurada, en concreto actuando sobre los sistemas de regulación determinados por la válvula de regulación de caudal S y las válvulas todo-nada V1W4 mencionadas anteriormente, se pueden esquematizar macroscópicamente como sigue.
En un modo de funcionamiento de la planta para el suministro al usuario final, además de potencia eléctrica y/o potencia mecánica, simultáneamente, potencia calorífica y potencia frigorífica, se alimenta una primera parte del fluido de trabajo, más abajo de la válvula de regulación de caudal S, en el primer circuito, a través (también) de los medios de condensación CND y de los primeros medios de expansión adiabáticos EPi,i, EPi ,2 y EPi ,3 hacia los segundos medios de compresión adiabáticos bifásicos CP2 y/o EIT en el segundo circuito, mientras que la segunda parte del fluido de trabajo se procesa en el segundo circuito. Las dos partes del fluido de trabajo son recombinadas en el bloque dentro del recuadro II de la figura 1, con los diferentes modos alternativos mencionados anteriormente. En un modo de funcionamiento de la planta para el suministro al usuario final, además de potencia eléctrica y/o potencia mecánica, simultáneamente, solo de potencia frigorífica, se produce de nuevo la distribución del fluido de trabajo en dos partes mediante la válvula de regulación de caudal S, como en el caso anterior; no obstante, la primera parte del fluido de trabajo en el primer circuito pasa, en este caso, a través de la primera rama de desviación RD1, evitando los medios de condensación CND. Las dos partes del fluido de trabajo son recombinadas en el bloque dentro del recuadro II de la figura 1, con los diferentes modos alternativos mencionados anteriormente. Finalmente, en un modo de funcionamiento de la planta para el suministro al usuario final, además de potencia eléctrica y/o potencia mecánica, simultáneamente solo de potencia calorífica, el caudal total del fluido de trabajo es alimentado en el primer circuito, a través (también) de los medios de condensación CND y, al llegar a la tercera válvula todo-nada de tres vías V3 es dirigido en la segunda rama de desviación RD2 directamente hacia el tercer circuito a través de la cuarta válvula todo-nada de tres vías V4 (de este modo, el segundo circuito permanece de facto inactivo).
La potencia eléctrica y/o potencia mecánica suministradas al usuario final es, evidentemente, igual a la diferencia entre la potencia total producida por todos los expansores de la planta menos la potencia eléctrica y/o potencia mecánica absorbidas por todos los compresores de la planta.
Más específicamente, en relación con la evolución de la secuencia cerrada de transformaciones termodinámicas en los diferentes modos de funcionamiento de la planta, con especial referencia a los diagramas de las figuras 3 a 5, se considera, en primer lugar, el modo de funcionamiento “Calefacción-Refrigeración” de la planta, es decir, el modo según el cual la potencia eléctrica y/o la potencia mecánica, la potencia calorífica y la potencia frigorífica son proporcionadas simultáneamente al usuario final.
En concreto, el diagrama cualitativo de temperatura-entropía en la figura 3 (y las figuras relacionadas 6a, 6b y 6c) está asociado con la planta que funciona con el fluido de trabajo de un solo componente de tipología “húmeda”, y se puede describir de la siguiente manera (las referencias numéricas se muestran en la posición adecuada también en el esquema de circuitos, en aras de una más fácil comprensión). Con modificaciones elementales y obvias de dicho diagrama, es posible asociar el diagrama cualitativo de temperatura-entropía a la planta que funciona con el fluido de trabajo de un solo componente de tipología “seca”, o con el fluido de trabajo de múltiples componentes (azeotrópico o no azeotrópico) de tipología “húmeda” o “seca”.
Transformaciones 1-2-2’-3
El fluido de trabajo en la fase de vapor saturado húmedo (punto 1) a temperatura Te y presión Pe de condensación, siendo la temperatura Te adecuada para el intercambio de calor con el ambiente externo (aire atmosférico, o agua subterránea, o agua de mar o de río o, incluso, un posible usuario final de potencia calorífica), es dirigido hacia la válvula de regulación de caudal S, en la que el caudal total del fluido de trabajo es sometido a una distribución isoentálpica en las dos partes.
En concreto, la primera parte del caudal de fluido de trabajo es procesada en el primer circuito C1 y, en él, es sometida a una compresión adiabática bifásica (mediante CP^ y CP^), en la que es puesta a presión hasta la presión máxima del ciclo termodinámico Pm, saliendo a la temperatura del final de la compresión en la fase de líquido subenfriado (punto 3).
Alternativamente, el fluido de trabajo que sale de la compresión adiabática bifásica completa puede estar en fase de líquido saturado o en fase de vapor saturado húmedo (casos no mostrados en el punto 3 de la figura 3).
En dicha transformación 1-2-2’-3, se observa una regeneración térmica isobárica (realizada en el intercambiador de calor R), debida a la potencia calorífica transferida por el fluido de trabajo que circula en fase de vapor saturado húmedo en el lado caliente (línea 5-5’) de dicho intercambiador de calor R situado más abajo de la primera etapa de
expansión adiabática (transformación sucesiva que se describirá más adelante), al mismo fluido de trabajo que circula en fase de vapor saturado húmedo en el lado frío (línea 2-2’) del mismo intercambiador de calor R situado más abajo de la primera etapa de compresión bifásica CPi,i.
Alternativamente, el fluido de trabajo en la entrada del lado frío del intercambiador de calor R puede estar en fase de líquido subenfriado o en fase de líquido saturado (casos no mostrados en el punto 2 de la figura 3).
Transformación 3-4
El fluido de trabajo en la salida de la compresión bifásica adiabática completa (punto 3) es dirigido al generador de vapor GV, en donde absorbe (a presión Pm constante) la potencia calorífica transferida por la fuente de calor que sale en correspondencia con la temperatura máxima del ciclo termodinámico Tm en la fase de vapor saturado húmedo (punto 4).
Alternativamente, el fluido de trabajo en el generador de vapor GV puede estar en uno de los siguientes casos (no mostrados en los puntos 3 y 4 de la figura 3): a) a la entrada, en la fase de líquido subenfriado y, a la salida, en la fase de líquido subenfriado, o líquido saturado, o vapor seco saturado, o vapor sobrecalentado o, incluso, en fase supercrítica; b) a la entrada, en fase de líquido saturado o en fase de vapor saturado húmedo y, a la salida, en fase de vapor saturado húmedo, o de vapor saturado seco, o de vapor sobrecalentado o, incluso, en fase supercrítica [Stefano B1 ].
Transformaciones 4-5-5’-6
El fluido de trabajo a la salida del generador de vapor (punto 4) es sometido a la primera expansión adiabática en EPi,i y EPi,2 , desde Pm y Tm, hasta la presión y temperatura de expansión final Ph y Th, obteniendo, de este modo, la producción de potencia eléctrica y/o potencia mecánica, y saliendo en fase de vapor saturado húmedo (punto 6), siendo la temperatura Th adecuada para el suministro al usuario final de potencia calorífica.
Alternativamente, el fluido de trabajo en la primera expansión adiabática en EPi,i y EPi,2 puede estar en uno de los siguientes estados (no mostrados en los puntos 4 y 6 de la figura 3): a) a la entrada, en fase supercrítica o de vapor sobrecalentado y, a la salida, en fase de vapor sobrecalentado, o de vapor saturado seco o, incluso, de vapor saturado húmedo; b) a la entrada, en fase de vapor saturado seco y, a la salida, en fase de vapor saturado húmedo, o en fase de vapor sobrecalentado; c) a la entrada, en fase de vapor saturado húmedo y, a la salida, en fase de vapor saturado seco o, también, en fase de vapor sobrecalentado; d) a la entrada, en fase de líquido subenfriado o de líquido saturado y, a la salida, en fase de vapor saturado húmedo.
En esta transformación 4-5-5’-6, se puede observar la regeneración térmica isobárica referida anteriormente (lado caliente del intercambiador de calor R en la línea 5-5’).
Alternativamente, el fluido de trabajo puede estar en el lado caliente del intercambiador de calor R en una de las siguientes situaciones (no mostradas en los puntos 5 y 5’ de la figura 3): a) a la entrada, en la fase de vapor sobrecalentado y, a la salida, en la fase de vapor sobrecalentado, o vapor saturado seco, o vapor saturado húmedo, o líquido saturado o, incluso, de líquido subenfriado; b) a la entrada en la fase de vapor saturado seco o en fase de vapor saturado húmedo y, a la salida, en fase de vapor saturado húmedo, o de líquido saturado o, incluso, de líquido subenfriado.
Transformación 6-7
Al final de la expansión que se acaba de mencionar (punto 6), el fluido de trabajo es dirigido al condensador CND en donde, debido a la condensación isobárica, realiza el suministro al usuario final, de potencia calorífica, saliendo en fase de vapor húmedo saturado (punto 7).
Alternativamente, el fluido de trabajo puede estar en el condensador en uno de los estados (no mostrados en los puntos 6 y 7 de la figura 3) similares a los descritos para el lado caliente del intercambiador de calor R (línea 5-5’). Transformación 7-8
Una etapa posterior de la primera expansión adiabática en EPi,3 con producción contextual de potencia eléctrica y/o potencia mecánica conduce el fluido de trabajo en fase de vapor saturado húmedo (punto 8) en correspondencia con valores de temperatura y presión superiores a los valores Te y Pe mencionados anteriormente, respectivamente. Transformación i-9
La segunda parte del caudal de fluido de trabajo a la salida de la válvula de regulación de caudal S en la fase de vapor saturado húmedo (punto i) es procesada tal como se describe en el segundo circuito C2 , en el que es sometida a un intercambio de calor en un medio de disipación térmica isobárico Di, transfiriendo potencia térmica en
el ambiente externo, saliendo en fase de vapor saturado húmedo (punto 9).
Alternativamente, el fluido de trabajo puede estar a la salida del medio de disipación térmica isobárico D1 en fase de líquido subenfriado o de líquido saturado (casos no mostrados en el punto 9 de la figura 3).
Transformación 9-10
El fluido de trabajo es sometido, en este punto, a una segunda expansión adiabática bifásica (en EP2), en la que realiza la producción de potencia eléctrica y/o potencia mecánica, hasta la presión Pc y temperatura de evaporación Tc, saliendo en fase de vapor saturado húmedo (punto 10), siendo la temperatura Tc adecuada para el suministro al usuario final, de potencia frigorífica.
Transformación 10-11
De este modo, a partir del punto 10, se produce una evaporación isobárica en el evaporador EVA con suministro contextual al usuario final, de potencia frigorífica, saliendo en la fase de vapor saturado húmedo (punto 11).
Transformaciones 8-13, 11-12-13 (figura 3 correspondiente al esquema de la figura 1)
En el caso de la solución de circuitos tal como en la figura 1, y haciendo referencia a la figura 3, la segunda parte del fluido de trabajo a la salida del evaporador EVA (punto 11) es sometida a una compresión mecánica bifásica a baja presión en CP2 (alimentada por una fracción de la potencia eléctrica y/o de la potencia mecánica totales producidas por los expansores de la planta) saliendo en fase de vapor saturado húmedo o en fase de vapor saturado seco (punto 12) y, a continuación, es sometida a un proceso de expulsión adiabática bifásica en EIT haciendo uso de la energía termodinámica de la primera parte del fluido de trabajo en el primer circuito a la entrada de EIT (punto 8). El fluido de trabajo, obtenido debido a la combinación de las dos partes, sale de EIT a presión Pe y temperatura Te en fase de vapor saturado húmedo (punto 13).
T ransformaciones 8-12, 11-12, 12-13 (figura 6a correspondiente al esquema de la figura 2a)
En el caso de la solución de circuitos como en la figura 2a, según el diagrama correspondiente de la figura 6a, el fluido de trabajo (segunda parte) a la salida del evaporador EVA (punto 11) es sometido directamente a un proceso de expulsión adiabática en EIT haciendo uso de la energía termodinámica de la primera parte del fluido de trabajo en el primer circuito a la entrada de EIT (punto 8), para converger en el estado termodinámico indicado por el punto 12 en la fase de vapor saturado húmedo y, posteriormente, a la compresión mecánica bifásica en CP2 , llegando a la presión Pe y la temperatura Te en fase de vapor saturado húmedo o fase de vapor saturado seco (punto 13).
Transformaciones 8-13, 11-12-13 (figura 6b correspondiente al esquema de la figura 2b)
En este caso, (esquema de la figura 2b), la segunda parte del fluido de trabajo, como en el caso de la figura 1, es sometida a una compresión adiabática bifásica (CP2) llegando directamente a la presión Pe y la temperatura Te en el punto 12 en fase de vapor saturado húmedo o vapor saturado seco. A partir de aquí se produce la mezcla isoentálpica con la primera parte del fluido de trabajo a la salida de la primera expansión adiabática del primer circuito (punto 8). Las dos partes del fluido de trabajo, exactamente a la misma presión Pe, se mezclan entre sí en M, desde donde sale el caudal total del fluido de trabajo en la fase de vapor saturado húmedo (punto 13).
T ransformaciones 8-12 y 11-12 (figura 6c correspondiente al esquema de la figura 2c)
Finalmente, si se elige la variante de la planta de la figura 2c, se producirá exclusivamente un proceso de expulsión adiabática en EIT, en el que la primera y la segunda parte del fluido de trabajo, proveniente de los estados termodinámicos de los puntos 8 y 11, respectivamente, alcanzan la presión Pe y la temperatura Te en fase de vapor saturado húmedo, como en la figura 6c (punto 12).
Transformaciones 13-1 o 12-1
Finalmente, el caudal total del fluido de trabajo a la presión Pe y la temperatura Te a la salida en el punto 13 de EIT (variante de las figuras 1 y 3), o CP2 (variante de las figuras 2a y 6a), o M (variante de las figuras 2b y 6b) o incluso a la salida en el punto 12 de EIT (variante de las figuras 2c y 6c), es sometido a una segunda disipación térmica isobárica en el medio de disipación térmica D2, realizándose la transferencia de potencia térmica en el ambiente externo e incluso saliendo en fase de vapor saturado húmedo (punto 1) para la repetición de toda la secuencia de transformaciones termodinámicas desde la válvula de regulación de caudal S.
En resumen, en la planta que funciona en dicho modo de funcionamiento calefacción-refrigeración, el fluido de trabajo realiza el suministro al usuario final, simultáneamente, de las siguientes tres tipologías de potencia:
a) Potencia eléctrica y/o potencia mecánica, igual a la potencia eléctrica y/o la potencia mecánica totales
producidas en los procesos de expansión menos la potencia eléctrica y/o potencia mecánica totales necesarias para la alimentación de los medios de compresión;
b) potencia calorífica en el condensador c Nd (transformación 6-7);
c) potencia frigorífica en el evaporador EVA (transformación 10-11).
Tal como se ha descrito, la planta según la presente invención es capaz de funcionar también según los modos de funcionamiento, alternativos al anterior y entre sí, para el suministro al usuario final solo de potencia calorífica (modo de funcionamiento de “Calefacción”) o solo de potencia frigorífica (modo de funcionamiento de “Refrigeración”), y siempre mientras al usuario final se le suministre contextualmente potencia eléctrica y/o potencia mecánica. Estos modos de funcionamiento de la planta encuentran una correspondencia en los diagramas cualitativos (T-s) de temperatura-entropía (de nuevo, entropía específica) modificados según las figuras 4 y 5, respectivamente, que se explicarán brevemente a continuación.
Haciendo referencia al diagrama T-s de la figura 4 (así como obviamente también a la figura 1), el modo de funcionamiento de “Calefacción” prevé que todo el caudal del fluido de trabajo circule en el primer circuito según la secuencia de transformaciones termodinámicas 1-8, que corresponde exactamente a la descrita anteriormente para el modo de funcionamiento de “Calefacción-Refrigeración”. No obstante, en el punto 8, a la presión Pe y la temperatura Te, el fluido de trabajo es desviado en RD2 directamente hacia el estado termodinámico 1, siendo sometido a la disipación térmica en D2 (transformación 8-1 análoga a la 12-1 o 13-1 del modo de funcionamiento de “Calefacción-Refrigeración” anterior). De este modo, el fluido de trabajo realiza el suministro al usuario final de la potencia eléctrica y/o la potencia mecánica totales producidas por los expansores menos la fracción necesaria para la alimentación de los medios de compresión, y de la potencia térmica en el condensador CND (transformación 6-7).
En el modo de funcionamiento de “Refrigeración” (esquema de la figura 1 y diagrama de la figura 5, con diagramas modificados como en las figuras 6a a 6c, que serán aplicables si la disposición de la planta es una de las representadas respectivamente en las figuras 2a a 2c), la válvula de regulación de caudal S divide el caudal del fluido de trabajo en dos partes. La evolución del ciclo en el diagrama T-s difiere de la del modo de funcionamiento de “Calefacción-Refrigeración” en el único aspecto de que la primera parte del fluido de trabajo evita el proceso de condensación en CND debido a la rama de desviación RD1 y, por lo tanto, el fluido de trabajo llega directamente en la proximidad de Pe y Te debido a la única expansión adiabática bifásica, claramente en correspondencia con un valor de entropía más alto en comparación con el modo de funcionamiento de “Calefacción-Refrigeración” mencionado anteriormente, siendo las demás condiciones iguales. De esta manera, el fluido de trabajo realiza el suministro al usuario final, de la potencia eléctrica y/o la potencia mecánica totales producidas en los expansores menos la fracción necesaria para la alimentación de los medios de compresión, y la potencia frigorífica en el evaporador EVA (transformación 10-11) .
Las figuras 7 y 8 a 10 representan una segunda realización, cuya disposición en planta y secuencia de transformaciones termodinámicas, representadas en el diagrama T-s, son idénticas a las homólogas asociadas a la primera realización, descrita anteriormente, con la excepción de la siguiente diferencia. En concreto, la segunda realización está caracterizada por una doble regeneración térmica en el primer circuito. En el primer regenerador térmico R1, el fluido de trabajo del lado frío y del lado caliente son sometidos a las transformaciones 2-2’ y 9-9’, respectivamente; en el segundo regenerador térmico R2 , el fluido de trabajo del lado frío y del lado caliente son sometidos a las transformaciones 3-3’ y 6-6’, respectivamente. La solución que se está considerando también sugiere otras hipótesis con un mayor número de regeneraciones térmicas. La configuración de la planta y los respectivos diagramas T-s son sustancialmente autoexplicativos, a la luz de la descripción anterior de la primera realización.
Se puede observar que, en general, las partes de los varios intercambiadores de calor Rn-1, donde tiene lugar la transferencia de la potencia calorífica por parte del fluido de trabajo del lado caliente, y que están funcionalmente asociadas a los primeros medios de expansión adiabáticos EP^n+1 en el primer circuito, pueden estar todas situadas más arriba o todas más abajo de los medios de condensación CND o, incluso, en parte más arriba y en parte más abajo de los medios de condensación CND. Los números que marcan los diferentes estados termodinámicos tienen en cuenta las transformaciones específicas de este caso y, por lo tanto, muestran discrepancias obvias en comparación con los utilizados en la primera realización (por ejemplo, el estado termodinámico del punto 12 de la primera realización corresponde al estado termodinámico del punto 14 de la segunda realización).
Las figuras 11 y 12 representan una tercera realización, cuya solución de planta y su secuencia de transformaciones termodinámicas, representadas en el diagrama T-s, son idénticas a las homólogas asociadas a la primera realización, descrita anteriormente. Por lo tanto, las figuras en realidad deben ser consideradas como autoexplicativas. No obstante, la tercera realización se caracteriza por la presencia de dos condensadores CND1 y CND2 en el primer circuito (cada uno de los cuales proporciona potencia calorífica al usuario final respectivo), y de dos evaporadores EVA1 y EVA2 , en el segundo circuito (cada uno de los cuales proporciona potencia frigorífica al usuario final respectivo). La inactivación del condensador único, en caso de ausencia de potencia calorífica solicitada por el usuario final respectivo, y la inactivación del evaporador único, en caso de ausencia de potencia frigorífica solicitada por el usuario final respectivo, se obtiene actuando sobre pares de válvulas todo-nada que delimitan la respectiva rama de desviación. En concreto, RD^ y RD1,2 son ramas de desviación en el primer circuito,
asociadas con el primer condensador CNDi y el segundo condensador CND2, respectivamente. El par de válvulas todo-nada V ^ j y V ^ ^ delimita RD^, y el par de válvulas todo-nada V ^ j y V ^ delimita RD^2. Además, RD3,1 y RD3,2 representan ramas de desviación en el segundo circuito asociado al primer evaporador EVA1 y al segundo evaporador EVA2 , respectivamente. El par de válvulas todo-nada V3,1,1 y V3,1,2 delimita RD3,1 y el par de válvulas todo-nada V3,2,1 y V3,2,2 delimita RD3,2.
Por medio de modificaciones elementales y obvias al diagrama T-s (y, en consecuencia, al esquema de la planta) es posible extender la invención en el caso de un mayor número de condensadores (cada uno de los cuales suministra potencia calorífica al respectivo usuario final) y un mayor número de evaporadores (cada uno de los cuales suministra potencia frigorífica al respectivo usuario final), donde el número de condensadores es, en general, diferente del número de evaporadores.
En términos generales, según un aspecto de la invención, están dispuestos primeros medios de compresión adiabáticos bifásicos CP^n en el primer circuito, que comprenden N etapas de compresión, siendo N > 2, y primeros medios de expansión adiabáticos EP^n+1 que comprenden N+1 etapas, entre las cuales, como mínimo, una etapa final, más arriba de la tercera válvula todo-nada de tres vías V3 , que comprende únicamente medios de expansión adiabáticos bifásicos; asimismo, los medios de regeneración térmica Rn-1 incluirán N-1 intercambiadores de calor; finalmente, K medios de condensación CNDk están dispuestos en el primer circuito (cada uno de los cuales suministra potencia calorífica al respectivo usuario final), M medios de evaporación EVAm están dispuestos en el segundo circuito (cada uno de los cuales suministra energía de enfriamiento al respectivo usuario final) y M segundos medios de expansión adiabáticos bifásicos EP2,m están dispuestos en el segundo circuito, siendo, en general, K t M y, posiblemente, K = M[Stefano B2].
La planta y el procedimiento actualmente propuestos son capaces de cumplir las necesidades de potencia eléctrica (y/o potencia mecánica), potencia calorífica y potencia frigorífica del usuario final con una flexibilidad considerablemente mayor en comparación con las plantas de CCHP actualmente en el mercado y las plantas de CCHP que funcionan con expansores de fluido bifásicos y/o compresores de fluido bifásicos previstos en la tecnología más avanzada.
En concreto, considerando una planta de CCHP de las actualmente en el mercado, donde el dispositivo para el suministro de potencia frigorífica al usuario final es un enfriador de absorción o adsorción, funciona, en general, según uno de los dos modos de regulación siguientes: 1) igualación de carga eléctrica, en donde la potencia eléctrica (o potencia mecánica) producida por la planta es igual a la potencia eléctrica (o potencia mecánica) requerida por el usuario final y, al mismo tiempo, la potencia calorífica producida por la planta puede ser superior o inferior a la potencia calorífica total requerida por el usuario final (incluyendo la potencia calorífica requerida por dicho enfriador); 2) igualación de carga térmica, en la que la potencia calorífica producida por la planta es igual a la potencia calorífica total requerida por el usuario final (incluida la potencia calorífica requerida por dicho enfriador) y al mismo tiempo la potencia eléctrica (o potencia mecánica) producida por la planta puede ser superior o inferior a la potencia eléctrica (o potencia mecánica) requerida por el usuario final.
Modos de regulación análogos se utilizan, en general, en una planta de CCHP de las actualmente en el mercado, en donde el dispositivo para el suministro de potencia frigorífica al usuario final funciona según el ciclo de refrigeración por compresión de vapor: 1) igualación de carga eléctrica, en donde la potencia eléctrica (o potencia mecánica) producida por la planta es igual a la potencia eléctrica (o potencia mecánica) total requerida por el usuario final (incluyendo la potencia eléctrica o mecánica solicitadas por dicho ciclo de refrigeración por compresión de vapor) y al mismo tiempo la potencia calorífica producida por la planta puede ser superior o inferior a la potencia calorífica requerida por el usuario final; 2) igualación de carga térmica, en donde la potencia calorífica producida por la planta es igual a la potencia calorífica requerida por el usuario final y, al mismo tiempo, la potencia eléctrica (o potencia mecánica) producida por la planta puede ser superior o inferior a la potencia eléctrica (o potencia mecánica) total requerida por el usuario final (incluyendo la potencia eléctrica o potencia mecánica requeridas por dicho ciclo de refrigeración por compresión de vapor).
En resumen, una planta de CCHP comercial posee una flexibilidad modesta, debido a que permite el suministro al usuario final de potencia eléctrica (o potencia mecánica), potencia calorífica y potencia frigorífica en presencia de un excedente o déficit de energía producida por la planta. En concreto, el excedente de potencia calorífica producida por la planta puede ser disipada en el ambiente externo o almacenada en medios de almacenamiento de energía térmica adecuados, el excedente de potencia eléctrica (o potencia mecánica) puede ser alimentado a la red eléctrica (si es posible), o almacenado en medios de almacenamiento de energía eléctrica (o mecánica) adecuados y, finalmente, el déficit de potencia calorífica o potencia eléctrica (o mecánica) puede ser producido por los respectivos dispositivos de integración de la planta de CCHP.
En comparación con las plantas de CCHP actualmente en el mercado, las plantas de CCHP que funcionan con expansores de fluido bifásico y/o compresores de fluido bifásico conocidos en la técnica, en concreto los descritos en [1], en general, poseen más flexibilidad. No obstante, también en comparación con este último, la planta y el procedimiento según la presente invención muestran una flexibilidad significativamente mayor. En concreto, la planta y el procedimiento según la presente invención permiten el suministro de los valores requeridos simultáneamente por
el usuario final de potencia eléctrica y/o potencia mecánica, potencia calorífica y potencia frigorífica en intervalos que tienen un alcance significativamente superior (alcance que se comprenderá tanto con respecto a los valores de potencia como con respecto a los de las temperaturas correspondientes a la potencia calorífica y la potencia frigorífica requerida por el usuario final) en comparación con dichas plantas de c Ch P, en ausencia de déficit o de excedente de cada una de dichas tres potencias suministradas por la presente planta y procedimiento [Stefano B3].
La notable flexibilidad de utilización de la planta según la presente invención adquiere gran importancia en caso de variación temporal del valor, como mínimo, de una de las tipologías de potencia (eléctrica, mecánica, calorífica, frigorífica) requerida por el usuario final y/o de los valores, como mínimo, de una de las temperaturas correspondientes a las potencias calorífica y/o frigorífica requeridas por el usuario final. Dicha considerable flexibilidad se deriva de la capacidad de suministrar los valores de potencia eléctrica (o potencia mecánica), potencia calorífica y potencia frigorífica requeridos por el usuario final y, al mismo tiempo, tanto la potencia calorífica como la potencia frigorífica en correspondencia con el valor respectivo de temperatura mediante la regulación, como mínimo, de varios parámetros de proceso independientes entre sí: cada una de las dos partes de los caudales de fluido de trabajo que circulan en el primer y en el segundo circuito C1 y C2 , respectivamente; calidad del vapor a la salida de cada uno de los dos medios de disipación térmica D1 y D2 ; presión a la salida de cada etapa de los primeros medios de compresión adiabáticos bifásicos CP^n en el primer circuito; calidad del vapor a la salida o temperatura a la salida de los medios de generación de vapor GV en el primer circuito; la calidad del vapor a la salida o la temperatura a la salida de cada medio de condensación CNDk en el primer circuito; la calidad del vapor a la salida o la temperatura a la salida de cada lado caliente del medio de regeneración térmica Rn-1 en el primer circuito; la presión a la salida de cada etapa de los primeros medios de expansión adiabáticos EP^n+1 en el primer circuito; la presión a la salida de cada etapa del segundo medio de expansión bifásico adiabático EP2,m en el segundo circuito; la calidad del vapor a la salida de cada medio de evaporación EVAm en el segundo circuito; y finalmente, la presión a la salida del segundo medio de compresión adiabático bifásico, en concreto el medio CP2 alimentado por la utilización de una fracción de la potencia mecánica o eléctrica generada por la misma planta.
La regulación de estos parámetros de proceso mencionados anteriormente (y de otros posibles, dependiendo de la realización específica) puede tener lugar por medio de recursos y modos que son conocidos por el experto en la materia y, por lo tanto, no se detallarán aún más en el presente documento. Por ejemplo, la calidad del vapor a la salida de un medio de condensación CNDk en el primer circuito y la calidad del vapor a la salida de un medio de evaporación EVAm en el segundo circuito se controlan de manera muy sencilla mediante la regulación de la potencia calorífica requerida por el usuario final asociada al CNDk y la potencia frigorífica requerida por el usuario final asociada con el EVAm, respectivamente. Además, y todavía a modo de ejemplo, la regulación de la calidad del vapor a la salida del lado caliente de un medio regeneración térmica Rn-1 en el primer circuito consiste en la regulación del caudal del fluido de trabajo que circula en el mismo lado caliente del medio de regeneración térmica mediante el respectivo medio de regulación de caudal y mediante el respectivo medio de desviación, situado más arriba y en paralelo al lado caliente del mismo medio de regeneración térmica, respectivamente.
Además, actuando sobre las válvulas todo-nada, tal como se ha descrito anteriormente, se establece el funcionamiento de la planta según cualquiera de dichos tres modos de funcionamiento, de “Calefacción”, o “Refrigeración” o, incluso, de “Calefacción-Refrigeración”, y también se ordena la activación o desactivación del condensador único y/o del evaporador único en relación con los requisitos de potencia de los usuarios finales.
Se han realizado pruebas, demostrando que la planta y el procedimiento de la presente invención ofrecen una segunda ventaja, tan importante como la anterior, tanto en comparación con las plantas de CCHP actualmente en el mercado como en comparación con las plantas de CCHP que funcionan con expansores de fluido bifásico y/o compresores de fluido bifásico en la tecnología más avanzada. En concreto, la planta y el procedimiento según la presente invención poseen valores más altos de los indicadores de rendimiento termodinámico de la planta. Se deduce [Stefano B4] que se produce un ahorro de la potencia calorífica transferida por la fuente de calor al fluido de trabajo en el generador de vapor, siendo suministrada la misma potencia eléctrica, potencia calorífica y potencia frigorífica al usuario final.
Los procesos de compresión, realizados por medio de compresores mecánicos adiabáticos bifásicos según los modos descritos anteriormente, contribuyen a la consecución de las dos ventajas mencionadas anteriormente.
En concreto, en relación con el aumento de los indicadores de rendimiento termodinámico de la planta, en aras de la sencillez, la planta en cuestión se considera en ausencia de regeneradores térmicos, y, por lo tanto, con un solo compresor mecánico adiabático bifásico en el primer circuito. La utilización de dicha tecnología no convencional implica, siendo las demás condiciones iguales (incluidos los valores de la potencia eléctrica o mecánica, potencia calorífica y potencia frigorífica suministrada por el fluido de trabajo al usuario final), el aumento de la entalpía por unidad de masa a la salida de dicho compresor mecánico adiabático bifásico y, por lo tanto, dicha utilización implica los dos efectos opuestos siguientes. El primer efecto consiste en el aumento de la primera parte del caudal de fluido de trabajo que circula en el primer circuito, necesario para el suministro de la potencia eléctrica (o potencia mecánica) predeterminada al usuario final. El segundo efecto consiste en la disminución de la diferencia de entalpía por unidad de masa entre la salida y la entrada del generador de vapor. El primer y segundo efectos mencionados anteriormente implican el aumento y la reducción de la potencia calorífica transferida por la fuente de calor al fluido
de trabajo en el generador de vapor, respectivamente. Resulta que esta última potencia calorífica muestra un valor mínimo en correspondencia con un valor determinado de la entalpía por unidad de masa a la salida del compresor mecánico adiabático bifásico del primer circuito. En esta situación, los indicadores de rendimiento termodinámico de la planta, que tienen en cuenta los valores tanto de la potencia suministrada por la planta al usuario final (eléctrica y/o mecánica, calorífica y frigorífica) como de la potencia calorífica transferida por la fuente de calor a la planta en el generador de vapor, toman valores máximos.
Por otro lado, la compresión del fluido de trabajo en fase de vapor saturado húmedo se puede realizar ventajosamente en la planta según la presente invención y, en concreto, en el segundo circuito, utilizando dicha tecnología no convencional en lugar de la tecnología tradicional para la compresión separada de dos fases (líquido saturado y vapor saturado seco). Esto último prevé la separación de dichas dos fases por medio de un separador líquido-vapor, un aumento sucesivo de la presión de cada una de las dos fases por medio del respectivo dispositivo convencional (bomba de circulación y compresor monofásico) hasta el mismo valor de la presión a la salida y, finalmente, la mezcla de dichas dos fases puestas a presión. En concreto, a posteriori se pueden obtener las siguientes ventajas debido a la utilización del compresor mecánico adiabático bifásico en comparación con dicha tecnología convencional:
- menor potencia eléctrica (o potencia mecánica) necesaria para el compresor bifásico en condiciones de funcionamiento adecuadas en comparación con la requerida, en general, para dicha tecnología tradicional, con las mismas presiones a la entrada y la salida, caudal y calidad del vapor a la entrada;
- requisito de utilización de un complejo sistema de regulación/control en el caso de dicha tecnología tradicional para obtener las mismas presiones a la salida del compresor monofásico y la bomba de circulación con condiciones de funcionamiento variables, evitando una reducción significativa de los rendimientos de la planta. Por el contrario, en el caso de un compresor bifásico, dicho sistema de regulación/control está ausente;
- requisito de utilización de un separador líquido-vapor y un mezclador en el caso de dicha tecnología tradicional. Por el contrario, en el caso del compresor bifásico, dichos dispositivos están ausentes.
La consecución de dichas dos ventajas que ofrece la planta según la presente invención se obtiene también debido a la implementación de la regeneración térmica R tal como se ha descrito anteriormente.
En concreto, en relación con el aumento de los indicadores de rendimiento termodinámico de la planta, en aras de la sencillez, se supone que la planta en cuestión cuenta con un solo regenerador térmico en el primer circuito (figura 3). El aumento de la potencia calorífica transferida por el fluido de trabajo en el lado caliente del regenerador térmico al mismo fluido de trabajo en el lado frío del regenerador térmico determina, siendo iguales las demás condiciones (incluyendo los valores de la potencia eléctrica o mecánica, potencia calorífica y potencia frigorífica suministradas por el fluido de trabajo al usuario final), los siguientes dos efectos opuestos. El primer efecto consiste en el aumento de la diferencia de entalpía por unidad de masa entre la entrada y la salida del compresor mecánico adiabático bifásico situado más abajo del lado frío de dicho regenerador térmico y, al mismo tiempo, en la disminución de la diferencia de entalpía por unidad de masa (en valor absoluto) entre la entrada y la salida del expansor situado más abajo del lado caliente de dicho regenerador térmico. Se produce el aumento de la primera parte del caudal de fluido de trabajo que circula en el primer circuito, necesario para el suministro de la potencia eléctrica (o potencia mecánica) predeterminada, al usuario final. El segundo efecto consiste en la disminución de la diferencia de entalpía por unidad de masa entre la entrada y la salida del generador de vapor. El primer y el segundo efecto mencionados anteriormente implican el aumento y la reducción de la potencia calorífica transferida por la fuente de calor al fluido de trabajo en el generador de vapor, respectivamente. De ello se deduce que esta última potencia calorífica muestra un valor mínimo en correspondencia con un valor determinado de la potencia calorífica intercambiada en el regenerador térmico del primer circuito. En esta situación, los indicadores termodinámicos del rendimiento de la planta mencionados anteriormente toman valores máximos.
Por lo tanto, se puede conseguir un aumento adicional de dichos indicadores termodinámicos de rendimiento de la planta mediante la utilización de varios regeneradores térmicos en el primer circuito según el modo descrito anteriormente, en cada uno de los cuales el intercambio de calor tiene lugar en correspondencia con valores apropiados tanto de la potencia calorífica transferida en los mismos como de las presiones relacionadas con el fluido de trabajo del lado caliente y el fluido de trabajo del lado frío que circula en los mismos.
Cabe señalar que, en un ciclo termodinámico genérico, la regeneración térmica se puede realizar según varios modos relacionados con los siguientes aspectos: 1) presencia o ausencia de intercambio de masa entre las dos partes del fluido de trabajo (lado caliente, lado frío) en contacto térmico; 2) ubicación del lado caliente y ubicación del lado frío en el mismo ciclo termodinámico; 3) condiciones de funcionamiento del ciclo termodinámico. Por lo tanto, en un ciclo termodinámico genérico, es necesario evaluar el efecto favorable o desfavorable producido por la regeneración térmica (a saber, el aumento o disminución de los indicadores de rendimiento termodinámico del mismo ciclo termodinámico, respectivamente) en relación con dichos modos de realización de la regeneración térmica.
Una contribución más a la consecución de las dos ventajas anteriormente indicadas, ofrecidas por la planta según la presente invención, se proporciona debido a la implementación del proceso de expansión del fluido de trabajo en la
fase de vapor saturado húmedo por medio de un expansor adiabático bifásico. En concreto, esta tecnología no convencional contribuye al aumento de dichos indicadores de rendimiento termodinámico de la planta al realizar la conversión de la energía termodinámica del fluido de trabajo en energía eléctrica (o energía mecánica). De hecho, la posible utilización de una válvula de Joule-Thomson convencional, en lugar de dicha tecnología no convencional, implicaría la disipación de la energía termodinámica del fluido de trabajo en la fase de vapor saturado húmedo. Finalmente, se aporta una contribución adicional al incremento de dichos indicadores termodinámicos de rendimiento de la planta según la presente invención, debido a la implementación en el segundo circuito del proceso de compresión del fluido de trabajo en fase de vapor saturado húmedo mediante un eyector adiabático bifásico. En concreto, dicha tecnología no convencional en condiciones apropiadas de funcionamiento determina la reducción o la eliminación total de la potencia eléctrica (o mecánica) requerida por los compresores mecánicos adiabáticos bifásicos CP2 en el segundo circuito.
La planta en cuestión, tal como se ha explicado, puede funcionar con un fluido de trabajo de tipología “húmeda” o “seca” y, además, dicho fluido puede ser de un solo componente o de múltiples componentes, azeotrópico o, también, de múltiples componentes, no azeotrópico. En este último caso, la composición de dicho fluido se establece de tal manera que las tendencias de temperatura del fluido de trabajo durante la condensación isobárica y la evaporación isobárica se acercan a las tendencias de temperatura de los usuarios finales de potencia calorífica y potencia frigorífica, respectivamente (de hecho, dichas tendencias de temperatura de los usuarios finales son, en general, variables a lo largo del condensador y el evaporador). De esta manera, se obtiene la reducción de la irreversibilidad relacionada con dicho intercambio de calor, con el consiguiente aumento de la potencia eléctrica y/o la potencia mecánica global producida en la planta que se está considerando, con la misma potencia calorífica transferida por la fuente de calor al fluido de trabajo en el generador de vapor.
Los medios de disipación térmica D1 y D2 pueden ser disipadores térmicos reales o pueden ser reemplazados ambos (o uno de ellos) por intercambiadores de calor similares en los que el fluido de trabajo suministra potencia calorífica al usuario final. En otras palabras, en este caso la potencia calorífica no se dispersa en el entorno externo, sino que se suministra al usuario final.
Esta situación puede tener lugar en presencia de un usuario final que requiera potencia calorífica en correspondencia con varios valores diferentes de temperatura, en concreto los valores de temperatura asociados a los condensadores y a los medios de disipación térmica.
En la presente invención, la disipación de energía térmica hacia el ambiente externo debe ser entendida como cualquier medio para la transferencia de energía térmica entre el fluido de trabajo y el fluido térmico, por lo tanto, los disipadores térmicos reales, es decir, los intercambiadores de calor en los que la energía térmica del fluido de trabajo se dispersa hacia el ambiente externo (por ejemplo, aire atmosférico, agua de mar o de río o subterránea), debido a que la temperatura del fluido de trabajo en dichos disipadores térmicos no es suficientemente alta para el usuario final, o intercambiadores de calor en los que, si dicha temperatura es lo suficientemente alta (depende de la tipología del usuario final y de la tipología del fluido de trabajo), se adaptan para proporcionar de manera rentable dicha potencia calorífica al mismo usuario final en lugar de dispersarla.
El generador de vapor, en relación con la fase del fluido de trabajo que sale del mismo será, en la práctica, un economizador (el fluido a la salida está en fase de líquido subenfriado o en fase de líquido saturado), un evaporador (el fluido a la salida está en fase de vapor saturado húmedo o en fase de vapor saturado seco), o un sobrecalentador (el fluido a la salida está en fase de vapor sobrecalentado o en fase supercrítica).
Las fases del fluido de trabajo en las secuencias de transformaciones termodinámicas descritas anteriormente se han indicado en relación con las condiciones habituales de funcionamiento pero, obviamente, esto no representa un aspecto limitativo, siendo el proceso según la presente invención, también, capaz de prever que el fluido de trabajo esté en diferentes fases de las de los ejemplos mencionados anteriormente.
Bibliografía
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[3] La primera instalación del expansor bifásico de Ebara alcanza las 30000 horas de funcionamiento con éxito, http://www.ebaracryo.com/news/2431/ (consultado el 14/12/2015).
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Claims (16)
1. Planta para el suministro de potencia eléctrica y/o potencia mecánica y, simultáneamente, potencia calorífica y/o potencia frigorífica a un usuario final haciendo uso de un solo fluido de trabajo adaptado para absorber una potencia calorífica transferida por una fuente de calor, comprendiendo la planta:
i) medios de regulación isoentálpica de caudal (S), adaptados para dividir el caudal global de dicho fluido de trabajo que circula en dicha planta en una primera y una segunda partes del fluido de trabajo;
ii) más abajo de dichos medios de regulación isoentálpica (S), un primer circuito (Ci) para la circulación de dicha primera parte del fluido de trabajo en un modo de funcionamiento de la planta para el suministro, además de potencia eléctrica y/o de potencia mecánica, de potencia calorífica y de potencia frigorífica o solo de potencia frigorífica, o el caudal total de dicho fluido de trabajo en un modo de funcionamiento de la planta para el suministro, además de potencia eléctrica y/o de potencia mecánica, solo de potencia calorífica, comprendiendo dicho primer circuito:
- primeros medios de compresión adiabáticos bifásicos (CP^n), adaptados para aumentar la presión y, en consecuencia, la temperatura de dicho fluido de trabajo, alimentado por una fracción de la potencia eléctrica y/o de la potencia mecánica generadas globalmente por la planta;
- medios de generación de vapor (GV) isobáricos, para generar vapor a partir de dicho fluido de trabajo activado térmicamente por medio de dicha potencia calorífica transferida por dicha fuente de calor;
- primeros medios de expansión adiabáticos (EP1,n+1), adaptados para generar dicha potencia eléctrica y/o dicha potencia mecánica debido a la expansión de dicho fluido de trabajo;
- medios de condensación isobáricos (CNDk), adaptados para condensar dicho fluido de trabajo con el suministro de potencia calorífica resultante, a dicho usuario final;
- medios de regeneración térmica isobáricos (Rn-1), asociados funcionalmente a dichos primeros medios de compresión adiabáticos bifásicos (CP^n) y a dichos primeros medios de expansión adiabáticos (EP^n+1), adaptados para favorecer una transferencia de potencia calorífica desde dicho fluido de trabajo que circula más abajo, como mínimo, de una etapa de dichos primeros medios de expansión adiabáticos (EP^n+1), al mismo fluido de trabajo que circula más abajo, como mínimo, de una etapa de dichos primeros medios de compresión adiabáticos bifásicos (CP^n);
iii) más abajo de dichos medios de regulación de caudal (S), un segundo circuito (C2), para la circulación de dicha segunda parte del fluido de trabajo, en un modo de funcionamiento de la planta para el suministro, además de potencia eléctrica y/o de potencia mecánica, de potencia calorífica y potencia frigorífica o solo de potencia frigorífica, comprendiendo dicho segundo circuito:
- primeros medios de disipación térmica isobáricos (D1), adaptados para favorecer la transferencia de calor desde dicho fluido de trabajo al ambiente externo a la planta;
- segundos medios de expansión adiabáticos bifásicos (EP2,m), adaptados para generar dicha potencia eléctrica y/o potencia mecánica debido a la expansión de dicho fluido de trabajo;
- medios de evaporación isobáricos (EVAm), adaptados para evaporar dicho fluido de trabajo con el suministro de potencia frigorífica resultante a dicho usuario final;
- segundos medios de compresión adiabáticos bifásicos (CP2 , EIT), adaptados para aumentar la presión y, en consecuencia, la temperatura de dicho fluido de trabajo;
en el que dicho primer (C1) y segundo (C2) circuitos están en comunicación entre sí con el fin de ser adaptados para combinar dicha primera parte del fluido de trabajo de dicho primer circuito más abajo de dichos primeros medios de expansión adiabáticos (EP^N+1), y dicha segunda parte de dicho fluido de trabajo de dicho segundo circuito, en dichos segundos medios de compresión adiabáticos bifásicos (CP2, EIT) o más abajo de los mismos; iv) un tercer circuito (C3) más abajo de dichos segundos medios de compresión adiabáticos bifásicos (CP2 , EIT) para la circulación del caudal global de dicho fluido de trabajo hacia dichos medios de regulación (S), comprendiendo, además, más arriba de dichos medios de regulación, segundos medios de disipación térmica (D2) adaptados para favorecer la transferencia de energía térmica desde dicho fluido de trabajo hacia el ambiente externo a la planta; y
v) medios de desviación que comprenden:
- primeros medios de desviación (RD1,k), adaptados para desviar dicho fluido de trabajo hacia dicho primer circuito, sin pasar por los respectivos medios de condensación (CNDk); y
- segundos medios de desviación (RD2), adaptados para desviar dicho fluido de trabajo entre dicho primer circuito (C1) más abajo de dichos primeros medios de expansión adiabáticos (EP^N+1) y dicho tercer circuito (C3) más arriba de dichos segundos medios de disipación térmica (D2) sin pasar por dicho segundo circuito (C2); vi) medios de control, adaptados para distribuir el fluido de trabajo entre dichos circuitos y dichos medios de desviación;
en donde la planta puede ser configurada para las siguientes funcionalidades alternativas:
- conducir dicha primera parte del fluido de trabajo en dicho primer circuito (Ci) a través de dichos medios de condensación (CNDk) y dichos primeros medios de expansión adiabáticos (EP1,n+1) hacia dichos segundos medios de compresión adiabáticos bifásicos (CP2, EiT) en dicho segundo circuito (C2), en un modo de funcionamiento de la planta para el suministro a dicho usuario final de potencia eléctrica y/o potencia mecánica, simultáneamente, de potencia calorífica y potencia frigorífica;
- desviar dicha primera parte del fluido de trabajo en dicho primer circuito (C1) a través de dichos primeros medios de desviación (RD-1,k) y dichos primeros medios de expansión adiabáticos (EP^N+1) hacia dichos segundos medios de compresión adiabáticos bifásicos (CP2 , EIT) en un modo de funcionamiento de la planta para el suministro a dicho usuario final, además de potencia eléctrica y/o potencia mecánica, simultáneamente, solo de potencia frigorífica;
- conducir el caudal total del fluido de trabajo en dicho primer circuito (C1) a través de dichos medios de condensación (CNDk) y de dichos primeros medios de expansión adiabáticos (Ep^n+1) y, a continuación, a través de dichos segundos medios de desviación (RD2) hacia dicho tercer circuito (C3) en un modo de funcionamiento de la planta para el suministro a dicho usuario final, además de potencia eléctrica y/o potencia mecánica, simultáneamente, solo de potencia calorífica.
2. Planta, según la reivindicación 1, en la que dichos primeros medios de desviación (RD^k) comprenden, como mínimo, una primera rama de desviación, para desviar dicho fluido de trabajo, estando delimitada dicha primera rama de desviación por una primera (V ^ j) y una segunda (V^k.2) válvulas todo-nada de tres vías situadas en dicho primer circuito (C1) más arriba y más abajo de los respectivos medios de condensación (CNDk); y dichos segundos medios de desviación del fluido de trabajo (RD2) comprenden una segunda rama de desviación que está delimitada por una tercera válvula todo-nada de tres vías (V3) situada más abajo de dichos primeros medios de expansión adiabáticos (EP^N+1), y por una cuarta válvula todo-nada de tres vías (V4) situada entre dichos segundos medios de compresión adiabáticos bifásicos (CP2, EIT) y dichos segundos medios de disipación térmica (D2), con lo que dichas funcionalidades alternativas se obtienen configurando, además de dichos medios de regulación de caudal (S), dichas válvulas.
3. Planta, según la reivindicación 2, en la que dichos medios de desviación comprenden terceros medios de desviación (RD3,m) adaptados para desviar dicho fluido de trabajo en dicho segundo circuito (C2), evitando los respectivos medios de evaporación (EVAm); comprendiendo dichos terceros medios de desviación (r D3,m), como mínimo, una tercera rama de desviación para desviar dicho fluido de trabajo, estando delimitada dicha tercera rama de desviación por una primera (V3,m,1) y una segunda (V3,m,2) válvulas todo-nada de tres vías situadas en dicho segundo circuito (C2) más arriba y más abajo de los respectivos medios de evaporación (EVAm).
4. Planta, según la reivindicación 2, en la que dichos segundos medios de compresión adiabáticos bifásicos en dicho segundo circuito (C2) comprenden exclusivamente uno o varios compresores adiabáticos bifásicos (CP2) accionados por una parte de la potencia eléctrica y/o potencia mecánica generadas en su totalidad por la planta, estando dispuestos, además, medios de mezcla isoentálpica (M) para combinar dicha primera y segunda partes del fluido de trabajo, situadas más abajo de dicho segundo medio de compresión bifásico adiabático (CP2) y más arriba de dicha cuarta válvula todo-nada de tres vías (V4).
5. Planta, según la reivindicación 2, en la que dichos segundos medios de compresión bifásicos en dicho segundo circuito (C2) comprenden exclusivamente medios de expulsión adiabáticos bifásicos (EIT), adaptados para ser añadidos, asimismo, a la combinación entre dicha primera y segunda partes del fluido de trabajo.
6. Planta, según la reivindicación 2, en la que dichos segundos medios de compresión bifásicos en dicho segundo circuito (C2) comprenden medios de expulsión adiabáticos bifásicos (EIT), adaptados para ser añadidos también a la combinación entre dicha primera y segunda partes del fluido de trabajo, y uno o varios compresores adiabáticos bifásicos (CP2) situados más arriba o más abajo de dichos medios de expulsión adiabáticos bifásicos (EIT) y accionados mediante una parte de la potencia eléctrica y/o la potencia mecánica generadas íntegramente por la planta.
7. Planta, según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, en la que dichos primeros medios de compresión adiabáticos bifásicos (Cp^n) en dicho primer circuito (C1) comprenden N etapas de compresión, siendo N > 2, y dichos primeros medios de expansión adiabáticos (EP^N+1) en dicho primer circuito (C1) comprenden N+1 etapas entre las que, como mínimo, una etapa final más arriba de dicha tercera válvula todo-nada de tres vías (V3) que comprende exclusivamente medios de expansión adiabáticos bifásicos; y en el que dichos medios de regeneración térmica (Rn-1) comprenden N-1 intercambiadores de calor.
8. Planta, según la reivindicación 7, en la que dichos primeros medios de expansión adiabáticos (EP^N+1) en dicho primer circuito (C1) comprenden, además, como mínimo dos etapas más arriba de dicha etapa final, que comprenden exclusivamente expansores adiabáticos bifásicos, o turbinas de vapor adiabáticas seguidas o precedidas por expansores adiabáticos bifásicos, o incluso exclusivamente turbinas de vapor adiabáticas.
9. Planta, según la reivindicación 7 u 8, en la que dichos medios de regeneración térmica (Rn-1) asociados funcionalmente a dichos primeros medios de expansión adiabáticos (EP^N+1) en dicho primer circuito (C1) están
situados todos más arriba de dichos medios de condensación (CNDk), o todos más abajo del mismo, o incluso algunos más arriba y algunos más abajo de dichos medios de condensación (CNDk).
10. Procedimiento para el suministro de potencia eléctrica y/o potencia mecánica y, simultáneamente, de potencia calorífica y/o potencia frigorífica a un usuario final haciendo uso de un ciclo termodinámico de un solo fluido de trabajo adaptado para absorber una potencia calorífica transferida por una fuente de calor, comprendiendo el procedimiento:
- alimentar, como mínimo, una primera parte del caudal de dicho fluido de trabajo, obtenido por subdivisión isoentálpica en fase de vapor húmedo, a una primera secuencia de transformaciones termodinámicas que proporciona:
- como mínimo, un primer proceso de compresión adiabática bifásica (CP^n) en el que la presión y, en consecuencia, la temperatura de dicho fluido de trabajo aumentan, utilizando una parte de la potencia eléctrica y/o la potencia mecánica generadas totalmente mediante dicho ciclo termodinámico;
- un proceso isobárico de generación de vapor (GV) a partir de dicho fluido de trabajo, utilizando dicha potencia calorífica transferida por dicha fuente de calor;
- como mínimo un primer proceso de expansión adiabática (EP^n+1) en el que dicha potencia eléctrica y/o potencia mecánica se generan debido a la expansión de dicho fluido de trabajo;
- como mínimo un proceso de regeneración térmica isobárica (Rn-1) asociado funcionalmente, como mínimo, a una etapa de dicho primer proceso de compresión adiabática bifásica (CP^n) y a dicho, como mínimo, un primer proceso de expansión adiabática (EP^n+1), en el que la transferencia de calor se produce desde dicho fluido de trabajo que circula más abajo, como mínimo, de una etapa de dicho primer proceso de expansión adiabática (EP^n+1) al mismo fluido de trabajo que circula más abajo de dicha, como mínimo, una etapa de dicho primer proceso de compresión adiabática bifásica (CP^n);
- en un modo de funcionamiento del procedimiento para el suministro, además de potencia eléctrica y/o potencia mecánica, de potencia calorífica y potencia frigorífica o solo de potencia frigorífica, alimentando una segunda parte de dicho fluido de trabajo, obtenido de dicha subdivisión isoentálpica en fase de vapor húmedo, a una segunda secuencia de transformaciones termodinámicas que proporciona:
- un primer proceso de disipación térmica isobárica (D1), en el que se favorece una primera transferencia de calor desde dicho fluido de trabajo al ambiente externo;
- como mínimo un segundo proceso de expansión adiabática bifásica (EP2,m), en el que se genera potencia eléctrica y/o potencia mecánica debido a la expansión de dicho fluido de trabajo;
- como mínimo, un proceso de evaporación isobárica (EVAm) de dicho fluido de trabajo con el suministro de potencia frigorífica resultante, al usuario final;
- un segundo proceso de compresión adiabática bifásica (CP2 , EIT) en el que la presión y, en consecuencia, la temperatura de dicho fluido de trabajo aumentan;
- en el que dicha primera y segunda partes de dicho fluido de trabajo se combinan entre sí más abajo de dicho primer proceso de expansión adiabática (EP^n+1), en dicho segundo proceso de compresión adiabática bifásica (CP2, EIT) o más abajo del mismo, y el caudal total de dicho fluido de trabajo se alimenta a un segundo proceso de disipación térmica isobárica (D2), en el que se favorece una segunda transferencia de calor desde dicho fluido de trabajo al ambiente externo;
- y en el que, solo en un modo de funcionamiento del procedimiento para el suministro, además de potencia eléctrica y/o de potencia mecánica, de potencia calorífica y de potencia frigorífica, dicha primera parte del fluido de trabajo es alimentada en dicha primera secuencia también, como mínimo, a un proceso de condensación isobárica (CNDk) en el que dicho fluido de trabajo se condensa con el suministro resultante de potencia calorífica al usuario final;
- en un modo de funcionamiento del procedimiento para el suministro, además de potencia eléctrica y/o de potencia mecánica, solo de potencia calorífica:
- alimentar el caudal total de dicho fluido de trabajo en dicha primera secuencia también a dicho, como mínimo, un proceso de condensación (CNDk), en el que dicho fluido de trabajo se condensa con el suministro resultante de potencia calorífica al usuario final; y
- alimentar el caudal total de dicho fluido de trabajo directamente más abajo de dicho segundo proceso de compresión adiabática bifásica (CP2, EIT), a dicho segundo proceso de disipación térmica (D2), en el que se favorece una segunda transferencia de calor desde dicho fluido de trabajo al ambiente externo;
- en donde finalmente en la totalidad de los tres modos de funcionamiento alternativos mencionados anteriormente del procedimiento, el caudal total de dicho fluido de trabajo más abajo de dicho segundo proceso de disipación térmica (D2) se distribuye de nuevo en repetición de dicho ciclo termodinámico hacia dicha primera y posible segunda secuencias.
11. Procedimiento, según la reivindicación 10, en el que dicho segundo proceso de compresión adiabática bifásica en dicha segunda secuencia consiste exclusivamente en un segundo proceso de compresión mecánica adiabática (CP2) impulsado por una parte de potencia eléctrica y/o de potencia mecánica generadas en su totalidad
por dicho ciclo termodinámico, la combinación entre dicha primera y segunda partes del fluido de trabajo se llevan a cabo mediante un proceso de mezcla isoentálpica (M) más abajo de dicho segundo proceso de compresión mecánica adiabática (CP2) y más arriba de dicho segundo proceso de disipación térmica (D2).
12. Procedimiento, según la reivindicación 10, en el que dicho segundo proceso de compresión adiabática bifásica en dicha segunda secuencia consiste exclusivamente en un proceso de expulsión adiabática bifásica (EIT) en el que también se realiza la combinación entre dicha primera y segunda partes del fluido de trabajo.
13. Procedimiento, según la reivindicación 10, en el que dicho segundo proceso de compresión adiabática bifásica en dicha segunda secuencia comprende un proceso de expulsión adiabática bifásica (EIT), en el que también se lleva a cabo la combinación entre dicha primera y segunda partes del fluido de trabajo, y un proceso de compresión mecánica adiabática (CP2), más arriba o más abajo de dicho proceso de expulsión adiabática bifásica (EIT) y accionado por una parte de la potencia eléctrica y/o potencia mecánica generadas en su totalidad por dicho ciclo termodinámico.
14. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13, en el que dicho primer proceso de compresión adiabática bifásica (CP1,n) en dicha primera secuencia proporciona N etapas de compresión, siendo N > 2, y dicho primer proceso de expansión adiabática (EP^N+1) en dicha primera secuencia proporciona N+1 etapas de expansión, entre las cuales, como mínimo, una etapa final consiste exclusivamente en un proceso de expansión adiabática bifásica; y en el que, en dicha regeneración térmica (Rn-1), se llevan a cabo N-1 etapas del proceso de transferencia de calor.
15. Procedimiento, según la reivindicación 14, en el que dicho primer proceso de expansión adiabática (EP^N+1) en dicha primera secuencia comprende, además, más arriba de dicha etapa final, exclusivamente procesos de expansión adiabática bifásica, o procesos de expansión adiabática en una sola fase seguidos o precedidos por procesos de expansión adiabática bifásica, o incluso exclusivamente procesos de expansión adiabática monofásica.
16. Procedimiento, según las reivindicaciones 14 o 15, en el que dicho proceso de regeneración térmica isobárica (RN-1), asociado funcionalmente a dicho primer proceso de expansión adiabática (EP1,N+1) en dicha primera secuencia, se lleva a cabo en su totalidad más arriba o más abajo de dicho, como mínimo, un proceso de condensación isobárica (CNDK), o incluso en parte más arriba y en parte más abajo de dicho como mínimo un proceso de condensación isobárica (CNDK).
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