ES2933433T3 - Circuito cerrado que funciona según un ciclo de Rankine con un dispositivo de parada de emergencia del circuito y procedimiento que utiliza tal circuito - Google Patents

Circuito cerrado que funciona según un ciclo de Rankine con un dispositivo de parada de emergencia del circuito y procedimiento que utiliza tal circuito Download PDF

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Abstract

La presente invención se refiere a un circuito cerrado (10) que funciona según un ciclo de Rankine, comprendiendo dicho circuito al menos una bomba (12) para hacer circular y comprimir un fluido de trabajo en forma líquida, un intercambiador de calor (18) barrido por una fuente caliente (23) para evaporar dicho fluido, medios (26) para expandir el fluido en forma de vapor, un intercambiador de enfriamiento (34) barrido por una fuente fría para condensar el fluido de trabajo, un tanque (40) de fluido de trabajo y tuberías de circulación para el fluido de trabajo (44, 46, 48, 50, 52, 54) para hacer circular dicho fluido entre la bomba, el intercambiador de calor, los medios de expansión, el condensador y el tanque. Según la invención, el circuito comprende un dispositivo (56) de drenaje del fluido contenido en el intercambiador de calor (18). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Circuito cerrado que funciona según un ciclo de Rankine con un dispositivo de parada de emergencia del circuito y procedimiento que utiliza tal circuito
La presente invención se refiere a un circuito cerrado que funciona según un ciclo de Rankine con un dispositivo de parada de emergencia de este circuito, así como a un procedimiento que utiliza un circuito con tal dispositivo.
Como es bien sabido, el ciclo de Rankine es un ciclo termodinámico mediante el cual el calor que procede de una fuente de calor externa se transfiere a un circuito cerrado que contiene un fluido de trabajo. Durante el ciclo, el fluido de trabajo sufre cambios de fase (líquido/vapor).
Este tipo de ciclo generalmente se divide en una etapa durante la cual el fluido de trabajo utilizado en forma líquida se comprime isoentrópicamente, seguido de una etapa donde este fluido líquido comprimido se calienta y se vaporiza en contacto con una fuente de calor.
Este vapor luego se expande, durante otra etapa, en una máquina de expansión, luego, en una etapa final, este vapor expandido se enfría y se condensa en contacto con una fuente de frío.
Para llevar a cabo estas diferentes etapas, el circuito comprende al menos una bomba-compresor para hacer circular y comprimir el fluido en forma líquida, un evaporador que es barrido por un fluido caliente para llevar a cabo la vaporización al menos parcial del fluido comprimido, una máquina de expansión para expandir el vapor, como una turbina, que transforma la energía de este vapor en otra energía, como una energía mecánica o eléctrica, y un condensador por el que el calor contenido en el vapor se cede a una fuente de frío, generalmente aire exterior , o incluso un circuito de agua de refrigeración, que barre este condensador, para transformar este vapor en un fluido en forma líquida.
En este tipo de circuito, el fluido utilizado es generalmente agua pero también pueden utilizarse otros tipos de fluidos, por ejemplo fluidos orgánicos o mezclas de fluidos orgánicos. El ciclo se llama entonces Ciclo de Rankine Orgánico u ORC (Organic Rankine Cycle).
A modo de ejemplo, los fluidos de trabajo pueden ser butano, etanol, hidrofluorocarbonos, amoníaco, dióxido de carbono... Como es bien sabido, el fluido caliente para llevar a cabo la vaporización del fluido comprimido puede provenir de diversas fuentes de calor, tales como un líquido de refrigeración (de un motor de combustión, de un proceso industrial, de un horno, etc.), gases calientes resultantes de una combustión (humos de un proceso industrial, de una caldera, gases de escape de un motor de combustión o de una turbina, etc.), de un flujo de calor procedente de captadores solares térmicos, etc. Más particularmente, se conoce, en particular por el documento FR 2884555, utilizar la energía calorífica transportada por los gases de escape de un motor de combustión interna, en particular el utilizado para vehículos de motor, como fuente de calor para asegurar el calentamiento y la vaporización del fluido que atraviesa el evaporador.
Esto permite mejorar la eficiencia energética de este motor recuperando gran parte de la energía perdida en el escape para transformarla en energía que puede ser utilizada para el vehículo de motor a través del circuito de ciclo de Rankine. El circuito de ciclo de Rankine permite así mejorar la eficiencia del motor.
Los documentos US 2014/075934 A1, US 2015/013338 A1, US 6237 542 B1 y JP 2001 033004 A muestran circuitos cerrados según el preámbulo de la reivindicación 1.
En este tipo de circuitos, en caso de producirse un problema, ya sea externo al circuito cerrado o interno a éste, puede ser necesario realizar una parada de emergencia del circuito para que deje de producir energía.
Para ello, es habitual utilizar uno o dos cortocircuitos con válvulas de cortocircuito que permitan, uno cortocircuitar la llegada de fluido caliente al evaporador y el otro cortocircuitar el paso del fluido de trabajo vaporizado en la máquina de expansión. La utilización de una configuración con un simple cortocircuito del evaporador tiene una desventaja.
En efecto, teniendo en cuenta la inercia térmica del circuito y en particular del evaporador, la presencia de fluido de trabajo en estado líquido en al menos una parte de este evaporador o más allá en el circuito conduce a la producción de vapor durante varias decenas de segundos después la activación de la parada de emergencia.
Además, la presencia de vapor de fluido de trabajo a presión persiste aguas arriba de la máquina de expansión.
Por lo tanto, no es posible detener rápidamente (es decir, en algunos segundos) la producción de energía a la salida de la máquina de expansión.
La segunda válvula permite entonces desviar el vapor del fluido de trabajo presente aguas arriba de la máquina de expansión directamente aguas abajo de esta máquina. Al cortocircuitarse así la máquina de expansión, el circuito ya no es capaz de producir energía y la producción de energía se detiene rápidamente.
Sin embargo, esta segunda válvula está situada en un ramal del circuito donde el fluido de trabajo se encuentra tanto a presión, caliente como en forma gaseosa. Por lo tanto, debe elegirse en consecuencia con materiales resistentes a la temperatura y a la presión y con un tamaño, en particular al nivel de su sección de paso, adaptado para permitir el paso del flujo de vapor en caso de su activación.
La presente invención, tal como se define en la reivindicación 1, propone remediar los inconvenientes anteriores proponiendo un circuito cerrado con un dispositivo que permite evitar, en caso de parada de emergencia de este circuito, la entrada de fluido de trabajo vaporizado a la entrada de la máquina de expansión.
A tal fin, la invención se refiere a un circuito cerrado que funciona según un ciclo de Rankine, comprendiendo dicho circuito al menos una bomba de circulación y de compresión con una entrada y una salida de un fluido de trabajo en forma líquida, un intercambiador de calor barrido por una fuente de calor para la evaporación de dicho fluido que circula entre una entrada y una salida de dicho intercambiador de calor, medios de expansión del fluido en forma de vapor, un intercambiador de refrigeración barrido por una fuente de frío para la condensación del fluido de trabajo que circula entre una entrada y una salida de dicho intercambiador de refrigeración, un depósito de fluido de trabajo, y conductos de circulación del fluido de trabajo para hacer circular dicho fluido entre la bomba, el intercambiador de calor, los medios de expansión, el condensador y el depósito, además el circuito comprende un dispositivo de vaciado del fluido contenido en el intercambiador de calor en caso de parada de emergencia de dicho circuito, y el circuito comprende una válvula de retención colocada cerca de la salida de la bomba y un filtro.
El dispositivo de vaciado puede comprender un conducto de vaciado conectado a dos puntos de conexión del circuito y que lleva un medio de válvula.
Los medios de válvula pueden ser una válvula de dos vías colocada sobre el conducto entre los dos puntos de conexión.
El medio de válvula puede ser una válvula de tres vías colocada en uno de los puntos de conexión con el circuito.
El medio de válvula puede ser una electroválvula.
Uno de los puntos de conexión se puede colocar entre la bomba y el intercambiador de calor y el otro de los puntos de conexión se puede colocar entre el intercambiador de refrigeración y la bomba.
El circuito puede incluir un dispositivo de cortocircuito de la fuente de calor que atraviesa el intercambiador de calor.
La invención tal como se define en la reivindicación 8 también se refiere a un método de control de un circuito cerrado que funciona según un ciclo de Rankine, comprendiendo dicho circuito al menos una bomba de circulación y de compresión con una entrada y una salida de un fluido de trabajo en forma líquida, un intercambiador de calor barrido por una fuente de calor para la evaporación de dicho fluido que circula entre una entrada y una salida de dicho intercambiador de calor, medios de expansión del fluido en forma de vapor, un intercambiador de refrigeración barrido por una fuente de frío para la condensación del fluido de trabajo que circula entre una entrada y un salida de dicho intercambiador de refrigeración, un depósito de fluido de trabajo, una válvula de retención colocada cerca de la salida de la bomba y un filtro, y conductos de circulación de fluido de trabajo para hacer circular dicho fluido entre la bomba, el intercambiador de calor, los medios de expansión, el condensador y el depósito, en caso de parada de emergencia del circuito, se transfiere el fluido contenido en el intercambiador de calor hacia la parte del circuito entre aguas arriba de la bomba y el depósito.
Se puede transferir el fluido contenido en el intercambiador de calor hacia el depósito.
Se puede transferir el fluido contenido en el intercambiador de calor hacia el conducto que conecta aguas arriba de la bomba y el depósito.
Se puede controlar la circulación del fluido de trabajo en el conducto de vaciado a través de un medio de válvula.
Se puede cortocircuitar la circulación de la fuente de calor para que rodee el intercambiador de calor
Las demás características y ventajas de la invención aparecerán con la lectura de la siguiente descripción, dada a título únicamente ilustrativo y no limitativo, y a la que se adjuntan:
- la figura 1 que ilustra un circuito cerrado que funciona según un ciclo de Rankine según la invención y
- la figura 2 que muestra una variante del circuito cerrado que funciona según un ciclo de Rankine de la figura 1;
Las figuras 1 y 2 ilustran una realización de un circuito cerrado de ciclo 10 de Rankine que es ventajosamente del tipo ORC (Organic Rankine Cycle) y que utiliza un fluido de trabajo orgánico o de las mezclas de fluidos orgánicos, como butano, etanol, hidrofluorocarbonos...
Se entiende que el circuito cerrado también puede funcionar con un fluido como amoníaco, agua, dióxido de carbono...
Este circuito comprende una bomba 12 de circulación y de compresión del fluido de trabajo, denominada bomba de circulación en lo que sigue de la descripción, con una entrada 14 del fluido de trabajo en forma líquida y una salida 16 para este fluido de trabajo también en forma líquida. Líquido pero comprimido a alta presión. Esta bomba está ventajosamente accionada en rotación por cualquier medio; como un motor eléctrico (no representado).
Este circuito también comprende un intercambiador 18 de calor, denominado evaporador, por el que atraviesa el fluido de trabajo comprimido entre una entrada 20 de este fluido líquido y una salida 22 a través de la cual sale el fluido de trabajo de este evaporador en forma de vapor comprimido. Este evaporador también es atravesado por una fuente 23 de calor, en forma líquida o gaseosa, transportada por una tubería 24 entre una entrada 25a y una salida 25b para poder transferir su calor al fluido de trabajo.
Esta fuente de calor puede proceder, por ejemplo, de los gases de escape de un motor de combustión interna, del fluido de refrigeración de un motor de combustión interna, del fluido de refrigeración de un horno industrial, o del fluido transmisor de calor calentado en instalaciones térmicas o por un quemador.
Este circuito también incluye una máquina 26 de expansión que recibe por su entrada 28 el fluido de trabajo en forma de vapor comprimido a alta presión, saliendo este fluido por la salida 30 de esta máquina en forma de vapor expandido a baja presión.
Ventajosamente, esta máquina de expansión tiene la forma de una turbina de expansión cuyo árbol del rotor es accionado en rotación por el fluido de trabajo en forma de vapor mediante el control en rotación de un árbol 32 de conexión. Preferiblemente, este árbol permite transmitir la energía recuperada del fluido de trabajo a cualquier dispositivo transformador, como por ejemplo un generador eléctrico (no representado).
El circuito comprende además un intercambiador 34 de refrigeración, o condensador, con una entrada 36 para el vapor de baja presión expandido y una salida 38 para el fluido de trabajo a baja presión transformado en forma líquida tras su paso por este condensador.
Este condensador es barrido por una fuente de frío, generalmente un flujo de aire ambiente o agua de refrigeración, para enfriar el vapor expandido para que se condense y se convierta en un líquido.
Por supuesto, se puede utilizar cualquier otra fuente de frío de refrigeración, como otro líquido de refrigeración o aire frío, para garantizar la condensación del vapor.
Este circuito también comprende, entre el condensador y la bomba de circulación, un depósito cerrado 40 que permite mantener el fluido de trabajo en estado líquido.
Según la invención, el circuito comprende una válvula 42 de retención situada cerca de la salida 16 de la bomba 12 y un filtro (no representado), como un filtro de cartucho, para filtrar el fluido de trabajo que sale del depósito antes de su introducción en la bomba.
Por supuesto, los diferentes elementos del circuito están interconectados por los conductos 44, 46, 48, 50, 52, 54 de circulación de fluido, lo que permite conectar sucesivamente la bomba con la válvula (conducto 44 de válvula), la válvula con el evaporador (conductor 46 de evaporador), el evaporador con la turbina (conducto 48 de turbina), esta turbina con el condensador (conductor 50 de condensador), el condensador con el depósito (conducto 52 de depósito), el depósito con la bomba (conducto 54 de bomba) para que el fluido de trabajo circule en el sentido de las agujas del reloj como se indica en las figuras con las flechas F.
Este circuito comprende además un dispositivo 56 de vaciado del fluido contenido en el intercambiador 18 de calor, que permite, en caso de parada de emergencia del circuito, traspasar el líquido a presión contenido en este intercambiador hacia el depósito o hacia la parte del circuito situada entre este depósito y aguas arriba de la bomba.
A modo de ejemplo ilustrado en la figura, este dispositivo 56 de vaciado comprende un conducto 58 de vaciado que se origina en un punto 60 de conexión del circuito aguas arriba del evaporador y aguas abajo de la bomba (considerando el sentido de circulación del fluido de trabajo según el flechas F) en el conducto o 46 donde el fluido está en forma líquida y desemboca en otro punto 62 de conexión de este circuito aguas arriba de la bomba y aguas abajo del condensador en uno de los conductos 52 o 54 donde el fluido también está en forma líquida.
Más precisamente y como se ilustra mejor en las figuras, este conducto tiene su origen en un punto 60 del circuito entre la válvula 42 de retención y la entrada 20 del evaporador y desemboca en un punto 62 del circuito situado entre la salida del depósito 40 y entrada 14 de la bomba 12.
En el ejemplo de las figuras, un medio 64 de válvula permite controlar la circulación del fluido de trabajo en forma líquida que circula por este conducto.
Este medio de válvula es una válvula 66 de dos vías en el caso de la figura 1 y está ubicada en el conducto 58 a una distancia de los dos puntos de conexión.
Como se ilustra en la figura 2, el medio 64 de válvula es una válvula 68 de tres vías que se coloca en el punto 60 de conexión con el conducto 46.
Estos dos tipos de válvulas se pueden controlar por cualquier medio conocido, tales como medios eléctricos, neumáticos, hidráulicos, etc.
Ventajosamente, estas válvulas también pueden ser electroválvulas, en particular electroválvulas de solenoide.
Así, este conducto de vaciado y la válvula que controla su activación sólo están sometidos a una temperatura moderada. La elección de los materiales para esta válvula es, por lo tanto, menos restrictiva.
Además, el hecho de que se prevea el dispositivo 56 de vaciado para hacer pasar el fluido de trabajo en estado líquido entre los conductos 46 y 62 hace posible utilizar una válvula de menor tamaño que en las arquitecturas habituales, lo que reduce su coste y tamaño.
Ventajosamente pero no necesariamente, un dispositivo 70 de cortocircuito de la fuente 24 de calor que atraviesa el evaporador 18 (ilustrado en líneas discontinuas en las figuras) puede colocarse en el trayecto de esta fuente para que rodee este evaporador. A modo de ejemplo, este dispositivo comprende una canalización 72 de derivación del evaporador situada entre la entrada 25a de la fuente de calor del evaporador y su salida 25b. Esta canalización lleva un medio 74 de válvula, aquí una válvula de tres vías, que se coloca en la tubería 24 aguas arriba del evaporador y en la unión con la canalización 72, lo que permite controlar la circulación de la fuente de calor en esta canalización de derivación.
Por supuesto, como para el medio 64 de válvula, esta válvula puede ser controlada por cualquier medio conocido, tal como medios eléctricos, neumáticos, hidráulicos, etc.
En caso de activación del procedimiento de parada de emergencia, la unidad de control del circuito, que suele tener todo circuito cerrado, procede a una parada de la bomba 12. Durante esta parada de emergencia, el dispositivo 56 de vaciado se activa controlando la apertura del medio 64 de válvula para que el fluido de trabajo circule por el conducto 58 en el sentido indicado por la flecha C. Esto permite así realizar un vaciado del fluido contenido en el evaporador 18 hacia la parte del circuito (aquí el ramal 54) situado entre la bomba y el depósito para que este fluido se introduzca luego en este depósito. Además, esta unidad de control activa el dispositivo 70 de cortocircuito del evaporador al controlar la válvula 74 en una posición tal que la fuente de calor rodea el evaporador.
Así, bajo el efecto de la presión del fluido de trabajo presente en el evaporador 18 y en los conductos 46 y 48 entre la salida 16 de la bomba 12 (y su válvula 42 de retención) y la entrada 28 de la turbina 26, la apertura de la válvula del dispositivo de vaciado provoca que gran parte del fluido de trabajo, presente en estado líquido en el evaporador, fluya de regreso hacia el depósito a través del conducto 58.
Esto se consigue en particular gracias a la presencia de la válvula 42 que impide que el fluido de trabajo circule hacia la salida de la bomba.
Privado de una buena parte de su suministro de fluido de trabajo, la producción de vapor dentro del evaporador desaparece rápidamente. A su vez, la turbina se ve privada de un suministro de fluido de trabajo gaseoso y la producción de energía del circuito se detiene rápidamente.
Cabe señalar que este procedimiento de parada de emergencia se puede activar a través de diferentes medios, como una detección de mal funcionamiento del circuito (sobrepresión, sobrecalentamiento, etc.), parada manual, etc.

Claims (12)

REIVINDICACIONES
1. Circuito cerrado (10) que funciona en un ciclo de Rankine, comprendiendo dicho circuito al menos una bomba (12) de circulación y de compresión con una entrada (14) y una salida (16) de un fluido de trabajo en forma líquida, un intercambiador (18) de calor barrido por una fuente (23) de calor para la evaporación de dicho fluido que circula entre una entrada (20) y una salida (22) de dicho intercambiador de calor, medios (26) de expansión del fluido en forma de vapor, un intercambiador (34) de refrigeración barrido por una fuente de frío para la condensación del fluido de trabajo que circula entre una entrada (36) y una salida (38) de dicho intercambiador de refrigeración, un depósito (40) de fluido de trabajo y conductos (44, 46, 48, 50, 52, 54) de circulación de fluido de trabajo para hacer circular dicho fluido entre la bomba, el intercambiador de calor, los medios de expansión, el condensador y el depósito, comprendiendo además el circuito un dispositivo (56) de vaciado del fluido contenido en el intercambiador (18) de calor en caso de parada de emergencia de dicho circuito, caracterizado por que el circuito comprende una válvula (42) de retención situada cerca de la salida de la bomba (12) y un filtro.
2. Circuito según la reivindicación 1, donde el dispositivo de vaciado comprende un conducto (58) de vaciado conectado a dos puntos (60, 62) de conexión del circuito y que lleva un medio (66, 68) de válvula.
3. Circuito según la reivindicación 2, donde el medio de válvula es una válvula (66) de dos vías colocada en el conducto (58) entre los dos puntos (60, 62) de conexión.
4. Circuito según la reivindicación 2, donde el medio de válvula es una válvula (66) de tres vías colocada en uno (60) de los puntos de conexión con el circuito.
5. Circuito según una de las reivindicaciones 2 a 4, donde el medio de válvula comprende una electroválvula.
6. Circuito según una de las reivindicaciones 2 a 5, donde uno (60) de los puntos de conexión está situado entre la bomba (12) y el intercambiador (18) de calor y el otro (62) de los puntos de conexión está situado entre el intercambiador (34) de refrigeración y la bomba (12).
7. Circuito según una de las reivindicaciones anteriores, donde el circuito comprende un dispositivo (70) de cortocircuito de la fuente (23) de calor que atraviesa el intercambiador (18) de calor.
8. Procedimiento para controlar un circuito cerrado (10) que funciona en un ciclo de Rankine, comprendiendo dicho circuito al menos una bomba (12) de circulación y de compresión con una entrada (14) y una salida (16) de un fluido de trabajo en forma líquida, un intercambiador (18) de calor barrido por una fuente (23) de calor para la evaporación de dicho fluido que circula entre una entrada (20) y una salida (22) de dicho intercambiador de calor, medios (26) de expansión del fluido en forma de un vapor, un intercambiador (34) de refrigeración barrido por una fuente de frío para la condensación del fluido de trabajo que circula entre una entrada (36) y una salida (38) de dicho intercambiador de refrigeración, un depósito (40) de fluido de trabajo, una válvula (42) de retención colocada cerca de la salida de la bomba (12) y un filtro, y conductos (44, 46, 48, 50, 52, 54) de circulación de fluido de trabajo para hacer circular dicho fluido entre la bomba, el calor intercambiador, los medios de expansión, el condensador y el depósito, donde en caso de parada de emergencia del circuito, el fluido contenido en el intercambiador (18) de calor se transfiere a la parte (54) del circuito entre aguas arriba de la bomba y el depósito.
9. Procedimiento según la reivindicación 8, según el cual el fluido contenido en el intercambiador (18) de calor se transfiere hacia el depósito.
10. Procedimiento según la reivindicación 8, según el cual el fluido contenido en el intercambiador (18) de calor se transfiere hacia la tubería (54) que conecta aguas arriba de la bomba y el depósito a través de un conducto (58) de vaciado.
11. Procedimiento según la reivindicación 10, según el cual la circulación del fluido de trabajo en el conducto (58) de vaciado se controla mediante un medio (66, 68) de válvula.
12. Procedimiento según una de las reivindicaciones 8 a 11, según el cual se cortocircuita la circulación procedente de la fuente (23) de calor para que rodee el intercambiador (18) de calor.
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