Generador-separador de vapor mediante energía solar.

La invención describe un generador-separador (1) de vapor alimentado con energía solar que comprende al menos una superficie (2) reflectora y un tubo (3) receptor,

donde: el tubo receptor (3) está inclinado y comprende una porción (3s) de extremo superior dotada de una entrada (4) de líquido y una salida (5) de vapor y una porción (3i) de extremo inferior dotada de una salida (6) de líquido, de tal modo cuando se introduce líquido, dicho líquido forma una película descendente desde la entrada (4) en la porción (3s) de extremo superior hasta la salida (6), mientras que el calor recibido por el tubo receptor (3) debido a la radiación solar reflejada por la superficie o superficies (2) reflectora(s) provoca la evaporación de vapor y su ascenso hasta salir a través de la salida (5).

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención pertenece al campo de las energías renovables, y más concretamente a la energía solar.

El objeto de la presente invención es un nuevo dispositivo diseñado especialmente para generar vapor de una sustancia fluida, y separarlo de la correspondiente porción líquida a partir de energía solar térmica. Se trata de un dispositivo especialmente útil para su uso en combinación con máquinas de absorción utilizadas como bombas de calor, sea para lograr un efecto frigorífico o calorífico, aunque no exclusivamente. Resulta asimismo especialmente útil en combinación con motores térmicos para la producción de trabajo útil.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las máquinas de absorción son máquinas térmicas cíclicas que bombean calor desde una fuente de calor hacia un sumidero de calor a mayor temperatura. Se trata de máquinas energéticamente muy útiles al poder valorizar calores residuales o emplear calor renovable, como el geotérmico, o bien calor obtenido de la radiación solar por medio de captadores solares térmicos. Las máquinas de absorción basan su funcionamiento en la afinidad de ciertas sustancias de elevada temperatura de evaporación por otras sustancias puras que cambian de fase a las temperaturas de interés, por ejemplo el agua o el amoníaco, llamados refrigerantes naturales. Se forma así una disolución del refrigerante en el disolvente en el interior de la máquina. Sin embargo, aunque existen desde hace más de un siglo, las máquinas de absorción carecen de la enorme difusión de las bombas de calor de compresión mecánica debido a su mayor coste, peso y volumen.

En su diseño más simple, llamado de simple efecto, su funcionamiento básico se describe a continuación con referencia a la Fig. 1. En primer lugar se aplica un calor de activación a la disolución en el interior de un generador (G), y como consecuencia el vapor del componente más volátil, llamado refrigerante, se separa de la disolución (P2). A continuación, por efecto de la evacuación de calor hacia un sumidero exterior de alta temperatura llevada a cabo en un condensador (C), conectado al generador, el vapor de refrigerante condensa a alta presión (P3). Este calor evacuado constituye parte o la totalidad del efecto útil cuando la máquina actúa exclusivamente como bomba de calor de efecto calorífico. El refrigerante en

estado líquido es entonces expansionado en una válvula de expansión (VE) y, una vez su presión es menor (P4), es evaporado a baja presión en un evaporador (E) para llegar a la entrada (P1) de un absorbedor (A) al cual está conectado. En el evaporador (E) se produce la absorción de calor del foco exterior de baja temperatura, consiguiéndose el efecto frigorífico de la máquina de absorción cuando esté configurada exclusivamente como bomba de calor frigorífica. Este refrigerante evaporado (P1) entra en un absorbedor (A) donde se une con la porción líquida de la disolución que sale del generador (G) a mayor presión, la cual previamente ha intercambiado calor con la entrante a dicho generador (G) y una vez ha pasado por una válvula (V) baja su presión hasta la del absorbedor. El calor evacuado del absorbedor (A) es parte o la totalidad del efecto útil cuando la máquina bombeadora se configura como calorífica o bien se evacúa al ambiente, junto con el calor de condensación si la máquina se configura como frigorífica. La disolución, junto con sus vapores constituye el fluido de trabajo del ciclo.

Actualmente, un modo conocido de alimentar calor a la máquina de absorción consiste en el uso de energía solar térmica. En este caso, se utiliza un circuito cerrado exterior, llamado circuito primario, el cual toma el calor de un captador térmico por medio de un fluido caloportador distinto del fluido de trabajo de la máquina. El fluido caloportador generalmente está basado en agua y, como ha de soportar temperaturas bajo cero resultantes de la climatología sin congelarse, suele incorporar un aditivo anticongelante que resulta costoso, frecuentemente contaminante, y que tiene vida finita. Opcionalmente este circuito primario transfiere el calor a un circuito secundario, el cual suele incorporar un tanque de acumulación. Éste sirve para almacenar calor sensible y/o latente y así activar la máquina de absorción a través de un tercer circuito, denominado terciario, en momentos en los que el aporte solar es insuficiente, para ello haciendo descender el nivel energético de la sustancia acumuladora que radica en su interior. El sistema puede carecer del circuito secundario, activando la máquina directamente con el primario conectado al terciario a través de un cambiador de calor, con o sin tanque de almacenamiento, o incluso el primario puede llegar hasta la máquina directamente.

Existe una gran diversidad de configuraciones de los ciclos de bomba de calor de absorción. Comparten la generación y separación de un vapor de una disolución líquida. Dentro de esa diversidad se pueden encontrar ciclos, llamados híbridos, que aportan trabajo en forma de compresión del vapor para facilitar el funcionamiento. Existen también ciclos híbridos que buscan, además del efecto frigorífico o calorífico o ambos a la vez, producir trabajo, únicamente o a la vez con uno o los dos anteriores. Se basan en la expansión del vapor producido en una turbina o expansor, restando el vapor del ciclo de bomba de calor. En algunos ciclos, como el Kalina, se emplea una disolución, semejantemente a la usada en las

bombas de calor de absorción, pero con el único o principal propósito de producir trabajo útil.

En definitiva, sería interesante desde muchos puntos de vista poder alimentar la máquina de absorción con el calor del sol de una manera directa, eliminando pasos y fluidos intermedios, calentando directamente el fluido de trabajo. Ello redundaría en una mayor sencillez y un menor coste de la instalación. La separación del vapor del líquido suele efectuarse en las máquinas de absorción en un elemento adicional al generador, integrarlo en él supone una ventaja de peso, coste y eficiencia.

Por otra parte, las centrales de producción de trabajo útil, denominadas termoeléctricas, hacen uso de la energía solar para la producción de calor en una instalación exterior al ciclo termodinámico de producción de potencia, denominado motor térmico. Para lograr las mismas ventajas que las mencionadas anteriormente, se busca engendrar este calor en el mismo fluido de trabajo del ciclo en lugar de en un fluido intermedio caloportador. En estas centrales el fluido de trabajo se compone de una sustancia pura, la cual por efecto del aporte de calor pasa de estado líquido a estado gaseoso, separándose del líquido remanente. Este vapor es expansionado en una turbina o expansor para obtener trabajo útil, el cual habitualmente se exporta de la central en forma de electricidad. El vapor se produce en tubos horizontalmente dispuestos o levemente inclinados. Tal disposición se conoce como "Generación Directa de Vapor" o GDV. Actualmente esta tecnología es objeto de intensa investigación para lograr una fiabilidad y eficiencia elevadas a un coste que resulte competitivo, si bien se enfrenta a dificultades, como inestabilidades del flujo bifásico que se establece en el interior de los tubos y roturas del tubo por tensiones térmicas. Suelen disponer de separadores de vapor del líquido externos al tubo. El interés de la GDV radica en evitar largos circuitos de un fluido caloportador monofásico, generalmente aceite térmico, que capta el calor del sol concentrado ópticamente y lo transporta hasta un cambiador de calor con la función de evaporador de la sustancia pura que constituye el fluido de trabajo del ciclo termodinámico de producción de potencia, o motor térmico.

Sería interesante, desde muchos puntos de vista poder configurar la GDV de forma estable y controlada mediante un dispositivo duradero que produzca vapor y lo separe del líquido entrante de forma efectiva e integrada.

En definitiva, tanto si se trata de ciclos de potencia, ciclos de absorción, frigoríficos o caloríficos o ambos a la vez, como si se trata de ciclos híbridos con finalidad combinación de las anteriores, la producción directa de vapor con energía solar y su separación del líquido, es de gran interés que se produzca de forma más conveniente que la actual.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención describe un nuevo dispositivo capaz de generar vapor y de separar este vapor de la disolución que lo porta, o separarlo de su fase líquida, utilizando directamente el efecto calorífico resultante de absorber la energía solar. Se evita así el uso de un fluido caloportador que, a través de toda una instalación exterior al ciclo...

1. Generador-separador (1) de vapor mediante energía solar, que comprende al menos una superficie (2) reflectora que concentra la radiación solar en la superficie de un tubo (3) receptor, caracterizado porque:

- el tubo receptor (3) está inclinado y comprende una porción (3s) de extremo superior dotada de una entrada (4) de un fluido en estado líquido y una salida (5) de vapor generado, y una porción (3i) de extremo inferior dotada de una salida (6) de fluido remanente en estado líquido,

- de tal modo que cuando se introduce el fluido en estado líquido, dicho fluido líquido forma una película descendente desde la entrada (4) en la porción (3s) de extremo superior hasta la salida (6) en la porción (3i) de extremo inferior, mientras que el calor recibido por el tubo receptor (3) debido a la radiación solar reflejada por la al menos una superficie (2) reflectora provoca la evaporación de vapor y su ascenso hasta salir a través de la salida (5) en la porción (3s) de extremo superior.

2. Generador-separador (1) de acuerdo con la reivindicación 1, donde la salida (5) de vapor está ubicada en el tubo receptor (3) a una mayor altura que la entrada (4) de líquido para permitir un sobrecalentamiento del vapor.

3. Generador-separador (1) de acuerdo con la reivindicación 2, donde la entrada (4) de líquido se implementa mediante un conducto (8a) exterior al tubo receptor (3) que está conectado a dicho tubo receptor (3).

4. Generador-separador (1) de acuerdo con la reivindicación 2, donde la entrada (4) de líquido se implementa mediante un conducto (8b) interior al tubo receptor (3)

5. Generador-separador (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la inclinación del tubo receptor (3) es de entre 5° y 90°.

6. Generador-separador (1) de acuerdo con la reivindicación 5, que además comprende medios para modificar la inclinación del tubo receptor (3).

7. Generador-separador (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además comprende un medio (7) de control de nivel del líquido ubicado en la porción de extremo inferior del tubo receptor (3).

8. Generador-separador (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores,

donde la superficie interior del tubo receptor (3) comprende una pluralidad de protuberancias que modifican la trayectoria descendente del líquido.

9. Generador-separador (1) de acuerdo con la reivindicación 8, donde las protuberancias se 5 eligen de la siguiente lista: aletas, barras, placas, escalones, inserciones fijas o móviles y

barreras.

10. Generador-separador (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones

anteriores, donde la sección del tubo receptor (3) es variable a lo largo de su longitud.

11. Generador-separador (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la sección del tubo receptor (3) es circular, rectangular u ovalada.

12. Generador-separador (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones

anteriores, donde la al menos una superficie (2) reflectora es giratoria alrededor de un eje

paralelo al del tubo receptor (3) para optimizar la concentración de la radiación solar sobre el tubo receptor (3).

13. Máquina (10) de absorción que comprende un generador-separador (1) de vapor de 20 acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

14. Motor térmico que comprende un generador-separador (1) de vapor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

15. Uso de un generador-separador (1) de vapor mediante energía solar de acuerdo con

cualquiera de las reivindicaciones 1-14 para la obtención y separación de vapor a partir de un fluido en estado líquido.