ES2224809B1 - Dispositivo de generacion de frio y recuperacion de calor. - Google Patents
Dispositivo de generacion de frio y recuperacion de calor.Info
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Abstract
Dispositivo de generación de frío y recuperación de calor, basado en el aprovechamiento térmico del calor de un sistema de cogeneración, transmitido a través de los gases de escape. Dicho dispositivo comprende un módulo de cogeneración (1); una máquina de absorción (2); una caldera (3); y elementos de control de caudal (22), pudiendo estar todos los componentes montados en una misma bancada. Permite mejorar el balance de energía aprovechada con respecto a la energía consumida en el dispositivo de generación de frío y recuperación de calor.
Description
Dispositivo de generación de frío y recuperación
de calor.
La invención se refiere a un dispositivo de
generación de frío y recuperación de calor, basado en el
aprovechamiento térmico del calor de un sistema de cogeneración,
transmitido a través de los gases de escape.
Son conocidas para un experto en la materia las
técnicas existentes basadas en utilizar el calor de sistemas de
cogeneración, en parte o en su totalidad, para calentar el
generador de un sistema de absorción para producción de frío.
El funcionamiento de un sistema de absorción se
basa en la afinidad que, entre ellas, tienen ciertas substancias,
por lo que se favorece el proceso de absorción química, y al mismo
tiempo, si tienen puntos de ebullición muy diferentes, se facilita
su separación por calentamiento de la mezcla. Una de las substancias
(la más volátil) actúa como refrigerante pues al evaporarse enfría
el agua del circuito de climatización, mientras que la otra
substancia actúa como absorbente de la primera y la mezcla
resultante es bombeada hacia el generador o generadores de calor,
donde mediante una fuente de calor externa (que en el presente caso
es el calor de un sistema de cogeneración) las substancias son
separadas, se condensa el refrigerante y posteriormente se expande
y se evapora, empezando el proceso de nuevo.
También es conocido el proceso de aprovechar el
calor disponible debido a la refrigeración de un motor (camisas,
aceite y mezcla), obtenido en forma de agua caliente y a unas
temperaturas máximas que oscilan entre 85 y 110ºC, con el que se
puede producir aire caliente, agua para calefacción, ACS, etc, e
incluso, mediante la incorporación de una máquina de absorción,
aprovechar este calor para la producción de frío (trigeneración),
empleable para climatización, refrigeración, enfriamiento de agua,
cámaras frigoríficas, etc.
Sin embargo, las realizaciones conocidas que se
basan en el aprovechamiento directo del calor de los gases de
escape de motores térmicos, no reúnen las características
necesarias de eficiencia y potencia para ser instaladas en
edificios. Un ejemplo de las realizaciones conocidas es el documento
ES 2159250, que describe una máquina de absorción de doble efecto
enfriada por aire y alimentada por el calor de los gases de escape
de motores térmicos y su procedimiento de aplicación para
climatización, particularmente aplicable para proporcionar servicio
de aire acondicionado a un vehículo.
Así pues, se hace notar la falta de un
dispositivo que se adapte a la demanda de frío y de calor en
situaciones mixtas y que, al mismo tiempo, recupere en mayor medida
la energía calorífica de los gases de escape proporcionado un
servicio adecuado a un local o a un edifico.
Con la finalidad de mejorar la eficiencia de los
dispositivos existentes, se da a conocer el dispositivo de
generación de frío y recuperación de calor objeto de la
invención.
El dispositivo de generación de frío y
recuperación de calor, se basa en el aprovechamiento térmico del
calor de un sistema de cogeneración, transmitido a través de los
gases de escape, que comprende un módulo de cogeneración, acoplado
a un generador eléctrico para producir energía eléctrica; una
máquina de absorción, para la generación de frío; una caldera de
recuperación, para la recuperación de calor a partir de los gases
de escape; y unos elementos de control de caudal, conexión y
comunicación, todo ello dispuesto de modo que el sistema es capaz
de adaptarse automáticamente a las variaciones de la demanda de
frío, a la vez que recupera calor residual.
Según un modo de realización preferido, el
dispositivo se caracteriza porque las conexiones entre el módulo de
cogeneración, la máquina de absorción y la caldera de recuperación
comprenden un elemento regulador de caudal, adaptado para recibir
los gases liberados por el módulo de cogeneración a través de un
conducto y provisto de al menos dos salidas externas, pudiéndose
regular la cantidad de gases a direccionar por cada una de las
salidas, estando al menos una primera salida conectada a un
conducto unido a la entrada del generador de la máquina de
absorción, y una segunda salida conectada a un conducto unido a la
entrada del intercambiador de calor; un conducto de unión entre la
salida del generador y un punto intermedio de interconexión
localizado en el conducto que une el regulador de caudal y el
intercambiador de calor; y un elemento de regulación de tiro situado
en cualquier punto definido entre el citado punto intermedio de
interconexión y la expulsión al exterior de los humos, a través de
la chimenea, previo paso por el intercambiador.
Según otra característica de la invención, el
dispositivo está dotado de un medio de control de flujo, dispuesto
entre el elemento regulador de caudal y el citado punto intermedio
de interconexión, aumentando la precisión de regulación del
dispositivo.
De acuerdo con una forma de realización
preferente, el medio de control de flujo es una válvula del tipo
guillotina. Según otra característica de la invención, el
dispositivo de generación de frío y recuperación de calor está
dotado de un dispositivo regulador de caudal, dispuesto entre el
punto intermedio de interconexión y la entrada del intercambiador
de calor, para poder evacuar los gases al exterior en caso de
emergencia.
Según otra característica de la invención, el
elemento de regulación de tiro es un ventilador situado a la salida
del recuperador de calor.
De acuerdo con una forma de realización, el
módulo de cogeneración comprende un turbogenerador a gas o gasóleo
cuyos gases de escape, a régimen nominal, tienen una temperatura
comprendida entre los 275ºC y los 650ºC y un contenido de oxígeno
entre el 15% y el 19% en volumen.
Según otra forma de realización, el módulo de
cogeneración comprende un motogenerador que funciona con gas
natural como combustible, los gases de escape del cual tienen una
temperatura, a régimen nominal, comprendida entre 440ºC y
530ºC.
De acuerdo con un modo de realización preferido,
el dispositivo está montado sobre una misma bancada, formando un
conjunto compacto de generación de frío, electricidad y calor.
Las características antes descritas del
dispositivo de generación de frío y recuperación de calor de la
invención, proporcionan un incremento en la eficiencia de un
sistema generador de frío, electricidad y recuperación de calor,
puesto que los sistemas pueden funcionar por separado, de acuerdo a
las necesidades, o en serie, de manera que aun derivando el 100% de
la salida de los gases para la producción máxima de frío, se puede
recuperar el calor residual en la caldera de recuperación para
calentar agua.
En los dibujos adjuntos aparece representada una
realización preferida del dispositivo de generación de frío y
recuperación de calor. En la única figura de dichos dibujos, se
ilustra un esquema del dispositivo de la invención, en el que el
sentido de circulación de los gases de escape está indicado
mediante
flechas.
flechas.
La descripción que sigue hace referencia a los
dibujos antes explicados, que permiten apreciar con detalle las
diferentes partes de que está formado el dispositivo de generación
de frío y recuperación de calor de la invención y que ilustran un
modo de realización preferido del dispositivo, basado en el
aprovechamiento térmico de un módulo de cogeneración propulsado por
un turbogenerador 1, que produce energía eléctrica 6. El
turbogenerador es una máquina rotativa formada por un compresor de
aire unido a una turbina de potencia y a un generador eléctrico por
un mismo eje, cuyos gases de escape poseen una elevada temperatura,
que puede alcanzar hasta 650ºC, así como un elevado contenido de
oxigeno, entre el 15% y el 19%, debido a la elevada relación
aire/combustible utilizada.
También existe la posibilidad de aumentar más aún
la temperatura de los gases de escape, realizando un proceso de
post-combustión (8) de dichos gases aprovechando su
contenido en oxígeno. De este modo, la temperatura de salida de los
gases de escape pueden elevarse hasta una temperatura máxima de
1.100ºC obteniendo así una mayor potencia de refrigeración y
recuperación de calor en el dispositivo de la invención.
Ésta sería una opción a tener muy en cuenta en el
caso de disponer de una microturbina, los gases de escape de la
cual tienen una temperatura de salida de unos 275ºC. Resultado de
un proceso de post-combustión, llevado a cabo por
ejemplo con un quemador de vena de aire y donde los gases de salida
actúan como comburente, la temperatura de salida puede alcanzar los
1.100ºC.
Aunque no está representado en los dibujos, el
módulo de cogeneración 1 puede ser también un motor alternativo de
combustión interna en ciclo Otto, funcionando con gas natural como
combustible. Es este caso, los gases de escape pueden alcanzar
hasta los 500ºC y el tratamiento de los gases de escape del motor,
es el mismo que el que se describe en el caso de la turbina.
Los gases de escape de la turbina son conducidos
a través del conducto 12 hacia el elemento regulador de caudal 22,
provisto de dos salidas externas conectadas a los conductos 13 y
14, unidos a su vez a la entrada del generador de la máquina de
absorción 2 y a la entrada del intercambiador de calor 3,
respectivamente.
El elemento regulador de caudal 22 actúa como una
válvula distribuidora de los gases de escape, de manera que los
deriva hacia la máquina de absorción 2 si se requiere energía
frigorífica, o hacia el intercambiador de calor o caldera de
recuperación 3 si se requiere energía térmica.
Cuando existe necesidad de energía frigorífica,
los gases de escape son conducidos al generador de la máquina de
absorción 2, que mediante un proceso interno enfría el agua de
consumo o el fluido de un circuito de climatización 23. A la salida
de la máquina de absorción, los gases son conducidos a través del
conducto 15 hacia el intercambiador de calor 3 para calentar un
circuito secundario de agua 24. Cabe destacar que, aunque la
totalidad de caudal de los gases de escape se derive en el elemento
regulador 22 hacia la máquina de absorción 2, (situación de máxima
demanda de frío), debido a la disposición de la invención es posible
recuperar energía térmica en el intercambiador 3, puesto que la
temperatura de salida de los gases de escape aún es aprovechable,
resultando un balance final de energía sorprendentemente superior a
los sistemas convencionales.
Cuando la demanda es del 100% de calor, el
elemento de flujo 22 deriva los gases de escape, en su totalidad,
hacia el intercambiador de calor 3, donde el calor de los gases de
escape se transmite al circuito de agua caliente 24.
Cuando el dispositivo trabaja en respuesta a una
demanda máxima de calor o de frío, el elemento regulador deriva al
100% los gases de escape hacia el intercambiador de calor 3 o hacia
la máquina de absorción 2. Para realizar un mejor control de la
distribución de los gases, se dota al dispositivo de una válvula de
guillotina 17 entre el elemento regulador de caudal 22 y el punto de
interconexión 16. Para evitar contrapresiones superiores a las
admitidas por la turbina, el dispositivo está dotado de un elemento
de regulación de tiro 4 situado en cualquier punto definido entre
el punto de conexión 16 de los conductos 14 y 15 y la expulsión al
exterior de los humos, a través de la chimenea 5, previo paso por el
intercambiador 3. En la realización de los dibujos, el elemento de
regulación de tiro es un ventilador situado a la salida del
recuperador de calor 3, que succiona los gases de escape en sentido
hacia la chimenea 5.
Entre el punto intermedio de interconexión y la
entrada a la caldera de recuperación, existe otro regulador de
caudal 25, para poder extraer los humos hacia el exterior en caso
de emergencia a través de la chimenea de emergencia 7.
Cuando el elemento de regulación 22 deriva los
gases de escape del turbogenerador 1, en su totalidad o en parte
significativa, hacia la máquina de absorción, la producción de
calor o de frío del dispositivo de la invención, se regula
automáticamente según la demanda del usuario, puesto que las
pérdidas térmicas de los gases de escape en el interior de la
máquina de absorción dependen de la demanda de frío. De esta
manera, los gases de escape en función de la demanda de frío
cederán más o menos energía, y al estar el intercambiador de calor 3
conectado a la salida de la máquina de absorción 2, la energía
restante se aprovechará en forma de agua caliente destinada a ACS,
calefacción, etc.
Este modo de regulación del dispositivo se adapta
mucho mejor a las necesidades de los sistemas existentes en cuanto
a su instalación en complejos deportivos, hospitales, hoteles,
oficinas, centros comerciales, etc, ya que en tales instalaciones
es conocida la relación existente entre el clima o la variación de
la temperatura exterior, a lo largo de un período de tiempo, y la
demanda final de calor o frío, y también es conocido que, en el
sector terciario o de servicios, un tipo de demanda energética es
complementaria de la otra, de manera que en temporadas frías existe
una gran demanda de calor y una demanda muy inferior de frío, en
tanto que en los períodos calurosos la demanda de frío supera en
mucho a la demanda de calor. Un dispositivo de las características
del dispositivo de la invención, respondería perfectamente a una
situación así, puesto que la flexibilidad intrínseca del sistema se
ajusta perfectamente a las necesidades térmicas de los usuarios,
además de producirse siempre energía eléctrica independientemente
del aprovechamiento térmico de los gases de escape.
Aunque no esté indicado en los dibujos, la
actuación del elemento regulador 22, desviando en mayor o menor
medida los gases de escape a través del conducto 13 ó 14, puede
funcionar a partir de una señal externa (como por ejemplo la
temperatura exterior, el caudal de agua del circuito de
climatización, la temperatura de confort elegida por un hipotético
usuario, etc), de manera que en base al valor de dicha señal y a la
experiencia operativa acumulada de los subsistemas que componen el
dispositivo, se consigue un sorprendente funcionamiento de este
último, cuyo balance de energía aprovechada con respecto a la
energía consumida es extraordinariamente mejor que el de los
sistemas habituales.
El dispositivo de la invención, se puede montar
por módulos, de modo que el módulo de cogeneración 1, la máquina de
absorción 2 y el intercambiador de calor 3 pueden formar un
conjunto compacto.
Claims (9)
1. Dispositivo de generación de frío y
recuperación de calor, basado en el aprovechamiento térmico del
calor de un sistema de cogeneración, transmitido a través de los
gases de escape, que comprende un módulo de cogeneración (1),
acoplado a un generador eléctrico para producir energía eléctrica;
una máquina de absorción (2), para la generación de frío; una
caldera de recuperación (3), para la recuperación de calor a partir
de los gases de escape; y unos elementos de control de caudal,
conexión y comunicación, todo ello dispuesto de modo que el sistema
es capaz de adaptarse automáticamente a las variaciones de la
demanda de frío y recuperando calor residual.
2. Dispositivo según la reivindicación 1,
caracterizado porque las conexiones entre el módulo de
cogeneración (1), la máquina de absorción (2) y la caldera de
recuperación (3) comprenden:
a) Un elemento regulador de caudal (22), adaptado
para recibir los gases liberados por el módulo de cogeneración (1)
a través de un conducto (12) y provisto de al menos dos salidas
externas, pudiéndose regular la cantidad de gas a direccionar por
cada una de las salidas, estando conectada al menos una primera
salida a un conducto (13), unido a la entrada del generador de la
máquina de absorción (2), y una segunda salida conectada a un
conducto (14) unido a la entrada del intercambiador de calor
(3);
b) un conducto de unión (15) entre la salida del
generador (2) y un punto intermedio (16) del conducto (14)
localizado entre el regulador de caudal (22) y el intercambiador de
calor (3); y
c) un elemento de regulación de tiro (4) situado
en cualquier punto definido entre el punto de conexión (16) de los
conductos (14) y (15), y la expulsión al exterior de los humos, a
través de la chimenea (5), previo paso por el intercambiador
(3).
3. Dispositivo según las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque está dotado de un medio de
control de flujo (17), dispuesto entre el elemento regulador de
caudal (22) y el punto de interconexión (16), actuando aumentando la
precisión de regulación del dispositivo.
4. Dispositivo según la reivindicación 3,
caracterizado porque dicho medio de control es una válvula
del tipo guillotina.
5. Dispositivo según las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque está dotado de un
dispositivo regulador de caudal (25), dispuesto en el conducto
(14), entre el punto intermedio (16) y la entrada del intercambiador
de calor (3), para poder evacuar los gases hacia el exterior en
caso de emergencia.
6. Dispositivo según las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque el elemento de regulación
de tiro (4) es un ventilador situado a la salida del recuperador de
calor (3).
7. Dispositivo según las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque el módulo de cogeneración
(1) comprende un turbogenerador de gas o gasóleo cuyos gases de
escape, a régimen nominal, tienen una temperatura comprendida entre
los 275ºC y los 650ºC y un contenido de oxígeno entre el 15% y el
19% en volumen.
8. Dispositivo según las reivindicaciones 1 a 5,
caracterizado porque el módulo de cogeneración comprende un
motogenerador que funciona con gas natural o gasóleo como
combustible, los gases de escape del cual tienen una temperatura, a
régimen nominal, comprendida entre 440ºC y 530ºC.
9. Dispositivo según las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque está montadopor módulos,
formando un conjunto compacto de generación de frío, electricidad y
calor.
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Citations (2)
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| US4803958A (en) * | 1987-09-08 | 1989-02-14 | Erickson Donald C | Absorption heat pumped cogeneration engine |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP3631107B2 (ja) * | 2000-06-09 | 2005-03-23 | 株式会社日本製鋼所 | マイクロガスタービン廃熱ガスを用いたコジェネレーションシステム |
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2002
- 2002-09-19 ES ES200202140A patent/ES2224809B1/es not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| ES2224809A1 (es) | 2005-03-01 |
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