ES2901678T3 - Sistema y método de ciclo orgánico de Rankine - Google Patents

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Matthew Alexander Lehar
Sebastian Walter Freund
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Abstract

Un sistema (10, 70) de ciclo orgánico de Rankine configurado para limitar la temperatura de un fluido (14, 71) de trabajo por debajo de una temperatura umbral, en donde el sistema (10, 70) de ciclo orgánico de Rankine comprende: una fuente (16, 74) de calor configurada para transportar un fluido (18, 76) de calor residual; un intercambiador (20, 78) de calor acoplado a la fuente (16, 74) de calor, en donde el intercambiador (20, 78) de calor comprende: un evaporador (22, 94) configurado para recibir el fluido (18, 76) de calor residual que tiene una primera temperatura de la fuente (16, 74) de calor, y para vaporizar el fluido (14, 71) de trabajo, que tiene una segunda temperatura, en donde el evaporador (22, 94) está configurado además para promover el intercambio de calor entre el fluido (18, 76) de calor residual y el fluido (14, 71) de trabajo vaporizado dentro del evaporador (22, 94), y además para producir un flujo de salida del evaporador que comprende un fluido (23) de calor residual, que tiene una tercera temperatura que es menor que la primera temperatura, y un fluido (25) de trabajo, que tiene una cuarta temperatura que es más alta que la segunda temperatura; un sobrecalentador (24, 108) configurado para recibir el fluido (23) de calor residual desde el evaporador (22, 94), configurado además el sobrecalentador (24, 108) para permitir el intercambio de calor entre el fluido (23) de calor residual y el fluido (25) de trabajo contenido en el sobrecalentador (24, 108), y además para producir un flujo de salida del sobrecalentador que comprende un fluido (27) de calor residual que tiene una quinta temperatura; y un precalentador (28, 92) configurado para recibir el fluido (27) de calor residual que tiene la quinta temperatura desde el sobrecalentador (24, 108) y permitir el intercambio de calor con un fluido de trabajo en estado líquido contenido en el precalentador (28, 92); caracterizado por que el intercambiador (20, 78) de calor incluye varias características (82) de mejora externas y varias características (84) de mejora internas, en donde las características (82) de mejora externas se configuran para reducir un primer coeficiente de transferencia de calor entre el fluido (14, 71) de trabajo y el fluido (18, 76) de calor residual externo al intercambiador (20, 78) de calor y las características (84) de mejora internas se configuran para aumentar un segundo coeficiente de transferencia de calor entre el fluido (14, 71) de trabajo y el fluido (18, 76) de calor residual interno al intercambiador (20, 78) de calor.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema y método de ciclo orgánico de Rankine
Antecedentes
La invención se refiere de forma general a sistemas de organic rankine cycle (ciclo orgánico de Rankine - ORC) y, más especialmente, a un sistema y método económicos para los mismos.
Con la llegada de la crisis energética y la necesidad de conservar y usar de manera más eficaz nuestras energías disponibles, se han utilizado sistemas de ciclo de Rankine para capturar el denominado “ calor residual” , que de otro modo se perdía en la atmósfera y, como tal, era indirectamente perjudicial para el medio ambiente al requerirse más combustible de lo necesario para la producción de energía.
Las fuentes comunes de calor residual que actualmente se descargan al medio ambiente son fuentes geotérmicas y calor procedente de otros tipos de motores, tales como motores de turbinas de gas, que emiten un calor considerable en sus gases de escape, y motores alternativos, que desprenden calor tanto en sus gases de escape como para enfriar líquidos tales como agua y lubricantes.
En general, los sistemas de ORC se han utilizado para reconvertir turbinas de gas de escala pequeña y mediana, para capturar la producción de energía deseable de la corriente de gas de calor residual. Un fluido de trabajo utilizado en tales ciclos es de forma típica un hidrocarburo a aproximadamente la presión atmosférica. Sin embargo, el fluido de trabajo puede degradarse más allá de una temperatura crítica, tal como, aunque no de forma limitativa, 500 °C. En un sistema de turbina de gas, la temperatura de los gases de escape es comparable a estas altas temperaturas y, por lo tanto, existe una probabilidad razonable de degradación del fluido de trabajo debido a la exposición directa al gas de calor residual de los gases de escape.
Para evitar el problema mencionado anteriormente, se utiliza de forma general un sistema de fluido térmico intermedio para transportar calor de los gases de escape a una caldera de ciclo orgánico de Rankine. En un ejemplo, el fluido es aceite. Sin embargo, el sistema de fluido térmico intermedio representa hasta aproximadamente una cuarta parte del coste de todo el ORC. Además, el sistema de fluido térmico intermedio y los intercambiadores de calor requieren una mayor diferencia de temperatura, lo que da lugar a un aumento de tamaño y una disminución de la eficiencia general. Por lo tanto, es deseable un sistema de ORC mejorado para abordar uno o más de los problemas mencionados anteriormente.
De CN 101302445 A se conoce un generador de vapor de recuperación de calor para gasificación de lecho fluidificado. El generador de vapor de recuperación de calor comprende un evaporador de alta temperatura, un sobrecalentador, un evaporador y un economizador que están dispuestos en un recipiente de acero en serie. El evaporador de alta temperatura está diseñado para adoptar una estructura pirotubular, en donde el sobrecalentador, el evaporador y el economizador dispuestos posteriormente están diseñados para adoptar una estructura de tubo de agua.
El documento JPH06213403 A describe una caldera de recuperación de calor residual que toma, como fuente de calor, gas de combustión expulsado de un dispositivo de turbina de gas. Además, el documento WO 2006/050714 A2 enseña un dispositivo para transformar un medio de trabajo de estado líquido a vapor. El dispositivo comprende un canal de flujo en espiral a través del cual fluye el medio de trabajo y una fuente de calor dispuesta en el centro del canal de flujo en espiral.
Breve descripción
Se describe un método y un sistema de organic rankine cycle (ciclo orgánico de Rankine - ORC) para limitar la temperatura de un fluido de trabajo por debajo de una temperatura umbral como se define en las reivindicaciones independientes. Según una realización de la invención, se proporciona un sistema de ORC configurado para limitar la temperatura de un fluido de trabajo por debajo de una temperatura umbral. El sistema de ORC incluye una fuente de calor configurada para transportar un fluido de calor residual. El sistema de ORC también incluye un intercambiador de calor acoplado a la fuente de calor. El intercambiador de calor incluye un evaporador configurado para recibir el fluido de calor residual de la fuente de calor y vaporizar el fluido de trabajo, en donde el evaporador está configurado además para permitir el intercambio de calor entre el fluido de calor residual y el fluido de trabajo vaporizado y producir un flujo de salida del evaporador que comprenda un fluido de calor residual a temperatura inferior. El intercambiador de calor también incluye un sobrecalentador configurado para recibir el fluido de calor residual a temperatura inferior del evaporador y está configurado, además, para permitir el intercambio de calor entre el fluido de calor residual a temperatura inferior y un fluido de trabajo a temperatura relativamente más alta contenido en el sobrecalentador y producir, además, un flujo de salida del sobrecalentador que comprenda un fluido de calor residual a temperatura elevada. El intercambiador de calor incluye, además, un precalentador configurado para recibir el fluido de calor residual a temperatura elevada procedente del sobrecalentador y permitir el intercambio de calor con un fluido de trabajo a temperatura relativamente inferior en estado líquido contenido en el precalentador.
Según otra realización de la invención, se proporciona un método para limitar la temperatura de un fluido de trabajo por debajo de una temperatura umbral en un ORC. El método incluye introducir fluido de calor residual en un intercambiador de calor, en donde el intercambiador de calor incluye un evaporador, un sobrecalentador y un precalentador. El método incluye también transportar el fluido de calor residual al evaporador para promover el intercambio de calor entre el fluido de calor residual y el fluido de trabajo a una temperatura elevada vaporizado dentro del evaporador para producir un flujo de salida del evaporador que incluya un fluido de calor residual a temperatura inferior. El método también incluye transportar el fluido de calor residual a temperatura inferior del evaporador a un sobrecalentador para promover el intercambio de calor entre el fluido de calor residual a temperatura inferior y un fluido de trabajo a temperatura relativamente más alta contenido en el sobrecalentador y producir, además, un flujo de salida del sobrecalentador que incluya un fluido de calor residual a temperatura elevada. El método incluye, además, transportar el fluido de calor residual a temperatura elevada desde el sobrecalentador hasta un precalentador para promover el intercambio de calor con un fluido de trabajo a temperatura relativamente más baja en estado líquido contenido en el precalentador.
Dibujos
Estas y otras características, aspectos y ventajas de la presente invención se entenderán mejor cuando se lea la siguiente descripción detallada en referencia a los dibujos adjuntos, en los que caracteres similares representan partes similares en todos los dibujos, en donde:
La Fig. 1 es una ilustración esquemática de un sistema de ORC configurado para limitar la temperatura de un fluido de trabajo por debajo de una temperatura umbral.
La Fig. 2 es una ilustración gráfica de temperaturas del fluido de trabajo dentro de un intercambiador de calor que emplea el sistema de ORC de la Fig. 1.
La Fig. 3 es una ilustración esquemática de otro sistema de ORC ilustrativo configurado para limitar la temperatura de un fluido de trabajo por debajo de una temperatura umbral según una realización de la invención.
La Fig. 4 es una representación gráfica de temperaturas del fluido de trabajo dentro de un intercambiador de calor que emplea el sistema de ORC de la Fig. 3.
La Fig. 5 es un diagrama de flujo que representa etapas de un método para limitar la temperatura de un fluido de trabajo por debajo de una temperatura umbral en un ORC según una realización de la invención.
La Fig. 6 es un diagrama de flujo que representa etapas de un método para proporcionar un sistema de ORC según una realización de la invención.
Descripción detallada
Como se explica en detalle a continuación, las realizaciones de la invención incluyen un sistema y un método de organic rankine cycle (ciclo orgánico de Rankine - ORC) para limitar la temperatura de un fluido de trabajo dentro del sistema, por debajo de una temperatura umbral. El sistema y método proporcionan un fluido de calor residual que fluye a diversas secciones de un intercambiador de calor para permitir un intercambio de calor óptimo entre el fluido de calor residual y el fluido de trabajo, evitando de este modo el sobrecalentamiento del fluido de trabajo. El intercambiador de calor incluye características de mejora externas e internas para proporcionar un intercambio de calor óptimo entre el fluido de calor residual y el fluido de trabajo. Como se utiliza en la presente memoria, el término “temperatura umbral” se refiere a temperaturas en un intervalo entre aproximadamente 250 °C y aproximadamente 350 °C.
Volviendo a los dibujos, la Fig. 1 es una ilustración esquemática de un sistema 10 de organic rankine cycle (ciclo orgánico de Rankine - ORC) configurado para limitar la temperatura de un fluido 14 de trabajo por debajo de una temperatura umbral. El sistema 10 incluye una fuente 16 de calor que transporta un fluido 18 de calor residual a una temperatura, por ejemplo, entre aproximadamente 400 °C a aproximadamente 600 °C. Un intercambiador 20 de calor está acoplado a la fuente 16 de calor y está configurado para facilitar el intercambio de calor entre el fluido 14 de trabajo y el fluido 18 de calor residual de modo que no sobrecaliente el fluido 14 de trabajo, como se explicará con mayor detalle a continuación. El intercambiador 20 de calor incluye un evaporador 22 que recibe un flujo de entrada del fluido 14 de trabajo y vaporiza el fluido 14 de trabajo. El evaporador 22 recibe el fluido 18 de calor residual de la fuente 16 de calor y promueve el intercambio de calor entre el fluido 18 de calor residual y el fluido 14 de trabajo que está a una temperatura relativamente inferior, por ejemplo entre aproximadamente 150 °C a aproximadamente 300 °C y produce un flujo de salida del evaporador que incluye un fluido 23 de calor residual a temperatura inferior y un fluido 25 de trabajo a temperatura elevada. En una realización, la temperatura del fluido 25 de trabajo a temperatura elevada que sale del evaporador 22 es de aproximadamente 230 °C. En otra realización ilustrativa, el fluido 18 de calor residual y el fluido 25 de trabajo están en una configuración de flujo paralelo en el evaporador 22. La expresión “configuración de flujo paralelo” se refiere a que se transfiere calor de una entrada de la fuente 16 de calor a una entrada del evaporador 22 y, del mismo modo, de una salida de la fuente 16 de calor a una salida del evaporador 22.
El flujo de salida de evaporador del evaporador 22 se transporta a un sobrecalentador 24. El sobrecalentador 24 calienta además el fluido 25 de trabajo a temperatura elevada para producir un fluido 29 de trabajo a una temperatura relativamente más alta dentro del intercambiador 20 de calor en comparación con las temperaturas del fluido de trabajo en el evaporador 22 y un precalentador 28. El sobrecalentador 24 promueve el intercambio de calor entre el fluido 25 de trabajo a temperatura relativamente más alta y el fluido 23 de calor residual a temperatura inferior para producir un flujo de salida del sobrecalentador que incluya un fluido 27 de calor residual a temperatura elevada. Debe señalarse que el fluido residual 18 directamente procedente de la fuente 16 de calor está a una temperatura más alta en comparación con el fluido 23 de calor residual a temperatura inferior que entra al sobrecalentador 24. Por lo tanto, al permitir que el fluido 18 de calor residual entre al evaporador 22 antes de entrar al sobrecalentador 24, se evita el contacto del fluido 25 de trabajo a temperatura elevada contenido en el sobrecalentador 24 con el fluido residual 18 de la fuente 16 de calor que está también a una temperatura relativamente más alta. Por lo tanto, se elimina una posible degradación de la película del fluido de trabajo debido al contacto con el fluido residual 18 a temperatura relativamente más alta de la fuente 16 de calor.
El fluido 27 de calor residual a temperatura elevada sale del sobrecalentador 24 y se lleva al precalentador 28. En una realización, la temperatura del fluido 27 de calor residual a temperatura elevada que sale del sobrecalentador es entre aproximadamente 375 °C a aproximadamente 425 °C. El precalentador 28 contiene un fluido 14 de trabajo a temperatura relativamente inferior en estado líquido y promueve el intercambio de calor entre el fluido 14 de trabajo a temperatura relativamente inferior y el fluido residual 27 a temperatura elevada, lo que da como resultado un fluido residual 31 a temperatura relativamente inferior que sale del intercambiador 20 de calor. En una realización, el fluido 14 de trabajo a temperatura relativamente inferior y el fluido residual 27 a temperatura elevada están en una configuración de contraflujo en el precalentador 28. En una realización contemplada actualmente, el fluido 14 de trabajo es un hidrocarburo. Ejemplos no limitativos del hidrocarburo incluyen al menos uno seleccionado del grupo de ciclopentano, n-pentano, propano, butano, n-hexano y ciclohexano. En otra realización, la fuente de calor incluye un gas de escape de una turbina de gas. En otra realización adicional, el fluido de calor residual está en estado gaseoso.
La Fig. 2 es una ilustración gráfica 50 de las temperaturas 52 de un fluido de calor residual, de las temperaturas 54 de película de un fluido de trabajo y de las temperaturas 56 de masa del fluido de trabajo en las secciones de precalentador, evaporador y sobrecalentador de un intercambiador de calor que emplea la disposición de flujo de la Fig. 1. La ilustración gráfica 50 es el resultado de una simulación. El eje X 51 representa la longitud de flujo como una fracción de la longitud total del intercambiador de calor, mientras que el eje Y 53 representa temperaturas en °C. Como se ilustra, las temperaturas 52 del fluido de calor residual aumenta de aproximadamente 100 °C, en una longitud de flujo mínima en la sección 58 de precalentador, a aproximadamente 510 °C en una longitud de flujo de 1 unidad en la sección 62 del sobrecalentador. De modo similar, las temperaturas 54 de película del fluido de trabajo en contacto con el fluido de calor residual aumentan de aproximadamente 80 °C en el precalentador 58 para variar entre aproximadamente 244 °C a aproximadamente 273 °C en el evaporador 60, y posteriormente alcanzar una temperatura de aproximadamente 240 °C en el sobrecalentador 62, que está muy por debajo de una temperatura umbral del fluido de trabajo. Las temperaturas 56 de masa del fluido de trabajo también aumentan de aproximadamente 71 °C en el precalentador para variar entre aproximadamente 233 °C y 231 °C en el evaporador, y además alcanzar una temperatura de aproximadamente 240 °C en el sobrecalentador. Una menor diferencia entre la temperatura de masa y la temperatura de película del fluido de trabajo, especialmente en la sección del sobrecalentador, es claramente indicativa de una mayor estabilidad de la temperatura de película en el sobrecalentador y de una limitación de la temperatura a un límite seguro.
La Fig. 3 es una ilustración esquemática de una realización de un sistema 70 de ORC para limitar la temperatura de un fluido 71 de trabajo por debajo de una temperatura umbral y que muestra una vista detallada de un intercambiador 78 de calor. Una fuente 74 de calor introduce un fluido 76 de calor residual en el intercambiador 78 de calor. El intercambiador 78 de calor incluye numerosas características 82, 84 de mejora externas e internas, respectivamente. En la realización ilustrada, las características incluyen aletas. Las características de mejora externas están configuradas para reducir un primer coeficiente de transferencia de calor entre el fluido 71 de trabajo y el fluido 76 de calor residual, externo al intercambiador 78 de calor. Un ejemplo no limitativo de característica de mejora externa incluye aletas. De modo similar, las características de mejora internas están configuradas para aumentar un segundo coeficiente de transferencia de calor entre el fluido 71 de trabajo y el calor residual 76, interno al intercambiador 78 de calor. Ejemplos no limitativos de las características de mejora internas incluyen aletas internas, generadores de turbulencia o superficies de ebullición. En una realización, el intercambiador 78 de calor incluye un precalentador, un evaporador y un sobrecalentador.
Como se ilustra en la presente memoria, el fluido 71 de trabajo entra en un precalentador 92 en estado líquido. El precalentador 92 incluye aletas 93 externas y separadas uniformemente a longitudes iguales entre sí. Además, el fluido 71 de trabajo entra en un evaporador 94. Una parte 96 del evaporador 94 incluye aletas 98 externas a longitudes más cortas que las del precalentador 92 y están separadas uniformemente. Una parte 102 del evaporador incluye aletas externas 104 aletas internas 106. Las aletas externas 104 están a longitudes más cortas que las de las aletas 98 y de forma típica están separadas uniformemente. Las aletas internas 106 están dispuestas para aumentar un primer coeficiente de transferencia de calor entre el fluido 71 de trabajo y el fluido 76 de calor residual, mientras se reduce la temperatura de la pared del evaporador que experimenta una película del fluido 71 de trabajo. En una realización particular, el primer coeficiente de transferencia de calor varía entre aproximadamente 3000 y aproximadamente 5000 W/m2-K en el lado del fluido, y tiene un valor de aproximadamente 100 W/m2-K en el lado del fluido de calor residual, en la realización en la que ese fluido es un gas. El área de las aletas se reduce en secciones del intercambiador 78 de calor donde el fluido 71 de trabajo es vulnerable al sobrecalentamiento. De modo similar, para compensar, el área de las aletas se aumenta en secciones donde el fluido 71 de trabajo no es vulnerable al sobrecalentamiento y para reducir un segundo coeficiente de transferencia de calor externo al intercambiador 78 de calor. En una realización ilustrativa, el segundo coeficiente de transferencia varía entre aproximadamente 20000 y aproximadamente 40000 W/m2-K en el lado del fluido, y tiene un valor de aproximadamente 100 W/m2-K en el lado del fluido de calor residual, en la realización en la que ese fluido es un gas. Además, se disponen pocas o ninguna aleta externa en un sobrecalentador 108, mientras que pueden disponerse aletas internas 110. En una realización ilustrativa, un tercer coeficiente de transferencia de calor, en el lado del fluido de trabajo del sobrecalentador, tiene un valor de aproximadamente 15000 W/m2-K.
La Fig. 4 es una ilustración 120 gráfica esquemática de temperaturas ilustrativas de un fluido de trabajo en un precalentador, en un evaporador y en un sobrecalentador de un intercambiador 78 de calor (Fig. 3). El eje X 122 representa diversas secciones del intercambiador de calor, específicamente el precalentador 124 (también denominado “ eco” en la Fig. 4), el evaporador 126 (también denominado “ caldera” en la Fig. 4) y el sobrecalentador 128. El eje Y 130 representa la temperatura en °C. La curva 134 representa la temperatura de un fluido de calor residual procedente de un gas de escape. La temperatura en una salida de escape, representada por el número de referencia 136, aumenta abruptamente a través del precalentador, el evaporador y el sobrecalentador en un lugar de salida de escape, representado por el número de referencia 138. De modo similar, la curva 140 representa la temperatura del fluido de trabajo que aumenta a partir de una entrada del fluido de trabajo, representada por el número de referencia 142, en un precalentador 124, para alcanzar un estado estable 144 en el evaporador 126, y además aumentar ligeramente, como se muestra mediante 146, en el sobrecalentador 128. Debe observarse que la temperatura del fluido de trabajo se mantiene por debajo de una temperatura umbral, indicada por la línea horizontal 150 en el evaporador y el sobrecalentador.
La Fig. 5 es un diagrama de flujo que representa etapas de un método ilustrativo 170 para limitar la temperatura de un fluido de trabajo por debajo de una temperatura umbral en un sistema de ORC. El método 170 incluye introducir fluido de calor residual en un intercambiador de calor en la etapa 172, en donde el intercambiador de calor incluye un evaporador, un sobrecalentador y un precalentador. El fluido de calor residual se transporta al evaporador en la etapa 174 para promover el intercambio de calor entre el fluido de calor residual y el fluido de trabajo a una temperatura elevada, vaporizado dentro del evaporador, para producir un flujo de salida del evaporador que incluya un fluido de calor residual a temperatura inferior. En una realización particular, el fluido de calor residual se transporta en una configuración de flujo paralelo con el fluido de trabajo del evaporador. El fluido de calor residual a temperatura inferior se lleva a continuación del evaporador a un sobrecalentador en la etapa 176 para promover el intercambio de calor entre el fluido de calor residual a temperatura inferior y un fluido de trabajo a temperatura relativamente más alta contenido en el sobrecalentador, produciendo además un flujo de salida del sobrecalentador que incluye un fluido de calor residual a temperatura elevada. En una realización, el fluido de calor residual a temperatura inferior se transporta a una temperatura entre aproximadamente 425 °C y aproximadamente 475 °C. El fluido de calor residual a temperatura elevada se lleva posteriormente del sobrecalentador a un precalentador en la etapa 178 para promover el intercambio de calor con un fluido de trabajo a temperatura relativamente inferior en estado líquido contenido en el precalentador. En otra realización adicional, el fluido de calor residual a temperatura inferior y el fluido de calor residual a temperatura elevada se llevan al sobrecalentador y al precalentador respectivamente en una configuración de contraflujo con el fluido de trabajo.
La Fig. 6 es un diagrama de flujo que representa las etapas de un método 190 para proporcionar un sistema de ciclo orgánico de Rankine para limitar la temperatura de un fluido de trabajo por debajo de una temperatura umbral. El método 190 incluye proporcionar una fuente de calor configurada para transportar fluido de calor residual en la etapa 192. En la etapa 194 se proporciona un intercambiador de calor acoplado a la fuente de calor. El intercambiador de calor incluye varias de al menos una de las características de mejora externas o internas, en donde las características de mejora externas están configuradas para reducir un primer coeficiente de transferencia de calor entre el fluido de trabajo y el fluido de calor residual de una fuente de calor, externo al intercambiador de calor. Además, las características de mejora internas están configuradas para aumentar un segundo coeficiente de transferencia de calor entre el fluido de trabajo y el fluido de calor residual de una fuente de calor, interno al intercambiador de calor. En una realización, proporcionar un intercambiador de calor incluye proporcionar al menos uno de un precalentador, un evaporador o un sobrecalentador. En otra realización, las características de mejora externas incluyen aletas. En otra realización adicional, las características de mejora internas incluyen aletas, generadores de turbulencia y superficies de ebullición.
Las diversas realizaciones de un sistema y un método de ciclo orgánico de Rankine para limitar la temperatura del fluido de trabajo proporcionan un medio muy eficiente para evitar el sobrecalentamiento y la descomposición del fluido de trabajo. El sistema y el método también eliminan el uso del circuito de fluido intermedio utilizado comúnmente, reduciendo por tanto costes de capital y complejidades significativos. Las técnicas también permiten una huella reducida de una planta, permitiendo su uso en una amplia variedad de aplicaciones tales como, aunque no de forma limitativa, plataformas petrolíferas marinas, donde el espacio es escaso.
El experto en la técnica reconocerá la intercambiabilidad de diversas características de distintas realizaciones. Por ejemplo, el uso de una configuración de flujo paralelo entre el fluido de trabajo y el fluido de calor residual descrito con respecto a una realización puede adaptarse para su uso con un intercambiador de calor que incluya características de mejora externas y características de mejora internas.

Claims (7)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Un sistema (10, 70) de ciclo orgánico de Rankine configurado para limitar la temperatura de un fluido (14, 71) de trabajo por debajo de una temperatura umbral, en donde el sistema (10, 70) de ciclo orgánico de Rankine comprende:
    una fuente (16, 74) de calor configurada para transportar un fluido (18, 76) de calor residual; un intercambiador (20, 78) de calor acoplado a la fuente (16, 74) de calor, en donde el intercambiador (20, 78) de calor comprende:
    un evaporador (22, 94) configurado para recibir el fluido (18, 76) de calor residual que tiene una primera temperatura de la fuente (16, 74) de calor, y para vaporizar el fluido (14, 71) de trabajo, que tiene una segunda temperatura, en donde el evaporador (22, 94) está configurado además para promover el intercambio de calor entre el fluido (18, 76) de calor residual y el fluido (14, 71) de trabajo vaporizado dentro del evaporador (22, 94), y además para producir un flujo de salida del evaporador que comprende un fluido (23) de calor residual, que tiene una tercera temperatura que es menor que la primera temperatura, y un fluido (25) de trabajo, que tiene una cuarta temperatura que es más alta que la segunda temperatura;
    un sobrecalentador (24, 108) configurado para recibir el fluido (23) de calor residual desde el evaporador (22, 94), configurado además el sobrecalentador (24, 108) para permitir el intercambio de calor entre el fluido (23) de calor residual y el fluido (25) de trabajo contenido en el sobrecalentador (24, 108), y además para producir un flujo de salida del sobrecalentador que comprende un fluido (27) de calor residual que tiene una quinta temperatura; y
    un precalentador (28, 92) configurado para recibir el fluido (27) de calor residual que tiene la quinta temperatura desde el sobrecalentador (24, 108) y permitir el intercambio de calor con un fluido de trabajo en estado líquido contenido en el precalentador (28, 92); caracterizado por que el intercambiador (20, 78) de calor incluye varias características (82) de mejora externas y varias características (84) de mejora internas, en donde las características (82) de mejora externas se configuran para reducir un primer coeficiente de transferencia de calor entre el fluido (14, 71) de trabajo y el fluido (18, 76) de calor residual externo al intercambiador (20, 78) de calor y las características (84) de mejora internas se configuran para aumentar un segundo coeficiente de transferencia de calor entre el fluido (14, 71) de trabajo y el fluido (18, 76) de calor residual interno al intercambiador (20, 78) de calor.
  2. 2. El sistema (10, 70) de la reivindicación 1, en donde la primera temperatura del fluido (18, 76) de calor residual introducido en el evaporador (22, 94) comprende un intervalo entre aproximadamente 450 y aproximadamente 600 °C.
  3. 3. El sistema (10, 70) de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde la tercera temperatura del fluido (23) de calor residual que sale del evaporador (22, 94) comprende un intervalo entre aproximadamente 425 y aproximadamente 475 °C.
  4. 4. El sistema (10, 70) de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la cuarta temperatura del fluido (25) de trabajo que sale del evaporador (22, 94) comprende aproximadamente 230 °C.
  5. 5. El sistema (10, 70) de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la quinta temperatura del fluido (27) de calor residual que sale del sobrecalentador (24, 108) comprende un intervalo entre aproximadamente 375 y aproximadamente 425 °C.
  6. 6. El sistema (10, 70) de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el precalentador (28, 92) está configurado para calentar el fluido de trabajo en estado líquido.
  7. 7. Un método (170) para limitar la temperatura de un fluido de trabajo por debajo de una temperatura umbral en un ciclo orgánico de Rankine que comprende:
    introducir (172) un fluido de calor residual en un intercambiador (20, 78) de calor, en donde el intercambiador (20, 78) de calor comprende un evaporador (22, 94), un sobrecalentador (24, 108) y un precalentador (28, 92);
    transportar (174) el fluido (18, 76) de calor residual, que tiene una primera temperatura en el evaporador (22, 94), para promover el intercambio de calor entre el fluido (18, 76) de calor residual y el fluido (14, 71) de trabajo, que tiene una segunda temperatura y se vaporiza dentro del evaporador (22, 94) para producir un flujo de salida del evaporador que comprende un fluido (23) de calor residual a temperatura inferior que tiene una tercera temperatura que es inferior a la primera temperatura;
    transportar (176) el fluido (23) de calor residual a temperatura inferior del evaporador (22, 94) al sobrecalentador (24, 108) para promover el intercambio de calor entre el fluido (23) de calor residual a temperatura inferior y un fluido (25) de trabajo a temperatura más alta contenido en el sobrecalentador (24, 108) y que tiene una cuarta temperatura que es más alta que la segunda temperatura, y además para producir un flujo de salida del sobrecalentador que comprende un fluido (27) de calor residual a una quinta temperatura; y transportar (178) el fluido (27) de calor residual a la quinta temperatura del sobrecalentador (24, 108) al precalentador (28, 92) para promover el intercambio de calor con un fluido de trabajo en estado líquido contenido en el precalentador (28, 92);
    caracterizada por que el intercambiador (20, 78) de calor incluye varias características (82) de mejora externas y varias características (84) de mejora internas, en donde las características (82) de mejora externas se configuran para reducir un primer coeficiente de transferencia de calor entre el fluido (14, 71) de trabajo y el fluido (18, 76) de calor residual externo al intercambiador (20, 78) de calor y las características (84) de mejora internas se configuran para aumentar un segundo coeficiente de transferencia de calor entre el fluido (14, 71) de trabajo y el fluido (18, 76) de calor residual interno al intercambiador (20, 78) de calor.
    El método (170) de la reivindicación 7, en donde dicho transporte (174) del fluido (18, 76) de calor residual al evaporador (22, 94) comprende transportar el fluido (18, 76) de calor residual en un flujo paralelo con el fluido de trabajo en el evaporador (22, 94).
    El método (170) de la reivindicación 7 o la reivindicación 8, en donde dicho transporte (176) comprende ltransportar el fluido de calor residual a temperatura inferior del evaporador (22, 94) al sobrecalentador (24, 108) a la tercera temperatura que está entre aproximadamente 425 y aproximadamente 475 °C.
    El método (170) de una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, en donde dicho transporte (178) comprende transportar el fluido de calor residual del sobrecalentador (24, 108) al precalentador (28, 92) a la quinta temperatura que está entre aproximadamente 375 y aproximadamente 425 °C.
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