Sistema para aprovechamiento de calor.

Sistema para aprovechamiento de calor mediante la utilización de calor residual u otras fuentes de calor,

alternativamente frío urbano, para una alternancia entre producción de frío y/o aprovechamiento de calor y/o producción de energía mecánica y/o eléctrica, sistema que comprende un primer ciclo (2) para la circulación de un fluido de trabajo, un evaporador (4) en el que el fluido de trabajo en circulación se evapora en gas captando calor en el evaporador del calor residual o frío urbano que pasa que se transporta por un conducto (6) que luego se enfría (7), un compresor (8) que comprime el gas, un condensador (10) que condensa el gas para dar un condensado y libera calor a un portador de calor que pasa en el condensador, y una válvula (14) de expansión que expande el condensado y devuelve el fluido de trabajo al evaporador (4), estando el sistema caracterizado porque comprende además un segundo ciclo (16; 16a-d), que está en conexión con el primer ciclo (2), para la circulación del fluido de trabajo, segundo ciclo (16; 16a-d) que está unido al primer ciclo (2), un aparato de expansión, tal como una turbina (18), unida al segundo ciclo (16; 16a-d), turbina (18) que suministra gas procedente del evaporador (4), mediante lo cual se produce una expansión, después de la cual se conduce el fluido de trabajo al evaporador (4), alternativamente a través de un segundo condensador (22) conectado al segundo ciclo (16) que condensa el gas procedente de la turbina (18), después de lo cual se devuelve el condensado al evaporador (4), en el que se conecta un cuarto ciclo (16d) parcial adicional del segundo ciclo (16), a través de una segunda válvula (40) de tres vías, en la producción eléctrica en la que condensador (10) se utiliza como evaporador 15 (10') y el evaporador (4) se utiliza como condensador (4'), además una bomba (38) de condensado está dispuesta en el cuarto ciclo (16d) parcial entre el condensador (4') y la segunda válvula (40) de tres vías, para bombear el condensado desde el condensador (4') al evaporador (10').

Sistema para aprovechamiento de calor

Área técnica La presente invención se refiere a un sistema para aprovechamiento de calor mediante la utilización de calor residual u 5 otras fuentes de calor, alternativamente frío urbano.

Antecedentes En Suecia y en el resto del mundo se producen grandes cantidades de calor residual de temperatura variable. Este calor se desecha a menudo hacia el entorno, por ejemplo a lagos, corrientes de agua, etc. Pueden alcanzarse enormes ventajas económicas y medioambientales si este calor residual pudiera refinarse. En todo el mundo hay industrias que ne10 cesitan grandes cantidades de calor a alta temperatura y que producen grandes cantidades de calor residual a menores temperaturas. En Suecia, hay un ejemplo de utilización de calor residual con fines de calefacción, por ejemplo para la red de calefacción urbana, a partir de procesos que requieren una gran cantidad de energía. Dependiendo de la temperatura del calor residual, puede haber algunas limitaciones en la utilización, tales como demanda de temperatura en la red de calefacción urbana, distancia entre el calor residual y la red de calefacción urbana, etc. Sin embargo, a veces no puede usarse el exceso de calor residual en absoluto con fines de calefacción, dependiendo del momento del año o de que haya destinatario para el calor.

El documento EP-A2-1174590 da a conocer un método y un aparato para la producción de electricidad, en el que un líquido tal como agua se evapora en un primer sistema y transfiere calor a través de un evaporador a un agente refrigerante que circula en un segundo sistema, separado del primer sistema, en el que el agente refrigerante se expande y

produce electricidad. La evaporación se produce a una temperatura relativamente alta, de aproximadamente 200ºC.

El documento GB 2239489-A da a conocer un ciclo de bomba de calor acoplado a un ciclo de Rankine, en el que el calor de condensación de un ciclo evapora el fluido del otro ciclo.

Descripción de la invención Un objeto de la presente invención es conseguir un sistema para aprovechamiento de calor mediante la utilización de calor residual u otra fuente de calor, alternativamente frío urbano, que elimine al menos aquellos inconvenientes que están asociados con aparatos según el estado de la técnica. También es un objeto conseguir un sistema para la producción de frío y/o calor y/o energía mecánica y/o energía eléctrica, y que pueda funcionar en un gran intervalo de temperatura y particularmente con una fuente de calor de temperatura relativamente baja.

Este objeto se consigue con un sistema para aprovechamiento de calor mediante la utilización de calor residual u otra fuente de calor, alternativamente frío urbano, según la presente invención tal como se define en la reivindicación 1. El sistema comprende un primer ciclo para la circulación de un fluido de trabajo que, bajo demanda, puede producir frío y/o calor, un evaporador en el que el fluido de trabajo en circulación se evapora en gas captando calor en el evaporador del calor residual o frío urbano que pasa que se transporta por un conducto, un compresor que comprime el gas, un condensador que condensa el gas para dar un condensado y libera calor a un portador de calor que pasa en el condensa

dor, y una válvula de expansión que expande el condensado y devuelve el fluido de trabajo al evaporador. Además, el sistema comprende un segundo ciclo, que se conecta al primer ciclo, para la circulación del fluido de trabajo que, bajo demanda, puede producir energía mecánica y/o energía eléctrica. El segundo ciclo se une al primer ciclo. Además, el sistema comprende un aparato de expansión, tal como una turbina, turbina a la que se suministra gas procedente del evaporador, mediante lo cual se produce una expansión. El fluido de trabajo se devuelve al evaporador.

Una ventaja con esta solución es que puede usarse calor, en estado de calor residual u otra fuente de calor, alternativamente frío urbano, de manera que puede producirse la evaporación del fluido de trabajo a temperatura baja así como alta, y por consiguiente el sistema puede alternarse entre la producción de frío y/o aprovechamiento de calor y/o producción de energía mecánica y/o eléctrica. Cuando no puede usarse el exceso de calor residual en absoluto con fines de calefacción, dependiendo del momento del año o de que haya destinatario del calor, el sistema puede controlarse 45 para producir solamente energía eléctrica. Otra ventaja es que las bombas de calor existentes pueden reconstruirse para el sistema según la presente invención. Hay una gran flexibilidad en la solución del sistema según la presente invención lo que significa que el fluido de trabajo puede seleccionarse según la temperatura de la fuente de calor. Si el calor residual se aprovecha según la temperatura, la demanda en cuanto a la temperatura del calor urbano puede satisfacerse a la vez que hay menos demanda en cuanto a las dimensiones en los conductos y menores caudales.

Según una realización preferida, el sistema según la presente invención puede comprender uno o más evaporadores. El sistema puede funcionar como una bomba de calor de una fase o de múltiples fases y/o como una planta eléctrica de condensación con expansión en una o más fases de turbina con o sin sobrecalentamiento intermedio. Se utilizan bombas de calor de múltiples fases cuando hay demanda de trabajo a alta presión con el fin de alcanzar la temperatura deseada en el portador de calor. En una bomba de calor de múltiples fases, la expansión del condensado se produce des

pués del condensador en dos o más fases. En cada fase de expansión, se forma una determinada cantidad de gas que se lleva a la fase de presión correcta en un compresor de múltiples fases.

Para fuentes a baja temperatura, por debajo de aproximadamente 70ºC, se usa algún tipo de fluido de trabajo, tal como un agente refrigerante con un punto de ebullición a baja temperatura, por ejemplo HFC R134a o algún agente refrigerante natural tal como amonio o similar. La ventaja del uso de un agente refrigerante es que el volumen del vapor del agente refrigerante a baja temperatura es considerable menor que el vapor de agua, a la misma temperatura. Además, la presión es mayor que la presión atmosférica, lo que entre otras cosas impide la fuga de aire en la planta. A temperaturas por encima de 80-85ºC se hace uso de manera adecuada de agua como fluido de trabajo, mediante lo cual pueden alcanzarse varios cientos de grados.

Por sistema para aprovechamiento de calor quiere decirse una producción de frío y/o calor y/o energía mecánica y/o energía eléctrica mediante el uso de calor residual u otra fuente de calor.

Por portador de calor quiere decirse, por ejemplo, un conducto de agua caliente o en circulación, conducto de calor residual o similar.

Posibles fuentes de calor residual son, por ejemplo, diversas industrias, plantas eléctricas, calderas de agua a alta temperatura, sistemas de calefacción solar, plantas de geocalefacción, plantas de incineración, todo tipo de vehículos a motor, buques, etc. Puede utilizarse la pérdida de calor residual en un vehículo, por ejemplo, tal como gases de escape y agua de refrigeración, y convertirse en energía eléctrica o trabajo mecánico, lo que significaría un consumo de combustible disminuido. Un ejemplo de otra fuente de calor aparte de la fuente de calor residual es el agua de mar.

Ventajas y características adicionales según realizaciones de la invención son evidentes a partir de las reivindicaciones, y también en lo siguiente a partir de la descripción de realizaciones.

Descripción de los dibujos La invención se describirá ahora en más detalle en realizaciones, haciendo referencia a los dibujos adjuntos, sin limitar la interpretación de la invención a las mismas, en los que la figura 1 muestra esquemáticamente un sistema según la presente invención conectado principalmente para la producción eléctrica,

la figura 2 muestra esquemáticamente el sistema según la figura 1 conectado principalmente para la producción de calor,

la figura 3 muestra esquemáticamente el sistema según las figuras 1-2 conectado para la producción simultánea de frío, calor o electricidad,

la figura 4 muestra esquemáticamente el sistema según las figuras 1-3 conectado principalmente para la producción de frío,

la figura 5 muestra esquemáticamente el sistema según las figuras 1-4 conectado para la producción simultánea de frío, calor o electricidad, en el que el primer y el segundo ciclo, respectivamente, están separados uno de otro, produciéndose la evaporación en el ciclo respectivo a temperaturas diferentes en evaporadores... [Seguir leyendo]

1. Sistema para aprovechamiento de calor mediante la utilización de calor residual u otras fuentes de calor, alternativamente frío urbano, para una alternancia entre producción de frío y/o aprovechamiento de calor y/o producción de energía mecánica y/o eléctrica, sistema que comprende un primer ciclo (2) para la circulación de un fluido de trabajo, un evaporador (4) en el que el fluido de trabajo en circulación se evapora en gas captando calor en el evaporador del calor residual o frío urbano que pasa que se transporta por un conducto (6) que luego se enfría (7) , un compresor (8) que comprime el gas, un condensador (10) que condensa el gas para dar un condensado y libera calor a un portador de calor que pasa en el condensador, y una válvula (14) de expansión que expande el condensado y devuelve el fluido de trabajo al evaporador (4) , estando el sistema caracterizado porque comprende además un segundo ciclo (16.

16. d) , que está en conexión con el primer ciclo (2) , para la circulación del fluido de trabajo, segundo ciclo (16.

16. d) que está unido al primer ciclo (2) , un aparato de expansión, tal como una turbina (18) , unida al segundo ciclo (16.

16. d) , turbina (18) que suministra gas procedente del evaporador (4) , mediante lo cual se produce una expansión, después de la cual se conduce el fluido de trabajo al evaporador (4) , alternativamente a través de un segundo condensador (22) conectado al segundo ciclo (16) que condensa el gas procedente de la turbina (18) , después de lo cual se devuelve el condensado al evaporador (4) , en el que se conecta un cuarto ciclo (16d) parcial adicional del segundo ciclo (16) , a través de una segunda válvula (40) de tres vías, en la producción eléctrica en la que condensador (10) se utiliza como evaporador (10’) y el evaporador (4) se utiliza como condensador (4’) , además una bomba (38) de condensado está dispuesta en el cuarto ciclo (16d) parcial entre el condensador (4’) y la segunda válvula (40) de tres vías, para bombear el condensado desde el condensador (4’) al evaporador (10’) .

2. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además una primera válvula (24) de control conectada al primer ciclo (2) y en conexión con el primer ciclo (16a) parcial del segundo ciclo (16) , dispuesta para controlar el flujo de gas evaporado en el primer ciclo y el segundo ciclo, respectivamente, mediante lo cual puede producirse una producción simultánea de frío, calor y electricidad, o alternativamente puede producirse sólo una producción de frío y calor o frío y electricidad, por medio de un control del flujo deseado hacia los ciclos (2, 16a, 16) respectivamente, mediante la válvula (24) de control.

3. Sistema según la reivindicación 2, caracterizado porque la primera válvula (24) de control está dispuesta después del evaporador (4) y antes del compresor (8) .

4. Sistema según la reivindicación 3, caracterizado porque un sobrecalentador (26) está conectado al primer ciclo (16a) parcial, al que se transmite gas procedente del primer ciclo (2) , sobrecalentador (26) que emite gas sobrecalentado a la turbina (18) posterior.

5. Sistema según la reivindicación 4, caracterizado porque puede añadirse energía adicional al fluido de trabajo en el sobrecalentador (26) mediante el paso de calor residual u otra fuente (28) de calor en el sobrecalentador (26) .

6. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el trabajo mecánico producido de la turbina (18) hace funcionar el compresor (8) preferiblemente a través de un conmutador (19) .

7. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el trabajo mecánico producido de la turbina (18) hace funcionar preferiblemente un generador (20) para la producción de electricidad.

8. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el calor residual puede tener una amplia variación de temperatura, adecuadamente a partir de 15ºC y más.

9. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, para recuperar el trabajo del compresor y para una producción de frío aumentada, caracterizado porque un intercambiador (30) de calor está dispuesto entre el condensador (10) y la válvula (14) de expansión, conectado al primer ciclo (2) , un conducto de suministro de condensado de un tercer ciclo (16c) parcial está conectado además desde el evaporador al intercambiador (30) de calor, de manera que el gas que se forma a través de la evaporación del fluido de trabajo en el intercambiador (30) de calor se transfiere a través del tercer ciclo (16c) parcial y adicionalmente a la turbina (18) , mediante lo cual puede producirse una producción simultánea de frío, calor y electricidad, mediante lo cual puede recuperarse una parte del trabajo del compresor.

10. Sistema según la reivindicación 1 para la producción de trabajo mecánico y/o energía eléctrica, estando el sistema caracterizado porque comprende además una tercera válvula (9) de control, dispuesta en el primer ciclo (2) y en conexión con un segundo ciclo (16b) parcial del segundo ciclo (16) , tercera válvula de control que está dispuesta en el primer ciclo (2) en la dirección del flujo después del compresor (8) y antes del primer condensador (10) , en el que el segundo ciclo (16b) parcial está conectado a la tercera válvula (9) de control, mediante lo cual la válvula (9) de control está dispuesta para controlar el flujo de gas comprimido en el primer ciclo (2) y el segundo ciclo (16b) parcial, respectivamente, y en el que el flujo de gas comprimido desde la tercera válvula (9) de control al segundo ciclo (16b) parcial se lleva adicionalmente a la turbina (18) , de manera que puede obtenerse una producción simultánea de frío, calor y energía mecánica y/o energía eléctrica, por medio de la tercera válvula (9) de control que controla el flujo deseado hacia los ciclos (2, 16b, 16) respectivamente.

11. Sistema según la reivindicación 1 para una producción de frío aumentada, caracterizado porque un portador de calor a baja temperatura en un conducto (21) conectado al segundo condensador (22) elimina el calor y de este mo

do el gas se condensa para dar un condensado en el condensador (22) antes de una transferencia adicional al evaporador (4) .

12. Sistema según la reivindicación 2, caracterizado porque un evaporador (26’) está conectado al segundo ciclo (16) , comprendiendo además el sistema una primera válvula (17) de tres vías, dispuesta en el segundo ciclo (16) en

la dirección del flujo después de la bomba (23) de condensado, dispuesta entre el segundo condensador (22) y el evaporador (26’) , bomba (23) de condensado que bombea el medio condensado de vuelta al evaporador (26’) , estando dicha primera válvula de tres vías dispuesta para separar el ciclo (16) del primer ciclo (2) junto con primera válvula (24) de control.

13. Sistema según la reivindicación 12, caracterizado porque la evaporación en el primer ciclo (2) y el segundo ciclo (16) , respectivamente, se produce a temperaturas diferentes, por ejemplo con una fuente de calor residual a una temperatura de aproximadamente 50ºC para la evaporación en el segundo ciclo (16) y con frío urbano, frío libre y/o aguas residuales a una temperatura relativamente baja para la evaporación en el primer ciclo (2) con el fin de cumplir los requisitos de temperatura de la red de frío urbano de aproximadamente 5-10ºC.

14. Sistema según la reivindicación 12, caracterizado porque la evaporación en el primer ciclo (2) y el segundo ciclo (16) , respectivamente, se produce con fuentes de calor diferentes, tales como por ejemplo con una fuente de calor residual en el segundo ciclo (16) y con frío urbano, frío libre y/o aguas residuales en el primer ciclo (2) .

15. Sistema según la reivindicación 12, caracterizado porque el primer ciclo (2) y el segundo ciclo (16) , respectivamente, funcionan independientemente uno de otro, a través del control de flujos deseados hacia los ciclos (2, 16) respectivamente, por medio de la primera válvula (17) de tres vías, la primera válvula (24) de control y/o una tercera válvula (9) de control.