MX2013010750A - Metodo y aparato para la generacion de vapor par ausar en un proceso industrial. - Google Patents

Metodo y aparato para la generacion de vapor par ausar en un proceso industrial.

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Abstract

Se describe un método para generar vapor de agua para usar en un proceso industrial. El proceso industrial puede ser, por ejemplo, generación de energía o desalinización. El método comprende: (a) Presurizar un líquido de fluido de trabajo que comprende agua a una primera presión; (b) calentar el líquido de fluido de trabajo a una temperatura sustancialmente igual a la temperatura de saturación del líquido de fluido de trabajo a la primera presión; y (c) secar por evaporación rápida el líquido de fluido de trabajo para generar vapor de agua. El líquido de fluido de trabajo presurizado se calienta en la etapa (b) por calentamiento directo en un dispositivo de absorción de la radiación solar. Adicionalmente, se describe un aparato para generar vapor de agua para usar en un proceso industrial. El aparato comprende una bomba (32) para presurizar un líquido de fluido de trabajo que comprende agua a una primera presión; una unidad calefactora (34) corriente abajo de la bomba (32) para calentar el líquido de fluido de trabajo a una temperatura sustancialmente igual a la temperatura de saturación del líquido de fluido de trabajo a la primera presión; y una válvula reguladora de soporte(36) y tanque de venteo (38) corriente abajo de la unidad calefactora (34) para secar por evaporación rápida el líquido de fluido de trabajo para generar vapor de agua. La unidad calefactora (34) comprende un dispositivo de absorción de la radiación solar, para un calentamiento directo del fluido de trabajo presurizado.

Description

MÉTODO Y APARATO PARA LA GENERACIÓN DE VAPOR PARA USAR EN UN PROCESO INDUSTRIAL La presente invención se refiere a un método y aparato para la generación de vapor de agua para usar en un proceso industrial, mediante el uso de energía solar. La invención se refiere, particularmente, pero no exclusivamente, a la generación de vapor de agua para usar en las aplicaciones de generación de energía y/o de desalinización.
Antecedentes La generación de energía a escala de servicio público (> 10 MW) requiere, de manera convencional, grandes cantidades de vapor de agua a temperaturas y presiones controladas para impulsar las turbinas y generar electricidad. Este vapor de fluido de trabajo es, usualmente, vapor de agua sobrecalentado. Se requiere un aporte de calor para producir el vapor de agua necesario y, después, sobrecalentar el vapor de agua a las temperaturas requeridas para el funcionamiento de la turbina. El aporte de calor puede venir de diversas fuentes, pero la presente invención se refiere a aplicaciones que usan la energía solar como una fuente primaria de energía térmica.
En una planta de energía solar por concentración típica, se usa un circuito de fluido de transferencia de calor para recoger energía del sol y producir vapor de agua sobrecalentado que, después, se lleva a la turbina para la generación de electricidad. Los ejemplos de esos sistemas conocidos se describen en las patentes núm. WO2009/034577 y WO2007/09347 . El circuito de fluido de transferencia de calor en esos sistemas conocidos representa una proporción significativa del costo de capital de la planta y, por consiguiente, se han analizado configuraciones alternativas en las que el vapor de agua sobrecalentado se produce directamente en uno o más dispositivos de absorción solar. La patente núm. EP1890035 describe una planta de energía solar en la que se usa un colector cilindro-parabólico para generar vapor saturado o ligeramente sobrecalentado, y se usa un colector solar tridimensional para sobrecalentar el vapor generado en el colector cilindro parabólico. Una planta de este tipo evita el costo de capital del circuito de fluido de transferencia de calor y la caldera de las configuraciones más convencionales. Sin embargo, el régimen de flujo de dos fases en los colectores cilindro parabólicos en los que el agua se hierve, puede dar lugar a problemas con el pandeo del tubo colector y la controlabilidad del sistema.
Otro proceso industrial que puede requerir grandes cantidades vapor de fluido de trabajo es la desalinización, en la que agua salada se obtiene agua dulce adecuada para consumo humano o riego. En un proceso de desalinización, se evapora el agua dulce del agua salada de alimentación, para su condensación y uso posterior. Un método preferido para evaporar el agua dulce es la destilación al vacio, debido a los costos de energía reducidos de la evaporación a baja presión. Sin embargo, también se conoce la ebullición por intercambio térmico con un fluido de transferencia de calor, que puede ser líquido o vapor. Estos procesos son grandes consumidores de energía.
La patente de los EE.UU. núm. A-4670705 describe una central eléctrica de ciclo Rankine, que utiliza varios compuestos de hidrocarburos como un fluido de trabajo, que son altamente inflamables .
Resumen La presente invención representa una mejora sobre los sistemas conocidos descritos anteriormente, e incluye producir vapor de agua directamente de un líquido de fluido de trabajo presurizado que comprende agua, mediante evaporación rápida. El líquido de fluido de trabajo presurizado se calienta a una temperatura cerca de su temperatura de saturación a la presión aumentada, mediante el calentamiento directo en un dispositivo de absorción de la radiación solar. El liquido de fluido de trabajo calentado y presurizado, después, se seca por evaporación rápida para generar vapor de fluido de trabajo. De esta manera, se evita el problema del flujo de dos fases en tubos colectores de dispositivos de absorción solar, sin necesidad de recurrir a un circuito de fluido . de transferencia de calor convencional y caldera. El vapor de fluido de trabajo generado puede, entonces, sobrecalentarse y llevarse a una turbina para generación de energía, o puede usarse como un fluido de transferencia de calor para otras aplicaciones, tales como la desalinización . En una modalidad, el líquido de fluido de trabajo puede precalentarse y el vapor de fluido de trabajo puede sobrecalentarse, y uno o ambos procesos pueden llevarse a cabo con el uso de calefacción solar directa en un dispositivo o dispositivos de absorción de la radiación solar adicionales.
De esta manera, de conformidad con un primer aspecto de la presente invención, se provee un método para generar vapor de agua para usar en un proceso industrial; el método comprende: (a) Presurizar un líquido de fluido de trabajo que comprende agua, a una primera presión de por lo menos 5 MPa (50 bares ) ( abs ) ; (b) calentar el líquido de fluido de trabajo a una temperatura sustancialmente igual a la temperatura de saturación del liquido de fluido de trabajo a la primera presión; y (c) secar por evaporación rápida el liquido de fluido de trabajo para generar vapor de agua; en donde el liquido de fluido de trabajo presurizado se calienta en la etapa (b) por calentamiento directo en un dispositivo de absorción de la radiación solar.
Para los efectos de la presente descripción, "sustancialmente igual a" abarca un margen de error funcional, que incluye el intervalo de temperaturas hasta, e incluso, la temperatura de saturación a la cual la evaporación rápida puede ocurrir. Este margen de error funcional da lugar, además, a pérdidas de presión inevitables durante la etapa de calentamiento que pueden andar en el orden del 1 %. De esta manera, de conformidad con modalidades de la invención, "sustancialmente igual a" incluye temperaturas hasta 5 °C por debajo de la temperatura de saturación a una primera presión.
El liquido de fluido de trabajo que comprende agua, puede ser agua de alimentación de la caldera. El "agua de alimentación de la caldera" es agua que se usa parar suministrar una caldera para generar vapor de agua, que se ha tratado para quitar las impurezas que pueden llevar a problemas de corrosión o depósitos en la caldera, y puede incluir aditivos, tales como agentes alcalinos, para mejorar el rendimiento.
El fluido de trabajo puede suministrarse a la etapa (a) a una presión de linea base, y la presurización de la etapa (a) aumenta la presión del fluido de trabajo por encima de la presión de linea base a la primera presión.
El proceso industrial puede ser generación de energía, en el que puede emplearse vapor de agua para impulsar la turbina. En estas aplicaciones, puede llevarse a cabo un precalentamiento adicional del líquido de fluido de trabajo antes de la etapa de precalentamiento solar, con el uso de vapor de agua auxiliar de las turbinas.
En las modalidades de generación de energía, la escala del método puede ser por lo menos 10 MW, o por lo menos 50 MW, o por lo menos 100 MW, o por lo menos 150 MW.
La evaporación rápida puede llevarse a cabo en un tanque de venteo, que recibe agua presurizada saturada del dispositivo de absorción de la radiación solar, a través de una válvula reguladora.
El dispositivo de absorción de la radiación solar puede comprender un dispositivo de absorción Fresnel lineal, o puede comprender un dispositivo cilindro parabólico. El dispositivo cilindro parabólico puede tener una tubería colectora fija y puede comprender, por ejemplo, un dispositivo cilindro parabólico, de conformidad con la patente núm. GB1008032.3 El método puede comprender, además, precalentar el líquido de fluido de trabajo antes de presurizar en la etapa (a) .
El precalentamiento puede llevarse a cabo mediante calentamiento directo en un dispositivo de absorción de la radiación solar, que puede comprender uno o más dispositivos de absorción solar Fresnel lineales. método puede comprender, además, sobrecalentar el vapor a después de la etapa (c) .
El vapor de agua puede sobrecalentarse por una fuente de calor diferente al fluido de trabajo calentado. El sobrecalentamiento puede llevarse a cabo mediante calentamiento directo en un dispositivo de absorción de la radiación solar, que puede comprender uno o más dispositivos de absorción solar de torre. Además, o alternativamente, el dispositivo de absorción de la radiación solar puede comprender uno o más dispositivos de absorción de radiación solar Fresnel lineales.
El sobrecalentamiento puede comprender una primera y una segunda etapa de sobrecalentamiento, en donde en la primera etapa de sobrecalentamiento puede usarse calefacción solar directa, y en la segunda etapa de sobrecalentamiento puede usarse una fuente de energía no renovable. En una modalidad alternativa, puede usarse el calentamiento del combustible fósil para la primera etapa de sobrecalentamiento, o para ambas etapas de sobrecalentamiento.
En la primera etapa de sobrecalentamiento puede usarse uno o más dispositivos de absorción solar de torre y/o uno o más dispositivos de absorción solar Fresnel lineales, y en la segunda etapa de sobrecalentamiento pueden usarse combustibles fósiles, un combustible biológico o un material de biomasa.
El líquido de fluido de trabajo restante luego de la evaporación rápida en la etapa (c) puede reconducirse a la etapa (a) . En una modalidad, entre 5 % y 15 % del líquido de fluido de trabajo puede transformarse en vapor por evaporación rápida en la etapa (c) , y el líquido restante se recicla a la etapa (a) . En una modalidad particular, entre 7 % y 8 % del líquido de fluido de trabajo puede transformarse en vapor por evaporación rápida en la etapa (c) .
El proceso industrial puede ser generación de energía y desalinización combinados.
De conformidad con un segundo aspecto de la presente invención, se provee un método de generación de energía; el método comprende: Generar vapor de agua por un método de conformidad con el primer aspecto de la presente invención; y suministrar el vapor de agua a una turbina para la generación de energía .
De conformidad con un tercer aspecto de la presente invención, se provee un método para generar vapor de agua para usar en un proceso de desalinización; el método comprende: (a) Presurizar un líquido de fluido de trabajo que comprende agua a una primera presión de 0.5-5 MPa (5-50 bares) (abs) ; (b) calentar el líquido de fluido de trabajo a una temperatura sustancialmente igual a la temperatura de saturación del líquido de fluido de trabajo a la primera presión; y (c) secar por evaporación rápida el líquido de fluido de trabajo para generar el vapor de agua; en donde el líquido de fluido de trabajo presurizado se calienta en la etapa (b) por calentamiento directo en un dispositivo de absorción de la radiación solar.
De conformidad con el tercer aspecto de la presente invención, el vapor de agua puede emplearse como un fluido de transferencia de calor, para hervir agua de alimentación para la desalinización.
La evaporación rápida puede llevarse a cabo en un tanque de venteo, que recibe agua presurizada saturada del dispositivo de absorción de la radiación solar, a través de una válvula reguladora.
El liquido de fluido de trabajo restante luego de la evaporación rápida en la etapa (c) puede reconducirse a la etapa (a) . En una modalidad, entre 5 % y 15 % del liquido de fluido de trabajo puede transformarse en vapor por evaporación rápida en la etapa (c) , y el liquido restante se recicla a la etapa (a) . En una modalidad particular, entre 7 % y 8 % del liquido de fluido de trabajo puede transformarse en vapor por evaporación rápida en la etapa (c) .
De conformidad con un cuarto aspecto de la presente invención, se provee un aparato para generar vapor de agua para usar en un proceso industrial; el aparato comprende: Una bomba para presurizar un liquido de fluido de trabajo que comprende agua, a una primera presión de por lo menos 5 Pa (50 bares) (abs) ; una unidad calefactora corriente abajo de la bomba, para calentar el liquido de fluido de trabajo a una temperatura sustancialmente igual a la temperatura de saturación del liquido de fluido de trabajo a la primera presión; y una válvula reguladora de soporte y tanque de venteo corriente abajo de la unidad calefactora, para secar por evaporación rápida el liquido de fluido de trabajo a vapor de agua, en donde la unidad calefactora comprende un dispositivo de absorción de la radiación solar, para un calentamiento directo del fluido de trabajo presurizado.
La bomba puede comprender una bomba de alta presión. La bomba puede ser operable para aumentar una presión del fluido de trabajo, de una presión de linea base a la primera presión P.
El proceso industrial puede ser generación de energía, en el que puede emplearse vapor de agua para impulsar la turbina. En estas aplicaciones, puede llevarse a cabo un precalentamiento adicional del líquido de fluido de trabajo antes de la etapa de precalentamiento solar, con el uso de vapor de agua auxiliar de las turbinas.
La unidad calefactora puede estar en comunicación continua con el tanque de venteo a través de la válvula reguladora.
El dispositivo de absorción de la radiación solar puede comprender uno o más dispositivos de absorción solar cilindro parabólicos. Alternativamente, o además, el dispositivo de absorción de la radiación solar puede comprender uno o más dispositivos de absorción de radiación solar Fresnel lineales.
El o cada dispositivo cilindro parabólico puede comprender una tubería colectora fija y puede comprender, por ejemplo, un dispositivo cilindro parabólico, de conformidad con la patente núm. GB1008032.3 El aparato puede comprender, además, un bucle de reciclaje que puede configurarse para suministrar líquido de fluido de trabajo del tanque de venteo a la bomba.
La bomba, la unidad calefactora y la válvula reguladora de soporte y tanque de venteo pueden, juntos, comprender una zona de generación de vapor de agua, y el aparato puede comprender, además, una zona de precalentamiento a contracorriente de la zona de generación de vapor de agua para precalentar el líquido de fluido de trabajo, y una zona de sobrecalentamiento corriente abajo de la zona de generación de vapor de agua para sobrecalentar el vapor de agua.
La zona de precalentamiento puede comprender un dispositivo de absorción de la radiación solar, para un calentamiento directo del liquido de fluido de trabajo. El dispositivo de absorción de la radiación solar puede comprender uno o más dispositivos de absorción solar Fresnel lineales.
La zona de sobrecalentamiento puede comprender una fuente de calor diferente al fluido de trabajo calentado. La zona de sobrecalentamiento puede comprender un dispositivo de absorción de la radiación solar, para un calentamiento directo del vapor de agua. El dispositivo de absorción de la radiación solar puede comprender uno o más dispositivos de absorción de radiación solar de torre. Alternativamente, o además, el dispositivo de absorción de la radiación solar puede comprender uno o más dispositivos de absorción de radiación solar Fresnel lineales.
La zona de sobrecalentamiento puede comprender una primera y una segunda etapa de sobrecalentamiento; la primera etapa de sobrecalentamiento comprende un dispositivo de absorción de radiación solar de torre y/o uno o más dispositivos de absorción solar Fresnel lineales, y la segunda etapa de sobrecalentamiento comprende un quemador de combustible fósil. Alternativamente, podría usarse un quemador de combustible fósil para una o ambas etapas de sobrecalentamiento.
El proceso industrial puede comprender generación de energía y desalinización combinados, en donde se podría emplear el vapor de agua para impulsar la turbina y como un fluido de transferencia de calor para la desalinización. De conformidad con otra modalidad, puede usarse vapor de agua de escape de la generación de energía como fluido de transferencia de calor para la desalinización.
El aparato del cuarto aspecto de la invención puede usarse en un método para generar vapor de agua para usar en un proceso industrial; el método comprende: (a) Presurizar un líquido de fluido de trabajo que comprende agua a una primera presión de por lo menos 5 MPa (50 bares) (abs) , con el uso de la bomba; (b) calentar el líquido de fluido de trabajo en la unidad calefactora a una temperatura sustancialmente igual a la temperatura de saturación del líquido de fluido de trabajo a la primera presión; y (c) secar por evaporación rápida el líquido de fluido de trabajo en la válvula reguladora de soporte y tanque de venteo para generar vapor de aqua, en donde el líquido de fluido de trabajo se calienta en la unidad calefactora por calentamiento directo en un dispositivo de absorción de la radiación solar.
De conformidad con un quinto aspecto de la presente invención, se provee una planta de energía solar; la planta de energía solar comprende: Un aparato para generar vapor de agua de conformidad con el cuarto aspecto de la presente invención; y una turbina configurada para recibir vapor de agua de ese aparato para generar vapor de agua.
De conformidad con un sexto aspecto de la presente invención, se provee un método para operar una planta de energía solar de conformidad con el quinto aspecto de la presente invención; el método comprende: Generar vapor de agua en ese aparato para generar vapor de agua; y suministrar el vapor de agua a la turbina para la generación de energía; en donde el vapor de agua se genera de un líquido de fluido de trabajo que comprende agua por: (a) Presurizar el líquido de fluido de trabajo que comprende agua, a una primera presión de por lo menos 5 Pa (50 bares) (abs) ; (b) calentar el líquido de fluido de trabajo a una temperatura sustancialmente igual a la temperatura de saturación del líquido de fluido de trabajo a la primera presión; y (c) secar por evaporación rápida el líquido de fluido de trabajo para generar vapor de agua; y en donde el líquido de fluido de trabajo presurizado se calienta en la etapa (b) por calentamiento directo, en un dispositivo de absorción de la radiación solar.
De conformidad con un séptimo aspecto de la presente invención, se provee un aparato para generar vapor de agua para usar en un proceso de desalinización; el aparato comprende: Una bomba para presurizar un líquido de fluido de trabajo, que comprende agua a una primera presión de 0.5-5 MPa (5- 50 bares) (abs) ; una unidad calefactora corriente abajo de la bomba, para calentar el líquido de fluido de trabajo a una temperatura sustancialmente igual a la temperatura de saturación del líquido de fluido de trabajo a la primera presión; y una válvula reguladora de soporte y tanque de venteo corriente abajo de la unidad calefactora, para secar por evaporación rápida el líquido de fluido de trabajo para generar vapor de agua, en donde la unidad calefactora comprende un dispositivo de absorción de la radiación solar, para un calentamiento directo del fluido de trabajo presurizado.
La unidad calefactora puede estar en comunicación continua con el tanque de venteo a través de la válvula reguladora.
El dispositivo de absorción de la radiación solar puede comprender uno o más dispositivos de absorción solar cilindro parabólicos. Alternativamente, o además, el dispositivo de absorción de la radiación solar puede comprender uno o más dispositivos de absorción de radiación solar Fresnel lineales.
El o cada dispositivo cilindro parabólico puede comprender una tubería colectora fija y puede comprender, por ejemplo, un dispositivo cilindro parabólico, de conformidad con la patente núm. GB1008032.3 El aparato puede comprender, además, un bucle de reciclaje que puede configurarse para suministrar líquido de fluido de trabajo del tanque de venteo a la bomba.
De conformidad con un octavo aspecto de la presente invención se provee una planta de desalinización; la planta d desalinización comprende: Un aparato para generar vapor de agua de conformidad con e séptimo aspecto de la presente invención; y un evaporador configurado para recibir vapor de agua de ese aparato para generar vapor de agua.
De conformidad con un noveno aspecto de la presente invención, se provee un método para operar una planta de desalinízación, de conformidad con el octavo aspecto de la presente invención; el método comprende: Generar vapor de agua en ese aparato para generar vapor de agua; y suministrar el vapor de agua al evaporador, para evaporar vapor de agua de salmuera mediante la transferencia de calor; en donde el vapor de agua se genera de un líquido de fluido de trabajo que comprende agua por: (a) presurizar el líquido de fluido de trabajo que comprende agua a una primera presión de 0.5-5 Pa (5-50 bares) (abs) ; (b) calentar el líquido de fluido de trabajo a una temperatura sustancialmente igual a la temperatura de saturación del líquido de fluido de trabajo a la primera presión; y (c) secar por evaporación rápida el líquido de fluido de trabajo para generar vapor de agua; y en donde el líquido de fluido de trabajo presurizado se calienta en la etapa (b) por calentamiento directo, en un dispositivo de absorción de la radiación solar.
De conformidad con un décimo aspecto de la presente invención, se provee una planta de energía solar y planta de desalinizacion combinadas; la planta de energía solar y planta de desalinizacion combinadas comprenden: Un aparato para generar vapor de agua de conformidad con el cuarto aspecto de la presente invención; una primera turbina configurada para recibir vapor de agua de ese aparato para generar vapor de agua; opcionalmente, una o más turbinas adicionales en serie con la primera turbina y cada una de ellas, y cada una de ellas configurada para recibir vapor de agua de la turbina a contracorriente inmediata; y un evaporador configurado para recibir vapor de agua de la primera turbina o la turbina final en la serie de turbinas.
Breve descripción de las figuras Para una mejor comprensión de la presente invención, y para mostrar cómo se debe poner en práctica, ahora se hará referencia, a modo de ejemplo, a los siguiente dibujos, en los cuales: La Figura 1 es un diagrama de bloques simplificado de una planta de energía solar, de conformidad con una modalidad de la presente invención; La Figura 2 es un diagrama de bloques simplificado de una planta de desalinización, de conformidad con , una modalidad de la presente invención; La Figura 3 es un diagrama de bloques representativo de un evaporador de salmuera.
Descripción detallada de la invención La presente invención comprende un aparato y método para generar vapor de agua. El aparato y método pueden mejorar con etapas de precalentamiento y sobrecalentamiento adicionales, y pueden emplearse para el uso en la generación de energía, desalinización u otro proceso industrial.
El aparato de conformidad con la presente invención comprende una bomba para presurizar el agua de alimentación, una unidad calefactora corriente abajo de la bomba, para calentar el agua de alimentación, y una válvula reguladora de soporte y tanque de venteo corriente abajo de la unidad calefactora, para secar por evaporación rápida el agua de alimentación para generar vapor de agua saturado. El agua de alimentación puede estar ya presurizada, en cuyo caso la bomba provee un aumento adicional en la presión.
La bomba, la unidad calefactora y la válvula reguladora de soporte y tanque de venteo están todos en comunicación continua, de modo que el agua puede fluir de la bomba a la unidad calefactora y hacia el tanque de venteo. La bomba comprende una unidad de bombeo operable para suministrar agua de alimentación a la unidad calefactora, a una tasa de flujo de masa y presión controladas. En una modalidad preferida, para aplicaciones de generación de energía, la bomba puede ser una bomba de alta presión, y puede ser operable para suministrar agua de alimentación a una tasa de por lo menos 120 kg/s, o a una tasa de por lo menos 200 kg/s, o a una tasa de por lo menos 300 kg/s, o a una tasa de por lo menos 400 kg/s, o a una tasa de por lo menos 500 kg/s, y, preferentemente, a una tasa mayor que 1500 kg/s, o no mayor que 1250 kg/s, o no mayor que 1000 kg/s, o no mayor que 750 kg/s. Por ejemplo, la bomba puede ser operable para suministrar agua de alimentación a una tasa de entre 500 kg/s y 1500 kg/s. La bomba puede, además, ser operable para suministrar agua de alimentación a presiones de operación de por lo menos 5 MPa (50 bares) (abs) , o por lo menos 8 MPa (80 bares) (abs) , y, preferentemente, no mayores que 20 MPa (200 bares) (abs) , o no mayores quel6 MPa (160 bares) (abs), o no mayores quel4 MPa (140 bares) (abs). Los intervalos adecuados de presión de operación son entre 8 y 20 MPa (80 y 200 bares) (abs), o entre 5 y 16 MPa (50 y 160 bares) (abs) . En otras modalidades, para aplicaciones que incluyen desalinización, la bomba puede suministrar agua de alimentación a una tasa de entre 50kg/s y 100 kg/s, y a presiones de operación de por lo menos 0.5 Pa (5 bares) (abs) , y, preferentemente, no mayores que 5 MPa (50 bares) (abs) o no mayores que 2 MPa (20 bares) (abs) . Los intervalos adecuados de presión de operación son entre 0.5 y 5 MPa (5 y 50 bares) (abs), o entre 0.5 y 2 MPa (5 y 20 bares) (abs) . La bomba suministra agua a la unidad calefactora a una primera presión P. Pueden proveerse otras bombas dentro de un sistema, en el que se emplea el aparato de la presente invención. Esas bombas pueden fijar una presión de línea base para que el agua fluya a través del sistema y, por consiguiente, hacia la bomba de la presente invención, lo que significa que el agua que llega a la bomba de la presente invención ya puede estar presurizada. La bomba de la presente invención puede, por lo tanto, suministrar solamente un pequeño aumento final en la presión, de modo que el agua distribuida a la unidad calefactora está a la presión P deseada, lo que asegurará que el agua permanezca en forma líquida mientras se calienta en la unidad calefactora.
La unidad calefactora comprende uno o más dispositivos de absorción de radiación solar para el calentamiento directo del agua presurizada. Por "calentamiento directo" se entiende que el fluido respectivo se calienta por contacto directo con un elemento calefactor en el dispositivo de absorción de la radiación solar, a diferencia del calentamiento indirecto, en el cual se usa por lo menos un fluido de transferencia de calor para llevar calor del dispositivo de absorción de la radiación solar, y transferir el calor al fluido respectivo. Los dispositivos de absorción de radiación solar comprenden, típicamente, un reflector, configurado para reflejar la radiación solar y focalizarla sobre un colector. El fluido se calienta en el colector por contacto con un elemento calefactor, por ejemplo, al fluir a través de un pasaje definido en el colector, cuyas paredes se calientan por la energía solar del reflector. El o los dispositivos de absorción de radiación solar de la unidad calefactora pueden ser colectores solares Fresnel lineales, en los que una pluralidad de elementos reflectores lineales focalizan la energía solar en un tubo colector fijo, colocado en un punto de fuga común de los reflectores. Alternativamente, de conformidad con una modalidad preferida, el o los dispositivos de absorción de radiación solar pueden ser colectores cilindro parabólicos lineales, en los que un reflector parabólico lineal focaliza la energía solar hacia una tubería colectora fija a lo largo de su eje focal. Puede emplearse una pluralidad de esos colectores cilindro parabólicos, en un conjunto cooperativo con interconexiones adecuadas en serie y/o en paralelo.
El agua se calienta en la unidad calefactora, a una temperatura sustancialmente igual a la temperatura de saturación del agua a la primera presión P. Por consiguiente, la temperatura a la que se calentará el agua en la unidad calefactora dependerá de la presión a la que se suministre a la unidad calefactora. Se entenderá que se espera una pérdida de presión pequeña en la unidad calefactora, en el orden del 1 %, aunque esta pérdida de presión debe reducirse. La unidad calefactora, por consiguiente, se configura para que caliente el agua presurizada a la temperatura de saturación del agua, a la presión a la que sale de la unidad calefactora. Esta presión estará lo más cerca posible de la primera presión P, dando lugar a pérdidas de presión en la unidad calefactora. El calentamiento dentro de la unidad calefactora se controla al controlar la tasa de flujo de masa a través del (los) dispositivo (s) de absorción de la radiación solar, y, por consiguiente, puede controlarse de cerca.
La válvula reguladora de soporte y tanque de venteo reciben agua presurizada saturada directamente de la unidad calefactora, y secan por evaporación rápida el agua para generar vapor de agua saturado, a una presión y temperatura inferiores. En la evaporación rápida, se genera vapor saturado al someter liquido saturado a una reducción brusca en la presión. Tanto el vapor saturado generado, como el liquido saturado restante, se enfrian a la temperatura de saturación del fluido a la nueva presión reducida. En una modalidad preferida, el agua puede expandirse a una presión entre 10 y 14 MPa (100 y 140 bares) (abs) , a una tasa de expansión de entre 5 % y 15 %. En otras modalidades (tal como la desalinización) , el agua puede expandirse a una presión de 0.1-0.15 MPa (1-1.5 bares) (abs), por ejemplo, a aproximadamente presión atmosférica, a una tasa de expansión de entre 5 % y 25 %. De conformidad con modalidades de la invención, el aparato, además, comprende un bucle de reciclaje operable para reciclar agua del liquido restante del tanque de venteo de vuelta a la bomba.
La bomba, la unidad calefactora y la válvula reguladora de soporte y tanque de venteo, juntos, comprenden una zona de generación de vapor de agua. De conformidad con modalidades de la invención, el aparato comprende, además, una zona de precalentamiento a contracorriente de la zona de generación de vapor de agua, y una zona de sobrecalentamiento corriente abajo de la zona de generación de vapor de agua. La zona de precalentamiento, la zona de generación de vapor de agua y la zona de sobrecalentamiento están en comunicación continua, de modo que el agua puede fluir de la zona de precalentamiento a la zona de generación de vapor de agua, y el vapor de agua sobrecalentado y/o saturado puede circular de la zona de generación de vapor de agua a la zona de sobrecalentamiento.
La zona de precalentamiento comprende un dispositivo de absorción de la radiación solar adicional y, preferentemente, comprende un conjunto de colectores solares Fresnel lineales. La zona de precalentamiento puede comprender una pluralidad de zonas individuales de una o más unidades de precalentamiento dedicadas, donde cada una tiene una entrada para dejar entrar el agua de alimentación y una salida para descargar el agua de alimentación precalentada . En modalidades alternativas, la zona de precalentamiento puede comprender un elemento térmico que se calienta por medios no solares, tales como, por ejemplo, la combustión de un combustible fósil, un combustible biológico o un material de biomasa. La temperatura y presión del agua de alimentación que se suministra a la zona de precalentamiento dependerá de la aplicación particular en que se emplee la invención. En el caso de generación de energía, el agua de alimentación comprenderá, típicamente, un condensado del condensador, que puede haberse ya sometido a un grado de precalentamiento con el uso de vapor de agua auxiliar de las turbinas. La zona de precalentamiento puede recibir agua de alimentación a entre 8 y 15 MPa (80 y 150 bares) absoluta.
La zona de sobrecalentamiento comprende un dispositivo de absorción de la radiación solar adicional, y de conformidad con una modalidad, comprende un dispositivo de absorción solar de torre. Esos dispositivos, conocidos, además, como "torres de energía", comprenden, típicamente, un colector tipo tubo, que se apoya dentro de una estructura de torre para hacer circular un fluido a calentar. Un conjunto de espejos planos movibles independientemente, o "helióstatos", se coloca alrededor de la estructura de la torre, para focalizar la radiación solar en el colector. De conformidad con otras modalidades, la zona de sobrecalentamiento comprende un conjunto de colectores solares Fresnel lineales. Esos colectores pueden no alcanzar el mismo nivel de sobrecalentamiento de un dispositivo de torre, pero representan una opción de menor costo. En modalidades alternativas, la zona de sobrecalentamiento puede comprender un elemento térmico que se calienta por medios no solares, tales como, por ejemplo, la combustión de un combustible fósil, un combustible biológico o un material de biomasa. La zona de sobrecalentamiento puede comprender una pluralidad de zonas individuales de una o más unidades de sobrecalentamiento dedicadas. De conformidad con una modalidad de la invención, la zona de sobrecalentamiento comprende una primera y una segunda etapa de sobrecalentamiento. La primera etapa de sobrecalentamiento comprende un dispositivo solar, tal como un dispositivo de absorción solar de torre o un conjunto de colectores Fresnel lineales, y ' la segunda etapa de sobrecalentamiento comprende un elemento térmico que se calienta por medios no solares, tales como la combustión de un combustible fósil, un combustible biológico o¦ un material de biomasa. La primera y segunda etapa de sobrecalentamiento están en continua comunicación, de modo que el vapor de agua sobrecalentado puede fluir de la primera etapa de sobrecalentamiento a la segunda etapa de sobrecalentamiento.
La invención puede emplearse para generar vapor de agua para una variedad de procesos industriales, que incluyen generación de energía y desalinización. La invención puede, además, emplearse para generar vapor de agua para generación de energía y desalinización combinados, preferentemente, donde el vapor de agua se emplea para impulsar una turbina y como fluido de transferencia de calor para la desalinización, y con mayor preferencia, donde se usa vapor de agua de escape de la generación de energía como fluido de transferencia de calor para la desalinización.
Además, la invención puede emplearse para generar vapor de agua en una planta de energía solar y planta de desalinización combinadas; la planta de energía solar y planta de desalinización combinadas comprenden: Un aparato de la invención para generar vapor de agua; una primera turbina configurada para recibir vapor de agua de ese aparato para generar vapor de agua; opcionalmente, además, una o más turbinas en serie con la primera turbina y cada una de ellas, y cada una de ellas configurada para recibir vapor de agua de la turbina a contracorriente inmediata; y un evaporador configurado para recibir vapor de agua de la primera turbina, o la turbina final en la serie de turbinas.
La Figura 1 ilustra una planta de energía solar, de conformidad con una modalidad de la presente invención. La planta de energía solar 2 comprende una región de generación de vapor de agua 10, y una región de generación de energía 20. La región de generación de vapor de agua 10 comprende una zona de precalentamiento 4, una zona de generación de vapor de agua 6, y una primera y una segunda zona de sobrecalentamiento 8, 10. La región de generación de energía 20 comprende una pluralidad de turbinas 22, un condensador 24, una pluralidad de intercambiadores de calor para precalentamiento 26, una bomba de baja presión 25, y una bomba de alta presión 27.
La zona de precalentamiento 4 comprende un campo solar 12, formado por un conjunto de colectores solares Fresnel lineales. La zona de precalentamiento 4 está en comunicación continua con la zona de generación de vapor de agua 6, para suministrar agua de alimentación precalentada a la zona de generación de vapor de agua. La zona de generación de vapor de agua 6 comprende una bomba de alta presión 32, un campo solar 34, y una válvula reguladora de soporte 36 y tanque de venteo 38. La bomba de alta presión 32 recibe agua de la zona de precalentamiento 4, y suministra agua al campo solar 34 a una tasa de flujo de masa y presión controladas. El campo solar 34 comprende un conjunto de colectores solares cilindro parabólicos, del tipo que se analiza anteriormente. El campo solar 34 está en comunicación continua con la válvula reguladora 36 que suministra fluido al tanque de venteo 38. El liquido presurizado para evaporación rápida, por consiguiente, se suministra directamente del campo solar 34 al tanque de venteo 38 a través de la válvula reguladora 36, sin necesidad de almacenamiento temporal. Un bucle de reciclaje 40 recicla el agua del liquido del tanque de venteo 38 de vuelta a la bomba de alta presión, que se mezcla con el agua de alimentación suministrada de la zona de precalentamiento 4 en una mezcladora 42.
Cada primera y segunda zona de sobrecalentamiento 8, 10 comprende una primera etapa de sobrecalentamiento 44, 48 y una segunda etapa de sobrecalentamiento 46, 50. Las primeras etapas de sobrecalentamiento 44, 48 comprenden torres solares, con un conjunto de reflectores planos que centran la luz en un colector que se mantiene dentro de la estructura de la torre. Las segundas etapas de sobrecalentamiento 46, 50 comprenden quemadores de combustible fósil. La zona de generación de vapor de agua 6 está en comunicación continua con la primera zona de sobrecalentamiento 8, a través de la salida de vapor del tanque de venteo 38. La primera zona de sobrecalentamiento está, además, en comunicación continua con la primera pluralidad de turbinas 22, y la segunda zona de sobrecalentamiento está en comunicación continua con la primera pluralidad de turbinas 22 y una segunda pluralidad de turbinas 22.
En funcionamiento, el condensado del condensador 24 fluye a través de la pluralidad de intercambiadores de calor para precalentamiento 26, mediante las bombas de baja y alta presión 25, 27. El condensado del condensador puede estar prácticamente al vacio, a presiones menores que 0.02 MPa (0.2 bares) (abs), y a una temperatura de entre 30 y 70 °C. En los intercambiadores de calor para precalentamiento 26, se usa vapor de agua auxiliar de las turbinas 22 para precalentar el condensado del condensador 24. Las bombas de baja y alta presión 25, 27 hacen circular el agua a través del sistema y aumentan la presión del condensado, ajustando una presión de linea base para el tanque de venteo 38. Para cuando el condensado fluye a la zona de precalentamiento 4 como agua de alimentación, puede estar a una temperatura de 150 a 250 °C, y a una presión de 8 a 14 MPa (80 a 140 bares) . En la zona de precalentamiento 4, que comprende un campo solar 12, el agua de alimentación se calienta a una temperatura de 300 a 350 °C, y sale del campo solar 12 a esta temperatura. El grado de precalentamiento que provee el campo solar lo determina el área de campo solar que está en uso y el ángulo que enfoca el espejo, y estos factores se controlan de cerca para proveer la temperatura de salida deseada. El agua de alimentación precalentada fluye, entonces, a la bomba de alta presión 32, donde la presión aumenta a la presión P, que puede ser entre 10 y 17 MPa (100 y 170 bares). Este aumento en la presión sobre la presión de linea base marcado por las bombas de baja y alta presión 25, 27, asegura que a medida que el agua de alimentación se calienta en el campo solar 34, el agua permanece en estado liquido. El agua presurizada, entonces, fluye al campo solar de generación de vapor de agua 34, donde se calienta a una temperatura sustancialmente igual a la temperatura de saturación del agua a la presión P. En una modalidad preferida, el agua se calienta a la temperatura de saturación del agua a la presión en la que sale del campo solar 34. Esta presión es aproximadamente igual a la presión P a la cual la bomba 32 suministra el agua presurizada, pero puede ser hasta 1 % menor debido a las pérdidas de presión sobre el campo solar 34. Por ejemplo, el agua presurizada puede calentarse a entre 310 y 360 °C.
El agua saturada presurizada fluye del campo solar 34 directamente a la válvula reguladora de soporte 36 y tanque de venteo 38, donde la presión del agua se reduce en entre 1 y 5 MPa (10 y 50 bares), y entre 5 y 15 % del agua se transforma en vapor de agua por evaporación rápida. Tanto el vapor de agua generado, como el líquido restante, se enfrían a la temperatura de saturación del agua a la nueva presión reducida. El 85 a 95 % del agua que permanece líquida en el tanque de venteo fluye, a través del bucle de reciclaje 40, a la mezcladora 42, donde se agrega al agua de alimentación precalentada que fluye del campo solar para precalentamiento 12 a la bomba de alta presión 32.
El vapor de agua saturado generado en el calderón de expansión 38, fluye a la primera zona de sobrecalentamiento 8. Dentro de la primera zona de sobrecalentamiento 8, el vapor de agua saturado primero fluye a través de una primera etapa de sobrecalentamiento 44, que comprende una torre de energía solar. En la torre de energía solar, el vapor de agua se sobrecalienta a entre 400 y 490 °C. El vapor de agua sobrecalentado, después, fluye a la segunda etapa de sobrecalentamiento 48, que comprende un quemador de combustible fósil o biomasa. En la segunda etapa, el vapor de agua, además, se sobrecalienta a entre 500 y 560 °C, y, preferentemente, se sobrecalienta a la temperatura óptima para un rendimiento de las turbinas.
De la primera zona de sobrecalentamiento 8, el vapor de agua sobrecalentado fluye a la primera pluralidad de turbinas 22, en donde tanto la presión como la temperatura del vapor de agua caen a medida que el vapor de agua impulsa las turbinas 22. De la primera pluralidad de turbinas 22, el vapor de agua, ahora a 0.5 a 2.5 MPa (5 a 25 bares), y 160 a 260 °C, fluye a la segunda zona de sobrecalentamiento 10, donde se recalienta a entre 500 y 560 °C, a través de la primera y la segunda etapa de sobrecalentamiento 48, 50. De la segunda zona de sobrecalentamiento 10, el vapor de agua sobrecalentado fluye a la segunda pluralidad de turbinas 22, y hacia el condensador 24. El vapor de agua auxiliar fluye de las turbinas 22 a los intercambiadores de calor para precalentamiento 26, para proveer un primer nivel de precalentamiento al condensado de agua de alimentación, como se describe anteriormente.
Se entenderá que en tanto que los campos solares 12, 34, 44 y 48 se han descrito como que comprenden tipos específicos de dispositivos de absorción solar, cada uno de los campos solares de precalentamiento, calentamiento presurizado y sobrecalentamiento pueden comprender cualquier tipo apropiado de dispositivo de absorción solar, que incluye Fresnel lineal, cilindro parabólico, y torres de energía. Además, las zonas de precalentamiento y sobrecalentamiento pueden comprender elementos térmicos no solares, tales como, por ejemplo, quemadores para combustibles fósiles convencionales, un combustible biológico o un material de biomasa. Estos pueden ser una alternativa, o se suman a los dispositivos de absorción de radiación solar.
Además, se comprenderá que la tecnología de los dispositivos de absorción de radiación solar disponibles puede poner un límite finito a la temperatura a la que el vapor de agua puede sobrecalentarse en estos dispositivos. En algunos casos, puede ser que la temperatura alcanzable máxima con el uso de energía solar térmica esté por debajo de la temperatura óptima para un rendimiento de las turbinas. Aún si la temperatura óptima puede alcanzarse con el uso de la tecnología solar, esto puede no representar la opción más eficiente. Por ejemplo, puede ser posible usar solamente una única etapa de sobrecalentamiento en cada zona de sobrecalentamiento, mediante el uso de un dispositivo calefactor solar de torre, para sobrecalentar el vapor de agua a aproximadamente 550 °C. Sin embargo, los 60 °C finales de sobrecalentamiento con el uso de una torre solar pueden implicar un costo muy alto, ya que con temperaturas más altas una cantidad mayor de calor se irradia de nuevo al medio ambiente. De esta manera, sería conveniente combinar los medios calefactores solares y los no solares para lograr una temperatura de sobrecalentamiento deseada. Por ejemplo, la mayor parte del sobrecalentamiento puede lograrse con el uso de una torre de energía solar, mediante el uso de fuentes de energía renovables, con combustibles fósiles o biomasa, que solo se usan para alcanzar los 60 a 80 °C finales de sobrecalentamiento. Las zonas de sobrecalentamiento pueden comprender cualquier combinación adecuada de dispositivos solares y no solares, para lograr la temperatura de sobrecalentamiento de salida deseada de la manera más eficiente.
La naturaleza presurizada del agua que fluye a través de campo solar presurizado 12, pone trabas particulares en el tipo de dispositivo de absorción solar que puede emplearse para este campo. Particularmente, los colectores cilindro parabólicos lineales estándar, en los que la tubería colectora rota con la superficie reflectora, no son adecuados. Las uniones giratorias necesarias en las tuberías de conexión de esos colectores no son capaces de contener la presión alta a la que la bomba 32 suministra el agua. Los campos- solares convencionales, que se usan para calentar un fluido de transferencia de calor para luego hervir el agua, no necesitan alojar esos líquidos de alta presión que fluyen a través de ellos. Un diseño de colector cilindro parabólico lineal que es adecuado, particularmente, para usar en el campo solar presurizado 12, es el cilindro parabólico lineal que tiene una tubería colectora fija. Un ejemplo de ese dispositivo se describe en la patente núm. GB1008032.3, y comprende una tubería colectora fija montada en la línea focal de un reflector 'parabólico lineal. El reflector está montado para girar sobre el colector fijo, evitando la necesidad de uniones giratorias o tuberías flexibles que no soportarían las presiones que se requieren en el campo solar presurizado 12.
Una ventaja importante de la planta de energía solar por concentración descrita anteriormente, es la eliminación de la necesidad de un circuito de fluido de transferencia de calor y del flujo de dos fases dentro de los tubos colectores. Al eliminar la necesidad de un circuito de fluido de transferencia de calor, la presente invención permite reducciones considerables en el gasto de capital, así como simplifica la operación de la planta al permitir que la planta funcione solamente con agua. Al emplear la evaporación rápida para generar vapor de agua, la presente invención elimina, además, la necesidad de la ebullición dentro de un colector solar, y, por consiguiente, la ocurrencia de flujo de dos fases dentro de la tubería colectora, que se sabe que ocasiona problemas con la controlabilidad y el pandeo de la tubería colectora. La planta de energía solar por concentración descrita anteriormente provee, además, mejoras en la eficacia térmica haciendo corresponder la curva de entalpia de agua pero sin la contracción del filón. Pueden lograrse, además, ahorros adicionales en el costo de capital, una reducción de las pérdidas de calor en el campo solar, y un aumento en el rendimiento de las turbinas, por ejemplo, haciendo corresponder la selección del colector de calor con las tres zonas de calentamiento de la planta: precalentamiento, calentamiento presurizado y sobrecalentamiento.
Como se menciona anteriormente, la invención puede emplearse para generar vapor de agua para otro proceso industrial, que incluye la desalinización . La Figura 2 ilustra una planta de desalinización, de conformidad con otra modalidad de la invención. La planta de desalinización 200 comprende un circuito de fluido de trabajo 210, y una región de evaporación de la salmuera 220. El circuito de fluido de trabajo 210 comprende una zona de generación de vapor de agua 206, y una zona de condensación 208. La región de evaporación de la salmuera 210 comprende una pluralidad de evaporadores de salmuera cooperativos 222a a 222e, e intercambiadores de calor para precalentamiento 224.
La zona de generación de vapor de agua se configura, prácticamente, como se describe anteriormente, con respecto a la planta de energía solar por concentración de la Figura 1. La zona de generación de vapor de agua 206 comprende una bomba 232, un campo solar 234 y una válvula reguladora de soporte 236 y tanque de venteo 238. La bomba 232 recibe fluido de la zona de condensación 208, y suministra fluido al campo solar 234, a una tasa de flujo de masa y presión controladas. El campo solar 234 comprende un conjunto de colectores solares cilindro parabólicos, del tipo que se analiza anteriormente. El campo solar 234 está en comunicación continua con la válvula reguladora 236, que suministra fluido al tanque de venteo 238. Un bucle de reciclaje 240 recicla el agua del liquido del tanque de venteo 238 de vuelta a la bomba 232, que se mezcla con el agua de alimentación suministrada de la zona de condensación 208 en una mezcladora 242.
La zona de condensación comprende una bomba de operación 244, y una región de fluido de trabajo de un primer evaporador de salmuera 222a. El primer evaporador de salmuera 222a recibe vapor de agua saturado del tanque de venteo 238. El vapor de agua saturado se condensa en el evaporador de salmuera, y fluye a través de una bomba 244 de vuelta a la zona de generación de vapor de agua 206. La bomba 244 no presuriza el vapor de agua saturado, sino que simplemente supera las pérdidas de elevación y bombeo.
La región de evaporación de la salmuera 220 de la planta 200 comprende una entrada de salmuera de la planta 270, una salida de salmuera concentrada de la planta 272, una salida de agua dulce de la planta 274 y una pluralidad de evaporadores de salmuera cooperativos 222a a 222e e intercambiadores de calor para precalentamiento 224. Un evaporador de salmuera representativo 222 se ilustra en la Figura 3, y comprende una entrada de vapor de agua 260, una salida de condensado 262, una entrada de salmuera 264, una salida de salmuera concentrada 266 y una salida de vapor de agua 268. Los elementos de intercambio térmico (no se muestran) dentro del evaporador de salmuera ponen en contacto el vapor de agua que ingresa en la entrada de vapor de agua 260, con el agua de alimentación con salmuera que ingresa en la entrada de salmuera 264, y se evapora el vapor de agua del agua de alimentación con salmuera por la transferencia de calor. El agua con salmuera concentrada restante sale del evaporador 222 a través de la salida de salmuera concentrada 266, y el vapor de agua purificada evaporada sale del evaporador a través de la salida del vapor de agua 268. El vapor de agua condensado que se usa para evaporar el vapor de agua de la salmuera sale del evaporador 222 en la salida del condensado 262.
En funcionamiento, el circuito de fluido de trabajo 210 genera vapor de agua para la primera etapa de la evaporación de salmuera, en el primer evaporador de salmuera 222a. La bomba 244 hace fluir el condensado de la zona de condensación 208, a la bomba 232 de la zona de generación de vapor de agua 206. La bomba 232 aumenta la presión del condensado a entre 0.5 y 1.5 MPa (5 y 15 bares). El agua presurizada, entonces, fluye al campo solar de generación de vapor de agua 234, donde se calienta a una temperatura sustancialmente igual a la temperatura de saturación del agua, a la presión en la que sale del campo solar 234. Esta presión es sustancialmente igual a la presión a la que la bomba 232 suministra el agua presurizada, pero puede ser ligeramente menor debido a las pérdidas de presión sobre el campo solar 234. Por ejemplo, el agua presurizada puede calentarse a entre 150 y 200 °C.
El agua saturada presurizada fluye del campo solar 234 a la válvula reguladora de soporte 236 y tanque de venteo 238, donde la presión del agua se reduce a, prácticamente, presión atmosférica, y entre 15 y 20 % del agua se transforma en vapor de agua por evaporación rápida. Tanto el vapor de agua generado, como el liquido restante, se enfrian a la temperatura de saturación del agua a la nueva presión reducida. El 80 a 85 % del agua que permanece liquida en el tanque de venteo fluye, a través del bucle de reciclaje 240, a la mezcladora 242, donde se agrega al condensado que fluye del primer evaporador de salmuera 222a a la bomba 232.
El vapor de agua saturado generado en el calderin de expansión 238, fluye a la entrada de vapor de agua 260 del primer evaporador de salmuera 222a. El vapor de agua se condensa en el primer evaporador de salmuera 222a, y sale del primer evaporador de salmuera 222a a través de la salida del condensado 262. El agua condensada, además, fluye a través de la bomba de la zona de condensación 244 de vuelta a la zona de generación de vapor de agua 206, para su posterior presurización, calentamiento y evaporación rápida. El circuito de fluido de trabajo es, por lo tanto, un circuito cerrado, que genera vapor de agua para impulsar la evaporación en el primer evaporador de salmuera.
La salmuera en forma de agua de mar ingresa a la planta 200 en la entrada de salmuera de la planta 270. La salmuera, después, pasa a través de una pluralidad de intercambiadores de calor para precalentamiento 224, donde la temperatura de la salmuera se eleva mediante la transferencia de calor con salmuera concentrada de la pluralidad de evaporadores de salmuera 222. La salmuera precalentada , entonces, fluye a la entrada de salmuera 264 del primer evaporador de salmuera 222a, donde el vapor de agua del circuito de fluido de trabajo provoca la evaporación del agua purificada de la salmuera. Entre 10 % y 20 % de la salmuera que ingresa en el evaporador de salmuera 222a puede evaporarse a vapor de agua. La salmuera liquida concentrada que queda luego de la evaporación, sale del evaporador de salmuera 222a a través de la salida de salmuera concentrada 266. La salmuera concentrada, después, fluye al primer intercambiador de calor para precalentamiento y hacia la salida de salmuera del segundo evaporador de salmuera 222b. La salmuera cada vez más concentrada, antes de liberarse de la planta 200 en la salida de salmuera concentrada de la planta 272, completa el ciclo en todos los evaporadores de salmuera 222 e intercambiadores de calor para precalentamiento 224. El agua purificada evaporada de la salmuera en el primer evaporador de salmuera 222a, sale del primer evaporador de salmuera 222a como vapor de agua, a través de la salida de vapor de agua 268. El vapor de agua, después, fluye a la salida de vapor de agua 260 del segundo evaporador de salmuera 222b, donde se usa para evaporar el vapor de agua adicional de la salmuera que ingresa al segundo evaporador de salmuera 222b. Durante este proceso, el vapor de agua se condensa a agua, y sale del segundo evaporador de salmuera en la salida del condensado 262. De la salida del condensado 262, el agua fluye a la salida de agua dulce de la planta 274. El agua que sale del tercer, cuarto y quinto evaporador de salmuera 222c, 222d, 222e se une al flujo de agua del segundo evaporador de salmuera 222b, a través de las mezcladoras 280, 282, 284.
Se entenderá que la configuración precisa de los evaporadores de salmuera 222 puede ser variada de acuerdo con los requisitos de la planta, por ejemplo, para minimizar la cantidad de mezcladoras que se requiere o para realizar otros ahorros en eficiencia. Además, los evaporadores de salmuera pueden operarse en condiciones de presión reducida (al vacio) .
La generación de energía y la desalinización pueden combinarse en un sistema único, de conformidad con la presente invención. Por consiguiente, en vez de condensar vapor de agua a baja presión de la salida de la turbina final en la planta solar como se muestra en la Figura 1, la planta solar se acopla a una región de evaporación de la salmuera, que tiene la configuración de la región de evaporación de la salmuera 220 del sistema de desalinización de la Figura 2. En esta modalidad, el vapor de agua sobrecalentado fluye a la segunda pluralidad de turbinas 22 en serie. De la turbina final 22 en la serie, el vapor de agua fluye a la entrada de vapor de agua 260 del primer evaporador de salmuera 222a, de la región de evaporación de la salmuera 220 del sistema ilustrado en la Figura 2.
En esta modalidad, el vapor de agua se extrae de la turbina final 22 de la serie, a una temperatura y presión adecuados para impulsar la evaporación en la etapa de desalinización. Por ejemplo, el vapor de agua puede extraerse de la turbina final 22 en la serie, a una temperatura por encima de 100 °C, y una presión por encima de la presión atmosférica, por ejemplo, una temperatura de 224 °C y una presión de 0.14 MPa (1.4 bares) (abs.) . Para ello, se pueden proveer menos unidades de turbina 22 que en la modalidad de solo generación de energía ilustrada en la Figura 1.
El vapor de agua fluye al primer evaporador de salmuera 222a, y se condensa ahí como se describe anteriormente en relación a la Figura 2, y sale del primer evaporador de salmuera 222a, a través de la salida del condensado 262, de donde fluye de vuelta a la zona de generación de vapor de agua a través de la pluralidad de intercambiadores de precalentamiento 26. Después, se logra la desalinización de la salmuera en una serie de evaporadores de salmuera 222, de la manera que se muestra en la Figura 2.
En esta modalidad, se retira el vapor de agua de la segunda pluralidad de turbinas 22, a una temperatura y presión que es mayor que la de la modalidad de generación de energía de la Figura 1, y así, hay un sacrificio en la electricidad generada por la planta de energía solar, en comparación con la modalidad de la Figura 1. Por ejemplo, el sistema puede operarse de modo que haya un sacrificio de 20 % en la electricidad generada por la planta de energía solar, en comparación con la modalidad de la Figura 1. Sin embargo, la eficacia térmica total de la modalidad de generación de energía y desalinización combinadas es aproximadamente 65 a 70 %, en contraste con la eficacia térmica en las modalidades que incluyen solo generación de energía, que es aproximadamente 40 a 45 %.

Claims (46)

REIVINDICACIONES
1. Un método para generar vapor de agua para usar en un proceso industrial; el método comprende: (a) Presurizar un liquido de fluido de trabajo que comprende agua, a una primera presión de por lo menos 5 Pa (50 bares) (abs) ; (b) calentar el liquido de fluido de trabajo a una temperatura sustancialmente igual a la temperatura de saturación del liquido de fluido de trabajo a la primera presión; y (c) secar por evaporación rápida el liquido de fluido de trabajo para generar vapor de agua; caracterizado porque el liquido de fluido de trabajo presurizado se calienta en la etapa (b) por ' calentamiento directo . en un dispositivo de absorción de la radiación solar.
2. Un método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque el proceso industrial es generación de energía.
3. Un método de conformidad con la reivindicación 1 o 2, caracterizado además porque la evaporación rápida se lleva a cabo en un tanque de venteo que recibe agua presurizada saturada del dispositivo de absorción de la radiación solar, a través de una válvula reguladora.
4. Un método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende, además, precalentar el liquido de fluido de trabajo antes de presurizar en la etapa (a) .
5. Un método de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado además porque el precalentamiento se lleva a cabo por calentamiento directo en un dispositivo de absorción de la radiación solar.
6. Un método de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado además porque el dispositivo de absorción de la radiación solar comprende uno o más dispositivos de absorción solar Fresnel lineales.
7. Un método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende, además, sobrecalentar el vapor de agua después de la etapa (c) .
8. Un método de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque el vapor de agua se sobrecalienta por una fuente de calor diferente al fluido de trabajo calentado.
9. Un método de conformidad con la reivindicación 7 u 8, caracterizado además porque el sobrecalentamiento se lleva a cabo por calentamiento directo en un dispositivo de absorción de la radiación solar.
10. Un método de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque el dispositivo de absorción de la radiación solar comprende uno o más dispositivos de absorción solar de torre o dispositivos de absorción solar Fresnel lineales.
11. Un método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, caracterizado además porque el sobrecalentamiento comprende una primera y una segunda etapa de sobrecalentamiento, en la primera etapa de sobrecalentamiento se usa calefacción solar directa, y en la segunda etapa de sobrecalentamiento se usa una fuente de energía no renovable.
12. Un método de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado además porque en la primera etapa de sobrecalentamiento se usa uno o más dispositivos de absorción solar de torre o dispositivos de absorción solar Fresnel lineales, y en la segunda etapa de sobrecalentamiento se usan combustibles fósiles.
13. Un método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque el liquido de fluido de trabajo restante luego de la evaporación rápida en la etapa (c) puede reconducirse a la etapa (a) .
14. Un método de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado además porque entre 5 % y 15 % del liquido de fluido de trabajo que comprende agua, se transforma en vapor de agua por evaporación rápida en la etapa (c) .
15. Un método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque el proceso industrial es generación de energía y desalinización combinados.
16. Un método de generación de energía; el método comprende: Generar vapor de agua por un método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15; y suministrar el vapor de agua a una turbina para la generación de energía.
17. Un método de generación de vapor de agua para usar en un proceso de desalinización; el método comprende: (a) Presurizar un liquido de fluido de trabajo que comprende agua a una primera presión de 0.5-5 MPa (5-50 bares) (abs) ; (b) calentar el liquido de fluido de trabajo a una temperatura sustancialmente igual a la temperatura de saturación del liquido de fluido de trabajo a la primera presión; y (c) secar por evaporación rápida el liquido de fluido de trabajo para generar el vapor de aguaen caracterizado porque el liquido de fluido de trabajo presurizado sé calienta en la etapa (b) por calentamiento directo en un dispositivo de absorción de la radiación solar.
18. Un método de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado además porque la evaporación rápida se lleva a cabo en un tanque de venteo, que recibe agua presurizada saturada del dispositivo de absorción de la radiación solar, a través de una válvula reguladora.
19. Un método de conformidad con la reivindicación 17 o 18, caracterizado además porque el liquido de fluido de trabajo restante luego de la evaporación rápida en la etapa (c) puede reconducirse a la etapa (a) .
20. Un método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado además porque entre 5 % y 15 % del liquido de fluido de trabajo que comprende agua, se transforma en vapor de agua por evaporación rápida en la etapa (c) .
21. Un aparato para generar vapor de agua para usar en un proceso industrial; el aparato comprende: Una bomba para presurizar un liquido de fluido de trabajo que comprende agua, a una primera presión de por lo menos 5 MPa (50 bares) (abs) ; una unidad calefactora corriente abajo, de la bomba, para calentar el liquido de fluido de trabajo a una temperatura sustancialmente igual a la temperatura de saturación del liquido de fluido de trabajo a la primera presión; y una válvula reguladora de soporte y tanque de venteo corriente abajo de la unidad calefactora, para secar por evaporación rápida el liquido de fluido de trabajo para generar vapor de agua, caracterizado porque la unidad calefactora comprende un dispositivo de absorción de la radiación solar, para un calentamiento directo del fluido de trabajo presurizado.
22. Un aparato de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado además porque el proceso industrial es generación de energía.
23. Un aparato de conformidad con la reivindicación 21 o 22, caracterizado además porque la unidad calefactora está en comunicación continua con el tanque de venteo a través de la válvula reguladora.
24. Un aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 21 a 23, caracterizado además porque el dispositivo de absorción de la radiación solar comprende uno o más dispositivos de absorción solar cilindro parabólicos.
25. Un aparato de conformidad con la reivindicación 24, caracterizado además porque cada uno del o los dispositivos cilindro parabólicos comprende una tubería colectora fija.
26. Un aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 21 a 25, que comprende, además, un bucle de reciclaje configurado para suministrar líquido de fluido de trabajo del tanque de venteo a la bomba.
27. Un aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 21 a 26, caracterizado además porque la bomba, la unidad calefactora y la válvula reguladora de soporte y tanque de venteo, juntos, comprenden una zona de generación de vapor de agua; el aparato comprende, además, una zona de precalentamiento a contracorriente de la zona de generación de vapor de agua para precalentar el liquido de fluido de trabajo, y una zona de sobrecalentamiento corriente abajo de la zona de generación de vapor de agua para sobrecalentar el vapor de agua.
28. Un aparato de conformidad con la reivindicación 27, caracterizado además porque la zona de precalentamiento comprende un dispositivo de absorción de la radiación solar, para un calentamiento directo del liquido de fluido de trabajo.
29. Un aparato de conformidad con la reivindicación 28, caracterizado además porque el dispositivo de absorción de la radiación solar comprende uno o más dispositivos de absorción solar Fresnel lineales.
30. Un aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 27 a 29, caracterizado además porque la zona de sobrecalentamiento comprende una fuente de calor diferente al fluido de trabajo calentado.
31. Un aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 27 a 30, caracterizado además porque la zona de sobrecalentamiento comprende un dispositivo de absorción de la radiación solar, para un calentamiento directo del vapor de agua.
32. Un aparato de conformidad con la reivindicación 31, caracterizado además porque el dispositivo de absorción de la radiación solar comprende uno o más dispositivos de absorción de radiación solar de torre o dispositivos de absorción solar Fresnel lineales.
33. Un aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 27 a 32, caracterizado además porque la zona de sobrecalentamiento comprende una primera y una segunda etapa de sobrecalentamiento, la primera etapa de sobrecalentamiento comprende un dispositivo de absorción de radiación solar de torre o un dispositivo de absorción solar Fresnel lineal, y la segunda etapa de sobrecalentamiento comprende un quemador de combustible fósil.
34. Un aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 21 a 33, caracterizado además porque el proceso industrial es generación de energía y desalinización combinados, y caracterizado además porque el vapor de agua se emplea para impulsar una turbina y como un fluido de transferencia de calor para la desalinización.
35. Un aparato de conformidad con la reivindicación 34, caracterizado además porque se usa vapor de agua de escape de la generación de energía como un fluido de transferencia de calor para la desalinización.
36. Un método para generar vapor de agua para usar en un proceso industrial, con el uso del aparato de conformidad con la reivindicación 21; el método comprende: (a) Presurizar un líquido de fluido de trabajo a una primera presión de por lo menos 5 MPa (50 bares) (abs) con el uso de la bomba; (b) calentar el líquido de fluido de trabajo en la unidad calefactora a una temperatura sustancialmente igual a la temperatura de saturación del líquido de fluido de trabajo a la primera presión; y (c) secar por evaporación rápida el liquido de fluido de trabajo en la válvula reguladora de soporte y tanque de venteo para generar el vapor de agua, caracterizado porque el liquido de fluido de trabajo se calienta en la unidad calefactora por calentamiento directo en un dispositivo de absorción de la radiación solar.
37. Una planta de energía solar; la planta de energía solar comprende: Un aparato para generar vapor de agua de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 21 a 35; y una turbina configurada para recibir vapor de agua de ese aparato para generar vapor de agua.
38. Un método para operar una planta de energía solar de conformidad con la reivindicación 37; el método comprende: Generar vapor de agua en ese aparato para generar vapor de agua; y suministrar el vapor de agua a la turbina para la generación de energía; caracterizado porque el vapor de agua se genera del líquido de fluido de trabajo que comprende agua por: (a) Presurizar el líquido de fluido de trabajo a una primera presión de por lo menos 5 MPa (50 bares) (abs) ; (b) calentar el líquido de fluido de trabajo a una temperatura sustancialmente igual a la temperatura de saturación del líquido de fluido de trabajo a la primera presión; y (c) secar por evaporación rápida el líquido de fluido de trabajo para generar vapor de agua; y caracterizado porque el líquido de fluido de trabajo presurizado se calienta en la etapa (b) por calentamiento directo, en un dispositivo de absorción de la radiación solar.
39. Un aparato para generar vapor de agua para usar en un proceso de desalinización; el aparato comprende: Una bomba para presurizar un líquido de fluido de trabajo que comprende agua a una primera presión de 0.5-5 MPa (5- 50 bares) (abs) ; una unidad calefactora corriente abajo de la bomba, para calentar el líquido de fluido de trabajo a una temperatura sustancialmente igual a la temperatura de saturación del líquido de fluido de trabajo a la primera presión; y una válvula reguladora de soporte y tanque de venteo corriente abajo de la unidad calefactora, para secar por evaporación rápida el líquido de fluido de trabajo para generar vapor de agua, caracterizado porque la unidad calefactora comprende un dispositivo de absorción de la radiación solar, para un calentamiento directo del fluido de trabajo presurizado.
40. Un aparato de conformidad con la reivindicación 39, caracterizado además porque la unidad calefactora está en comunicación continua con el tanque de venteo a través de la válvula reguladora.
41. Un aparato de conformidad con la reivindicación 39 o 40, caracterizado además porque el dispositivo de absorción de la radiación solar comprende uno o más dispositivos de absorción solar cilindro parabólicos.
42. Un aparato de conformidad con la reivindicación 41, caracterizado además porque cada uno del o los dispositivos cilindro parabólicos comprende una tubería colectora fija.
43. Un aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 39 a 42, que comprende, además, un bucle de reciclaje configurado para suministrar el líquido de fluido de trabajo del tanque de venteo a la bomba.
44. Una planta de desalinización; la planta de desalinización comprende : Un aparato para generar vapor de agua de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 39 a 43; y un evaporador configurado para recibir vapor de agua de ese aparato para generar vapor de agua.
45. Un método para operar una planta de desalinización, de conformidad con la reivindicación 44; el método comprende: Generar vapor de agua en ese aparato para generar vapor de agua; y suministrar el vapor de agua al evaporador, para evaporar vapor de agua de salmuera mediante la transferencia de calor; caracterizado porque el vapor de agua se genera del liquido de fluido de trabajo que comprende agua por: (a) Presurizar el liquido de fluido de trabajo que comprende agua a una primera presión de 0.5-5 MPa (5-50 bares) (abs) ; (b) calentar el liquido de fluido de trabajo a una temperatura sustancialmente igual a la temperatura de saturación del liquido de fluido de trabajo a la primera presión; y (c) secar por evaporación rápida el liquido de fluido de trabajo para generar vapor de agua; y caracterizado porque el liquido de fluido de trabajo presurizado se calienta en la etapa (b) por calentamiento directo, en un dispositivo de absorción de la radiación solar.
46. Una planta de energía solar y planta de desalinización combinadas; las plantas combinadas comprenden: Un aparato para generar vapor de agua de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 21 a 35; una primera turbina configurada para recibir vapor de agua de ese aparato para generar vapor de agua; opcionalmente, una o más turbinas adicionales en serie con la primera turbina y cada una de ellas, y cada una de ellas configurada para recibir vapor de agua de la turbina a contracorriente inmediata; y un evaporador configurado para recibir vapor de agua de la primera turbina o la turbina final en la serie de turbinas. RESUMEN DE LA INVENCIÓN Se describe un método para generar vapor de agua para usar en un proceso industrial. El proceso industrial puede ser, por ejemplo, generación de energía o desalinización . El método comprende: (a) Presurizar un líquido de fluido de trabajo que comprende agua a una primera presión; (b) calentar el líquido de fluido de trabajo a una temperatura sustancialmente igual a la temperatura de saturación del líquido de fluido de trabajo a la primera presión; y (c) secar por evaporación rápida el líquido de fluido de trabajo para generar vapor de agua. El líquido de fluido de trabajo presurizado se calienta en la etapa (b) por calentamiento directo en un dispositivo de absorción de la radiación solar. Adicionalmente, se describe un aparato para generar vapor de agua para usar en un proceso industrial. El aparato comprende una bomba (32) para presurizar un líquido de fluido de trabajo que comprende agua a una primera presión; una unidad calefactora (34) corriente abajo de la bomba (32) para calentar el líquido de fluido de trabajo a una temperatura sustancialmente igual a la temperatura de saturación del líquido de fluido de trabajo a la primera presión; y una válvula reguladora de soporte (36) y tanque de venteo (38) corriente abajo de la unidad calefactora (34) para secar por evaporación rápida el líquido de fluido de trabajo para generar vapor de agua. La unidad calefactora (34) comprende un dispositivo de absorción de la radiación solar, para un calentamiento directo del fluido de trabajo presurizado.
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