MX2012005670A - Sistema de ciclo de calor de circuito cerrado compuesto para recuperacion de calor de desechos y metodo del mismo. - Google Patents
Sistema de ciclo de calor de circuito cerrado compuesto para recuperacion de calor de desechos y metodo del mismo.Info
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Abstract
Un sistema de recuperación de calor de desechos incluye un sistema de ciclo Brayton que tiene un calentador configurado para hacer circular vapor de dióxido de carbono en relación de intercambio de calor con un fluido caliente para calentar el vapor de dióxido de carbono; un sistema de ciclo Rankine está acoplado al sistema de ciclo Brayton y está configurado para hacer circular un fluido de trabajo en relación de intercambio de calor con el vapor de dióxido de carbono para calentar el fluido de trabajo.
Description
SISTEMA DE CICLO DE CALOR DE CIRCUITO CERRADO COMPUESTO PARA RECUPERACIÓN DE CALOR DE DESECHOS Y MÉTODO DEL
MISMO
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Las modalidades descritas en la presente se refieren de manera general al campo del sistema de ciclo de calor para recuperar calor de desechos, y más particularmente, a un sistema de ciclo de calor de circuito cerrado compuesto que tiene un ciclo superior Brayton y un ciclo inferior Rankine para la recuperación de calor de desechos y método del mismo.
Mediante una variedad amplia de procedimiento y operaciones industriales y comerciales se generan cantidades enormes de calor de desechos. Las fuentes de ejemplo de desechos de calor incluye el calor de los ensamble de calentamiento de espacios, quemadores de vapor, motores y sistemas de enfriamiento. El término "calor de desechos" abarca cualquier suministro de calor residual despedido por un procedimiento primario que no es explotado de forma convencional como una fuente de energía.
Algunos sistemas de generación de potencia proporcionan una mejor confiabilidad y operación autónoma con combustibles alternativos tales como bio-gas o gas de área de desechos, con los ejemplos siendo las turbinas de gas y los motores de combustión, tales como las microturbinas y los motores reciprocantes. Los motores de combustión pueden utilizarse para generar electricidad utilizando combustibles, tales como la gasolina, gas natural, bio-gas, petróleo vegetal y combustible diésel. Sin embargo, se pueden emitir contaminantes atmosféricos tales como los óxidos de nitrógeno y los particulados.
Un método para generar electricidad a partir del calor de desechos de un motor de combustión sin incrementar las emisiones es la aplicación de un ciclo Rankine de vapor inferior. Un ciclo Rankine, normalmente incluye un turbo generador, un evaporador/quemador, un condensador, y una bomba de líquido. Sin embargo, los ciclos Rankine de vapor basados en agua no son atractivos en la región de calor de desechos de temperatura bajo mencionado anteriormente debido al costo alto y la baja eficiencia. El desempeño de un ciclo Rankine orgánico (ORC) está limitado por las limitaciones del fluido de trabajo que se hace circular dentro del ORC. El vapor utilizado como un fluido de trabajo puede ser óptimo solo para un intervalo específico de temperaturas y presiones del ciclo. Este ciclo inferior Rankine de vapor convencional requiere condensación a presión relativamente baja, lo que implica una turbina grande de presión baja y volúmenes del condensador. De ahí la instalación de que un sistema de ciclo Rankine de vapor inferior convencional es voluminoso en forma desproporcionada, y complejo, considerando la producción relativamente pequeña derivada del calor de desechos de temperatura baja. La presión baja de la condensación de vapor introduce otras complejidades, tales como la necesidad de unidades de des-aireación especiales para remover el aire
atmosférico que se fuga dentro de los depósitos de presión sub-atmosférica desde el exterior.
Sería deseable contar con un sistema y método simples que recuperen en forma efectiva el desechos de calor y que no esté limitado por las limitaciones de un fluido de trabajo de vapor que se hace circular dentro de un sistema del ciclo Rankine.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
De acuerdo con una modalidad de ejemplo de la presente invención, se describe un sistema de recuperación de calor de desechos. El sistema de recuperación de calor de desechos incluye un sistema de ciclo Brayton que tiene un calentador configurado para hacer circular vapor de dióxido de carbono en relación de intercambio de calor con un fluido caliente para calentar el vapor de dióxido de carbono. Un sistema de ciclo Rankine está acoplado al sistema de ciclo Brayton y está configurado para hacer circular un fluido de trabajo en relación de intercambio de calor con el vapor de dióxido de carbono para calentar el fluido de trabajo.
De acuerdo con otra modalidad de ejemplo de la presente invención, se describe un método de operación del sistema de recuperación de calor de desechos.
De acuerdo con una modalidad de ejemplo de la presente invención, se describe un sistema de recuperación de calor de desechos. El sistema de recuperación de calor de desechos incluye un sistema de ciclo Brayton que tiene un calentador configurado para hacer circular vapor de dióxido de carbono en relación de intercambio de calor con un fluido caliente desde una fuente de calor para calentar el vapor de dióxido de carbono. Un sistema de ciclo Rankine está acoplado al sistema de ciclo Brayton y está configurado para hacer circular un fluido de trabajo en relación de intercambio de calor con el vapor de dióxido de carbono y el fluido caliente para calentar el fluido de trabajo.
BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
Estas y otras características, aspectos y ventajas de la presente invención se comprenderán mejor cuando la siguiente descripción detallada sea leída haciendo referencia a los dibujos que la acompañan en los cuales, los caracteres similares representan partes similares a través de todos los dibujos, en donde
La figura 1 , es una representación diagramática de un sistema de recuperación de calor de desechos que tiene un sistema de ciclo Brayton y un sistema de ciclo Rankine de acuerdo con una modalidad de ejemplo de la presente invención;
La figura 2, es un diagrama de flujo que ilustra los pasos de ejemplo involucrados en el método de operación del sistema de recuperación de calor de desechos de acuerdo con una modalidad de ejemplo de la
presente invención.
La figura 3, es una representación diagramática de un sistema de recuperación de calor de desechos que tiene un sistema de ciclo Brayton y un sistema de ciclo Rankine de acuerdo con una modalidad de ejemplo de la presente invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
De acuerdo con la modalidad planteada en la presente invención, se describe un sistema de recuperación de calor de desechos. El sistema de de ejemplo incluye un sistema de ciclo Brayton (ciclo superior) que tiene un calentador configurado para hacer circular vapor de dióxido de carbono en relación de intercambio de calor con un fluido caliente para calentar el vapor de dióxido de carbono. Un sistema de ciclo Rankine (ciclo inferior) está acoplado al sistema de ciclo Brayton y está configurado para hacer circular un fluido de trabajo en relación de intercambio de calor con el vapor de dióxido de carbono para calentar el fluido de trabajo. De acuerdo con la modalidad de ejemplo de la presente invención, el sistema de recuperación de calor de desechos de ejemplo está integrado con las fuentes de calor para permitir una eficiencia de recuperación superior del calor de desechos para la generación de electricidad. Las fuentes de calor pueden incluir motores de combustión, turbinas de gas, fuentes de calor geo-térmicas, térmicas solares, industriales y residenciales, o los similares.
Haciendo referencia a la figura 1 , un sistema de recuperación de calor de desechos 10, se ilustra de acuerdo con una modalidad de ejemplo de la presente invención. El sistema 10 incluye un sistema de ciclo Brayton (ciclo superior) 12 acoplado a un sistema de ciclo Rankine (ciclo inferior) 14. En la modalidad ilustrada, el sistema de ciclo Brayton 12, incluye un calentador 16, una primera turbina 18, un enfriador 20 y un compresor 22. El vapor de dióxido de carbono se hace circular a través del sistema de ciclo Brayton 12.
El calentador 16 está acoplado a una fuente de calor 24, por ejemplo, una unidad de extracción de un sistema de generación de calor (por ejemplo, un motor). El calentador 16 recibe calor a partir de un fluido caliente, por ejemplo, un gas de extracción generado a partir de una fuente de calor y calienta el dióxido de carbono de manera que calienta el vapor de dióxido de carbono. En una modalidad específica, el vapor de dióxido de carbono del calentador 16 puede estar a una temperatura de aproximadamente 490 grados centígrados y a una presión de aproximadamente 200 bar. El vapor de dióxido de carbono se pasa a través de la primera turbina 18 para expandir el vapor de dióxido de carbono y para impulsar un primer generador 26 configurado para generar potencia eléctrica. En una modalidad específica, el vapor de dióxido de carbono de la primera turbina 18 puede estar a una temperatura de aproximadamente 320 grados centígrados y una presión de aproximadamente 40 bar.
En la modalidad ilustrada, el uso del dióxido de carbono como el fluido de trabajo tiene la ventaja de ser no inflamable, no corrosivo, no tóxico y tiene la capacidad de soportar temperaturas del ciclo altas (por ejemplo, por encima de 400 grados centígrados). En la modalidad descrita antes, el dióxido de carbono puede ser calentado en forma súper crítica a temperaturas altas sin el riesgo de descomposición química.
En la modalidad ilustrada, el sistema de ciclo Rankine 14 incluye un primer intercambiador térmico 28, un segundo intercambiador térmico 30, un tercer intercambiador térmico 32 y un cuarto intercambiador térmico 34. Un fluido de trabajo, por ejemplo, un fluido de hidrocarburo se hace circular a través del sistema de ciclo Rankine 14. En una modalidad más específica, el fluido de trabajo puede incluir un fluido de trabajo orgánico. El fluido de trabajo orgánico puede incluir propano, butano, pentafluoro-propano, pentafluoro-butano, pentafluoro-poliéter, petróleo o combinaciones de los mismos. Se debe observar en este punto, que esa lista de fluidos de trabajo orgánicos no es inclusiva y se pueden aplicar otros fluidos de trabajo orgánicos que también están contemplados a los ciclos Rankine orgánicos El vapor de dióxido de carbono de la primera turbina 18 se hace circular en relación de intercambio de calor con el fluido de trabajo vaporizado en forma secuencial por medio del primer intercambiador térmico 28, el segundo intercambiador térmico 30 y el tercer intercambiador térmico 32 para calentar el fluido de trabajo. En una modalidad específica, el vapor de dióxido de carbono en la salida del tercer intercambiador térmico 32 está a una temperatura de 85 grados centígrados y a una presión de 40 bar. El dióxido de carbono del tercer intercambiador térmico 32 es alimentado a través del enfriador 20 para enfriar el vapor de dióxido de carbono. El vapor de dióxido de carbono enfriado es comprimido entonces a una presión substancialmente superior por medio del compresor 22. En una modalidad , el vapor de dióxido de carbono del compresor 22 está a una temperatura de aproximadamente 210 grados centígrados y a una presión de aproximadamente 200 bar. En una modalidad, el compresor 22 puede ser un compresor de etapas múltiples con un refrigerador intermedio dispuesto entre cada etapa del compresor de etapas múltiples.
El vapor de dióxido de carbono comprimido del compresor 22 se hace circular en relación de intercambio de calor con el fluido de trabajo por medio del cuarto intercambiador térmico 34, de manera que calienta el fluido de trabajo vaporizado, para reducir de manera suficiente la temperatura del vapor de dióxido de carbono, para absorber el calor a temperaturas tan bajas como, por ejemplo, 120 grados centígrados desde la fuente de calor de desechos 24. Esto facilita la extracción máxima de calor desde la fuente de calor de desechos 24. En una modalidad específica, el fluido de trabajo vaporizado del cuarto intercambiador térmico 34 puede estar a una temperatura de aproximadamente 170 grados centígrados y a una presión de aproximadamente 60 bar. En otras palabras, el fluido de trabajo vaporizado está en un estado súper crítico. El ciclo es repetido en el sistema del ciclo Brayton 12. El fluido de trabajo vaporizado desde el cuarto ¡ntercambiador térmico 34 es entonces alimentado a través del primer intercambiador térmico 28 en relación de intercambio de calor con el vapor de dióxido de carbono para calentar adicionalmente el fluido de trabajo vaporizado. En una modalidad , el fluido de trabajo vaporizado en la salida del primer intercambiador térmico 28 está a una temperatura de aproximadamente 205 grados centígrados y a una presión de aproximadamente 60 bar.
El sistema de ciclo Rankine 14, incluye adicionalmente una segunda turbina 36, un condensador 38, una bomba 40 y un dispositivo separador de flujo 42. El fluido de trabajo vaporizado se pasa a través de la segunda turbina 36 para expandir el fluido de trabajo vaporizado y para impulsar un primer generador 44 configurado para generar potencia eléctrica. En una modalidad específica, el fluido de trabajo vaporizado de la segunda turbina está a una temperatura de aproximadamente 105 grados centígrados y a una presión de aproximadamente 5 bar. La segunda turbina 36 puede ser un dispositivo de expansión de tipo axial, dispositivo de expansión de tipo impulso o un dispositivo de expansión de tipo tornillo de temperatura alta, un tipo de dispositivo de expansión de turbina de entrada de flujo radial. En otras palabras, el fluido de trabajo vaporizado está en un estado sub-crítico. El fluido de trabajo vaporizado expandido de la segunda turbina 36 es alimentado a través del tercer intercambiador térmico 32 en la relación de intercambio de calor con el vapor de dióxido de carbono. En una modalidad , el fluido de trabajo vaporizado en el tercer intercambiador térmico 32 está a una temperatura de aproximadamente 65 grados centígrados y a una presión de aproximadamente 5 bar.
Después de pasar a través de la segunda turbina 36, el fluido de trabajo vaporizado se pasa a través del tercer intercambiador térmico 32 al condensador 38. El fluido de trabajo vaporizado es condensado en un líquido, de manera que genera un fluido de trabajo condensado. En una modalidad específica, el fluido de trabajo condensado está a una temperatura de aproximadamente 50 grados centígrados y a una presión de aproximadamente 5 bar. El fluido de trabajo condensado es bombeado entonces a una presión relativamente superior utilizando una bomba 40 a través del tercer intercambiador térmico 32 al dispositivo separador de flujo 42. La presurización y nuevo calentamiento del fluido de trabajo tiene como resultado un cambio de fase gradual de estado líquido a estado de vapor. En una modalidad específica, el fluido de trabajo en la salida del tercer intercambiador térmico está a una temperatura de aproximadamente 100 grados centígrados y a una presión de aproximadamente 60 bar.
En la modalidad ilustrada, el dispositivo separador de flujo 42 divide el flujo del fluido de trabajo del tercer intercambiador térmico 32 en dos porciones. El dispositivo separador de flujo 42 está configurado para alimentar una porción del fluido de trabajo vaporizado desde el tercer intercambiador térmico 32 al cuarto intercambiador térmico 34, y otra porción del fluido de trabajo vaporizado desde el tercer intercambiador térmico 32 a un punto 46 en corriente ascendente del primer intercambiador térmico 28. La otra porción del fluido de trabajo vaporizado desde el tercer intercambiador térmico 32 se mezcla con el fluido de trabajo vaporizado alimentado desde el cuarto intercambiador térmico 34 al primer intercambiador térmico 28. El ciclo es repetido en el sistema del ciclo Rankine 14.
En la modalidad que se ilustra, existe una pluralidad de casos de intercambio de calor (también pueden ser denominados como transferencias de calor "intra-ciclo") entre el vapor de dióxido de carbono y el fluido de trabajo vaporizado. Este intercambio de calor entre el vapor de dióxido de carbono y el fluido de trabajo vaporizado por medio de los intercambiadores térmicos 28, 30, 32, y 34. Este intercambio de calor sirve para quemar (si el fluido de trabajo está a una temperatura sub-crítica) o de otra manera incrementa la entalpia (si el fluido de trabajo está a una temperatura súper crítica) del fluido de trabajo en el sistema de ciclo Rankine 14.
De acuerdo con la modalidad planteada en la presente, en el sistema de ciclo Brayton 12, el dióxido de carbono es calentado directamente (sin transferir calor a través de un fluido intermedio) mediante una fuente de calor de desechos. El vapor de dióxido de carbono se expandido para producir potencia eléctrica. El calor del vapor de dióxido de carbono es transferido al fluido de hidrocarburo que se hace circular en el sistema de ciclo Rankine 14, a través de una serie de intercambiadores térmico 28, 30, 32, y 34. El dióxido de carbono se hace circular en el estado de vapor en el sistema de ciclo Brayton 12, mientras que en el sistema de ciclo Rankine 14, el fluido de hidrocarburo es enfriado y condensado hasta una fase líquida antes de ser presurizado nuevamente y calentado.
Como se planteó anteriormente, el uso de dióxido de carbono como un fluido de trabajo en el sistema de ciclo Brayton 12 tiene la ventaja de que el dióxido de carbono podría permanecer inerte incluso a temperaturas substancialmente superiores, por ejemplo, en el intervalo de 300 a 600 grados centígrados. También, el dióxido de carbono no padece de una descomposición química significativa a temperaturas superiores que facilitan una mayor eficiencia del sistema. El sistema de ejemplo 10 opera a presiones substancialmente superiores, por ejemplo, de 70 a 200 bar. Por lo tanto, el sistema 10 es compacto y simple. El fluido del ciclo permanece puro y no requiere de las unidades de des-aireación normales de las plantas de vapor. La combinación de un sistema de ciclo Brayton que opra con dióxido de carbono como un fluido de procedimiento y un sistema de ciclo Rankine extrae de manera efectiva el calor desde una fuente de calor de temperatura alta y al mismo tiempo convierte de manera eficiente el calor de temperatura baja residual en energía eléctrica.
Haciendo referencia a la figura 2, se describe un diagrama de flujo que ilustra los pasos de ejemplo involucrados en el método de operación del sistema de recuperación de calor de desechos 10. El método involucra hacer circular vapor de dióxido de carbono en la relación de intercambio de calor con un fluido caliente por medio del calentador 16 del sistema de ciclo Brayton 12, como es representado mediante el paso 48. El calentador 16 recibe calor a partir de un fluido caliente, por ejemplo, un gas de extracción generado a partir de una fuente de calor y calienta el dióxido de carbono de manera que calienta el vapor de dióxido de carbono. El vapor de dióxido de carbono se hace pasar a través de la primera turbina 18 para expandir el
vapor de dióxido de carbono como está representado mediante el paso 50. En otras palabras, el vapor de dióxido de carbono se pasa a través de la primera turbina 18 para expandir el vapor de dióxido de carbono y para impulsar el primer generador 26 configurado para generar potencia eléctrica.
El vapor de dióxido de carbono de la primera turbina 18 se hace circular en relación de intercambio de calor con el fluido de trabajo vaporizado en forma secuencial por medio del primer intercambiador térmico 28, el segundo intercambiador térmico 30 y el tercer ¡ntercambiador térmico 32 del sistema de ciclo Rankine 14 para calentar el fluido de trabajo como está representado mediante el paso 52.. El dióxido de carbono del tercer intercambiador térmico 32 es alimentado a través del enfriador 20 para enfriar el vapor de dióxido de carbono, como está representado mediante el paso 54. El vapor de dióxido de carbono enfriado es comprimido entonces a una presión substancialmente superior por medio del compresor 22, como está representado mediante el paso 56. El vapor de dióxido de carbono comprimido del compresor 22 se hace circular entonces en relación de intercambio de calor con el fluido de trabajo vaporizado por medio del cuarto intercambiador térmico 34, de manera que calienta el fluido de trabajo vaporizado como está representado mediante el paso 58. El ciclo es repetido en el sistema del ciclo Brayton 12.
El fluido de trabajo vaporizado desde el cuarto intercambiador térmico 34 es entonces alimentado a través del primer ¡ntercambiador térmico 28 en relación de intercambio de calor con el vapor de dióxido de carbono para calentar adicionalmente el fluido de trabajo vaporizado. El fluido de trabajo vaporizado se pasa a través de la segunda turbina 36 del sistema de ciclo Rankine 14 para expandir el fluido de trabajo vaporizado y para impulsar el segundo generador 44 configurado para generar potencia eléctrica como está representado mediante el paso 60. El fluido de trabajo vaporizado expandido de la segunda turbina 36 es alimentado a través del tercer intercambiador térmico 32 en la relación de intercambio de calor con el vapor de dióxido de carbono.
Después de pasar a través de la segunda turbina 36, el fluido de trabajo vaporizado se pasa a través del tercer intercambiador térmico 32 al condensador 38, como está representado mediante el paso 62. El fluido de trabajo vaporizado es condensado en un líquido, de manera que genera un fluido de trabajo condensado. El fluido de trabajo condensado es bombeado entonces a una presión relativamente superior utilizando una bomba 40 a través del tercer intercambiador térmico 32 al dispositivo separador de flujo 42, como está representado mediante el paso 64. La presurización y nuevo calentamiento del fluido de trabajo tiene como resultado un cambio de fase gradual de estado líquido a estado de vapor.
En la modalidad ilustrada, el dispositivo separador de flujo 42 divide el flujo del fluido de trabajo del tercer intercambiador térmico 32 en dos porciones. El método incluye alimentar una porción del fluido de trabajo vaporizado desde el tercer intercambiador térmico 32 al cuarto intercambiador térmico 34, como es representado mediante el paso 66. El método incluye
adicionalmente alimentar otra porción del fluido de trabajo vaporizado desde el tercer intercambiador térmico 32 hasta un punto 46 en corriente ascendente del primer intercambiador térmico 28, como es representado mediante el paso 68. La otra porción del fluido de trabajo vaporizado desde el tercer intercambiador térmico 32 se mezcla con el fluido de trabajo vaporizado alimentado desde el cuarto intercambiador térmico 34 al primer intercambiador térmico 28, como está representado mediante el paso 70. El ciclo es repetido en el sistema del ciclo Rankine 14.
Haciendo referencia a la figura 3, un sistema de recuperación de calor de desechos 72, se ilustra de acuerdo con una modalidad de ejemplo de la presente invención. El sistema 72 incluye un sistema de ciclo Brayton (ciclo superior) 74 acoplado a un sistema de ciclo Rankine (ciclo inferior) 76. En la modalidad ilustrada, el sistema de ciclo Brayton 74, incluye un calentador 77, una turbina 78, un enfriador 80, una primera etapa de compresor 82, una segunda etapa de compresor 84 y un refrigerador intermedio 86 dispuesto entre la primera etapa del compresor 82 y la segunda etapa del compresor 84. El vapor de dióxido de carbono se hace circular a través del sistema de ciclo Brayton 74.
El calentador 77 está acoplado a una fuente de calor 88, por ejemplo, una unidad de extracción de un sistema de generación de calor (por ejemplo, un motor). El calentador 77 recibe calor a partir de un fluido caliente, por ejemplo, un gas de extracción generado a partir de una fuente de calor y calienta el dióxido de carbono de manera que calienta el vapor de dióxido de carbono. El vapor de dióxido de carbono se pasa a través de la turbina 78 para expandir el vapor de dióxido de carbono y para impulsar un generador 90 configurado para generar potencia eléctrica.
En la modalidad que se ilustra, el sistema de ciclo Rankine 76, incluye una pluralidad de intercambiadores térmicos 92, 94, 96. Un fluido de trabajo, por ejemplo, un fluido de hidrocarburo se hace circular a través del sistema de ciclo Rankine 76. El vapor de dióxido de carbono de la turbina 78 se hace circular en relación de intercambio de calor con el fluido de trabajo vaporizado en forma secuencial por medio de los intercambiadores térmicos 92, 94, 96 para para calentar el fluido de trabajo. El dióxido de carbono del intercambiador térmico 96 es alimentado a través del enfriador 80 para enfriar el vapor de dióxido de carbono. El vapor de dióxido de carbono enfriado es comprimido entonces a presiones substancialmente superiores por medio de la primera etapa del compresor 82 y la segunda etapa del compresor 84. El ' vapor de dióxido de carbono de la primera etapa del compresor 82 es enfriado por medio del refrigerador intermedio 86 y entonces es alimentado a la segunda etapa del compresor 84.
El vapor de dióxido de carbono carbono comprimido de la segunda etapa del compresor 84 se hace circular en relación de intercambio de calor con el fluido caliente de la fuente de calor 88 por medio del calentador 77, de manera que calienta el vapor de dióxido de carbono. El calor impartido a la corriente de vapor de dióxido de carbono por cada etapa de compresión puede ser removida a través del enfriamiento, ya sea por el fluido de trabajo vaporizado o el aire ambiente, con el objeto de reducir la inversión de energía requerida para impulsar al compresor. El ciclo es repetido en el sistema del ciclo Brayton 12.
En la modalidad ilustrada, el fluido de trabajo vaporizado del sistema de ciclo Rankine 76 también se hace circular en relación de intercambio de calor con el fluido caliente de la fuente de calor 88 por medio del calentador 77, para calentar el fluido de trabajo vaporizado. En otras palabras, el calor de la fuente de calor 88 se utiliza para calentar tanto el vapor de dióxido de carbono como el fluido de trabajo vaporizado por medio del calentador 77. Para ser más específico, el calor de la fuente de calor 88 se utiliza primer para calentar el vapor de dióxido de carbono y posteriormente para calentar el fluido de trabajo vaporizado.
El sistema de ciclo Rankine 76, incluye adicionalmente una turbina 98, un condensador 100, una bomba 102 y un dispositivo separador de flujo 104. El fluido de trabajo vaporizado se pasa a través de la turbina 98 para expandir el fluido de trabajo vaporizado y para impulsar un generador 106 configurado para generar potencia eléctrica. El fluido de trabajo vaporizado expandido de la turbina 98 es alimentado a través de un intercambiador térmico 96 en relación de intercambio de calor con la corriente de regreso del fluido de trabajo condensado desde la bomba 102.
Después de pasar a través de la turbina 98, el fluido de trabajo vaporizado se pasa a través del intercambiador térmico 96 al condensador 100. El fluido de trabajo vaporizado es condensado en un líquido, de manera que genera un fluido de trabajo condensado. El fluido de trabajo condensado es bombeado entonces a una presión relativamente superior utilizando la bomba 102 a través del tercer intercambiador térmico 96 al dispositivo separador de flujo 104. El fluido de trabajo líquido presurizado de la bomba 102 es calentado dentro del intercambiador térmico 96, primero por la corriente de vapor de fluido de trabajo expandida que ingresa al intercambiador térmico 96 desde la turbina 98 y entonces por la corriente de vapor de dióxido de carbono que también pasa a través del intercambiador térmico 96. La presurización y nuevo calentamiento del fluido de trabajo tiene como resultado un cambio de fase gradual de estado líquido a estado de vapor.
En la modalidad ilustrada, el dispositivo separador de flujo 104 divide el flujo del fluido de trabajo del tercer intercambiador térmico 96 en dos porciones. El dispositivo separador de flujo 104 está configurado para alimentar una porción del fluido de trabajo vaporizado desde el tercer intercambiador térmico 96 al calentador 77, y otra porción del fluido de trabajo vaporizado desde la alimentación de intercambiador térmico 96 a través del intercambiador térmico 94, es suministrada a un punto 108 en corriente ascendente del intercambiador térmico 92. El fluido de trabajo es calentado adicionalmente por la corriente de vapor de dióxido de carbono. La última porción del fluido de trabajo vaporizado desde el intercambiador térmico 96 se mezcla, en el punto 108, con el fluido de trabajo vaporizado alimentado desde el cuarto calentador 77 al intercambiador térmico 92. El ciclo es
repetido en el sistema del ciclo Rankine 76.
Aunque sólo se ilustran y describen en la presente ciertas características de la invención, aquellos expertos en la materia percibirán muchas modificaciones y cambios. Debe entenderse por lo tanto que las reivindicaciones anexas están destinadas a cubrir todas esas modificaciones y cambios, pues los mismos caen dentro del verdadero espíritu de la invención.
Claims (33)
1.-. Un sistema de recuperación de calor de desechos, que comprende: un sistema de ciclo Brayton que comprende un calentador configurado para hacer circular vapor de dióxido de carbono en relación de intercambio de calor con un fluido caliente para calentar el vapor de dióxido de carbono; y un sistema de ciclo Rankine acoplado al sistema de ciclo Brayton y configurado para hacer circular un fluido de trabajo en relación de intercambio de calor con el vapor de dióxido de carbono para calentar el fluido de trabajo.
2. El sistema de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el sistema de ciclo Brayton comprende una primera turbina acoplada al calentador y configurada para expandir el vapor de dióxido de carbono.
3. El sistema de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque el sistema de ciclo Brayton comprende un primer generador acoplado a la primera turbina y configurado para generar energía.
4. El sistema de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque el sistema de ciclo Rankine comprende un primer intercambiador térmico, un segundo intercambiador térmico, y un tercer intercambiador térmico, en donde el vapor de dióxido de carbono de la primera turbina se hace circular en relación de intercambio de calor con el fluido de trabajo vaporizado en forma secuencial por medio del primer intercambiador térmico, el segundo intercambiador térmico, y el tercer intercambiador térmico para calentar el fluido de trabajo.
5. El sistema de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado además porque el sistema de ciclo Brayton comprende un enfriador configurado para enfriar el vapor de dióxido de carbono alimentado a través del primer intercambiador térmico, el segundo intercambiador térmico y el tercer intercambiador térmico.
6. El sistema de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado además porque el sistema de ciclo Brayton comprende un compresor configurado para comprimir el vapor de dióxido de carbono alimentado a través del enfriador.
7. El sistema de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque el sistema de ciclo Rankine comprende un cuarto intercambiador térmico configurado para hacer circular el fluido de trabajo vaporizado en relación de intercambio de calor con el vapor de dióxido de carbono alimentado desde el compresor, de manera que calienta el fluido de trabajo.
8. El sistema de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque el sistema de ciclo Rankine comprende una segunda turbina configurada para expandir el fluido de trabajo vaporizado alimentado desde el cuarto intercambiador térmico por medio del primer intercambiador térmico.
9. El sistema de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado además porque el sistema de ciclo Rankine comprende un segundo generador acoplado a la segunda turbina y configurado para generar energía.
10. El sistema de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado además porque el sistema de ciclo Rankine comprende un condensador configurado para condensar el fluido de trabajo vaporizado alimentado desde la segunda turbina por medio del tercer intercambiador térmico.
1 1. El sistema de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado además porque el sistema de ciclo Rankine comprende una bomba configurada para presurizar y alimentar el fluido de trabajo condensado desde el condensador al tercer intercambiador térmico para vaporizar el fluido de trabajo condensado.
12. El sistema de conformidad con la reivindicación 11 , caracterizado además porque el sistema de ciclo Rankine comprende un dispositivo separador de flujo configurado para alimentar una porción del fluido de trabajo vaporizado desde el tercer intercambiador térmico al cuarto intercambiador térmico y otra porción del fluido de trabajo vaporizado desde el tercer intercambiador térmico hasta un punto en corriente ascendente del primer intercambiador térmico; en donde la otra porción del fluido de trabajo vaporizado del tercer intercambiador térmico se mezcla con el fluido de trabajo vaporizado alimentado desde el cuarto intercambiador térmico al primer intercambiador térmico.
13. El sistema de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el fluido de trabajo comprende un hidrocarburo.
14. Un método que comprende: hacer circular vapor de dióxido de carbono en relación de intercambio de calor con un fluido caliente para calentar el vapor de dióxido de carbono por medio de un calentador de un sistema de ciclo Brayton; y hacer circular un fluido de trabajo vaporizado en relación de intercambio de calor con el vapor de dióxido de carbono para calentar el fluido de trabajo vaporizado por medio del sistema de ciclo Rankine acoplado al sistema de ciclo Brayton.
15. El método de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque comprende adicionalmente expandir el vapor de dióxido de carbono por medio de una primera turbina acoplada al calentador del sistema de ciclo Brayton.
16. El método de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado además porque comprende adicionalmente generar energía por medio de un primer generador acoplado a la primera turbina del sistema de ciclo Brayton.
17. El método de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado además porque comprende adicionalmente hacer circular el vapor de dióxido de carbono desde la primera turbina en relación de intercambio de calor con el fluido de trabajo vaporizado en forma secuencial por medio de un primer intercambiador térmico, un segundo intercambiador térmico y un tercer intercambiador térmico del sistema de ciclo Rankine para calentar el fluido de trabajo vaporizado.
18. El método de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado además porque comprende adicionalmente enfriar él vapor de dióxido de carbono alimentado a través del primer intercambiador térmico, el segundo intercambiador térmico y el tercer intercambiador térmico por medio de un enfriador del sistema de ciclo Brayton.
19. El método de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado además porque comprende adicionalmente comprimir el vapor de dióxido de carbono alimentado a través del enfriador por medio de un compresor del sistema de ciclo Brayton.
20. El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado además porque comprende adicionalmente hacer circular el fluido de trabajo vaporizado en relación de intercambio de calor con el vapor de dióxido de carbono alimentado desde el compresor de manera que se calienta el fluido de trabajo vaporizado por medio de un cuarto intercambiador térmico del sistema de ciclo Rankine.
21. El método de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado además porque comprende adicionalmente expandir el fluido de trabajo vaporizado alimentado a través del cuarto intercambiador térmico, el primer intercambiador térmico por medio de una segunda turbina del sistema de ciclo Rankine.
22. El método de conformidad con la reivindicación 21 , caracterizado además porque comprende adicionalmente generar energía por medio de un segundo generador acoplado a la segunda turbina del sistema de ciclo Rankine.
23. El método de conformidad con la reivindicación 21 , caracterizado además porque comprende adicionalmente condensar el fluido de trabajo vaporizado alimentado a través de la segunda turbina, el tercer intercambiador térmico por medio de un condensador del sistema de ciclo Rankine.
24. El método de conformidad con la reivindicación 23, caracterizado además porque comprende adicionalmente presurizar y alimentar el fluido de trabajo condensado desde el condensador al tercer intercambiador térmico por medio de una bomba del sistema de ciclo Rankine.
25. El método de conformidad con la reivindicación 24 caracterizado además porque comprende adicionalmente la alimentación de una porción del fluido de trabajo vaporizado desde el tercer intercambiador térmico al cuarto intercambiador térmico, y otra porción del fluido de trabajo vaporizado desde el tercer intercambiador térmico a un punto en corriente ascendente del primer intercambiador térmico por medio de un dispositivo separador de flujo del sistema de ciclo Rankine.
26. El método de conformidad con la reivindicación 25, caracterizado además porque comprende adicionalmente mezclar la otra porción del fluido de trabajo vaporizado del tercer intercambiador térmico con el fluido de trabajo vaporizado alimentado desde el cuarto intercambiador térmico al primer intercambiador térmico.
27. Un sistema de recuperación de calor de desechos, que comprende: un sistema de ciclo Brayton que comprende un calentador configurado para hacer circular vapor de dióxido de carbono en relación de intercambio de calor con un fluido caliente desde una fuente de calor para calentar el vapor de dióxido de carbono; y un sistema de ciclo Rankine acoplado al sistema de ciclo Brayton y configurado para hacer circular un fluido de trabajo en relación de intercambio de calor con el vapor de dióxido de carbono y el fluido caliente para calentar el fluido de trabajo.
28. El sistema de conformidad con la reivindicación 27, caracterizado además porque el sistema de ciclo Brayton comprende una turbina acoplada al calentador y configurada para expandir el vapor de dióxido de carbono.
29. El sistema de conformidad con la reivindicación 28, caracterizado además porque el sistema de ciclo Rankine comprende una pluralidad de intercambiadores térmicos, en donde el vapor de dióxido de carbono de la turbina se hace circular en relación de intercambio de calor con el fluido de trabajo vaporizado en forma secuencial por medio de la pluralidad de intercambiadores térmicos para calentar el fluido de trabajo.
30. El sistema de conformidad con la reivindicación 29, caracterizado además porque el sistema de ciclo Brayton comprende un enfriador configurado para enfriar el vapor de dióxido de carbono alimentado a través de la pluralidad de intercambiadores térmicos.
31. El sistema de conformidad con la reivindicación 30, caracterizado además porque el sistema de ciclo Brayton comprende un compresor de etapas múltiples configurado para comprimir el vapor de dióxido de carbono alimentado a través del enfriador.
32. El sistema de conformidad con la reivindicación 31 , caracterizado además porque el sistema de ciclo Brayton comprende un refrigerador intermedio dispuesto entre una primera etapa del compresor y una segunda etapa del compresor y configurado para enfriar el vapor de dióxido de carbono alimentado desde la primera etapa del compresor a la segunda etapa del compresor.
33. El sistema de conformidad con la reivindicación 27, caracterizado además porque el calentador está configurado adicionalmente para hacer circular el fluido caliente en relación de intercambio de calor con el fluido de trabajo vaporizado de manera que calienta el fluido de trabajo.
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