SISTEMA DE REFRIGERACION DE CENTRALES TERMICAS.

Sistema de refrigeración de centrales térmicas que consta de un circuito cerrado de líquido que se enfría en un aero-refrigerador (10),

por cuyo exterior es impulsado el aire atmosférico, contando además en el circuito cerrado con un depósito de gran tamaño, o aljibe (25) del mencionado líquido. El líquido refrigerante del depósito o aljibe (25) puede enviarse a ser enfriado en el aero-refrigerador (10) cuando su temperatura es mayor que la del aire exterior, y la central térmica no está funcionando; o puede enviarse dicho líquido al foco frío (6) del ciclo de potencia de la central térmica, cuando ésta se encuentra funcionando y la temperatura del líquido del aljibe (25) es inferior a la temperatura que puede alcanzar el líquido en su enfriamiento a través del aero-refrigerador (10), según la temperatura del aire atmosférico

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200930275.

Solicitante: UNIVERSIDAD POLITECNICA DE MADRID.

Nacionalidad solicitante: España.

Provincia: MADRID.

Inventor/es: MARTINEZ-VAL PEALOSA,JOSE MARIA, PIERA CARRETE,MIREIA, ABANADES VELASCO,ALBERTO, VALDES DE FRESNO,MANUEL, AMENGUAL MATAS,RAFAEL RUBEN, MONTES PITA,MARIA JOSE, ROVIRA DE ANTONIO,ANTONIO, MUOZ ANTON,JAVIER.

Fecha de Solicitud: 8 de Junio de 2009.

Fecha de Publicación: .

Fecha de Concesión: 24 de Agosto de 2010.

Clasificación Internacional de Patentes:

  • F01K13/00 SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA.F01 MAQUINAS O MOTORES EN GENERAL; PLANTAS MOTRICES EN GENERAL; MAQUINAS DE VAPOR.F01K PLANTAS MOTRICES A VAPOR; ACUMULADORES DE VAPOR; PLANTAS MOTRICES NO PREVISTAS EN OTRO LUGAR; MOTORES QUE UTILIZAN CICLOS O FLUIDOS DE TRABAJO ESPECIALES (plantas de turbinas de gas o de propulsión a reacción F02; producción de vapor F22; plantas de energía nuclear, disposición de motores en ellas G21D). › Disposición general o método general de funcionamiento de las instalaciones completas de plantas motrices a vapor.
  • F02C7/141 F […] › F02 MOTORES DE COMBUSTION; PLANTAS MOTRICES DE GASES CALIENTES O DE PRODUCTOS DE COMBUSTION.F02C PLANTAS MOTRICES DE TURBINAS DE GAS; TOMAS DE AIRE PARA PLANTAS DE PROPULSION A REACCION; CONTROL DE LA ALIMENTACION DE COMBUSTIBLE EN PLANTAS DE PROPULSION A REACCION QUE CONSUMEN AIRE (estructura de turbinas F01D; plantas de propulsión a reacción F02K; estructura de compresores o ventiladores F04; aparatos de combustión en los que la combustión tiene lugar en un lecho fluidizado de combustible u otras partículas F23C 10/00; elaboración de productos de combustión a alta presión o gran velocidad F23R; utilización de turbinas de gas en plantas de refrigeración por compresión F25B 11/00; utilización de turbinas de gas en vehículos, véanse las clases apropiadas relativas a vehículos). › F02C 7/00 Características, partes constitutivas, detalles o accesorios, no cubiertos por, o con un interés distinto que, los grupos F02C 1/00 - F02C 6/00; Tomas de aire para plantas motrices de propulsión a reacción (control F02C 9/00). › del fluido energético (F02C 3/30 tiene prioridad).

Clasificación PCT:

  • F01K13/00 F01K […] › Disposición general o método general de funcionamiento de las instalaciones completas de plantas motrices a vapor.
  • F02C7/141 F02C 7/00 […] › del fluido energético (F02C 3/30 tiene prioridad).

Fragmento de la descripción:

Sistema de refrigeración de centrales térmicas.

Sector de la técnica

La invención se encuadra en el campo de las centrales térmicas dedicadas a la generación de electricidad, o de energía mecánica de rotación, mediante un ciclo termodinámico que requiere, entre otros componentes, un foco frío. Este foco frío puede ser un condensador; o un enfriador de calor sensible; o ambos.

En concreto la invención se inscribe en el campo de los dispositivos, configuraciones y modos de funcionamiento aplicados para la extracción de calor del foco frío, de tal manera que la temperatura del fluido de trabajo alcance un valor muy bajo, y por tanto se consiga un rendimiento alto en el ciclo termodinámico.

En particular la invención es aplicable a centrales o instalaciones térmicas que no tienen posibilidad de usar agua como sumidero último de calor. Es conocido que muchas instalaciones existentes usan agua de mar, de un río, de un embalse o la evaporada en una torre de refrigeración de tiro húmedo, pero en muchas otras localizaciones no se dispone de agua, y el consumo de ésta en grandes cantidades es imposible no sólo desde el punto de vista económico, sino desde el punto de vista social y ambiental, por la necesidad del agua para otros usos más primarios, como es el mantenimiento de la vida.

Concretando aún más el campo de la invención, ésta es aplicable a las instalaciones que no funcionan por la noche, bien porque la fuente térmica no esté disponible, como es el caso de la energía solar, bien porque no sea necesario su funcionamiento por la noche, pues a esas horas la demanda de electricidad está en su mínimo. Pero es precisamente por la noche cuando la temperatura ambiental es menor, y por tanto mayor facilidad se tiene para refrigerar un foco frío.

Antecedentes de la invención

Existe una amplia variedad de sistemas de enfriamiento del foco frío de una central térmica. Lo ideal es que el fluido que refrigera el foco frío (el condensador, en los casos que utilizan ciclos de Rankine, que son muy comunes) sea agua, por su alta densidad, alto calor específico, alto coeficiente de película de convección y baja potencia de bombeo consumida en su movimiento.

Cuando no es posible el uso de agua, lo más usual es recurrir al aire para la refrigeración del foco frío; pero el aire no reúne las características antedichas del agua. Más aún, el aire se calienta durante el día de manera notable, lo cual es tremendamente perjudicial para el rendimiento de la central, pues la temperatura alcanzada por el fluido de trabajo en el foco frío resulta relativamente alta, y ello perjudica el rendimiento (tanto el teórico del Carnot, como el real del ciclo, sea éste de tipo Rankine con condensación de un vapor, o sea tipo Brayton, con enfriamiento del gas que actúa de fluido de trabajo, antes de volver a ser presurizado).

Existen varios refrigeradores basados en el uso del aire como fluido que haga de sumidero último de calor. En estos dispositivos, el fluido de trabajo suele circular por el interior de tubos metálicos, aleteados por el exterior, que es por donde circula el aire, impulsado en general por un ventilador o batería de ventiladores.

Aunque el aire pueda usarse directamente para condensar el fluido de trabajo, cuando éste está en fase de vapor a la salida de la turbina, esa disposición térmico-geométrica no es buena del todo, en particular para unidades de gran potencia, en las cuales el caudal de vapor a condensar es muy grande, y la condensación se realiza mejor por el exterior de los tubos; por dentro de los cuales circula el líquido frío que hace de sumidero de calor in situ. No obstante, ese calor ha de ser transferido a un macro-elemento natural que haga de sumidero último de calor, que no puede ser otro que la atmósfera o la hidrosfera.

Análogamente, en el caso de utilizar gas (no condensable) como fluido de trabajo (ciclo Brayton cerrado, como ejemplo más señero), en el enfriador no es fácil encontrar una buena disposición térmico-geométrica entre el fluido de trabajo y el aire, pues al ser ambos gases, sus coeficientes de película son modestos, y ambos requieren mucha superficie de termo-transferencia.

Una posible alternativa, aunque interponga un intercambiador adicional en el circuito global de la transformación energética, es el uso de un circuito cerrado de refrigeración con un líquido, de tal forma que sea este líquido quien refrigere el foco frío del ciclo, y a su vez transmita el calor extraído al aire, que es el elemento ubicuo en la superficie del planeta. Esta solución de un circuito líquido cerrado para refrigerar el foco frío y transferir el calor al aire es la que se usa en la generalidad de los vehículos automóviles, aunque en este caso los ciclos termodinámicos usados (Otto o Diesel) no son iguales a los de las centrales térmicas. En el circuito líquido cerrado antedicho puede usarse agua, pues al ser cerrado no hay consumo, salvo fugas por averías, u otro líquido, orgánico, mineral o de otra naturaleza química, aunque el agua reúne propiedades térmicas y económicas muy positivas.

Aún con esta opción de configuración de los circuitos de refrigeración en su conjunto, subsiste el inconveniente de que el aire se calienta sustancialmente durante el día, de modo que, a las horas en que es más necesario refrigerar la central, las condiciones del sumidero último de calor (el aire) son las peores. Por el contrario, cuando menos necesario es el funcionamiento de la central, que es por la noche, mejores son las condiciones de refrigeración.

El problema a resolver, pues, es encontrar un montaje y modo de funcionamiento en los cuales se refrigere la central durante su funcionamiento diurno con condiciones que sean cercanas a la temperatura nocturna, sin sobrecargar mucho ni las inversiones en la instalación, ni el incremento de entropía que se produce cada vez que se interpone una transferencia de calor en un sistema.

Descripción de la invención

La invención consiste en un sistema de refrigeración de centrales térmicas mediante al menos un circuito cerrado de líquido que comprende:

    - un componente de refrigeración del foco frío del fluido de trabajo del ciclo termodinámico, que abreviadamente denominamos "foco frío", sea éste de tipo condensador (para fluidos de trabajo que sean vapores condensables) o sea un intercambiador de calor sensible (para gases no condensables), el cual componente tendrá como fluido primario el propio fluido de trabajo, y como secundario el líquido del circuito cerrado, que puede ser particularmente, pero no obligatoriamente, agua;
    - un intercambiador, que denominamos aero-refrigerador, que forma parte del circuito cerrado de líquido, cuyo fluido primario es el propio líquido del circuito, siendo el aire el fluido secundario, que actúa de sumidero último de calor; y estando conectado hidráulicamente éste intercambiador con el foco frío descrito en el apartado anterior, incluyendo en el circuito de conexión la bomba o circulador para mover el líquido del circuito, y las válvulas de control y de cierre que gradúen el caudal del líquido y, particularmente, que hagan nulo, por cierre de las válvulas, este caudal de conexión entre estos dos componentes; y existiendo además un ventilador o batería de éstos para mover el aire que actúa de fluido secundario en este aero-refrigerador;
    - un depósito del líquido del circuito cerrado, que denominamos aljibe, que contiene una masa dada de este líquido, y está aislado térmicamente del exterior, y preferiblemente está localizado subterráneamente, lo cual le aísla especialmente de las evoluciones diarias de temperatura del aire, aunque también puede estar ubicado este depósito en superficie, requiriendo en tal caso de una cubierta reflectante en el aislamiento, o de un edificio acondicionado térmicamente; estando conectado hidráulicamente éste aljibe con el foco frío descrito en el primer apartado de esta Descripción, incluyendo en el circuito de conexión una bomba o circulador para mover el líquido del circuito, y las válvulas de control y de cierre que gradúen el caudal del líquido y, particularmente, que hagan nulo, por cierre de las válvulas, este caudal de conexión entre estos dos componentes, aljibe y foco frío; y estando conectado hidráulicamente además el aljibe con el aero-refrigerador descrito en el apartado anterior de esta Descripción, incluyendo en el circuito de conexión una bomba o circulador para mover el líquido del circuito, y las válvulas de control y de cierre que gradúen el caudal del líquido y, particularmente, que hagan nulo, por cierre...

 


Reivindicaciones:

1. Sistema de refrigeración de centrales térmicas, basado en una configuración de central térmica con un fluido de trabajo que evoluciona según un ciclo termodinámico caracterizado por comprender al menos un circuito cerrado de refrigeración con un líquido que comprende:

    - al menos un componente de refrigeración (7, 42, 45) instalado en el foco frío (6, 41, 44) del ciclo termodinámico de la central térmica, cuyo fluido primario corresponde con el propio fluido de trabajo de la central térmica, y cuyo fluido secundario corresponde con el líquido del propio circuito cerrado;
    - al menos un intercambiador o aero-refrigerador (10, 47), cuyo fluido primario es el propio líquido del circuito, siendo el aire el fluido secundario, que actúa de sumidero último de calor; y estando conectado hidráulicamente éste intercambiador con el componente de refrigeración (7, 42, 45) instalado en el foco frío (6, 41 y 44), incluyendo en el circuito de conexión al menos una bomba o circulador (14, 53, 78) para mover el líquido del circuito, y una pluralidad de válvulas de control y de cierre (15, 16, 17, 22; 54, 56; 73, 75) que gradúan el caudal del líquido y, particularmente, que hacen nulo, por cierre de las válvulas, este caudal de conexión entre estos dos componentes; y existiendo además un ventilador o batería de éstos (11, 50) para mover el aire que actúa de fluido secundario;
    - al menos un depósito o aljibe (25, 62, 67) del líquido del circuito cerrado, que comprende un aislamiento térmico (24, 61, 70) en el exterior, estando conectado hidráulicamente este aljibe con

sqbullet el componente de refrigeración (7, 42, 45) instalado en el foco frío (6, 41 y 44) incluyendo una pluralidad de ramales de conexión (32, 33, 87, 88, 89, 90) con una pluralidad de válvulas (15, 19, 21; 55, 58; 71, 75, 76) de control y de cierre que gradúan el caudal del líquido y, hacen nulo, por cierre de dichas válvulas, este caudal de conexión entre estos dos componentes; y

sqbullet el aero-refrigerador (10, 47) incluyendo una pluralidad de ramales de conexión (30, 31, 83, 84, 86, 85) con una pluralidad de válvulas (17, 18, 20; 57, 59; 72, 74) de control y de cierre que gradúan el caudal del líquido y hacen nulo, por cierre de dichas válvulas, este caudal de conexión entre estos dos componentes.

incluyendo en el circuito de conexión al menos una bomba o circulador (26, 60, 77) para mover el líquido del circuito.

    2. Sistema de refrigeración de centrales térmicas, según reivindicación 1 caracterizado por que el foco frío es un condensador (6).

    3. Sistema de refrigeración de centrales térmicas, según reivindicación 1 caracterizado por que el foco frío comprende un enfriador primario (41) y un enfriador adicional (44) dando lugar a dos circuitos cerrados de líquido de refrigeración.

    4. Sistema de refrigeración de centrales térmicas, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que el depósito o aljibe (25, 62, 67) comprende una pluralidad de falsas soleras perforadas horizontales (91, 92), que lo atraviesan en su sección recta, con las perforaciones contrapuestas, en el sentido de que las impares, en numeración desde arriba, tienen la perforación central, y las pares tienen la perforación periférica; o viceversa.

    5. Sistema de refrigeración de centrales térmicas, según reivindicación 4 caracterizada por que las perforaciones se alternan a derecha e izquierda de la pared mas larga del aljibe, según la paridad de la solera.

    6. Sistema de refrigeración de centrales térmicas según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que incluye una pluralidad de válvulas de corte o cierre (15), (16), (17), (18), (19), (20), (21), (22), (54), (55), (56), (57), (58), (59), (71), (72), (73), (74), (75) y (76) en los diversos ramales de los circuitos de conexión entre los componentes de refrigeración (6, 41, 44), el aero-refrigerador (10, 47) y el aljibe (25, 62, 67), estando cerradas todas las válvulas, y abriéndose cada una de ellas, individualizadamente, cuando recibe la orden electromagnética o mecánica correspondiente, dándose estas órdenes a válvulas concretas en función de las condiciones de temperatura en los diversos fluidos relevantes, y en función de si se requiere o no el funcionamiento de la central; y existiendo asimismo, en dichos circuitos, bombas o circuladores de impulsión de caudal (8), (14), (26), (53), (60), (77) y (78) que están inactivos hasta que reciben órdenes individualizadas concretas con la energización correspondiente, en función de las condiciones de temperatura en los diversos fluidos relevantes, y en función de si se requiere o no el funcionamiento de la central, de manera que mediante estas órdenes, y las antedichas órdenes a las válvulas, se configura el sistema en circuitos de fluidos con disposiciones estructurales y funcionales distintas y específicas.

    7. Sistema de refrigeración de centrales térmicas, según reivindicación 6 caracterizado por que inicialmente todas las válvulas están cerradas y todas las bombas o circuladores inactivos, abriéndose las válvulas (15), (16), (17), (22), (54), (56), (73) y (75) y activándose las bombas o circuladores (8), (14), (53) y (78) cuando la temperatura del aire es menor que la de su valor tope de diseño de la central en la que se aplica la invención y ésta está o va a entrar en funcionamiento, de tal manera que funciona sólo la conexión hidráulica entre el foco frío (6, 41 y 44) y el aero-refrigerador (10, 47), refrigerándose así el foco frío (6, 41, 44).

    8. Sistema de refrigeración de centrales térmicas, según reivindicación 6 caracterizado por que inicialmente todas las válvulas están cerradas y todas las bombas o circuladores inactivos, abriéndose las válvulas (17), (18), (20), (57), (59), (72) y (74) y activándose las bombas o circuladores (26), (60) y (77) cuando la temperatura del aire es menor que la existente en el líquido del circuito cerrado y no funciona el ciclo termodinámico de la central, funcionando sólo la conexión hidráulica entre el aljibe (25, 62, 67) y el aero-refrigerador (10, 47), reduciéndose progresivamente la temperatura del líquido almacenado en al aljibe (25, 62, 67).

    9. Sistema de refrigeración de centrales térmicas, según reivindicación 6 caracterizado por que inicialmente todas las válvulas están cerradas y todas las bombas o circuladores inactivos, abriéndose las válvulas (15), (19), (21), (55), (58), (71), (75) y (76) y activándose las bombas o circuladores (8), (26), (60) y (77) cuando la temperatura del aire es mayor que la de su valor tope de diseño de la central en concreto en la que se aplica la invención, y está o va a entrar en funcionamiento, y la temperatura del líquido del aljibe (25, 62, 67) está por debajo de la del aire, funcionando solo la conexión hidráulica entre el aljibe (25, 62, 67) y el foco frío (6, 41 y 44), refrigerándose así el foco frío (6, 41 y 44).


     

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