ES2928024T3 - Ciclo de Rankine orgánico multipresión - Google Patents
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Abstract
La presente descripción se refiere a un ciclo de Rankine orgánico ("ORC") de etapa de múltiples presiones que incluye un fluido de trabajo orgánico seco que fluye a través de una etapa de alta presión y una etapa de baja presión. En una realización, se pueden disponer en serie un evaporador de alta presión y un evaporador de baja presión. En otras realizaciones, los evaporadores pueden disponerse en paralelo. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Ciclo de Rankine orgánico multipresión
Antecedentes
El objeto descrito en la presente memoria se refiere a un ciclo de Rankine orgánico multipresión utilizando un fluido de trabajo orgánico seco.
El documento WO 2008/125827 A2 describe un aparato de ciclo de Rankine orgánico para generar energía a partir de dos fuentes distintas de calor a distintas temperaturas que comprenden un circuito de fluido de trabajo orgánico de baja presión y un circuito de fluido de trabajo orgánico de alta presión en comunicación fluida entre sí. El documento US 2013/341929 A1 describe un ciclo de vaporización orgánica.
Pueden emplearse sistemas de recuperación de calor residual para recuperar calor de bajo grado de procesos y operaciones industriales y comerciales. Por ejemplo, pueden utilizarse sistemas de recuperación de calor residual para recuperar calor de bajo grado de gases de escape calientes producidos por turbinas de gas. Los sistemas de recuperación de calor residual que implementan un ciclo de Rankine orgánico (ORC) con un fluido de trabajo orgánico pueden ser especialmente eficientes para recuperar calor de bajo grado debido a los cambios de fase relativamente bajos de los fluidos orgánicos.
Además, los sistemas de ORC pueden utilizarse en plantas de energía geotérmica. Las plantas de energía geotérmica buscan utilizar depósitos naturales de vapor y agua caliente (por ejemplo, salmuera) para generar electricidad. El vapor y el agua caliente de los depósitos geotérmicos se obtienen generalmente a temperaturas de grado bajo y, por lo tanto, un sistema de ORC puede ser un método eficiente para generar electricidad utilizando una fuente de calor de depósitos geotérmicos.
Los ORC tradicionales tienden a ser menos eficientes cuando disminuye la temperatura de la fuente de calor. Por lo tanto, se desea un sistema de ORC modificado que pueda generar electricidad utilizando fuentes de calor de grado bajo.
Breve descripción
La invención se define en las reivindicaciones adjuntas.
En un ejemplo no cubierto por la invención, un ciclo de Rankine orgánico incluye un fluido de trabajo orgánico seco, una etapa de alta presión y una etapa de baja presión. La etapa de alta presión incluye una bomba de alta presión, un evaporador de alta presión y un expansor de alta presión. De modo similar, la etapa de baja presión incluye una bomba de baja presión, un evaporador de baja presión y un expansor de baja presión. El ciclo de Rankine orgánico también incluye un mezclador configurado para combinar una corriente de alta presión del fluido de trabajo orgánico seco que sale del expansor de alta presión y una corriente de baja presión del fluido de trabajo orgánico seco que sale del evaporador de baja presión, en donde una corriente mezclada de entalpía sale del mezclador y entra en el expansor de baja presión. Además, el ciclo de Rankine orgánico tiene un condensador configurado para condensar la corriente mezclada de entalpía que sale del expansor de baja presión y una T configurada para dividir la corriente mezclada de entalpía que sale del condensador en la corriente de alta presión y la corriente de baja presión, en donde la corriente de alta presión entra en la bomba de alta presión y la corriente de baja presión entra en el evaporador de baja presión.
Breve descripción de los 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 muestra un ejemplo de un ciclo de Rankine orgánico tradicional.
La Fig. 2 ilustra un sistema de ciclo de Rankine orgánico modificado que incluye dos etapas de presión con dos expansores dispuestos en serie.
La Fig. 3 ilustra un sistema de ciclo de Rankine orgánico modificado que incluye dos etapas de presión con dos expansores dispuestos en serie.
La Fig. 4 ilustra un sistema de ciclo de Rankine orgánico modificado que incluye dos etapas de presión con dos expansores dispuestos en paralelo.
La Fig. 5 ilustra un sistema de ciclo de Rankine orgánico modificado que incluye dos etapas de presión dispuestas en una configuración en cascada.
La Fig. 6 muestra una realización de la presente invención que ilustra un sistema de ciclo de Rankine orgánico modificado que incluye tres etapas de presión con tres expansores dispuestos en serie.
Descripción detallada
A continuación se describirán una o más realizaciones específicas. En un esfuerzo por proporcionar una descripción concisa de estas realizaciones, puede que no se describan en la especificación todas las características de una implementación real. Debe tenerse en cuenta que en el desarrollo de cualquier implementación real tal, como en cualquier proyecto de ingeniería o de diseño, deben tomarse numerosas decisiones específicas de la implementación para alcanzar los objetivos específicos del desarrollador, tal como el cumplimiento de las restricciones relacionadas con el sistema y relacionadas con la actividad comercial, que pueden variar de una implementación a otra. Además, debe tenerse en cuenta que dicho esfuerzo de desarrollo podría ser complejo e intensivo, pero que, sin embargo, sería una tarea rutinaria de diseño, elaboración y fabricación para los expertos en la técnica que tengan el beneficio de esta descripción.
Cuando se introducen elementos de varias realizaciones de la presente invención, los artículos “un” , “ uno/a” , “el/la” y “dicho/a” significan que hay uno o más de los elementos. Los términos “que comprende” , “que incluye” y “que tiene” pretenden ser inclusivos y significan que puede haber elementos adicionales aparte de los elementos enumerados. Además, se pretende que cualquier ejemplo numérico en la siguiente discusión no sea limitativa y, por lo tanto, valores numéricos, intervalos y porcentajes adicionales estén dentro del ámbito de las realizaciones descritas.
En general, los sistemas de ORC tradicionales pueden hacer circular un fluido de trabajo orgánico en un circuito cerrado a través de un ciclo de expansión y presurización para convertir el calor en trabajo. Por ejemplo, el fluido de trabajo puede dirigirse a través de un intercambiador de calor donde el fluido de trabajo puede absorber calor desde una fuente de calor, tal como agua geotérmica o vapor (por ejemplo, salmuera), para vaporizar el fluido de trabajo. El fluido de trabajo orgánico posee un punto de ebullición que es menor que el punto de ebullición del agua, que permite que el ORC genere eficazmente energía desde fuentes de calor a baja temperatura. El fluido de trabajo vaporizado puede expandirse a través de una turbina para accionar una carga, tal como un generador, que produce electricidad. El fluido de trabajo expandido puede dirigirse a otro intercambiador de calor para condensar el fluido de trabajo a un líquido. El fluido de trabajo líquido puede entonces ser presurizado en una bomba y devolverse al primer intercambiador de calor, donde se repite el ciclo. Sistemas típicos de ORC pueden emplear un refrigerante, tal como R134a o R245fa, como el fluido de trabajo orgánico y pueden funcionar a temperaturas de aproximadamente 80 0C a 200 0C. Sin embargo, puede ser deseable utilizar otros fluidos de trabajo y temperaturas de funcionamiento cuando se utiliza un sistema multipresión y una fuente de calor de temperatura de bajo grado.
Como se explica en la presente memoria, los sistemas de ORC multinivel pueden utilizarse para mejorar la eficiencia de un sistema de ORC tradicional. Un ORC multinivel puede incluir etapas que funcionan a diferentes temperaturas o a diferentes presiones. Los sistemas de ORC que utilizan múltiples ciclos funcionan a diferentes temperaturas están configurados de forma general en una disposición en cascada. Una disposición en cascada incluye dos o más ORC individuales que comprenden, cada uno, un ciclo de Rankine de bucle cerrado. Por lo tanto, las disposiciones en cascada pueden aprovechar múltiples fluidos de trabajo que posean diferentes propiedades termodinámicas para maximizar la eficiencia. Sin embargo, los sistemas de ORC multinivel que funcionan a diferentes temperaturas requieren una fuente de calor de temperatura más alta para maximizar completamente la salida de potencia.
En ciertos ejemplos analizados en la presente memoria, los sistemas de ORC multipresión utilizan al menos dos etapas que funcionan a diferentes presiones. Un ORC multipresión también puede disponerse en una formación en cascada. De forma alternativa, el ORC multipresión puede disponerse de modo que se sitúen dos turbinas o expansores en serie, combinando de este modo el fluido de trabajo desde un ORC a alta presión y el fluido de trabajo desde un OCR a una presión inferior. Dicha configuración puede ser deseable porque el fluido de trabajo de alta presión sale de un expansor a alta presión como un vapor sobrecalentado, y aumenta la temperatura del fluido de trabajo de baja presión, requiriendo de este modo una menor entrada de energía global al sistema. Esta característica de la configuración de ORC mejora la eficiencia del sistema global en comparación con las ORC tradicionales.
La presente descripción se refiere a técnicas para mejorar la eficiencia de los sistemas que generan electricidad a partir de fuentes de calor de temperatura de bajo grado, tales como agua o vapor (por ejemplo, salmuera) procedente de un depósito geotérmico. Dicho sistema de generación de electricidad puede incluir un ciclo de Rankine orgánico (ORC) modificado que utiliza un disolvente orgánico seco como fluido de trabajo, pero contiene al menos dos etapas que funcionan a diferentes presiones. Las dos etapas pueden ser deseables para reducir la diferencia de temperatura entre el fluido de trabajo en ebullición y la fuente de calor. La fuente de calor puede utilizarse para hervir el fluido de trabajo a una alta presión y temperatura primero y, a continuación, hervir el fluido de trabajo a una presión y temperatura más bajas. Por lo tanto, dos etapas minimizan las diferencias de temperatura durante la ebullición y explotan la energía disponible en la fuente de calor tanto como sea posible. Para crear las dos
etapas, pueden ponerse en serie al menos dos expansores o turbinas. La salida de un expansor de alta presión puede mezclarse con una corriente de baja presión del fluido de trabajo antes de entrar en un expansor de baja presión. Esta configuración puede mejorar la eficiencia porque la salida del expansor de alta presión calienta adicionalmente el fluido de trabajo que entra en el expansor de baja presión sin requerir una entrada de energía adicional al sistema global. Por lo tanto, se requiere menos entrada de energía que en los ORC tradicionales. Al salir del expansor de baja presión, el fluido de trabajo combinado se condensa en un condensador y luego se reabsorbe en una o más bombas.
Un ejemplo no cubierto por la invención puede utilizarse para generar electricidad como parte de una planta de energía geotérmica de fluido binario. De forma general, las plantas de energía geotérmica utilizan depósitos geotérmicos de vapor y agua caliente (por ejemplo, salmuera) como fuentes de energía para la creación de electricidad. Las plantas de energía geotérmica de un solo fluido envían salmuera directamente a través de al menos una turbina o expansor para generar electricidad. Por el contrario, una planta de energía geotérmica de fluido binario incorpora intercambiadores de calor de modo que la salmuera (es decir, el primer fluido) transfiere energía a un fluido de trabajo (es decir, el segundo fluido) en un ORC. En una planta de energía geotérmica de fluido binario, el fluido de trabajo en el ORC pasa a través de la turbina o el intercambiador de calor para generar electricidad. El fluido de trabajo en un ORC tiene de forma general una temperatura de evaporación inferior a la del agua, lo que requiere menos energía para convertirlo en un estado gaseoso.
Una planta de energía geotérmica de fluido binario puede proporcionar una generación de electricidad mejorada. Sin embargo, las centrales de energía geotérmica de fluido binario tradicionales tienden a funcionar a bajas eficiencias cuando la fuente geotérmica está disponible únicamente a temperaturas relativamente bajas. Como se utiliza en la presente memoria, temperaturas relativamente bajas para una fuente de calor pueden ser entre 100 0C y 200 0C, entre 120 0C y 160 0C, entre 130 0C y 150 0C, o cualquier valor entre las mismas.
Volviendo a las figuras, la Fig. 1 muestra un ejemplo no cubierto por la invención de un sistema 10 de ORC tradicional, de una sola etapa para referencia. Un fluido 12 de trabajo fluye a través de los diversos componentes del ORC 10 para generar energía 14. El fluido de trabajo se envía a través de una bomba 16 para presurizar el fluido de trabajo a un nivel deseado. El fluido de trabajo fluye entonces hacia un evaporador 18, donde se calienta a una temperatura deseada. En determinados ejemplos, el evaporador 18 puede ser un intercambiador de calor, tal como un intercambiador de calor de carcasa y tubos, un intercambiador de calor de placas, un intercambiador de calor de placa y carcasa, o cualquier otro dispositivo configurado para transferir energía de una corriente de fluido a otra corriente de fluido. El evaporador 18 incluye una corriente 20 de fuente de calor, que transfiere energía desde la corriente 20 de fuente de calor al fluido 12 de trabajo. El fluido 12 de trabajo calentado fluye a continuación a un expansor 22 donde la presión del fluido 12 de trabajo cae significativamente. La caída de presión a través del expansor 22 puede utilizarse para generar energía o electricidad 14. El expansor 22 puede ser una turbina o cualquier otro dispositivo capaz de generar energía a través de la expansión de un fluido de trabajo. Después de la expansión, el fluido 12 de trabajo entra en un condensador 24 para enfriar el fluido 12 de trabajo de modo que sustancialmente todo el fluido 12 de trabajo esté en forma líquida antes de entrar en la bomba 16. El condensador 24 puede ser un intercambiador de calor, tal como un intercambiador de calor de carcasa y tubos, un intercambiador de calor de placas, un intercambiador de calor de placa y carcasa, o cualquier otro dispositivo configurado para transferir energía de una corriente de fluido a otra corriente de fluido. El condensador 24 también incluye una corriente 26 de sumidero de calor que absorbe energía del fluido 12 de trabajo, que permite que el fluido 12 de trabajo cambie de un estado gaseoso a un estado líquido.
El sistema 10 de ORC tradicional genera energía a una eficiencia relativamente baja cuando la corriente 20 de fuente de calor incluye un fluido a baja temperatura. Por lo tanto, es deseable modificar el sistema 10 de ORC tradicional de modo que la generación de energía pueda ser más eficiente cuando solo haya disponible una corriente de fuente de calor a baja temperatura.
La Fig. 2 muestra un ejemplo que puede aumentar la eficiencia de un sistema de ORC utilizando una corriente de fuente de calor a baja temperatura modificando el sistema 10 de ORC tradicional. La Fig. 2 muestra un sistema 40 de ORC modificado que incluye dos etapas de presión que utilizan un único fluido 42 de trabajo.
En determinadas realizaciones, el fluido 42 de trabajo puede ser un fluido orgánico seco. Por ejemplo, el fluido 42 de trabajo puede ser isobutano, butano, n-pentano, isopentano, isohexano, hexano, un siloxano, R245fa, cualquier sustancia que muestre una pendiente positiva en la línea de saturación de un diagrama T-S (es decir, “seco” ), o cualquier combinación de los mismos, entre otros. Al tener una pendiente positiva a lo largo de la línea de saturación del diagrama de temperatura-entropía (T-S), es probable que el fluido de trabajo se sobrecaliente en vez de condensarse en el momento de la expansión. Además, la entrada de energía global requerida para el sistema puede disminuir sustancialmente cuando se utiliza un fluido orgánico seco como fluido de trabajo debido a los bajos puntos de ebullición de tales fluidos. El uso de un fluido orgánico seco como fluido de trabajo es especialmente adecuado para generar energía desde una fuente de calor de temperatura de bajo grado. En otros ejemplos no cubiertos por la invención, pueden utilizarse fluidos orgánicos no secos como fluido de trabajo, tal como propano, r134a o una combinación de los mismos.
La Fig. 2 muestra un ejemplo no cubierto por la invención del sistema 40 de ORC modificado que incluye una etapa 44 de alta presión con una bomba 46 de alta presión que está habilitada para aumentar la presión de una corriente 48 de alta presión del fluido 42 de trabajo. En determinados ejemplos, la corriente 48 de alta presión sale de la bomba 46 de alta presión y entra en un precalentador 50 de alta presión donde la energía se transfiere a la corriente 48 de alta presión para aumentar la temperatura de la corriente 48 de alta presión. El precalentador 50 de alta presión puede ser un intercambiador de calor, tal como un intercambiador de calor de carcasa y tubos, un intercambiador de calor de tubería doble, un intercambiador de calor de placas, un intercambiador de calor de placa y carcasa, o cualquier otro dispositivo configurado para transferir energía de una corriente de fluido a otra corriente de fluido. La corriente 48 de alta presión puede entonces entrar en un evaporador 54 de alta presión donde la corriente 48 de alta presión absorbe energía de una corriente 52 de fuente de calor. Tras absorber energía de la corriente 52 de fuente de calor, aumenta la temperatura de la corriente 48 de alta presión. En determinados ejemplos, la corriente 48 de alta presión está sustancialmente en una fase gaseosa cuando sale del evaporador 54 de alta presión. Por ejemplo, la corriente 48 de alta presión puede salir del evaporador 54 de alta presión como un vapor sobrecalentado y puede contener entre 0 Kelvin de sobrecalentamiento y 10 Kelvin de sobrecalentamiento; entre 0 Kelvin de sobrecalentamiento y 15 Kelvin de sobrecalentamiento; entre 0 Kelvin de sobrecalentamiento y 20 Kelvin de sobrecalentamiento; o cualquier valor entre los mismos al salir del evaporador 54 de alta presión. Adicionalmente, el evaporador 54 de alta presión puede ser un intercambiador de calor, tal como un intercambiador de calor de carcasa y tubos, un intercambiador de calor de tubería doble, un intercambiador de calor de placas, un intercambiador de calor de placa y carcasa, o cualquier otro dispositivo configurado para transferir energía de una corriente de fluido a otra corriente de fluido.
Después de salir del evaporador 54 de alta presión, la corriente 48 de alta presión puede entrar en un expansor 56 de alta presión. En determinados ejemplos, el expansor 56 de alta presión está configurado para expandir rápidamente la corriente 48 de alta presión y generar energía 58 convirtiendo una caída de presión significativa de la corriente 48 de alta presión en trabajo. El expansor 56 de alta presión puede ser una turbina o cualquier otro dispositivo configurado para expandir un fluido de trabajo y generar energía. Después de salir del expansor 56 de alta presión, la corriente 48 de alta presión puede permanecer un vapor sobrecalentado.
Después de salir del expansor 56 de alta presión, la corriente 48 de alta presión puede combinarse con una corriente 60 de baja presión del fluido 42 de trabajo en un primer mezclador 62 para formar una corriente 64 mezclada de entalpía. La corriente 60 de baja presión forma parte de una etapa 66 de baja presión del ORC 40 global. En determinados ejemplos, la corriente 60 de baja presión entra en el primer mezclador 62 a una temperatura más baja que la corriente 48 de alta presión. Por lo tanto, en determinados ejemplos, la corriente 64 mezclada de entalpía que sale del primer mezclador 62 tiene una temperatura más alta que la corriente 60 de baja presión, pero una temperatura más baja que la corriente 48 de alta presión. Además, en determinados ejemplos, la corriente 64 mezclada de entalpía puede ser sustancialmente todo el gas saturado sin prácticamente sobrecalentamiento y prácticamente ningún líquido. Al combinar la corriente 48 de alta presión y la corriente 60 de baja presión en el primer mezclador 62, la cantidad de entrada de calor requerida para la corriente que entra a un expansor 68 de baja presión disminuye sustancialmente debido al calor que se transfiere de la corriente 48 de alta presión, que consiste en vapor sobrecalentado a la corriente 60 de baja presión que consiste en fluido casi saturado. Como ejemplo no limitativo, el sistema de ORC modificado puede generar un aumento de potencia neta del 2 por ciento situando el expansor 56 de alta presión en serie con el expansor 68 de baja presión y reduciendo el sobrecalentamiento de entrada aumentando el flujo másico de fluido de trabajo a baja presión.
La corriente 64 mezclada de entalpía puede entrar en el expansor 68 de baja presión, de modo que el expansor 68 de baja presión esté en serie con el expansor 56 de alta presión. El expansor de baja presión 66 está configurado para expandir rápidamente la corriente 64 mezclada de entalpía y generar energía 70, convirtiendo una caída de presión significativa de la corriente 64 mezclada de entalpía en trabajo. El expansor 68 de alta presión puede ser una turbina o cualquier otro dispositivo configurado para expandir un fluido de trabajo y generar energía.
Al salir del expansor 68 de baja presión, la corriente 64 mezclada de entalpía puede entrar en un condensador 72. En determinadas realizaciones, el condensador 72 puede configurarse para enfriar la corriente 64 mezclada de entalpía de manera que sustancialmente todo el fluido 42 de trabajo en la corriente 64 mezclada de entalpía que sale del condensador 72 esté en una fase líquida. El condensador puede incluir una corriente 74 de sumidero de calor. La corriente de sumidero de calor puede absorber calor de la corriente 64 mezclada de entalpía, de modo que la temperatura de la corriente 64 mezclada de entalpía disminuya en el condensador 72. La corriente de sumidero de calor puede comprender un fluido con una temperatura sustancialmente menor que la temperatura de la corriente 64 mezclada de entalpía que entra en el condensador 72. Como ejemplo no limitativo, la corriente de disipador de calor puede ser agua con una temperatura entre 5 0C y 25 0C o la temperatura del aire ambiente. En determinadas configuraciones, el condensador 72 puede ser un intercambiador de calor tal como un intercambiador de calor de carcasa y tubos, un intercambiador de calor de placas, una intercambiador de calor de tubo de aleta, o cualquier otro dispositivo configurado para transferir energía de una corriente de fluido a otra corriente de fluido.
La corriente 64 mezclada de entalpía puede salir del condensador 72 y entrar en una bomba 76 de baja presión. La bomba 76 de baja presión está configurada de modo que la corriente 64 mezclada de entalpía que sale de la bomba 76 de baja
presión tenga una presión más alta que la corriente 64 mezclada de entalpia que entra en la bomba 76 de baja presión. En determinados ejemplos, la corriente 64 mezclada de entalpía también puede entrar en un precalentador 78 de baja presión después de salir de la bomba 76 de baja presión. El precalentador 78 de baja presión transfiere energía de una corriente 52 de fuente de calor u otra corriente de fuente de calor a la corriente 64 mezclada de entalpía. El precalentador 78 de baja presión puede ser un intercambiador de calor, tal como un intercambiador de calor de carcasa y tubos, un intercambiador de calor de tubería doble, un intercambiador de calor de placas, un intercambiador de calor de placa y carcasa, o cualquier otro dispositivo configurado para transferir energía de una corriente de fluido a otra corriente de fluido.
En determinados ejemplos, la corriente 64 mezclada de entalpía que sale del precalentador 78 de baja presión puede dividirse entonces en la corriente 48 de alta presión del fluido 42 de trabajo y la corriente 60 de baja presión del fluido 42 de trabajo en una primera T 80. La primera T 80 dirige la corriente 48 de alta presión a la etapa 44 de alta presión y la corriente 60 de baja presión a la etapa 66 de baja presión. La corriente 48 de alta presión puede entonces entrar en la bomba 46 de alta presión, y el ciclo continúa. La corriente 60 de baja presión puede entrar en un evaporador 82 de baja presión. El evaporador 82 de baja presión transfiere energía desde la corriente 52 de fuente de calor u otra corriente de fuente de calor a la corriente 60 de baja presión de modo que la corriente de baja presión 60 que sale del evaporador 82 de baja presión tiene una temperatura más alta que la corriente de baja presión 60 que entra en el evaporador 82 de baja presión. Como se ha explicado anteriormente, la corriente 60 de baja presión que sale del evaporador 82 de baja presión puede consistir en el fluido 42 de trabajo principalmente en una fase líquida saturada. El evaporador 82 de baja presión puede ser un intercambiador de calor, tal como un intercambiador de calor de carcasa y tubos, un intercambiador de calor de tubería doble, un intercambiador de calor de placas, un intercambiador de calor de placa y carcasa, o cualquier otro dispositivo configurado para transferir energía de una corriente de fluido a otra corriente de fluido. Después de salir del evaporador 82 de baja presión, la corriente 60 de baja presión puede combinarse con la corriente 48 de alta presión en el primer mezclador 62 donde el sistema 40 de ORC modificado global continúa funcionando.
En un ejemplo, la corriente 52 de fuente de calor del sistema 40 de ORC modificado puede dividirse en una corriente 84 de precalentamiento de alta presión y una corriente 86 de evaporación de baja presión con una T 88 de fuente de calor. La corriente 84 de precalentamiento de alta presión puede actuar como una fuente de calor para el precalentador 50 de alta presión y la corriente 86 de evaporación de baja presión puede actuar como una fuente de calor para el evaporador 82 de baja presión. Después de que la corriente 84 de precalentamiento de alta presión salga del precalentador 50 de alta presión y la corriente 86 de evaporación de baja presión sale del evaporador 82 de baja presión, las dos corrientes 84, 86 pueden mezclarse en un mezclador 90 de fuente de calor para crear una corriente 92 mezclada de fuente de calor. En ciertos ejemplos, la corriente 92 mezclada de fuente de calor puede usarse como una fuente de calor para el precalentador 78 de baja presión. La división de la corriente 52 de fuente de calor puede permitir que el sistema 40 de ORC modificado funcione de modo más eficiente que los ORC tradicionales. Como ejemplo no limitativo, dividir la corriente 52 de fuente de calor aguas abajo del evaporador 54 de alta presión puede aumentar la ganancia neta de potencia del sistema 40 de ORC modificado en un 3 por ciento. Por lo tanto, cuando se combina con el potencial 2 por ciento de ganancia de potencia neta causada por la situación del expansor 56 de alta presión en serie con el expansor 68 de baja presión, el sistema 40 de ORC modificado puede generar una ganancia de potencia neta del 5 por ciento o más, por ejemplo.
En otro ejemplo, la corriente 52 de fuente de calor puede no dividirse, sino más bien, puede fluir a través del evaporador 54 de alta presión, el precalentador 50 de alta presión, el evaporador 82 de baja presión y el precalentador 78 de baja presión en cualquier orden. En otro ejemplo, el evaporador 54 de alta presión, el precalentador 50 de alta presión, el evaporador 82 de baja presión y el precalentador 78 de baja presión también pueden tener corrientes de fuente de calor separadas. Las corrientes de fuente de calor separadas pueden tener o no distintas temperaturas. Por último, en un ejemplo, la corriente 84 de precalentamiento de alta presión y la corriente 86 de evaporación de baja presión pueden no combinarse en el mezclador 90 de fuente de calor y la corriente 84 de precalentamiento de alta presión o la corriente 86 de evaporación de baja presión, sola, puede ser la fuente de calor del precalentador 78 de baja presión. De forma alternativa, el precalentador 78 de baja presión puede tener una corriente de fuente de calor separada.
Los expertos en la técnica deberían apreciar que se pueden utilizar bombas, precalentadores, evaporadores, expansores y condensadores adicionales en el sistema 40 de ORC modificado, además de los mencionados anteriormente de modo específico. Por ejemplo, el sistema 40 de ORC modificado puede incluir más de un precalentador aguas arriba de un evaporador. La adición de precalentadores adicionales puede disminuir la entrada de energía requerida para ejecutar el sistema 40 de ORC modificado.
La Fig. 3 muestra otro ejemplo. En la Fig. 3, la primera T 80 está colocada aguas arriba de la bomba 76 de baja presión. La Fig. 3 muestra la primera T 80 que divide la corriente 64 mezclada de entalpía en la corriente 48 de alta presión y la corriente 60 de baja presión antes de que la corriente 64 mezclada de entalpía entre en la bomba 76 de baja presión. Por lo tanto, la corriente 48 de alta presión entra en la bomba 46 de alta presión y la corriente 60 de baja presión entra en la bomba 76 de baja presión después de salir de la primera T 80. En determinadas realizaciones, la bomba 46 de alta presión tiene una entrada 100 de energía mayor que una entrada 101 de energía a la bomba 76 de baja presión, de modo que la corriente 48 de alta presión puede alcanzar una presión más alta al salir de la bomba 46 de alta presión que la corriente 60 de baja presión que sale de la bomba 76 de baja presión. Además, en el ejemplo mostrado en la Fig. 3, la corriente 64 mezclada de entalpía no pasa a través del precalentador 78 de baja presión. Más bien, la corriente 64
mezclada de entalpia se divide en la corriente 48 de alta presión y la corriente 60 de baja presión aguas arriba del precalentador 78 de baja presión, de modo que solo la corriente 60 de baja presión fluye a través del precalentador 78 de baja presión.
La Fig. 3 también ilustra la corriente 52 de fuente de calor que se divide en la T 88 de fuente de calor y luego distribuye la corriente 84 de precalentamiento de alta presión al precalentador 50 de alta presión y la corriente 86 de evaporación de baja presión al evaporador 82 de baja presión. Sin embargo, los expertos en la técnica apreciarán que el evaporador 54 de alta presión, el precalentador 50 de alta presión y el evaporador 82 de baja presión pueden utilizar configuraciones de fuente de calor alternativas como se menciona con respecto a los ejemplos explicados anteriormente.
La Fig. 4 muestra otro ejemplo. En la Fig. 4, el expansor 56 de alta presión y el expansor 68 de baja presión están en una configuración paralela a diferencia de la configuración en serie que se representa en las Figs. 2 y 3. Por lo tanto, la corriente 60 de baja presión entra en el expansor 68 de baja presión antes del primer mezclador 62. De modo similar, la corriente 48 de alta presión se combina con la corriente 60 de baja presión aguas abajo del expansor 68 de baja presión, de manera que la corriente 48 de alta presión nunca entra en el expansor 68 de baja presión en forma de la corriente 64 mezclada de entalpia.
De nuevo, la Fig. 4 también ilustra la corriente 52 de fuente de calor que se divide en la T 88 de fuente de calor y luego distribuye la corriente 84 de precalentamiento de alta presión al precalentador 50 de alta presión y la corriente 86 de evaporación de baja presión al evaporador 82 de baja presión. Sin embargo, los expertos en la materia deberían apreciar que el evaporador 54 de alta presión, el precalentador 50 de alta presión, el evaporador 82 de baja presión y el precalentador 78 de baja presión pueden utilizar configuraciones de fuente de calor alternativas como se menciona con respecto a los ejemplos analizados anteriormente.
La Fig. 5 muestra otro ejemplo. En la Fig. 5, la etapa 44 de alta presión y la etapa 66 de baja presión son ciclos separados que tienen cada uno un fluido 102, 104 de trabajo separado. La etapa 44 de alta presión tiene un fluido 102 de trabajo de alta presión y la etapa de baja presión tiene un fluido 104 de trabajo de baja presión. En determinados ejemplos, el fluido 102 de trabajo de alta presión y el fluido 104 de trabajo de baja presión pueden tener la misma composición. En ejemplos alternativos, el fluido 102 de trabajo de alta presión y el fluido 104 de trabajo de baja presión pueden tener composiciones diferentes. La Fig. 5 muestra un ejemplo donde el fluido 102 de trabajo de alta presión se usa como fuente de calor para el evaporador 82 de baja presión. En ejemplos alternativos, la fuente de calor para el evaporador 82 de baja presión puede ser la corriente 52 de fuente de calor utilizada con el evaporador 54 de alta presión. En otros ejemplos, el fluido 102 de trabajo de alta presión puede no utilizarse como fuente de calor, y el evaporador 82 de baja presión puede utilizar una fuente de calor separada.
La Fig. 5 también incluye un segundo condensador 106. El segundo condensador 106 mostrado en la Fig. 5 puede configurarse para enfriar el fluido 102 de trabajo de alta presión que sale del evaporador 82 de baja presión, de modo que el fluido 102 de trabajo de alta presión que sale del segundo condensador 106 sea sustancialmente todo líquido. En ciertas configuraciones, el segundo condensador puede utilizar una segunda corriente 108 de sumidero de calor. En otros ejemplos, el segundo condensador puede utilizar la corriente 74 de sumidero de calor del primer condensador 72.
La realización según la invención incluye más de dos etapas de presión como se ilustra en la Fig. 6. La Fig. 6 ilustra la realización de la presente invención, y muestra un sistema 110 de ORC modificado que incluye tres etapas de presión. El sistema 110 de ORC modificado de la Fig. 6 incluye una tercera etapa 112 de presión además de la etapa 44 de alta presión y la etapa 66 de baja presión del sistema 40 de ORC modificado. La tercera etapa 112 de presión incluye un tercer precalentador 114 de presión, un tercer evaporador 116 de presión, un tercer expansor 118 de presión, una tercera bomba 120 de presión y una tercera corriente 122 del fluido 42 de trabajo. Adicionalmente, se incluyen un segundo mezclador 124 y una segunda T 126. El sistema 110 de ORC modificado de la Fig. 6 funciona de manera similar al sistema 40 de ORC modificado de la Fig. 2, pero incluye una etapa de presión adicional.
La Fig. 6 muestra una realización en la que en lugar de entrar en el condensador 72, la corriente 64 mezclada de entalpía entra en el segundo mezclador 124 donde se combina con la tercera corriente 122, formando una segunda corriente 128 mezclada de entalpía. La segunda corriente 128 mezclada de entalpía entra en el tercer expansor 118 de presión, donde se crea una caída de presión entre la segunda corriente 128 mezclada de entalpía que entra en el expansor 118 y la segunda corriente 128 mezclada de entalpía que sale de la turbina 128 de expansión. La caída de presión se utiliza para generar la energía 130. El tercer expansor 118 de presión puede estar configurado para expandir rápidamente la segunda corriente 128 mezclada de entalpía y para generar energía 130, convirtiendo una caída de presión significativa de la segunda corriente 128 mezclada de entalpía en trabajo. El tercer expansor 118 de presión puede ser una turbina o cualquier otro dispositivo configurado para expandir un fluido de trabajo y generar energía.
La segunda corriente 128 mezclada de entalpía entra en el condensador 72, donde la segunda corriente 128 mezclada de entalpía se enfría de modo que prácticamente toda la segunda corriente 128 mezclada de entalpía
esté en una fase líquida. A continuación, la segunda corriente 128 mezclada de entalpia entra en la tercera bomba 120 de presión y en el tercer precalentador 114 de presión. Según la invención, el tercer precalentador 114 de presión utiliza la misma corriente 52 de fuente de calor que el evaporador 54 de alta presión, el precalentador 50 de alta presión, el evaporador 82 de baja presión y/o el precalentador 78 de baja presión. En ejemplos alternativos no cubiertos por la invención, el tercer precalentador 114 de presión puede incluir una corriente de fuente de calor separada. En ciertos ejemplos no cubiertos por la invención, el tercer precalentador 114 de presión puede ser un intercambiador de calor, tal como un intercambiador de calor de carcasa y tubos, un intercambiador de calor de tubería doble, un intercambiador de calor de placas, un intercambiador de calor de placa y carcasa, o cualquier otro dispositivo configurado para transferir energía de una corriente de fluido a otra corriente de fluido.
Por último, la segunda corriente 128 mezclada de entalpía se divide en la corriente 64 mezclada de entalpía y la tercera corriente 122 en la segunda T 126. La tercera corriente 122 entra en el tercer evaporador 116 de presión. Según la invención, el tercer evaporador 116 de presión utiliza la misma corriente 52 de fuente de calor que el evaporador 54 de alta presión, el precalentador 50 de alta presión, el evaporador 82 de baja presión y/o el precalentador 78 de baja presión. En ejemplos alternativos no cubiertos por la invención, el tercer evaporador 116 de presión puede incluir una corriente de fuente de calor separada o compartir la misma fuente de calor que el tercer precalentador 114 de presión. En determinados ejemplos no cubiertos por la invención, el tercer evaporador 116 de presión puede ser un intercambiador de calor, tal como un intercambiador de calor de carcasa y tubos, un intercambiador de calor de tubería doble, un intercambiador de calor de placas, un intercambiador de calor de placa y carcasa, o cualquier otro dispositivo configurado para transferir energía de una corriente de fluido a otra corriente de fluido.
Los expertos en la técnica entenderán que los ejemplos no cubiertos por la invención pueden incluir más de tres etapas de presión. En el caso de más de tres etapas de presión, una corriente de fluido de trabajo que sale de un expansor dado se combina con el siguiente fluido de trabajo de la etapa de presión más baja antes de entrar en el siguiente expansor de la etapa de presión más baja. Este proceso continúa hasta que no existen más etapas de presión. Una vez que existen más etapas de presión, la corriente que sale del expansor de la etapa de presión final entra en un condensador antes de que el flujo se haga circular de nuevo en el sistema.
Claims (8)
1. Un ciclo de Rankine orgánico, que comprende:
un fluido de trabajo orgánico seco que fluye en una corriente (48) de alta presión, una corriente (60) de baja presión y una tercera corriente (122);
una etapa (44) de alta presión a través de la cual fluye la corriente (48) de alta presión, en donde la etapa de alta presión comprende una bomba (46) de alta presión, un precalentador (50) de alta presión, un evaporador (54) de alta presión y un expansor (56) de alta presión; una etapa (66) de baja presión acoplada de forma fluida a la etapa (44) de alta presión, en donde la corriente (60) de baja presión fluye a través de la etapa (66) de baja presión, en donde la etapa de baja presión comprende una bomba (76) de baja presión, un precalentador (78) de baja presión, un evaporador (82) de baja presión y un expansor (68) de baja presión;
una tercera etapa (112) de presión a través de la cual fluye la tercera corriente (122), en donde la tercera etapa de presión comprende una tercera bomba (120) de presión, un tercer precalentador (114) de presión, un tercer evaporador (116) de presión y un tercer expansor (118) de presión, en donde la tercera etapa de presión está acoplada de manera fluida a la etapa de baja presión; un primer mezclador (62) configurado para combinar la corriente (48) de alta presión y la corriente (60) de baja presión, en donde una primera corriente (64) mezclada de entalpía sale del primer mezclador (62), en donde el primer mezclador (62) está configurado para combinar la corriente (48) de alta presión que sale del expansor (56) de alta presión y la corriente (60) de baja presión que sale del evaporador (82) de baja presión, de modo que el expansor (56) de alta presión y el expansor (68) de baja presión están dispuestos en serie;
un segundo mezclador (124) configurado para combinar la primera corriente (64) mezclada de entalpía y la tercera corriente (122), en donde una segunda corriente (128) mezclada de entalpía sale del segundo mezclador (124);
un condensador (72) configurado para condensar la segunda corriente mezclada de entalpía una primera T (80) configurada para dividir la primera corriente (64) mezclada de entalpía en la corriente (48) de alta presión y la corriente (60) de baja presión; y
una segunda T (126) configurada para dividir la segunda corriente (128) mezclada de entalpía que sale del condensador (72) en la primera corriente (64) mezclada de entalpía y la tercera corriente (122); en donde una corriente (52) de fuente de calor configurada para suministrar energía térmica al evaporador de alta presión, después de salir del evaporador (54) de alta presión se divide en una T (88) de corriente de fuente de calor, de manera que una corriente (84) de precalentamiento de alta presión entra en el precalentador (50) de alta presión y una corriente (86) de evaporación de baja presión entra en el evaporador (82) de baja presión, y en donde la corriente (84) de precalentamiento de alta presión y la corriente (86) de evaporación de baja presión se combinan en un mezclador (90) de fuente de calor antes de entrar en el tercer precalentador (114) de presión.
2. El ciclo de Rankine orgánico de la reivindicación 1, en donde una primera presión de la corriente (48) de alta presión es mayor que una segunda presión de la corriente (60) de baja presión.
3. El ciclo de Rankine orgánico de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde el evaporador (54) de alta presión y el evaporador (82) de baja presión están dispuestos en serie, en donde una única corriente (52) de fuente de calor suministra energía al evaporador (54) de alta presión y al evaporador (82) de baja presión, y en donde el evaporador (82) de baja presión está aguas abajo del evaporador (54) de alta presión en una dirección de un flujo de la única corriente (52) de fuente de calor.
4. El ciclo de Rankine orgánico de cualquier reivindicación anterior, en donde la T (88) de corriente de fuente de calor está configurada para emitir una relación de la corriente (84) de precalentamiento de alta presión a la corriente (86) de evaporación de baja presión de 30/70, 40/60, 50/50 o cualquier valor entre las mismas.
5. El ciclo de Rankine orgánico de cualquier reivindicación anterior, en donde el evaporador (54) de alta presión está configurado de modo que la corriente de alta presión que sale del evaporador (54) de alta presión es vapor cerca de un punto de saturación del vapor y que tiene poco o ningún sobrecalentamiento.
6. El ciclo de Rankine orgánico de cualquier reivindicación anterior, en donde la corriente de baja presión que sale del evaporador (82) de baja presión es vapor cerca de un punto de saturación del vapor y que tiene poco o ningún sobrecalentamiento.
7. El ciclo de Rankine orgánico de cualquier reivindicación anterior, en donde el fluido de trabajo orgánico seco comprende isobutano, siloxano, R245fa, un compuesto orgánico seco o cualquier combinación de los mismos.
8. Un método para llevar a cabo el ciclo de Rankine orgánico de cualquier reivindicación anterior, que comprende:
calentar la corriente (48) de alta presión que comprende un fluido de trabajo orgánico seco en el evaporador (54) de alta presión;
expandir la corriente de alta presión en el expansor (56) de alta presión;
combinar, en el primer mezclador (62), la corriente (48) de alta presión con la corriente (60) de baja presión que comprende el fluido de trabajo orgánico seco para formar la primera corriente (64) mezclada de entalpía, en donde la corriente (60) de baja presión se evapora parcialmente antes de entrar en el primer mezclador (62);
expandir la primera corriente (64) mezclada de entalpía en el expansor (68) de baja presión; combinar, en el segundo mezclador (124), la primera corriente (64) mezclada de entalpía con la tercera corriente (122) para formar la segunda corriente (128) mezclada de entalpía; condensar la segunda corriente (128) mezclada de entalpía en el condensador (72);
dividir la segunda corriente (128) mezclada de entalpía en la primera corriente (64) mezclada de entalpía y la tercera corriente (122) en la segunda T (126);
bombear la primera corriente (64) mezclada de entalpía en la bomba (76) de baja presión; y dividir la primera corriente (64) mezclada de entalpía en la corriente (48) de alta presión y la corriente (60) de baja presión en la primera T (80), en donde la corriente (48) de alta presión entra en la bomba (46) de alta presión antes de entrar en el evaporador (54) de alta presión y la corriente (60) de baja presión entra en el evaporador (82) de baja presión antes de entrar en el primer mezclador (62).
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