ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA TÉRMICA MEDIANTE CONDENSADOR-GENERADOR DE VAPOR REVERSIBLE.

Almacenamiento de energía térmica mediante condensador-generador de vapor reversible.

Sistema de almacenamiento de energía térmica en plantas que producen vapor, generalmente a alta o muy alta presión, basado en la condensación del vapor a alta presión y alta temperatura, siendo el secundario un medio fluido seleccionado entre sal fundida, aceite térmico, u otro líquido de propiedades estables en esas condiciones, que pasa en tal operación del tanque de baja temperatura al de alta; de tal modo que la práctica totalidad del calor de condensación es extraído por dicho medio; el cual se recupera, aunque a temperatura algo inferior, cuando el intercambiador funciona como generador de vapor; siendo dicho intercambiador de tubos verticales troncocónicos, para mejorar sus prestaciones

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201100715.

Solicitante: UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
UNED
.

Nacionalidad solicitante: España.

Provincia: MADRID.

Inventor/es: PIERA CARRETE,MIREIA, MARTINEZ-VAL PENALOSA,JOSE MARIA, ABANADES VELASCO,ALBERTO, MUÑOZ ANTON,JAVIER, AMENGUAL MATAS,RUBEN, MONTES PITA,MARIA JOSE, ROVIRA DE ANTONIO,ANTONIO, VALDES DEL FRESNO,MANUEL, Ramos Millan,Alberto, ABBAS CÁMARA,RUBÉN.

Fecha de Solicitud: 22 de Junio de 2011.

Fecha de Publicación: .

Fecha de Concesión: 14 de Diciembre de 2011.

Clasificación PCT:

  • F01K3/00 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). › Plantas motrices caracterizadas por el empleo de acumuladores de vapor o de calor, o bien de recalentadores intermedios de vapor (regeneración del vapor evacuado F01K 19/00).
  • F01K3/12 F01K […] › F01K 3/00 Plantas motrices caracterizadas por el empleo de acumuladores de vapor o de calor, o bien de recalentadores intermedios de vapor (regeneración del vapor evacuado F01K 19/00). › que tienen dos o más acumuladores.

Fragmento de la descripción:

Almacenamiento de energía térmica mediante condensador-generador de vapor reversible. Sector de la técnica La invención se encuadra en el campo de la Ingeniería térmica, y más concretamente en las instalaciones en las que se genera un vapor de alta entalpía por cualquier medio, y dicho vapor no puede usarse en su totalidad en un momento dado, por lo que se ha de aliviar a la atmósfera, si no se puede almacenar. Un importante caso de este tipo es el de las centrales termo-solares, tanto si están destinadas para generación de electricidad como a usos térmicos directos, típicamente de tipo industrial. Problema técnico a resolver y Antecedentes de la invención Hay varios ámbitos industriales donde se dispone de una fuente de calor que no es totalmente regulable o gestionable por el operador de la planta, como es el caso, muy señalado dentro de las energías renovables, de las instalaciones termosolares de alta temperatura, especialmente si están destinadas a la generación de electricidad. En estas plantas, la turbina tiene una potencia máxima, normalmente no muy por encima de la potencia nominal, y de manera habitual no se puede exceder de ésta; mientras que la radiación solar recibida en el campo de colectores varía diurnamente y estacionalmente, de tal modo que sólo en contados momentos coincide la potencia térmica captada por los colectores con la que necesita la turbina para su funcionamiento nominal; y dicha potencia térmica colectada está, o bien por debajo, en cuyo caso hay que trabajar a potencia parcial, o bien está por encima, en cuyo caso se trabaja a la potencia nominal, o eventualmente a la máxima permitida, y queda un exceso de vapor que, si no se puede destinar a otro fin, se ha de evacuar a la atmósfera, salvo que se pueda almacenar, bien como tal vapor, bien indirectamente, transfiriendo su energía térmica a un medio que sea más eficiente en ese tipo de función térmica. El problema que específicamente se quiere resolver es el del almacenamiento de energía térmica a partir de vapor (fundamentalmente, vapor de agua), y la ruta térmica que se va a proponer pasa por la condensación del vapor a alta presión, por transferencia térmica a un fluido secundario que va a adquirir a la salida del condensador una temperatura no muy lejana de la de condensación del agua, que ocurre en el lado primario del condensador. Eso significa que habrá en realidad dos áreas técnicas a considerar: la del almacenamiento térmico en sí, en particular el que se produce con cambio de fase, y la de los condensadores de vapor. Se han analizado invenciones en ambos campos, y particularmente en el primero de ellos es de señalar la invención solicitada en WO 2010085574 (A1) destinada al almacenamiento térmico compatible con vapor sobrecalentado. En concreto, la invención define un método para cada ámbito termodinámicamente diferenciado, como es el subenfriado, el bifásico, y el vapor sobrecalentado, de modo que a lo que atiende es a un sistema en su conjunto, más que a dispositivos concretos para materializar las ideas. En algunos casos se propone, para almacenar energía térmica a alta temperatura, el uso de sistemas con cambio de fase en el medio secundario, que es donde se realiza el almacenamiento, y en tal sentido cabe mencionar la US 4696338 (A), que usa un tanque con líquido y vapor en equilibrio, a alta presión y temperatura, parecido a los presionadores de los reactores nucleares PWR; pero el sistema adolece de falta de capacidad, por almacenar vapor, con su consiguiente alto valor de volumen específico, lo que significa que la masa total de agua/vapor almacenada está muy acotada. También existe el precedente de que el medio secundario no cambie de sólido a líquido, como es el caso propuesto en WO 0212814 (A1). Como variante curiosa de ésta se emplean cristales de algunas sustancias, como son los clatratos, y en tal sentido cabe citar la US 4821794 (A). Hay algunas invenciones propuestas para plantas solares, como el sistema de captación solar y almacenamiento presentado en CN 101846044, o el dispositivo Fresnel de reflexión con sales fundidas en su tubo focal, GR 20090100177 (a). Y en el ámbito de los equipos en sí mismos, es de señalar el documento US 2010319879 (A1) sobre un condensador multi-presión, compuesto en realidad por dos cámaras de condensación consecutivas, y posible recirculación entre ellas. Como la mayor parte de las invenciones propuestas en este campo, se centran en mejorar las prestaciones de las turbinas, y no en aprovechar la condensación para almacenar energía térmica. Como antecedentes más cercanos al equipamiento objeto de la invención, pero sin atisbarse de ninguna manera el condensador-generador reversible actuando a alta presión, cabe citar los documentos CN 101845973, que presenta un drenaje vertical de la turbina (ideado sobre todo para reacción ante emergencias), el documento CN 201191110 (Y) que presenta un condensador de tubos verticales, y el JP 2009174437 (A) que contiene un condensador en forma de torre, con tubos así mismo verticales. En realidad, una amplia gama de intercambiadores de calor para diversos objetivos corresponde a la clase de tubos y carcasa, con paso simple o múltiple; tanto de disposición horizontal como vertical. Una guía práctica sobre estos intercambiadores son las normas TEMA (Tubular Exchanger Manufacturer Association) pero aún siendo tan bien conocidos, aún parece haber sitio para la invención y el uso innovador de las invenciones en el mundo de los intercambiadores. 2 ES 2 364 311 A1 Respecto de las funciones en sí, también hay precedentes de uso alternativo de un intercambiador para condensar o para generar vapor. Una propuesta de este tipo es la del documento WO 2010013608 (A1), aunque se trata en su caso de un intercambiador de placas, de geometría totalmente distinta de la de tubos y carcasa, siendo además los de placas poco adecuados para trabajar con diferencias de presión altas, entre primario y secundario. Descripción de la invención La invención consiste en estructurar una planta de generación de vapor, para el uso que sea, con inclusión de un sistema central de almacenamiento térmico que comprende: - un tambor de separación del vapor saturado, con tres posibles alternativas de salida, que corresponden a: la recirculación del líquido; al conducto de vapor hacia su aplicación o finalidad; y al conducto de vapor hacia un intercambiador específico, de flujo reversible; - dicho intercambiador de calor, de flujo reversible tanto en su circuito primario como en el secundario, actuando como condensador cuando el fluido primario tiene una trayectoria descendente, o actuando como generador de vapor cuando el fluido primario va en trayectoria ascendente, teniendo estructuralmente una disposición vertical de carcasa y tubos, siendo los tubos troncocónicos, con la boca de menor diámetro abajo, y yendo dichos tubos desde una placa base inferior a una placa base superior, y siendo el fluido primario el que circula por dentro de los tubos; - un subsistema del fluido secundario de dicho intercambiador reversible, consistente en dos tanques de almacenamiento del fluido térmico que se use, seleccionado este fluido entre aceite y sales fundidas, u otra sustancia que sea líquida en el nivel de temperaturas de operación que se fije en cada caso, estando unidos los tanques por un conducto o tubería que atraviesa el intercambiador reversible, actuando siempre uno de ellos como tanque de baja temperatura, y otro como tanque de alta temperatura, yendo el fluido secundario del tanque de baja al de alta cuando el intercambiador actúa como condensador, y yendo el fluido secundario del tanque de alta al de baja cuando el intercambiador actúa como generador de vapor; moviéndose el fluido secundario, seleccionado entre sal fundida, aceite industrial o cualquier otra sustancia estable como líquido a las temperaturas de operación, por la parte exterior de los tubos, entre éstos y la carcasa, siempre de forma predominantemente vertical; - un conducto de evacuación desde el tambor de separación, a través del circuito primario intercambiador reversible, hasta el depósito de condensado a alta presión y alta temperatura, estando provisto este conducto de una válvula que sólo está abierta cuando el intercambiador actúa como condensador; - un depósito de condensado a alta presión y alta temperatura; - una bomba de evacuación del condensado en dicho conducto de evacuación, que estimula la tasa de fluido evacuado, y mantiene el nivel de la superficie libre de líquido, en dicho intercambiador reversible, a la altura de la placa base inferior del intercambiador, cuando éste actúa como condensador; - un conducto de reposición del vapor, que toma líquido desde el depósito de condensado, lo inyecta en el circuito primario del intercambiador reversible, que actúa en el modo de generador...

 


Reivindicaciones:

1. Almacenamiento de energía térmica mediante condensador-generador de vapor reversible, ubicado en una planta de generación de vapor, caracterizado por que el sistema de almacenamiento térmico comprende: - un tambor de separación (10) del vapor saturado, con tres posibles alternativas de salida, que corresponden a: la recirculación del líquido; al conducto de vapor hacia su aplicación o finalidad; y al conducto de vapor hacia un intercambiador específico (17), de flujo reversible; - dicho intercambiador de calor (17), de flujo reversible tanto en su circuito primario como en el secundario, actuando como condensador cuando el fluido primario tiene una trayectoria descendente, o actuando como generador de vapor cuando el fluido primario va en trayectoria ascendente, teniendo estructuralmente una disposición vertical de carcasa (48, 56, 49) y tubos (57), siendo los tubos troncocónicos, con la boca de menor diámetro abajo, y yendo dichos tubos desde una placa base inferior (58) a una placa base superior (59), y siendo el fluido primario el que circula por dentro de los tubos; - un subsistema del fluido secundario de dicho intercambiador reversible, consistente en dos tanques de almacenamiento del fluido térmico que se use, seleccionado este fluido entre aceite y sales fundidas, u otra sustancia que sea líquida en el nivel de temperaturas de operación que se fije en cada caso, estando unidos los tanques por un conducto o tubería (20) que atraviesa el intercambiador reversible (17), actuando siempre uno de ellos como tanque de baja temperatura (18), y otro como tanque de alta temperatura (19), yendo el fluido secundario del tanque de baja al de alta cuando el intercambiador actúa como condensador, y yendo el fluido secundario del tanque de alta al de baja cuando el intercambiador actúa como generador de vapor; moviéndose el fluido secundario, seleccionado entre sal fundida, aceite industrial o cualquier otra sustancia estable como líquido a las temperaturas de operación, por la parte exterior (55) de los tubos, entre éstos y la carcasa, siempre de forma predominantemente vertical; - un conducto (45) de evacuación desde el tambor de separación, a través del circuito primario intercambiador reversible (17), hasta el depósito de condensado a alta presión y alta temperatura (27), estando provisto este conducto en su parte final (33) de una válvula (25) que sólo está abierta cuando el intercambiador actúa como condensador; - un depósito de condensado a alta presión y alta temperatura (27); - una bomba de evacuación del condensado (26) en dicho conducto de evacuación, que estimula la tasa de fluido evacuado, y mantiene el nivel de la superficie libre de líquido, en dicho intercambiador (17) reversible, a la altura de la placa base inferior (58) del intercambiador, cuando éste actúa como condensador; - un conducto de reposición del vapor, que toma líquido (29) desde el depósito de condensado, lo inyecta en el circuito primario del intercambiador reversible, que actúa en el modo de generador de vapor, y del cual emerge hacia los usos ordinarios del vapor que haya en la planta, estando provisto este conducto de una válvula (30) que sólo está abierta cuando el intercambiador actúa como generador de vapor; - una bomba de inyección (31) desde el depósito de condensado (27) hasta el circuito primario del intercambiador reversible (17), que mantiene el nivel de la superficie libre de líquido, en el circuito primario de dicho intercambiador, a la altura de la placa base superior (59) del intercambiador, cuando éste actúa como generador de vapor. 2. Almacenamiento de energía térmica mediante condensador-generador de vapor reversible, según la reivindicación primera, caracterizado por que cuando en la planta hay excedente de vapor, se abre el circuito de evacuación que desvía parte o todo el vapor producido al circuito primario del intercambiador de calor reversible, 17, que en esos momentos actúa como condensador, y se mantiene la superficie libre del líquido condensado justo a la altura, o algunos centímetros por debajo, de la placa base inferior (58) del intercambiador, lo cual se monitoriza con diversa técnicas, tanto termoeléctricas como electro-ópticas, como visuales, y se ejecuta merced a la bomba (26) que impulsa el condensado desde la boca inferior del intercambiador (47) hasta el depósito a presión del condensado (27); activándose esta bomba a mayor potencia si la superficie libre del líquido sube por encima de la placa base inferior, extrayendo más caudal de líquido, y bajando el nivel de la superficie libre; y reduciendo la potencia de succión en caso contrario, extrayendo menos caudal de líquido cuando la superficie libre desciende de su nivel de consigna, que es la placa base inferior (58). 3. Almacenamiento de energía térmica mediante condensador-generador de vapor reversible, según reivindicación anterior, caracterizado por que durante el funcionamiento del intercambiador (17) como condensador, el calor recuperado es ese cambio de fase es captado por el fluido secundario, que actúa de refrigerante, alcanzando una temperatura muy elevada, en torno a 10ºC por debajo de la temperatura de condensación del fluido primario, y pasa dicho fluido secundario del tanque de baja temperatura, o tanque frío (18), al tanque de alta temperatura, o tanque caliente (19), por ES 2 364 311 A1 accionamiento de la bomba del tanque frío (23), absorbiendo el calor liberado por el fluido primario en su condensación; dejando al fluido primario condensado a presión y temperatura iguales a las que tenía el vapor primario, o algo menores, con una reducción de hasta el 5% en valor relativo a la presión y temperatura del vapor. 4. Almacenamiento de energía térmica mediante condensador-generador de vapor reversible, según la reivindicación primera, caracterizado por que cuando el sistema de almacenamiento ha de proporcionar vapor de fluido primario, a partir de la energía térmica almacenada, el intercambiador (17) actúa de generador de vapor, activándose la bomba de inyección (31) desde el depósito de condensado (27) hasta el circuito primario del intercambiador y el fluido primario circula por su interior de abajo a arriba, siempre por dentro de los tubos troncocónicos (64); y se prescribe el criterio de que la superficie libre de líquido (61) esté por encima de la placa base superior (59), lo cual se monitoriza, por procedimientos termo eléctricos, o electro-ópticos o visuales; y se dispone de dicha bomba de inyección (31) de líquido desde el depósito de condensado a alta presión, a la que se le proporciona mayor potencia de bombeo si se desea subir de nivel la superficie libre de líquido, o lo contrario, si se desea que el nivel baje, para estabilizarse en su referencia, que es la placa base superior; y al mismo tiempo se activa la descarga de fluido secundario desde el tanque caliente (19) hasta el tanque de menor temperatura (18), pasando a través del circuito secundario del intercambiador, activándose la bomba de descarga (21) de dicho tanque caliente. 11 ES 2 364 311 A1 12 ES 2 364 311 A1 13 ES 2 364 311 A1 14 OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS ESPAÑA

 

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