MXPA06002290A

MXPA06002290A - Sistema de recuperacion de energia

Info

Publication number: MXPA06002290A
Application number: MXPA/A/2006/002290A
Authority: MX
Inventors: Richard James Biddle; Mym Biddle; Miriam Simcock; Jonathan Maguire
Original assignee: Freepower Ltd
Priority date: 2003-08-27
Filing date: 2006-02-27
Publication date: 2007-04-20

Abstract

Un sistema de recuperación de energía para extraer energía de una fuente de calor de desecho (por ejemplo fluido de desecho caliente de instalaciones industriales pequeñas, motores a combustión automotrices, etc). el sistema siendo un sistema de ciclo Rankine cerrado con fluido de trabajo en circulación;el sistema comprende;un primer intercambiador de calor para recibir fluido fuente, que incorpora el calor desecho, a una primera temperatura y que da salida a dicho fluido de desecho a una segunda temperatura, y para recibir dichos fluido de trabajo a una tercera temperatura y da salida al fluido de trabajo a una cuarta temperatura, dicha cuarta temperatura siendo mayor que dicha tercera temperatura y mayor que el punto de ebullición del fluido de trabajo;una unidad de turbina, dispuesta para recibir la salida de fluido de trabajo del primer intercambiador de calor a una primera presión y dar salida al fluido de trabajo a una segunda presión, dicha segunda presión siendo menor que la primera presión, la unidad de turbina con ello impartiendo energía de rotación a una flecha de turbina montada dentro de la unidad de turbina;una unidad de conversión electromecánica (incluyendo un alternador) acoplado a la flecha de turbina, para convertir dicha energía de rotación en energía eléctrica, un sistema de enfriamiento, acoplado a la unidad de turbina y al primer intercambiador de calor, para recibir el fluido de trabajo desde la unidad de turbina a una quinta temperatura, enfriar el fluido, y suministrar el fluido al primer intercambiador de calor a dicha tercera temperatura;también se describe una técnica para controlar la potencia de salida del alternador;también se describen una turbina especial, rodamientos, acoplamiento de par de torsión, control de energía y técnicas de purificación de fluido de trabajo.

Description

SISTEMA DE RECUPERACIÓN DE ENERGÍA MEMORIA DESCRIPTIVA La presente invención se refiere a uso de energía en diversas formas de industria y muy particularmente se refiere a un sistema de recuperación de energía. Existen muchas técnicas convencionales para generar energía (eléctrica); muy típicamente implica la combustión de algún combustible (v.gr., carbón, gas natural) que finalmente está en suministro limitado. Además, se han descrito numerosas técnicas de conversión de energía. Por ejemplo, US-A-4,896,509 describe un procedimiento para convertir energía térmica en energía mecánica en un ciclo de Rankine. Aquí, se repite un ciclo que comprende los pasos de vaporizar un fluido de trabajo con una fuente térmica caliente (tal como agua caliente de un calentador típicamente usado para producir vapor de agua), expandiendo el vapor resultante en un dispositivo de expansión (dispositivo de desplazamiento giratorio, o recíproco, v.gr., una turbina), enfriándolo con una fuente térmica fría (tal como agua fría) para condensarlo (v.gr., usando condensadores típicamente utilizados en el aparato refrigerante), y que comprende usar una bomba. Sin embargo, dichos sistemas típicamente utilizan combustión en la ebullición.

Además, un problema con los sistemas de ciclo de Rankine disponibles son típicamente una planta a gran escala que opera en el intervalo de multi-megawatts y no son adecuados para la extracción de energía en una escala más pequeña, de fuentes de temperatura relativamente baja, tales como fluido de desecho caliente de instalaciones industriales pequeñas, máquinas de combustión automotrices y similares. Existe la necesidad de un sistema de recuperación de energía que supere los problemas antes mencionados y provea un sistema de recuperación mejorado.

Recuperación de energía La presente invención provee un sistema de recuperación de energía, para extraer energía eléctrica de una fuente de calor, el sistema teniendo un fluido de trabajo circulante, que comprende: un primer intercambiador de calor para recibir fluido de la fuente, que incorpora por lo menos parte del calor de la fuente de calor y para recibir fluido de trabajo; por lo que el calor es transferido del fluido de la fuente al fluido de trabajo; una unidad de expansión, dispuesta para recibir la salida de fluido de trabajo del primer intercambiador de calor por lo que la energía mecánica es impartida a la unidad de expansión; una unidad de conversión electromecánica, acoplada a la unidad de expansión, para convertir dicha energía mecánica a energía eléctrica, un sistema de enfriamiento, acoplado a la unidad de expansión y al primer intercambiador de calor, para recibir el fluido de trabajo de la unidad de expansión, enfriar el fluido, y suministrar el fluido al primer ¡ntercambiador de calor. Preferiblemente, el intercambiador de calor es un ¡ntercambiador de compacto. En una modalidad: el sistema es un sistema cerrado con un fluido de trabajo circulante, el primer ¡ntercambiador de calor está adaptado para recibir fluido de la fuente que incorpora el calor, a una primera temperatura y dar salida a dicho fluido de desecho a una segunda temperatura, y para recibir el fluido de trabajo a una tercera temperatura y dar salida a fluido de trabajo a una cuarta temperatura, esa cuarta temperatura siendo mayor que la tercera temperatura y mayor que el punto de ebullición del fluido de trabajo; la unidad de expansión comprende una unidad de turbina, dispuesta para recibir la salida del fluido de trabajo desde el primer intercambiador de calor a una primera presión y para dar salida al fluido de trabajo a una segunda presión, la segunda presión siendo menor que la primera presión, la unidad de turbina impartiendo así la energía de rotación a una flecha de turbina montada dentro de la unidad de turbina; y la unidad de conversión electromecánica es acoplada a la flecha de turbina, para convertir la energía de rotación a energía eléctrica. Preferiblemente, la turbina es una microturbina de alta velocidad. Preferiblemente, el sistema de enfriamiento incluye un segundo intercambiador de calor, acoplado a la unidad de turbina y al primer ¡ntercambiador de calor, para recibir un primer suministro de fluido de trabajo desde la unidad de turbina a la quinta temperatura y dar salida al fluido de trabajo desde el primer suministro a una sexta temperatura, dicha sexta temperatura siendo menor que la quinta temperatura; en donde el segundo intercambiador de calor está adaptado además para recibir un segundo suministro de fluido de trabajo en forma líquida a una séptima temperatura y dar salida al fluido de trabajo desde el segundo suministro de fluido al primer intercambiador de calor a dicha tercera temperatura. Preferiblemente, el sistema de enfriamiento incluye además una unidad de condensación, acoplada al segundo intercambiador de calor y adaptada para recibir un suministro de fluido de enfriamiento, para recibir la salida del fluido de trabajo por el segundo intercambiador de calor a la sexta temperatura y dar salida al fluido de trabajo en forma líquida a la séptima temperatura, la séptima temperatura siendo menor que la sexta temperatura y menor que el punto de ebullición del fluido de trabajo. Preferiblemente, el sistema de enfriamiento incluye una bomba, acoplada a la unidad de enfriamiento, para recibir el fluido de trabajo líquido a la séptima temperatura y bombear el fluido de trabajo líquido al segundo intercambiador de calor, proveyendo así el segundo suministro del fluido de trabajo al segundo intercambiador de calor. En una modalidad, la primera temperatura es de aproximadamente 110 a aproximadamente 225°C En una modalidad, la segunda temperatura es de aproximadamente 80 a aproximadamente 140°C. En una modalidad, la primera temperatura es de aproximadamente 180°C y la segunda temperatura es de aproximadamente 123°C. En una modalidad, la primera presión es de aproximadamente 10 a 30 bar absolutas. En una modalidad, la segunda presión es de aproximadamente 0.5 a 2 bar absolutas. Preferiblemente, la flecha de turbina está montada sobre un cojinete dentro de la unidad de turbina, y dicho fluido de trabajo penetra la unidad de turbina, proveyendo así lubricación del cojinete. Preferiblemente, el fluido de trabajo comprende un solo fluido de componente seleccionado de los alcanos. Preferiblemente, el fluido de trabajo comprende un fluido con un punto de ebullición de aproximadamente 30-110°. Preferiblemente, la unidad de conversión electromecánica incluye un alternador adaptado a una corriente eléctrica de salida. Preferiblemente, la unidad de conversión electromecánica incluye una unidad de acondicionamiento eléctrica o electrónica, acoplada al alternador, para alterar la frecuencia de la corriente recibida del alternador y dar salida a corriente a una frecuencia principal. Preferiblemente, el alternador es un alternador de alta velocidad. En modalidades preferidas, la unidad de expansión comprende una unidad de turbina que tiene una flecha y por lo menos una etapa de turbina montada sobre la misma, la o cada etapa de turbina incorporando un conjunto de alabes. Por lo menos una etapa de turbina se puede hacer de aluminio o acero. En ciertas modalidades, por lo menos una etapa de turbina está hecha de material plástico. El material plástico puede ser (a) polieteretercetona (PEEK) que contiene fibra de carbón, por ejemplo PEEK con 40% de fibra de carbón, (b) Ultern 2400, o (c) Valox 865.

De conformidad con otro aspecto de la invención se provee el uso de HFE-7100 o hexano o agua como el fluido de trabajo y/o fluido de lubricación en los sistemas de cualquiera de las reivindicaciones anexas. De conformidad con otro aspecto de la ¡nvención se provee el uso de uno de los alcanos como el fluido de trabajo y/o fluido de lubricación en los sistemas de cualquiera de las reivindicaciones anexas. De conformidad con otro aspecto de la invención se provee un sistema de generación de energía eléctrica, que comprende: un sistema de microturbina, el sistema de microturbina comprendiendo una unidad de combustión, acoplada a una fuente de combustible, para quemar el combustible y dar salida a un primer fluido de escape, una turbina, acoplada para recibir el primer fluido de escape por lo que imparte energía de rotación, durante el uso, a una flecha de turbina de la turbina, la turbina estando adaptada para dar salida a un segundo fluido de escape; una unidad de transferencia de calor intermedia, acoplada para recibir el segundo fluido de escape y adaptada para realizar una transferencia de calor desde el segundo fluido de escape hasta un fluido de transferencia de calor intermedio; y para dar salida al fluido de transferencia calor intermedio después de la transferencia de calor; y un sistema de recuperación de energía de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, el sistema de conversión de energía teniendo un primer intercambiador de calor acoplado para recibir el fluido de transferencia de calor intermedio, el fluido de transferencia de calor intermedio constituyendo la fuente de calor.

Preferiblemente, el sistema de microturbína incluye además un compresor, acoplado a la turbina y unidad de combustión, e impulsado, durante el uso, por la flecha de turbina, el compresor recibiendo un suministro de fluido que contiene oxígeno y suministrando ese fluido que contiene oxígeno en un estado comprimido, durante el uso, a la unidad de combustión. Preferiblemente, el sistema de microturbina incluye además un generador, acoplado a la turbina e impulsado, durante el uso, por la flecha de turbina, el generador estando adaptado a la energía eléctrica de salida. El sistema de generación de energía eléctrica preferiblemente incluye además un recuperador, dispuesto entre la turbina y la unidad de transferencia de calor intermedia y acoplada para recibir el segundo fluido de escape y da salida al tercer fluido de escape a la unidad de transferencia de calor intermedia, el recuperador estando además adaptado para recibir un suministro de fluido que contiene oxígeno, por ejemplo desde el compresor, y para convertir el fluido que contiene oxígeno al combustor después de la transferencia de calor al mismo desde el segundo fluido de escape. Preferiblemente, el recuperador comprende un ¡ntercambiador de calor. De conformidad con otro aspecto de la ¡nvención, se provee un sistema de generación de energía eléctrica, que comprende: un sistema de combustión interna, el sistema de combustión interna comprendiendo una máquina de combustión interna, acoplada a una fuente de combustible, para quemar el combustible y dar salida a un fluido de escape a la máquina, la máquina de combustión interna estando dispuesta por lo que se Imparte energía de rotación, durante el uso, a una flecha impulsora; una unidad de transferencia de calor intermedia, acoplada para recibir el fluido de escape de la máquina y adaptada para realizar una transferencia de calor desde el fluido de escape de la máquina a un fluido de transferencia de calor intermedia y para dar salida al fluido de transferencia de calor intermedio después de la transferencia de calor; y un sistema de recuperación de energía de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, el sistema de conversión de energía teniendo primer intercambiador de calor acoplado para recibir el fluido de transferencia de calor intermedio, el fluido de transferencia de calor intermedio constituyendo la fuente de calor. Preferiblemente, el sistema de combustión interna incluye además un generador, acoplado a la máquina de combustión interna e impulsado, durante el uso, por una flecha impulsora, el generador estando adaptado para dar salida a energía eléctrica. Preferiblemente, la máquina de combustión interna está acoplada a un suministro de combustible y a un suministro del fluido que contiene oxígeno. De conformidad con otro aspecto de la invención, se provee un sistema de generación de energía eléctrica, que comprende: una pila de disposición de gas de desecho, la pila de disposición de gas de desecho incluyendo una etapa de base, la etapa de base Incluyendo un soplador para soplar gas que contiene oxígeno hacia la pila de disposición de gas de desecho, una etapa de combustión, adyacente a la etapa de base, acoplada a una fuente de gas de desecho, el gas de desecho siendo o incluyendo un gas combustible, la etapa de combustión estando adaptada para quemar, durante el uso, el gas de desecho en el gas que contiene oxígeno, una etapa mezcladora, adyacente a la etapa de combustión, adaptada para generar una mezcla de gases que comprenden aire mezclado con los gases de escape del combustor que resultan de la etapa de combustión; una unidad de transferencia de calor intermedia, acoplada para recibir la mezcla de gases y adaptada para realizar una transferencia de calor desde la mezcla de gases hasta un fluido de transferencia de calor intermedio y para dar salida al fluido de transferencia de calor intermedio después de la transferencia de calor; y un sistema de recuperación de energía de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, el sistema de conversión de energía teniendo el primer ¡ntercambiador de calor acoplado para recibir el fluido de transferencia de calor intermedio, el fluido de transferencia de calor intermedio constituyendo la fuente de calor. Preferiblemente, el soplador comprende un soplador eléctricamente impulsado, el soplador está eléctricamente acoplado a la unidad de conversión electromecánica, y por lo menos parte de la energía eléctrica generada, durante el uso por el sistema de conversión de energía impulsa al soplador. Preferiblemente, la unidad de transferencia de calor intermedia comprende un intercambiador de calor, y/o fluido de transferencia de calor intermedio comprende aceite de transferencia de calor.

Una ventaja de la presente invención es que provee un sistema de recuperación de energía que es compacto a escala. Otra ventaja es que es capaz de extraer energía de fuentes de temperatura relativamente baja. Una ventaja adicional es que puede recuperar energía a una eficiencia razonable desde fuentes de calor que de otra manera serían desechadas, o desde fuentes renovables, y/o incrementa significativamente la cantidad de energía eléctrica generada en un sistema de generación de energía.

Diseño de turbina Un problema adicional es que, aunque se conocen turbinas de flujo radial de una sola etapa, y se conocen turbinas de flujo axial de dos etapas, hasta ahora ha habido una carencia de una turbina de flujo radial de dos etapas capaz de operar a la alta velocidad y diferencias de presión extremadamente altas encontradas en algunas industrias. Con frecuencia, un problema es que no es posible que una turbina radial de una sola etapa resuelva ciertas caídas de presión. Por lo tanto, de conformidad con otro aspecto de la presente invención, se provee una unidad de turbina de flujo entrante radial, que comprende: un alojamiento con un puerto de entrada para recibir fluido a una primera presión; una flecha montada en un cojinete dentro del alojamiento y que tiene un eje de rotación; una turbina, dispuesta en la flecha, la turbina comprendiendo una primera etapa de turbina, que comprende una primera serie de alabes montados sobre la flecha, el fluido recibido por el puerto de entrada siendo radialmente incidente sobre la primera serie de alabes y saliendo de la primera etapa de turbina a una tercera presión y en una primera dirección predeterminada, una segunda etapa de turbina, que comprende una segunda serie de alabes montada sobre la flecha, un conducto para transportar el fluido que sale de la primera etapa de turbina a la segunda etapa de turbina, el fluido recibido por la segunda etapa de turbina siendo radialmente incidentes sobre la segunda serie de alabes y saliendo de la segunda etapa de turbina a una segunda presión y en una segunda dirección predeterminada, en donde el fluido imparte energía de rotación a la flecha tanto en la primera como segunda etapa de turbina. Preferiblemente, la primera presión es de aproximadamente 2 a 10 veces la segunda presión. Preferiblemente, la tercera presión es de aproximadamente 3-4 veces la segunda presión. Preferiblemente, la dimensión radial de la segunda etapa de turbina es mayor que la dimensión radial de la primera etapa de turbina. Preferiblemente, la dimensión radial de la segunda etapa de turbina es aproximadamente 1.25 veces la dimensión radial de la primera etapa de turbina. Preferiblemente, la dimensión axial de la primera etapa de turbina es de aproximadamente 0.3 a 0.375 veces la dimensión radial de la primera etapa de turbina. Preferiblemente, en la dimensión axial de la segunda etapa de turbina es de aproximadamente 0.35 a 0.4 veces la dimensión radial de la segunda etapa de turbina.

En una modalidad particular, la unidad de turbina incluye además: una tercera etapa de turbina, que comprende una tercera serie de alabes montados sobre la flecha, un conducto para transportar el fluido que sale de la segunda etapa de turbina a la tercera etapa de turbina, dicho fluido recibido por la tercera etapa de turbina siendo radialmente incidentes sobre la tercera serie alabes y saliendo de la tercera etapa de turbina a una cuarta presión y en una tercera dirección predeterminada, en donde el fluido imparte energía de rotación a la flecha en la primera, segunda y tercera etapa de turbina. Preferiblemente, la dimensión axial de la tercera etapa de turbina es de aproximadamente 1/3 veces la dimensión radial de la tercera etapa de turbina. Preferiblemente, la primera, segunda y/o tercera direcciones predeterminadas son generalmente axiales. En una modalidad, el fluido es un gas. Preferiblemente, el fluido es HFE-7100 o hexano. El fluido puede ser uno de los alcanos. La invención provee además un sistema de recuperación de energía, para extraer energía de una fuente de calor de desecho, el sistema siendo un sistema cerrado con un fluido de trabajo circulante, que comprende un intercambiador de calor, una unidad de conversión electromecánica, un sistema de enfriamiento y una unidad de turbina de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anexas, el intercambiador de calor suministrando, durante el uso, el fluido de trabajo a la turbina.

Preferiblemente, el fluido penetra en el alojamiento, proveyendo así lubricación al cojinete. Una ventaja de la ¡nvención es que es útil a velocidades de rotación altas (v.gr., 25,000 a 50,000 rpm). Una ventaja adicional es que el diseño de dos etapas ocasiona una caída de presión que ocurre en cada etapa permitiendo que enfrente presiones de entrada más altas (v.gr., hasta bar absolutas). Una ventaja adicional es que se permite un diseño relativamente compacto de la turbina. Los atributos anteriores aseguran que la turbina se pueda utilizar ventajosamente en sistemas (v.gr., sistemas de ciclo de Rankine) en donde la conversión de energía ocurre de fluidos (gases) a presiones de operación muy altas, con eficiencia mejorada.

Diseño de cojinete Un problema adicional surge en la falta de disponibilidad de sistemas de cojinete para maquinaria giratoria de escala compacta. Existe la necesidad de dispositivos que soporten la flecha de un componente giratorio que esté girando a alta velocidad. Más aún, un problema es el de proveer un sistema de cojinete que opere tanto como un cojinete de montaje como un cojinete de apoyo en maquinaria de pequeña escala. Los cojinetes de este tipo también deben ser robustos y confiables, por lo que se pueden utilizar en sistemas que operen 24 horas al día, siete días a la semana durante períodos prolongados (y que tengan una esperanza de vida del orden de cinco años o más). La presente invención provee un cojinete para soportar una flecha girable alrededor de un eje y por lo menos parcialmente dispuesta dentro de un alojamiento, que comprende: un miembro de cojinete, unido de manera fija al alojamiento y que tiene una primera superficie de cojinete, opuesto a una segunda superficie de cojinete sobre la flecha, la primera y segunda superficies del cojinete extendiéndose generalmente transversales al eje, y un canal interno cilindrico que define una tercera superficie de cojinete que se extiende paralela al eje y dispuesta en forma opuesta a la cuarta superficie de cojinete sobre la flecha. El miembro de cojinete incluyendo conductos adaptados para transportar fluido de lubricación hacia por lo menos la tercera y cuarta superficies de cojinete. Preferiblemente, el miembro de cojinete tiene, en el extremo del mismo opuesto a la primera superficie de cojinete, una quinta superficie de cojinete que se extiende generalmente transversal al eje. Preferiblemente, el miembro de cojinete tiene una sección transversal generalmente en forma de T. Preferiblemente, la primera superficie sobre el elemento de cojinete es definida por una superficie anular elevada sobre la parte superior de la "T" que se extiende parcialmente entre el límite radial interno y el límite radial externo del miembro de cojinete. Preferiblemente, una pluralidad de primeras depresiones alargadas se proveen extendiéndose radialmente en la primera superficie, facilitando así el flujo de fluido lubricante al espacio opuesto a la primera superficie. Preferiblemente, las primeras depresiones se extienden parcialmente entre el límite radial interno y el límite radial externo de la primera superficie. Preferiblemente, una pluralidad de segundas depresiones alargadas se proveen extendiéndose radialmente en la quinta superficie, facilitando así el flujo de fluido lubricante al espacio opuesto a la cuarta superficie. Preferiblemente, las segundas depresiones se extienden parcialmente entre el límite radial interno y el límite radial externo de la quinta superficie. Preferiblemente, en un punto entre los extremos opuestos de la parte alargada del miembro de cojinete en forma de "T", una depresión circunferencial está definida en la superficie en el límite radial externo del miembro de cojinete. Preferiblemente, se provee una pluralidad de primeros canales de lubricación, extendiéndose radialmente entre la depresión circunferencial y el límite radial interno del miembro de cojinete, permitiendo así el flujo de fluido lubricante entre el exterior del miembro de cojinete y el canal cilindrico interno. Preferiblemente, el miembro de cojinete incluye una pluralidad de segundos canales de lubricación, cada canal extendiéndose axialmente entre una primera depresión alargada sobre la primera superficie y una segunda depresión alargada opuesta respectiva sobre la quinta superficie. Preferiblemente, el número de primer y/o segunda depresiones alargadas es entre 2 y 8, preferiblemente 6.

Preferiblemente, el número de segundos canales de lubricación es entre 2 y 8. El cojinete preferiblemente incluye además una arandela, en donde, durante el uso, una superficie de la arandela, se apoya en la quinta superficie del miembro de cojinete y la superficie externa de la arandela está adaptada para apoyarse a una superficie correspondiente de un elemento impulsor, por ejemplo una turbina. La invención provee además un sistema de recuperación, para extraer energía de una fuente de calor de desecho, el sistema siendo un sistema cerrado con un fluido de trabajo circulante, que comprende un intercambiador de calor, una unidad de conversión electromecánica, un sistema de enfriamiento y una unidad de turbina, el intercambiador de calor suministrando, durante el uso, el fluido de trabajo a la unidad de turbina como un gas, en donde la unidad de turbina es mecánicamente acoplada a la conversión electromecánica a través de una flecha, la flecha siendo soportada por un cojinete de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anexas. Preferiblemente, el sistema ¡ncluye además una segunda línea de suministro de fluido de trabajo desde el sistema de enfriamiento al cojinete por lo que el fluido de trabajo es suministrado al exterior del miembro de cojinete, proveyendo así el fluido de lubricante para dicho cojinete. Preferiblemente, el fluido de cojinete es suministrado al cojinete como un líquido.

Una ventaja de la presente ¡nvención es que provee un cojinete que es compacto a escala. Otra ventaja es que es capaz de actuar como un cojinete de montaje de un cojinete de apoyo. En ciertas modalidades, una ventaja es que la lubricación es provista por el fluido de trabajo y no se necesita el suministro de lubricante separado.

Acoplamiento Un problema adicional es que, aunque se conocen acoplamientos magnéticos, hasta ahora ha habido una falta de diseño de acoplamiento capaz de operar a la alta velocidad y en una unidad sellada que enfrente las diferencias de presión extremadamente altas encontradas en algunas industrias. A menudo, un problema es que no es posible proveer dicho dispositivo con dimensiones pequeñas. Por lo tanto, de conformidad con otro aspecto de la invención, se provee un acoplamiento magnético giratorio, que comprende: un primer miembro giratorio, incluyendo una primera flecha que tiene dispuesta sobre la misma un primer miembro magnético, la primera flecha, durante el uso, siendo impulsada por una fuente de energía de rotación, un segundo miembro giratorio, incluyendo una segunda flecha que tiene dispuesta sobre la misma un segundo miembro magnético, dicho segundo miembro giratorio, durante el uso, recibiendo energía de rotación del primer miembro giratorio a través de acoplamiento del primer y segundo miembros de imán en donde uno del primer y segundo miembros magnéticos, o ambos, comprenden una pluralidad de secciones de imán dispuestas en diferentes posiciones angulares con respecto al eje de primera y segunda flechas. Preferiblemente, el primer miembro giratorio está dispuesto con un alojamiento herméticamente sellado, una porción del alojamiento estando dispuesta entre el primer miembro giratorio y el segundo miembro giratorio y estando hecha de un material no magnético. Preferiblemente, el material no magnético comprende acero inoxidable, aleación nimónica, o plástico. En una modalidad, el primer miembro magnético comprende una porción de armadura generalmente cilindrica interna integral con la primera flecha y una pluralidad de primeras secciones de imán unidas de manera fija sobre el exterior de la porción de armadura; y el segundo miembro magnético comprende una porción de soporte generalmente cilindrica externa integral con la segunda flecha y una pluralidad de segundas secciones magnéticas unidas de manera fija al interior de la porción de soporte. Preferiblemente, el primer miembro magnético comprende además una coraza de contención, dispuesta en el exterior de las primeras secciones de imán, para retener las primeras secciones de imán en posición durante rotación a alta velocidad de la primera flecha. La coraza de contención se puede hacer de un material mixto, por ejemplo plástico reforzado con fibra de carbón (CFRF), Kevlar o plástico reforzado con fibra de vidrio (GRP). Preferiblemente, el primer miembro magnético está dispuesto dentro del segundo miembro magnético y separado del mismo por la porción del alojamiento. Preferiblemente, las secciones de imán comprenden imanes de dipolo, la dirección N-S de cada uno extendiéndose radialmente. En otra modalidad, el primer miembro magnético es generalmente en forma de disco y comprende una primera sección de montaje que tiene montada de manera fija dentro del mismo la pluralidad de primeras secciones de imán, las primeras secciones de imán formando así una forma de disco; y el segundo miembro magnético es generalmente en forma de disco y comprende una segunda sección de montaje que tiene montada de manera fija dentro del mismo la pluralidad de segundas secciones de imán, las segundas secciones de imán formando así una forma de disco. Preferiblemente, la primera y segunda secciones de imán forman sectores de un disco. Preferiblemente, la primera y segunda secciones de imán comprenden ¡manes de dipolo con la dirección N-S de cada uno extendiéndose axialmente. Preferiblemente, el primer miembro magnético en forma de disco está dispuesto axialmente alineado adyacente al segundo miembro magnético en forma de disco separado del mismo por la porción del alojamiento. Preferiblemente, el número de secciones magnéticas del primer miembro magnético y/o el segundo miembro magnético, es un número par de 2 o más. Muy preferiblemente, el número de secciones magnéticas del primer miembro magnético, y/o segundo miembro magnético, es 4. Preferiblemente, las secciones de imán están hechas de material de ferrita, samario-cobalto o neodimio-hierro-boro.

La invención provee además un sistema de recuperación de energía de desecho, para extraer energía de una fuente de calor de desecho, el sistema siendo un sistema cerrado con un fluido de trabajo circulante, que comprende un intercambiador de calor, una unidad de conversión electromecánica, un sistema de enfriamiento y una unidad de turbina, la turbina siendo herméticamente sellada y siendo acoplada a la unidad de conversión electromecánica por un acoplamiento magnético de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anexas. Una ventaja de la invención es que es útil a velocidades de rotación altas (v.gr., 25,000 a 50,000 rpm). Una ventaja adicional es que provee una unidad sellada que evita el escape del fluido de trabajo (algunas veces nocivo o peligroso) que impulsa la turbina. Una ventaja adicional es que se permite el diseño relativamente compacto de turbina; y el acoplamiento de aislamiento mecánico/magnético es particularmente ventajoso ya que permite que la potencia de la turbina impulse un alternador estándar, tal como aquellos encontrados en aplicaciones automotrices. Los atributos anteriores aseguran que el acoplamiento magnético pueda ser utilizado ventajosamente en sistemas (v.gr., sistemas de ciclo de Rankine) en donde la conversión de energía ocurre desde los fluidos (gases) a velocidades rotacionales muy altas.

Control de potencia Desventajas adicionales de sistemas de ciclo de Rankine disponibles son que son típicamente plantas de escala grandes que operan en el intervalo de multi-MW, y no son adecuados para la extracción de energía a una escala más pequeña, de fuentes de temperatura relativamente baja, tales como fluido de desecho caliente de instalaciones industriales pequeñas, máquinas de combustión automotrices y similares. Además, en situaciones en donde la energía eléctrica se obtiene de fuentes tales como fuentes de calor de desecho o térmicas solares, es deseable que el sistema se utilice para extraer la energía con la eficiencia óptima. La mayoría de las máquinas del ciclo de Rankine existentes son unidades de velocidad baja con alternadores síncronos, que corren con la misma frecuencia que el suministro de rejilla. La velocidad y control de potencia de la turbina es generalmente por válvulas para desviar la turbina. Por ejemplo, el documento US-B-4,537,032 describe una turbina de ciclo de Rankine modular de etapas paralelas en la cual la carga sobre la turbina es controlada al controlar la operación de cada válvula de ahogador. Y el documento US-A-2002/0108372 describe un sistema de generación de energía que ¡ncluye dos sistemas de turbina de ciclo de Rankine orgánicos de modo de espera, en los cuales un sistema de turbina de ciclo de Rankine incluye una válvula de control para operar y cerrar de acuerdo con la salida del generador del otro sistema de turbina de ciclo de Rankine.

Existe la necesidad de un sistema de recuperación de energía, y técnicas para controlarlos, que supere los problemas antes mencionados y provea un sistema de recuperación mejorado. Por lo tanto, de conformidad con otro aspecto de la invención, se provee un método llevado a cabo en un sistema de recuperación de energía para extraer energía de una fuente de calor de desecho, el sistema siendo un sistema cerrado con un fluido de trabajo circulante, que comprende un intercambiador de calor, una unidad de conversión electromecánica que incluye un alternador, un sistema de enfriamiento, una unidad de turbina y un sistema de control acoplado a la unidad de conversión electromecánica y adaptado para variar el voltaje derivado del alternador que comprende los pasos de: (a) incrementar el voltaje por un paso de voltaje, (b) medir la potencia de salida del alternador; (c) si la potencia de salida medida en el paso (b) es menor que o igual a la potencia de salida previa, (i) disminuir el voltaje por un paso de voltaje, (ii) repetir los pasos de (1) disminuir el voltaje por un paso de voltaje, (2) medir la potencia de salida del alternador, mientras la potencia de salida medida en el paso (c)(i¡)(2) es más que la potencia de salida medida previamente, y si la potencia de salida medida en el paso (b) es más que la potencia de salida previa, repetir los pasos de (iii) incrementar el voltaje por un paso de voltaje, (iv) medir la potencia de salida del alternador, mientras la potencia de salida medida en el paso (c)(iv) es más que la potencia de salida previamente medida.

Alternativamente, cada paso de incrementar el voltaje por un paso de voltaje es repetido por el paso de disminuir el voltaje por un paso de voltaje, y viceversa. La cantidad del paso de voltaje puede ser de aproximadamente 1% a 2.5% del voltaje principal. Preferiblemente, el paso (a) se realiza aproximadamente cada segundo. El paso de medir la potencia de salida del alternador puede comprender medir un voltaje de salida V derivado de la salida del alternador, medir la corriente de salida I derivada de la salida del alternador, y calcular la potencia de salida = V*l. Alternativamente, el paso de medir la potencia de salida del alternador comprende medir la potencia de salida con un dispositivo de medición de potencia separado. Preferiblemente, el método comprende además convertir el voltaje del alternador de una primera frecuencia a una segunda frecuencia. Preferiblemente, la primera frecuencia es mayor que la segunda frecuencia, y la segunda frecuencia es aproximadamente la frecuencia del suministro principal. Preferiblemente, el paso de convertir el voltaje comprende: rectificar la salida de voltaje por el alternador usando un circuito de rectificación derivando así un voltaje de CC, y generando un voltaje de CA a partir de dicho voltaje de CC usando una unidad de acondicionamiento de potencia. El método preferiblemente comprende almacenar el valor medido al último de la potencia de salida.

La invención provee además un sistema de control programable cuando es programado adecuadamente para llevar a cabo el método de cualquiera de las reivindicaciones anexas, el sistema incluyendo un procesador, una memoria, una interfaz acoplada a la unidad de conversión electromecánica y una interfaz de usuario. Una ventaja de la presente invención es que hace posible sistemas y técnicas que aumenten al máximo la eficiencia y sean aplicables en sistemas de alta velocidad compactas, y en particular unidades de baja potencia. Purificación de fluido de trabajo En muchos sistemas de conversión de energía convencionales que operan como sistemas cerrados y que utilizan un dispositivo de expansión tal como una turbina, v.gr., sistemas de ciclo de Rankine, se utiliza un fluido de trabajo, que pasa a través de varias etapas en el sistema y están en forma líquida en algún punto. Típicamente, cuando el sistema es inicialmente llenado, el fluido de trabajo es un líquido, y por lo tanto el resto del sistema se debe llenar con un gas tal como nitrógeno. Un problema con dichos sistemas es que, si hay gases no condensables presentes durante la operación del sistema, el rendimiento global puede ser sustancialmente reducido. Esto se debe, por ejemplo con un sistema basado en turbina, a que la presión que el gas de turbina expande hasta una salida puede ser tan baja como sea posible, a fin de hacer la relación de presión de turbina (presión en la entrada: presión en la salida) tan alta como sea posible. Las técnicas para intentar enfrentar este problema se han descrito en las patentes de E.U.A. 5,119,635 y 5,487,765. Sin embargo, estas imponen el requerimiento adicional de un aparato separado para bombear gases fuera del condensador, enfriarlos para condensar el fluido de trabajo y dejar gases no condensables indeseables, y después bombear el fluido de trabajo líquido de regreso al sistema. La presente invención busca proveer un sistema más simple y fácilmente implementado para remover impurezas de un fluido de trabajo. Por lo tanto, de conformidad con otro aspecto de la invención, se provee un sistema de purificación de fluido de trabajo para un sistema de conversión de energía, el sistema de conversión de energía siendo un sistema cerrado con un fluido de trabajo circulante que circula en una trayectoria a través del mismo y que incluye un dispositivo de expansión, por ejemplo una turbina, que comprende: un tanque de expansión; un diafragma dentro de un tanque de expansión, definiendo así un volumen variable conectado para recibir el fluido de trabajo; y una válvula de control dispuesta entre la trayectoria y el tanque de expansión, la válvula de control estando adaptada para controlar el flujo de fluido hacia y/o desde el volumen variable; en donde la válvula de control es conectada a través de un conducto al punto de conexión en la trayectoria, dicho punto de conexión estando en el punto de la trayectoria más alto.

Preferiblemente, la válvula de control está montada en un punto más alto que en el punto de conexión. Preferiblemente, el tanque de expansión está montado en un punto más alto que la válvula de control. El sistema preferiblemente incluye además un controlador, el controlador estando adaptado para abrir y cerrar la válvula de control. Preferiblemente, el controlador está configurado para realizar un ciclo de purificación, dicho ciclo de purificación comprendiendo la abertura de la válvula de control durante un primer periodo predeterminado y cerrar la válvula de control durante un segundo periodo predeterminado. Preferiblemente, el controlador está configurado para realizar, en una secuencia de inicio de duración predeterminada después del encendido del sistema, una pluralidad de ciclos de purificación. Preferiblemente, la pluralidad de ciclos de purificación comprende aproximadamente 3 a 5 ciclos de purificación. Preferiblemente, el primer periodo predeterminado es de aproximadamente 1 minuto y el segundo periodo predeterminado es de aproximadamente diez minutos. El sistema preferiblemente incluye además un sensor de presión acoplado al controlador; en donde el controlador está configurado para realizar por lo menos un ciclo de purificación cuando la presión indicada por el sensor está por arriba de un nivel predeterminado. Preferiblemente, el sensor de presión está dispuesto para detectar la presión en la salida de una turbina (dispositivo de expansión).

En otro aspecto de la invención se provee un sistema de recuperación de energía para extraer energía eléctrica de una fuente de calor, que comprende: el sistema de purificación de fluido de trabajo de cualquiera de las reivindicaciones anexas, una turbina, un ¡ntercambiador de calor, una unidad de conversión electromecánica y un sistema de enfriamiento, el intercambiador de calor suministrando, durante el uso, el fluido de trabajo a la turbina. La presente ¡nvención se describirá ahora a manera de ejemplo con referencia a los dibujos anexos en los cuales: la figura 1A muestra una vista general esquemática de un sistema de recuperación de energía de conformidad con un aspecto de la invención, y la figura 1B electrónica intermedia que modifica la salida del alternador; la figura 2 es una ilustración esquemática de la derivación de una fuente de calor de desecho en un aspecto de la invención; la figura 3 ilustra con más detalle la unidad de turbina y alternador de las figuras 1 A y 1 B; la figura 4 es una vista agrandada del cojinete de turbina en la figura 3; las figuras 5A a 5G muestran con más detalle el miembro de cojinete utilizado en el cojinete en la figura 4, que indica flujos de fluido; las figuras 6A a 6H ilustran un acoplamiento alternativo (magnético) de la unidad de turbina y alternador de las figuras 1A y 1 B, en otro aspecto de la invención; las figuras 7A a 7D proveen varias vistas de un sistema basado en microturbina (figuras 7A y 7C) en aislamiento, (figuras 7B y 7D) con un recuperador, incorporando, de conformidad con los aspectos de la invención, un sistema de recuperación de energía; la figura 8A muestra un sistema de generación de energía basado en máquina de IC, y (figura 8B) el mismo sistema que incorpora, de conformidad con otro aspecto de la ¡nvención, un sistema de recuperación de energía; y la figura 9 muestra un sistema de generación de energía basado en pila ensanchada que incorpora, de conformidad con otro aspecto de la invención, un sistema de recuperación de energía. Pasando a los dibujos, en los cuales los números iguales se han usado para designar elementos iguales, la figura 1A es una vista general esquemática de un sistema de recuperación de energía 100 de conformidad con un aspecto de la invención. Las referencias aquí a "sistema de recuperación de energía" ¡ncluyen referencia a sistemas de recuperación de energía que recuperan energía (v.gr., eléctrica) de fuentes de energía (v.gr., calor) que de otra manera sería desechada, y sistemas de conversión de energía que convierten energía de una forma (v.gr., calor) a otra (v.gr., eléctrica) en circunstancias en donde la energía original (calor) no habría sido necesariamente desechada pero puede haber sido usada en su forma existente (v.gr., para contribuir por lo menos a calentamiento de un edificio).

Un intercambiador de calor principal 102 tiene por lo menos una entrada de fluido de fuente 104 a través del cual recibe un fluido de fuente calentado que incorpora la energía térmica que se busca que sea recuperada por el sistema. La temperatura del fluido de fuente al entrar al ¡ntercambiador de calor principal 102 está designada como t1. El intercambiador de calor principal 102 puede ser impulsado por cualquier fuente de calor, y ejemplos de las fuentes incluyen aire caliente, vapor, aceite caliente, gases de escape de máquinas, fluido caliente de desecho de procesos de fabricación, fluidos de escape de sistemas de generación de electricidad basados en microturbinas, sistemas de generación de electricidad basados en máquina del IC, pilas ensanchadas que queman gases de escape, etc. Alternativamente, la fuente de calor puede ser energía térmica solar que calienta un fluido adecuado (v.gr., aceite de transferencia de calor) que forma el fluido de fuente para el intercambiador de calor principal 102. Refiriéndose brevemente a la figura 2, ésta es una ilustración esquemática de la derivación de una fuente de desecho en un aspecto de la invención: un ejemplo importante de energía desechada es la máquina de combustión interna ubicua, ya sea gasolina, diesel o gas combustionado, reciprocante o turbina. La mejor máquina impulsada por combustible fósil de ciclo simple (distinta a las estaciones de potencia muy grandes o máquinas marinas) será entre 35-40% eficiente: esto significa que 60-65% de la energía del combustible usado para impulsar la máquina se pierde como calor de desecho. Regresando a la figura 1A, el fluido de fuente sale del intercambíador de calor principal 102, a un temperatura reducida t2, a través de por lo menos una salida de fluido de fuente 106. El intercambiador de calor principal 102, que es adecuadamente del tipo de flujo de contador cruzado, también tiene una entrada para fluido de trabajo 108 y una salida para fluido de trabajo 110, a través de la cual recibe (como un líquido a temperatura t3) y despacha (a temperatura t4), respectivamente, el fluido de trabajo del sistema. El fluido de trabajo, que es calentado y vaporizado dentro del intercambiador de calor principal 102, es escogido cuidadosamente de modo que sus propiedades termodinámicas y químicas son adecuadas para el diseño del sistema y las temperaturas y presiones de operación. En una modalidad, el fluido de trabajo es HFE-7100. Después de salir de la salida para fluido de trabajo 110 del ¡ntercambiador de calor principal 102, el fluido de trabajo gaseoso fluye en la dirección de la flecha A a la entrada de turbina 112 de la unidad de turbina 114. El fluido de trabajo llega a la unidad de turbina 114 a presión p1 , pierde calor y presión al impulsar la turbina (no mostrada) montada sobre la flecha de turbina 116 dentro de la unidad de turbina 114, y sale de la unidad de turbina 114 a través de las salidas de turbina 118 a presión p2, que es sustancialmente menor que p1. En una modalidad, la presión p1 es 11.5 bar absolutas y la presión p2 es 1.0 bar absolutas.

En una modalidad, la flecha de turbina 116 está montada en un cojinete (no mostrado) y está mecánicamente acoplada a un alternador 120, v.gr., la turbina y armadura de alternador (no mostrada) están montadas sobre la flecha común 116. De esta manera, la rotación a alta velocidad de la flecha de turbina 116 hace que la energía eléctrica sea generada en el alternador 120, el voltaje consecuente apareciendo en la salida del alternador 122. El acoplamiento de la flecha de turbina 116 al alternador 120 se describe adicionalmente más adelante con referencia a las figuras 3 hasta 5G. Después de salir de las salidas de turbina 118, el fluido de trabajo viaja en la dirección de las flechas B a la entrada 124 de un segundo ¡ntercambiador de calor 126, que actúa como un precalentador del fluido de trabajo usando el escape de turbina. El fluido de trabajo es por lo tanto introducido al segundo intercambiador de calor 126 a temperatura t5 y sale por la salida 128 a una temperatura inferior t6. Al mismo tiempo, el segundo intercambiador de calor recibe otro flujo de fluido de trabajo (en la dirección de las flechas C), por abajo de su punto de ebullición y en forma líquida, mediante la entrada 130 a temperatura t7. En el segundo intercambiador de calor 126, la energía térmica es transferida al flujo de fluido de trabajo que lleva una entrada 130, el flujo de fluido sale por la salida 132 a temperatura t.3, y fluye (en la dirección de las flechas B) a la entrada 108 del intercambiador de calor principal 102. El sistema también ¡ncluye una unidad de condensación (o enfriador de agua) 134, en el cual el agua fría llega a través de la entrada 136 y sale por la salida 138. Durante el funcionamiento, el fluido de trabajo del segundo intercambiador de calor 126, que fluye en la dirección de la flecha E, llega en la unidad de condensación 134 a través de la entrada 140, es enfriada y condensada hacia un líquido en la unidad de condensación 134, y después sale por la salida 142. El fluido de trabajo líquido (a temperatura t7), es forzado por la bomba 144 a través de la válvula 146 en la dirección de las flechas C y forma el segundo suministro de fluido de trabajo que llega en el segundo ¡ntercambiador de calor 126, para empezar el ciclo nuevamente. En una modalidad, una línea de fluido separada 160 suministra fluido de trabajo líquido al cojinete que acopla la unidad de turbina 114 y al alternador 120, para lubricación. Por lo tanto, el sistema opera en un ciclo de Rankine y se sella, de modo que no hay escape o consumo de fluido de trabajo, que simplemente cicla a través de sus diversas fases. En una modalidad, el sistema incluye un sistema de control 150, para controlar la salida de la potencia por el sistema. La mayoría de las máquinas de ciclo de Rankine existentes son unidades de baja velocidad con alternadores síncronos, que corren a la misma frecuencia que el suministro de rejilla. La velocidad de turbina y el control de potencia es generalmente por válvulas para desviar la turbina. Sin embargo, el sistema de conformidad con un aspecto de la presente invención utiliza un alternador de alta velocidad 120, y una unidad de acondicionamiento de potencia preferiblemente se usa para convertir la salida de alternador de alta frecuencia a frecuencia principal.

De manera más específica, el sistema de control incluye electrónica intermedia 151 , una unidad de acondicionamiento de potencia (PCU) 152 y un controlador 154. La salida de potencia por el alternador 120 en la salida 122 es a una frecuencia muy alta, debido a la rotación a alta velocidad de la flecha de turbina, y es modificada por electrónica intermedia 151 , que se describe con más detalle en la figura 1 B. Haciendo referencia a la figura 1 B, las salidas 122 del alternador 120 se conectan a las entradas 160 (tres de ellas, para un alternador de 3 fases) de electrónica intermedia, generalmente designada como 151. La primera etapa de electrónica intermedia 151 es una etapa de transformador opcional 162, para reforzar el voltaje sobre cada una de las líneas: esto asegura, cuando se necesita, que haya suficiente voltaje de CC que aparezca finalmente en la PCU 152 que una onda sinusoidal de 240 V completa (por suministro principal de UK) se pueda generar en la salida de la PCU 152. En ciertas modalidades, sin embargo, la salida del nivel de voltaje por el alternador 120 es suficientemente alta de tal manera que la etapa de transformador 162 puede ser omitida. Enseguida, la salida de voltajes por la etapa de transformador 162 a 164 pasa a la etapa de rectificación 166, que comprende un conjunto de seis diodos de rectificación 168, como se conoce bien el la técnica. Por lo tanto, un voltaje casi de CC rectificado es suministrado a las salidas 170 de la etapa de rectificación 166, y éste, en condiciones de operación normales, aparece en la salida 172 de la electrónica intermedia 151.

En el caso de una pérdida repentina de conexión de rejilla toda la carga del alternador se perderá. Esto podría causar una sobrevelocidad significativa del alternador 120, y de esta manera también un valor de descarga (no mostrado) para desviar la turbina, la electrónica intermedia 151 incluye una etapa de seguridad 174 que incluye un resistor de descarga 146 para suministrar una carga al alternador 120 en el caso de pérdida de conexión de rejilla, para evitar sobrevelocidad. Un transistor 176 está en serie con el resistor de descarga 158 a través de las salidas 172, con la base b del transistor 176 siendo impulsada por una unidad de detección de sobrevelocidad (no mostrada). Esta última suministra una señal de PWM al transistor 176, cuyo ciclo de trabajo es proporcional al grado de sobrevelocidad, por lo que mientras más alta es la sobrevelocidad mayor será la carga aplicada por el resistor de descarga 158. Como se puede ver en la figura 1 B, la potencia suministrada en las salidas 172 (referida aquí como barra colectora de CC) es a un voltaje V y corriente I, y esto es suministrado a la PCU 152. La PCU 152, que se conoce en la técnica, está adaptada para convertir potencia de CC a CA a la frecuencia principal (50 Hz en UK) y voltaje (240 V en UK). La PCU a su vez es capaz de variar el voltaje de la barra colectora de CC para ajustar la salida de potencia del sistema. AI variar el voltaje de la barra colectora de CC (V en la figura 1 B) la unidad de acondicionamiento de potencia 152 controla la velocidad de la flecha de turbina 116. Al reducir el voltaje de la barra colectora se incrementa la carga sobre el alternador 120, causando que más corriente sea atraída desde el alternador. Por el contrario, al incrementar el voltaje de la barra colectora se hace que la corriente de alternador caiga. Al calcular la potencia (v.gr., usando P=VI, o usando un dispositivo de medición de potencia) antes y después del cambio de voltaje de la barra colectora, se puede determinar si la potencia se incrementó o se redujo por el cambio de voltaje de la barra colectora. Esto permite que el punto de salida de potencia máximo del alternador 120 se encuentre y después sea continuamente "rastreado" al alterar el voltaje de la barra colectora. En una modalidad, el voltaje suministrado por el alternador a ninguna carga es de 290Vac (todos los voltajes se miden de línea a línea) en cada una de las tres fases a 45,000 rpm, la velocidad nominal máxima del alternador 120. La velocidad más baja a la cual la potencia puede ser generada es 28,000 rpm, punto al cual el voltaje es 180 V CA a ninguna carga. Al incrementar la carga también se reducirá el voltaje del alternador: por ejemplo, a 45,000 rpm, el voltaje será de 210 V CA a 6.3 kW. El control de salida de potencia al variar el voltaje de la barra colectora se puede implementar por electrónica análoga o digital adecuada, microcontrolador o similar. También puede ser controlada manualmente usando una computadora personal (PC) como el controlador 154. Preferiblemente, sin embargo, la salida de potencia es controlada automáticamente usando una PC adecuadamente programada u otra maquinaria de computación como el controlador 154. En cualquier caso, la PC comunica con la PCU 152 por medio de un dispositivo de comunicación en serie RS232, aunque también se podría usar un adaptador RS422 o RS485, como se conoce en la técnica. La PC por lo tanto, en cualquier tiempo, puede tener una lectura de V y I, y por lo tanto permitir que se conozca la potencia instantánea. En el caso de control de PC automático, el método de control puede ser por medio de software adecuado implementando lo siguiente. Mientras el sistema está encendido, Incrementar el voltaje de la barra colectora en un paso de voltaje Medir la nueva potencia (=VI) Si la nueva potencia es menor que o igual que la vieja potencia, entonces reducir el voltaje en un paso de voltaje reducir el voltaje en un paso de voltaje medir la nueva potencia mientras la nueva potencia es mayor que la vieja potencia o bien incrementar el voltaje en un paso de voltaje medir la nueva potencia mientras una nueva potencia es mayor que la vieja potencia. Los expertos en la técnica apreciarán que el tamaño del paso de voltaje se determina operando condiciones y es una fracción pequeña adecuadamente determinada (v.gr., 1-2.5%) del voltaje de barra colectora promedio. En una modalidad, el cambio de paso de voltaje se hace aproximadamente cada segundo. Otra característica opcional incorporada en el sistema es un sistema de purificación de fluido de trabajo, generalmente designado 170 en la figuras 1A y 1 B. Como se mencionó anteriormente, si hay gases no condensables presentes durante la operación del sistema, el rendimiento global puede ser sustancialmente reducido, es decir, la relación de presión de la turbina es menor de lo que debería ser. Por ejemplo, en la turbina mencionada en los ejemplos aquí, la presión de entrada p1 es proyectada para ser de 20 bar; y si la presión de salida p2 es de 2 bar en vez de 1 bar pretendido, la relación de presión es de 10 en vez de 20, dando un rendimiento significativamente reducido. Una dificultad es que cuando se llena el sistema inicialmente, el fluido de trabajo es un líquido y el resto del sistema debe ser llenado con un gas, por ejemplo nitrógeno. Cuando se realiza este paso, la presión puede ser reducida a por abajo de presión atmosférica para reducir la masa de nitrógeno en el sistema. Sin embargo, la presión no puede ser reducida demasiado, o puede ocurrir cavitación en la bomba. Por lo tanto, la forma óptima para remover el gas no deseado del sistema es durante la operación del sistema. El sistema de purificación de fluido de trabajo 170 incluye un conducto 172 conectado en un extremo al punto Q en el segundo intercambiador de calor (precalentador) 126 y en el otro extremo a la válvula de control 174 que puede estar en el puerto de entrada/salida de la base 176 de un tanque de expansión 176, que, en un ejemplo, puede ser el tipo de tanque de expansión usado en sistemas de calentamiento central. El tanque de expansión 176 tiene una membrana flexible o diafragma 178 por lo que en su parte más baja puede contener un volumen V variable de gas y/o líquido. En el ejemplo (sistema de 6 kW) mencionado más adelante, las mediciones son las siguientes. Volumen del sistema 70 litros Volumen del fluido 18 litros Volumen del tanque de expansión 50 litros Como se puede ver, cuando el sistema es inicialmente llenado con fluido, habrá 52 litros de nitrógeno. Al reducir la presión de este gas con una bomba de vacío se reduce la cantidad de gas que tiene que ser contenida en el tanque de expansión 176, lo que significa que puede hacerse más pequeña. Este bombeo también hace que el diafragma 178 se expanda hacia el tanque de expansión, haciendo que todo el tanque, o casi todo el tanque, esté disponible para recibir gases. Puesto que el nitrógeno gaseoso tiene una densidad menor que la del vapor del fluido de trabajo, tiende a acumularse en el lugar más alto dentro del sistema. En este punto (Q en las figuras 1A y 1 B), el fluido puede ser llevado hacia el tanque de expansión 176, el diafragma 178 permitiendo que la expansión tenga lugar, agrandando el volumen V; es decir, con la válvula de control 174 abierta, se permite que los gases se muevan lentamente dentro del tanque de expansión 176. Puesto que el nitrógeno tiene una densidad más baja que el fluido de trabajo, la mayor parte del contenido del tanque de expansión 176 será nitrógeno, con sólo un poco de fluido de trabajo. Una vez que la válvula 174 ha sido cerrada, el tanque de expansión 176 y su contenido se enfrían naturalmente, haciendo que el fluido de trabajo se condense. La próxima vez que se abra la válvula de control 174, el fluido de trabajo (ahora líquido) fluye de regreso bajo gravedad hacia el circuito principal del sistema (mediante la válvula de control 174 y conducto 172), mientras que los gases no condensables tienden a permanecer en el tanque de expansión 176 debido a su densidad más baja. Un ciclo de (a) válvula de control abierta durante un periodo fijo, seguido por (b) válvula de control cerrada durante un periodo fijo se usa para purificar el fluido de trabajo y este ciclo puede ser repetido varias veces (por ejemplo, aproximadamente 3 a 5 veces), durante el inicio del sistema de recuperación de energía, para recoger tanto nitrógeno como sea posible en el tanque de expansión 176. En el sistema antes mencionado (6 kW), la válvula de control 174 se abre durante un minuto y después se cierra durante diez minutos. La apertura y cierre de la válvula de control 174 se puede realizar manualmente, o se puede realizar automáticamente por un controlador adecuado, en este caso el controlador 154. El sistema preferiblemente también incluye un sensor de presión acoplado al controlador 154, el sensor de presión siendo colocado para detectar la presión en la salida del dispositivo de expansión (turbina); y el ciclo de purificación puede ser repetido si la presión empieza a acumularse durante la operación normal del sistema y se detecta en el sensor de presión que la presión ha excedido un umbral de seguridad predeterminado. La figura 3 ilustra con más detalle el acoplamiento de la unidad de turbina y alternador de la figura 1A. Aquí, la unidad de turbina está designada generalmente como 114 y el alternador generalmente está designado como 120. La flecha de turbina gira alrededor de un eje 302 y es integral con una sección 304 que forma parte del rotor 306 del alternador 120. En general, imanes permanentes parcialmente cilindricos 308 están dispuestos en la sección 304 de la flecha 116. La retención de los imanes 308 en su posición sobre la flecha 116 es mediante un cilindro de retención 309: este cilindro de retención (hecho de material no magnético tal como CFRP) asegura que los imanes 308 no sean descargados durante la rotación a alta velocidad de la flecha 116. El estator 311 , que incorpora una pluralidad de devanados (no mostrados) en los cuales se genera corriente, está montado alrededor del rotor 306, como se conoce en la técnica, y está encerrado dentro del alojamiento 310. La sección 304 de la flecha 116 es soportada en un extremo del alojamiento 310 mediante un cojinete de apoyo 312, y el otro extremo del cojinete generalmente designado como 314, que se describe con más detalle más adelante. La figura 4 es una vista agrandada del acoplamiento de turbina-cojinete en la figura 3. Como se puede ver, la unidad de turbina 114 incluye una primera etapa de turbina 402 y una segunda etapa de turbina 404. El fluido de trabajo calentado a alta presión (a la presión p1) en el espacio 406 dentro del alojamiento de la unidad de turbina 408 entra a través del puerto de entrada 410 de la primera etapa de turbina 402 y fluye en la dirección de la flecha F para incidir sobre una primera serie de alabes 412 montados de manera segura sobre la flecha 116. El fluido de trabajo que fluye rápido imparte de esta manera energía de rotación a la flecha 116. Al salir de la primera etapa de turbina 402 (en la presión p3), el fluido de trabajo fluye en la dirección de la flecha G. Enseguida, el fluido de trabajo en la presión (intermedia) p3 (que es sustancialmente menor que p1 , pero aún relativamente alta) pasa, a través del conducto 413, a la siguiente etapa de turbina 404. Ahí, el fluido de trabajo entra por el puerto de entrada 414 de la segunda etapa de turbina 404 y fluye en la dirección de la flecha H para incidir sobre una segunda serie de alabes 416 montados de manera segura sobre la flecha 116. El fluido de trabajo que fluye rápido imparte de esta manera energía de rotación adicional a la flecha 116. Al salir de la segunda etapa de turbina 404 (en la presión p2), el fluido de trabajo fluye en la dirección de la flecha J. Por lo tanto, p1 > p3 > p2. Como se puede ver, las dimensiones axial y radial de las alabes 416 de la segunda etapa de turbina 404 son mayores que las de las alabes 412 de la primera etapa de turbina 402. En una modalidad, hay dos etapas de turbina de diámetro igual, y la dimensión axial de la primera etapa de turbina es de 3/10 de diámetro, y la dimensión axial de la segunda etapa de turbina es de 4/10 del diámetro. En otra modalidad, hay tres etapas de turbina. Los diámetros de la primera, segunda y tercera etapas de turbina están en la relación de 4:5:6. La dimensión axial de la primera etapa de turbina es de 0.375 x del diámetro respectivo. La dimensión axial de la segunda etapa de V es de 0.35 x del diámetro respectivo. La dimensión axial de la primera etapa de turbina es de 0.33 x del diámetro respectivo. La elección de material para el cual las etapas de turbina son fabricadas es importante. En una modalidad del sistema, se usa aluminio (Al 354; una aleación de colado de alta resistencia); y en un sistema más grande (120 kW) se usa acero inoxidable (E3N). El requerimiento principal para el material es que tenga una relación alta de resistencia a la tensión final (UTS) a densidad. Cuando se gira a alta velocidad, mientras mayor es la densidad de material, mayores serán los esfuerzos en la turbina, y por lo tanto también se requerirán materiales más densos para que tengan resistencia proporcionalmente más alta. De conformidad con una modalidad, las etapas de turbina (también referidas como ruedas de turbina) que incorporan las alabes están hechas de plásticos de ingeniería, tales como polieteretercetona (PEEK) llenados con 40% de fibra de carbón. Dichos materiales tienen la ventaja de un costo muy bajo ya que las ruedas de turbina se pueden producir mediante moldeo por inyección. Las ruedas de turbina de plástico son montadas, usando una técnica de fijación adecuada, en por ejemplo una flecha de acero. Las propiedades de varios materiales de turbina se exponen en el cuadro 1.

CUADRO 1 Como se puede ver a partir del cuadro 1 , el mejor material (relación de UTS/densidad más alta) es PEEK con 40% de CF. Otros dos plásticos de alto rendimiento (Ultern 2400 y Valox 865) también se incluyen en el cuadro 1 para ilustrar la amplitud de plásticos disponibles y adecuados para usarse en la fabricación de las etapas de turbina. Una consideración en el uso de plásticos (por lo menos tres hileras en el cuadro 1) es el efecto sobre la temperatura de operación (temperatura de entrada a la turbina) que se puede utilizar. Mientras que en los sistemas con turbina de aluminio esta temperatura puede ser hasta de 200°C, y puede ser aún mayor con turbinas de acero inoxidable, los sistemas con, por ejemplo, turbinas de PEEK con 40% de CF se puede usar únicamente hasta 150°C. En el último caso, el ciclo del sistema global 100 está diseñado para tomar en cuenta esta temperatura de operación. Regresando a la figura 4, una arandela 418 se provee unida de manera fija a un espaldón 420 de la etapa de turbina 404 y tiene su otra superficie apoyándose a miembro de cojinete 422, que se describe con más detalle más adelante, y durante el funcionamiento, el fluido de trabajo penetra el espacio entre la arandela 418 y el miembro de cojinete 422, para proveer lubricación. El miembro de cojinete 422 tiene una sección transversal generalmente en forma de T. Incluye una primera superficie de cojinete 424 sobre una porción elevada en la parte superior de la T; y durante el uso, esta superficie está dispuesta opuesta a una segunda superficie de cojinete 426, sustancialmente de la misma forma anular y tamaño, sobre la flecha 116 cerca de la sección de armadura 304. El miembro de cojinete 422 tiene un canal cilindrico central 428, definiendo así un tercera superficie de cojinete cilindrica 430 sobre el miembro de cojinete 422 que está dispuesto opuesto a la cuarta superficie de cojinete 432 sobre el exterior de la flecha 116. Una quinta superficie de cojinete 434 está provista sobre el miembro de cojinete 422 en el extremo del mismo opuesto a la primera superficie de cojinete 424, y ésta está dispuesta opuesta a la superficie respectiva de la arandela 418. En una modalidad, el fluido de trabajo penetra todos los espacios definidos a las superficies de cojinete opuestas 424, 430 y 434 del miembro de cojinete 422, proveyendo así lubricación del cojinete. En una modalidad, el fluido de trabajo está provisto como un líquido desde la bomba 144 (véase figura 1A) a través del tubo para fluido 160, separado de los flujos principales, que comunican con la superficie exterior del miembro de cojinete 422. Se apreciará que el cojinete en esta forma provee un cojinete de empuje bidireccional; el miembro de cojinete 422 tiene dos superficies de cojinete 424 y 434, que le permiten recibir empuje en dos direcciones.

Las figuras 5A a 5G muestran con más detalle el miembro de cojinete 422 utilizado en el cojinete en la figura 4, que indica los flujos de fluido. La figura 5A es una vista extrema que muestra la primera superficie de cojinete 424. La brida 502, que forma la parte superior de la T, está provista con dos agujeros de tornillo 504 que permiten que el miembro de cojinete 422 sea atornillado o fijado mediante perno al alojamiento 310 del alternador 120. Seis primeras depresiones alargadas (ranuras) que se extienden radialmente igualmente separadas 506 están dispuestas en la primera superficie de cojinete 424, que se extiende desde la extremidad interna radial de la primera superficie de cojinete 424 hacia la extremidad radial exterior de la primera superficie de cojinete 424, permitiendo el paso de fluido lubricante. Como se ve en la figura 5B, cada depresión 506 no alcanza la extremidad exterior 508 de la primera superficie de cojinete 424. En la modalidad de la figura 5A, cada depresión 506 está provista con segundos canales de lubricación que se extienden axialmente 510, los cuales se extienden a una depresión circunferencial (o ranura) descrita más adelante. En otras modalidades, puede no haber un segundo canal de lubricación 510 en cada depresión 506; por ejemplo, la figura 5C ilustra el caso en donde un segundo canal de lubricación 510 está provisto sólo en dos de las depresiones 506. Haciendo referencia a la figura 5D, una depresión que se extiende circunferencialmente (ranura) 512 se provee en la superficie exterior 514 del miembro de cojinete 422. Se puede ver que los primeros canales de lubricación 516 (aquí, cuatro de ellos están separados círcunferencialmente de igual manera) se extienden entre las depresiones que se extienden circunferencialmente 512 y el interior del miembro de cojinete 422, permitiendo el paso de fluido de lubricación. Como se ve mejor en la figura 5E, los segundos canales de lubricación 510 se extienden entre la primera superficie de cojinete 424 y la depresión circunferencial 512. Los extremos de los segundos canales de lubricación 510 también se muestran en la figura 5F. Esta figura también muestra una pluralidad (aquí seis) de segundas depresiones alargadas (ranuras) 516 dispuestas en la quinta superficie de cojinete 434. Dos de las segundas depresiones alargadas 516 tienen segundos canales de lubricación que se extienden desde las mismas hasta la depresión circunferencial antes mencionada 512. La figura 5G es una sección transversal parcial que muestra las depresiones y canales de otra manera. Regresando a la figura 5E, el fluido de lubricación entra al miembro de cojinete 422 en la dirección de las flechas K. El fluido fluye en la dirección de las flechas L hasta las primeras depresiones alargadas 506 en la primera superficie de cojinete 424, en la dirección de la flecha M hasta las segundas depresiones alargadas 516 en la quinta superficie de cojinete 434, y en la dirección de la flecha N (en el papel) al ¡nterior del miembro de cojinete y la tercera superficie de cojinete 430, lubricando así el cojinete.

EJEMPLO 1 Los valores específicos para un ejemplo (versión de 6kW) del sistema se exponen a continuación. Todas las presiones son en bar (absoluto). Todas las temperaturas están en °C. El fluido de trabajo es HFE-7100.

EJEMPLO 2 Los valores específicos para un segundo ejemplo (versión de 120 kW) del sistema se exponen a continuación. Todas las presiones son en bar (absoluto). Todas las temperaturas están en °C. El fluido de trabajo es hexano.

Los resultados del sistema demuestran una eficiencia termodinámica muy útil (electricidad útil para calentamiento) para las industrias de recuperación de calor e industrias térmicas solares - 10% para una entrada de fluido de fuente a 110°C hasta 22% de la entrada de fluido de fuente a 270°C. Haciendo referencia a las figuras 6A a 6H, ésta ilustra un acoplamiento alternativo (magnético) de la unidad de turbina y alternador de la figura 1A, en otro aspecto específico de la invención. La vista en la figura 6A es una sección transversal axial del acoplamiento, que muestra un primer miembro giratorio 602 formado de flecha de turbina 604 y un primer miembro magnético 606. A su vez, el primer miembro magnético 606 comprende una porción de armadura 608, hecha de acero o hierro, integral con la flecha, y una pluralidad de secciones de imán 610, que han de ser descritas más adelante. Un primer miembro giratorio 602 es herméticamente sellado dentro de un. alojamiento 612 que contiene la turbina (no mostrada) y fluido de trabajo, el alojamiento incluyendo una porción cilindrica 614 que contiene el primer miembro magnético 606. Por lo menos la porción 614 está hecha de un material no magnético, tal como acero inoxidable, aleación nimónica o plástico. Un segundo miembro giratorio 616 comprende una segunda flecha 618 y un segundo miembro magnético generalmente cilindrico 620 integral con la misma. El segundo miembro magnético a su vez comprende un miembro de soporte externo 622 que tiene una pluralidad de segundas secciones de imán 624 unidas de manera fija al ¡nterior del mismo. Como se muestra mejor en la figura 6B, el primer miembro giratorio 602 puede tener una coraza de contención mixta 626 alrededor de por lo menos la parte cilindrica del mismo, para mantener las primeras secciones de imán 610 en su lugar durante la rotación a alta velocidad. La coraza de contención puede estar hecha de un material mixto tal como plástico reforzado con fibra de carbón (CFRP), kevlar o plástico reforzado con fibra de vidrio (GRP). La figura 6C es una vista en sección transversal en A-A en la figura 6A. Esta muestra las primeras secciones de imán 610 y segundas secciones de imán 624 con más detalle; en este caso hay cuatro de cada una. Las secciones de imán son alargadas, con una sección transversal similar al sector de un disco. Las secciones de imán son imanes permanentes formados de un material adecuado, tal como material de ferrita, samario-cobalto o neodimio-hierro-boro. La dirección de norte-sur para las secciones de imán es radial, como se ilustra esquemáticamente en la figura 6D. Pasando a la figura 6E, ésta muestra una modalidad alternativa, en la cual el primer miembro magnético 606' y el segundo miembro magnético 620' son sustancialmente en forma de disco. El primer miembro magnético 606' comprende una primera sección de montaje 628 y primeras secciones de imán 610', y el segundo miembro magnético 620' incluye una segunda sección de montaje 630 y segundas secciones de imán 624'. Igual que antes, una porción no magnética 614' del alojamiento ( similar a 614 y hecha del material no magnético antes mencionado) separa las caras de los miembros magnéticos en forma de disco 606' y 620', que están en estrecha proximidad. La disposición de los polos para las secciones de imán en uno o ambos del primer y segundo miembros magnéticos 606', 620', se ilustra esquemáticamente en la figura 6F. Como se ¡lustra también en la figura 6G, la polaridad de la cara de las secciones de imán 619' (o 624') alternan al ir tangencialmente de sección de imán a sección de imán. Estas disposiciones de imán permiten acoplamiento y transferencia de energía de rotación y par de torsión desde la flecha de turbina 604 hasta la flecha 618 del alternador, y están adaptadas para hacer eso a velocidades relativamente altas, v.gr., 25,000 a 50,000 rpm. Las figuras 7A a 7D proveen varias vistas de un sistema basado en microturbina (figuras 7A y 7C) en aislamiento, (figuras 7B y 7D) con un recuperador, incorporando, de conformidad con aspectos de la invención, un sistema de recuperación de energía. Haciendo referencia a la figura 7A, ésta muestra un sistema de microturbina generalmente designado como 700. Dichos sistemas son típicamente estimados del orden de 60 kW y se usan en edificios medianos a grandes (residenciales, comerciales, gubernamentales, etc.) para generar electricidad desde la combustión en sitio de combustible. El sistema de microturbina 700 incluye una cámara de combustión 702 alimentada por una línea de suministro de combustible 704 y línea de suministro de aire 706 proveyendo gas que contiene oxígeno, v.gr. aire. El combustible suministrado a través de la línea 704 puede ser, por ejemplo, gas natural, diesel o queroseno. Los gases callentes de escape de la cámara de combustión 702 son transportados a través del conducto de escape 708 a una turbina 710 por lo que imparten energía de rotación a la flecha de turbina 712. La flecha de turbina 712 impulsa tanto a un generador 714 (v.gr., incluyendo un alternador, como se conoce bien en la técnica, generando así energía eléctrica) como un compresor 716. El compresor 716 toma el aire a través de la entrada 718, lo comprime y lo provee a presión elevada a través de una línea de suministro de aire 706 a la cámara de combustión 702. La salida de gas de escape 720 de la turbina 710 típicamente libera gases aún calientes a la atmósfera, desperdiciando así calor; aunque algo de la energía de calor en los gases de escape se pueden usar para proveer calor dentro del edificio al cual está la microturbina, por lo menos algo del calor se pierde al liberarse los gases calientes. Por ejemplo, en algunos sistemas, la electricidad generada puede ser del orden de 60 kW y el calor generado del orden de 400 kW. La eficiencia eléctrica del sistema puede ser mejorada añadiendo un componente. La figura 7B muestra una configuración alternativa del sistema de microturbina 700 de la figura 7A: aquí, un recuperador 722 se utiliza adicionalmente, alimentado por gases de escape calientes en la salida 720 de la turbina 710. El recuperador 722 puede ser un ¡ntercambiador de calor estándar, pero es adecuadamente un intercambiador de calor diseñado según las necesidades del cliente para el propósito. Aquí, la línea de suministro de aire 706 no está conectada a la cámara de combustión 702 pero alimenta al recuperador 722. Por lo tanto, durante el uso, el recuperador 722 extrae calor de los gases de escape de la turbina 710 y lo usa para precalentar el aire que pasa a través de la línea de suministro de aire recuperado 724 a la cámara de combustión 702. El recuperador 722 sin embargo libera gases de escape aún tibios por medio de la salida del recuperador 726. El efecto del recuperador sobre el sistema se puede ver en las primeras dos hileras en el cuadro 2.

CUADRO 2 Sistema Salida de potencia eléctrica (kW) Salida de Eficiencia Microturbina ERS Total calor (a eléctrica 100°C) Microturbina 60.0 0.0 60.0 200.0 16.0 Microturbina 60.0 0.0 60.0 100.0 26.0 recuperada Microturbina 60.0 32.5 92.5 13.5 24.7 con ERS Microturbina 60.0 14.5 74.5 13.0 34.8 recuperada con ERS Los datos en las segundas dos hileras se describirán más adelante. Se verá que el calentamiento del suministro de aire por el recuperador da por resultado la utilización de calor mejorado y por lo tanto la eficiencia eléctrica incrementada (26% versus 16%) del sistema de la figura 7B. Si embargo, una desventaja es que mucha energía está aún modalizada en el calor de los gases de escape, y la eficiencia eléctrica no ha sido optimizada. También, los recuperadores son costosos y poco confiables, y si fallan durante el funcionamiento detienen todo el sistema para que no siga funcionando. Las figuras 7C y 7D ilustran los mismos sistemas que las figuras 7A y 7B, respectivamente, incorporando, de conformidad con los aspectos de la invención, un sistema de recuperación de energía (ERS), generalmente designado como 100. El sistema de recuperación de energía 100 es adecuado lo mismo que el sistema descrito anteriormente con referencia a la figura 1 A, y por lo tanto no se describirá adicionalmente con detalle. En la disposición de la figura 7C, el escape de turbina 720 de la turbina 710 alimenta a través de la línea 728 a un intercambiador de calor intermedio 730, que a su vez tiene una salida de escape del intercambiador de calor intermedio 732 que, durante el uso, libera gases de escape a una temperatura inferior que en el escape de la turbina 720. Durante el funcionamiento, el aceite de transferencia de calor (v.gr., BP Transcal N) circula entre el escape del ¡ntercambiador de calor intermedio 730 y el escape del intercambiador de calor principal (o calentador) 102 del sistema de recuperación de energía 100 a través de las líneas 734 y 736. El calor en el aceite de transferencia de calor es transferido al fluido de trabajo en el ¡ntercambiador de calor principal, proveyendo así la fuente de calor de la cual la energía eléctrica se deriva como se describió anteriormente con referencia a las figuras 1A y 1B. En la disposición de la figura 7D, es la salida del recuperador 726 la que alimenta el intercambiador de calor Intermedio 730, por lo que la cantidad de calor disponible que ha de ser transferida en el intercambiador de calor intermedio 730 es menor que en la disposición anteriormente descrita.

Sin embargo, el funcionamiento es el mismo. Efectos ventajosos de este uso del intercambiador de calor intermedio 730 incluyen la separación del sistema de recuperación de energía (ciclo de Rankine) de las temperaturas de escape altas potencialmente muy altas, permitiendo el mejor control del sistema, y permitiendo el funcionamiento de la microturbina 700 sin (es decir, independiente del) sistema de recuperación de energía 100. Beneficios adicionales son evidentes cuando se considera un ejemplo particular (véase la tercera y cuarta hileras del cuadro 2), en este caso, una microturbina de 60 kW. 1. La eficiencia eléctrica general del sistema es sustancialmente incrementada: en el sistema de la figura 7C se eleva casi al nivel del sistema recuperado de la figura 7B. En el sistema recuperado (figura 7D), se incrementa a casi 35%, alto para una unidad de este tamaño. 2. La salida eléctrica general se incrementa. La microturbina no recuperada (figura 7C) ahora da 92.5 kW, y la microturbina recuperada (figura 7D) da 74.5 kW. Como se indica, a diferencia del recuperador 722 en el sistema de la figura 7B, una ventaja adicional del uso del sistema de recuperación de energía 100 es que si falla o tiene que se apagado durante el funcionamiento, el sistema de microturbina 700 no es afectado y puede estar funcionando de manera independiente del sistema de recuperación de energía 100. La única desventaja del sistema es que el calor disponible en el escape (columna 5 en el cuadro 2) es ahora mucho más bajo: es ahora descargado a aproximadamente 50°C, demasiado bajo para ser de mucho uso. Sin embargo, el objeto es extraer electricidad más útil. La figura 8A muestra un sistema de generación de energía basado en máquina IC, y la figura 8B el mismo sistema que incorpora, de conformidad con otro aspecto de la ¡nvención, un sistema de recuperación de energía. Haciendo referencia a la figura 8A, el sistema de generación de energía, generalmente designado como 800, incluye una máquina de IC reciprocante 802 que tiene una línea de suministro de combustible 804 y una línea de suministro de aire 806. El enfriamiento de la máquina IC 802 es facilitado por entrada de agua de enfriamiento 808 y la salida 810 para reducir la temperatura de la máquina durante el funcionamiento. La máquina de IC, usando técnicas bien conocidas, provee impulso a través de engranes, acoplamientos, etc., como es apropiado, y la flecha 812 a un generador 814, v.gr. un alternador. En el sistema, como se sabe bien, los gases de escape caliente son despachados, durante el golpe de escape de la máquina IC 802, a través de la salida de escape 816: estos gases calientes alimentan un intercambiador de calor o calentador de gas de escape 818 usado para aplicaciones de calor y potencia combinadas. Pasando a la figura 8B, esta muestra el sistema de la figura 8A que incorpora el sistema de recuperación de energía 100 de la figura 1A. Aquí, el calentador 818 es reemplazado por el ¡ntercambiador de calor intermedio 730 (como en la figura 70), que transfiere calor al sistema de recuperación de energía 100 por el circuito de aceite de transferencia de calor provisto por las líneas 734 y 736. En el sistema de la figura 8B, la salida de agua de enfriamiento de la máquina desde la salida 810 también está disponible para calor, y esto no es afectado por el despliegue del sistema de recuperación de energía 100 en este sistema. Igual que con los sistemas de las figuras 7C y 7D, la presencia del sistema de recuperación de energía 100 incrementa salida de potencia eléctrica y eleva eficiencia eléctrica. El cuadro 3 ilustra el resultado para una máquina de gas natural reciprocante de 90 kW típica.

CUADRO 3 Sistema Salida de potencia Salida de Salida de Eficiencia eléctrica (kW) calor - agua calor - eléctrica Máquina ERS Total de enfria- gas de (%) reciprocante miento de la escape máqui-na (kW) (kW) (90°C) Máquina 90.0 0.0 90.0 63.0 77.0 33.0 reciprocante Máquina 90.0 7.0 97.0 63.0 0.0 35.6 reciprocante con ERS La figura 9 muestra un sistema de generación de energía basado en pila ensanchada que incorpora, de conformidad con otro aspecto de la invención, un sistema de recuperación de energía 100. Las pilas ensanchadas son estructuras en forma de torre utilizadas en sitios de relleno sanitario, campos petroleros, y otros sitios en donde hay un exceso, o producto de desecho, suministro de gas que incorpora gases combustibles. En sitios de relleno sanitario, el gas del relleno sanitario se acumula y debe ser desechado, y a menudo es muy contaminante. El gas del relleno sanitario es principalmente metano con muchas impurezas. La composición para un sitio típico se indica en el cuadro 4. Sin embargo, otros sitios reportan obtener por arriba de 50% de metano; el tipo y cantidad de los constituyentes varían considerablemente dependiendo del tipo de desecho en el relleno sanitario.

CUADRO 4 Constituyente Volumen CH4 35% N2 20% 02 5% C02 40% H2S 232 ppmv VOCs 742 ppmv Regresando a la figura 9, como se puede ver, la pila ensanchada 900 incluye una etapa de base 902 en la cual el aire es soplado a través de un soplador 904. Inmediatamente por arriba de la sección de base está una etapa de combustión 904 en la cual un gas de relleno sanitario se hace pasar (incluyendo mediante bombeo) por la entrada 906. Por arriba de la etapa de combustión 904 está una etapa mezcladora 908 en la cual el gas de relleno sanitario se mezcla con un suministro de aire que entra en la etapa mezcladora 908 por la entrada de aire 910. Igual que con las modalidades de las figuras 7A hasta 8B, se provee un intercambiador de calor intermedio 730, esta vez como la etapa superior de la pila 900. Nuevamente, usando aceite de transferencia de calor que circula a través de las líneas 734 y 736, el intercambiador de calor intermedio 730 por lo tanto provee la fuente de calor para el intercambiador de calor principal 102 del sistema de recuperación de energía 100 descrito anteriormente en relación con la figura 1 A. En pilas ensanchadas, las salidas de calor típicas están en la región de 5 MW o algo similar. Usando el sistema de recuperación de energía 100 a través del circuito de aceite de transferencia de calor intermedio, el calor puede ser recuperado del escape de la pila. La potencia eléctrica generada por el sistema de recuperación de energía 100 puede ser exportada a la rejilla. Alternativamente o adicionalmente, el sistema de recuperación de energía 100 es eléctricamente acoplado al soplador 904 para impulsarlo eléctricamente. El efecto del aire incrementado por soplado en la pila 900 (en la etapa de base 902) es reducir emisiones de la pila misma al reducir las temperaturas de combustión; emisiones de óxido de nitrógeno pueden ser reducidas de esta manera. Además, el tiempo de residencia incrementado en la pila 900 debido a la adición del intercambiador de calor 730 da más tiempo para que ocurran reacciones químicas, cortando así también emisiones nocivas desde la pila. Los datos sugieren que el número de pilas ensanchadas en las cuales se pueden utilizar estas técnicas son de muchos cientos en algunos países y del orden de varios miles en otros. También se contempla para una producción de pila de un total de 1 MW, energía eléctrica del orden de 200-250 kW puede ser recuperada con el uso de los sistemas antes mencionados. Esto es particularmente útil ya que muchas pilas están en áreas rurales lejanas (rellenos sanitarios, campos petroleros), y es particularmente deseable que tanta energía eléctrica como sea posible sea generada en el sitio.

Claims

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1.- Un sistema de recuperación de energía, para extraer energía eléctrica desde una fuente de calor, el sistema teniendo un fluido de trabajo circulante, que comprende: un primer intercambiador de calor para recibir fluido de fuente, que incorpora por lo menos parte del calor de la fuente de calor y para recibir el fluido de trabajo, por lo que el calor es transferido desde el fluido de fuente al fluido de trabajo; una unidad de expansión, dispuesta para recibir la salida de fluido de trabajo desde el primer intercambiador de calor por lo que se imparte energía mecánica a la unidad de expansión; una unidad de conversión electromecánica, acoplada a la unidad de expansión, para convertir dicha energía mecánica a energía eléctrica; un sistema de enfriamiento, acoplado a la unidad de expansión y al primer intercambiador de calor, para recibir el fluido de trabajo de la unidad de expansión, enfriar el fluido, y suministrar el fluido al primer intercambiador de calor.

2.- El sistema de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque: el sistema es un sistema cerrado con un fluido de trabajo circulante, el primer intercambiador de calor está adaptado para recibir fluido de la fuente que incorpora el calor, a una primera temperatura y dar salida a dicho fluido de desecho a una segunda temperatura, y para recibir el fluido de trabajo a una tercera temperatura y dar salida a fluido de trabajo a una cuarta temperatura, la cuarta temperatura siendo mayor que la tercera temperatura y mayor que el punto de ebullición del fluido de trabajo; la unidad de expansión comprende una unidad de turbina, dispuesta para recibir la salida del fluido de trabajo desde el primer intercambiador de calor a una primera presión y para dar salida al fluido de trabajo a una segunda presión, la segunda presión siendo menor que la primera presión, la unidad de turbina impartiendo así la energía de rotación a una flecha de turbina montada dentro de la unidad de turbina; y la unidad de conversión electromecánica está acoplada a la flecha de turbina, para convertir la energía de rotación a energía eléctrica.

3.- El sistema de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque el sistema de enfriamiento incluye un segundo intercambiador de calor, acoplado a la unidad de turbina y al primer intercambiador de calor, para recibir un primer suministro de fluido de trabajo desde la unidad de turbina a la quinta temperatura y dar salida al fluido de trabajo desde el primer suministro a una sexta temperatura, dicha sexta temperatura siendo menor que la quinta temperatura; en donde el segundo intercambiador de calor está adaptado además para recibir un segundo suministro de fluido de trabajo en forma líquida a una séptima temperatura y dar salida al fluido de trabajo desde el segundo suministro de fluido al primer ¡ntercambiador de calor a dicha tercera temperatura.

4.- El sistema de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque el sistema de enfriamiento incluye además una unidad de condensación, acoplada al segundo ¡ntercambiador de calor y adaptada para recibir un suministro de fluido de enfriamiento, para recibir la salida del fluido de trabajo por el segundo intercambiador de calor a la sexta temperatura y dar salida al fluido de trabajo en forma líquida a la séptima temperatura, la séptima temperatura siendo menor que la sexta temperatura y menor que el punto de ebullición del fluido de trabajo.

5.- El sistema de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado además porque el sistema de enfriamiento incluye una bomba, acoplada a la unidad de enfriamiento, para recibir el fluido de trabajo líquido a la séptima temperatura y bombear el fluido de trabajo líquido al segundo intercambiador de calor, proveyendo así el segundo suministro del fluido de trabajo al segundo intercambiador de calor.

6.- El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado además porque la primera temperatura es de aproximadamente 110 a aproximadamente 225°C.

7.- El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado además porque la segunda temperatura es de aproximadamente 80 a aproximadamente 140°C.

8.- El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado además porque la primera temperatura es de aproximadamente 180°C y la segunda temperatura es de aproximadamente 123°C.

9.- El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones, caracterizado además porque la primera presión es de aproximadamente 10 a 30 bar absolutas.

10.- El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque la segunda presión es de aproximadamente 0.5 a 2 bar absolutas.

11.- El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque la flecha de turbina está montada sobre un cojinete dentro de la unidad de turbina, y dicho fluido de trabajo penetra la unidad de turbina, proveyendo así lubricación del cojinete.

12.- El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque el fluido de trabajo comprende un solo fluido de componente seleccionado de los alcanos.

13.- El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque el fluido de trabajo comprende un fluido con un punto de ebullición de aproximadamente 30-110°.

14.- El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque la unidad de conversión electromecánica incluye un alternador adaptado a una corriente eléctrica de salida.

15.- El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque la unidad de conversión electromecánica incluye una unidad de acondicionamiento eléctrica o electrónica, acoplada al alternador, para alterar la frecuencia de la corriente recibida del alternador y dar salida a corriente a una frecuencia principal.

16.- El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque la unidad de expansión comprende una unidad de turbina que tiene una flecha y por lo menos una etapa de turbina montada sobre la misma, la o cada etapa de turbina incorporando un conjunto de alabes.

17.- El sistema de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado además porque por lo menos una etapa de turbina está hecha de aluminio o acero.

18.- El sistema de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado además porque por lo menos una etapa de turbina está hecha de material plástico.

19.- El sistema de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado además porque el material plástico es (a) polieteretercetona (PEEK) que contiene fibra de carbón, por ejemplo PEEK con 40% de fibra de carbón, (b) Ultern 2400 o (c) Valox 865.

20.- Un sistema de recuperación de energía sustancialmente como se describió anteriormente con referencia a los dibujos anexos.

21.- El uso de HFE-7100 o hexano o agua como el fluido de trabajo y/o fluido de lubricación en los sistemas de cualquiera de las reivindicaciones anexas.

22.- El uso de uno de los alcanos como el fluido de trabajo y/o fluido de lubricación en los sistemas de cualquiera de las reivindicaciones anexas.

23.- Un sistema de generación de energía eléctrica, que comprende: un sistema de microturbina, el sistema de microturbina comprendiendo una unidad de combustión, acoplada a una fuente de combustible, para quemar el combustible y dar salida a un primer fluido de escape, una turbina, acoplada para recibir el primer fluido de escape por lo que imparte energía de rotación, durante el uso, a una flecha de turbina de la turbina, la turbina estando adaptada para dar salida a un segundo fluido de escape; una unidad de transferencia de calor intermedia, acoplada para recibir el segundo fluido de escape y adaptada para realizar una transferencia de calor desde el segundo fluido de escape hasta un fluido de transferencia de calor intermedio; y para dar salida al fluido de transferencia calor intermedio después de la transferencia de calor; y un sistema de recuperación de energía de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 20, el sistema de conversión de energía teniendo un primer ¡ntercambiador de calor acoplado para recibir el fluido de transferencia de calor intermedio, el fluido de transferencia de calor intermedio constituyendo la fuente de calor.

24.- El sistema de generación de energía eléctrica de conformidad con la reivindicación 23, caracterizado además porque el sistema de microturbina incluye además un compresor, acoplado a la turbina y unidad de combustión, e impulsado, durante el uso, por la flecha de turbina, el compresor recibiendo un suministro de fluido que contiene oxígeno y suministrando ese fluido que contiene oxígeno en un estado comprimido, durante el uso, a la unidad de combustión.

25.- El sistema de generación de energía eléctrica de conformidad con la reivindicación 23 ó 24, caracterizado además porque el sistema de microturbina incluye además un generador, acoplado a la turbina e impulsado, durante el uso, por la flecha de turbina, el generador estando adaptado a la energía eléctrica de salida.

26.- El sistema de generación de energía eléctrica de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 23 a 25, caracterizado además porque ¡ncluye un recuperador, dispuesto entre la turbina y la unidad de transferencia de calor intermedia y acoplado para recibir el segundo fluido de escape y dar salida al tercer fluido de escape a la unidad de transferencia de calor intermedia, el recuperador estando además adaptado para recibir un suministro de fluido que contiene oxígeno, por ejemplo desde el compresor, y para convertir el fluido que contiene oxígeno al combustor después de la transferencia de calor al mismo desde el segundo fluido de escape.

27.- El sistema de generación de energía eléctrica de conformidad con la reivindicación 26, caracterizado además porque el recuperador comprende un intercambiador de calor.

28.- Un sistema de generación de energía eléctrica, que comprende: un sistema de combustión interna, el sistema de combustión interna comprendiendo una máquina de combustión interna, acoplada a una fuente de combustible, para quemar el combustible y dar salida a un fluido de escape a la máquina, la máquina de combustión interna estando dispuesta por lo que se imparte energía de rotación, durante el uso, a una flecha impulsora; una unidad de transferencia de calor intermedia, acoplada para recibir el fluido de escape de la máquina y adaptada para realizar una transferencia de calor desde el fluido de escape de la máquina a un fluido de transferencia de calor intermedia y para dar salida al fluido de transferencia de calor intermedio después de la transferencia de calor; y un sistema de recuperación de energía de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 20, el sistema de conversión de energía teniendo primer ¡ntercambiador de calor acoplado para recibir el fluido de transferencia de calor intermedio, el fluido de transferencia de calor intermedio constituyendo la fuente de calor.

29.- El sistema de generación de energía eléctrica de conformidad con la reivindicación 28, caracterizado además porque el sistema de combustión interna incluye además un generador, acoplado a la máquina de combustión interna e impulsado, durante el uso, por una flecha impulsora, el generador estando adaptado para dar salida a energía eléctrica.

30.- El sistema de generación de energía eléctrica de conformidad con la reivindicación 28 ó 29, caracterizado además porque la máquina de combustión interna está acoplada a un suministro de combustible y a un suministro del fluido que contiene oxígeno.

31.- Un sistema de generación de energía eléctrica, que comprende: una pila de disposición de gas de desecho, la pila de disposición de gas de desecho incluyendo una etapa de base, la etapa de base incluyendo un soplador para soplar gas que contiene oxígeno hacia la pila de disposición de gas de desecho, una etapa de combustión, adyacente a la etapa de base, acoplada a una fuente de gas de desecho, el gas de desecho siendo o incluyendo un gas combustible, la etapa de combustión estando adaptada para quemar, durante el uso, el gas de desecho en el gas que contiene oxígeno, una etapa mezcladora, adyacente a la etapa de combustión, adaptada para generar una mezcla de gases que comprenden aire mezclado con los gases de escape del combustor que resultan de la etapa de combustión; una unidad de transferencia de calor intermedia, acoplada para recibir la mezcla de gases y adaptada para realizar una transferencia de calor desde la mezcla de gases hasta un fluido de transferencia de calor intermedio y para dar salida al fluido de transferencia de calor Intermedio después de la transferencia de calor; y un sistema de recuperación de energía de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 20, el sistema de conversión de energía teniendo el primer ¡ntercambiador de calor acoplado para recibir el fluido de transferencia de calor intermedio, el fluido de transferencia de calor intermedio constituyendo la fuente de calor.

32.- El sistema de generación de energía eléctrica de conformidad con la reivindicación 31 , caracterizado además porque el soplador comprende un soplador eléctricamente impulsado, el soplador está eléctricamente acoplado a la unidad de conversión electromecánica, y por lo menos parte de la energía eléctrica generada, durante el uso por el sistema de conversión de energía impulsa al soplador.

33.- El sistema de generación de energía eléctrica de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 23 a 32, caracterizado además porque la unidad de transferencia de calor intermedia comprende un intercambiador de calor, y/o el fluido de transferencia de calor intermedio comprende aceite de transferencia de calor.

34.- Una unidad de turbina de flujo entrante radial, que comprende: un alojamiento con un puerto de entrada para recibir fluido a una primera presión; una flecha montada en un cojinete dentro del alojamiento y que tiene un eje de rotación; una turbina, dispuesta en la flecha, la turbina comprendiendo una primera etapa de turbina, que comprende una primera serie de alabes montados sobre la flecha, el fluido recibido por el puerto de entrada siendo radialmente incidente sobre la primera serie de alabes y saliendo de la primera etapa de turbina a una tercera presión y en una primera dirección predeterminada, una segunda etapa de turbina, que comprende una segunda serie de alabes montada sobre la flecha, un conducto para transportar el fluido que sale de la primera etapa de turbina a la segunda etapa de turbina, el fluido recibido por la segunda etapa de turbina siendo radialmente incidente sobre la segunda serie de alabes y saliendo de la segunda etapa de turbina a una segunda presión y en una segunda dirección predeterminada, en donde el fluido imparte energía de rotación a la flecha tanto en la primera como segunda etapas de turbina.

35.- La unidad de turbina de conformidad con la reivindicación 34, caracterizada además porque la primera presión es mayor que la tercera presión, y la tercera presión es mayor que la segunda presión.

36.- La unidad de turbina de conformidad con la reivindicación 34 ó 35, caracterizada además porque la primera presión es de aproximadamente 2 a 10 veces la segunda presión.

37.- La unidad de turbina de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 34 a 35, caracterizada además porque la tercera presión es de aproximadamente 3-4 veces la segunda presión.

38.- La unidad de turbina de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 34 a 37, caracterizada además porque la dimensión radial de la segunda etapa de turbina es mayor que la dimensión radial de la primera etapa de turbina.

39.- La unidad de turbina de conformidad con la reivindicación 38, caracterizada además porque la dimensión radial de la segunda etapa de turbina es aproximadamente 1.25 veces la dimensión radial de la primera etapa de turbina.

40.- La unidad de turbina de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 34 a 39, caracterizada además porque la dimensión axial de la primera etapa de turbina es de aproximadamente 0.3 a 0.375 veces la dimensión radial de la primera etapa de turbina.

41.- La unidad de turbina de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 34 a 40, caracterizada además porque la dimensión axial de la segunda etapa de turbina es de aproximadamente 0.35 a 0.4 veces la dimensión radial de la segunda etapa de turbina.

42.- La unidad de turbina de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 34 a 41 , caracterizada además porque ¡ncluye: una tercera etapa de turbina, que comprende una tercera serie de alabes montados sobre la flecha, un conducto para transportar el fluido que sale de la segunda etapa de turbina a la tercera etapa de turbina, dicho fluido recibido por la tercera etapa de turbina siendo radialmente incidentes sobre la tercera serie alabes y saliendo de la tercera etapa de turbina a una cuarta presión y en una tercera dirección predeterminada, en donde el fluido imparte energía de rotación a la flecha en la primera, segunda y tercera etapas de turbina.

43. La unidad de turbina de conformidad con la reivindicación 42, caracterizada además porque la dimensión axial de la tercera etapa de turbina es de aproximadamente 1/3 veces la dimensión radial de la tercera etapa de turbina.

44.- La unidad de turbina de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 34 a 43, caracterizada además porque la primera, segunda y/o tercera direcciones predeterminadas son generalmente axiales.

45.- La unidad de turbina de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 34 a 44, caracterizada además porque el fluido es un gas.

46.- La unidad de turbina de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 34 a 45, caracterizada además porque el fluido es HFE-7100 o hexano.

47.- La unidad de turbina de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 34 a 45, caracterizada además porque el fluido es uno de los alcanos.

48.- La unidad de turbina de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 34 a 47, caracterizada además porque el fluido penetra en el alojamiento, proveyendo así lubricación al cojinete.

49.- La unidad de turbina es sustancialmente como se describió antes con referencia a los dibujos anexos.

50.- Un sistema de recuperación de energía de desecho, para extraer energía de una fuente de calor de desecho, el sistema siendo un sistema cerrado con un fluido de trabajo circulante, que comprende un intercambiador de calor, una unidad de conversión electromecánica, un sistema de enfriamiento y una unidad de turbina de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 34 a 49, el ¡ntercambiador de calor suministrando, durante el uso, el fluido de trabajo a la unidad de turbina.

51.- Un cojinete para soportar una flecha girable alrededor de un eje y por lo menos parcialmente dispuesta dentro de un alojamiento, que comprende: un miembro de cojinete, unido de manera fija al alojamiento y que tiene una primera superficie de cojinete, opuesto a una segunda superficie de cojinete sobre la flecha, la primera y segunda superficies del cojinete extendiéndose generalmente transversales al eje, y un canal interno cilindrico que define una tercera superficie de cojinete que se extiende paralela al eje y dispuesta en forma opuesta a la cuarta superficie de cojinete sobre la flecha, el miembro de cojinete incluyendo conductos adaptados para transportar fluido de lubricación hacia por lo menos la tercera y cuarta superficies de cojinete.

52.- El cojinete de conformidad con la reivindicación 51 , caracterizado además porque el miembro de cojinete tiene una sección transversal generalmente en forma de T.

53.- El cojinete de conformidad con la reivindicación 51 ó 52, caracterizado además porque el miembro de cojinete tiene, en el extremo del mismo opuesto a la primera superficie de cojinete, una quinta superficie de cojinete que se extiende generalmente transversal al eje.

54.- El cojinete de conformidad con la reivindicación 52, caracterizado además porque la primera superficie sobre el elemento de cojinete es definida por una superficie anular elevada sobre la parte superior de la "T" que se extiende parcialmente entre el límite radial interno y el límite radial externo del miembro de cojinete.

55.- El cojinete de conformidad con la reivindicación 53, caracterizado además porque una pluralidad de primeras depresiones alargadas se proveen extendiéndose radialmente en la primera superficie, facilitando así el flujo de fluido lubricante al espacio opuesto a la primera superficie.

56.- El cojinete de conformidad con la reivindicación 55, caracterizado además porque las primeras depresiones se extienden parcialmente entre el límite radial interno y el límite radial externo de la primera superficie.

57.- El cojinete de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 53 a 56, caracterizado además porque una pluralidad de segundas depresiones alargadas se proveen extendiéndose radialmente en la quinta superficie, facilitando así el flujo de fluido lubricante al espacio opuesto a la cuarta superficie.

58.- El cojinete de conformidad con la reivindicación 57, caracterizado además porque las segundas depresiones se extienden parcialmente entre el límite radial interno y el límite radial externo de la quinta superficie.

59.- El cojinete de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 52 a 58, caracterizado además porque en un punto entre los extremos opuestos de la parte alargada del miembro de cojinete en forma de "T", una depresión circunferencial está definida en la superficie en el límite radial externo del miembro de cojinete.

60.- El cojinete de conformidad con la reivindicación 59, caracterizado además porque una pluralidad de primeros canales de lubricación se proveen, extendiéndose radialmente entre la depresión circunferencial y el límite radial interno del miembro de cojinete, permitiendo así el flujo de fluido lubricante entre el exterior del miembro de cojinete y el canal cilindrico interno.

61.- El cojinete de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 58 a 60, caracterizado además porque el miembro de cojinete incluye una pluralidad de segundos canales de lubricación, cada canal extendiéndose axialmente entre una primera depresión alargada sobre la primera superficie y una segunda depresión alargada opuesta respectiva sobre la quinta superficie.

62.- El cojinete de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 51 a 61 , caracterizado además porque el número de la primera y/o segunda depresiones alargadas es entre 2 y 8, preferiblemente 6.

63.- El cojinete de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 51 a 62, caracterizado además porque el número de segundos canales de lubricación es entre 2 y 8.

64.- El cojinete de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 51 a 63, caracterizado además porque ¡ncluye una arandela, en donde, durante el uso, una superficie de la arandela, se apoya en la quinta superficie del miembro de cojinete y la superficie externa de la arandela está adaptada para apoyarse a una superficie correspondiente de un elemento impulsor, por ejemplo una turbina.

65.- El cojinete sustancialmente como se describió antes con referencia a los dibujos anexos.

66.- Un sistema de recuperación de energía, para extraer energía de una fuente de calor de desecho, el sistema siendo un sistema cerrado con un fluido de trabajo circulante, que comprende un intercambiador de calor, una unidad de conversión electromecánica, un sistema de enfriamiento y una unidad de turbina, el intercambiador de calor suministrando, durante el uso, el fluido de trabajo a la unidad de turbina como un gas, en donde la unidad de turbina es mecánicamente acoplada a la conversión electromecánica a través de una flecha, la flecha siendo soportada por un cojinete de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 51 a 65.

67.- El sistema de conformidad con la reivindicación 66, el sistema incluye además una segunda línea de suministro de fluido de trabajo desde el sistema de enfriamiento al cojinete por lo que el fluido de trabajo está suministrado al exterior del miembro de cojinete, proveyendo así el fluido de lubricante para dicho cojinete.

68.- El sistema de conformidad con la reivindicación 67, caracterizado además porque el fluido de cojinete es suministrado al cojinete como un líquido.

69.- Un acoplamiento magnético giratorio, que comprende: un primer miembro giratorio, incluyendo una primera flecha que tiene dispuesta sobre la misma un primer miembro magnético, la primera flecha, durante el uso, siendo impulsada por una fuente de energía de rotación, un segundo miembro giratorio, incluyendo una segunda flecha que tiene dispuesta sobre la misma un segundo miembro magnético, dicho segundo miembro giratorio, durante el uso, recibiendo energía de rotación del primer miembro giratorio a través de acoplamiento del primer y segundo miembros de imán, en donde uno del primer y segundo miembros magnéticos, o ambos, comprenden una pluralidad de secciones de imán dispuestas en diferentes posiciones angulares con respecto al eje de primera y segunda flechas.

70.- El acoplamiento magnético de conformidad con la reivindicación 69, caracterizado además porque el primer miembro giratorio está dispuesto con un alojamiento herméticamente sellado, una porción del alojamiento estando dispuesta entre el primer miembro giratorio y el segundo miembro giratorio y estando hecha de un material no magnético.

71.- El acoplamiento magnético de conformidad con la reivindicación 70, caracterizado además porque el material no magnético comprende acero inoxidable, aleación nimónica o plástico.

72.- El acoplamiento magnético de conformidad con la reivindicación 69 ó 70, caracterizado además porque el primer miembro magnético comprende una porción de armadura generalmente cilindrica interna integral con la primera flecha y una pluralidad de primeras secciones de imán unidas de manera fija sobre el exterior de la porción de armadura.

73.- El acoplamiento magnético de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 69 a 72, caracterizado además porque el segundo miembro magnético comprende una porción de soporte generalmente cilindrica externa integral con la segunda flecha y una pluralidad de segundas secciones magnéticas unidas de manera fija al interior de la porción de soporte.

74.- El acoplamiento magnético de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 69 a 73, caracterizado además porque el primer miembro magnético comprende además una coraza de contención, dispuesta en el exterior de las primeras secciones de imán, para retener las primeras secciones de imán en posición durante rotación a alta velocidad de la primera flecha.

75.- El acoplamiento magnético de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 73 a 74, caracterizado además porque la coraza de contención se puede hacer de un material mixto, por ejemplo CFRF, Keviar o GRP.

76.- El acoplamiento magnético de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 70 a 75, caracterizado además porque el primer miembro magnético está dispuesto dentro del segundo miembro magnético y separado del mismo por la porción del alojamiento.

77.- El acoplamiento magnético de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 69 a 76, caracterizado además porque las secciones de imán comprenden ¡manes de dipolo, la dirección N-S de cada uno extendiéndose radialmente.

78.- El acoplamiento magnético de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 69 a 72, caracterizado además porque el primer miembro magnético es generalmente en forma de disco y comprende una primera sección de montaje que tiene montada de manera fija dentro del mismo la pluralidad de primeras secciones de imán, las primeras secciones de imán formando así una forma de disco.

79.- El acoplamiento magnético de conformidad con la reivindicación 78, caracterizado además porque el segundo miembro magnético es generalmente en forma de disco y comprende una segunda sección de montaje que tiene montada de manera fija dentro del mismo la pluralidad de segundas secciones de imán, las segundas secciones de imán formando así una forma de disco.

80.- El acoplamiento magnético de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 69 a 79, caracterizado además porque la primera y segunda secciones de imán forman sectores de un disco.

81.- El acoplamiento magnético de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 78 a 80, caracterizado además porque la primera y segunda secciones de imán comprenden imanes de dipolo con la dirección N-S de cada uno extendiéndose axialmente.

82.- El acoplamiento magnético de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 78 a 81, caracterizado además porque el primer miembro magnético en forma de disco está dispuesto axialmente alineado axialmente al segundo miembro magnético en forma de disco separado del mismo por la porción del alojamiento.

83.- El acoplamiento magnético de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 69 a 82, caracterizado además porque el número de secciones magnéticas del primer miembro magnético y/o el segundo miembro magnético, es un número par de 2 o más.

84.- El acoplamiento magnético de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 69 a 83, caracterizado además porque el número de secciones magnéticas del primer miembro magnético, y/o segundo miembro magnético, es 4.

85.- El acoplamiento magnético de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 69 a 84, caracterizado además porque las secciones de imán están hechas de material de ferrita, samario-cobalto o neodimio-hierro-boro.

86.- El acoplamiento magnético sustancialmente como se describió antes con referencia a los dibujos anexos.

87.- Un sistema de recuperación de energía de desecho, para extraer energía de una fuente de calor de desecho, el sistema siendo un sistema cerrado con un fluido de trabajo circulante, que comprende un ¡ntercambiador de calor, una unidad de conversión electromecánica, un sistema de enfriamiento y una unidad de turbina, la turbina siendo herméticamente sellada y siendo acoplada a la unidad de conversión electromecánica por un acoplamiento magnético de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 69 a 86.

88.- Un método llevado a cabo en un sistema de recuperación de energía para extraer energía de una fuente de calor de desecho, el sistema siendo un sistema cerrado con un fluido de trabajo circulante, que comprende un intercambiador de calor, una unidad de conversión electromecánica que incluye un alternador, un sistema de enfriamiento, una unidad de turbina y un sistema de control acoplado a la unidad de conversión electromecánica y adaptado para variar el voltaje derivado del alternador que comprende los pasos de: (a) incrementar el voltaje por un paso de voltaje, (b) medir la potencia de salida del alternador; (c) si la potencia de salida medida en el paso (b) es menor que o igual a la potencia de salida previa, (i) disminuir el voltaje por un paso de voltaje, (ii) repetir los pasos de (1 ) disminuir el voltaje por un paso de voltaje, (2) medir la potencia de salida del alternador, mientras la potencia de salida medida en el paso (c)(ii)(2) es más que la potencia de salida medida previamente, y si la potencia de salida medida en el paso (b) es más que la potencia de salida previa, repetir los pasos de (iii) incrementar el voltaje por un paso de voltaje, (iv) medir la potencia de salida del alternador, mientras la potencia de salida medida en el paso (c)(iv) es más que la potencia de salida previamente medida.

89.- El método de conformidad con la reivindicación 88, caracterizado además porque cada paso de incrementar el voltaje por un paso de voltaje es repetido por el paso de disminuir el voltaje por un paso de voltaje y viceversa.

90.- El método de conformidad con la reivindicación 88 u 89, caracterizado además porque el paso de voltaje es de aproximadamente 1% a 2.5% del voltaje promedio.

91.- El método de conformidad con la reivindicación 88, 89 ó 90, caracterizado además porque el paso (a) se realiza aproximadamente cada segundo.

92.- El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 88 a 91 , caracterizado además porque el paso de medir la potencia de salida del alternador puede comprender medir un voltaje de salida

V derivado de la salida del alternador, medir la corriente de salida I derivada de la salida del alternador, y calcular la potencia de salida = V*l. 93.- El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 88 a 91 , caracterizado además porque el paso de medir la potencia de salida del alternador comprende medir la potencia de salida con un dispositivo de medición de potencia separado.

94.- El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 88 a 93, caracterizado además porque el método comprende además convertir el voltaje del alternador de una primera frecuencia a una segunda frecuencia.

95.- El método de conformidad con la reivindicación 94, caracterizado además porque la primera frecuencia es mayor que la segunda frecuencia, y la segunda frecuencia es aproximadamente la frecuencia del suministro principal.

96.- El método de conformidad con la reivindicación 94 ó 95, caracterizado además porque el paso de convertir el voltaje comprende: rectificar la salida de voltaje por el alternador usando un circuito de rectificación derivando así un voltaje de CC, y generando un voltaje de CA a partir de dicho voltaje de CC usando una unidad de condicionamiento de potencia.

97.- El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 88 a 96, caracterizado además porque comprende almacenar el valor medido al último de la potencia de salida.

98.- El método de control de un sistema de recuperación de energía es sustancialmente como se describió antes con referencia a los dibujos anexos.

99.- Un sistema de control programable cuando es programado adecuadamente para llevar a cabo el método de cualquiera de las reivindicaciones 88 a 98, el sistema incluyendo un procesador, una memoria, una interfaz acoplada a la unidad de conversión electromecánica y una ¡nterfaz de usuario.

100.- El sistema de control de conformidad con la reivindicación 99, caracterizado además porque incluye un dispositivo de conversión de frecuencia para alterar la frecuencia de voltaje de CA.

101.- Un sistema de purificación de fluido de trabajo para un sistema de conversión de energía, el sistema de conversión de energía siendo un sistema cerrado con un fluido de trabajo circulante que circula en una trayectoria a través del mismo y que incluye un dispositivo de expansión, por ejemplo una turbina, que comprende: un tanque de expansión; un diafragma dentro de un tanque de expansión, definiendo así un volumen variable conectado para recibir el fluido de trabajo; y una válvula de control dispuesta entre la trayectoria y el tanque de expansión, la válvula de control estando para controlar el flujo de fluido hacia y/o desde el volumen variable; en donde la válvula de control es conectada a través de un conducto al punto de conexión en la trayectoria, dicho punto de conexión estando en el punto de la trayectoria más alto.

102.- El sistema de conformidad con la reivindicación 101 , caracterizado además porque la válvula de control está montada en un punto más alto que en el punto de conexión.

103.- El sistema de conformidad con la reivindicación 101 ó 102, caracterizado además porque el tanque de expansión está montado en un punto más alto que la válvula de control.

104.- El sistema de control de conformidad con las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque incluye un controlador, el controlador estando adaptado para abrir y cerrar la válvula de control.

105.- El sistema de conformidad con la reivindicación 104, caracterizado además porque el controlador está configurado para realizar un ciclo de purificación, dicho ciclo de purificación comprendiendo la apertura de la válvula de control durante un primer periodo predeterminado y el cierre de la válvula de control durante un segundo periodo predeterminado.

106.- El sistema de conformidad con la reivindicación 105, caracterizado además porque el controlador está configurado para realizar, en una secuencia de inicio de duración predeterminada después del encendido del sistema, una pluralidad de ciclos de purificación.

107.- El sistema de conformidad con la reivindicación 106, caracterizado además porque la pluralidad de ciclos de purificación comprende aproximadamente 3 a 5 ciclos de purificación.

108.- El sistema de conformidad con la reivindicaciones 105 a 107, caracterizado además porque el primer periodo predeterminado es de aproximadamente 1 minuto y el segundo periodo predeterminado es de aproximadamente diez minutos.

109.- El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 101 a 108, caracterizado además porque incluye además un sensor de presión acoplado al controlador; en donde el controlador está configurado para realizar por lo menos un ciclo de purificación cuando la presión indicada por el sensor está por arriba de un nivel predeterminado.

110.- Un sistema de purificación de fluido de trabajo sustancialmente como se describió antes con referencia a los dibujos anexos.

111.- Un sistema de recuperación de energía para extraer energía eléctrica de una fuente de calor, que comprende: el sistema de purificación de fluido de trabajo de cualquiera de las reivindicaciones 101 a 110, una turbina, un intercambiador de calor, una unidad de conversión electromecánica y un sistema de enfriamiento, el intercambiador de calor suministrando, durante el uso, el fluido de trabajo a la turbina.