ES2223175T3 - Dispositivo para comprimir un medio gaseoso y sistemas que comprenden dicho dispositivo. - Google Patents

Dispositivo para comprimir un medio gaseoso y sistemas que comprenden dicho dispositivo.

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Jacobus Van Liere
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Abstract

Un dispositivo para comprimir un medio gaseoso, que comprende una unidad de compresor provista con una entrada del medio, una salida para el medio comprimido y medios para atomizar un agente líquido de evaporación en el medio, caracterizado porque los medios de atomización comprenden al menos una unidad de atomización de tipo rápida, dispuesta y montada de forma tal que el agente de evaporación atomizada efectúa la fragmentación por la formación de gas en el agente de evaporación atomizada.

Description

Dispositivo para comprimir un medio gaseoso y sistemas que comprenden dicho dispositivo.
La presente invención está relacionada con un dispositivo para comprimir un medio gaseoso y sistemas que aplican dichos dispositivos de compresión, tales como sistemas de generación de energía, separadores de gases, compresores y sistemas de compresores para el gas natural, aire, y productos químicos, tales como el amoníaco.
La compresión de un medio gaseoso requiere un trabajo de compresión, cuyo trabajo es directamente proporcional a la temperatura absoluta del medio a comprimir. Esto significa que el trabajo de compresión puede reducirse mediante el enfriamiento del medio con antelación y durante la compresión, y en el caso de reciclado también después de la compresión. Esto es aplicable también si el medio se comprime sucesivamente en varias etapas. El objetivo principal es virtualmente una compresión ideal o cuasi-isotérmica.
El medio se enfría mediante la introducción de un agente liquido de evaporación (usualmente agua). El agente de evaporación es introducido en la forma de gotas que se evaporan. El calor requerido para la evaporación es provisto por el medio, el cual consecuentemente se enfría.
En principio, no es necesario que las gotas pulverizadas del agente de evaporación se evaporen completamente. La evaporación incompleta de las gotas, no obstante, puede dar lugar a gotas del agente de evaporación que entren en contacto con el interior de la unidad del compresor, lo cual puede conducir a la erosión y a la corrosión de partes de la unidad del compresor.
El objetivo, por tanto, es introducir tantas gotas pequeñas como sea posible (1-10 \mum). Cuanto más pequeñas sean las gotas, más probable será la posibilidad de que se evaporarán completamente, pero también menos probable que entren en contacto con la estructura de la unidad del compresor. No obstante, si el medio tiene una alta velocidad y/o el tiempo de permanencia en el aire es corto en la unidad del compresor, el tiempo será insuficiente en la forma usual para la evaporación completa.
El documento DE-A-4114678 está relacionado con un método para la atomización de un fluido para una turbina de gas. La atomización del fluido tiene que tener lugar sobre la longitud completa del compresor a una presión de pulverización de 5-20 bares por encima de la presión del compresor. La cantidad máxima del fluido a atomizar, agua en particular, está situada entre 0 a 0,2 kilogramos por kilogramo de aire, y no puede excederse de dicha magnitud. Finalmente, se indica que la forma en la que el fluido se atomiza en el compresor no se ha solucionado en su forma constructiva todavía.
El documento US-A-4478553 está relacionado con la compresión isotérmica de la compresión de una turbina de gas. Los medios de atomización están posicionados estratégicamente en la estructura del rotor. El agua a dispersar no está precalentada, y el tamaño de las gotas del agente de evaporación atomizado se mantiene preferiblemente entre 2 y 10 \mum.
El documento US-A-5388397 está relacionado con un método para operar en un turbocompresor, por lo que el aire es comprimido en dos etapas y enfriado en forma intermedia en un inter-refrigerador. El agua caliente del inter-refrigerador se enfría en vasijas de evaporación subsiguientes y el vapor resultante es transferido en forma muy compacta al medio ambiente por la evaporación espontánea de acuerdo con un método de tipo rápida. La cantidad evaporada se establece mediante una cantidad correspondiente de agua fresca.
El documento EP-A-0821137 describe un sistema para generar energía, por lo que el gas a comprimir es enfriado mediante la atomización de gotas de agua con un tamaño de gota de 1-5 \mum. Bajo ciertas condiciones, no obstante, la velocidad del flujo requerido de gotas de agua atomizada es demasiado pequeña.
La presente invención está dirigida a proporcionar un dispositivo compresor en el cual un medio gaseoso pueda ser comprimido a temperaturas relativamente bajas mediante la aplicación de gotas muy pequeñas del agente evaporador (el promedio es menor de 5 \mum, generalmente menor de 3 \mum, preferiblemente menor de 2 \mum, por ejemplo 1,2 \mum) mientras que puede generarse una velocidad de flujo suficiente de este tipo de gotas atomizadas, dependiendo de la velocidad de flujo del medio a comprimir.
Simultáneamente, la presente invención está dirigida a proporcionar una forma muy adecuada de enfriamiento de un medio gaseoso, de forma que la capacidad de enfriamiento de los refrigeradores de gas existentes o requeridos (inter-refrigeradores) pueda ser reducida o bien que puedan ser reemplazados.
Esto se consigue de acuerdo con la invención mediante un dispositivo para comprimir un medio gaseoso, que comprende una unidad de compresor provisto con una entrada del medio, una salida para el medio comprimido y medios para atomizar un agente líquido de evaporación en el medio, caracterizado porque los medios de atomización comprenden al menos una unidad de atomización de tipo rápida, montada o dispuesta de forma tal que el agente de evaporación atomizada efectúe la fragmentación por la formación de gas en el agente de evaporación atomizada.
Los medios de atomización de esta unidad de compresor comprenden una entrada para el agente de evaporación y una salida para el agente de evaporación en la línea del medio gaseoso. Es posible que este medio gaseoso tenga todavía que ser comprimido, encontrándose en el proceso de ser comprimido, o bien que haya sido ya comprimido. En el último caso, el medio comprimido puede añadirse todavía a una unidad de compresión subsiguiente, o puede ser en parte recirculado. Los medios de atomización contienen también usualmente un numero muy grande de atomizadores a través de los cuales es pulverizado el agente de evaporación en el medio gaseoso.
En principio, puede ser utilizado cualquier tipo conocido de atomizador en la unidad de atomización de tipo rápida. Los adecuados son, por ejemplo, los atomizadores de torbellino, atomizadores de ranura, atomizadores de orificios, atomizadores de envase giratorio, y si es necesario los atomizadores de pluma. Lo importantes es solo que el atomizador proporcione gotas o una película del agente de evaporación al medio gaseoso, bajo circunstancias modificadas hasta tal punto que tenga lugar subsiguientemente la atomización de tipo rápida. La atomización de tipo rápida significa que el agente liquido de evaporación llega al medio gaseoso bajo circunstancias tales que como resultado de la caída de presión a través del atomizador, se generan burbujas de ebullición o burbujas de gas en las gotas o en la película del agente de evaporación, es decir, se forma gas o vapor en el agente de evaporación. Esto se denomina precipitación rápida que da lugar a la explosión o fragmentación de las gotas o de la película del agente de evaporación, como resultado de la ebullición parcial repentina o precipitación del gas. Dicha fragmentación conduce a la generación de gotas muy pequeñas del agente de evaporación en el medio gaseoso. Después de la fragmentación, el tamaño medio del agente de evaporación es inferior a 5 \mum, en general menor de 3 \mum, preferiblemente menor de 2 \mum, por ejemplo 1,2 \mum.
Esto significa que los atomizadores pueden ser utilizados en los medios de atomización en tanto que den por resultado gotas del mencionado tamaño medio después de la fragmentación. Es importante a este respecto que los medios de atomización, en particular las unidades de atomización de tipo rápida, estén montados y configurados de forma tal que el agente de evaporización atomizado se fragmente mediante la generación de gas en el agente de evaporación atomizado.
Preferiblemente, se utiliza una unidad de atomización de tipo rápida, que esté provista con atomizadores de torbellino. En dicho atomizador de torbellinos conocido, el agente de evaporización se sitúa en el movimiento de torbellino en una cámara de torbellino. El agente de evaporación de torbellino sale a través de una salida. Parece que el grosor de la capa de salida del agente de evaporación es solo una fracción (por ejemplo, el 10%) del diámetro del conducto de salida. La fragmentación de tipo rápida subsiguiente da por resultado las gotitas que tienen un tamaño medio de
5 \mum o inferior (dependiente de la caída de presión, temperatura y diámetro del conducto de salida). Debido al tamaño reducido de las gotas del agente de evaporación, existirá menos riesgo de contacto con el interior de la unidad del compresor, el cual significa que la longitud completa de la unidad del compresor puede ser enfriada.
Está claro que con el fin de realizar esta fragmentación, es importante que tienen que ser óptimas las condiciones (en particular el cambio de las condiciones) bajo las cuales se atomiza el agente de evaporación en el medio gaseoso para la fragmentación. Las condiciones importantes para la fragmentación de tipo rápida son la temperatura del agente de evaporación, la presión de atomización bajo la cual se atomiza el agente de evaporación en el medio gaseoso, y el diámetro del conducto de salida. En consecuencia, la unidad de atomización de tipo rápida comprende preferiblemente medios para ajustar la temperatura del agente de evaporación y/o la presión de atomización.
Tal como se indicó anteriormente, los atomizadores conocidos pueden, en principio, ser utilizados en el dispositivo compresor de acuerdo con la invención. Estos atomizadores pueden liberar el agente de evaporación en el medio gaseoso en una dirección que puede ser transversal o paralela al flujo del medio gaseoso. El agente de evaporación atomizado puede tener una componente axial o radial frente al medio gaseoso. El componente radial es importante con el fin de evitar la fusión de las gotas fragmentizadas del agente de evaporación, y puede realizarse por ejemplo mediante la aplicación de un atomizador de torbellinos. El componente axial es importante con el fin de transferir la energía del agente de evaporación en todo lo posible al medio gaseoso, de forma tal que la caída de presión sea baja o incluso negativa. En el caso de que actualizar el diseño de los compresores existentes o del sistema de compresores, por ejemplo de las instalaciones de energía, se proporciona una pre-posición para un bastidor de pulverización con atomizadores de torbellino. Este bastidor de pulverización deberá posicionarse preferiblemente cerca de la entrada del medio del compresor, de forma que sea difícil la fusión de las gotas o el calentamiento del medio. Bajo tales condiciones similares, es también posible el incluir los atomizadores en los alabes del compresor y atomizar desde los alabes del estator o del compresor en rotación. El atomizador de torbellino y el atomizador de ranura o el atomizador de orificios en particular son los preferidos en este caso, porque son de una construcción muy sencilla y son fáciles de miniaturizar. En consecuencia, pueden ser implementados un gran número de atomizadores por adelantado sin precisar de demasiados cambios en el dispositivo del compresor existente, permitiendo así un régimen de flujo opcional aunque grande del agente de evaporación fragmentizado. Una actualización dispuesta de esta forma reducirá realmente tanto la temperatura de descarga de la compresión como el trabajo de compresión.
Adicionalmente, si los medios para el ajuste de la temperatura reajustan la temperatura del agente de evaporación preferiblemente cerca de la temperatura crítica, el agente de evaporación alcanza una tensión superficial que tiene virtualmente o con precisión 0 N/m^{2}. Esto significa que se precisa de poca o ninguna energía más para atomizar el líquido, de forma que el tamaño de las gotas será extremadamente pequeño (es posible un tamaño de gotas promedio de hasta 0,1 \mum), y pudiendo omitirse el uso de otros medios para reducir la tensión superficial. Dependiendo de la cantidad de agente liquido de evaporación que se atomice en el medio y de la distancia hasta la entrada del medio del compresor, la temperatura del agente del medio/evaporación a comprimir puede ser incrementada, por ejemplo, desde 15ºC a 23ºC y 30ºC para un contenido de agua final en el medio que abandone la unidad del compresor de 10 a 18 mol% respectivamente. En consecuencia, es ventajoso si la temperatura del agente de evaporación a atomizar, agua en particular, antes de la atomización, es lo más baja posible. Finalmente, debido al tamaño extremadamente pequeño de las gotas, tendrá lugar una máxima evaporación y consecuentemente un enfriamiento, como resultado de lo cual el trabajo de compresión será mínimo y por tanto también la formación de NO_{x}.
Además de la condición física antes mencionada de la fragmentación, es posible también el promocionar la fragmentación mediante la adición de aditivos químicos o físicos al agente de evaporación. Es preferible por tanto añadir agentes al agente de evaporación, que reduzcan su tensión superficial, reduciendo por tanto la energía requerida para la fragmentación. Los agentes que pueden ser utilizados para reducir la tensión superficial son los detergentes y similares. Los agentes de reducción de la tensión superficial preferidos son aquellos que no solo residen en la interfaz del agente de evaporación y del medio, sino que están también distribuidos virtualmente en forma homogénea a través del agente de evaporación (gotas o película). Así pues, no se precisa una reducción disminuida de la tensión superficial después de la atomización y con antelación a la fragmentación, como consecuencia de la difusión. Bajo dichas condiciones, el uso de ácidos grasos, ácidos grasos reducidos en particular, es lo preferido o posiblemente alcohol, por ejemplo metanol o etanol. El uso de las últimas sustancias es lo preferido substancialmente en el caso de que tengan que ser añadidas a los medios gaseosos que se utilicen subsiguientemente en un proceso de combustión. Así pues, se evita el riesgo de estos aditivos que influyen negativamente en el proceso de combustión.
De acuerdo con otra realización preferida, el agente de evaporación comprende varias substancias de evaporación que tienen cada una diferentes puntos de ebullición. En particular como resultado de la caída de presión al pasar la unidad de atomización del tipo rápida, las substancias vaporizables con los puntos de ebullición más bajos serán las primeras en evaporarse en el tipo rápida, formando burbujas de ebullición, como resultado del agente de evaporización residual (líquido) que se desintegrará o se fragmentara en pequeñas gotas. La mezcla puede ser, por ejemplo, una mezcla de agua y dióxido de carbono o una mezcla de agua y monóxido de carbono.
La adición de una sustancia vaporizable que tenga un punto bajo de ebullición dará lugar también a una reducción adicional de la temperatura en las gotas atomizadas. La atomización del agua, la cual está saturada con el dióxido de carbono (aproximadamente del 7% en peso a una presión de 150 bares) a 150 bares y 15ºC da lugar, cuando se expanda repentinamente a 1 bar, a un descenso de la temperatura de 12,5ºC.
En principio, el dispositivo de compresión de acuerdo con la invención puede ser aplicado bajo todas las clases de condiciones, en particular bajo las condiciones que requieren una compresión isotérmica o cuasi-isotérmica, por razones de rendimiento, y bajo dichas condiciones que dejan poco tiempo para la evaporación, como resultado del tiempo de permanencia limitada antes o después de la unidad de compresión.
El dispositivo de compresión de acuerdo con la invención se convierte en aplicable en los sistemas para generar energía, tal como las unidades de compresor provistas con turbinas de gas así como también en instalaciones para la separación de gases o en motores de combustión. En principio, la invención es aplicable a todos los gases que tengan que ser comprimidos, tal como el gas natural, amoníaco, aire, nitrógeno y oxigeno, hidrógeno, gas de síntesis, dióxido de carbono y gases inertes.
El dispositivo de compresión de acuerdo con la invención puede ser utilizado también en un motor rotativo o de pistones, tal como un motor de combustión, por ejemplo un motor de gasolina, motor Diesel y el motor Otto. La compresión del pistón en un compresor de pistón o durante la carrera de compresión en un motor de combustión puede ser reducida en su trabajo de la misma forma que en el compresor axial o radial (turbina de gas), mediante la aplicación de la compresión cuasi-isotérmica. En un motor Diesel con turbocompresor, la atomización puede tener lugar tanto antes y en el turbocompresor y antes en la cámara de compresión. El agua atomizada finamente se evaporará y la temperatura y el trabajo de compresión serán más bajos que la compresión adiabática.
Tal como se ha indicado anteriormente, en un motor de combustión interna la unidad de atomización de tipo rápida se incorpora preferiblemente en la cámara de compresión independiente o en la unidad de compresión. Así pues, la compresión cuasi-isotérmica puede tener lugar durante la carrera de compresión del motor de combustión. Se encuentra configurado un intercambiador de calor entre la cámara o unidad de compresión y la cámara de compresión del motor de combustión, la cual se encuentra en contacto de intercambio de calor con una salida de escape del motor de combustión. Así pues, es posible recuperar el calor del aire frío comprimido del calor de los gases de escape.
Las características expuestas y otras características del dispositivo compresor y de los sistemas en los cuales se emplean los dispositivos, serán expuestas a continuación como ejemplos sin restringir la invención en los mismos.
En los dibujos:
la figura 1 es una representación esquemática de un sistema para generar energía (biomasa - TOPHAT), utilizando la atomización de tipo rápida de acuerdo con la invención;
la figura 2 es una representación esquemática de otro sistema para generar energía (carbón - TOPHAT);
la figura 3 representa un sistema para la separación del aire;
la figura 4 es una representación esquemática de otro sistema incluso para generar energía, con atención específica para el enfriamiento de las partes del gas caliente;
las figuras 5 y 6 son representaciones esquemáticas de los motores Diesel de barcos;
la figura 7 es una representación esquemática de un atomizador de torbellino de tipo rápida;
la figura 8 es una representación esquemática de un sistema de actualización de torbellino-rápida para generar energía;
la figura 9 es una variante del sistema mostrado en la figura 8, que utiliza un agente de evaporización que comprende substancias de evaporación con diferentes puntos de ebullición;
la figura 10 muestra otro sistema para generar energía de acuerdo con la invención, según el principio TOPHAT (turbina de aire humidificado TOPHAT); y
la figura 11 muestra un sistema de generación de energía de acuerdo con el principio TOPHAT (Motor de combustión de aire humidificado TOP);
la figura 1 muestra un sistema 1 para generar energía. El sistema 1 comprende una unidad compresora 2 accionada a través de un eje 3 mediante una turbina de expansión de gas 4, la cual acciona también un generador 5.
La unidad del compresor 2 está provista con una entrada de aire 6 (medio) y una salida 7 para el aire comprimido. En la entrada de aire 6, se encuentran incluidos los medios de atomización 8 para atomizar el agente de evaporización, en este caso el agua se suministra a través del suministro de agua 9, en el aire. Los medios de atomización 8 comprenden una carcasa conteniendo un anillo a través del cual fluye el aire que tiene que ser comprimido. Este anillo contiene un gran número de unidades de atomización de tipo rápida (conocidas), separadas entre si en la circunferencia a costas distancias entre sí, y conectadas al suministro de agua 9. En el intercambiador de calor 16, y si así se precisa en el intercambiador de calor 10, el agua es precalentada a 140-250ºC. Las unidades de atomización de tipo rápida están construidas como atomizadores de torbellino (véase la figura 7), y las gotas de agua con un tamaño medio de 1-2 \mum serán expulsadas en el aire. El régimen de flujo máximo de las gotas de agua expulsadas atomizadas es de 20 kg/s, con un régimen de flujo de aire de 100 kg/s. Para las unidades de compresores existentes, tal como en una turbina de gas presente, el régimen de flujo tradicional será como máximo del 5% del suministro de aire; para las nueva turbinas de gas será como máximo del 20%.
Después de pasar a través de un recuperador 10, el gas comprimido y calentado es llevado, a través de la salida 7, hacia la unidad de combustión 11, a la cual se suministra el combustible por medio de la entrada de combustible.
El gas de combustión se limpia en la unidad 13, por lo que las cenizas son eliminadas a través de la salida 14. El gas de la combustión limpio acciona la turbina de gas 4. Después de pasar por la turbina de gas, el gas pasa al recuperador 10 y al intercambiador de calor 16 a través del conducto 15, y abandonando el sistema 1 a través de la chimenea 17.
Si el combustible es biomasa, la biomasa secada que se origina del intercambiador de calor 16 está presurizada en la unidad 18.
La figura 2 muestra un sistema similar 20, para la generación de energía. Las unidades iguales están indicadas por números de referencia iguales.
En el sistema 20, el agente de evaporación (agua) es suministrado a través del suministro de agua 9 con antelación y a las distintas etapas de compresión de la unidad compresora 2. A tal fin, la unidad del compresor 2 comprende varios medios de atomización, montados cada uno con unidades de atomización de tipo rápida. Así pues, se consigue el enfriamiento cuasi-isotérmico. Adicionalmente, se hace referencia a la presencia de la línea de derivación 21 para la unidad de combustión 11, de forma tal que la temperatura de combustión y/o la temperatura de la turbina pueda ser ajustada. El gas que deja la turbina de gas 4 a través del conducto 15 es eliminado por medio de la
línea 22.
La figura 3 muestra un sistema 23 para la compresión para la separación de aire. A través de varios compresores 24, es presurizado el aire suministrado por el conducto 6. El aire es enfriado con agua que se añade a los medios de atomización 8, de los cuales al menos uno contiene una unidad de atomización de tipo rápida, a través del conducto 9. El aire presurizado es suministrado al separador convencional de aire 26. En una variante al sistema 23 mostrada en la figura 3, que comprende solo un compresor 24 y los medios de atomización 8, se muestra la atomización vía una unidad de atomización de tipo rápida del aire suministrado por medio de la entrada 6. El aire (23 kg/s) es comprimido cuasi-isotérmicamente bajo la atomización de tipo rápida del agua (100 bares a 200ºC). El aire es calentado desde 15ºC a 83ºC. Subsiguientemente se enfría a 25ºC. El trabajo de compresión e de 5,3 MW. La capacidad de enfriamiento es de 6,9 MW. Si se aplicara una compresión adiabática (5 bares a 200ºC), seguido por el enfriamiento hasta 25ºC, el trabajo de compresión seria de 5,6 MW, y la capacidad de enfriamiento seria de 5,9 MW. Mediante la utilización del sistema de acuerdo con la invención, el consumo de energía se reduce en el 5,5%. Adicionalmente, la capacidad del compresor 24 se incrementa en aproximadamente el 10%. La capacidad de enfriamiento se incrementa notablemente, como resultado de la presencia de agua en el aire, y por el hecho de que la capacidad incrementada está provocada por la condensación del agua.
Para la compresión del oxígeno, nitrógeno e hidrógeno desde la presión ambiente hasta 16 bares, el estado del arte utiliza compresores multi-etapas con inter-enfriadores intermedios. Para el oxígeno (32 kg/s), el oxígeno es comprimido adiabáticamente en una primera etapa del compresor hasta 4 bares (temperatura de 175ºC), y enfriándose subsiguientemente hasta 40ºC, por lo que la presión se reduce hasta 3,8 bares. El trabajo de compresión es de 4,7 MW y la capacidad de enfriamiento es de 4 MW. En un segundo compresor, el oxígeno es comprimido hasta 8 bares (a 214ºC) y enfriado subsiguientemente hasta 25ºC. En este caso, el trabajo de compresión es de 5,8 MW, y la capacidad de enfriamiento es de 5,5 MW. La cantidad total de la energía del compresor es de 10,5 MW y la capacidad total de enfriamiento es de 9,5 MW.
En el caso de la compresión de oxigeno de tipo cuasi-isotérmica de acuerdo con la invención, utilizando los medios de atomización 8 de acuerdo con la invención, se atomizan 4 kg/s de agua a 100 bares y a 200ºC en el oxigeno a través de la atomización de tipo rápida. El oxígeno comprimido (131ºC) se enfría subsiguientemente a 25ºC. En este caso, el trabajo de compresión es de 10,4 MW y la capacidad de enfriamiento es de 12,8 MW. El incremento de la capacidad de enfriamiento está provocado por la condensación de agua, lo cual reduce los costos del enfriamiento. Mediante la utilización de solo una etapa de compresión, la construcción del dispositivo es considerablemente más sencilla, lo cual reduce los costos del dispositivo substancialmente. Una ventaja adicional de la compresión del oxígeno e hidrógeno es el incremento de la seguridad, como resultado de las temperaturas inherentemente menores a través del rango de presiones completo, conjuntamente con la presencia de gotas de agua, haciendo el proceso considerablemente más seguro.
La figura 4 muestra un sistema 25 para generar energía. El sistema 25 comprende un compresor 27 montado con la entrada de aire 26, y una salida 28 para el aire comprimido, la cual está conectada a la entrada 29 para el enfriamiento del aire de la turbina 30. La entrada de aire 29 está montada con una unidad de atomización de tipo rápida 31, en la que el agente de evaporización, agua en este caso, suministrado por la línea 32 es pulverizado en el aire comprimido y suministrado a la turbina 30, a través de dos entradas 33 y 34. De esta forma, es posible suministrar aire enfriado a la turbina. De hecho, los enfriadores de aire de rotor existentes y opcionalmente el compresor de refuerzo pueden reducirse en número o en tamaño o ser reemplazados por la unidad de atomización de tipo rápida anteriormente descrita.
Incidentalmente, el aire comprimido es suministrado también a la unidad de combustión 37, a través de la salida 35 y del intercambiador de calor 36. El combustible es suministrado a la unidad de combustión 37 vía la línea 38. La salida 39 para el escape de la turbina pasa también por el intercambiador de calor 36, y es expulsado a través de la chimenea 40.
En comparación con las turbinas de gas existentes montadas con enfriadores de rotores de aire, la capacidad de la turbina de gas puede ser incrementada mediante al aplicación de la unidad de atomización de tipo rápida, por ejemplo, de 58,7 MW a 60,8 MW, o incluso 61,3 MW (en el ultimo caso se para también el compresor de refuerzo).
La figura 5 muestra un motor Diesel 41, montado con un turbocompresor 42, A través de la entrada 43 el gasoil se suministra a los seis cilindros 44, a los cuales se encuentran conectadas las entradas para el aire comprimido también. La compresión del aire tiene lugar en un compresor 46, el cual está conectado a la entrada principal y montado con una entrada de aire 47. El agua suministrada a través de la línea 48 es llevada bajo presión por la bomba 50 y se calienta en el intercambiador de calor 49 antes de ser suministrada a la unidad atomizadora de tipo rápida 51, mediante cuyos medios se pulverizan las gotas de agua distribuida en el compresor 46.
El escape del motor Diesel 41 se lleva a cabo de la línea 52 y pasa a la turbina 53, al intercambiador de calor 49 y a la válvula 54 y sale del sistema a través de la chimenea 56. Mediante la utilización de las unidades de atomización rápida 51, el aire más frío y con más humedad es suministrado a los cilindros del motor Diesel 41. Así pues, se reduce la emisión de NO_{2}.
Tal como muestra la figura 6, en un motor Diesel 56 similar, las unidades de atomización de tipo rápida 57 pueden ser utilizadas también en cada cilindro 44 para la atomización del combustible Diesel. El combustible Diesel es suministrado a través de la línea 43 y calentado haciéndole pasar por el intercambiador de calor 58, y si fuera necesario mediante el intercambio de calor con el cilindro. El combustible Diesel tiene que ser elevado a una temperatura tal que permita la atomización de tipo rápida una presión aceptada del cilindro, por ejemplo, aproximadamente 40 bares. Una ventaja adicional es que la presión de inyección puede reducirse desde aproximadamente 1000 bares o más hasta por ejemplo 200 bares.
Los combustibles como el gasoil del motor Diesel tienen un rango de ebullición. Para temperaturas de 350ºC, tendrá lugar un efecto rápida significativo para el gasoil del motor Diesel. Esto puede ser menor para el keroseno/gasolina (250/150ºC) y más alto para los motores Diesel de barcos de velocidad lenta, hasta 400ºC. Debido a que la combustión de las gotas más pequeñas es mucho más eficiente, tendrá lugar una combustión más homogénea, dando lugar a una emisión inferior de hollín.
La figura 7 muestra un atomizador de torbellino 59, tal como es conocido en el estado del arte. A través de la línea 60, el agente de evaporación 61 es suministrado tangencialmente a una cámara de torbellino 63 por medio de la entrada 62. El agente de evaporación consigue un movimiento de torbellino 64 y abandona la cámara de torbellino 63 a través de la salida 65. El agente de evaporación de torbellino entra en el espacio en el que se encuentra presente el medio gaseoso en la forma de un cono. El grosor de la capa del agente de evaporación es reducido, y termina en gotas muy pequeñas como resultado de la fragmentación. Se observa claramente que el grosor de la capa del agente de evaporación es inferior al diámetro del conducto de salida 65 de la cámara de torbellino 63. Debido al tamaño más pequeño y de construcción relativamente sencilla del atomizador de torbellino 59, pueden aplicarse un gran numero de atomizadores de torbellino para la atomización de tipo rápida del agente líquido de evaporización en el medio gaseoso que se está comprimiendo o que se tenga que comprimir.
La figura 8 muestra un sistema 66 para generar energía. Este sistema 66 comprende un compresor 67, conectado a una turbina 69 mediante un eje 68. La turbina 69 acciona un generador 70. Desde la vasija 71 el agua a 15º es bombeada a través de un intercambiador de calor 73 mediante una bomba 71. En el intercambiador de calor 73, el agua se caliente a 140-250ºC mediante el intercambio de calo con el escape 74 de la turbina 69. Esta agua caliente y presurizada es suministrada a la unidad de atomización de tipo rápida 75, en la que el agua es atomizada en el aire 76 a 15ºC. Después de la compresión cuasi- isotérmica en el comprensor 67, el aire comprimido es suministrado a la unidad de combustión 77, después de lo cual los gases de escape se suministran a la turbina 69 a través de la línea 78.
El uso del dispositivo compresor (o del tipo mostrado en la figura 8 de acuerdo con la invención) ha sido estudiado con un sistema existente de acuerdo con la invención: una turbina de gas Allison Centras de 400 kW. Esta turbina de gas ha sido modificada. En un primer modelo se montaron 21 atomizadores de torbellino con un diámetro de 0,2 mm en la entrada de aire. En un segundo modelo se montaron 14 atomizadores de torbellino con un diámetro de 0,4 mm en la entrada de aire. Se llevaron a cabo una serie de pruebas con cargas de 100, 200, 300, y 400 kW, respectivamente. Estas pruebas fueron llevadas a cabo con estas cargas con y sin inyección de agua. La cantidad relativa de agua inyectada fue del 1,3% y del 1,0% respectivamente. Durante las pruebas, la carga de la turbina de gas se mantuvo a un nivel permanente mediante el ajuste de la temperatura de entrada de la turbina. Con el fin de conseguir un primer pronóstico del incremento de la capacidad, se llevaron a cabo interpolaciones y extrapolaciones de la capacidad con carga total y de la emisión de NO_{x}.
Los resultados se expresan en la tabla inferior.
Cantidad relativa de inyección de agua (%)
1,0 1,3
Incremento de capacidad a plena carga (%) + 5,4 + 9,2
Incremento relativo del rendimiento (%) + 1,5 + 2,9
Reducción en la emisión de NO_{x} (%) + 16 + 21
El uso del dispositivo del compresor de acuerdo con la invención con la turbina de gas Centrax de 400 kW dio lugar a una reducción considerable la emisión de NO_{x}. Adicionalmente, se incrementa la capacidad a plena carga así como también el rendimiento relativo. Está claro que mediante la actualización de las turbinas de gas existentes, la potencia con carga completa puede ser mejorada y reducir la emisión de NO_{x}.
La figura 9 muestra un sistema 79 para generar energía. En comparación con el sistema 66, figura 8, no solo el agua es suministrada al depósito 71 sino también el dióxido de carbono 81. El agua en el depósito 71 está saturada con dióxido de carbono. Esta agua es suministrada a presión a la unidad de atomización de tipo rápida 75 por los medios de la bomba 72, con el fin de enfriar al aire 76 mediante la generación de las gotas de agua muy pequeñas. El aire humedecido es subsiguientemente comprimido en el compresor 67 mientras que se evaporan las gotas de agua. Después de la combustión con combustible en la unidad de combustión 77, el escape se expulsa a través de la salida de escape 82 a través de la turbina 69 que acciona el generador 70.
La figura 10 muestra otro sistema 83 para generar para generar energía de acuerdo con la invención, de acuerdo con el principio denominado como TOPHAT. El aire 85 es humedecido y enfriado en una unidad de atomización de tipo rápida 84 por medios del agua 86 suministrada por los medios de la atomización de tipo rápida. El aire es suministrado a un compresor 87 conectado mediante un eje 88 a una turbina de gas 89 la cual acciona un generador 90. El aire frío y comprimido pasa a un intercambiador de calor 92 a través de una línea 91, y siendo suministrado a la unidad de combustión 93, a la cual se suministra el combustible por medio de la línea 94. El escape de la turbina de gas 89 pasa al intercambiador de calor 92 a través de la línea 95 para ser llevado en el intercambio de calor en contacto con el aire y frío y comprimido desde el compresor 87. A través de la línea 96 el escape pasa a un intercambiador de calor 97 y el condensador 98 en su camino hacia la chimenea 99. En el condensador 98 el agua se condensa a partir del escape y bombeada a presión por la bomba 99 hasta el intercambiador de calor 97, después del cual el agua 86, ahora a presión y a la temperatura correcta, alcanza la unidad de atomización de tipo rápida 84. Si fuera necesario, el agua puede ser añadida al agua de condensación desde el condensador 98 a través de la línea 100.
La figura 11, finalmente, muestra un sistema 101 de acuerdo con la invención para generar energía de acuerdo con el principio TOPHAT.
El agua a 140-250ºC y a 150 bares, es bombeada por la bomba 102 a una unidad de atomización de tipo rápida 103 a la cual se suministra aire a través de la línea 104 (a 15ºC). Desde la unidad de atomización de tipo rápida 103, el aire alcanza el compresor 105, el cual trabaja con un rendimiento de 0,8. El aire comprimido (ahora a 140ºC) es suministrado a través de la línea 106 a un intercambiador de calor 107 para intercambiar calor con los gases de escape de un motor de combustión 108. El motor de combustión comprende cuatro cilindros 109 a partir de los cuales una entrada de aire 110 conecta a la línea 106 a través de una válvula 111. Desde cada uno de los cilindros 109, la tubería de escape 112 pasa por el intercambiador de calor 107 y es conducido vía un intercambiador de calor 114 por medio de la línea 113 y termina vía el condensador 98 en la chimenea 99. En el condensador 98 se forma el condensado 115, el cual después de pasar por un purificador de agua 116 y después de ser llevado a presión mediante la bomba 123, es añadido a la bomba 102 a través del intercambiador de calor 114.
El combustible se suministra a cada uno de los cilindros mediante la bomba 124, a través de la línea 125 y de las válvulas (no mostradas).
En el recuperador el aire se calienta desde 140ºC a 377ºC, mientras que el escape de los cilindros 109 se enfría desde 465ºC a 210ºC. A una presión de 9 bares, el aire es suministrado a los cilindros 108 y se inyecta el combustible atomizado. Los cilindros 109 están montados también con un ignitor 117 para el encendido de la mezcla en cada uno de los cilindros 109. Los cilindros 109 están montados todos con un pistón 118 conectado a un eje 119 el cual a su vez está conectado al eje 120 del compresor 105 en un extremo y con el generador 121 en el otro, a través de un conjunto de engranajes 122 de relación 1:5.
Bajo condiciones ideales, el sistema 101 proporciona una potencia de 226 kW con un rendimiento del 64%. Un dispositivo conocido de acuerdo con el principio de Atkinson proporciona una potencia de solo 170 kW con un rendimiento del 48%.

Claims (17)

1. Un dispositivo para comprimir un medio gaseoso, que comprende una unidad de compresor provista con una entrada del medio, una salida para el medio comprimido y medios para atomizar un agente líquido de evaporación en el medio, caracterizado porque los medios de atomización comprenden al menos una unidad de atomización de tipo rápida, dispuesta y montada de forma tal que el agente de evaporación atomizada efectúa la fragmentación por la formación de gas en el agente de evaporación atomizada.
2. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la unidad de atomización de tipo rápida es una unidad de atomización rápida de torbellino.
3. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, en el que la unidad de atomización de tipo rápida comprende medios para ajustar la temperatura del agente de evaporización y/o la presión de atomización.
4. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 3, en el que los medios para ajustar la temperatura del agente de evaporización la ajustan en o cerca de la temperatura critica del agente de evaporización.
5. Un dispositivo de acuerdo con las reivindicaciones 1-3, en el que el agente de evaporización incluye agentes para reducir la tensión superficial del agente de evaporización.
6. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 5, en el que los agentes para reducir la tensión superficial comprenden substancias combustibles y/o vaporizables.
7. Un dispositivo de acuerdo con las reivindicaciones 1-6, en el que el agente de evaporización es una mezcla de substancias de evaporación que tienen diferentes puntos de ebullición.
8. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 6, en el que la mezcla comprende agua y dióxido de carbono o agua y monóxido de carbono.
9. Un dispositivo de acuerdo con las reivindicaciones 1-8, en el que los medios de atomización están configurados y montados de forma tal que el agente de evaporación es añadido antes, durante y/o después de comprimir el medio.
10. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 9, en el que los medios de atomización están dispuestos y montados de forma tal que el enfriamiento tiene lugar a través substancialmente de la longitud completa de la unidad de compresor.
11. Un sistema para generar energía que comprende al menos una turbina de gas y al menos un dispositivo de compresión de acuerdo con las reivindicaciones 1-10, accionado por la turbina de gas.
12. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 11, en el que la unidad de atomización rápida está incorporada en una tubería de suministro de aire del dispositivo de compresión.
13. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 11 ó 12, en el que la unidad de atomización rápida está incorporada en una tubería de suministro de aire frío de la turbina de gas.
14. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 11-13, en el que el sistema está conectado a un motor de combustión.
15. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 13 ó 14, en el que la unidad de atomización rápida está incorporada en la entrada de aire y, opcionalmente, en la entrada de combustible del motor de combustión.
16. Un sistema para generar energía, que comprende al menos un dispositivo de compresión de acuerdo con la reivindicación 1-10, accionado por un motor de combustión y un intercambiador de calor para el contacto de intercambio de calor entre el medio comprimido suministrado al motor de combustión y el gas de escape originario del motor de combustión.
17. Un sistema para la separación de gas que comprende al menos un dispositivo compresor de acuerdo con la reivindicación 1-10.
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