Dispositivo para generación de energía mecánica según un ciclo híbrido Brayton-Rankine regenerativo y equilibrado y procedimiento de uso.

Dispositivo para generación de energía según un ciclo híbrido Brayton-Rankine regenerativo y equilibrado y su procedimiento de uso,

que comprende un equipo de aporte de calor (8), un expansor (1), un regenerador (2) y un compresor (6) configurando un ciclo Brayton; un condensador (11) y una bomba de impulsión (14) configurando un ciclo Rankine; de forma que por el equipo de aporte de calor y el regenerador, en su circuito secundario, de enfriamiento, circula un caudal másico de fluido que se divide en dos a su salida, uno llamado caudal principal que sigue el ciclo Rankine y otro llamado caudal equilibrador que recorre el ciclo Brayton, regenerándose el líquido del caudal principal tras su paso por el condensador y la bomba, y que se une con el equilibrador tras su paso por el compresor, para completar los ciclos, seleccionándose la cantidad de caudal equilibrador de forma que el regenerador está equilibrado térmicamente.

Dispositivo para generación de energía mecánica según un ciclo híbrido Brayton-Rankine regenerativo y equilibrado y procedimiento de uso.

Sector de la técnica La invención se encuadra en el campo de los ciclos termodinámicos para la producción de potencia mecánica, a su vez convertible en energía eléctrica.

Por la evolución del fluido de trabajo y por los componentes empleados, el ciclo propuesto se considera como un híbrido entre los ciclos tipo Brayton y los ciclos tipo Rankine. Su uso resulta de interés relevante en la industria energética, particularmente cuando el foco calorífico es de temperaturas reducidas respecto de lo habitual en las centrales de combustión química. Ello hace que sea especialmente aplicable a la energía termosolar o a la geotérmica. También puede ser aplicable como ciclo de baja temperatura que recoja el calor excedente de un ciclo de alta temperatura.

Problema técnico a resolver y Antecedentes de la invención

Uno de los objetivos de la Termodinámica ha sido, desde su inicio, el estudio de las máquinas para la producción de energía mecánica a partir de energía térmica. No en vano, las primeras bases termodinámicas se establecieron con el estudio de las máquinas de vapor, que constituyeron los primeros motores térmicos de éxito empleados a nivel industrial.

Desde entonces y hasta la actualidad se han propuesto numerosos ciclos termodinámicos que han sido el núcleo de los distintos motores térmicos que se conocen. Todos ellos tienen en común las siguientes características: se hace evolucionar cíclicamente un volumen fluido por uno o varios equipos mecánicos, sufriendo así el fluido de trabajo diversos procesos termodinámicos entre los que se encuentran, ineludiblemente, al menos un proceso de aporte de calor desde una fuente térmica y al menos un proceso de cesión de calor hacia un sumidero térmico, que suele ser en último fin el ambiente.

Los campos de aplicación de los motores térmicos más comunes son la propulsión de vehículos y la generación de energía eléctrica. Aunque hay ciclos predominantes en cada aplicación, para ambas han sido empleados con gran éxito dispositivos o motores que materializan ciclos de tipo Otto, Diesel, Joule/Brayton y Rankine. Minoritariamente se han empleado otros dispositivos que siguen otros tipos de ciclos, como los Stirling, Ericsson y Kalina entre otros.

En el caso de la generación eléctrica es muy frecuente el empleo de instalaciones de ciclo combinado que, efectivamente, combinan dos ciclos, uno de alta temperatura de tipo Brayton que trabaja con aire y otro de baja temperatura de tipo Rankine que trabaja con agua. Por tanto, se trata de dos ciclos distintos trabajando con fluidos de trabajo diferentes y acoplados térmicamente, por una caldera de recuperación de calor.

Uno de los principales factores para medir la prestación de un ciclo es el rendimiento termodinámico, que es el cociente entre la energía mecánica producida dividido por la energía térmica suministrada desde la fuente de calor.

Es sobradamente conocido que el rendimiento térmico máximo alcanzable por un ciclo termodinámico de potencia es limitado. Este rendimiento máximo alcanzable depende de las temperaturas del foco caliente y frío, y coincide con el rendimiento de un ciclo de Carnot, absolutamente teórico, trabajando entre dichas temperaturas de foco caliente o máxima (Tmax) y de foco frío o mínima (Tmin) , según la expresión:

siendo:

- ηCN el rendimiento del ciclo de Carnot;

- Qf y Qc el calor cedido al sumidero térmico y el recibido de la fuente térmica respectivamente;

- Tf y Tc las temperaturas absolutas del sumidero y de la fuente, que son la mínima y la máxima alcanzables en el ciclo;

-Δsf y Δsc los valores absolutos de las variaciones de entropía durante la cesión y el aporte de calor;

-y CN el cociente entre las temperaturas máxima y mínima, en adelante factor de Carnot.

La dependencia del rendimiento máximo alcanzable con el cociente de temperaturas máxima y mínima también la siguen los rendimientos de los ciclos materializados con máquinas reales. Esta es la razón por la que, en las diversas aplicaciones, se han buscado históricamente las mayores temperaturas de trabajo admisibles mecánicamente por los materiales para el aporte de calor y las menores temperaturas de cesión de calor, limitadas por la temperatura ambiental o del medio refrigerante.

La aplicación natural de la invención es la generación de energía mecánica para la producción de electricidad. En dicho campo, son absolutos dominadores a día de hoy los ciclos Brayton, gracias a las turbinas de gas, y los ciclos Rankine basados en turbinas de vapor.

Los ciclos tipo Brayton alcanzan una temperatura máxima muy elevada, superior a 1700 K, aunque la temperatura media es menor porque el aporte de calor comienza desde la finalización de la compresión. La temperatura mínima es muy baja, ya que toman aire del ambiente, pero ceden calor también a una temperatura media alta debido a que los gases de escape se expulsan en tomo a 800 o 900 K. Con esta tecnología se obtienen rendimientos mayores del 40%.

Los ciclos de tipo Rankine alcanzan temperaturas máximas más moderadas, de hasta 850 K, pero ceden calor a una temperatura media muy próxima a la ambiental ya que la condensación se produce a temperatura constante muy baja. En este caso los rendimientos pueden rebasar en algunos casos el 50%. El éxito de los ciclos combinados de turbinas de gas y de vapor, que son ciclos individuales con fluidos diferentes pero acoplados térmicamente, reside en que se aprovecha la cesión de calor del ciclo Brayton para alimentar térmicamente al ciclo de Rankine, de forma que se hace uso de la alta temperatura de aporte de calor de los ciclos Brayton y de la baja temperatura de cesión de calor del ciclo de Rankine, aumentando el factor de Carnot. El rendimiento de los ciclos combinados puede rebasar el 60%.

No obstante, el factor de Carnot no es el único factor determinante ni limitante del rendimiento alcanzado por un ciclo termodinámico. Mediante el desarrollo de la expresión anterior se puede llegar a la siguiente:

donde queda de manifiesto que existen varios motivos por los que no se puede alcanzar el rendimiento de Carnot: cuando la temperatura media de aporte de calor no es la máxima o la de cesión la mínima; o cuando existen irreversibilidades o generación de entropía en alguno de los procesos, que hace que el valor absoluto de la variación de entropía en la cesión de calor (numerador) sea mayor que durante el aporte de calor (denominador) . Además del cociente entre temperaturas máxima y mínima o factor de Carnot, se pueden definir tres coeficientes que se pueden llamar respectivamente factor de temperatura media de aporte de calor (Fmc) , factor de temperatura media de cesión de calor (Fmf) y factor de irreversibilidades (FΔS) , que miden el efecto de no poder estar siempre trabajando en temperaturas extremas y el efecto de las irreversibilidades. Los tres tienen un valor menor a la unidad en general y unitario para un ciclo de Carnot.

En la actualidad, debido principalmente al deseo de emplear fuentes renovables de energía como la solar o la geotérmica, hay aplicaciones en las que se dispone de moderada temperatura de aporte de calor, dado que es difícil alcanzar las temperaturas habituales tras un proceso de combustión. En estos casos, el factor de Carnot se merma notablemente y los rendimientos alcanzables son mucho menores a los anteriormente expuestos. Por ejemplo, con ciclos Rankine regenerativos con fluidos orgánicos es difícil superar el 25-27% para un factor de Carnot menor que 2.

El bajo rendimiento, efectivamente, se debe esencialmente al bajo factor de Carnot. Pero, por ello, son los demás factores los que cobran importancia a la hora de tratar de mejorar el rendimiento de los ciclos y de los motores térmicos alimentados con baja temperatura.

En concreto, los ciclos tipo Brayton adolecen de una baja temperatura media de aporte de calor - en comparación con la máxima - y de una alta temperatura media de cesión de calor - en comparación con la mínima -, puesto que el aporte y la cesión de calor se hacen a presión constante y por calor sensible, por lo que la temperatura varía casi proporcionalmente con la cesión y aporte de calor.

Este problema se puede paliar parcialmente si se introduce un intercambiador regenerativo, que aprovecha parte del calor de escape para precalentar el fluido antes del aporte de calor principal con la fuente térmica. Esta solución mejora los factores de temperaturas medias de aporte y cesión de calor, y el rendimiento aumenta....

1. Dispositivo para generación de energía mecánica según un ciclo híbrido Brayton-Rankine regenerativo y equilibrado que comprende:

- un fluido de trabajo condensable, para el que se define el punto pseudo-crítico de una isóbara supercrítica como el punto de mayor calor específico a presión constante, Cp, de la isóbara, siendo este valor de Cp infinito en el punto crítico, y descendiendo su valor conforme aumenta la presión;

- un equipo de expansión (1) del fluido de trabajo en fase gaseosa;

- un intercambiador de calor, tipo regenerador (2) , con dos circuitos, el primario (3) que recibe calor y el secundario (4) que lo cede;

- un elemento de división de caudal (5) que divide el flujo total de entrada en dos, denominados flujo principal y flujo equilibrador;

- un equipo para la compresión (6) del fluido en fase gaseosa cuyo eje (15) puede estar unido mecánicamente o solidariamente al equipo expansor (1) o no;

- un equipo para la condensación (11) del fluido, refrigerado por un fluido refrigerante como puede ser aire, agua

o cualquier otro, cuya temperatura a la entrada del equipo está marcada por el ambiente y se denomina Tamb;

- una bomba de impulsión (14) para circular y presurizar el fluido en fase líquida;

- un equipo de aporte de calor principal (8) al fluido alimentado térmicamente por un fluido calorífero que proviene de una fuente térmica y que puede ser el propio fluido de trabajo del ciclo;

- un elemento de unión de caudales (7) ;

- y un elemento transmisor o transformador de la potencia mecánica producida como puede ser un eje o un generador eléctrico (16) , entre otros;

y en el que se conectan los componentes anteriores de la siguiente forma:

- el conducto o colector de salida del equipo de aporte de calor principal (8) se conecta a la entrada del equipo de expansión (1) ;

- la salida del equipo de expansión (1) se conecta al regenerador (2) por la entrada de su circuito secundario (4) ;

- la salida del equipo de condensación (11) se conecta con la entrada a la bomba de impulsión (14) ;

- la salida de la bomba de impulsión (14) se conecta con el regenerador (2) por la entrada de su circuito primario (3) ;

caracterizado por que:

- la salida del circuito secundario (4) del regenerador (2) se conecta al elemento de división de caudal (5) , que divide el caudal en dos: el flujo principal y el equilibrador;

- y la salida de flujo principal del elemento de división de caudales se conecta con el equipo de condensación (11) ;

- y la salida del flujo equilibrador del elemento de división de caudales (5) se conecta con la entrada del equipo de compresión (6) ;

- y la salida del equipo de compresión (6) se conecta con la salida del circuito primario (3) del regenerador (2) a través del elemento de unión de caudales (7) ;

- y la salida del elemento de unión de caudales (7) se conecta con la entrada o colector de entrada del elemento de aporte de calor principal (8) ;

2. Procedimiento de uso del dispositivo para generación de energía mecánica según un ciclo híbrido Brayton-Rankine regenerativo y equilibrado, caracterizado por que las especificaciones termodinámicas a las que se ajusta su operación son que:

- la temperatura de condensación de consigna Tmin es la correspondiente a un estado de saturación con una presión Pmin inferior a la presión crítica del fluido y cuyos valores de entropía específica de líquido y vapor saturado se denominan sliq y svap respectivamente y las entalpías específicas de líquido y vapor saturado hliq y hvap respectivamente y se selecciona de forma que la temperatura Tmin es mayor a la temperatura del refrigerante exterior del condensador, marcada por el ambiente Tamb;

- la presión absoluta en la impulsión de la bomba, Pimp, es supercrítica y es mayor que la presión de la isóbara cuyo punto pseudo-crítico presenta un valor del Cp tres veces mayor que el Cp del líquido medido en condiciones de salida de la bomba, definiéndose el punto pseudo-crítico de una isóbara supercrítica como el punto de mayor Cp de la isóbara;

- la temperatura absoluta del fluido principal a la salida circuito primario de regeneración, Treg, es igual o superior hasta en un 10% a la temperatura absoluta correspondiente al estado termodinámico con presión Pimp y entropía específica svap;

- en el regenerador la tasa de paso de capacidad calorífica, o producto del calor específico medio por el caudal másico de cada una de las dos corrientes, son iguales entre sí, por lo que está equilibrado, especificándose que la proporción de caudal másico equilibrador se prescribe por

mequilibrador / mtotal = (1 - cp, secundario / cp, primario)

siendo mequilibrador el caudal másico equilibrador, mtotal el caudal másico total, cp, secundario el calor específico a presión constante medio durante el enfriamiento de caudal total y cp, primario el calor específico a presión constante medio durante el calentamiento del caudal principal en el circuito primario, ambos en el regenerador, quedando determinado el caudal principal con la ecuación

mprincipal = mtotal - mequilibrador

siendo mprincipal el caudal másico principal;

- estableciéndose la diferencia terminal de temperaturas en el regenerador en un valor mayor que 0 K y menor que 35 K, lo que determina la temperatura del gas a la salida del equipo expansor (1) y entrada al secundario

(4) del regenerador (2) , siendo la temperatura del fluido en ese punto el valor de Treg más la diferencia terminal seleccionada, y cuya entropía, correspondiente a ese estado termodinámico, se denomina smax, y la generación de entropía en la expansión se denomina Δs, siendo la diferencia smax -Δs la entropía del vapor a la entrada a la turbina y siendo la presión en este punto de entrada a la turbina igual a la de impulsión de la bomba menos las pérdidas de carga en el circuito termohidráulico, por lo que ambas magnitudes, entropía y presión, determinan unívocamente la temperatura de entrada a la turbina, Tmax. que se selecciona en el equipo principal de aportación de calor;

- y quedando determinados, con todas las anteriores prescnpc1ºnes, los estados termodinámicos de todos los puntos de entrada y salida de los equipos y, consecuentemente, las entalpías correspondientes a cada uno de ellos.

3. Dispositivo para generación de energía mecánica según un ciclo híbrido Brayton-Rankine regenerativo y equilibrado según reivindicación primera y cuyo fluido de trabajo presenta un valor de R/Cp mayor que 1/16, siendo R la constante característica del gas y Cp el calor específico a presión constante medido a dos veces la temperatura absoluta crítica del fluido y a una milésima parte de su presión absoluta crítica, caracterizado por que el elemento divisor de caudal se integra en el propio condensador, que se dispone con tres vías (17) por tener:

- una boca o colector de entrada de vapor previo al propio cambiador de calor del condensador,

- un sistema de recogida o aspiración de vapor (19) en la parte superior,

- el sistema clásico de recogida de condensado (18) en la parte inferior que colecta dicho condensado o caudal principal y lo dirige a la bomba de impulsión (14) .

4. Procedimiento de uso del dispositivo para generación de energía mecánica según un ciclo híbrido Brayton-Rankine regenerativo y equilibrado según reivindicación segunda y con elemento divisor de caudal integrado o no

integrado en el condensador, caracterizado por que las entalpías específicas del caudal equilibrador a la salida del compresor (6) y del caudal principal a la salida del circuito primario (3) del regenerador difieren en menos de un 2% respecto del valor dado por el producto de R y la temperatura crítica en valor absoluto en unidades físicas coherentes.

5. Dispositivo para generación de energía mecánica según un ciclo híbrido Brayton-Rankine regenerativo y equilibrado según reivindicaciones primera o tercera, caracterizado por que en una variante de montaje se incorpora una válvula de laminación (20) a la salida del circuito primario (3) del regenerador (2) que reduce la presión del caudal principal de fluido tras la regeneración y antes de que se mezcle con el caudal equilibrador, para lo que se conecta la salida del circuito primario (3) con la entrada de la válvula de laminación (20) y la salida de la válvula de laminación (20) con la entrada de fluido primario del elemento de unión de corrientes (7) .

6. Procedimiento de uso del dispositivo para generación de energía mecánica según un ciclo híbrido Brayton-Rankine regenerativo y equilibrado según reivindicación segunda o cuarta, y que incorpora una válvula de laminación a la salida del circuito primario del regenerador, caracterizado por que la presión de aporte de calor principal, ahora denominada Pq, menor que la presión de impulsión, Pimp, y mayor que la media geométrica de Pimp y Pmin·

7. Dispositivo para generación de energía mecánica según un ciclo híbrido Brayton-Rankine regenerativo y equilibrado según reivindicaciones primera, tercera o quinta caracterizado por que, en una variante de montaje, la expansión se realiza en dos etapas, con un recalentamiento intermedio hasta la misma Tmax a una presión intermedia pmed, para lo cual:

- el equipo de expansión incluye dos cuerpos de expansión (21 y 22) del vapor y un segundo circuito de calentamiento (23) en el equipo de aporte de calor principal (8) ;

- se conecta la salida del primer circuito de calentamiento principal (9) a la entrada del primer cuerpo expansor (21) , la salida del primer cuerpo expansor (21) a la entrada del segundo circuito de calentamiento principal (23) , la salida de este segundo circuito (23) a la entrada del segundo cuerpo expansor (22) , y la salida de este último a la entrada del circuito secundario (4) del regenerador (2) .

8. Procedimiento de uso del dispositivo para generación de energía mecánica según un ciclo híbrido Brayton-Rankine regenerativo y equilibrado según reivindicaciones segunda, cuarta o sexta, y con expansión en dos etapas con calentamiento intermedio caracterizado por que se selecciona la presión intermedia pmed de forma que la potencia que proporcionan ambos cuerpos del elemento expansor no difiera en más de un 20%.