PROCEDIMIENTO Y DISPOSITIVO PARA LA EJECUCION DE UN CICLO TERMODINAMICO.

Procedimiento para la ejecución de un ciclo termodinámico que presenta,

al menos, los siguientes pasos:

- bombeado de un flujo de medio de trabajo líquido (13) a una presión elevada;

- división del flujo de medio de trabajo líquido presionizado (14), en un primer flujo parcial (16) y un segundo flujo parcial (17), asimismo, el primer flujo parcial y el flujo de medio de trabajo líquido (13) presentan, esencialmente, la misma temperatura;

- evaporación parcial del primer flujo parcial (16) utilizando calor generado por refrigeración de una fuente de calor (20 o 21);

- evaporación parcial del segundo flujo parcial (17) utilizando calor generado por condensación parcial de un flujo de medio de trabajo distendido (11);

- reunión del primer y el segundo flujo parcial, parcialmente evaporados (16a y 17a) formando un flujo de medio de trabajo parcialmente evaporado (18);

- generación de un flujo de medio de trabajo gaseoso (10) mediante evaporación completa, eventualmente, por sobrecalentamiento parcial, del flujo de medio de trabajo parcialmente evaporado (18) utilizando calor, generado por la refrigeración de la fuente de calor (20),

- distensión del flujo de medio de trabajo gaseoso (10), conversión de su energía en una forma utilizable y generación del flujo de medio de trabajo distendido (11); y

- condensación completa del flujo de medio de trabajo distendido, parcialmente condensado (12) para la formación del flujo de medio de trabajo líquido (13), asimismo, el primer y el segundo flujo parcial, parcialmente evaporados (16a y 17a) presentan, aproximadamente, la misma temperatura y la misma proporción de vapor, asimismo, se utiliza una mezcla de amoníaco y agua como medio de trabajo

Procedimiento y dispositivo para la ejecución de un ciclo termodinámico.

La presente invención comprende un procedimiento y un dispositivo para la ejecución de un ciclo termodinámico acorde a la reivindicación 1 y la reivindicación 4.

Las centrales termoeléctricas utilizan ciclos termodinámicos para la conversión de calor en energía mecánica o eléctrica. Las centrales termoeléctricas convencionales generan el calor a través de la combustión de combustible, sobre todo, de las fuentes de energía fósiles carbón, petróleo y gas. Los ciclos son accionados, en este caso, por ejemplo, en base al ciclo de Rankine clásico con agua como medio de trabajo. Su elevado punto de ebullición hace del agua un recurso poco atractivo, sobre todo, en el uso de fuentes de calor con temperaturas de entre 100º y 200ºC, por ejemplo, líquidos geotérmicos o calor emitido por procesos de combustión, debido al costo elevado.

Para fuentes de calor con una temperatura tan baja se desarrollaron en los últimos años diferentes tecnologías que posibilitan convertir su calor con un rendimiento elevado en energía mecánica o eléctrica. Además del proceso Rankine con un medio de trabajo orgánico (organic rankine cycle, ORC) se destaca, sobre todo, el denominado ciclo Kalina, debido a su rendimiento notablemente superior en comparación con el proceso Rankine clásico. En base al ciclo Kalina se desarrollaron diversos ciclos para diferentes aplicaciones. En lugar de agua, estos ciclos utilizan como medio de trabajo una mezcla de dos sustancias (por ejemplo, amoníaco y agua), asimismo, se utiliza el proceso de ebullición y condensación no isotérmico de la mezcla para elevar el rendimiento del circuito en comparación con el circuito Rankine.

Para temperaturas de la fuente de calor de, al menos, 140ºC, se utiliza, preferentemente, el circuito Kalina KCS 11 (Kalina Cycle System 11). En este caso, se bombea un medio de trabajo líquido hacia un termocambiador, denominado, en adelante, "termocambiador de calentamiento previo", en el cual es calentado hasta alcanzar una condensación parcial de un flujo de medio de trabajo distendido hasta alcanzar su punto de ebullición. El flujo de medio de trabajo presionizado, en ebullición, es dividido luego en un primer y un segundo flujo parcial, mediante un separador. El primer flujo parcial es evaporado parcialmente en un primer termocambiador diferente, utilizando calor, generado por la refrigeración de una fuente de calor (por ejemplo, un líquido geotérmico). El segundo flujo parcial es evaporado parcialmente en un segundo termocambiador diferente, utilizando calor, generado por condensación parcial del flujo de medio de trabajo distendido.

El primer y el segundo flujo parcial, parcialmente evaporados, se unen posteriormente a través de un mezclador y se forma un flujo de medio de trabajo parcialmente evaporado. Posteriormente, en un tercer termocambiador diferente, se genera, por transmisión de calor de la fuente de calor al flujo de medio de trabajo parcialmente evaporado, un flujo de medio de trabajo gaseoso.

El flujo de medio de trabajo gaseoso se distiende posteriormente en una turbina y su energía es utilizada para generar corriente. El flujo de medio de trabajo distendido luego es condensado parcialmente en el segundo termocambiador diferente, ya mencionado y en el termocambiador de calentamiento previo y, finalmente, es generado, en un condensador, por condensación completa, el medio de trabajo líquido mencionado al comienzo, de ese modo se cierra el ciclo.

La memoria EP 0 472 020 presenta un procedimiento y un dispositivo para la ejecución de un ciclo termodinámico con una mezcla de amoníaco y agua como medio de trabajo, en cuyo caso, un flujo de medio de trabajo líquido es bombeado bajo presión elevada y, posteriormente, dividido en un primer flujo parcial y un segundo flujo parcial, asimismo, el primer flujo parcial y el flujo de medio de trabajo líquido presentan, esencialmente, la misma temperatura. Ambos flujos parciales son parcialmente evaporados y, posteriormente, reunidos formando un flujo de medio de trabajo parcialmente evaporado. En el caso de un flujo de medio de trabajo parcialmente evaporado se separa posteriormente la fase líquida de la fase gaseosa. Por transmisión de calor de la fase líquida al primer flujo parcial, el primer flujo parcial es evaporado parcialmente y la fase líquida es refrigerada. La fase gaseosa es evaporada completamente utilizando calor de una fuente de calor de baja temperatura. El medio de trabajo completamente evaporado es distendido, su energía es convertida en una forma utilizable y se genera un flujo de medio de trabajo distendido. Por transmisión de calor del flujo de medio de trabajo distendido al segundo flujo parcial, el segundo flujo parcial es evaporado parcialmente y el flujo de medio de trabajo distendido es parcialmente condensado. Al flujo de medio de trabajo parcialmente condensado se le agrega posteriormente la fase líquida refrigerada del flujo de medio de trabajo parcialmente evaporado y luego se condensa completamente el flujo de medio de trabajo obtenido.

El objeto de la presente invención es presentar un procedimiento y un dispositivo para la ejecución de un ciclo termodinámico que, en comparación con el estado actual de la técnica mencionado, posibilite, con la misma fuente de calor, un mayor rendimiento de energía mecánica y/o eléctrica sin incrementar los costos de la instalación.

La resolución de esta tarea se logra a través de un procedimiento acorde a la reivindicación 1. Los acondicionamientos ventajosos del procedimiento son objeto de las reivindicaciones 2 a 3. La solución en lo que respecta al dispositivo se logra, acorde a la invención, a través de un dispositivo acorde a la reivindicación 4. Los acondicionamientos ventajosos del dispositivo son, respectivamente, objeto de las reivindicaciones 5 a 6.

La presente invención parte de la base de que el calor de la fuente de calor se puede aprovechar mejor cuanto más baja sea la temperatura del medio de trabajo antes de la evaporación parcial del primer flujo parcial. Si el primer flujo parcial presenta esencialmente la misma temperatura (baja) que el flujo de medio de trabajo líquido, se puede tomar más calor de la fuente de calor y utilizarlo para generar energía mecánica y/o eléctrica que si el flujo de medio de trabajo líquido ya hubiera sido previamente calentado. En el marco de la invención se entiende por "esencialmente la misma temperatura", que la diferencia de temperatura sólo es de unos pocos grados Kelvin, por ejemplo, debido a una ligera refrigeración del flujo de medio de trabajo líquido presionizado antes de formar un primer flujo parcial o debido al bombeado del flujo de medio de trabajo líquido a una mayor presión.

De este modo, es posible un aprovechamiento comparativamente mejor del calor, de la fuente de calor, que el conocido en el estado actual de la técnica, en el cual, debido al calentamiento previo del flujo de medio de trabajo líquido presionizado hasta alcanzar la temperatura de ebullición, mediante el termocambiador de calentamiento previo, el primer flujo parcial presenta una temperatura mayor que el flujo de medio de trabajo líquido.

La invención posibilita incrementar, mediante un correspondiente dimensionamiento del circuito, especialmente, de las superficies de calefacción del termocambiador, el caudal de masa del medio de trabajo esencial para la generación de la energía mecánica o eléctrica, con condiciones del flujo de medio de trabajo gaseoso, así como del flujo de medio de trabajo líquido, de presión, temperatura y entalpía esencialmente iguales al estado actual de la técnica.

La obtención de energía a través del aprovechamiento del calor de la fuente de calor es, en este caso, mayor que las pérdidas a causa del no aprovechamiento de la energía del flujo de medio de trabajo distendido para el calentamiento previo del flujo de medio de trabajo líquido presionizado mediante un termocambiador de calentamiento previo. Un requerimiento de una mayor superficie de calefacción tiene como consecuencia un requerimiento de inversión mayor, pero los costos elevados pueden ser compensados, en gran parte, gracias a que se prescinde del termocambiador de calentamiento previo y debido a la conducción de tuberías simplificada la gracias a ello, de modo que los costos de la instalación son esencialmente los mismos.

El primer y el segundo termocambiador están dimensionados, a su vez, de modo que el primer y el segundo flujo parcial, parcialmente evaporados, presentan, aproximadamente, la misma temperatura y la misma proporción...

1. Procedimiento para la ejecución de un ciclo termodinámico que presenta, al menos, los siguientes pasos: