MX2013008315A - Lubricacion de maquinas operadoras de expansion volumetrica. - Google Patents

Lubricacion de maquinas operadoras de expansion volumetrica.

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Abstract

La presente invención proporciona un método para lubricar una máquina de expansión, el cual comprende: suministrar un medio de operación que contiene un lubricante por un vaporizador; separando al menos parte del lubricante del medio de operación que contiene un lubricante y es suministrado por el vaporizador; y suministrar el medio de operación que se remueve por separación de al menos una parte del lubricante a la máquina de expansión. Posteriormente, se proporciona un dispositivo que tiene un vaporizador que es configurado para vaporizar un medio de operación que contiene un lubricante y para suministrarlo a una máquina de expansión y que tiene un dispositivo separador de lubricante que es configurado para separar al menos una parte del lubricante del medio de operación que contiene el lubricante y es suministrado por el vaporizador a la máquina de expansión.

Description

LUBRICACIÓN DE MÁQUINAS OPERADORAS DE EXPANSIÓN VOLUMÉTRICA Campo de la invención La presente invención se refiere a máquinas operadoras de expansión volumétrica y en particular a un método para lubricar las mismas.
Antecedentes de la invención La operación de las máquinas de expansión, tales como turbinas a vapor, se conoce en la técnica previa, por ejemplo con la ayuda del método de Ciclo Orgánico de Rankine (ORC, por sus siglas en inglés) para generar energía eléctrica utilizando medios orgánicos, por ejemplo medios orgánicos que tienen temperaturas bajas de vaporización, los cuales generalmente tienen presiones altas de vaporización a las mismas temperaturas comparadas con el agua igual que el medio de Operación Las plantas de ORC constituyen la realización del ciclo Clausius Rankine en donde la energía eléctrica es, por ejemplo, en principio, obtenida por cambios isobáricos y adiabáticos del estado de un medio de operación. La energía mecánica se obtiene aquí por medio de vaporización, expansión y condensación posterior del medio de operación y se convierte en energía eléctrica. En principio, el medio de operación se lleva a presión de operación por una bomba de alimentación y la energía en forma de calor proporcionada por combustión o por flujo de calor residual se suministra por un vaporizador. El medio de operación fluye del vaporizador a través de tubería de presión a una máquina de expansión en donde se expande a una presión más baja. Posteriormente, el vapor del medio de operación expandido fluye a través de un condensador en donde el intercambio de calor se lleva a cabo entre el medio de operación vaporoso y un medio de enfriamiento, después de lo cual el medio de operación condensado se devuelve al vaporizador por una bomba de alimentación en un proceso cíclico.
Una clase particular de máquinas de expansión se constituye de máquinas de operación de expansión volumétrica que también se conocen como máquinas de expansión de desplazamiento y comprenden una cámara de trabajo y realiza el trabajo durante un incremento de volumen de esta cámara de trabajo durante la expansión del medio de operación. Estas máquinas de expansión se realizan, por ejemplo, en forma de máquinas de expansión de pistón, máquinas de expansión de tornillo o expansores de desplazamiento. Estas máquinas de operación de expansión volumétrica se utilizan en particular en plantas de ORC de clases de pequeña potencia (por ejemplo con un poder eléctrico de 1 a 500 kW). Al contrario con las turbinas, las máquinas de operación de expansión volumétrica, sin embargo, requieren lubricación por un lubricante en particular del pistón o de los perfiles del cuarto de expansión que ruedan sobre si y en los rodamientos y en las paredes correderas de la cámara de trabajo. El uso de un lubricante ventajosamente lleva al sellado del área de trabajo de la máquina de expansión en donde se pierde menos vapor debido a un exceso de flujo dentro de la máquina de expansión, por lo tanto aumentando su eficiencia.
La Figura 1 representa un diagrama esquemático de un sistema de lubricación de la técnica previa. Se suministra un medio de operación de un vaporizador 1 a una máquina de expansión 2. En esta máquina de expansión 2, el medio de operación de vapor se expande y a través del generador 3, la energía liberada es convertida en energía eléctrica. A través de una bomba giratoria de aceite 4, un lubricante, por ejemplo aceite lubricante, es suministrado a la máquina de expansión 2. El lubricante sale de la máquina de expansión 2 junto con el medio de operación expandido. El lubricante es presente en el medio de operación expandido en forma de una neblina de aceite finamente distribuida y es separado del medio de operación en un separador de aceite 5, de manera que el medio de operación es suministrado desde el separador de aceite 5 a un condensador 6 esencialmente libre de aceite. El medio de operación condensado es suministrado de nuevo al vaporizador 1 por una bomba de alimentación 7. El aceite recuperado es suministrado de nuevo a una máquina de expansión a través de una bomba giratoria de aceite 4.
El sistema de lubricación de la técnica previa, involucra las siguientes desventajas Puesto que el lubricante (aceite lubricante) es separado del lado de la presión baja después de haber pasado la máquina de expansión 2, es necesario proporcionar la bomba giratoria de aceite 4, la cual, puesto que el lubricante se debe suministrar a la máquina de expansión 2 del lado de la alta presión, debe sobrepasar la misma presión diferencial que la bomba de alimentación 7 que transporta el medio de operación, por lo tanto requiere mucho equipo y causa los costos altos correspondientes. Además, se necesita un separador de aceite relativamente grande 5 ya que el vapor residual que sale de la máquina de expansión 2 tiene una densidad más baja en comparación con el vapor suministrado a la máquina de expansión 2, por ejemplo una densidad que es menor por más de una dimensión. Posteriormente, la separación del lubricante del vapor residual del medio de operación se cumple por medios de separadores de ciclón o deflectores, siempre involucrando cambios significativos de dirección del flujo de vapor residual que contiene el lubricante, en donde las pérdidas de presión ocurren en combinación con los volúmenes relativamente grandes de flujo de vapor residual, lo que lleva a una contrapresión en la máquina de expansión 2 y por lo tanto a una disminución en eficiencia de la anterior.
Además, debido a la masa relativamente grande o el volumen relativamente grande del vapor residual, el reparador de aceite relativamente grande 5 tiene una cierta inercia que tiene efectos desventajosos cuando la planta arranca o durante los cambios de cargas. Además, el lubricante inyectado por boquillas en el vapor, entre otras cosas, en estado líquido a una temperatura de aproximadamente del vapor residual indeseablemente reduce la temperatura del vapor vivo y la entalpia del vapor vivo.
Por lo tanto, existe una demanda para esto, y este es el objetivo de la presente invención proporcionar un método para lubricar máquinas operadoras de expansión volumétrica, en las cuales los problemas antes mencionados son eliminados o al menos atenuados.
Descripción de la invención El objetivo antes mencionado se obtiene por el método para lubricar una máquina de expansión, que comprende las siguientes etapas. Se proporciona un medio de operación que contiene un lubricante por un intercambiador de calor (vaporizador). El medio de operación es parcialmente o completamente presente en un estado de vapor. Al menos una parte del lubricante se separa del medio de operación que contiene un lubricante y se suministra por un vaporizador. El medio de operación que es vaciado por la separación de al menos una parte del lubricante se suministra a la máquina de expansión.
Al contrario con la técnica previa, de acuerdo con la invención, al menos una parte del lubricante es separada del medio de operación suministrado por el vaporizador. En la técnica previa, sin embargo, esta separación es efectuada del medio de operación que sale de la máquina de expansión. La provisión de una bomba giratoria de aceite se puede eliminar en el método de acuerdo con la invención. Además, un dispositivo separador de lubricante utilizado para separar al menos una parte del lubricante del medio de operación suministrado por el vaporizador se puede hacer más pequeño en comparación con la técnica previa a causa de que el lubricante es separado del vapor vivo en vez del vapor residual. Además, la temperatura del vapor vivo/entalpia es, de acuerdo con la invención, no necesariamente reducida agregando un lubricante relativamente frío.
De acurdo con otra modalidad, el método de acuerdo con la invención comprende suministrar al menos una parte del lubricante separado a una máquina de expansión. Mientras una porción del lubricante que queda en el medio de operación suministrado a la máquina de expansión se utiliza para las partes lubricantes de la cámara de trabajo de la máquina operadora de expansión volumétrica que gira o se desliza una en la otra, de acuerdo con esta modalidad, al menos una parte del lubricante separado es suministrado a puntos de lubricación de la máquina de expansión.
El método de acuerdo con la invención puede ventajosamente utilizarse para lubricar una máquina operadora de expansión volumétrica de una planta de Ciclo Orgánico de Rankine (ORC). Por consiguiente, el medio de operación se puede proporcionar en forma de un medio orgánico de operación. Los hidrocarburos fluorados se pueden utilizar, por ejemplo, como medio de operación. Mientras el medio de operación es típicamente suministrado del vaporizador a la máquina de expansión en estado de vapor, de acuerdo con otra modalidad, el lubricante es presente en el medio de operación que contiene un lubricante y es suministrado por el vaporizador en un estado liquido en forma de gotas de aceite que entran al vapor del medio de operación. Las gotas de aceite son al menos parcialmente separadas del medio de operación por un dispositivo separador de lubricante y recolectadas antes de que el medio de operación entre a la máquina de expansión, de manera que se suministra a los puntos de lubricación de la máquina de expansión. El lubricante en forma de gotas de aceite puede, por ejemplo, ser éster sintético (también ver descripción detallada a continuación).
Puesto que el lubricante pasa al vaporizador junto con el medio de operación, tiene, después de que se separó del medio de operación vaporoso, una temperatura alta, de manera que está por debajo de una presión relativamente alta cuando se acumula en el dispositivo separador de lubricante. Esta presión alta permite que el flujo fluya libremente y en particular sin tener que bombearse por un dispositivo separado de bombeo, a los puntos de lubricación de la máquina de expansión, por ejemplo a rodamientos que se deben lubricar.
Por otra parte, y como se ha mencionado anteriormente, el lubricante suministrado del dispositivo separador de lubricante a los puntos de lubricación de la máquina de expansión es relativamente caliente. Sin embargo, puesto que ventajosamente también se puede utilizar para remover el calor de los puntos de lubricación de la máquina de expansión, el método de acuerdo con la invención comprende, de acuerdo con un ejemplo, enfriar el lubricante separado antes de que se suministre a los puntos de lubricación de la máquina de expansión.
Aquí, el calor del lubricante (por ejemplo un aceite lubricante) puede ser directamente transferido a un medio enfriador (por ejemplo aire). El calor se puede suministrar directamente de la tubería en la cual se suministra el lubricante a los puntos de lubricación de la máquina de expansión al aire del ambiente, o mejora la transferencia de calor, por ejemplo suministrando la tubería con nervaduras. En este caso, el calor ya no está disponible para el proceso.
Otra opción es el uso del medio de operación frío. Aquí, el lubricante y el medio de operación deben fluir a través del intercambiador de calor. El calor después pasa del lubricante al medio de operación frío antes de que este último sea suministrado al vaporizador y por lo tanto es disponible de nuevo para el proceso.
Por consiguiente, el enfriamiento del lubricante separado suministrado a los puntos de lubricación de la máquina de expansión puede al menos parcialmente completarse por medio de medios de operación que contiene el lubricante y se suministra al vaporizador. El medio de operación es presente en estado líquido corriente arriba del vaporizador y comprende el lubricante disuelto en el mismo. En esta forma, el mismo es relativamente frío en comparación con el estado corriente abajo del vaporizador. Por consiguiente, el mismo se guía, por ejemplo, al menos parcialmente a través de las nervaduras de enfriamiento proporcionadas alrededor de la tubería en la cual fluye el lubricante separado a los puntos de lubricación de la máquina de expansión y por lo tanto enfría el lubricante en su trayectoria de transporte a la máquina de expansión.
El objetivo antes mencionado también se obtiene proporcionando un dispositivo que comprende un vaporizador que es configurado para vaporizar un medio de operación que contiene un lubricante y para suministrarlo a una máquina de expansión; y un dispositivo separador de lubricante que es configurado para separar al menos una parte del lubricante del medio de operación que contiene el lubricante y es suministrado por el vaporizador a la máquina de expansión.
El dispositivo separador del lubricante puede ser posteriormente configurado para suministrar al menos una parte del lubricante separado de la máquina de expansión a los puntos de lubricación correspondientes, tales como rodamientos de la máquina de expansión a lubricar.
De acuerdo con otra modalidad, el dispositivo de acuerdo con la invención es un dispositivo de Ciclo Orgánico de Rankine en el cual se utiliza un medio orgánico de operación.
La máquina de expansión se puede seleccionar del grupo que consiste de una máquina de expansión de pistón, una máquina de expansión de tornillo, un expansor de desplazamiento, una máquina de álabes y un expansor de raíces.
El dispositivo de acuerdo con la invención puede posteriormente comprender una tubería en la cual el lubricante separado en el dispositivo de separación de lubricante es guiado a los puntos de lubricación de la máquina de expansión y las nervaduras de enfriamiento que rodean la tubería.
Posteriormente, se proporciona una planta de energía de vapor, por ejemplo una planta geotérmica de energía de vapor o una planta de energía de vapor de combustión de biomasa, que comprende el dispositivo de acuerdo con uno de los ejemplos anteriores.
Otras características y modalidades ejemplares, así como ventajas de la presente Invención se ilustrarán más detalladamente con referencia a las figuras. Se debe entender que las modalidades no agotan el campo de la presente invención. Posteriormente se entenderá que algunas o todas las características descritas a continuación se deben combinar una con la otra de diferentes maneras.
La Figura 1 representa un sistema de lubricación para una máquina de expansión volumétrica de acuerdo con la técnica previa.
La figura 2 ilustra, por medio de ejemplo, un sistema de lubricación para una máquina de expansión volumétrica de acuerdo con la presente invención.
Como se muestra en la Figura 2, un sistema de lubricación para una máquina de expansión volumétrica comprende, de acuerdo con un ejemplo de la presente invención, un dispositivo separador de lubricante (a continuación, un separador de aceite por medio de ejemplo) 10 el cual es insertado entre un vaporizador 20, que suministra un medio de operación completamente o parcialmente vaporizado y una máquina de expansión 30, la cual se utiliza para obtener energía eléctrica en cooperación con un generador 40. Mientras que en la técnica previa, como se describe anteriormente con referencia a la Figura 1, se realiza una separación del lubricante del flujo de vapor residual de acuerdo con la invención, al menos una parte del lubricante es separada del vapor vivo del medio de operación que es mezclado con el lubricante y suministrado a la máquina de expansión 30. En el separador de aceite 10, que corresponde a las placas de separación se puede proporcionar de manera que en el medio de operación que alcanza la máquina de expansión 30, aún una cantidad suficiente de lubricante (aceite lubricante) es presente, de manera que se puede obtener una lubricación confiable de partes de la cámara de trabajo de la máquina operadora de expansión volumétrica 30 que gira o se desliza una en la otra. Como una alternativa, la separación del lubricante en el separador de aceite 10 se puede realizar esencialmente completamente y se puede suministrar una cantidad de lubricante adecuada al vapor vivo del medio de operación antes de que este último entre a la máquina de expansión 30.
El aceite lubricante separado es recolectado en el separador de aceite 10. Puesto que se ha llevado a una temperatura alta después de que ha pasado al vaporizador junto con el medio de operación, el mismo está bajo alta presión en el separador de aceite 10, de manera que fluye libremente a través de la tubería correspondiente a la máquina de expansión 30 para lubricar los puntos de lubricación correspondientes a esta última. Además de lubricar los rodamientos, se puede eliminar el calor perdido de los rodamientos. A este punto, puede ser ventajoso enfriar el aceite lubricante antes o durante su transportación a los puntos lubricantes de la máquina de expansión 30. Este enfriamiento, se puede hacer, por ejemplo con la ayuda de las nervaduras de enfriamiento que se proporcionan alrededor de la tubería a los puntos de lubricación de la máquina de expansión 30. El enfriamiento también se puede hacer acoplando el calor al medio de operación que se regresa por la bomba de alimentación 50, la cual, después de expansión en la máquina de expansión 30, pasa a un condensador 60 para condensación. El calor puede alternativamente pasar directamente de la tubería en la cual se suministra el lubricante a los puntos de lubricación de la máquina de expansión al aire del ambiente. De acuerdo con otra alternativa, el lubricante y el medio de operación pueden fluir a través de un intercambiador de calor. El calor después pasa del lubricante al medio de operación frío.
Por medio de ejemplo, el lubricante es presente en el medio de operación en una forma disuelta cuando se suministra a un vaporizador 20 a través de una bomba de alimentación 50. Esto se puede lograr con una selección adecuada del medio de operación y el lubricante. Por ejemplo, el medio de operación se puede proporcionar en forma de un hidrocarburo fluorado, por ejemplo R134a, R245fa y el lubricante en forma de un éster sintético, por ejemplo un aceite de la serie Reniso Tritón SE/SEZ del proveedor Fuchs, en donde se debe tener cuidado que no haya falta de miscibilidad con una separación de fase correspondiente del medio de operación y el lubricante en el rango de temperatura operacional. El aceite lubricante tendrá una temperatura de ebullición que es claramente más alta que la temperatura del medio de operación, de manera que es presente en un estado liquido en forma de gotas en el vapor de operación del medio de operación después de que haya pasado al vaporizador 20.
Puesto que de acuerdo con el ejemplo descrito, el aceite lubricante separado en el separador de aceite 10 se encuentra a presión alta y a causa de la presión, puede fluir libremente a la máquina de expansión 30 y no hay necesidad de proporcionar otro dispositivo bombeador para el lubricante. Además, en comparación con la técnica previa, un volumen menor por tiempo fluye a través del separador de aceite 10, de manera que este último pueda tener un diseño comparativamente compacto, lo que resulta en ahorro de espacio y costos. Posteriormente, la pérdida de presión corriente abajo de la máquina de expansión 30 es reducida y por lo tanto, la pérdida de presión a través de la máquina de expansión 30 es reducida, y por lo tanto, la caída de presión a través de la máquina de expansión 30 se puede aumentar en comparación con la configuración convencional con un separador de aceite 10 colocado corriente debajo de la máquina de expansión 30, de manera que la eficiencia de la máquina de expansión 30 se puede aumentar. Además, el lubricante queda directamente en el vapor vivo del medio de operación o se suministra a este último a temperatura de vapor vivo, de manera que en comparación con el arte previo, el uso de un lubricante no lleva a una reducción en la temperatura y entalpia del vapor vivo.
Posteriormente, la lubricación inventiva de una máquina operadora de expansión volumétrica significativamente mejora el comportamiento inicial de una planta ORC. Cuando la planta O C arranca, un medio de operación frío se suministra al vaporizador 30 construyendo la presión térmica por evaporación. El vapor se suministra al condensador 60 en el curso de la operación de arranque a través de una línea de derivación (no mostrada en la Figura 2). Igualmente, un líquido lubricante, por ejemplo aceite lubricante del separador de aceite 10, es suministrado al condensador. El medio de operación líquido y el aceite lubricante fluyen en un contenedor de alimentación de donde se suministran al vaporizador 20 a través de la bomba de alimentación 50. El aceite lubricante se puede suministrar directamente en el contenedor de alimentación para disolución en el medio de operación. Por consiguiente, de una manera ahorradora de tiempo, el suministro completo de lubricante proporcionado se puede guiar a través del vaporizador y se lleva a temperatura de operación.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Método para lubricación de una máquina de expansión que comprende suministrar un medio de operación que contiene un lubricante por un vaporizador, el lubricante es presente en el medio de operación suministrado por el vaporizador en forma de gotas de aceite; separar una parte de lubricante del medio de operación que se suministra por el vaporizador; y suministrar el medio de operación que se extrae por separación de la parte de lubricante a la máquina de expansión.
2. El método de acuerdo con la reivindicación 1 posteriormente comprende suministrar al menos una parte del lubricante separado a la máquina de expansión.
3. Método de acuerdo con las reivindicaciones precedentes, en donde el medio de operación es proporcionado en forma de un medio de operación orgánico.
4. El método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en donde el lubricante separado es recolectado en una parte del dispositivo de lubricación bajo presión y después fluye debido a la presión, en particular sin ser vaciado, de esta parte a los puntos de lubricación de la máquina de expansión.
5. El método de acuerdo con la reivindicación 4, posteriormente comprende enfriar el lubricante separado antes de que se suministre a los puntos de lubricación de la máquina de expansión.
6. El método de acuerdo con la reivindicación 5 en donde el enfriamiento del lubricante separado suministrado a los puntos de lubricación de la máquina de expansión es efectuado con la ayuda del medio de operación que contiene el lubricante y el cual se suministra al vaporizador.
7. El método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en donde el medio de operación comprende un hidrocarburo fluorado o consiste del último y el lubricante comprende un éster sintético o consiste del último.
8. Un dispositivo que tiene un vaporizador que es configurado para vaporizar un medio de operación que contiene un lubricante y para suministrarlo a una máquina de expansión, el lubricante en el medio de operación suministrado por el vaporizador es presente en forma de gotas de aceite; y un dispositivo separador de lubricante que es configurado para separar una parte del lubricante del medio de operación que contiene el lubricante y se suministra por el vaporizador a la máquina de expansión.
9. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 8 en donde el dispositivo separador de lubricante es posteriormente configurado para suministrar al menos una parte del lubricante separado a la máquina de expansión.
10. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 8 o 9 en donde el dispositivo es un dispositivo de Ciclo Orgánico de Rankine.
11. El dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 8 a 10 en donde la máquina de expansión es seleccionada del grupo que consiste de una máquina de expansión de pistón, una máquina de expansión de tornillo, un expansor de desplazamiento, una máquina de álabes y un expansor de raíces.
12. El dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, posteriormente comprende una tubería en donde el lubricante separado en el dispositivo separador de lubricante es guiado a los puntos de lubricación de la máquina de expansión; y las nervaduras de enfriamiento alrededor de la tubería.
13. El dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 8 a 12 posteriormente comprende un intercambiador de calor que se proporciona de manera que el lubricante y el medio de operación son guiados a través del mismo y el calor del lubricante es transferido al medio de operación frío antes de que este último es suministrado al vaporizador.
14. La estación de energía de vapor que comprende el dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 8 a 13.
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