MX2011002341A - Módulo de intercambio de calor para sistemas de cogeneración y método relacionado de uso. - Google Patents

Abstract

La reivindicación se refiere a un módulo de intercambio de calor para ayudar a emplear el calor útil para precalentar un suministro de agua antes de la entrada en un calentador de agua sin tanque. El módulo comprende un alojamiento aislado que tiene un forro interior que tiene un extremo superior, un extremo de fondo y una porción intermedia cilíndrica. Una primera toma se une al alojamiento aislado que introduce agua de enfriamiento del sistema de congelación, en tanto que una segunda toma alimenta las espirales del suministro de agua (colocadas dentro del alojamiento aislado) para efectuar el intercambio de calor con el agua de enfriamiento. Después del intercambio de calor, una primera salida remueve el agua de enfriamiento para el retorno al sistema de cogeneración, en tanto que una segunda salida remueve el suministro de agua de las espirales de enfriamiento. En la remoción, este suministro de agua puede alimentar a un calentador de agua sin tanque. Un controlador conectado a ambas salidas y entradas optimiza el intercambio eficiente de energía a través de la introducción y remoción programada del suministro de agua del módulo.

Description

MÓDULO DE INTERCAMBIO DE CALOR PARA SISTEMAS DE COGENERACION Y MÉTODO RELACIONADO DE USO Campo de la Invención Esta invención se refiere a un módulo de intercambio de calor de alta eficiencia que emplea calor útil de un sistema de cogeneracion para precalentar agua antes de la entrada a un calentador de agua sin tanque (instantáneo) . De manera más específica, la invención enseña un módulo que recibe un fluido gastado de un colector de enfriamiento dentro de un sistema de cogeneracion para ayudar en el precalentamiento de agua antes de la entrada a un . calentador de agua sin tanque (instantáneo) para reducir los costos totales de combustible y para incrementar las eficiencias térmicas.

Antecedentes de la Invención La cogeneracion representa un concepto relativamente nuevo en el campo de generación de electricidad. Tradicionalmente, se ha creado electricidad en instalaciones centralizadas, típicamente a través de la quema de combustible fósil tal como carbón que entonces se transporta a través de una red de electricidad a instalaciones residenciales y comerciales, individuales.

Dentro de los últimos años, se han desarrollado sistemas de cogeneracion para reducir esencialmente tanto la necesidad como la dependencia de estas redes. De manera más específica, los sistemas de cogeneracion emplean un motor térmico (típicamente un motor de combustión) o una estación generadora localizada en la instalación residencial o comercial misma para general simultáneamente tanto electricidad como calor útil. La mayoría de los sistemas de cogeneracion usan un depósito centralizado de combustible fósil para crear electricidad, calor que fluyen agua y aire frecuentemente proporcionar energía de regreso a la red para abono.

Recientemente, se han dado varias formas de sistemas de cogeneracion desarrollados para el uso en casas residenciales y en instalaciones comerciales más pequeñas. Estos sistemas han sido apodados sistemas de "mini-cogeneracion" debido a su tamaño y desempeño modesto. Otro nombre común asociado con estos sistemas es un sistema de recurso distribuido de energía ("DER").

A pesar del apodo, estos sistemas producen usualmente menos de 5k e . En lugar de quemar combustible para calentar sólo el espacio o agua, algo de la energía se convierte en electricidad además de calor. Esta electricidad se puede usar dentro del hogar o negocio, o si se permite por la gestión de la red, vender de regreso a la red municipal de electricidad. Un estudio reciente por el Grupo de Investigación de Energía de Claverton encontró que este sistema de cogeneracion ofreció el medio más efectivo en el costo de reducir las emisiones de C02 en comparación al uso de celdas fotovoltaicas .

A parte de la conversión de energía asociada con los sistemas de mini -cogeneracion, la tecnología también ofrece beneficios logísticos adicionales. Estos sistemas de cogeneracion frecuentemente ofrecen soluciones de energía más confiables a colonias residenciales en áreas rurales en las cuales es difícil tener acceso a la red. De manera alternativa, estos sistemas ofrecen suministros más estables de energía en áreas frecuentemente afectadas por desastres naturales tal como huracanes, tornados y terremotos, donde la caída de las líneas de energía conducirá frecuentemente a grandes períodos de carencia de energía.

En tanto que existen múltiples beneficios para los sistemas de micro-cogeneración, actualmente poseen varias desventajas. Una desventaja principal es que a pesar de la creación de varias formas de calor útil generado como un subproducto de la quema de combustibles fósiles se ha hecho muy poco para implementar este calor útil para el uso en otros sistemas caseros de energía. Por ejemplo, los diseños actuales de los sistemas de cogeneracion fallan en emplear este calor útil para ayudar a crear agua caliente para el uso dentro de la instalación casera o comercial. Más bien, muchos sistemas de cogeneración aún usan sistemas arcaicos tal como calentadores de agua y sistemas independientes relacionados de calentamiento de agua que usan una fuente separada de energía para calentar agua tal como electricidad o gas.

Los calentadores de agua sin tanque (instantáneos) (más adelante en la presente, "calentadores sin tanque") han ofrecido una alternativa a los calentadores tradicionales de agua. Estos calentadores sin tanque permiten fuentes de agua instantáneamente calentada, a demanda, al calentar una cantidad específica de agua, en lugar de almacenar el agua calentada hasta que surja la necesidad en la instalación casera o comercial. Por consiguiente, los calentadores sin tanque permiten una temperatura más regulada para el agua calentada, sin el riesgo de gastar una cantidad pre-calentada de esta agua durante el consumo.

Un problema asociado con los calentadores de agua sin tanque es la realidad que el agua entra al dispositivo debe estar dentro de un intervalo específico de temperatura. De otro modo, es imposible calentar instantáneamente el agua. En tanto que esto no posee ninguna cuestión en áreas tropicales y subtropicales tal como California, Texas, Arizona y Florida, la aplicación y el uso de los calentadores de agua sin tanque se limita en climas más fríos, tal como el Medio Oeste y el Noreste. Esto es principalmente debido a que el agua entrante frecuentemente está cerca de la congelación durante los meses de invierno, lo que impide el calentamiento instantáneo.

Por consiguiente, existe la necesidad en el campo de los sistemas de micro-cogeneración de un sistema que emplee calor útil para incrementar la eficiencia de otros sistemas, incluyendo, pero no limitado a los sistemas de calentamiento de agua. Además, existe la necesidad en la técnica de calentadores sin tanque para permitir el pre-calentamiento de agua antes de la entrada en el calentador sin tanque a fin de que estos sistemas más eficientes se usen en clima más fríos tal como el Medio Oeste y el Noreste, así como en otros climas relacionados. Estos sistemas deben asegurar una mayor captura de calor útil para disminuir el consumo total de energía por los sistemas de cogeneración para uso residencial y comercial. Finalmente, estos sistemas mejorados deben ser preferentemente compactos, estar auto-contenidos y fáciles de usar.

Breve Descripción de la Invención La presente invención soluciona muchas de las limitaciones encontradas en los sistemas actuales de cogeneración y proporciona un sistema mejorado para emplear calor útil para incrementar las eficiencias para proporcionar agua caliente de bajo costo para uso doméstico o comercial. La invención se refiere a un módulo de intercambio de calor que comprende un alojamiento aislado que tiene un forro interior que puede incluir un extremo superior, un extremo de fondo y una porción intermedia cilindrica. Esta porción intermedia cilindrica puede incluir un aislante que tiene una pluralidad de capas aislantes. Colocada en el extremo superior del alojamiento aislado está una primera toma que introduce agua de enfriamiento del sistema de cogeneración en el alojamiento aislado. Una segunda toma alimenta un suministro de agua (agua potable municipal o agua de pozo) en una o más espirales de contacto (colocadas dentro del alojamiento aislado) para efectuar el intercambio de calor con el agua de enfriamiento.

El módulo puede incluir además una primera salida capaz de remover el agua de enfriamiento del alojamiento aislado para retorno al sistema de cogeneración. Una segunda salida ayuda a remover el suministro de agua (ahora calentado del intercambio de calor con el agua de enfriamiento más caliente) de espirales de enfriamiento. En la remoción, este suministro de agua se puede alimentar en un calentador de agua sin tanque. El módulo puede incluir además, una válvula de alivio de presión colocada en la extremo superior del alojamiento aislado, así como una batea de drenaje de emergencia para recuperar el agua de enfriamiento liberada por la válvula de alivio de presión. Se puede conectar un controlador a la primera entrada, a la segunda entrada, a la primera salida y a la segunda salida, a fin de regular la introducción y remoción de enfriamiento dentro del alojamiento aislado. Este controlador también puede programar la remoción del agua de suministro del alojamiento aislado al calentador de agua sin tanque.

La invención también se refiere a un método para emplear calor útil creado por un sistema de cogeneración . El método incluye primero el paso de alimentar agua de enfriamiento del sistema de cogeneración en una primera entrada que a su vez rellena un módulo que tiene un alojamiento aislado. Aquí, el alojamiento aislado tiene un extremo superior, un extremo de fondo y una correspondiente de porción intermedia cilindrica. El segundo paso incluye introducir un suministro de agua a través de una segunda entrada conectada a una o más espirales de contacto colocadas dentro del alojamiento aislado. Entonces, el método contempla efectuar el intercambio de calor a través del agua de enfriamiento que interactúa con las espirales de contacto rellenas con el suministro de agua más fría. En el intercambio de calor, se remueve agua de enfriamiento del el módulo, en tanto que se remueve el suministro de agua de las espirales de contacto y se transporta a un calentador de agua sin tanque.

El método contempla adicionalmente el uso de un controlador que se conecta a la primera entrada, a la segunda entrada, a la primera salida y a la segunda salida. El método incluye de esta manera el paso de usar el controlador para regular la introducción y remoción de agua de enfriamiento dentro del alojamiento aislado. Además, el controlador puede ayudar a programar la remoción del suministro de agua de las espirales de enfriamiento dentro del alojamiento aislado.

Breve Descripción de las Figuras Para un entendimiento más completo de la invención, se hace referencia a la siguiente descripción detallada, tomada en unión con las figuras anexas que ilustran varias modalidades de la presente invención, en las cuales : La Figura 1 es una vista esquemática que ilustra la colocación completa del sistema de cogeneración en vista de la red de eléctrica; La Figura 2 es un diagrama que ilustra la colocación del sistema de cogeneración y varias conexiones con el horno, acondicionamiento de aire y manej adores de aire, existentes; La Figura 3 ilustra los componentes primarios del sistema de cogeneración que incluye el convertidor catalítico y los colectores de enfriamiento; La Figura 4 es una vista esquemática que ilustra los varios componentes del sistema de control, que incluye una batería; La Figura 5 es una vista esquemática que ilustra los componentes del primer colector de enfriamiento; La Figura 6 ilustra los componentes del módulo de intercambio de calor; y La Figura 7 es una vista esquemática que ilustra el controlador de módulo.

Descripción Detallada de la Invención La presente invención ahora se describirá más completamente más adelante con referencia a las figuras anexas, en las cuales se muestra modalidades preferidas de la invención. Esta invención se puede incorporar, sin embargo, en muchas formas diferentes y no se debe considerar limitada a las modalidades expuesta en la presente. Más bien, estas modalidades se proporcionan de modo que esta descripción será minuciosa y completa, y transmitirá completamente el alcance de la invención a aquellos expertos en la técnica. Números similares se refieren a elementos similares de principio a fin.

Colocación y Ubicación del Sistema La Figura 1 y la Figura 2 ilustran ambas, a manera de ejemplo, la colocación y ubicación del sistema de cogeneración 500, preferido. La Figura 1 proporciona una ilustración general de un sistema convencional centralizado de generación de energía. Aquí, una planta generadora central 100 genera electricidad para la distribución a una pluralidad de varias instalaciones residenciales y comerciales 300 a todo lo largo de un área geográfica distinta. Esta planta generadora central 100 puede crear electricidad a través de una fuente de energía 430, tal como la quema convencional de combustibles fósiles (típicamente carbón) a través de energía nuclear o implementación de energía geotérmica.

Colocada entre la planta generadora central 100 y la instalación residencial o comercial 300 está la red eléctrica 200. Esta red eléctrica 200 consiste de varios transformadores, estaciones generadoras y líneas de transporte de energía que transportan energía desde la planta generadora central 100. Esta electricidad entonces se suministra a instalaciones residenciales o comerciales 300 para el uso.

Cuando una instalación residencial o comercial emplea la invención, también debe incluir varios componentes para dar servicio apropiado al aparato completo. Esto incluye una fuente de combustible 400 que suministra una cantidad suficiente de energía al sistema de cogeneración 500. Esta fuente de combustible 400 puede incluir, pero ciertamente no se limita a, un depósito 410 de combustibles fósiles, tal como petróleo, aceite, propano, butano, etanol, gas natural, gas natural licuado (LNG) o gasóleo. De manera alternativa, la fuente de combustible 400 puede ser de manera alternativa una línea de combustible 420 tal como una línea de gas natural o propano suministrada por una municipalidad. Independientemente, ya sea la fuente de combustible 400 debe suministrar suficiente energía para accionar le sistema de cogeneracion 500, que a vez puede crear electricidad y calor útil para el horno 600 y otros aparatos.

La Figura 1 ilustra también como el sistema de cogeneracion 500 puede suministrar energía de regreso a la red de electricidad 200 para bono. Esto se presenta cuando el sistema de cogeneracion 500 suministra un mayor nivel de energía que lo requerido por la instalación 300. En tanto que la Figura 1 muestra la colocación del sistema de cogeneracion en vista de la red eléctrica 200, la Figura 2 muestra la interconectividad dentro de la instalación residencial 300 misma. Como se ilustra, una fuente de energía 430 almacenada dentro de un depósito 410 (o alimentada por una línea de combustible 420) se suministra al sistema de cogeneracion 500. El gasto de esta fuente de energía 430 dentro del sistema de cogeneracion 500 crea dos formas de energía: electricidad 601 y calor útil 602. La electricidad 601 puede proporcionar energía a la instalación residencial 300, así como la energía tanto al horno 610 como a la unidad de acondicionamiento de aire 620. De manera alternativa, el horno 610 se puede suministrar de energía directamente desde el depósito 410.

Además, el calor útil 602 creado por el sistema de cogeneracion 500 se puede usar para calentar aire de un manej ador de aire de retorno 630 antes de se introduzca en el horno 610 para calentamiento. Al hacer así, el sistema pre-calienta esencialmente el aire entrante más frío antes de que se caliente por horno 610, que a su vez requiere menos energía (y da por resultado menos esfuerzo en el horno 610) . Esta es una de muchas formas de conservación de energía, contempladas por la invención.

Una vez calentado, el aire deja el horno 610, se coloca dentro de un mane ador de aire de suministro 640 para hacer hecho circular a todo lo largo de la instalación residencial 300. De manera alternativa, cuando se desea aire más frío, lo convencional contempla hacer que la unidad de acondicionamiento de aire 620 suministre aire más frío al manejador de aire de suministro 640. Como tal, el aparato enseñado por la invención requiere interacción e interconectividad entre el sistema de cogeneracion 500, el horno 610, la unidad de acondicionamiento de aire 620 y ambos manejadores de aire 630 y 640 para asegurar enfriamiento y calentamiento eficiente del aire hecho circular a todo lo largo de la casa.

El Sistema de Cogeneración La Figura 3 ilustra, a manera de ejemplo, los componentes que constituyen el sistema de cogeneración 500. Como se muestra, los componentes primarios del aparato incluyen un depósito 410 capaz de alojar una fuente de energía 430 (que puede ser un combustible fósil) , un sistema regulador 504, un motor modificado de combustión 520 (referido más adelanta simplemente como un "motor modificado"), un convertidor catalítico 530, dos colectores de enfriamiento 540 y 550 que ayudan a tratar varios gases calientes 603 que se forman como subproducto del motor modificado 520. Otros componentes adicionales o sustitutos se reconocerán y entenderán por el experto en la técnica después de tener el beneficio de la descripción anterior.

Como se ilustra en las Figuras 2 y 3, el primer componente del sistema de cogeneración 500 es la fuente de combustible 400, que puede ser un depósito 410 (o de manera alternativa una línea de combustible 420) . La depósito 410 es de un tamaño y dimensión para proporcionar una cantidad suficiente de una fuente de energía 430 para dar combustible al sistema de cogeneración 500 durante un período definido de tiempo, preferentemente treinta días. Además, el depósito 410 se diseña para mantener una variedad de combustibles fósiles que incluyen petróleo, gas natural, propano, metano, etanol, biocombustible, gasóleo o cualquier combustible similar o relacionado conocido y usado para crear energía mediante combustión. El depósito 410 se aloja típicamente fuera de la instalación residencial 300 para seguridad y estética.

A pesar del tipo, la fuente de energía 430 se extrae del depósito 410 y se trata por inyección en el motor modificado 520 a través de un sistema regulador 504. Este sistema regulador 504 asegura que la fuente de energía 430 se alimente al motor modificado 520 a una presión específica y a una velocidad de flujo, específica, a pesar de la temperatura exterior, presión exterior o condiciones ambientales. Debido a que el sistema de cogeneración 500 se empleará en una variedad de condiciones desde áreas a nivel del mar a las montañas, en climas tropicales a regiones árticas, el sistema regulador 504 debe ser autorregulable , fuerte y capaz de manejar grandes oscilaciones en las condiciones ambientales.

Como se ilustra en la Figura 3, el sistema regulador 504 incluye cuatro componentes principales: dos válvulas de combustible 505 y 506, una bomba de combustible 507 y un regulador de presión 510. Otros componentes relacionados y adicionales se reconocerán y entenderán por los expertos en la técnica en la revisión de lo anterior. La fuente de energía 430 se extrae del depósito a través de la bomba de combustible 507 para el transporte al motor modificado 520.

Colocadas entre el depósito 410 y la bomba de combustible 507 está en una pluralidad de válvulas de combustible 505 y 506. De manera más específica, ya hay una primera válvula de combustible 505 y una segunda válvula de combustible 506, que funcionan para ayudar a regular el flujo y velocidad de la fuente de energía 430. El propósito subyacente de ambas válvulas de combustible 505 y 506 es asegurar la redundancia en el caso del mal funcionamiento de una válvula, que se llegue atacar o llegue a ser inoperable.

Se coloca un regulador de presión 510 después de la bomba de combustible 507 para asegurar la presión apropiada de la fuente de combustible 430 antes de la entrada en el motor modificado 520. La fuente de energía 430 viajes a todo lo largo de ambas válvulas de combustible 505 y 506, la bomba de combustible 507 y el regulador de presión 510 a través de un forro de calibre dieciséis, un conducto forrado, acústico 508 con aislamiento a prueba de incendio de dos pulgadas (5.08 centímetros) que incluye un cuerpo interior de calibre dieciséis con revestimiento de polvo .

Una vez que la presión de la fuente de energía 430 se estabiliza a través del uso del regulador de presión 510, el combustible entonces entra al motor modificado 520. El motor modificado 520 puede actuar como un motor regular de combustión para quemar la fuente de energía 430, que a su vez impulsa uno o más pistones 521 para hacer girar un árbol 522 que hace girar un alternador 523 para crear electricidad.

Los subproductos del motor modificado 520 incluyen calor útil 602, así como gases calientes 603. Estos gases calientes 603 incluyen, pero no se limita necesariamente a, HC, CO, C02, NO y S0X, y partículas de elementos traza (C9PM0) . Cuando dejan el motor modificado 520, estos gases calientes 603 tienen una presión entre 80 a 100 libras/pulgada cuadrada (5.62 a 7.03 kg/cm2) y una temperatura entre 800 a 1200 grados Fahrenheit (426.66 a 648.88°C). Estos gases calientes 603 a alta presión y temperatura entonces se transportan al convertidor catalítico 530 para tratamiento.

El motor modificado 520 ilustrado en la Figura 3 asegura la distribución de electricidad útil no sólo a la instalación residencial 300, sino también la red de electricidad 200. Como se muestra en la Figura 3, esto se logra a través de la combinación de un montaje de vibración 524 y un alternador de distorsión armónica 525, ambos de los cuales se unen al motor modificado 520. El montaje de vibración 524 se coloca por abajo del motor modificado 520 a través de una pluralidad de patas estabilizadoras.

La función y propósito del montaje de vibración 524 es asegurar que el motor modificado 520 no sólo se asegure, sino también que no cree una frecuencia distinta, a través del giro de los varios pistones 521, el árbol 522 y el alternador 523 (mostrado en mayor detalle en la Figura 6) . A riesgo de degradar la calidad de la energía útil que fluye desde el sistema de cogeneracion 500. Esto es debido a que la red de electricidad 200 requiere un suministro de electricidad muy específico y regulado.

La alimentación uniforme de electricidad tanto a la instalación 300 como a la red de electricidad 200 se auxilie adicionalmente por el alternador de distorsión armónica 525. Como se muestra en la Figura 3, el alternador de distorsión armónica 525 se coloca directamente en el motor modificado 520 y antes tanto de la instalación residencial 300 como de la red de electricidad 200. Este alternador de distorsión armónica 525 regula la amplificación y voltaje de electricidad. Además, se puede usar un filtro subsiguiente de electricidad 527 para proporcionar una regulación final de la electricidad. En la Figura 6, descrita en mayor detalle más adelante, se ofrece una descripción más detallada de este sistema.

La Figura 3 también ilustra la ubicación, colocación y utilidad del convertidor catalítico 530. El convertidor catalítico 530 funciona para ayudar a asegurar el tratamiento apropiado de los gases calientes 603 creados por la combustión dentro del motor modificado 520, a fin de reducir los niveles de subproductos tóxicos que se liberan a la atmósfera.

La eficiencia completa del convertidor catalítico 530 se basa en dos propiedades químicas principales: (a) la selección del material catalítico correcto basado en platino, y (b) la regulación de la temperatura y presión apropiada de los gases calientes 603 cuando entran al convertidor catalítico 530. De manera más específica, la invención contempla alimentar los varios gases calientes 603 en el convertidor catalítico 530 a entre 800 a 1000 grados Fahrenheit (426.66 a 537.78°C) y una presión que varía entre 80 a 100 libras/pulgada cuadrada (5.62 a 7.03 kg/cm2) . El material catalítico preferido es una combinación de paladio Y platino. De manera más específica, el catalizador preferido contemplado por la invención incluye 5-30 % en peso de paladio y 70-95 % en peso de platino. Sin embargo, por la invención se contemplan otros porcentajes. En base a la invención, el convertidor catalítico 530 es 99.99 % eficiente al convertir los varios gases calientes 603 en subproducto tratado no tóxico 604.

Los gases calientes 603 tratados por el convertidor catalítico 530 entonces se transportan a uno o más colectores de enfriamiento 540 y 550. Como se muestra tanto en la Figuras 3 como 5, cada colector de enfriamiento 540 incluye una serie de intercambiadores de calor a la tarea de enfriar los varios gases calientes 603 a esencialmente temperatura ambiente. Dentro de cada colector, se suministra agua de enfriamiento 543 desde una línea externa de suministro de agua 542 (usualmente la misma como la usada por la instalación 300) en un primer conducto 544. Este primer conducto 544 encapsula un segundo conducto 545 en el cual fluyen los gases calientes 603 a través del colector 540. En base al gradiente de temperatura creado entre ambos conductos 544 y 545, los gases calientes 603 se enfrían en tanto que se calienta el agua de enfriamiento 543.

Como se muestra en mayor detalle en la Figura 3, una vez que se enfrían los gases calientes 603, dejan el colector de enfriamiento 530 y entran en un separador de líquidos 560. En este punto, los gases calientes 630 están a o casi temperatura ambiente. Además, muchos de los gases calientes 603 se han filtrado, ya sea para remoción en la atmósfera o recirculado para re-tratamiento en el catalizador convertidor de 520. Estos gases calientes 603, que son principalmente sub-productos ligeros se filtran por el separador de líquidos 560. El separador de líquidos 560 crea un vacío suficiente dentro de los gases calientes restantes 603 para remover estos subproductos de peso ligero 604 para eventual desfogue de gases residuales.

Como se muestra en la Figura 3, se prefiere que haya al menos dos colectores de enfriamiento 540 y 550 para separar y llevar los gases calientes 603 a temperatura ambiente; un primer colector de enfriamiento 540 y un segundo colector de enfriamiento 550. Como se muestra, el segundo colector de enfriamiento 550 se alimenta en un segundo separador de líquidos 565 que funciona igual como el primer separador de líquidos 560. Hay dos diseños contemplados para la invención. Primero, el primer colector de enfriamiento 540 se alimenta en un segundo colector de enfriamiento 550 para crear un diseño "en serie" . De manera alternativa, ambos colectores de enfriamiento 540 y 540 pueden trabajar en paralelo, tal que ambos reciben los gases calientes 603, el convertidor catalítico 530 para ser enfriados y separados por ambos separadores de líquidos 560 y 565 también en paralelo.

Los materiales se extraídos de ambos separadores de líquidos 560 y 565 entonces se colocan en un circuito separador 570. Este circuito 570 funciona para hacer circular los varios sub-productos enfriados y permitir el desfogue de 'gases residuales de un desfogue 590. El desfogue 590 se puede auxiliar por un ventilador 580.

Control y Almacenamiento de Electricidad Generada La Figura 4 ilustra, a manera de ejemplo, una manera en la cual se controla, se almacena y se vende de regreso a la red de electricidad 200, la electricidad creada por el sistema de cogeneración 500. Como se muestra y describe en mayor detalle anteriormente, se genera electricidad en el motor modificado 520 a través de la combustión de una fuente de energía 430. Esta electricidad se envía al alternador de distorsión armónica 525 para asegurarse que la corriente corresponda a la consistencia de electricidad encontrada en la red de electricidad 200.

En la modalidad mostrada en la Figura 4, la electricidad deja el alternador de distorsión 525 e incluye al panel de control 650. El panel de control 650 incluye varios componentes para filtrar y regular la electricidad entrante. Primero, el panel de control 650 incluye un regulador 651 que ayuda a purificar la corriente de la electricidad que viene del motor modificado 520. Segundo, el panel de control 650 incluye un filtro 652 que normaliza cualquier ruido o distorsión que permanezca dentro de la corriente .

La electricidad filtrada y regulada entonces se puede dirigir a dos receptáculos: ya sea una batería 660 (que de manera alternativa puede ser un inversor) para uso posterior o directamente a la instalación 300. Como se muestra en la Figura 4, el sistema de cogeneración 500 puede incluir una batería 660 capaz de almacenar electricidad para uso posterior por la instalación 300.

Unido a la batería está un conmutador de transferencia automática 670. El conmutador 670 funciona para graduar las necesidades energéticas de la instalación residencial 300. Si el hogar necesita o anticipa mayor uso de energía, el conmutador 670 asegura que la electricidad se extraiga de la batería para el uso por la instalación 300.

Como se muestra adicionalmente en la Figura 4, la electricidad puede fluir ya sea desde el panel de control 650 o la batería 660 al panel de interruptores 680 de la instalación 300. El panel de · interruptores 680 permite que varios aparatos a todo lo largo de la instalación residencial 300 se suministren con electricidad del sistema de cogeneración 500. La energía en exceso no es necesaria para el panel de interruptores 680 para suministrar las necesidades de energía de la instalación 300 entonces se transporta a la red de electricidad 200. Antes del transporte a la red de electricidad 200, se prefiere que la corriente fluya a través de un medidor 690 para medir los abonos o créditos apropiados para la instalación residencial 300 para recibir del suministro público.

Los Colectores de Enfriamiento La Figura 5 ilustra, a manera de ejemplo, el primer colector de enfriamiento 540. El primer colector de enfriamiento 540, preferido, funciona esencialmente como un intercambiador de calor para enfriar necesariamente los varios gases calientes 603, generados del motor modificado 520, que se ha tratado por el convertidor catalítico 530. En base al tratamiento, la combinación de platino y paladio dentro del convertidor catalítico 530, que da por resultado 99.99 % de conversión de estos varios gases calientes 603 en un subproducto tratado inerte y seguro 604. Los gases calientes no tratados, restantes 603 y el subproducto tratado 604 entonces se separan y filtran a través del primer colector de enfriamiento 540 (en combinación con el primer separador de líquidos 560) a través de un gradiente de temperatura efectuado por la interacción con agua de enfriamiento.

Como se ilustra en la Figura 5, el primer colector de enfriamiento 540 incluye, pero no necesariamente se limita a, una cámara de recolección 541, una línea de suministro de agua 542, agua de enfriamiento 543, un primer conducto 544, un segundo conducto 545, un tercer conducto 546, una pluralidad de codos conectadores 552 y un drenaje de condensado 553. En tanto que la Figura 5 denota seis porciones del primer conducto 544 en relación paralela entre sí, la invención contempla hasta veintiuna de estas porciones para asegurar un tratamiento efectivo y separación efectiva de los varios gases calientes 603 y subproducto tratado 604. Además, en tanto que la Figura 5 muestra las varias partes y funcionalidad del primer colector de enfriamiento 540, se entiende que estos son los mismos componentes primarios también encontrados en el segundo colector de enfriamiento 550.

Como se muestra adicionalmente en la Figura 5, los gases calientes 603 y el subproducto tratado 604 fluyen desde el convertidor catalítico 530 a la cámara de recolección 541 del primer colector de enfriamiento 540. Esta cámara de recolección 541 permite que ambos gases calientes 603 y subproducto tratado 604 se coloquen para enfriamiento mediante el intercambiador de calor 547 creado dentro del primer colector de enfriamiento 540.

Colocado paralelo a la cámara de recolección 541 está un intercambiador de calor 547 que consiste de una pluralidad de conductos 544-546 en el cual toma lugar el intercambio real de calor. El primer conducto 544 es mayor tanto en longitud como en diámetro, en comparación al segundo conducto 545 y el tercer conducto 546. Además, se prefiere que el primer conducto 544 sea de un tamaño y dimensión suficiente para encapsularse y ajustarse sobre tanto el segundo conducto 545 como el tercer conducto 546.

El primer conducto 544 incluye una toma de agua 548 y una correspondiente descarga de agua 549. Conectada al primer conducto 544 a través de la toma de agua 548 está una línea de suministro de agua 542. La línea de suministro de agua 542 proporciona agua de enfriamiento 543 al primer colector de enfriamiento 540, típicamente desde el suministro municipal de agua disponible en la instalación 300, que está a temperatura ambiente. Sin embargo, el agua de enfriamiento 543 puede ser alternativamente cualquier líquido capaz de intercambiar calor. De esta manera, esta línea de suministro de agua 542 ayuda a rellenar el primer conducto 544 con agua de enfriamiento 543 para ayudar en el proceso de intercambio de calor.

Colocado dentro del primer conducto 544 del intercambiador de calor 547 está el segundo conducto 545. Tanto los gases calientes 603 como el subproducto tratado 604 entran al segundo conducto 545 a través de la cámara de recolección 541. El intercambio de calor se presenta cuando el segundo conducto 545 más caliente se enfría por el agua de enfriamiento 543 circundante, colocada dentro del primer conducto 544. Este intercambio de calor puede provocar que porciones del subproducto gaseoso tratado 604 se licúen, provocando separación de los gases calientes 603.

Entonces el agua de enfriamiento 543, calentada, se remueve y se vuelve a colocar a través de una salida 549 en el primer conducto 544, que a su vez se alimenta a un segundo intercambiador de calor 547 colocado directamente por abajo del primer intercambiador de calor 547. Esta agua de enfriamiento 543, calentada, removida, entonces fluye a la entrada 548 del segundo intercambiador de calor para rellenar otro primer conducto 544. Este proceso de remover, recolocar y realimentar el agua de enfriamiento 543 puede continuar completamente tanto como los intercambiadores de calor 547 sean necesarios para efectuar la separación apropiada .

Después del uso dentro de los varios intercambiadores de calor 547 colocados dentro del colector de enfriamiento 540, el agua de enfriamiento 543 entonces se remueve y vacía en un módulo de intercambio de calor 800 (descrito en mayor detalle más adelante) . Al dejar el colector de enfriamiento 540, el agua de enfriamiento 543 está típicamente por arriba de temperatura ambiente y está típicamente por arriba de 140 grados Fahrenheit (60 grados centígrados) . Esta agua de enfriamiento 543 constituye calor útil que se puede usar para una variedad de varias aplicaciones que incluyen, pero ciertamente no se limitan a, ayuda en el calentamiento de agua para el uso y consumo a todo lo largo de la instalación casera o comercial.

Colocado dentro del segundo conducto 545 de cada intercambiador de calor 547 está un tercer conducto 546. El tercer conducto 546 funciona principalmente para recolectar los varios subproductos tratados enfriados y ahora licuados 604. Colocadas en el fondo de cada tercer conducto 546 están perforaciones suficientes para recolectar el subproducto líquido 604 enfriado dentro del segundo conducto 545.

Colocado en el extremo distante del tercer conducto 546 está un codo conectador 552. Colocado fuera tanto del primer conducto 544 como del segundo conducto 545, el codo conectador 552 efectúa adicionalmente la licuefacción y condensación del subproducto 604 (mediante enfriamiento con aire) y luego transporta este líquido al primer separador de líquidos 560.

Como se muestra adicionalmente en la Figura 5, el extremo distante de cada tercer conducto 546 contiene un codo conectador 552, que se alimenta horizontalmente en un drenaje de condensado centralizado 553. Este drenaje de condensado 553 funciona para alojar y mantener todo el subproducto líquido tratado 604 de los varios terceros conductos 546 de cada intercambiador de calor 547. Este subproducto resultante 604 entonces se puede remover de sistema de co-generación 500 a través de una eliminación, que puede ser parte de las instalaciones residenciales 300, alcantarilla regular o líneas sépticas (o se puede desfogar de manera alternativa) .

Igualmente, los gases calientes enfriados 603 (que permanecen en el segundo conducto 544) entonces se transportan al siguiente intercambiador de calor para enfriamiento adicional. Esto continúa hasta que los gases calientes 603 alcanzan casi temperatura ambiente. Esto también ayuda a asegurar que cualquier subproducto tratado 604 se separe de manera apropiada por colocación en el drenaje de condensado 553. Cualquier gas caliente restante 603 se puede reciclar de regreso desde el primer colector de enfriamiento 540 al convertidor catalítico 530. De manera alternativa, estos gases calientes 603 se pueden tratar adicionalmente y se enfrían en un segundo colector de enfriamiento 550.

De manera preferente, el subproducto líquido tratado 604 se hace pasar a través del primer separador de líquidos 560 mostrado tanto en la Figura 3 como en la Figura 5. Este separador de líquidos 560 incluye un vacío parcial que puede extraer cualquier gas ligero adicional indeseable fuera del subproducto tratado 604. Estos gases 605 ya sea se pueden volver a tratar en el convertidor catalítico 540 mediante una corriente de recirculación o se desfogan alternativamente en el sistema de cogeneración 500 a un pasaje fuera de la instalación residencial 300. Una vez que estos gases 605 se extraen a través del vacío parcial, el subproducto tratado restante 604 se puede drenar a través del sistema de alcantarilla o sistema séptico de la instalación residencial 300.

El Módulo de Intercambio de Calor La invención se refiere adicionalmente a un módulo de intercambio de calor 800 (más adelante el "módulo 800"). La Figura 6 proporciona, a manera de ejemplo, una modalidad del módulo 800. Como se muestra e ilustra, el módulo 800 incluye seis componentes primarios (a) una primera entrada 810 para inyectar agua de enfriamiento 543 (o cualquier otro fluido de enfriamiento similar) , (b) una segunda entrada 820 para introducir el suministro de agua fría 825 (típicamente de una fuente municipal) , (c) espirales de contacto 830 que funcionan para efectuar el intercambio de calor, (d) el alojamiento aislado 840 que coloca y mantiene las espirales de contacto 830, (e) la primera salida 850 para remover el fluido de enfriamiento 543, y (f) la segunda salida 860 para remover el suministro de agua tratada 825.

Como se ilustra en la Figura 6, el componente central del módulo 800 es el alojamiento aislado 840. El alojamiento aislado 840 es duro, resistente, no corrosivo y hermético a agua. Adicionalmente , el alojamiento aislado 840 incluye un forro interior 841, que tiene un lado superior 842, un correspondiente lado de fondo 843, y una porción intermedia cilindrica 844. La porción intermedia cilindrica 844 se coloca entre ambos lados 842 y 843 e incluye de manera preferente múltiples capas de aislante 845.

El aislante 845 incluye una primera capa aislante 846, una segunda capa aislante 847 y una tercera capa aislante 848. Estas tres capas de aislante 845 se colocan fuera del foro interior 841 que ayuda a efectuar la transferencia de calor, así como a mantener un ambiente por arriba de temperaturas ambiente dentro del alojamiento aislado 840. Además, el foro interior 841 se produce de material de peso ligero y durable tal como cerámica, productos compuestos, vidrio o metal. De manera más específica, el forro interior 841 puede ser de construcción de uni-cuerpo y formado de aluminio.

Colocada en el lado superior 842 del forro interior 841 está la primera entrada 810. La primera entrada 810 funciona para inyectar agua de enfriamiento 543 desde ya sea el colector de enfriamiento (540 o 550) en el módulo 800. La primera entrada 810 se conecta a un inyector vertical 811 que introduce el agua de enfriamiento 543 ahora calentada en el fondo del forro interior 841. Al residir dentro del forro interior 841 durante un periodo pre-especificado de tiempo, el agua de enfriamiento 543 se puede remover del alojamiento aislado 840 a través de la primera salida 850. El agua de enfriamiento 543, ahora enfriada a través del contacto con el suministro de agua fría 825, se puede retornar ya sea al colector de enfriamiento (540 o 550) para ayudar a efectuar adicionalmente el intercambio de calor con los gases calientes 603.

Como se muestra e ilustra adicionalmente en la Figura 6, el extremo superior 841 del alojamiento aislado 840 también incluye la segunda entrada 820. La segunda entrada 820 funciona para introducir el suministro de agua fría 825 en el módulo 800. Este suministro de agua fría 825 es típicamente de una autoridad municipal (tal como una línea de agua de ciudad) o pozo. De manera más específica, la segunda entrada 820 fluye a una pluralidad de espirales de contacto 830 colocadas dentro del forro interior 841. En tanto que las espirales de contacto 830 pueden tomar cualquier forma y figura, están preferentemente curveadas de una manera que aumenta al máximo su área superficial completa, lo que permite mayor contacto térmico entre el agua de enfriamiento 543 más caliente y el suministro de agua fría 825. En el tratamiento dentro de las espirales de contacto 830, el suministro de agua ahora calentada 825 se remueve del módulo 800 y se transporta al calentador de agua sin tanque 900.

Antes de la entrada al calentador de agua sin tanque 900, el suministro de agua ahora calentado 825 está por arriba de temperatura ambiente. Por consiguiente, el calentamiento de este suministro de agua calentada 825 requiere menos energía dentro del calentador de agua sin tanque 900 a fin de suministrar agua caliente a varias partes de la instalación casera o comercial (en comparación con los calentadores de agua sin tanque 900 tradicionales que reciben el agua directamente de una fuente municipal) . Además, esta eficiencia no es dependiente por más tiempo de la temperatura del suministro de agua 825 proporcionado por una autoridad municipal (o pozo exterior) , o en base a las condiciones del clima exterior. Puesto de otra manera, la implementación del módulo 800 permite el uso del calentador de agua sin tanque 900 y en cualquier ubicación geográfica, a pesar de si la instalación casera o comercial está en un ambiente de clima caliente.

Una cuestión presentada por el módulo 800 en riesgo de diferenciales de presión. Debido a que el agua de enfriamiento 543 (colocada dentro del forro interior 841) transita desde caliente a frío (en el intercambio de calor con el suministro de agua 825 basado en pozo o municipal) esta agua de enfriamiento 543 puede tener expansión térmica. Por consiguiente, la invención contempla una válvula de alivio de presión 880 colocada en el lado superior 542 para desfogar y remover cualquier agua de enfriamiento, en exceso, necesaria 543 creada a través del intercambio de calor. Una batea de drenaje de emergencia 881 se puede colocar por abajo del lado de fondo 842 del alojamiento aislado 840 para recolectar esta agua de enfriamiento en exceso 543. De manera alternativa, el fluido recibido de la válvula de alivio de presión 880 se puede regresar a cualquier colector 540 o 550.

La Figura 6 muestra adicionalmente como el calor útil, proporcionado en la forma de agua de enfriamiento, calentada 543, se puede usar para efectuar el intercambio de calor con los otros componentes del sistema de cogeneración 100, tal como los sistemas de aire y calentamiento. Un intercambio de calor, secundario, contemplado por el módulo 800, incluye pre-calentar aire antes de la introducción en el horno de la instalación casera o comercial . Esto se puede lograr a través de un intercambiador de aire secundario 890.

Como se muestra e ilustra en la Figura 6, el intercambiador de aire secundario 890 incluye primero una alimentación de intercambio 891 que extrae agua de enfriamiento calentada 543 del alojamiento aislado 540. De manera preferente, esta alimentación de intercambio 891 se coloca y ubica en el lado superior 542 del forro interior 541. La alimentación de intercambio 891 entonces transporta al suministro de agua calentada a 825 a un intercambiador de aire 890. El propósito y funcionalidad del intercambiador de aire 890 es permitir que el suministro de agua calentada 825 caliente (tibie) una alimentación de aire entrante 896 antes de la entrada en el horno. Esto se puede lograr ya sea por un sistema de niebla 897 o una serie de microespirales 898 (o combinación de ambos) . En el intercambio de calor, el suministro de agua calentada se recolecta y entonces ya sea (a) se alimenta de regreso al módulo 800 a través de una alimentación de retorno 899 o (b) se recicla alternativamente de regreso a ya sea el colector de enfriamiento (540 ¦ o 550) para ser recalentado y luego regresado al módulo 800.

El Controlador de Módulo Además, la Figura 7 muestra como se puede conectar un controlador 950 al módulo 800, así como sus componentes 960 (es decir, el intercambiador de aire 890, la primera entrada 810 y la primera salida 850) . El controlador 950 funciona para regular y programar la introducción y remoción del agua de enfriamiento 543 a todo lo largo de estos componentes para optimizar la eficiencia del sistema. En una modalidad contemplada por la invención, el controlador 950 puede medir la temperatura interna del forro interior 841 y calibrar si retira agua de enfriamiento calentada 543 de los colectores de enfriamiento (540 o 550) o agua de enfriamiento estancada 543 a través de la primera salida 550.

De manera alternativa, el controlador 950 puede ordenar la remoción de agua de enfriamiento 543 del alojamiento aislado 840 para propósitos de introducción en el intercambiador de aire 890 (en base a la comunicación con el horno) . De manera similar, una vez que se remueve el agua de enfriamiento 543 para el uso en el intercambiador de aire 890, el controlador 950 puede determinar si hay suficiente fluido dentro del forro interior 841 y extrae más agua de enfriamiento 543 de uno o más colectores (540 y 550) . Esto ayuda a asegurar no sólo que no exista estancamiento del agua de enfriamiento 543 dentro del alojamiento aislado 540, sino también que la temperatura de esta agua de enfriamiento 543 pueda ser de manera efectiva a contacto térmico con (y calentar) las espirales de enfriamiento 830.

Método para Emplear el Calor Útil La invención también se refiere a un método para empelar el calor útil creado por un sistema de co-generación 100. El método incluye primero el paso de alimentar agua de enfriamiento 543 desde el sistema de cogeneración 100 en una primera entrada 810 que a su vez rellena un módulo 800 que tiene un alojamiento aislado 840. Aquí, el alojamiento aislado 840 tiene un extremo superior 842, un extremo de fondo 843 y una correspondiente porción intermedia cilindrica 844. El segundo paso incluye introducir un suministro de agua 543 a través de una segunda entrada conectada a una o más espirales de contacto 830 colocadas dentro del alojamiento aislado 840. Entonces, el método contempla efectuar el intercambio de calor a través del agua de enfriamiento 543 que interactúa con las espirales de contacto 830, que se rellenan con el suministro de agua más fría 825. En el intercambio de calor, el agua de enfriamiento 543 se remueve del módulo 800, en tanto que el suministro de agua 825 se remueve de las espirales de contacto 830 y se transporta un calentador de agua sin tanque 900.

El método contempla adicionalmente el uso de un controlador 950 que se conecta a la primera entrada 810, la segunda entrada 820, la primera salida 860 y la segunda salida 870. El método incluye de esta manera el paso de usar el controlador 950 para regular la introducción de remoción de agua de enfriamiento 543 dentro del alojamiento aislado 540. Además, este controlador 950 puede ayudar a programar la remoción del suministro de agua 543 de las espirales de enfriamiento 830 dentro del alojamiento aislado 840.

Claims (20)

REIVINDICACIONES

1. Un módulo de intercambio de calor para emplear el calor útil creado por un sistema de cogeneración, el módulo de intercambio de calor está caracterizado porque com rende : un alojamiento aislado que tiene un extremo superior y un extremo de fondo; una primera toma para introducir agua de enfriamiento del sistema de cogeneración en el alojamiento aislado; una segunda toma para alimentar un suministro de agua en una o más espirales de contacto para efectuar el intercambio de calor con el agua de enfriamiento, las espirales de contacto están colocadas dentro del alojamiento aislado; una primera salida para remover el agua de enfriamiento del alojamiento aislado; y una segunda salida para remover el suministro de agua de las espirales de enfriamiento para el uso por un calentador de agua.

2. El módulo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el alojamiento aislado comprende además : un foro exterior que tiene una porción intermedia cilindrica colocada entre el lado superior y el lado de fondo del alojamiento aislado; y un aislante colocado alrededor de la porción intermedia cilindrica.

3. El módulo de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el aislante incluye una primera capa aislante, una segunda capa aislante y una correspondiente tercera capa aislante.

4. El módulo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende una válvula de alivio de presión colocada en el extremo superior del alojamiento aislado.

5. El módulo de conformidad con la reivindicación 4, el módulo está caracterizado porque incluye una batea de drenaje de emergencia para recuperar el agua de enfriamiento liberada por la válvula de alivio de presión.

6. El módulo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la primera salida regresa el agua de enfriamiento al sistema de cogeneración .

7. El módulo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el calentador de agua es un calentador de agua sin tanque.

8. El módulo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende un controlador conectado a la primera entrada, la segunda entrada, la primera salida y la segunda salida.

9. El módulo de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el controlador funciona para regular la introducción y remoción de agua de enfriamiento dentro del alojamiento aislado.

10. El módulo de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el controlador funciona para regular la remoción de suministro de agua de las espirales de enfriamiento dentro del alojamiento aislado.

11. Un método para emplear el calor útil creado por un sistema de cogeneración, el método está caracterizado porque comprende los pasos de : (a) alimentar agua de enfriamiento del sistema de cogeneración en una primera entrada que a su vez rellena un módulo que tiene un alojamiento aislado, el alojamiento aislado que tiene un extremo superior y un extremo de fondo; (b) introducir un suministro de agua a través de una segunda entrada conectada a una o más espirales de contacto colocadas dentro del alojamiento aislado; (c) efectuar el intercambio de calor a través del agua de enfriamiento que interactúa con las espirales de contacto rellenas con el suministro de agua; (d) remover el agua de enfriamiento del módulo; y (e) remover el suministro de agua de las espirales de contacto y transportar a un calentador de agua.

12. El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque el alojamiento aislado comprende un foro interior que tiene una porción intermedia cilindrica colocada entre el lado superior y el lado de fondo del alojamiento aislado, y un aislante colocado alrededor de la porción intermedia cilindrica.

13. El método de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque el aislante comprende una primera capa aislante, una segunda capa aislante y una correspondiente tercera capa aislante.

14. El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque el módulo incluye una válvula de alivio de presión colocada en el extremo superior del alojamiento aislado.

15. El método de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque el módulo incluye además una batea de drenaje de emergencia para recuperar el agua de enfriamiento liberada por la válvula de alivio de presión.

16. El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque la primera salida regresa agua de enfriamiento al sistema de cogeneracion.

17. El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque el calentador de agua es un calentador de agua sin tanque .

18. El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque el módulo incluye además un controlador conectado a la primera entrada, la segunda entrada, la primera salida y la segunda salida.

19. El método de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque además comprende el paso de regular la introducción y remoción de agua de enfriamiento dentro del alojamiento aislado.

20. El método de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque además comprende el paso de programar la remoción del suministro de agua de las espirales de enfriamiento dentro del alojamiento aislado.