Máquina térmica de combustión externa sobrealimentada de ciclo Rankine.
La invención denominada "Máquina térmica de combustión externa sobrealimentada de ciclo Rankine",
es la conversión de energía térmica a eléctrica vía energía mecánica mediante un ciclo de Rankine utilizando como fuente de energía térmica la combustión del gas natural en una cámara de combustión sobrealimentada. El ciclo Rankine opera con dióxido de carbono. El calor de los gases de combustión al abandonar los haces vaporizador, sobrecalentador y recalentador es aprovechado para post-calentar el aire de combustión presurizado por medio de un turbo-compresor accionado por los gases de la combustión. Este invento contribuye al incremento de eficiencia global de la planta alcanzando valores superiores al 42% y a conseguir una planta más compacta que las convencionales de ciclo Rankine. El incremento de eficiencia global de esta planta obedece al aprovechamiento del calor de los gases de escape y al calor de rechazo del sistema de combustión. La reducción de tamaño de la planta respecto a las convencionales de ciclo Rankine se consigue al tener el sistema de combustión presurizado.
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201300095.
Solicitante: UNIVERSIDADE DA CORUÑA.
Nacionalidad solicitante: España.
Inventor/es: FERREIRO GARCIA,RAMON, ROMERO GOMEZ,MANUEL, ROMERO GOMEZ,Javier.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- F01K23/08 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). › F01K 23/00 Plantas motrices caracterizadas por tener más de un motor suministrando energía al exterior de la planta, estando estos motores accionados por fluidos diferentes. › calentando el fluido de trabajo de uno de los ciclos el fluido del otro ciclo.
- F23C9/00 F […] › F23 APARATOS DE COMBUSTION; PROCESOS DE COMBUSTION. › F23C PROCEDIMIENTOS O APARATOS DE COMBUSTION QUE UTILIZAN COMBUSTIBLES FLUIDOS O COMBUSTIBLES SOLIDOS SUSPENDIDOS EN AIRE (quemadores F23D). › Aparatos de combustión caracterizados por disposiciones para hacer retornar los productos de combustión o los gases de combustión a la cámara de combustión (aparatos de combustión de lecho fluidificado con dispositivos para la remoción y parcial reintroducción de material en el lecho F23C 10/02; aparatos de combustión de lecho fluidificado con dispositivos para la remoción y parcial reintroducción de material en el lecho F23C 10/26).
- F23C99/00 F23C […] › Materia no prevista en otros grupos de esta subclase.
- F23R3/00 F23 […] › F23R ELABORACION DE PRODUCTOS DE COMBUSTION A ALTA PRESION O GRAN VELOCIDAD, p. ej. CAMARAS DE COMBUSTION DE TURBINAS DE GAS (aparatos de lecho fluidificado de combustible especialmente adaptados para funcionar a presiones superatmosféricas F23C 10/16). › Cámaras de combustión continua que emplean combustibles líquidos o gaseosos.
Descripción:
MÁQUINA TÉRMICA DE COMBUSTIÓN EXTERNA SOBREALIMENTADA DE CICLO RANKINE.
CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN
La presente invención pertenece ai campo técnico de la conversión de energía térmica procedente de combustibles fósiles en energía eléctrica mediante ciclos termodinámicos del tipo Rankine.
OBJETIVO DE LA INVENCIÓN
El objetivo de la presente invención denominada Máquina térmica de combustión externa sobrealimentada de ciclo Rankine, es la conversión de energía térmica a eléctrica vía energía mecánica mediante un ciclo de Rankine utilizando como fuente de energía térmica la combustión del gas natural en una cámara de combustión sobrealimentada mediante un turbocompresor accionado por los gases de escape. El ciclo Rankine opera con dióxido de carbono. El calor de los gases de combustión al abandonar los haces vaporizador, sobrecalentador y recalentador son aprovechados para post-calentar el aire de combustión presurizado por medio de un turbo-compresor accionado por los gases de la combustión de modo similar a los motores de combustión intema de ciclo Diesel. Este invento contribuye al incremento de eficiencia global de la planta alcanzando valores superiores al 42% y a conseguir una planta más compacta que las convencionales de ciclo Rankine. (si nos referimos a la eficiencia térmica es el 63% y si nos referimos a la eficiencia total o global es el 42%). El incremento de eficiencia global de esta planta obedece al aprovechamiento del calor de los gases de escape y al calor de rechazo del sistema de combustión. La reducción de tamaño de la planta respecto a las convencionales de ciclo Rankine se consigue al tener el sistema de combustión presurizado.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Las plantas de conversión de energía térmica a eléctrica actuales vía energía mecánica proporcionada por turbinas operando con ciclos de Rankine, utilizando combustibles fósiles están basadas en una fuente térmica denominada caldera en
donde los gases de la combustión operan a presiones ligeramente superiores a la atmosférica.
En el estado actual de la tecnología relacionada con la conversión de energía tanto de alta como de baja temperatura que operan mediante el ciclo Rankine convencional, no 5 es conocida ninguna alternativa semejante a la de las características de este invento. No son conocidas las plantas térmicas que utilizan ciclos Rankine, en donde la combustión sea llevada a cabo a altas presiones.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
En esta sección se describen a modo ilustrativo y no limitativo, los componentes que constituyen el sistema de combustión a alta presión y el ciclo Rankine para facilitar la comprensión de la invención, en donde se hace referencia a las siguientes figuras:
Figura 1. Sistema de combustión de la Máquina térmica sobrealimentada de ciclo Rankine.
Figura 2. Ciclo Rankine
Los componentes referenciados en las figuras 1 y 2 se identifican como sigue:
1. Turbocompresor de sobrealimentación de aire accionado por los gases de escape.
2. Calentador de aire de combustión.
3. Cámara de combustión.
4. Cámara de sobrecalentamiento del aire de combustión.
5. Conducto de alimentación de combustible a la cámara de combustión.
6. Conducto de alimentación de gases de escape al turbo compresor.
7. Conducto de descarga de aire del turbocompresor.
8. Conducto de salida de gases de escape a la atmósfera.
10. Haz tubular vaporizador-sobrecalentador de la turbina de alta presión.
11. Haz tubular recalentador de la turbina de baja presión.
12. Turbina de alta presión.
13. Turbina de baja presión.
14. Condensador del ciclo Rankine.
15. Bomba de alimentación del ciclo Rankine.
16. Regenerador del ciclo Rankine.
17. Generador eléctrico.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La máquina térmica de combustión sobrealimentada de ciclo Rankine está constituida por dos módulos (a) y (b), los cuales consisten en:
(a) , el sistema de combustión para combustibles fósiles gaseosos o líquidos (preferentemente gas natural o hidrógeno) mostrado en la figura 1 y
(b) , el sistema de conversión de energía térmica a eléctrica vía energía mecánica por medio de una o dos turbinas operando bajo un ciclo de Rankine, mostrado en la figura 2.
Módulo (a)
Consiste en el sistema de combustión mostrado en la figura 1 en el que el aire de combustión es alimentado mediante un turbocompresor (1) accionado por los gases de escape, los cuales calientan al aire de combustión antes de salir a la atmósfera.
El módulo (a) está constituido por los siguientes elementos:
Turbocompresor (1) de alimentación de aire accionado por los gases de escape. Calentador de aire de combustión (2), que admite el aire comprimido del conducto de descarga (7) del turbocompresor y los descarga hacia la cámara de sobrecalentamiento del aire de combustión (4).
Cámara de combustión (3), que permite la reacción de combustión entre el combustible fósil y el aire sobrecalentado.
Cámara de sobrecalentamiento del aire de combustión (4) que tiene la misión de recuperar el calor evadido de la cámara de combustión (3) a través de las paredes de la envolvente de la cámara de de combustión (3).
Conducto de alimentación de combustible (5) a la cámara de combustión (3).
Conducto de alimentación de gases de escape al turbo compresor (6).
Conducto de descarga de aire del turbocompresor (7) hacia el calentador de aire de combustión (2).
Conducto de salida de gases de escape a la atmósfera (8).
(b) El sistema de conversión de energía térmica a eléctrica mediante un ciclo de Rankine mostrado en la figura 2 el cual está constituido por los siguientes elementos: Haz tubular vaporizador-sobrecalentador (10) de suministro a de vapor a la turbina de alta presión.
Haz tubular recalentador (11) de suministro de vapor a la turbina de baja presión. Turbina de alta presión (12).
Turbina de baja presión (13).
Condensador del ciclo Rankine (14) que admite el vapor procedente del regenerador de calor (16).
Bomba de alimentación del ciclo Rankine (15) que bombea el agua de alimentación desde el condensador (14) a través del regenerador de calor (16).
Regenerador de calor del ciclo Rankine (16) que intercambia energía térmica procedente de la evacuación de la turbina de baja presión (13) con el fluido de trabajo 5 de alimentación procedente de la bomba de alimentación (15).
Generador eléctrico (17) accionado por las turbinas de alta y baja presión (12) y (13) acopladas entre sí mediante eje.
El procedimiento de operación de los módulos (a) y (b) descritos, es el siguiente:
En el módulo (a) los gases de combustión a alta temperatura, ceden calor al haz 10 tubular vaporizador-sobrecalentador de la turbina de alta presión (10), seguidamente ceden calor al haz tubular recalentador de la turbina de baja presión (11) y posteriormente, en su desplazamiento hacia la atmósfera ceden calor al aire de combustión por medio del calentador de aire de combustión (2). Al abandonar el calentador de aire con suficiente energía térmica pasan a accionar el turbocompresor 15 (1) de sobrealimentación de aire, siendo evacuados por medio del conducto de salida
de gases de escape a la atmósfera (8).
En el módulo (b) el fluido de trabajo, elegido entre dióxido de carbono, etano, xenón, amoníaco o agua, es aspirado por la bomba de alimentación (15) desde el condensador (14), para ser bombeado hacia el haz tubular vaporizador- 20 sobrecalentador (10). Una vez el fluido en estado de vapor, alimenta a la turbina de alta presión (12) y es evacuado a través del recalentador de vapor (11) hacia la turbina de baja presión (13), cediendo el exceso de energía térmica a un regenerador de calor (16). Seguidamente es condensado en el condensador (14), para repetir el ciclo indefinidamente.
DESCRIPCIÓN DE REALIZACIÓNES PREFERENTES DE LA INVENCIÓN
En coherencia con la descripción del invento se resalta una realización preferente de la invención en la figura 1 y constituida por el sistema de combustión dotado del 30 turbocompresor (1) de alimentación de aire comprimido para la combustión.
Reivindicaciones:
1a. MÁQUINA TÉRMICA DE COMBUSTIÓN EXTERNA SOBREALIMENTADA DE CICLO RANKINE. Caracterizada porque comprende dos módulos (a) y (b), los cuales consisten en:
Módulo (a) que consiste en el sistema de combustión en el que el aire de combustión es alimentado mediante un turbocompresor (1) accionado por los gases de escape, los cuales calientan al aire de combustión antes de salir a la atmósfera.
El módulo (a) está constituido por ios siguientes elementos:
-Turbocompresor (1) de alimentación de aire accionado por los gases de escape.- Calentador de aire de combustión (2), que admite el aire comprimido del conducto de descarga (7) del turbocompresor y los descarga hacia la cámara de sobrecalentamiento del aire de combustión (4).
-Cámara de combustión (3), que permite la reacción de combustión entre el combustible fósil y el aire sobrecalentado.
-Cámara de sobrecalentamiento del aire de combustión (4) que tiene la misión de recuperar el calor evadido de la cámara de combustión (3) a través de las paredes de la envolvente de la cámara de de combustión (3).
-Conducto de alimentación de combustible (5) a la cámara de combustión (3).- Conducto de alimentación de gases de escape ai turbo compresor (6).
-Conducto de descarga de aire del turbocompresor (7) hacia el calentador de aire de combustión (2).
-Conducto de salida de gases de escape a la atmósfera (8).
Módulo (b), que consiste en
-Haz tubular vaporizador-sobrecalentador de suministro a de vapor a la turbina de alta presión (10).
-Haz tubular recalentador de suministro de vapor a la turbina de baja presión (11).- Turbina de alta presión (12).
-Turbina de baja presión (13).
Condensador del ciclo Rankine (14) que admite el vapor procedente del regenerador de calor (16).
-Bomba de alimentación del ciclo Rankine (15) que bombea el agua de alimentación desde el condensador (14) a través del regenerador de calor (16).
-Regenerador de calor del ciclo Rankine (16) que intercambia energía térmica procedente de la evacuación de la turbina de baja presión (13) con el agua de alimentación procedente de la bomba de alimentación (15).
-Generador eléctrico (17) accionado por las turbinas de alta y baja presión (12) y (13) acopladas entre sí mediante eje.
2a. MÁQUINA TÉRMICA DE COMBUSTIÓN EXTERNA SOBREALIMENTADA DE CICLO RANKINE, según reivindicación primera caracterizada porque el aire de combustión es alimentado mediante un turbocompresor accionado por los gases de escape.
3a. PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN DE LA MÁQUINA TÉRMICA DE COMBUSTIÓN EXTERNA SOBREALIMENTADA DE CICLO RANKINE, según reivindicación primera caracterizado porque los módulos (a) y (b) operan del siguiente modo:
En el módulo (a) los gases de combustión a alta temperatura, ceden calor al haz tubular vaporizador-sobrecalentador de la turbina de alta presión (10), seguidamente ceden calor al haz tubular recalentador de la turbina de baja presión (11) y posteriormente, en su desplazamiento hacia la atmósfera ceden calor al aire de combustión por medio del calentador de aire de combustión (2). Al abandonar el calentador de aire con suficiente energía térmica pasan a accionar el turbocompresor (1) de sobrealimentación de aire, siendo evacuados por medio del conducto de salida de gases de escape a la atmósfera (8).
En el módulo (b) el fluido de trabajo, elegido entre dióxido de carbono, etano, xenón, amoníaco o agua, es aspirado por la bomba de alimentación (15) desde el condensador (14), para ser bombeado hacia el haz tubular vaporizador- sobrecalentador (10). Una vez el fluido en estado de vapor, alimenta a la turbina de alta presión (12 y es evacuado a través del recalentador de vapor (11) hacia la turbina de baja presión (13), y cediendo el exceso de energía térmica a un regenerador de calor (16). Seguidamente es condensado en el condensador (14), para repetir el ciclo indefinidamente.
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