Instalación y procedimiento asociado para la conversión de energía calorífica en nergía mecánica, eléctrica y/o térmica.

Procedimiento para la conversión de energía calorífica en energía mecánica,

eléctrica y/o térmica, comprendiendoel procedimiento al menos dos circuitos, que están conectados a través de al menos una sección parcial común,presentando el primer circuito al menos un dispositivo de expansión (9), conduciéndose en el primer circuito unmedio de trabajo y en el segundo circuito un propulsor y en la sección parcial común una mezcla de medio detrabajo y propulsor, recirculándose el medio de trabajo hacia el primer circuito y alimentándose a una unidad deevaporador (8), estando conectada la sección parcial común con el primer y el segundo circuitos a través de almenos un compresor de chorro (3), separándose la mezcla formada en el compresor de chorro (3) posteriormenteen un dispositivo de separación (6) en corriente de medio de trabajo y corriente de propulsor, suministrándose elmedio de trabajo evaporado al dispositivo de expansión (9) y posteriormente al compresor de chorro (3),caracterizado porque el propulsor separado se recircula hacia el segundo circuito y se suministra a un colector (2)con el fin de absorción de energía calorífica y después de la absorción de energía calorífica se alimenta alcompresor de chorro (3), estando dispuesta al menos una unidad de expansión adicional (4, 20) en una corrienteparcial del segundo circuito del propulsor después del colector (2), para accionar una bomba (5, 18) que transmitemedio de trabajo, propulsor y/o mezcla.

Instalación y procedimiento asociado para la conversión de energía calorífica en energía mecánica, eléctrica y/o térmica

La invención se refiere a un procedimiento y a una instalación para la conversión de energía calorífica en energía mecánica mediante expansión de un medio de trabajo en forma de vapor en un dispositivo de expansión conectado con un primer evaporador. La invención prevé a este respecto la posibilidad de que prácticamente toda o toda la energía, posteriormente también denominadas energías auxiliares, se proporcionen para la producción y el transporte de vapores y gases que se producen completamente a partir de la energía cinética generada por medio del procedimiento según la invención, del medio de trabajo en forma de vapor formado, por ejemplo, en el evaporador y/o del propulsor formado por ejemplo en un colector como segunda unidad de evaporación independiente, de modo que en esta forma de realización no es necesaria ninguna o prácticamente ninguna energía auxiliar mecánica o eléctrica adicional para llevar a cabo el procedimiento según la invención.

La invención es además adecuada para realizar alternativas de realización energéticamente eficientes en el caso de la conversión de las cantidades de calor que se producen a diferentes niveles de temperatura.

Para la conversión de energía calorífica en energía mecánica se conocen según el estado de la técnica diferentes procedimientos y dispositivos. Las centrales de vapor trabajan a una presión desde 20 hasta más de 40 MPa con una expansión de hasta aproximadamente 4 KPa, es decir tales instalaciones trabajan para la obtención de energía con una relación de compresión en el intervalo de 500 a 1.000. En estos procedimientos se convierte adicionalmente en energía eléctrica esencialmente la energía mecánica a partir de la expansión de un medio de trabajo en forma de vapor generado con el calor por medio de evaporación, con ayuda de generadores. Para una buena eficiencia energética, es decir, un elevado rendimiento de conversión de calor en energía mecánica, ha de preverse para la expansión en el caso de instalaciones y procedimientos conocidos en el estado de la técnica una gran relación de compresión. Por ello se hacen funcionar instalaciones convencionales con grandes presiones de salida, que se ajustan mediante evaporación de un gas impulsor a altas temperaturas, es decir vapor de agua de al menos 500 ºC a 600 ºC. A este respecto, como unidades de expansión se utilizan habitualmente turbinas. Después de la expansión se condensa el propulsor, debiendo evacuarse el calor de condensación que se produce como calor perdido.

Otro procedimiento conocido es el proceso ORC. En el proceso ORC también se calienta y evapora el medio de trabajo. A continuación se expande a través de una turbina de vapor para extraer energía mecánica al proceso. Después de la turbina se conduce el vapor a través de un recuperador, para alimentar energía residual de la fase de vapor al medio de trabajo líquido. A continuación se condensa el medio de trabajo aún en forma de vapor y se alimenta de nuevo al proceso a través de la bomba de alimentación. Habitualmente, para el funcionamiento de tales instalaciones se usan niveles de temperatura del vapor de trabajo desde 150 ºC hasta 300 ºC.

El documento US 4.089.177 describe una máquina térmica para la conversión de energía calorífica en energía mecánica, que comprende una turbina, un refrigerador y un dispositivo de calefacción. Un medio circula en dos circuitos: un circuito en forma de gas y un circuito líquido. Estos dos circuitos se reúnen mediante una bomba de chorro y se separan de nuevo mediante un dispositivo de separación.

En el caso particular de la conversión, especialmente interesante hoy en día en cuanto a un aprovechamiento de energías renovables, de energía calorífica solar en energía mecánica o eléctrica, la denominada producción de electricidad termosolar mediante una expansión de medio de trabajo en forma de vapor, se siguen preferentemente tres alternativas de diseño diferentes. En la primera alternativa se concentra la radiación solar con espejos exteriores sobre un evaporador dispuesto en el centro, con el que se evapora un medio de trabajo que, a continuación, se expande en una turbina. En la segunda alternativa se realiza la concentración de la radiación solar ya en el dispositivo de recogida, por ejemplo colectores de canales parabólicos, en los que un tubo absorbente discurre en el eje focal de un espejo parabólico lineal. El vapor generado allí se reúne a continuación y se expande en una turbina de expansión central. Este proceso de expansión térmica en una turbina de expansión corresponde esencialmente a los procesos de expansión térmica en centrales eléctricas.

Como tercera alternativa más reciente se usan entretanto los denominados sistemas disco Stirling, en los que la radiación solar se concentra en un espejo parabólico sobre la cámara del evaporador de un motor Stirling, mediante lo cual se acciona el motor Stirling.

Una desventaja de los sistema descritos hasta el momento es la temperatura inicial elevada necesaria para un buen rendimiento de manera correspondiente a las condiciones de Carnot, es decir en el caso de vapor de agua actualmente º 600 ºC y en el caso del procedimiento ORC º 200 ºC, para la expansión del vapor. Esta es la razón para la concentración de la radiación solar con sistemas de espejo, dado que sólo de este modo pueden alcanzarse en general las altas temperaturas necesarias. A este respecto es una desventaja que estos requisitos sólo puedan satisfacerse con luz directa del sol, es decir, no con radiación solar difusa, tal como se produce con el cielo cubierto. Esto tiene consecuencias desventajosas para la disponibilidad de una instalación construida de este modo.

Una desventaja particular es que en aquellas regiones, en las que el número de horas anuales con luz directa del sol es comparativamente bajo, tal como por ejemplo en el norte de Europa y Europa Central. De este modo no sorprende que la producción de energía eléctrica a partir de instalaciones termosolares se haya previsto hasta ahora sólo en regiones soleadas, tales como el sur de Europa, los estados soleados de los EE.UU. u otras regiones cercanas al ecuador.

La invención se ha propuesto ahora la meta de vencer al menos una de las desventajas mencionadas anteriormente del estado de la técnica.

La solución del objetivo se consigue según la invención mediante las características de la reivindicación 1. Configuraciones ventajosas de la invención se indican en las reivindicaciones dependientes.

En particular, el objeto de la presente invención se refiere a procedimiento para la conversión de energía calorífica en energía mecánica, eléctrica y/o térmica, comprendiendo el procedimiento al menos dos circuitos conectados entre sí, comprendiendo el procedimiento al menos dos circuitos, que están conectados a través de al menos una sección parcial común, presentando el primer circuito al menos un dispositivo de expansión y estando conectada la sección parcial común con el primer y segundo circuito a través de al menos un compresor de chorro, conduciéndose en el primer circuito un medio de trabajo y en el segundo circuito un propulsor y en la sección parcial común una mezcla de medio de trabajo y propulsor, separándose la mezcla formada en el compresor de chorro posteriormente en un dispositivo de separación en corriente de medio de trabajo y corriente de propulsor, recirculándose el medio de trabajo hacia el primer circuito y alimentándose a una unidad de evaporador, suministrándose el medio de trabajo evaporado al dispositivo de expansión y posteriormente al compresor de chorro y propulsor separado se recircula hacia el segundo circuito y con el fin de absorción de energía calorífica se suministra a un colector y después de la absorción de energía calorífica se alimenta al compresor de chorro. Al menos una corriente parcial del propulsor se conduce después del colector de forma derivada a través del evaporador de medio de trabajo y/o se hace pasar al evaporador de medio de trabajo, con el fin de transmisión de calor al medio de trabajo en el evaporador. A continuación se recircula el propulsor al colector. Además se deriva al menos una corriente parcial después del colector y se alimenta al menos a un dispositivo de expansión. El propulsor expandido de la corriente parcial derivada se conduce entonces a través del evaporador de medio de trabajo y/o se hace pasar al evaporador de medio de trabajo, con el fin de transmisión de calor al medio de trabajo en el evaporador. A continuación se recircula el propulsor al colector. En la conducción... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para la conversión de energía calorífica en energía mecánica, eléctrica y/o térmica, comprendiendo el procedimiento al menos dos circuitos, que están conectados a través de al menos una sección parcial común, presentando el primer circuito al menos un dispositivo de expansión (9) , conduciéndose en el primer circuito un 5 medio de trabajo y en el segundo circuito un propulsor y en la sección parcial común una mezcla de medio de trabajo y propulsor, recirculándose el medio de trabajo hacia el primer circuito y alimentándose a una unidad de evaporador (8) , estando conectada la sección parcial común con el primer y el segundo circuitos a través de al menos un compresor de chorro (3) , separándose la mezcla formada en el compresor de chorro (3) posteriormente en un dispositivo de separación (6) en corriente de medio de trabajo y corriente de propulsor, suministrándose el 10 medio de trabajo evaporado al dispositivo de expansión (9) y posteriormente al compresor de chorro (3) , caracterizado porque el propulsor separado se recircula hacia el segundo circuito y se suministra a un colector (2) con el fin de absorción de energía calorífica y después de la absorción de energía calorífica se alimenta al compresor de chorro (3) , estando dispuesta al menos una unidad de expansión adicional (4, 20) en una corriente parcial del segundo circuito del propulsor después del colector (2) , para accionar una bomba (5, 18) que transmite medio de trabajo, propulsor y/o mezcla.

2. Procedimiento para la conversión de energía calorífica en energía mecánica, eléctrica y/o térmica de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el dispositivo de expansión (9) es un dispositivo de expansión de baja presión, preferentemente al menos un soplador de émbolos rotativos (9) , una bomba de rueda ovalada y/o un expansor helicoidal, preferentemente con cámara de aspiración estanca a los gases, siendo lo más preferido un soplador de émbolos rotativos (9) .

3. Procedimiento para la conversión de energía calorífica en energía mecánica, eléctrica y/o térmica de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque la temperatura y la presión de la mezcla de propulsor y vapor de medio de trabajo aspirado en el momento de la transferencia de energía calorífica al medio de trabajo con el fin de la evaporación en el evaporador (8) son mayores que las del medio de trabajo a evaporar que se encuentra en el

evaporador (8) .

4. Procedimiento para la conversión de energía calorífica en energía mecánica, eléctrica y/o térmica de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se recircula propulsor condensado a la fuente de calor externa al menos en parte con el fin de la evaporación.

5. Procedimiento para la conversión de energía calorífica en energía mecánica, eléctrica y/o térmica de acuerdo con

una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque durante la transferencia de energía calorífica desde el propulsor en forma de vapor al medio de trabajo que se encuentra en el evaporador (8) se recircula propulsor condensado a un dispositivo de separación (6) , presentando el dispositivo de separación (6) preferentemente una regulación del nivel de líquido.

6. Procedimiento para la conversión de energía calorífica en energía mecánica, eléctrica y/o térmica de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores mediante expansión de un medio de trabajo en forma gaseosa en un dispositivo de expansión (9) conectado con un evaporador (8) , caracterizado porque

- la expansión se lleva a cabo como expansión a baja presión,

- el medio de trabajo expandido se comprime con un compresor de chorro (3) dispuesto aguas abajo del

dispositivo de expansión (9) .

40. al compresor de chorro (3) se le suministra un propulsor calentado en el colector (2) ,

- el compresor de chorro se hace funcionar de modo que la temperatura final de la mezcla alcanzada tras la compresión se encuentra por encima de la temperatura de evaporación del medio de trabajo en el evaporador (8) , de modo que la mezcla de medio de trabajo y propulsor se condensa en el intercambio de calor frente al medio de trabajo líquido que bulle en el evaporador (8) ,

- el condensado se transporta con una bomba (5) a un dispositivo de separación (6) , accionándose la bomba (5) por medio de una unidad de expansión (4) , a la que se alimenta propulsor desde el colector (2) , y

-a partir del dispositivo de separación (6) a través de conducciones de alimentación, preferentemente con una válvula de mando controlada por nivel, se transporta propulsor de vuelta al colector (2) y medio de trabajo de vuelta hacia el evaporador (8) .

7. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la energía calorífica, que se alimenta al colector (2) o al evaporador (8) , al menos en parte procede de una fuente de energía (1) que comprende calor de gases de escape, calor de escape de procesos de combustión, fuentes geotérmicas, colectores solares, bombas de calor, pilas de combustible, calor de escape de procesos de refrigeración, calor ambiente del aire o del agua, un motor de combustión, una planta modular para generar energía y calor en forma combinada.

8. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el propulsor generado en el colector (2) no sólo se alimenta al compresor de chorro (3) , sino que además se expande a través de un dispositivo de expansión (12) .

9. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la expansión del propulsor hace funcionar un dispositivo de expansión (12) de modo que el propulsor expandido puede condensarse directamente en el intercambio de calor con el medio de trabajo en ebullición en el evaporador (8) , y el condensado se transporta con una bomba (18) de vuelta al colector.

10. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque al menos un/unos dispositivo (s) de expansión (9, 12) para la conversión de energía calorífica en energía mecánica y/o eléctrica está (n) conectado (s) con un generador (10, 13) .

11. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el propulsor expandido en la unidad de expansión (4) se alimenta a la mezcla después del compresor de chorro (3) .

12. Instalación para la conversión de energía calorífica en energía mecánica, eléctrica y/o térmica de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 11, que comprende al menos una unidad de evaporador (8) , un dispositivo de expansión (9) conectado con la misma y al menos un compresor de chorro (3) , un primer circuito en el que se conduce un medio de trabajo, un segundo circuito en el que se conduce un propulsor, una sección parcial común en la que se conducen conjuntamente medio de trabajo y propulsor y un dispositivo de separación (6) en el que se separan medio de trabajo y propulsor y un colector (2) para el calentamiento del propulsor, usándose la energía calorífica de la mezcla en la sección parcial común para la evaporación de medio de trabajo en la unidad de evaporador (8) , estando dispuesta al menos una unidad de expansión adicional (4, 20) en una corriente parcial del segundo circuito del propulsor después del colector (2) , para accionar una bomba (5, 18) que transmite medio de trabajo, propulsor y/o mezcla.

13. Instalación de acuerdo con la reivindicación 12, que comprende una unidad de evaporador (8) para la evaporación del medio de trabajo y a continuación un dispositivo de expansión de baja presión (9) para la expansión del medio de trabajo dispuestos en el primer circuito, un colector dispuesto en el segundo circuito para la absorción de energía calorífica del propulsor y un dispositivo de separación dispuesto en la sección parcial común para la separación de medio de trabajo y propulsor.

14. Instalación de acuerdo con la reivindicación 12 o 13, en la que el primer y el segundo circuitos están conectados con el compresor de chorro (3) y el compresor de chorro (3) y el dispositivo de separación (6) están conectados a través de la sección parcial común y el dispositivo de separación (6) está conectado con un primer y un segundo circuitos.

15. Instalación de acuerdo con la reivindicación 12 a 14, que comprende al menos dos, preferentemente tres corrientes parciales de propulsor, conduciendo preferentemente una primera corriente parcial del propulsor hasta un dispositivo de expansión (12) , conduciendo una segunda corriente parcial del propulsor a un compresor de chorro (3) y conduciendo una tercera corriente parcial a una unidad de expansión (20) .

16. Instalación de acuerdo con la reivindicación 12 a 15, que comprende:

a) una unidad de evaporador (8) , en la que puede evaporarse un medio de trabajo, b) un dispositivo de expansión (9) , que dado el caso está conectado con un generador (10) , estando el dispositivo de expansión (9) , preferentemente dispositivo de expansión de baja presión (9) , conectado aguas abajo de la unidad de evaporador (8) , c) un compresor de chorro (3) , que está conectado aguas abajo del dispositivo de expansión (9) y en el que se comprime el medio de trabajo en forma de vapor expandido, d) un colector (2) como acumulador de la energía calorífica, con el que se lleva el propulsor hasta un nivel de temperatura más alto, e) una bomba (5) y un dispositivo de separación (6) con al menos una válvula (7) , en el que la mezcla se separa en medio de trabajo y propulsor, f) una unidad de expansión (4) , preferentemente una turbina de expansión (4) , que acciona la bomba (5) , g) dado el caso un dispositivo de expansión de baja presión adicional (12) con generador (13) acoplado, que está dispuesto en el segundo circuito después del colector, h) dado el caso una bomba de alimentación de líquido para aumentar la presión, cuando el compresor de chorro

(3) se acciona con un líquido.

17. Instalación de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores 12 a 16, caracterizada porque el dispositivo de expansión (9, 12) está conectado con un generador (10, 13) , que convierte energía mecánica en energía eléctrica.

18. Instalación de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores 12 a 17, que puede hacerse funcionar de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores 1 a 11.