ES2243688T3 - Procedimiento y sistema de extraccion de dioxido de carbono por antisublimacion para su almacenamiento. - Google Patents
Procedimiento y sistema de extraccion de dioxido de carbono por antisublimacion para su almacenamiento.Info
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Abstract
Procedimiento de extracción del dióxido de carbono de los humos procedentes de la combustión de hidrocarburos en un aparato destinado, en especial, a la producción de energía mecánica; comprendiendo dicho procedimiento la etapa de enfriar los mencionados humos a una presión sensiblemente igual a la presión atmosférica a una temperatura tal que el dióxido de carbono pasa directamente de un estado de vapor al estado sólido con intermedio de un proceso de anti-sublimación; caracterizándose dicho procedimiento porque, para enfriar la mezcla de nitrógeno y de dióxido de carbono: - se facilitan frigorías por medio de una destilación fraccionada, a temperaturas decrecientes, escalonadas, de una mezcla de fluidos frigorígenos según un ciclo que presenta una fase de compresión y fases de condensación y de evaporación sucesivas.
Description
Procedimiento y sistema de extracción de dióxido
de carbono por anti-sublimación para su
almacenamiento.
La presente invención se refiere a un
procedimiento y a un sistema que permite la extracción (captación)
del dióxido de carbono por anti-sublimación a
presión atmosférica. Se refiere más particularmente a un
procedimiento y a un sistema que permiten la captura del dióxido de
carbono presente en los humos o gases que circulan en las chimeneas
de instalaciones de producción de electricidad o de calor o en los
conductos de escape de motores de propulsión. Esta captación del
dióxido de carbono se efectúa a efectos de su almacenamiento.
Las emisiones de dióxido de carbono o CO_{2}
relacionadas con las combustiones, tanto de sistemas de calefacción
como de producción de energía eléctrica o de propulsión de
vehículos, comportan un incremento de la concentración atmosférica
de CO_{2}, considerado como algo inaceptable a largo plazo. El
protocolo de Kioto consiste en un compromiso de los países
signatarios para limitar estas emisiones. La economía y la eficacia
energética no son suficientes para limitar las concentraciones de
CO_{2} a valores aceptables. La captación del gas carbónico y su
secuestro constituyen objetivos indispensables para el desarrollo
económico y el mantenimiento de concentraciones atmosféricas a
niveles que limiten el cambio climático.
La patente DE 3 924 908 describe un procedimiento
y sistema de extracción del dióxido de carbono por
anti-sublimación.
La presente invención se refiere a un
procedimiento de captación de gas carbónico aplicable a cualquier
sistema de combustión. El procedimiento, según la invención,
presenta la característica de no modificar la eficacia energética de
los motores de propulsión o de las turbinas de propulsión o de
producción de electricidad que utilizan dichos sistemas de
combustión. La captación del CO_{2} según el procedimiento de
anti-sublimación a presión atmosférica o próxima a
la misma se hace con un aumento de consumo energético nulo o
extremadamente reducido. Se describirá a titulo de ejemplo la
concepción del sistema para un motor térmico de automóvil.
La invención se refiere a un procedimiento de
extracción del dióxido de carbono de los gases procedentes de la
combustión de hidrocarburos en un aparato destinado especialmente a
la producción de energía mecánica. El procedimiento, según la
invención, comprende la etapa de enfriar dichos humos a una presión
sensiblemente igual a la presión atmosférica a una temperatura tal
que el dióxido de carbono pasa directamente del estado de vapor a
estado sólido, con intermedio de un proceso de
anti-sublimación.
Preferentemente, la etapa que consiste en enfriar
los humos a una presión sensiblemente igual a la presión atmosférica
a una temperatura tal que el dióxido de carbono pasa directamente
del estado de vapor al estado sólido, con intermedio de un proceso
de anti-sublimación, comprende además la etapa de
enfriar la mezcla de nitrógeno y de dióxido de carbono facilitando
frigorías por medio de una destilación fraccionada de una mezcla de
fluidos frigorígenos. Esta destilación fraccionada se realiza a
temperaturas decrecientes, escalonadas, de mezcla de fluidos
frigorígenos según un ciclo que comporta una fase de compresión y
fases de condensación y de evaporación
sucesivas.
sucesivas.
Preferentemente, la etapa que consiste en enfriar
dichos humos a una presión sensiblemente igual a la presión
atmosférica a una temperatura tal que el dióxido de carbono pasa
directamente del estado de vapor al estado sólido con intermedio de
un proceso de anti-sublimación, es seguido de una
etapa de fusión del dióxido de carbono en una envolvente cerrada. La
presión y la temperatura en dicha envolvente cerrada evolucionan
hasta el punto triple del dióxido de carbono, a medida que la mezcla
de fluidos frigorígenos, al producirse su subenfriamiento, aporta
calorías en dicha envolvente cerrada.
Preferentemente, la mezcla de fluidos
frigorígenos asegura sucesivamente:
\bullet la fusión del dióxido de carbono en
dicha envolvente cerrada, y
\bullet la anti-sublimación del
dióxido de carbono circulante, en circuito abierto, en una
envolvente simétrica de la precedente.
La fusión y la anti-sublimación
del dióxido de carbono se realizan alternativamente en una u otra de
dichas envolventes, encontrándose una de ellas cerrada y la otra
abierta.
Preferentemente, el procedimiento según la
invención comprende además la etapa de almacenar el dióxido de
carbono en forma líquida en un recipiente, especialmente
desplazable.
Preferentemente, la etapa de almacenar el dióxido
de carbono en forma líquida en un recipiente, especialmente un
recipiente desplazable, comprende las etapas siguientes:
- etapa de aspirar el dióxido de carbono líquido
contenido en dicha envolvente cerrada,
- etapa de llevar la presión de dicha envolvente
cerrada a una presión próxima a la presión atmosférica,
- etapa de transferencia del dióxido de carbono
líquido a dicho recipiente.
Preferentemente, el procedimiento según la
invención comprende además la etapa de rechazar el nitrógeno al aire
exterior después de extracciones sucesivas de los vapores de agua y
de dióxido de carbono contenidos en dichos humos.
Preferentemente, el procedimiento según la
invención comprende además la etapa de:
\bullet transferir las frigorías contenidas en
el nitrógeno expulsado al aire exterior a los humos, y de
\bullet contribuir de este modo al enfriamiento
de dichos humos.
Preferentemente, el procedimiento según la
invención comprende además la etapa de enfriar dichos humos hasta la
temperatura de anti-sublimación del dióxido de
carbono a una presión sensiblemente igual a la presión atmosférica,
utilizando la energía calorífica disponible en dichos humos sin
facilitar energía adicional.
Preferentemente, para utilizar la energía
calorífica disponible en dichos humos, el procedimiento según la
invención comprende además las etapas siguientes:
- etapa de recalentamiento, después vaporización
del agua mediante dichos humos, para producir vapor de agua a
presión,
- etapa de alimentación de dicho vapor de agua a
presión en una turbina para producción de una energía mecánica o
eléctrica.
Preferentemente, el procedimiento según la
invención es tal que la etapa de enfriar dichos humos a una presión
sensiblemente igual a la presión atmosférica a una temperatura tal
que el dióxido de carbono pasa directamente del estado de vapor al
estado sólido, con intermedio de un proceso de
anti-sublimación, comprende además la etapa de
extraer de dichos humos el agua en forma líquida a una presión
sensiblemente igual a la presión atmosférica.
Preferentemente, para extraer dichos humos de
manera total o parcial del agua en forma líquida a una presión
sensiblemente igual a la presión atmosférica, se utiliza un
cambiador de aire o de agua.
Preferentemente, el procedimiento según la
invención comprende además la etapa de extraer la totalidad de las
cantidades de agua residuales en dichos humos utilizando un
cambiador frigorífico y/o un deshidratador.
La invención se refiere igualmente a un sistema
de extracción del dióxido de carbono de los humos procedentes de la
combustión de hidrocarburos en un aparato destinado, en especial, a
la producción de energía mecánica.
El sistema según la invención comprende medios de
enfriamiento para enfriar dichos humos a una presión sensiblemente
igual a la presión atmosférica a una temperatura tal que el dióxido
de carbono pasa directamente del estado de vapor al estado sólido,
por intermedio de un proceso de
anti-sublimación.
Preferentemente, los medios de enfriamiento para
enfriar dichos humos a una presión sensiblemente igual a la presión
atmosférica a un temperatura tal que el dióxido de carbono pasa
directamente del estado de vapor al estado sólido, con intermedio de
un proceso de anti-sublimación, comprenden además un
aparato frigorífico en cascada integrado para enfriar la mezcla de
nitrógeno y de dióxido de carbono, facilitando frigorías por medio
de destilación fraccionada, de una mezcla de fluidos frigorígenos.
La destilación fraccionada de la mezcla de fluidos frigorígenos es
realizada a temperaturas decrecientes, escalonadas, según un ciclo
que presenta una fase de compresión y fases de condensación y de
evaporación sucesivas. El aparato frigorífico comprende: un
compresor, un condensador parcial, un recipiente separador,
evaporadores-condensadores, evaporadores de
enfriamiento de los humos, cambiadores
líquido-vapor, evaporadores de
anti-sublimación, y retenedores.
Preferentemente, el sistema según la invención
comprende además una envolvente cerrada recorrida por un circuito en
el que circula una mezcla de fluidos frigorígenos. La presión y la
temperatura en dicha envolvente cerrada evolucionan hasta el punto
triple del dióxido de carbono, a medida que:
\bullet la mezcla de fluidos frigorígenos, al
subenfriarse, aporta calorías en dicha envolvente cerrada,
\bullet dicho dióxido de carbono pasa del
estado sólido al estado líquido.
Preferentemente, la mezcla de fluidos
frigorígenos asegura sucesivamente la fusión del dióxido de carbono
en dicha envolvente cerrada y la anti-sublimación
del dióxido de carbono circulante en circuito abierto en una
envolvente simétrica a la anterior. La fusión y la
anti-sublimación del dióxido de carbono se realiza
alternativamente en una u otra de dichas envolventes, encontrándose
una de ellas cerrada y la otra abierta.
Preferentemente, el sistema según la invención
comprende además medios de almacenamiento, en especial un recipiente
fijo y/o desplazable para almacenar el dióxido de carbono en forma
líquida.
Preferentemente, los medios de almacenamiento del
dióxido de carbono en forma líquida en un recipiente fijo y/o
desplazable comprenden además medios de aspiración, especialmente
una bomba neumática. Los medios de aspiración:
- aspiran el dióxido de carbono líquido contenido
en dicha envolvente cerrada,
- llevan la presión de dicha envolvente cerrada a
un valor de presión próximo a la presión atmosférica,
- transfieren el dióxido de carbono líquido de
dicho recipiente.
Preferentemente, el sistema según la invención
comprende además medios de compresión y/o de aspiración para
devolver el nitrógeno al aire exterior después de extracciones
sucesivas de los vapores de agua y del dióxido de carbono contenidos
en dichos humos.
Preferentemente, el sistema según la invención
comprende además medios de transferencia para transferir las
frigorías contenidas en el nitrógeno enviado al aire exterior a los
humos y contribuir de esta manera al enfriamiento de dichos
humos.
Preferentemente, el sistema según la invención
comprende además medios de recuperación de la energía calorífica
disponible en dichos humos para enfriar, sin facilitar energía
adicional, dichos humos hasta la temperatura de
anti-sublimación del dióxido de carbono a una
presión sensiblemente igual a la presión atmosférica.
Preferentemente, los medios de recuperación de la
energía calorífica disponible en dichos humos comprende:
\bullet medios de calentamiento, especialmente
un cambiador de calor, para calentar y vaporizar el agua por medio
de dichos humos y para producir vapor de agua a presión,
\bullet medios de expansión, especialmente una
turbina, para la expansión de dicho vapor de agua a presión y
producir energía mecánica o eléctrica.
Preferentemente, los medios para enfriar dichos
humos a una presión sensiblemente igual a la presión atmosférica a
una presión tal que el dióxido de carbono pasa directamente del
estado de vapor al estado sólido, con intermedio de un proceso de
anti-sublimación, comprenden además medios de
extracción, especialmente cambiadores, para extraer de dichos humos
agua en forma líquida a una presión sensiblemente igual a la presión
atmosférica.
Preferentemente, los medios de extracción para
extraer de dichos humos la totalidad o una parte del agua en forma
líquida a una presión sensiblemente igual a la presión atmosférica
comprenden un cambiador de aire o de agua.
Preferentemente, para extraer la totalidad de las
cantidades de agua residuales en dichos humos, los medios de
extracción comprenden un cambiador frigorífico y/o un
deshidratador.
A continuación se describirá, de manera general,
una variante de realización de la invención. Los gases de escape,
llamados también humos, se componen típicamente de dióxido de
carbono (CO_{2}), vapor de agua (H_{2}O) y nitrógeno (N_{2}).
Se encuentran también componentes en proporciones de trazas tales
como CO, Nox, hidrocarburos noquemados, etc. (el conjunto de los
gases en proporción de trazas en los humos representa contenidos en
general inferiores a 1-2%).
La tabla 1 presenta las composiciones molares y
másicas típicas de los humos de escape de un motor de
combustión.
| CO_{2} | H_{2}O | N_{2} | |
| Composición molar (%) | 12,7 | 13,7 | 73,6 |
| Composición másica (%) | 19,5 | 8,6 | 71,9 |
Según el procedimiento de la presente invención,
estos humos son enfriados simultáneamente para recuperar la energía
mecánica y reducir sus temperaturas algo por debajo de la
temperatura ambiente. A continuación, son enfriados por un ciclo
frigorífico a temperatura progresivamente baja para permitir la
anti-sublimación del CO_{2} a una temperatura que
se sitúa aproximadamente a menos de 80ºC y a una presión que es del
orden de la presión atmosférica.
El término anti-sublimación
significa, en este caso, un cambio de fase directo gas/sólido que se
produce cuando la temperatura del gas se encuentra por debajo del
punto triple. La figura 1 indica el esquema de coexistencia de la
fase sólida, líquida y de vapor en el diagrama de presión y
temperatura. Este diagrama es válido para cualquier cuerpo puro. Por
debajo del punto triple, la evoluciones se hacen directamente entre
la fase sólida y la fase de vapor. El paso del sólido al vapor se
llama sublimación. No existe término utilizado comúnmente para
indicar el paso inverso. El término anti-sublimación
ha sido utilizado, en la presente descripción, para designar el paso
directo de la fase de vapor a la fase sólida.
Los datos termodinámicos con respecto a los humos
muestran que la energía disponible de 900ºC a 50ºC es un poco
superior a 1000 kJ/kg. El ejemplo descrito demuestra que es posible
convertir de 34 a 36% de esta energía térmica en energía mecánica
por un ciclo siempre de turbina de vapor, lo que, considerando un
rendimiento del alternador de 0,9, permite recuperar de 30,5 a 32,5%
de energía eléctrica.
El sistema según la invención está constituido,
por una parte, por un dispositivo productor de energía que permite
la transformación de energía térmica en energía mecánica y/o
eléctrica y por un dispositivo de consumo de energía constituido por
un aparato frigorífico concebido en cascada integrada. Los gases de
escape evolucionan térmicamente desde aproximadamente + 900ºC a
-90ºC. En el curso de este enfriamiento, los gases producen energía
de 900ºC a aproximadamente 50ºC, y a continuación consumen energía
de la temperatura ambiente (por ejemplo, 40ºC) hasta -90ºC. El
ejemplo descrito muestra que la energía disponible es
significativamente superior a la energía consumida y permite, por lo
tanto, sucesivamente, extraer de los humos el vapor de agua, después
el CO_{2}, devolviendo a la atmósfera simplemente el nitrógeno y
los gases en forma de trazas cuyas temperaturas de rocío son
inferiores a -90ºC.
Las dimensiones de la turbina de vapor dependen
del caudal de humos a tratar. Para un motor térmico de automóvil, se
trata de una pequeña turbina que produce una energía eléctrica del
orden de 3 a 30 kW, según la potencia y el régimen de funcionamiento
del motor térmico. La vaporización del agua del circuito productor
de energía mecánica es efectuada por intercambio entre un circuito
de agua a presión cerrado y la tubería de escape. En efecto, la
extracción de la energía térmica de los gases de escape por un
circuito de agua permite limitar la perturbación mecánica en los
gases de escape que provocaría, por ejemplo, una turbina de gas
funcionando directamente con los humos. Es sabido que los parámetros
de funcionamiento de los motores diesel o de gasolina quedan
fuertemente alterados por las modificaciones de la presión del
escape. Si estas modificaciones de la presión del escape son
modificadas de manera significativa, tienen como efecto la
disminución de la eficacia energética de los motores. La concepción
a contracorriente del cambiador de calor y el gradiente de
temperatura muy grande a lo largo del circuito de los humos permite
recalentar y vaporizar el agua del circuito de producción de energía
mecánica. En el caso del ejemplo descrito, la temperatura de
condensación es igual a 40ºC. Esta temperatura de 40ºC corresponde a
las condiciones típicas de verano de un condensador de aire.
Esta agua es recalentada hasta una temperatura de
saturación que varía entre 310 y 340ºC, a estas temperaturas
corresponde una presión de saturación en la caldera que varía entre
99 bar y 145 bar aproximadamente. El nivel de presión es ajustado en
función de las condiciones de funcionamiento del motor. Para ajustar
mejor el nivel de presión, se modifica el caudal de agua a partir de
la medición de la temperatura de los gases de escape a la entrada
y/o salida del cambiador. El caudal de los humos es muy variable
pero es conocido por el conocimiento del régimen del motor y del
gasto de carburante. Estos datos se conocen simultáneamente por el
cuentavueltas del motor y la electrónica de control de inyección de
carburante. Estos datos permiten prever la gama de caudal de agua
que se debe hacer circular en el circuito de recuperación de la
energía, estando ajustada la presión en el circuito de agua en
función de la temperatura de los gases de escape en la entrada y/o
en la salida del cambiador de calor.
A esta presión de ebullición, el líquido es, por
lo tanto, transformado en vapor. El vapor es sobrecalentado hasta
temperaturas típicas de 400ºC a 550ºC en función del nivel de
temperatura disponible de los gases de escape. A continuación, el
vapor es expansionado en el cuerpo de la turbina. De esta manera,
resulta posible extraer energía mecánica a partir de los humos o
gases quemados. La turbina puede arrastrar un alternador eléctrico,
un volante de inercia o incluso de manera directa el compresor del
sistema frigorífico. La versión de arrastre de un alternador
eléctrico proporciona mayor flexibilidad según los diferentes
perfiles de misión de un motor térmico de un vehículo.
Los datos que se indican a continuación evalúan
las cantidades de energía mecánica disponibles en el caso de dos
funcionamientos del ciclo.
En un primer caso, la temperatura de condensación
es igual a 40ºC y la temperatura de ebullición es igual a 310ºC. En
el segundo caso, la temperatura de condensación es siempre igual
40ºC, pero la temperatura de ebullición es igual a 340ºC. Por otra
parte, el vapor es sobrecalentado en el primer caso a 400ºC, en el
segundo caso a 500ºC. Los ejemplos descritos son escogidos para
ilustrar diferentes condiciones de explotación de las temperaturas
de los gases de escape y facilitar cifras típicas de potencia
disponibles, expresadas en función del caudal -M- de los humos, el
cual se expresa en kg/s. Permiten generalizar el procedimiento según
la invención a cualquier tubería de escape de humos a alta
temperatura que contengan CO_{2}. La recuperación de la energía de
los humos les lleva a temperaturas típicas que varían entre 750ºC y
900ºC hasta temperaturas del orden de 50 a 80ºC.
Los datos que se indican a continuación fijan los
órdenes de magnitud de las cantidades de energía mecánica necesaria
para enfriar los humos, por un ciclo frigorífico, hasta la
temperatura de anti-sublimación del CO_{2}. Antes
de llegar a los cambiadores del dispositivo frigorífico, los humos
son enfriados de 50ºC a la temperatura ambiente. El intercambio
térmico para enfriar los humos de 50ºC a la temperatura ambiente se
efectúa en un cambiador de aire o de agua. Según el nivel de la
temperatura exterior y según los contenidos en componentes a nivel
de trazas, el agua contenida en el caudal de los humos es
parcialmente condensada en dicho cambiador puesto que la temperatura
de rocío para concentraciones del orden de 86 gr de agua por kg de
humos secos es del orden de 50ºC. No obstante, teniendo en cuenta la
presencia de gases en proporciones de trazas en los humos, el agua
puede ser ácida y presentar puntos de rocío específicos, superiores
a los de agua pura. Los puntos de rocío son, en este caso,
típicamente valores comprendidos entre 50ºC y 100ºC. Se ha descrito
a continuación como se procede para condensar el vapor de agua sin
tener en cuenta los gases en proporciones de trazas en los humos que
elevan la temperatura de
rocío.
rocío.
El agua condensada puede, según sus
características, ser directamente eliminada o bien almacenada con la
finalidad de ser tratada previamente antes de su eliminación. Por
debajo de la temperatura ambiente, los humos son enfriados en un
circuito que presenta varios segmentos de intercambio. Son también
llevados a una temperatura inferior a la temperatura de
anti-sublimación del CO_{2} a presión atmosférica
o próxima a la presión atmosférica.
Entre el cambiador de aire y el primer cambiador
de enfriamiento de la cascada integrada, el caudal de los humos -M-
es modificado puesto que el vapor de agua contenido en el mismo es
condensado. En el caso en el que las concentraciones másicas son
respectivamente iguales a:
CO_{2} =1
9,5%, H_{2}O = 8,6% y N_{2}=
71,9%,
el caudal de los humos -M- es
sensiblemente igual al caudal anhidro (despreciando las
concentraciones de gases en proporciones de trazas), es
decir:
M_{N2+CO2} =
0,914
M.
Es este nuevo caudal M_{N2+CO2} que prosigue su
enfriamiento en los diferentes cambiadores de calor del sistema
frigorífico antes de llegar a los dos evaporadores de
anti-sublimación. Los dos evaporadores de
anti-sublimación tienen un funcionamiento
alternativo. Los humos y el fluido frigorígeno pasan
alternativamente a uno u otro de los dos evaporadores.
Durante la fase de
anti-sublimación, el hielo de CO_{2} se fija en
las paredes externas del circuito del cambiador situado en el
evaporador de anti-sublimación. Este depósito crea
progresivamente un obstáculo a la circulación de los humos fríos.
Después de un cierto tiempo de funcionamiento en este evaporador,
los caudales de humos en la parte externa del cambiador y los
caudales de fluido frigorígeno en el interior del cambiador se pasan
o se basculan respectivamente al evaporador simétrico. En este
segundo evaporador, el fluido frigorígeno se evapora en el interior
del cambiador y el CO_{2} se deposita sobre la superficie externa
de éste. Durante este tiempo, el primer evaporador ya no es lugar de
evaporación, aumentando la temperatura en el primer evaporador. Este
aumento de la temperatura se acelera haciendo circular el
frigorígeno líquido antes de la expansión en el cambiador del primer
evaporador. El CO_{2} sólido se calienta de -78,5ºC, que es la
temperatura de equilibrio de la fase sólida y gaseosa a la presión
atmosférica, a -56,5ºC y 5,2 bar que son las características de
presión/temperatura del punto triple en el que coexisten por lo
tanto las tres fases sólida, líquida y gaseosa. El CO_{2} sólido
se funda, es decir, pasa de la fase sólida a la fase líquida. La
presión en este cambiador aumenta con el aumento de temperatura.
Una vez que el CO_{2} se encuentra
completamente en fase líquida, es transferido mediante una bomba a
un recipiente aislado térmicamente. La bomba es apropiada también
para aspirar los gases residuales, en especial CO_{2}. De esta
manera, es posible llevar la presión al interior del evaporador de
anti-sublimación de 5,2 bar a una presión próxima de
la presión atmosférica, con la finalidad de que los humos puedan
penetrar en él nuevamente.
Entonces resulta posible efectuar un ciclo
siguiente y efectuar una anti-sublimación del
CO_{2} contenido en los humos fríos sobre las paredes del
evaporador. Este último es alimentado nuevamente en fluido
frigorígeno. El ciclo continúa de esta manera alternativamente en
los dos evaporadores de baja temperatura en paralelo.
El procedimiento según la invención, que utiliza
una anti-sublimación, es ventajoso con respecto al
procedimiento que consiste pasar de la fase gaseosa a la fase
CO_{2} líquida. En efecto, para pasar directamente de la fase
gaseosa a la fase líquida, es preciso aumentar la presión de los
humos por lo menos hasta 5,2 bar y reducir su temperatura hasta
-56,5ºC. En la práctica, este procedimiento implica reducir la
temperatura de los humos hasta 0ºC para eliminar el agua después de
comprimir la mezcla de nitrógeno y de CO_{2} hasta como mínimo 6
bar. Cuando tiene lugar esta compresión, la mezcla de nitrógeno y de
CO_{2} se recalienta hasta 120ºC. Será necesario de nuevo su
enfriamiento de 120ºC a -56,5ºC. Este procedimiento implica además
una compresión en pura pérdida del nitrógeno hasta
5,2 bar.
5,2 bar.
\newpage
El dispositivo frigorífico utiliza un principio
de enfriamiento, conocido en sí mismo, llamado de cascada integral.
El dispositivo frigorífico según la invención presenta, no obstante,
características técnicas específicas que se describirán a
continuación. En efecto, para enfriar los humos en una gama de
temperatura importante que va de la temperatura ambiente a -90ºC,
por medio de un aparato frigorífico simple de realizar, que no
comprende más que un único compresor, el procedimiento según la
invención utiliza una mezcla de fluidos frigorígenos. El aparato
frigorífico según la invención comprende un sólo compresor, dos
evaporadores-condensadores intermedios y los dos
evaporadores de anti-sublimación de baja temperatura
en paralelo que se han descrito anteriormente. Los
evaporadores-condensadores intermedios permiten
simultáneamente la destilación de la mezcla de fluidos frigorígenos
y el enfriamiento progresivo del caudal de los humos.
Según las condiciones climáticas y el contenido
de componentes en proporción de trazas, el vapor de agua residual
contenido en los humos es condensado totalmente, o bien
parcialmente, en el cambiador de enfriamiento de aire o de agua que
se han descrito anteriormente. Si éste no es el caso, el agua es
condensada de manera complementaria en el primer cambiador del
aparato frigorífico en el que la temperatura es ligeramente superior
a 0ºC y en el que el tiempo de permanencia es suficiente para
permitir esta condensación.
Las mezclas de fluidos frigorígenos que permiten
efectuar un ciclo pueden ser mezclas ternarias, cuaternarias o de
cinco componentes. Las mezclas descritas integran las limitaciones
del Protocolo de Montreal que prohíbe la producción y, a un cierto
plazo, la utilización de gases frigorígenos que contienen cloro.
Esto implica que no se retenga en los componentes utilizables ningún
CFC (Cloro-fluoro-carbonado), ni
H-CFC
(Hidro-cloro-fluoro-carbonado),
aunque varios de estos fluidos son funcionalmente interesantes para
su utilización como fluidos de trabajo en una cascada integrada. El
Protocolo de de Kioto impone también limitaciones de los gases de
fuerte Potencial de Recalentamiento Global (GWP Global Warming
Potential). Incluso si no están prohibidos en el momento actual,
preferentemente según la invención, se utilizan fluidos en los que
el GWP es lo más reducido posible. Las mezclas utilizables en la
cascada integrada según la invención, para efectuar la captación del
CO_{2} en los humos, se indican a
continuación.
continuación.
Las mezclas ternarias pueden ser mezclas de
metano/CO_{2}/R152a, o bien, adoptando la nomenclatura normalizada
(ISO 817) de los fluidos frigorígenos, mezclas
R-50/R-744/R-152a.
Es posible sustituir el R-152a por butano
R-600 o isobutano R-600a.
Las mezclas cuaternarias pueden ser mezclas:
- R-50/R-170/R-744/R-152a, o
- R-50/R-170/R-744/R-600, o
- R-50/R-170/R-744/R-600a.
El R-50 puede ser también
sustituido por el R-14 pero su GWP es muy elevado
(6500 kg de CO_{2} equivalente).
Las mezclas de 5 componentes pueden ser
realizadas escogiendo 5 de dichos componentes en la lista de los 8
fluidos siguientes: R-740, R-50,
R-14, R-170, R-744,
R-600, R-600a,
R-152a en proporciones adecuadas con temperaturas
críticas progresivamente escalonadas, observándose dichas
temperaturas críticas en la tabla 2. A título de ejemplo se citarán
las mezclas siguientes:
- R-50/R-14/R-170/R-744/R-600, o
- R-740/R-14/R-170/R-744/R-600, o
- R-740/R-14/R-170/R-744/R-600a, o
- R-740/R-14/R-170/R-744/R-152a, o
- R-740/R-50/R-170/R-744/R-152a, siendo el R-740 argón.
\newpage
La tabla 2 proporciona las características
termoquímicas principales y las denominaciones de estos fluidos.
| Cuerpos, denominación química | fórmula química | Tcrítica (^{o}c) | Pcrítica (bar) | masa molar (g/mol) |
| y normalizada (ISO817) | ||||
| R-740Aragón | A | -122,43 | 48,46 | 9,94 |
| R-50 Metano | CH_{4} | -82,4 | 46,4 | 6,04 |
| R-14 Tetrafluorometano | CF_{4} | -45,5 | 37,4 | 8,01 |
| R-744 Dióxido de carbono | O_{2} | 1,01 | 3,77 | 4,01 |
| R-170 Etano | _{2}H_{6} | 2,2 | 8,9 | 0,06 |
| R-152a Difluoroetano | HF_{2}-CH_{3} | 13,5 | 4,9 | 6,05 |
| R-600a Isobutano o | CH_{3})_{3}CH | 35 | 6,47 | 8,12 |
| 2-metilpropano | ||||
| R-600 n-Butano | H_{4}H_{10} | 52 | 7,97 | 8,12 |
Los dos
evaporadores-condensadores intermedios y los
evaporadores de anti-sublimación componen las tres
etapas de temperatura de la cascada integrada. Estas tres etapas
funcionan todas ellas a la misma presión puesto que están todas
conectadas a la aspiración del compresor, pero las temperaturas
medias en estas tres etapas son típicamente del orden de -5ºC, -30ºC
y -90ºC puesto que es necesaria una diferencia de temperatura entre
el caudal de frigorígenos que circulan en la otra tubería de cada
uno de los cambiadores.
Los caudales de mezcla de fluido frigorígeno en
las tres "etapas" de la cascada integrada dependen de la
proporción de los componentes en las mezclas de fluidos
frigorígenos. Existe, por lo tanto, una relación entre composición y
niveles de temperaturas de la cascada.
Los datos que se facilitan a continuación, a
título de ejemplo, se refieren a un aparato frigorífico en cascada
integrada que utiliza una mezcla de fluidos frigorígenos con cinco
componentes, cuya composición másica es la siguiente:
- -
- R-50 1%
- -
- R-14 3%
- -
- R-170 19%
- -
- R-744 27%
- -
- R-600 50%.
La proporción entre componentes inflamables y no
inflamables está en que la mezcla sea una mezcla de seguridad no
inflamable. La temperatura crítica de esta mezcla es de 74,2ºC y su
presión crítica de 50 bar.
Las proporciones de los componentes cuya
temperatura crítica es más elevada, en este caso, el
R-600 y el R-744, son mayoritarias
en la mezcla puesto que su evaporación en las dos etapas intermedias
permite efectuar la destilación de los componentes a baja de
temperatura crítica. Los componentes de baja temperatura crítica
pueden evaporarse entonces a baja temperatura en el evaporador de
anti-sublimación que es un evaporador doble,
funcionando de manera alternada en una u otra de sus tuberías
paralelas.
Preferentemente, los cambiadores en la cascada
son cambiadores en contracorriente. Permiten utilizar las
desviaciones grandes de temperatura entre las entradas y las
salidas. Permiten también las recuperaciones térmicas entre fase
líquida y vapor a temperaturas distintas.
El caudal de humos anhidro, M_{N2+CO2}, después
del paso por el evaporador de anti-sublimación se
reduce a un caudal de nitrógeno, M_{N2}, que representa 0,719 del
caudal inicial M. Este caudal de nitrógeno, cuya temperatura se
sitúa en -90ºC, circula en contracorriente del tubo de humos para
participar en el enfriamiento del caudal de humos anhidro
M_{N2+CO2}, después del caudal de humos total M. La participación
del caudal de nitrógeno que sale del evaporador de
anti-sublimación en la refrigeración de los humos
interviene hasta que la temperatura del nitrógeno ha subido al nivel
de la temperatura ambiente. La presión del caudal de nitrógeno
M_{N2} es igual al 73% de la presión inicial del caudal M,
teniendo en cuenta las captaciones sucesivas del vapor de agua y de
los vapores de CO_{2}. La sobrepresión necesaria para la
circulación es conseguida, por ejemplo, por un compresor de aire
cuyo caudal inyectado en un venturi permite la extracción del caudal
de nitrógeno.
Otro sistema consiste en comprimir el caudal
total a la salida del cambiador de refrigeración por aire con la
finalidad de permitir una ligera sobrepresión con respecto a la
presión atmosférica a lo largo del circuito de circulación de los
humos y hasta su conducción al aire.
Otras características y ventajas de la invención
aparecerán de la lectura de la descripción de una variante de
realización de la misma, que tiene carácter de ejemplo indicativo y
no limitativo y de la figura 3 que representa una vista esquemática
de una variante de realización de un sistema que permite capturar el
dióxido de carbono por anti-sublimación.
Se describirá a continuación la figura 3. Las
referencias numéricas son las de la figura 3.
La tabla indicada a continuación precisa el
sistema de referencias numéricas utilizado. Explica el sentido de
los términos técnicos idénticos que llevan referencias numéricas
distintas.
| Grupo nominal | Referencias |
| Motor térmico | (1) |
| Conducción de salida del motor térmico | (2) |
| Circuito de refrigeración del motor térmico | (3) |
| Circuito de recuperación de energía del motor | (4) |
| Cambiador de recuperación de energía térmica del motor | (5) |
| Primer cambiador de refrigeración de los humos | (6) |
| Turbina | (7) |
| Condensador de aire | (8) |
| Bomba | (9) |
| Alternador | (10) |
| Cambiador de refrigeración de los humos | (11) |
| Circuito de refrigeración | (12) |
| Conducción de salida de los humos del cambiador (11) | (13) |
| Conducción de evacuación de los condensados | (14) |
| Conducción de evacuación de agua del primer | (15) |
| evaporador (nº 1) refrigerador de los humos | |
| Receptáculo colector de agua | (16) |
| Compresor frigorífico | (17) |
| Condensador parcial | (18) |
| Circuito de refrigeración del condensador frigorífico | (19) |
| Tubería | (20) |
(Continuación)
| Grupo nominal | Referencias |
| Tubería | (21) |
| Evaporador-condensador nº 1 | (22) |
| Tubería | (23) |
| Expansionador | (24) |
| Primer evaporador (nº 1) de refrigeración de los humos | (25) |
| Intercambiador líquido-vapor nº 1 | (26) |
| Tubería | (27) |
| Recipiente separador | (28) |
| Tubería de salida de gases | (29) |
| Tubería | (30) |
| Expansionador | (31) |
| Evaporador-condensador nº 2 | (32) |
| Evaporador de refrigeración de humos nº 2 | (33) |
| Cambiador líquido vapor nº 2 | (34) |
| Tubería | (36) |
| Válvula de 3 vías | (37) |
| Tubería | (38) |
| Evaporadores de anti-sublimación nº 1 | (39) |
| Evaporadores de anti-sublimación nº 2 | (40) |
| Expansionador nº 1 | (41) |
| Expansionador nº 2 | (42) |
| Tubería | (43) |
| Tubería | (44) |
| Tubería de retorno de gases | (45) |
| Válvula de 3 vías | (46) |
| Válvula de 3 vías | (47) |
| Bomba | (48) |
| Receptáculo de almacenamiento | (49) |
| Bomba | (50) |
| Receptáculo transportable | (51) |
| Válvula | (52) |
(Continuación)
| Grupo nominal | Referencias |
| Válvula de 3 vías | (53) |
| Válvula de 3 vías | (54) |
| Tubería de envío del nitrógeno al aire | (55) |
| Deshidratador | (56) |
| Compresor de aire | (57) |
| Tubería | (58) |
| Venturi | (59) |
Las evoluciones térmicas de los humos y su
composición química han sido seguidas a medida que circulan en el
circuito o que son refrigerados.
El caudal M de los humos es la suma de cuatro
caudales:
M = m_{H2O} +
m_{CO2} + m_{N2} +
m_{trazas}
en la que m_{H2O} indica el
caudal de vapor de
agua,
en la que m_{CO2} indica el caudal de gas
carbónico,
en la que m_{N2} indica el caudal de
nitrógeno,
en la que m_{trazas} indica el caudal de gases
en proporción de trazas.
Los humos salen del motor térmico (1) (motor de
explosión) por la conducción (2) (conducción de salida del motor
térmico). La temperatura es de 900ºC. La energía que será cedida por
estos humos en el cambiador (6) (primer cambiador de refrigeración
de los humos) se puede expresar en función del caudal de humos
M:
Q_{ech} =
M(h_{s6} -
h_{e6})
en la que h_{s6}, h_{e6} indican,
respectivamente, las entalpías de los humos en la salida y en la
entrada del cambiador
(6).
Las composiciones másicas de los humos a la
salida del motor térmico (1) son, respectivamente:
- -
- CO_{2}: 19,5%,
- -
- H_{2}O: 8,6%,
- -
- N_{2}: 71,9%.
En la presente descripción, los gases en
proporción de trazas han sido despreciados.
La energía Q_{ech} cedida por los humos en el
cambiador (6) es aproximadamente igual a 1000 KJ/Kg. La temperatura
de los humos a la salida del cambiador (6) es de 50ºC. Es posible
expresar la potencia P_{ech} cedida (expresada en kW) en función
del caudal de humos M expresado en kg/s:
P_{ech} =
Q_{ech} x M = 1000 kJ/Kg x M kg/s = 1000 M en
kW.
La energía térmica cedida por los humos en el
cambiador (6) es transformada de manera conocida en energía
mecánica, y después en energía eléctrica. Los humos ceden su energía
al agua circulante en el cambiador (6). Esta agua es calentada
sucesivamente en fase líquida de 42ºC a 310ºC, y a continuación
llevada a ebullición a presión de saturación a 310ºC, es decir, 99
bares (o 340ºC y 145 bares, segunda variante de realización del
cambiador -6-)
y al final esta agua es recalentada hasta 400ºC (o 500ºC, segunda variante de realización del cambiador -6-). El vapor recalentado es expansionado en una turbina (7) que arrastra, en la variante descrita, un alternador (10). Los vapores expansionados, parcialmente difásicos después de esta expansión, son condensados en un condensador (8) (condensador de aire). El líquido formado de este modo es comprimido por una bomba (9) a una presión de 99 bares, 145 bares, en el caso de la segunda variante de realización). De manera opcional, la energía térmica (no contabilizada en los balances energéticos descritos) puede ser recuperada del circuito de refrigeración (3) del motor térmico (1). A estos efectos, el cambiador de recuperación (5) de la energía del circuito de refrigeración (3) del motor térmico (1) comprende un circuito de recuperación (4). Las conexiones entre el circuito de recuperación (4) y el circuito de refrigeración (3) del motor térmico (1) no se han representado. En verano, la temperatura de condensación es de 40ºC en el condensador de aire (8). La temperatura de condensación puede variar de manera típica de 10ºC a 65ºC, entre invierno y verano en los países más calurosos. La energía recuperable en el caso de una temperatura de condensación de vapor igual a 10ºC es superior a la recuperada en el caso de una temperatura de condensación igual
a 65ºC.
y al final esta agua es recalentada hasta 400ºC (o 500ºC, segunda variante de realización del cambiador -6-). El vapor recalentado es expansionado en una turbina (7) que arrastra, en la variante descrita, un alternador (10). Los vapores expansionados, parcialmente difásicos después de esta expansión, son condensados en un condensador (8) (condensador de aire). El líquido formado de este modo es comprimido por una bomba (9) a una presión de 99 bares, 145 bares, en el caso de la segunda variante de realización). De manera opcional, la energía térmica (no contabilizada en los balances energéticos descritos) puede ser recuperada del circuito de refrigeración (3) del motor térmico (1). A estos efectos, el cambiador de recuperación (5) de la energía del circuito de refrigeración (3) del motor térmico (1) comprende un circuito de recuperación (4). Las conexiones entre el circuito de recuperación (4) y el circuito de refrigeración (3) del motor térmico (1) no se han representado. En verano, la temperatura de condensación es de 40ºC en el condensador de aire (8). La temperatura de condensación puede variar de manera típica de 10ºC a 65ºC, entre invierno y verano en los países más calurosos. La energía recuperable en el caso de una temperatura de condensación de vapor igual a 10ºC es superior a la recuperada en el caso de una temperatura de condensación igual
a 65ºC.
Las tablas 3 y 4 mencionan, en el caso de cada
variante de realización, las entalpías de agua líquida o de agua en
estado de vapor:
- a la entrada y en la salida del cambiador
(6),
- en la salida de la turbina (7), y
- en la salida del condensador de aire (8).
Estos cuatro valores de entalpía son
representativos del rendimiento energético del circuito de
recuperación de energía. El cambiador (6), la turbina (7), el
condensador (8) y la bomba (9) están conectados por conducciones y
constituyen el circuito de recuperación de energía térmica de los
humos. La energía térmica recuperada de este modo es transformada en
energía mecánica.
Un alternador (10) acoplado a la turbina (7)
permite transformar la energía mecánica en energía eléctrica.
\vskip1.000000\baselineskip
| Temperatura (ºC) | Presión (bar) | H (entalpía) (kJ/kg) | S (entropía) (kJ/kg.K) | |
| Entrada del cambiador (6) | 42,4 | 99 | 177,4 | |
| Salida del cambiador (6) | 400 | 99 | 3098,2 | 6,2183 |
| Salida de la turbina (7) | 40 | 0,074 | 1935,9 | 6,2183 |
| Salida del condensador (8) | 40 | 0,074 | 167,4 |
\vskip1.000000\baselineskip
| Lugares | Temperatura (ºC) | Presión (bar) | H (entalpía) (kJ/kg) | S (entropía) (kJ/kg.K) |
| Entrada del cambiador (6) | 43,5 | 145 | 182 | |
| Salida del cambiador (6) | 500 | 145 | 3314,8 | 6,3659 |
| Salida de la turbina (7) | 40 | 0,074 | 1982,1 | 6,3659 |
| Salida del condensador (8) | 40 | 0,074 | 167,4 |
\vskip1.000000\baselineskip
Los humos circulan en el cambiador (6) en contra
corriente con respecto al caudal de agua. La temperatura de los
humos varía de 900ºC a 50ºC mientras que la temperatura del agua
varía de 40ºC hasta 400ºC en la primera variante y hasta 500ºC en la
segunda variante. En el caso de la primera variante, la vaporización
tiene lugar a 310ºC, a una presión de 99 bares. En el caso de la
segunda, la evaporación tiene lugar a 340ºC, a una presión de 145
bares. El cambiador (6) es, por lo tanto, simultáneamente un
recalentador de agua y ebullidor.
En el caso de la primera variante, cuando la
temperatura en la salida del cambiador (6) es igual a 400ºC, cuando
la presión en la entrada del cambiador (6) es igual a 99 bares y
cuando la temperatura de condensación es igual a 40ºC, la tabla nº 3
permite determinar la energía mecánica, expresada por caudal másico
unitario del agua en el circuito del cambiador (6). Para un
rendimiento mecánico de la turbina (7) de 0,85, la energía mecánica
es igual a:
(3098,2 -
1935,9) x 0,85 = 988
kJ/kg
En el caso de la segunda variante, cuando la
temperatura en la salida del cambiador (6) es de 500ºC, cuando la
presión en la entrada del cambiador (6) es igual a 145 bares y
cuando la temperatura de condensación es igual a 40ºC, la tabla nº 4
permite determinar la energía mecánica, expresada por caudal de masa
unitaria de agua en el circuito del cambiador (6). Para un
rendimiento mecánico de la turbina (7) de 0,85, la energía mecánica
es igual a:
(3314,8 -
1982,1) x 0,85 = 1132,8
kJ/kg.
En el caso de la primera variante, la energía
facilitada por el circuito de los humos en el cambiador (6) es igual
a:
Q_{ech} =
3098,2 - 177,4 = 2920,8
kJ/kg.
En el caso de la segunda variante, la energía
facilitada por el circuito de los humos en el cambiador (6) es igual
a:
Q_{ech} =
3314,8 - 182 = 3132,8
kJ/kg
Se ha explicado anteriormente que la potencia
térmica P_{ech} cedida por los humos en el cambiador (6) en
función del caudal de gases, es igual a:
P_{ech} =
1000 M, expresada en
kW.
La potencia mecánica extraída se expresa en
función del caudal de humos a partir del rendimiento del ciclo de la
turbina:
La energía mecánica extraída, para este caudal M,
resulta de expresar el rendimiento del ciclo de la turbina en
función de este caudal de humos, es decir:
en el caso 1: P_{méca} = (988/2920,8) x 1000 x
M = 338,3 M en kW
en el caso 2: P_{méca} = (1132,8/3132,8) x 1000
x M = 361,6 M en kW.
En el caso de la primera y segunda variantes de
realización, en el alternador (10) tiene un rendimiento de 0,9. La
potencia eléctrica P_{élec} obtenida gracias al circuito de
recuperación de energía térmica de los humos es la siguiente:
en el caso de la primera variante de realización
igual a: P_{élec} = 304,5 M en kW.
en el caso de la segunda variante de realización
igual a: P_{élec} = 325,4 M en kW.
Es, por lo tanto, posible recuperar entre 30,5 y
32,5% de la energía eléctrica a partir de los humos, desde que su
temperatura se sitúa por encima de 400ºC.
Se describirán a continuación las fases de
enfriamiento sucesivas de los humos en los diferentes cambiadores de
calor. La refrigeración es una refrigeración pura para el nitrógeno,
una refrigeración y condensación para el agua, y una refrigeración y
anti-sublimación para el CO_{2}. Para comprender
de dónde se extrae el agua líquida y el CO_{2} sólido, y después
liquido, se deberán seguir simultáneamente las variaciones de los
caudales másicos de estos tres componentes y las variaciones de
energía a lo largo del circuito de refrigeración de los humos es
decir, a lo largo de la conducción (13). Las variaciones de energía
se expresan para cada uno de los componentes en kJ/kg y son
magnitudes aditivas, igual que las fracciones másicas. Las entalpías
del CO_{2} se indican en la tabla 5 y en la figura 2 que
representa, de manera conocida, un diagrama de
temperatura-entropía del CO_{2}. En este
diagrama,
\bullet las temperaturas se expresan en grados
Kelvin
\bullet las entropías se expresan en
kJ/kg.K.
El punto A es un punto representativo del
CO_{2} en la entrada del primer evaporador (nº 1) refrigerador
(25). La presión es de 1 bar, la temperatura es de 50ºC (323 K), la
entalpía del CO_{2} es de 450,8 kJ/kg (ver tabla 5).
El punto B es un punto representativo del estado
del CO_{2} a la salida del cambiador (11), la temperatura es de
40ºC, la entalpía está indicada en la tabla 5.
El punto C es un punto representativo del
CO_{2} a la entrada del evaporador (nº 1) de
anti-sublimación (39), antes del cambio de fase
gas/sólido. La presión es de 0,85 bares y la temperatura es de -72ºC
(201K), la entalpía es de 349 kJ/kg (ver tabla 5).
El punto D es un punto representativo del
CO_{2} en la curva de solidificación completa del CO_{2} a -
80ºC. La solidificación tiene lugar sobre la pared del tubo del
evaporador (nº 1) de anti-sublimación (39). El
cambio de fase completo gas/sólido requiere una energía de
refrigeración de 568 kJ/kg.
El punto E es un punto representativo del
CO_{2} cuando tiene lugar la operación de eliminación de la
escarcha por sublimación del CO_{2} sólido en la envolvente del
evaporador (nº 2) de anti-sublimación (40). Esta
operación comporta el aumento de la presión por sublimación parcial
del CO_{2} sólido, lo que aumenta la presión de vapor hasta 5,2
bares.
El punto F es un punto representativo del
CO_{2}, al final de la fusión del CO_{2}, a presión constante de
5,2 bares. El CO_{2} se encuentra, por lo tanto, completamente
líquido en el punto F.
| Puntos | Presión (bar) | Temperatura (ºC) (K) | Entalpía (kJ/kg) |
| A | 1 | 50 (323 K) | 450,8 |
| B | 1 | 40 (313 K) | 442 |
| C | 0,85 | -72 (201 K) | 349 |
| D | 0,85 | -80 (193 K) | -228 |
| E | 5,2 | -56,5 (216,6 K) | -190 |
| F | 5,2 | -56,5 (216,6 K) | 0 |
Los balances energéticos utilizando los valores
de la tabla 5 se describen más adelante.
A continuación, se continuará la descripción de
la evolución del caudal de los humos en la entrada del cambiador de
refrigeración de los humos (11) y se explicará el mecanismo de
captación del vapor de agua así como el consumo de energía asociado
al mismo.
La tabla 6 proporciona las variaciones de
temperatura, de entalpías y de fracciones másicas en las entradas y
salidas de los cambiadores y de los tramos de tubería que los
conectan. Igual que para la variación del caudal en función de las
captaciones sucesivas de los vapores de agua, después de CO_{2},
indicando la cantidad de energía extraída de cada cambiador. La
tubería (13) de los humos y la tubería (55) de envío del nitrógeno
al aire están dispuestas en contacto íntimo y están aisladas
térmicamente del exterior. Los tramos de las tuberías (13) y (55)
situados entre los elementos (11), (25), (33), (39) y (40)
constituyen cambiadores sucesivos
| Cambiadores | Entradas | T (ºC) | Caudal | Fracción | Fracción | (hs-he) J/kg Ener- |
| Salidas | humos | Másica | Másica | gía de los diferen- | ||
| CO_{2} | H_{2}O | tes intercambios | ||||
| Cambiador (11) | E 11 | 50 | M | 0,195 | 0,086 | 109 |
| S 11 | 40 | 0,964 M | 0,05 | |||
| Conducción (55) entre | 25 | 1 | 0,719 M | 0,195 | 26,3 | |
| (25) y (11) | 11 | 40 | ||||
| Cambiador (25) | E 25 | 36,5 | 0,956 M | 0,195 | 0,042 | 138 |
| S 25 | 1 | 0,914 M | 0 | |||
| Conducción (55) entre | 33 | -20 | 0,719 M | 0,195 | 14 | |
| (33) y (25) | 25 | 1 | ||||
| Cambiador (33) | E 33 | -14 | 0,914 M | 0,195 | 0 | 5,4 |
| S 33 | -20 | 0,914 M | ||||
| Conducciones (55) entre | 39 ó 40 | -90 | 0,719 M | |||
| (39) o (40) y (33) | 33 | -20 | 7 | |||
| Evaporador (39) o (40) | E 39 (40) | -72 | 0,914 M | 0,195 | 0 | |
| Escarcha CO_{2} | -80 | 0,719 M | 0 | 0 | ||
| S 39 (40) | -90 | 0,719 M | 0 | 0 | 25,9 |
La refrigeración de los humos en el cambiador
(11) de 50 a 40ºC con condensación parcial del agua requiere una
potencia de 109 M (kW), en el ejemplo tratado el agua empieza a
condensarse en este cambiador de refrigeración de los humos (11).
Para otras condiciones de temperatura o debido a la presencia de
componentes en proporción de trazas que modifican la temperatura de
rocío del agua, la condensación del agua puede empezar en el
cambiador (6). En efecto, la temperatura del punto de rocío del agua
se sitúa hacia 50ºC para una concentración másica de agua en los
humos de 8,6%. El caudal de los gases en la salida del cambiador
(11) es igual a 0,964 M. La fracción másica de agua pasa de 8,6% a
5%. El cambiador (11) está concebido para permitir una evacuación de
los condensadores de agua por la tubería (14). La tubería (14)
conecta el cambiador (11) al recipiente colector de agua (16).
Los humos en la tubería (13) son refrigerados por
la tubería (55) de la salida del cambiador (11), hasta la entrada
del cambiador (25). Estos tramos de tuberías están además aislados
térmicamente del exterior.
Para detallar la forma de intercambio entre las
dos conducciones (13), y (55), éstas se encuentran en contacto
térmicamente eficaz, para cada tramo de enlace que constituye la
conducción (13) entre los cambiadores (11), (25), (33) y (39) ó
(40). Estos tres tramos constituyen verdaderos cambiadores en los
que el frío del caudal de nitrógeno en la tubería (55) enfría el
caudal de humos que circulan en contracorriente en la tubería (13).
La tabla 6 indica la variación de entalpía del caudal del nitrógeno
en la tubería (55) para cada uno de los 3 tramos entre los
cambiadores (39) o (40) y el cambiador (33), y después entre el
cambiador (33) y el cambiador (25) y finalmente entre del cambiador
(25) y el cambiador (11). La variación de entalpía del caudal de
nitrógeno de 0,719 M (kg/s) se trasmite con una eficacia de
intercambio de 90% al caudal de los humos que circulan en la tubería
(13) en cada uno de los 3 tramos de cambiadores antes indicados. La
energía cedida por el caudal de nitrógeno entre los cambiadores (11)
y (25) es de 26,3 M (kW). Sirve simultáneamente para condensar una
parte del vapor de agua que se reduce a 4,2% y para enfriar el
caudal de los humos hasta 36,5ºC a la entrada del cambiador
(25).
A la salida del cambiador (25), el caudal de los
humos se encuentra a una temperatura de 1ºC, lo que requiere una
potencia frigorífica de 138 M (kW) en el cambiador (25) para
permitir una reducción tal de la temperatura de los humos y la
condensación del vapor de agua restante.
La temperatura de los humos es regulada a 1ºC
para evitar la escarcha del agua contenida en los humos. La sección
y la concepción del primer evaporador (nº 1) refrigerador (25)
permiten asegurar una deshumidificación intensa del caudal de humos.
De manera típica, queda menos de 0,05% de agua en masa en los humos
a la salida del primer evaporador (nº 1) refrigerador (25).
La tubería de gases (13) se encuentra en
comunicación con la cámara interna del primer evaporador (nº1)
refrigerador (25). El agua extraída de los humos en su paso por el
primer evaporador (nº 1) refrigerador (25) es recuperada en la
cámara interna. A continuación es transferida al depósito colector
de agua (16) por la tubería (15) de evacuación de agua del primer
evaporador (nº 1) refrigerador (25). Los humos que salen del primer
evaporador (nº 1) refrigerador (25) pasan a un deshidratador (56)
que asegura el secado completo de los humos. El caudal másico
anhidro de los humos, que se ha indicado M_{N2+CO2}, es igual a
0,914 del caudal M que sale del motor térmico (1). En efecto, 8,6%
del caudal másico ha sido capturado en forma de agua líquida en el
cambiador de refrigeración de los humos (11), en el cambiador
constituido por los tramos de tuberías (13) y (55) en contacto en el
primer evaporador (nº 1) refrigerador (25)y en el
deshidratador (56).
El caudal de nitrógeno que circula en la tubería
(55) facilita una potencia frigorífica de 14 M (kW) al tramo de
tubería (13) que conecta el cambiador (25) a (33)y refrigera
el caudal residual de los humos M_{N2+CO2} de nitrógeno y de
CO_{2} hasta una temperatura de -14ºC en la entrada del
cambiador (33).
En el segundo evaporador (nº 2) enfriador (33),
se facilita una potencia frigorífica de 5,4 M y el caudal residual
M_{N2+CO2} de nitrógeno y de CO_{2} es enfriado hasta una
temperatura de -20ºC.
Teniendo en cuenta la refrigeración entre las
tuberías (13) y (55), el caudal residual M_{N2+CO2} penetra en uno
de los dos evaporadores de anti-sublimación (nº 1)
(39) ó (nº 2) (40) a una temperatura del orden del -72ºC puesto que
la tubería (55) ha facilitado una potencia frigorífica de 47 M
(kW).
La forma y construcción de los dos evaporadores
de anti-sublimación (nº 1) (39) ó (nº 2) (40)
permiten un tiempo de permanencia largo de los gases. El caudal
residual de humos M_{N2+CO2} es enfriado hasta
anti-sublimación del CO_{2}, lo que requiere una
potencia frigorífica de 125,9 M (en kW). El CO_{2} es captado por
lo tanto por anti-sublimación a una temperatura del
orden de -80ºC a una presión de 0,85 bares absoluta o de -78,6ºC a
la presión de un bar en el evaporador de
anti-sublimación (39) ó (40) mientras que el caudal
de nitrógeno residual que se ha indicado en M_{N2} es enfriado
hasta -90ºC, puesto que es conducido hacia la atmósfera mediante la
tubería (55) que presenta intercambio en contracorriente con la
tubería (13).
Se explicará la evolución energética del CO_{2}
en el evaporador de anti-sublimación (nº 1) (39) en
el que entra a una temperatura aproximada de -72ºC y una entalpía de
349 kJ/kg (punto C tabla 5 y figura 2). El cambio de fase
vapor-sólido de modo completo
(anti-sublimación) se efectúa sobre el tubo del
evaporador de anti-sublimación (nº 1) (39), el
CO_{2} evoluciona hasta el punto D (tabla 5 y figura 2), siendo su
entalpía de -228 kJ/kg.
La potencia frigorifica, expresada en kW, en
función del caudal de los humos, es la siguiente:
(349-(-228)) x
0,195 M = 112,5
M
Antes de la expansión en el expansor (nº 1) (41),
el fluido frigorígeno pasa al evaporador de
anti-sublimación (nº 2) (40) que se encuentra en
fase de la eliminación de la escarcha. El fluido frigorígeno
recupera de esta manera la energía de fusión del CO_{2}. La
energía recuperable corresponde, en el diagrama de la figura 2, al
paso del punto D (CO_{2} sólido en 0,85 bares) al punto F
(CO_{2} líquido a 5,2 bares). La variación de entalpía bruta es de
228 kJ/kg. En el caso de la variante de realización descrita, la
eficacia de la transferencia de los cambiadores es de 90%. Por
consiguiente, la energía recuperada es igual a 205 kJ/kg. La
potencia frigorífica recuperada en función del caudal total M de
humos es de 40M expresado en kW
205 x 0,195 M =
40
M
Teniendo en cuenta la recuperación de energía de
la eliminación de escarcha de CO_{2} por el fluido frigorígeno
líquido, la anti-sublimación del CO_{2} a la
temperatura de evaporación de -90ºC (es necesaria una diferencia
aproximada de 10ºC entre el fluido frigorígeno y el CO_{2} en
vapor o sólido para la escarcha del CO_{2}) solo requiere una
potencia frigorífica de:
(112,5-40) M =
72,5 M (expresado en
kW)
Se ha observado que las potencias eléctricas
(expresadas en kW) que se pueden recuperar en el caso de las dos
variantes de realización anteriormente descritas son,
respectivamente, iguales a 304,5 M y 325,4 M. Son superiores a la
potencia eléctrica de compresión que debe facilitar el compresor
para producir la potencia frigorífica. En efecto, expresada en kW en
función del total de humos M, la potencia eléctrica de compresión es
del orden de 187 M.
Se puede validar este valor energético
procediendo a una estimación teórica de la potencia eléctrica de
compresión que debe facilitar el compresor para producir la potencia
frigorífica. Para proceder a esta estimación, es necesario recordar
previamente lo que se comprende por coeficiente de rendimiento de
una máquina frigorífica. El coeficiente de rendimiento es la
relación entre la potencia frigorífica P_{frig} con respecto a la
potencia eléctrica facilitada por el motocompresor
P_{elec.\_Comp}:
COP =
P_{frig}
/P_{elec.\_Comp}.
Teniendo en cuenta el hecho que se intercambiaron
potencias frigoríficas a diferentes niveles de temperatura: -5ºC,
-30ºC, -90ºC, es indispensable utilizar una ley típica de variación
del coeficiente de rendimiento en función de la temperatura.
La manera más simple de expresar esta ley
consiste en expresarla en función del coeficiente de rendimiento de
Carnot. El coeficiente de rendimiento de Carnot representa el
rendimiento ideal de las máquinas frigoríficas y se calcula
simplemente en función de las temperaturas de condensación (T cond)
y de evaporación (Tevap) según la fórmula:
COP _{Carnot}
= Tevap/(T cond - T
evap)
estando expresadas las temperaturas
en grados
Kelvin.
Una ley basada en el análisis de las máquinas
reales se puede expresar por:
COP = (2,15 x
10^{-3}T + 0,025)COP
_{Carnot}
La siguiente tabla 7 indica las COP según las
temperaturas de evaporación.
| T (ºC) | T(K) | (2,15x10^{-3} T + 0,025) | COP Carnot | COP |
| -90 | 183 | 0,42 | 1,4 | 0,59 |
| -60 | 213 | 0,48 | 2,13 | 1,02 |
| -40 | 233 | 0,525 | 2,91 | 1,53 |
| -30 | 243 | 0,547 | 3,47 | 1,9 |
| -5 | 268 | 0,6 | 5,95 | 3,57 |
Esta tabla permite calcular la potencia eléctrica
consumida por el compresor según el nivel de temperatura al que se
ha facilitado la potencia frigorífica. Los coeficientes de
rendimiento permiten calcular la potencia consumida por el compresor
para facilitar la potencia frigorífica (a los diferentes cambiadores
de calor).
La potencia frigorífica facilitada al cambiador
(25), para enfriar los humos a 0ºC, se facilita a -5ºC. Dado que la
potencia frigorífica a suministrar es igual a 138 M (tabla 6) y dado
que el coeficiente de rendimiento es de 3,57 (tabla 7), la potencia
eléctrica consumida por el compresor es igual a:
138 M/3,57 =
38,6 M en
kW.
La potencia frigorífica facilitada al segundo
evaporador refrigerador de humos (33) es facilitada a -30ºC. Dado
que la potencia frigorífica a facilitar es igual a 5,4 M (tabla 6) y
dado que el coeficiente de rendimiento es de 1,9 (tabla 7), la
potencia eléctrica consumida por el compresor es igual a :5,4/1,9 =
2,8 M en kW.
La potencia frigorífica facilitada a los
evaporadores de anti-sublimación (nº 1) (39) (nº 2)
(40) es facilitada a -90ºC. Dado que la potencia frigorífica es de
125,9 M - 40 M = 85,9 M y dado que el coeficiente de rendimiento es
de 0,59 (tabla 7), la potencia eléctrica consumida por el compresor
es igual a:
85,9 M/0,59 =
145,6 M en
kW.
La potencia frigorífica necesaria para la
refrigeración del nitrógeno de 50 a -90ºC ha sido tenida en cuenta
en los cálculos de cada cambiador.
La potencia eléctrica de compresión total
(P_{comp}) se debe facilitar, por ejemplo, únicamente para los
evaporadores (25),(33), (39) ó (40) y es, por lo tanto, igual a:
P_{comp} = 38,6 + 2,8 + 145,6 = 187 M en kW,
tal como se ha mencionado anteriormente.
\newpage
La potencia eléctrica consumida por el compresor
frigorífico en función del caudal de humos M es por lo tanto de 187
M en kW. Esta potencia se debe comparar con la potencia eléctrica
recuperada en el caudal de los humos que es variable entre 304,5 M y
325,4 M. La potencia eléctrica del compresor representa por lo
tanto en el orden de 60% de la energía eléctrica recuperable por el
ciclo de recuperación de vapor de agua anteriormente descrito.
A continuación se explicará, haciendo referencia
nuevamente a la figura 3, el funcionamiento del aparato frigorífico
que funciona en cascada integrada. El compresor frigorífico (17)
aspira el caudal másico en fase de vapor de una de las mezclas
frigorígenas multicomponentes definidas anteriormente. Más
particularmente, en el caso de la variante de realización que se
describirá a continuación, la mezcla está compuesta por cinco
componentes cuyos porcentajes másicos son los siguientes:
- \bullet
- R-50 (1%)
- \bullet
- R-14 (3%)
- \bullet
- R-170 (19%)
- \bullet
- R-744 (27%)
- \bullet
- R-600 (50%)
La presión de aspiración es de 1,7 bar. La
presión de condensación, para una temperatura de salida de
condensado de 40ºC, es de 22 bares. El condensador frigorífico
parcial (18) es enfriado por un circuito de refrigeración (19)
(circuito de refrigeración del condensador frigorífico parcial). En
el circuito de refrigeración (19) circula agua o aire.
El condensador frigorífico parcial (18) es un
separador de fases líquida y gaseosa de caudal total de frigorígeno
entrante (indicado a continuación Mf). El caudal en fase de gas
(indicado a continuación Mcabeza1) sale de la parte de arriba (la
cabeza) del condensador frigorífico parcial (18) por la tubería
(20). El caudal de líquido (que a continuación se indicará Mpie1)
sale de abajo (del pie), por la tubería (21). Los líquidos son
extraídos en la parte baja del condensador frigorífico parcial (18)
por acción de la gravedad.
El caudal líquido (Mpie1) se subenfría en el
intercambiador (nº 1) líquido vapor (26). Este caudal (Mpie1) es
aproximadamente igual a 50% del caudal total de frigorígeno (Mf). El
caudal de líquido (Mpie1) es rico en los componentes más pesados, es
decir, R-600 y R-744, y se
expansiona en el expansionador (24) a la presión de evaporación de
1,7 bar. El caudal de líquido (Mpie1) expansionado se evapora
sucesivamente en el primer evaporador condensador (nº 1) (22) y
depués en el primer evaporador refrigerador (nº 1) de humos (25) en
el que se consigue la evaporación. El caudal de fluido (Mpie1)
vaporizado completamente cederá el frío en el cambiador (nº 1)
líquido vapor (26) y después vuelve al colector de aspiración del
compresor (17) por la tubería (27).
El caudal gaseoso (Mcabeza1), que sale de la
cabeza del condensador parcial(18)representa el otro
50% del caudal total de frigorígeno (Mf). El caudal gaseoso
(Mcabeza1) va a condensarse parcialmente en el primer (nº 1)
evaporador condensador (22). Este caudal (Mcabeza1) que se ha hecho
bifásico (líquido-vapor) a la salida del primer (nº
1) evaporador condensador (22) se separará en fase líquida y vapor
independientes en el recipiente separador (28). El caudal en fase
vapor (Mcabeza2) sale en la parte superior o cabeza del recipiente
separador (28) por la tubería (29). El caudal de líquido (Mpie2)
sale por la parte baja o pie del recipiente separador (28). El
caudal gaseoso (Mcabeza1), que sale de la parte alta o cabeza del
condensador parcial (18), ha sido por lo tanto separado en dos
caudales: un caudal gaseoso (Mcabeza2) que representa el 40% del
caudal entrante (Mcabeza1) y un caudal líquido (Mpie2) que
representa el 60% del caudal entrante (Mcabeza1). El caudal en fase
gaseosa (Mcabeza2) que sale del recipiente separador (28) por la
tubería (29) va completamente a condensarse en el segundo (nº 2)
evaporador condensador (32). El caudal enteramente líquido
(Mcabeza2) se evapora de manera alternativa en los evaporadores (nº
1) o (nº 2) de anti-sublimación (39) ó (40).
La condensación, en el segundo (nº 2) evaporador
condensador (32), del caudal en fase de gas (Mcabeza2) que sale del
recipiente separador (28) ha sido efectuada por la evaporación
parcial del caudal de líquido (Mpie2) que sale del pie del
recipiente separador (28) y después de que este caudal de líquido
(Mpie2) haya sido expansionado en el expansionador (31). El caudal
de líquido (Mpie2) termina su evaporación en el evaporador
refrigerador de humos (33). El caudal de líquido (Mpie2)
completamente vaporizado cede el frío en el segundo (nº 2) cambiabor
de líquido vapor (34) y después vuelve al colector de aspiración del
compresor (17) por la tubería (35).
El caudal de líquido (Mcabeza2) pasa por la
primera (nº 1) válvula de tres vías (37). Esta válvula es abierta
en la tubería (38) y cerrada por lo tanto en la tubería (44). El
caudal de líquido (Mcabeza2) se subenfría en el segundo evaporador
(nº 2) de anti-sublimación (40) que sirve entonces
de cambiador de subenfriamiento cuando tiene lugar su fase de
terminación de la escarcha de CO_{2}. El caudal de líquido
(Mcabeza2) subenfriado es expansionado a continuación en el primer
(nº 1) expansionador (41). A continuación, se evapora en el primer
(nº 1) evaporador de
anti-sublimación(39).
El caudal de vapores de frigorígeno (Mcabeza2)
que sale del primer evaporador (nº 1) de
anti-sublimación (39) pasa por la segunda válvula
(nº 2) de tres vías (46) y vuelve al compresor frigorífico (17)
mediante la tubería de retorno de gas (45). Este caudal (Mcabeza2)
representa aproximadamente el 20% del caudal total de frigorígeno
(Mf) aspirado por el compresor frigorífico (17).
Cuando el funcionamiento del primer evacuador (nº
1) de anti-sublimación (39) se alterna con el del
segundo evaporador (nº 2) de anti-sublimación (40),
la primera (nº 1) válvula de tres vías (37) conmuta, con intermedio
de la tubería (44), la circulación de fluido frigorígeno líquido
hacia el primer evaporador (nº 1) de
anti-sublimación (39) donde se subenfría. El fluido
frigorígeno se expansiona a continuación en el expansionador (nº 2)
(42). Se evapora a continuación en el segundo evaporador (nº 2) de
anti-sublimación (40) y después se reintegra,
mediante la segunda válvula (nº 2) de tres vías (46) y la tubería
(45) al compresor frigorífico (17).
A continuación, se describirá la circulación del
fluido frigorígeno en los dos evaporadores de
anti-sublimación (39) y (40). Estos evaporadores de
anti-sublimación funcionan de manera alternativa.
Mientras uno es efectivamente un evaporador, el otro es un cambiador
de subenfriamiento y viceversa. En el caso en el que la evaporación
se efectúa en el primer evaporador (nº 1) de
anti-sublimación (39), la primera (nº 1) válvula de
tres vías (37) está abierta, la mezcla de frigorígeno puede circular
en las tuberías (38) pero no puede circular en la tubería (44).
La mezcla de frigorígeno líquido (Mcabeza2)
después de expansión en el expansionador (nº 1) (41) se evapora en
el primer evaporador (nº 1) de anti-sublimación (39)
a una temperatura inicial aproximadamente de -100ºC hasta una
temperatura del orden de -70ºC a la salida.
En el caso de la figura estudiada, los humos
procedentes del segundo (nº 2) evaporador refrigerador de los humos
(33) pasan por la cuarta (nº 4) válvula de tres vías (53) para pasar
al primer evaporador (nº 1) de anti-sublimación
(39). En este caso de la figura, los humos no pasan al segundo
evaporador (nº 2) de anti-sublimación (40).
Estos humos se enfrían desde su temperatura de
entrada que es aproximadamente -72ºC hasta la temperatura de
anti-sublimación del CO_{2} que es igual a
-78,6ºC, es decir, igual a -80ºC, según si la presión en el primer
evaporador
(nº 1) de anti-sublimación (39) es respectivamente, de 1 bar absoluto o de 0,85 bar absoluto. Una vez que esta temperatura se ha alcanzado, el CO_{2} produce escarcha en el interior del primer evaporador (nº 1) de anti-sublimación (39), sobre la pared exterior de la tubería en la que circula la mezcla de frigorígeno.
(nº 1) de anti-sublimación (39) es respectivamente, de 1 bar absoluto o de 0,85 bar absoluto. Una vez que esta temperatura se ha alcanzado, el CO_{2} produce escarcha en el interior del primer evaporador (nº 1) de anti-sublimación (39), sobre la pared exterior de la tubería en la que circula la mezcla de frigorígeno.
Antes de penetrar en el primer evaporador (nº 1)
de anti-sublimación (39), el líquido frigorígeno
entra aproximadamente a -45ºC en el segundo evaporador (nº 2) de
anti-sublimación(40), que funciona en forma
de cambiador de subenfriamiento. El fluido frigorígeno se subenfría
de -45ºC hasta 78ºC al principio del ciclo de eliminación de la
escarcha, del CO_{2} y solamente de -45ºC hasta (55) ºC al final
del ciclo de eliminación de escarcha de CO_{2}. Durante la
eliminación de la escarcha el CO_{2} líquido se acumula en la
parte baja del segundo evaporador (nº 2) de
anti-sublimación (40). Antes de hacer bascular el
funcionamiento del segundo evaporador (nº 2) de
anti-sublimación (40) en la modalidad de evaporación
y al final de la licuefacción del CO_{2}, se abre la tercera (nº
3) válvula de tres vías (47). De este modo, es posible aspirar el
CO_{2} líquido por medio de la bomba (48) (bomba de aspiración
del CO_{2} líquido). La bomba(48)es, por ejemplo,
una bomba neumática eléctrica que permite aspirar tanto líquido como
gas. La bomba (48) transfiere el CO_{2} líquido del recipiente de
almacenamiento (49), después aspira los vapores del CO_{2}
mezclados con el nitrógeno hasta poner el ambiente gaseoso del
segundo evaporador (nº 2) de anti-sublimación (40) a
la presión de funcionamiento, es decir 0,85 bares absolutos o 1 bar
absoluto según la opción técnica escogida para la circulación de los
humos. Por razones prácticas, en particular para los vehículos, un
recipiente transportable (51) está conectado al recipiente de
almacenamiento (49). La bomba (50) (bomba de llenado del recipiente
transportable) permite el llenado del recipiente transportable (51)
a partir del recipiente de almacenamiento (49). La válvula (52)
permite el equilibrado de las presiones entre los dos recipientes
(49) y (51), en caso necesario. El recipiente desplazable (51)
permite el transporte del CO_{2} que se ha captado. Un nuevo
recipiente transportable que se ha puesto en vacío, sustituye al que
se ha llenado.
A continuación se describirá la circulación del
nitrógeno que sale del primer (nº 1) evaporador de
anti-sublimación(39). Los vapores de
nitrógeno pasan por la quinta (nº 5) válvula de tres vías (54), y
después vuelven a la tubería (55) de salida de nitrógeno al aire. La
quinta válvula (nº 5) de tres días (54) pone en comunicación, según
los casos, la tubería(55)de puesta al aire del
nitrógeno con el primer (nº 1) evaporador de
anti-sublimación (39) o bien con el segundo (Nº 2)
evaporador de anti-sublimación (40).
Cuando tiene lugar la eliminación de la escarcha,
la presión sube por sublimación del CO_{2} en los evaporadores de
anti-sublimación (39) y (40) que se encuentran
entonces en circuito cerrado. A la temperatura de equilibrio del
punto triple, la presión es igual a 5,2 bares. A esta presión, el
CO_{2} pasa del estado solido al estado líquido.
El caudal de nitrógeno M_{N2}, en la tubería
(55) de puesta del nitrógeno al aire, representa solamente 71,9% del
caudal másico inicial de los humos. La presión del nitrógeno solo es
igual a 0,736 bares, sin tener en cuenta las pérdidas de carga ni
los gases en proporción de trazas.
La tubería (2) que sale del motor térmico (1), la
tubería de humos (13) y la tubería (55) de envío de nitrógeno al
aire se encuentran en comunicación, constituyendo un mismo
cicuito.
La eliminación del agua en el cambiador de
refrigeración de humos (11), en el primer (nº 1) evaporador
refrigerador de los humos (25) y en el deshidratador (56),
comportaría una disminución de la presión en las tuberías (2), (13),
(55), si ésta no fuera compensada: el aire atmosférico penetraría en
el aparato frigorífico por la tubería (55) de puesta al aire del
nitrógeno. Igualmente, la anti-sublimación del
CO_{2} en los evaporadores de anti-sublimación
(39) y (40) comportarían una nueva disminución de la presión. Esta
disminución de la presión debe ser compensada para que el nitrógeno
pueda ser rechazado hacia la atmósfera. La solución representada en
la figura 3 es la de un compresor de aire (57) que inyecta una
corriente de aire por la tubería (58) (tubería de inyección del
venturi) en el estrechamiento de un venturi (59) que permite la
aspiración del caudal del nitrógeno a una presión del orden de 0,65
bares e impide la entrada de aire en el sistema. Esta solución
presenta igualmente el interés de volver a crear una mezcla de
nitrógeno y de oxígeno a la salida del venturi.
Otra solución, no representada en la figura 3,
consiste en utilizar un compresor con poca diferencia de presión,
del tipo de soplante, a la salida del cambiador de refrigeración de
los humos (11), como en la tubería de humos (13) para crear la
sobrepresión que permite el envío a la atmósfera del caudal de
nitrógeno o del caudal de nitrógeno con la adición de los
componentes en proporción de trazas a la salida de la tubería (55)
de puesta al aire del nitrógeno.
Si los contenidos de los componentes en
proporciones de de trazas y, en particular, los de óxido de carbono
CO y de ciertos hidrocarburos ligeros no son despreciables, los
flujos de nitrógeno y de los componentes de trazas se pueden
reintegrar en un mezclador con un caudal adicional de aire adecuado
para crear una mezcla combustible de tipo llamado pobre. La
combustión de esta mezcla combustible favorece la disminución de los
contaminantes y aumenta el rendimiento energético del motor térmico
concebido a estos efectos.
Se ha observado que, durante la eliminación de la
escarcha del CO_{2} sobre el cambiador de
anti-sublimación en funcionamiento, la temperatura
varía entre -80 y -55ºC. Esta variación importante de la temperatura
puede ser utilizada para la regulación de la alternancia de los dos
evaporadores de anti-sublimación. En efecto, cuando
se alcanza la temperatura de -55ºC en la eliminación de la escarcha
de CO_{2} se puede considerar que el CO_{2}, ha pasado
completamente a fase líquida. Se puede poner en marcha entonces la
bomba (48) de expiración del CO_{2} líquido para la transferencia
al recipiente de almacenamiento (49). Entonces resulta posible,
midiendo las presiones en el volumen interior del evaporador de
eliminación de escarcha de CO_{2}, interrumpir el proceso de
vaciado, y después volver a empezar el ciclo haciendo evaporar el
frigorígeno en este evaporador de anti-sublimación
previamente vaciado de su CO_{2} líquido. Se observará que al
inicio del ciclo, cuando no se ha escarchado ningún evaporador, el
sistema de compresión en cascada integrada consume más energía. En
efecto, la mezcla que se expansiona en el evaporador de
anti-sublimación no se encuentra subenfriada. La
optimización energética tiene en cuenta los tiempos de
funcionamiento más probables del motor, de los procesos de
producción de energía, etc para fijar el ritmo de las alternancias
entre los dos evaporadores.
Claims (24)
1. Procedimiento de extracción del dióxido de
carbono de los humos procedentes de la combustión de hidrocarburos
en un aparato destinado, en especial, a la producción de energía
mecánica;
comprendiendo dicho procedimiento la etapa de
enfriar los mencionados humos a una presión sensiblemente igual a la
presión atmosférica a una temperatura tal que el dióxido de carbono
pasa directamente de un estado de vapor al estado sólido con
intermedio de un proceso de anti-sublimación;
caracterizándose dicho procedimiento
porque, para enfriar la mezcla de nitrógeno y de dióxido de
carbono:
- se facilitan frigorías por medio de una
destilación fraccionada, a temperaturas decrecientes, escalonadas,
de una mezcla de fluidos frigorígenos según un ciclo que presenta
una fase de compresión y fases de condensación y de evaporación
sucesivas.
2. Procedimiento, según la reivindicación 1, en
el que la etapa consiste en enfriar dichos humos a una presión
sensiblemente igual a la presión atmosférica a una temperatura tal
que el dióxido de carbono pasa directamente del estado de vapor al
estado sólido con intermedio de un proceso de
anti-sublimación, estando seguido de:
- una etapa de fusión del dióxido de carbono en
envolvente cerrada; evolucionando la presión y la temperatura dentro
de dicha envolvente cerrada hasta el punto triple del dióxido de
carbono, a medida que la mezcla de fluidos frigorígenos, al
subenfriarse, aporta calorías a dicha envolvente.
3. Procedimiento, según la reivindicación 2,
siendo tal dicho procedimiento que la mezcla de fluidos frigorígenos
asegura sucesivamente la fusión del dióxido de carbono en dicha
envolvente cerrada y la anti-sublimación del dióxido
de carbono que circula en circuito abierto en una envolvente
simétrica de la anterior; realizándose la fusión y la
anti-sublimación del dióxido de carbono
alternativamente en uno u otro de dichas envolventes, una de ellas
cerrada y la otra abierta.
4. Procedimiento, según cualquiera de las
reivindicaciones 2 ó 3, cuyo procedimiento comprende además:
- la etapa de almacenar el dióxido de carbono en
forma líquida en un recipiente, especialmente transportable.
5. Procedimiento, según la reivindicación 4, en
el que el procedimiento es tal que la etapa de almacenar el dióxido
de carbono en forma líquida en un recipiente, especialmente un
recipiente transportable, comprende las etapas siguientes:
- la etapa de aspiración del dióxido de carbono
líquido contenido en dicha envolvente cerrada,
- la etapa de llevar la presión de dicha
envolvente cerrada a una presión próxima a la presión
atmosférica,
- la etapa de transferir óxido de carbono líquido
en dicho recipiente.
6. Procedimiento, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, que comprende además:
- la etapa de enviar el nitrógeno al aire externo
después de extracciones sucesivas de los vapores de agua y de
dióxido de carbono contenidos en dichos humos.
7. Procedimiento, según la reivindicación 6, que
comprende además:
- la etapa de transferir las frigorías contenidas
en el nitrógeno enviado al aire externo a los humos y contribuir de
esta manera a la refrigeración de dichos humos.
8. Procedimiento, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, que comprende además:
- la etapa de enfriar dichos gases hasta la
temperatura de anti-sublimación del dióxido de
carbono a una presión sensiblemente igual a la presión atmosférica
utilizando la energía calorífica disponible en dichos humos sin
facilitar energía adicional.
9. Procedimiento, según la reivindicación 8, en
el que el procedimiento es tal que, para utilizar la energía
calorífica disponible en dichos humos, el procedimiento comprende
además las etapas siguientes:
- la etapa de recalentar después de vaporizar el
agua por medio de dichos humoss, para producir vapor de agua a
presión,
- la etapa de expansionar dicho vapor de agua a
presión en una turbina que produce energía mecánica o eléctrica.
10. Procedimiento, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9, cuyo procedimiento es tal que la etapa de
enfriamiento de dichos humos a la presión sensiblemente igual a la
presión atmosférica a una temperatura tal que el dióxido de carbono
pasa directamente del estado de vapor al estado sólido con
intermedio de un proceso de anti-sublimación
comprende además:
- la etapa de extraer de dichos humos el agua en
forma líquida a una presión sensiblemente igual a la presión
atmosférica.
11. Procedimiento, según la reivindicación 10,
cuyo procedimiento es tal que, para extraer de dichos humos la
totalidad o una parte del agua en forma líquida a una presión
sensiblemente igual a la presión atmosférica, se utiliza un
cambiador de aire o de agua.
12. Procedimiento, según la reivindicación 11,
que comprende además:
- la etapa de extraer la totalidad de las
cantidades de agua residuales en dichos humos utilizando un
cambiador frigorífico y/o un deshidratador.
13. Sistema de extracción del dióxido de carbono
de los humos procedentes de la combustión de hidrocarburos en un
aparato destinado especialmente a la producción de energía
mecánica;
comprendiendo dicho sistema medios de
refrigeración para enfriar dichos humos a una presión sensiblemente
igual a la presión atmosférica a una temperatura tal que el dióxido
de carbono pasa directamente del estado de vapor a un estado sólido
por un proceso de anti-sublimación;
caracterizándose dicho sistema porque:
dichos medios de refrigeración para enfriar los
mencionados humos a una presión sensiblemente igual a la presión
atmosférica a una temperatura tal que el dióxido de carbono pasa
directamente del estado de vapor al estado sólido con intermedio de
un proceso de anti-sublimación comprende además un
aparato frigorífico en cascada integrada
(18,22,25,26,28,32,33,34,39,40) para enfriar la mezcla de nitrógeno
y de dióxido de carbono facilitando frigorías por medio de
destilación fraccionada, a temperaturas decrecientes, escalonadas,
de una mezcla de fluidos frigorígenos según un ciclo que comporta
una fase de compresión (17) y fases de condensación y de evaporación
sucesivas;
comprendiendo dicho aparato frigorífico:
- -
- un compresor (17),
- -
- un condensador parcial (18),
- -
- un recipiente separador (28),
- -
- evaporadores-condensadores (22,32),
- -
- evaporadores de refrigeración de los humos (25,33),
- -
- cambiadores líquido vapor (26,34),
- -
- evaporadores de anti-sublimación (39,40),
- -
- expansionadores (24,31,41,42).
14. Sistema, según la reivindicación 13, que
comprende además:
- una envolvente cerrada (39,40) recorrida por un
circuito en el que circula una mezcla de fluidos frigorígenos;
evolucionando la presión y temperatura en dicha
envolvente cerrada hasta el punto triple de dióxido de carbono y a
medida que:
- \bullet
- la mezcla de fluidos frigorígenos, al subenfriarse, aporta calorías en dicha envolvente,
- \bullet
- dicho dióxido de carbono pasa del estado sólido al estado líquido.
15. Sistema, según la reivindicación 14, cuyo
sistema es tal que la mezcla de fluidos frigorígenos asegura
sucesivamente la fusión del dióxido de carbono en dicha envolvente
cerrada y la anti-sublimación del dióxido de carbono
que circula en circuito abierto en una envolvente simétrica del
anterior; realizándose alternativamente la fusión y la
anti-sublimación del dióxido de carbono en una y
otra de dichas envolventes (39,40), una de ellas cerrada y la otra
abierta.
\newpage
16. Sistema, según cualquiera de las
reivindicaciones 14 ó 15, cuyo sistema comprende además:
- medios de almacenamiento, en especial un
recipiente fijo (49) y/o transportable (51) para almacenar el
dióxido de carbono en forma líquida.
17. Sistema, según la reivindicación 16, cuyo
sistema es tal que dichos medios de almacenamiento del dióxido de
carbono en forma líquida en un recipiente fijo (49) y/o
transportable (51) comprenden además medios de aspiración, en
especial una bomba neumática (48) para:
- aspirar el dióxido de carbono líquido contenido
en dicha envolvente cerrada (39,40),
- llevar la presión de dicha envolvente cerrada
(39,40) a una presión próxima a la presión atmosférica,
- transferir el dióxido de carbono líquido a
dicho recipiente (49).
18. Sistema, según cualquiera de las
reivindicaciones 13 a 17, que comprende además:
- medios de compresión y/o de aspiración (57,59)
para enviar el nitrógeno al aire externo después de extracciones
sucesivas de los vapores de agua y de dióxido de carbono contenidos
en dichos humos.
19. Sistema, según la reivindicación 18, que
comprende además:
- medios de transferencia (55,13) para transferir
las frigorías contenidas en el nitrógeno expulsado al aire exterior
a los humos y contribuir de esta manera a la refrigeración de dichos
humos.
20. Sistema, según cualquiera de las
reivindicaciones 13 a 19, que comprende además:
- medios de recuperación (6,7,8,9,10) de la
energía calorífica disponible en dichos humos para refrigerar, sin
facilitar energía adicional, dichos humos hasta la temperatura de
anti-sublimación del dióxido de carbono a una
presión sensiblemente igual a la presión atmosférica.
21. Sistema, según la reivindicación 20, cuyo
sistema es tal que dichos mediosde recuperación (6,7,8,9,10) de la
energía calorífica disponible en dichos gases comprenden:
- medios de recalentamiento, en especial un
cambiador de calor (6), para recalentar y vaporizar agua por medio
de dichos humos y para producir vapor de agua a presión,
- medios de expansión, en especial una turbina
(7), para la expansión de dicho vapor de agua a presión y producir
energía mecánica o eléctrica (10).
22. Sistema, según cualquiera de las
reivindicaciones 13 a 21, en el que los mencionados medios para
enfriar dichos humos a una presión sensiblemente igual a la presión
atmosférica a una temperatura tal que el dióxido de carbono pasa
directamente del estado de vapor al estado sólido con intermedio de
un proceso de anti-sublimación comprende además:
- medios de extracción, especialmente cambiadores
(11,25) para extraer de dichos humos el agua en forma de líquido a
una presión sensiblemente igual a la presión atmosférica.
23. Sistema, según reivindicación 22, cuyo
sistema es tal que dichos medios de extracción para extraer de
dichos humos la totalidad o una parte del agua en forma líquida a
una presión sensiblemente igual a la presión atmosférica comprenden
un cambiador de aire o de agua (11).
24. Sistema, según la reivindicación 23, cuyo
sistema es tal que dichos medios de extracción para extraer la
totalidad de las cantidades de aguas residuales en dichos humos
comprenden un cambiador calorífico (25) y/o un deshidratador
(56).
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