ES2986883T3 - Sistema para recuperar el calor residual y método del mismo - Google Patents

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Ernesto Nasini
Marco Santini
Francesco Bellantone
Francesco Chiesi
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Abstract

Un sistema de recuperación de calor residual, basado en un ciclo Brayton, comprende un calentador configurado para hacer circular vapor de dióxido de carbono en una relación de intercambio de calor con un fluido caliente para calentar el vapor de dióxido de carbono. Un expansor está acoplado al calentador y configurado para expandir el vapor de dióxido de carbono. Un compresor está configurado para comprimir el vapor de dióxido de carbono alimentado a través de un enfriador y un intercambiador de calor está adaptado para hacer circular el vapor de dióxido de carbono desde el expansor hasta el enfriador en una relación de intercambio de calor con el vapor de dióxido de carbono desde el compresor hasta el calentador, en donde el expansor y el compresor son máquinas volumétricas acopladas mecánicamente. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema para recuperar el calor residual y método del mismo
Antecedentes
Las realizaciones descritas en la presente memoria se relacionan generalmente con el campo del sistema de ciclo de calor para recuperar calor residual, y más particularmente, con un sistema de ciclo Brayton de calor de bucle cerrado compuesto para recuperar calor residual, y el método del mismo.
La patente núm. US-2012/174585A1 describe una máquina termodinámica de bucle cerrado.
Grandes cantidades de calor residual son generadas por una amplia variedad de procesos y operaciones industriales y comerciales. Los ejemplos de fuentes de calor residual incluyen el calor proveniente de unidades de calefacción, calderas de vapor, motores, y sistemas de enfriamiento. El término “ calor residual” abarca cualquier suministro de calor residual emitido por procesos primarios que no se explotan convencionalmente como fuentes de energía, que incluyen, pero no se limitan a, la energía solar o la geotérmica.
Algunos sistemas de generación de energía brindan mayor confiabilidad y operación fuera de la red con combustibles alternativos como el biogás o el gas de vertedero, como por ejemplo, las turbinas de gas y los motores de combustión como las microturbinas y los motores alternativos. Los motores de combustión pueden usarse para generar electricidad usando combustibles tal como gasolina, gas natural, biogás, aceite vegetal, y combustible diésel. Sin embargo, pueden emitirse contaminantes atmosféricos tal como óxidos de nitrógeno, dióxido de carbono y particulados.
Un método para generar electricidad a partir del calor residual de un motor de combustión sin aumentar las emisiones es aplicar un ciclo Rankine de vapor de fondo. Un ciclo Rankine incluye típicamente un turbogenerador, un evaporador/caldera, un condensador, y una bomba de líquido. Sin embargo, los ciclos Rankine de vapor a base de agua no son atractivos en la región de calor residual de baja energía térmica (y, en consecuencia, eléctrica) antes mencionada debido al mayor costo y al requisito de una supervisión continua durante la operación. El vapor usado como fluido de trabajo puede ser óptimo solo para un intervalo específico de temperaturas y presiones del ciclo. Este ciclo de fondo Rankine de vapor convencional requiere condensación a una presión relativamente baja, implicando grandes volúmenes en el condensador y la turbina de baja presión. Por lo tanto, la instalación de un sistema de ciclo Rankine de vapor de fondo convencional es desproporcionadamente voluminosa, y compleja considerando la potencia y efectividad relativamente pequeñas derivadas del calor residual a baja temperatura. La baja presión de la condensación del vapor introduce otras complejidades, tal como la necesidad de unidades de desaireación especiales para extraer el aire atmosférico que se filtra desde el exterior hacia los recipientes a presión subatmosférica.
En el caso de un ciclo Rankine orgánico (ORC), es decir, un ciclo Rankine que emplea un fluido orgánico, el rendimiento está limitado por varios factores tal como la degradación y las limitaciones de trabajo del fluido que circula dentro del ORC. EHS se preocupa por el fluido de trabajo debido a su composición química, y las limitaciones de transferencia térmica del fluido de trabajo, lo que conduce a un aumento de los costes de los sistemas. De hecho, la necesidad de adoptar un fluido de transferencia térmica, tal como el aceite diatérmico, disminuye la entalpía disponible del proceso y aumenta la complejidad y el coste de la planta.
Sería deseable para aplicaciones de baja potencia (0,1 - 2 MW) tener un sistema y un método simples que recuperen efectivamente el calor residual y que no estén limitados por las limitaciones de un fluido de trabajo de vapor que circule dentro de un sistema de ciclo Rankine, con una operación no tripulada sin cualquier requisito de supervisión.
Breve descripción de la invención
La invención se define en las reivindicaciones adjuntas.
Según las realizaciones analizadas en la presente memoria, un sistema de ciclo de recuperación de calor residual se define en la reivindicación 1 y un método relacionado se define en la reivindicación 11. El sistema de ciclo de recuperación de calor ilustrativo incluye un sistema de ciclo Brayton que tiene un calentador configurado para hacer circular vapor de dióxido de carbono en una relación de intercambio de calor con un fluido caliente para calentar el vapor de dióxido de carbono. Según una realización ilustrativa, el sistema de recuperación de calor residual ilustrativo está integrado (acoplado directamente) con fuentes de calor para permitir una recuperación de mayor eficiencia del calor residual para convertirlo en energía mecánica para la generación de electricidad y/o aplicaciones mecánicas tales como el accionamiento de bombas o compresores. Las fuentes de calor pueden incluir motores de combustión, turbinas de gas, fuentes de calor geotérmicas, solares térmicas, industriales y residenciales.
Por lo tanto, es posible obtener un sistema que ofrece:
una solución rentable y de alta eficiencia (equipo pequeño debido a la selección de CO2 como fluido de trabajo) para convertir el calor residual en energía mecánica, gracias a la posibilidad de acoplar directamente (con mayor diferencia de temperatura y en consecuencia mayor eficiencia) el fluido de trabajo con la fuente de calor, lo cual no es posible hacer con ORC, debido a características del fluido de trabajo tal como degradación y preocupaciones sobre EHS; una solución segura y respetuosa con el medio ambiente (el CO2 no tiene preocupaciones sobre EHS); un amplio intervalo de funcionamiento debido al hecho de que el ciclo prevé una sola fase de fluido y por lo tanto no se ve afectado por las condiciones ambientales, ya que no es necesario alcanzar la fase condensada en todas las condiciones ambientales tal como se requiere en un ciclo Rankine de recuperación de calor residual con fluido de dos fases.
una solución en donde no se requiere condensación, de modo que a temperatura ambiente alta sigue siendo adecuada para enfriar, un beneficio importante, debido al menor tamaño de los enfriadores, en comparación con otros ciclos Rankine. Otra ventaja de no tener un condensador está relacionada con la disposición de la unidad del sistema porque no se requieren restricciones ni limites, ni auxiliares especiales tal como un pozo caliente, una pendiente de tubería de drenaje, bombas de bajo NPSH, etc.
Otros beneficios relacionados con la presente descripción son la posibilidad de construir plantas acondicionadas tipo enchufar y usar, con actividades de campo mínimas (puesta en servicio y prueba en sitio); la posibilidad de aprovechar fuentes de calor residual para la producción eléctrica y/o aplicaciones de accionamiento mecánico en aplicaciones de pequeña escala con un tamaño de hasta 10 MW con todos los requisitos medioambientales cumplidos, y la falta de agua como fluido en ebullición, que requiere la asistencia del operador.
Breve descripción de las figuras
La presente invención se hará más evidente a partir de la siguiente descripción de realizaciones ilustrativas que se considerarán junto con las figuras adjuntas, en donde:
la figura 1 ilustra el diagrama T-S de un ciclo de Brayton ideal;
la figura 2 ilustra un motor Brayton;
la figura 3 ilustra esquemáticamente un ciclo de Brayton real modificado según las realizaciones de la presente memoria; la figura 4 ilustra un primer esquema de un sistema para recuperar calor residual según las realizaciones de la presente memoria;
la figura 5 ilustra una configuración ilustrativa de un compresor y un expansor en un sistema según las realizaciones de la presente memoria;
la figura 6 ilustra configuraciones ilustrativas de trenes que incluyen uno o más embragues;
la figura 7 ilustra dos configuraciones de un motor compresor accionado por un motor de CO2 según las realizaciones de la presente memoria;
la figura 8 ilustra un diagrama de bloques de un sistema que se usará para la distribución de combustible;
la figura 9 es un diagrama de flujo que ilustra las operaciones de un método según las realizaciones de la presente memoria; y
la figura 10 ilustra un segundo esquema de un sistema para recuperar calor residual según las realizaciones de la presente memoria.
Descripción detallada
Según primeras realizaciones ilustrativas, un sistema de recuperación de calor residual basado en un ciclo Brayton, comprende un calentador configurado para hacer circular vapor de dióxido de carbono en relación de intercambio de calor con un fluido caliente para calentar el vapor de dióxido de carbono; un expansor está acoplado al calentador y se configura para expandir el vapor de dióxido de carbono; un compresor está configurado para comprimir el vapor de dióxido de carbono alimentado a través de un enfriador y un intercambiador de calor está adaptado para hacer circular el vapor de dióxido de carbono desde el expansor hasta el enfriador en una relación de intercambio de calor con el vapor de dióxido de carbono desde el compresor hasta el calentador, en donde el expansor y el compresor son máquinas volumétricas acopladas mecánicamente, tal como, por ejemplo, máquinas alternativas, expansores/compresores radiales, expansores/compresores axiales, expansores/compresores de tornillo, expansores/compresores de impulso o una combinación de los mismos. Para aumentar la eficiencia del sistema, en una realización el compresor es un compresor de múltiples etapas que comprende una pluralidad de etapas de compresor dispuestas en serie, en donde respectivos intercambiadores de calor entre etapas están dispuestos entre pares de etapas de compresor dispuestas secuencialmente, en donde los intercambiadores de calor entre etapas están configurados para extraer el calor del vapor de dióxido de carbono comprimido que circula de etapas consecutivas del compresor.
Una realización adicional se refiere a un método que comprende hacer circular vapor de dióxido de carbono en una relación de intercambio de calor con un fluido caliente para calentar el vapor de dióxido de carbono a través de un calentador de un sistema de ciclo Brayton. A continuación, el vapor de dióxido de carbono se expande primero a través de un expansor acoplado al calentador del sistema de ciclo Brayton y después se enfría a través de un enfriador. El vapor de dióxido de carbono se envía a continuación a un compresor del sistema de ciclo Brayton para ser comprimido y después circula desde el compresor hasta el calentador en una relación de intercambio de calor con el vapor de dióxido de carbono del expansor para precalentar el vapor de dióxido de carbono.
Un ciclo de Brayton ideal comprende dos procesos isoentrópicos y dos isobáricos, como se muestra en el diagrama T-S que se representa en la figura 1. Los procesos isobáricos se relacionan con el calentamiento y el enfriamiento del fluido del proceso, mientras que los procesos isoentrópicos se relacionan con la expansión y compresión del fluido del proceso.
Con referencia a la figura 2 que muestra un motor Brayton ilustrativo, el fluido de proceso se comprime isoentrópicamente mediante un compresor desde el punto 1 al punto 2 usando potencia de compresión Lc, se calienta isobáricamente desde el punto 2 al punto 3 mediante un calentador que proporciona calor Qin, se expande isoentrópicamente mediante un expansor del punto 3 al 4 que produce una potencia de expansión Le, se enfría isobáricamente del punto 4 al 1 mediante un enfriador que intercambia calor Qout.
Como el compresor y el expansor están acoplados mecánicamente, la potencia neta que la maquinaria puede producir es Ln = Le-Lc. La eficiencia n es la relación entre la potencia neta Ln y el calor Qin y puede demostrarse que es:
v = l - - T Lí = l - p v
‘ 2
donde Ti y T2 son, respectivamente, la temperatura antes y después de la compresión, p es la relación de compresión p2/pi = p3/p4, $ = 1-1/k siendo k la relación entre el calor específico del fluido de proceso a presión constante Cp y volumen constante Cv.
La potencia neta Ln puede expresarse en función de p y T1 , T3 del siguiente modo:Ln =(1— f iv )CvTí (¿ r - f i9 ')
Diferenciando, puede demostrarse que la potencia neta máxima se obtiene cuandoT2 = T 2 =^7’3T1.
Los inventores descubrieron que el dióxido de carbono como fluido de procesamiento, en comparación con otros gases como N2, He, Ne, Ar, Xe, tiene una relación potencia neta/potencia de compresión muy buena Ln/Lc (0,716), pero una eficiencia pobre n (0,28). Por ejemplo, el nitrógeno tiene una eficiencia ideal de 0,37, pero una pobre Ln/Lc (0,343). El helio tiene una eficiencia ideal incluso mayor (0,47), pero Ln/Lc muy pobre (0,109). Esto significa que, para producir 1 MW de potencia neta, se requieren 1,4 MW de potencia de compresión (en condiciones ideales) con CO2 frente a 2,9 MW de nitrógeno y 9,2 MW de helio.
Pasando del mundo ideal al real, el trabajo de compresión aumenta y el trabajo de expansión disminuye, por lo que, para valores bajos de Ln/Lc, la potencia neta podría convertirse en un porcentaje muy bajo del trabajo de compresión, o incluso negativo. De ahí la elección del dióxido de carbono como un fluido de procesamiento en las realizaciones de la presente memoria, usando preferiblemente disposiciones capaces de aumentar la eficiencia.
El uso de dióxido de carbono como el fluido de trabajo tiene además la ventaja de no ser inflamable, no corrosivo, no tóxico, y capaz de soportar altas temperaturas de ciclo (por ejemplo, superiores a 400 grados Celsius). El dióxido de carbono también puede calentarse de forma muy crítica a altas temperaturas sin riesgo de descomposición química.
Como la eficiencia es la relación entre la potencia neta y el calor intercambiado mediante el fluido de procesamiento con la fuente caliente, en una disposición, la eficiencia aumenta reduciendo dicho calor precalentando el dióxido de carbono suministrado por el compresor antes de llegar al calentador. Esto se puede conseguir ventajosamente usando parte del calor presente en el fluido que sale del expansor, es decir, usando el denominado regenerador como se explicará más adelante.
En otra disposición, la eficiencia se aumenta reduciendo la potencia de compresión usando enfriamiento entre etapas.
El efecto de la combinación de las dos disposiciones, que obviamente pueden existir independientemente una de la otra, se muestra en el diagrama T-S de la figura 3.
La regeneración se refleja en la línea de puntos horizontal desde el punto 4'r hasta el punto 2'r, mientras que el enfriamiento del compresor entre etapas está representado por la isobara media desde el punto 1'r hasta 1” r. En la presente memoria se representa un ciclo real donde las curvas isoentrópicas de la figura 1 se reemplazan con curvas oblicuas (politrópicas) para tener en cuenta que, en expansión y compresión reales, siempre se intercambia algo de calor.
Con referencia a la figura 4, se ilustra un sistema de recuperación de calor residual según una realización ilustrativa.
El calentador 16 está acoplado a una fuente de calor, por ejemplo, una unidad de escape de un sistema de generación de calor (por ejemplo, un motor). En funcionamiento, el calentador 16 recibe calor de un fluido caliente, p. ej., un gas de escape generado a partir de la fuente de calor, que calienta el vapor de dióxido de carbono que pasa a través de un tubo acoplado con el calentador. En una realización específica, el vapor de dióxido de carbono que sale del calentador 16 puede estar a una primera temperatura de aproximadamente 410 grados Celsius y a una primera presión de aproximadamente 260 bar. Al salir del calentador, el vapor de dióxido de carbono caliente fluye hacia y a través del expansor 18 para expandir el vapor de dióxido de carbono. A medida que el vapor de dióxido de carbono caliente y presurizado se expande, hace girar un eje que está configurado para impulsar un primer generador 26, que genera energía eléctrica. Al expandirse, el vapor de dióxido de carbono también se enfría y se despresuriza a medida que se expande. Por lo tanto, en una realización específica, el vapor de dióxido de carbono puede salir del expansor 18 a una segunda temperatura más baja de aproximadamente 230 grados Celsius y una segunda presión más baja de aproximadamente 40 bar.
Haciendo una pausa para considerar la estructura del expansor, vemos que en una realización, el expansor tiene una pluralidad de etapas expansoras dispuestas en serie. Cada etapa de expansión puede tener, o estar formada por, uno o más expansores, tales como expansores alternativos. En otras realizaciones, cada etapa expansora puede incluir un único expansor volumétrico. A modo de ilustración y sin limitación, una realización mostrada en la figura 4 comprende dos etapas expansoras dispuestas en serie etiquetadas 181, 182, en las cuales las etapas expansoras 181, 182 tienen un expansor cada una.
Continuando con nuestra descripción de un ciclo de operación del nuevo sistema, ahora seguimos al dióxido de carbono enfriado, despresurizado, todavía a la segunda temperatura y presión, a medida que fluye desde el expansor único 18 o último expansor 182 hacia y a través de una presión baja, LP, enfriador 20. El enfriador LP 20 está configurado para sobreenfriar aún más el vapor de dióxido de carbono hasta una tercera temperatura (menor que la primera temperatura o la segunda temperatura, sola o combinada) de aproximadamente entre 40 y 50 °C. El vapor de dióxido de carbono sale del enfriador L<p>20 y fluye hacia y a través de un compresor 22, que opera para comprimir y calentar el vapor de dióxido de carbono a una cuarta temperatura sustancialmente más alta y a una cuarta presión. De paso, observamos que la cuarta presión puede ser aproximadamente la misma o igual a la primera presión descrita anteriormente. Por lo tanto, solo a modo de ejemplo, en una realización, el vapor de dióxido de carbono ahora dos veces calentado que sale del compresor 22 está a una cuarta temperatura de aproximadamente 110 °C y una cuarta presión de aproximadamente 260 bar.
El compresor 22 se describirá ahora con más detalle. En una realización, el compresor 22 puede ser un compresor multietapa con un interenfriador dispuesto entre cada etapa del compresor de múltiples etapas. El sistema puede comprender una pluralidad de etapas compresoras dispuestas en serie, comprendiendo cada etapa compresora uno o más compresores alternativos. En algunas realizaciones, cada etapa del compresor puede incluir un único compresor alternativo. La realización mostrada en la figura 4 comprende dos etapas de compresor dispuestas en serie etiquetadas con 221, 222, comprendiendo cada una un compresor.
En la representación esquemática de la figura 4, las dos etapas del compresor 221,222 están emparejadas. Cada par de etapas del compresor dispuestas en sentido opuesto es accionada por un vástago común. En una realización, una caja de engranajes conecta los distintos vástagos al expansor 18. Por supuesto, son posibles otras configuraciones.
Reanudando nuestro recorrido de un ciclo operativo del sistema, regresamos a donde el vapor de dióxido de carbono ingresa a la primera etapa 221 del compresor en 1r (a la tercera presión y tercera temperatura explicadas anteriormente) y sale de dicha primera etapa 221 del compresor en 1'r. Una trayectoria 13 de flujo puede extenderse desde el lado de salida de la etapa 221 del compresor hasta el lado de entrada de la etapa 222 del compresor. A lo largo del recorrido 13 de flujo está previsto un intercambiador de calor entre etapas o un enfriador 15. Dicho enfriador entre etapas se indicará a continuación como intercambiador 15 de calor entre etapas. En consecuencia, el vapor de dióxido de carbono (ahora) comprimido que fluye a través de la vía de fluido 13 también fluye a través del intercambiador 15 de calor entre etapas y se enfría mediante un fluido de enfriamiento, por ejemplo, aire, que fluye a través de un conducto (no mostrado) hacia y a través de un camino separado en el intercambiador 15 de calor entre etapas. En algunas realizaciones, el aire puede entrar en el intercambiador 15 de calor entre etapas a aproximadamente 30 °C y salir del intercambiador 15 de calor a aproximadamente 50-60 °C, lo que significa que el aire ha absorbido aproximadamente 20 °C+ de calor del vapor de carbón comprimido enfriándose así (o al menos reduciendo una temperatura que de otro modo alcanzaría el vapor de dióxido de carbono). Estos valores son solo a modo de ejemplo y no se considerarán limitativos del alcance del tema descrito en la presente memoria.
El dióxido de carbono semienfriado entra ahora en la segunda etapa 222 del compresor y sale de dicha etapa 222 del compresor en 2r.
En una realización, el sistema comprende un intercambiador 17 de calor, también llamado regenerador, que está configurado para hacer circular una porción del vapor de dióxido de carbono de baja presión, expandido y enfriado desde el expansor 18 al enfriador LP 20 de modo que se mantenga una relación de intercambio de calor con respecto al vapor de dióxido de carbono que sale del compresor 22 y que fluye hacia el calentador 16 para permitir un precalentamiento del vapor de dióxido de carbono hasta 160 °C antes de volver a alimentarlo al calentador e iniciar un nuevo ciclo.
Las realizaciones en la presente memoria también se refieren a un motor Brayton de CO2 que comprende enfriamiento entre etapas a través de inyección de líquido (p. ej., agua o mezclas de las mismas) dentro de los cilindros de compresión.
En el cilindro compresor de doble efecto, a medida que gira el pistón, la presión aumenta en un extremo (p. ej., en el extremo de la cabeza) y disminuye en el extremo opuesto. La presión se invierte en la carrera opuesta, según la fórmula: P*VAn = const. La temperatura aumenta con la presión según la fórmula TPA[(1-n)/] = const.
Por lo tanto, limitar el aumento de temperatura en el cilindro, y por tanto limitar el correspondiente aumento del volumen específico y de la velocidad de flujo volumétrico, reducirá el trabajo de compresión (proporcional a la integral de PdV), aumentando la eficiencia global del ciclo.
Para lograr limitar el aumento de temperatura en el cilindro y el correspondiente aumento en el volumen específico, puede inyectarse una pulverización de líquido (p. ej., una mezcla de agua) directamente en el lado de efecto activo del cilindro para reducir el trabajo de compresión.
La presión del líquido deberá ser superior a la presión real del gas, para ganar resistencia y favorecer la nebulización, mientras que la temperatura del líquido a pulverizar será la más baja permitida por las condiciones ambientales. La velocidad de flujo de líquido es tal que su presión parcial, una vez vaporizada, siempre está por debajo de su presión de vapor correspondiente a la temperatura del gas prevista (es decir, la temperatura del gas después del enfriamiento), para evitar cualquier rastro de gotas de líquido que puedan ser peligrosos para los componentes del cilindro (p. ej., las válvulas del compresor). El líquido inyectado, después de salir de los cilindros de compresión, se incorpora a la mezcla hasta que se enfría y se condensa en el enfriador entre etapas y final. A continuación, el líquido inyectado es comprimido por una bomba y reinyectado, trabajando por lo tanto en un bucle cerrado.
El consumo de energía de la bomba de líquido es insignificante en comparación con el aumento de energía general del sistema.
Dado que la fracción molar de vapor líquido en la mezcla con CO2 aumenta con la temperatura de la mezcla y disminuye con la presión de la mezcla, la inyección por pulverización de líquido es más efectiva a presiones más bajas y temperaturas más altas. Por lo tanto, a medida que aumentan las etapas de compresión, debe evaluarse cuidadosamente la aplicación de inyección por pulverización de líquido.
En el diagrama T-S del sistema, el trabajo de compresión disminuye gracias a la reducida velocidad de flujo volumétrico y al aumento de la eficiencia politrópica; toda el área del ciclo aumenta, así como la eficiencia general. El servicio térmico del enfriador entre etapas no cambia, y el EMTD más bajo debido a la menor temperatura de la mezcla en la entrada del intercambiador se compensa con el mayor coeficiente general de transferencia de calor, debido al H2O condensado en la mezcla.
El esquema del motor Brayton de CO2 descrito anteriormente que comprende enfriamiento entre etapas se ilustra en la figura 10. Los tambores separadores integrados 23, 24 se colocan corriente abajo de los intercambiadores de calor entre etapas o enfriadores 15, 20 para separar y recolectar el líquido condensado antes de que se comprima en la bomba 25, para después reinyectarse en las etapas 221,222 del compresor.
El expansor volumétrico y el compresor volumétrico que forman el motor de dióxido de carbono pueden ser de cualquier tipo conocido, conectados mecánicamente de cualquier forma conocida. Por ejemplo, pueden ser máquinas alternativas, expansores/compresores radiales, expansores/compresores axiales, expansores/compresores de tornillo, expansores/compresores de impulso o una combinación de los mismos.
Un ejemplo se muestra en la figura 5. En la presente memoria el par compresor/expansor comprende un primer cilindro 51, en donde un primer pistón 53 puede moverse de forma deslizante. Se proporciona además un segundo cilindro 55, orientado, p. ej., a 90° con respecto al cilindro 51. Un segundo pistón 57 está dispuesto de forma deslizante en el segundo cilindro 55.
Una primera varilla 59 conecta el primer pistón 53 a un pasador 61 de manivela de un cigüeñal, formando parte de un vástago 63 de salida. Preferiblemente, el cigüeñal está soportado de forma giratoria en un bastidor. Una segunda varilla 65 de conexión conecta el segundo pistón 57 a la misma salida 63. Puede montarse un volante 67 en el vástago 63 de salida. Por lo tanto, el expansor y el compresor son máquinas volumétricas acopladas mecánicamente conectadas de modo motriz a al menos uno de dichos pasadores de manivela, de modo que la energía generada por el motor Brayton impulsa al menos una disposición de cilindro-pistón de compresión.
La potencia disponible en el vástago 63 de salida puede usarse para impulsar un generador eléctrico o cualquier otra maquinaria, por ejemplo, un tren de compresión como se describe en la patente WO 2015/113951A1 que se considerará incorporado en la presente memoria como referencia.
Las realizaciones en la presente memoria también se refieren a un motor Brayton de CO2 que comprende un calentador 16 que, en funcionamiento, está configurado para hacer circular y calentar el vapor de dióxido de carbono mediante intercambio térmico con un fluido caliente; el vapor de dióxido de carbono se alimenta a un expansor 18 acoplado al calentador 16 y configurado para enfriar y reducir la presión del vapor de dióxido de carbono, antes de ser alimentado primero a un intercambiador 17 de calor, después a un enfriador LP 20 y después a un compresor 22 adaptado para aumentar la presión y la temperatura del vapor de dióxido de carbono alimentado a través del enfriador. El intercambiador 17 de calor, también llamado regenerador, está configurado para hacer circular y realizar un preenfriamiento del vapor de dióxido de carbono desde el expansor hasta el enfriador LP 20 en relación de intercambio de calor con el vapor de dióxido de carbono desde el compresor hasta el intercambiador 16 de calor principal, para permitir un precalentamiento del vapor de dióxido de carbono hasta 160 °C antes de ser realimentado al intercambiador 16 de calor principal e iniciar un nuevo ciclo. El expansor y el compresor son máquinas volumétricas acopladas mecánicamente y conectadas de modo motriz a al menos uno de dichos pasadores de manivela, de modo que la potencia generada por dicho motor Brayton impulsa al menos una disposición de cilindro-pistón de compresión conectada a un pasador de manivela.
Las realizaciones también se refieren a un método para operar un motor Brayton. Con referencia al diagrama de flujo de la figura 9, las operaciones del método incluyen una etapa de hacer circular vapor de dióxido de carbono a través de un calentador de un sistema de ciclo Brayton en donde tiene lugar un intercambio térmico entre un fluido caliente y el vapor de dióxido de carbono; después una siguiente etapa de expandir el vapor de dióxido de carbono a través de un expansor acoplado al calentador del sistema de ciclo Brayton, por ejemplo, de 260 bar ± 10 % a 40 bar ± 15 % en un intervalo de temperatura entre 400 °C ± 15 % y 230 °C ± 15 %; después una etapa adicional de enfriar el vapor de dióxido de carbono del expansor a través de un enfriador del sistema de ciclo Brayton; después, una etapa adicional de comprimir el vapor de dióxido de carbono alimentado a través del enfriador mediante un compresor del sistema de ciclo Brayton. Tal etapa de compresión se elige típicamente para llevar el vapor de dióxido de carbono desde una presión de 40 bar ± 10 % hasta 260 bar ± 15 % en un intervalo de temperatura entre 50 °C ± 15 % y 110 °C ± 15 %. Después se da una etapa final para hacer circular el vapor de dióxido de carbono desde el compresor hasta el calentador en relación de intercambio de calor con el vapor de dióxido de carbono del expansor para precalentar el vapor de dióxido de carbono, por ejemplo, de 110 °C ± 15 % a 160 °C ± 15 %.
En una realización, la etapa de compresión se realiza a través de la compresión de vapor de dióxido de carbono circulando en etapas consecutivas del compresor después de un enfriamiento entre etapas para reducir la potencia de compresión y por lo tanto aumentar la eficiencia.
Hacer circular vapor de dióxido de carbono en relación de intercambio de calor con un fluido caliente puede comprender ventajosamente calentar vapor de dióxido de carbono con fuentes de calor residuales que incluyen, por ejemplo, motores de combustión, turbinas de gas, fuentes de calor geotérmicas, solares térmicas, industriales y residenciales, o similares. Las fuentes de calor residual pueden calentar el dióxido de carbono directamente o mediante un fluido auxiliar.
Alternativamente, hacer circular vapor de dióxido de carbono en relación de intercambio de calor con un fluido caliente puede comprender calentar vapor de dióxido de carbono con un quemador. Esto permite realizar un motor de dióxido de carbono muy compacto y potente para ser usado en diversas aplicaciones, tal como, por ejemplo, para comprimir un fluido en un distribuidor de combustible.
La enseñanza de la presente descripción puede encontrar varias aplicaciones. Un ejemplo está en la distribución de combustible, como se muestra en la figura 8, donde el motor de CO2 se usa para impulsar un compresor de GNC. En la presente memoria el calentador es una cámara de combustión alimentada por el gas natural del gasoducto. El sistema es muy compacto y puede empaquetarse fácilmente en una caja en varias configuraciones como, por ejemplo, se muestra en la figura 7.
La figura 6 muestra otras posibles configuraciones de trenes que incluyen uno o más embragues como se describe, por ejemplo, en las patentes núms. US-2016/0341187A1, US-2016/0341188, US-2016/0348661 que se considerarán parte de la presente descripción.
Las realizaciones de la invención pueden residir en las cláusulas que se establecen a continuación o en cualquier combinación de las mismas.
Si bien en la presente memoria se han ilustrado y descrito únicamente determinadas características de la realización descrita, los expertos en la técnica podrán idear numerosas modificaciones y cambios. Por lo tanto, debe entenderse que las reivindicaciones adjuntas pretenden abarcar todas estas modificaciones y cambios comprendidos dentro del verdadero espíritu de la descripción.
En la memoria descriptiva, las referencias a “ una realización” significan que una característica, estructura o característica particular descrita en relación con una realización está incluida en al menos una realización del objeto descrito. Por lo tanto, la utilización de la expresión “ en una realización” en varias partes de la memoria descriptiva no se refiere necesariamente a la misma realización. Además, los elementos, estructuras o características particulares pueden combinarse de cualquier forma adecuada en una o más realizaciones. La descripción de realizaciones ilustrativas se refiere a los dibujos que se acompañan. Los mismos números de referencia en diferentes dibujos identifican elementos idénticos o similares. La presente descripción detallada no limita la invención. En lugar de ello, el alcance de la invención queda definido por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (10)

  1. REIVINDICACIONES
    i.Un sistema de recuperación de calor residual, que comprende:
    un sistema de ciclo Brayton que comprende:
    un calentador (16) configurado para hacer circular vapor de dióxido de carbono en relación de intercambio de calor con un fluido caliente para calentar el vapor de dióxido de carbono;
    un expansor (18) acoplado al calentador (16) y configurado para expandir el vapor de dióxido de carbono;
    un enfriador (20);
    un compresor (22) configurado para comprimir el vapor de dióxido de carbono alimentado a través del enfriador (20); y
    un intercambiador (17) de calor configurado para hacer circular el vapor de dióxido de carbono desde el expansor (18) hasta el enfriador (20) en relación de intercambio de calor con el vapor de dióxido de carbono desde el compresor (22) hasta el calentador (16),
    en donde el expansor (18) y el compresor (22) son máquinas volumétricas acopladas mecánicamente,
    caracterizado porqueel compresor es un compresor multietapa que comprende una pluralidad de etapas (221,222) de compresor dispuestas en serie, en donde los respectivos intercambiadores (15) de calor entre etapas enfriados por líquido están dispuestos entre pares de etapas de compresor dispuestas secuencialmente, en donde los intercambiadores (15) de calor entre etapas están configurados para extraer el calor del vapor de dióxido de carbono comprimido que circula de etapas consecutivas del compresor;
    el sistema de ciclo Brayton comprende además tambores separadores (23) colocados corriente abajo de los intercambiadores (15) de calor entre etapas y adaptados para separar y recolectar el líquido de enfriamiento condensado; una bomba (25) adaptada para comprimir el líquido de enfriamiento de los tambores separadores (23) e inyectar el líquido comprimido en las etapas del compresor (221, 222).
  2. 2. El sistema según la reivindicación 1, en donde las máquinas volumétricas se seleccionan del grupo que consiste en: máquinas alternativas, expansores/compresores radiales, expansores/compresores axiales, expansores/compresores de tornillo, expansores/compresores de impulso o una combinación de los mismos.
  3. 3. El sistema según una o más de las reivindicaciones anteriores, en donde el líquido de enfriamiento es agua o una mezcla a base de agua.
  4. 4. El sistema según una o más de las reivindicaciones anteriores, en donde el compresor (22) y el expansor (18) están configurados para trabajar entre las isobaras 40 bar ± 10 % y 260 bar ± 15 % en un intervalo de temperatura entre 50 °C ± 15 % y 410 °C ± 15 % del ciclo Brayton.
  5. 5. Sistema según una o más de las reivindicaciones anteriores, en donde el compresor (22) y el expansor (18) están configurados para trabajar en un intervalo de entropías entre 1,5 kJ/kgK ± 15 % y 2,5 kJ/kgK ± 15 %.
  6. 6. Sistema según una o más de las reivindicaciones anteriores, en donde el calentador (16) está configurado para acoplarse con fuentes de calor residual que incluyen, por ejemplo, motores de combustión, turbinas de gas, fuentes de calor geotérmicas, solares térmicas, industriales y residenciales, o similares.
  7. 7. Sistema según una o más de las reivindicaciones anteriores, en donde el calentador (16) es un quemador alimentado con un combustible para realizar un motor de dióxido de carbono.
  8. 8. Sistema según una o más de las reivindicaciones anteriores, en donde el expansor (18) está acoplado mecánicamente con una máquina operativa, con o sin embragues, para recolectar la energía generada.
  9. 9. Un sistema compresor alternativo, que comprende:
    un bastidor;
    un cigüeñal soportado de forma giratoria en dicho bastidor y comprendido de una pluralidad de pasadores (61) de cigüeñal;
    al menos una disposición de cilindro-pistón de compresión, comprendida de un cilindro de compresión y un pistón de compresión alternativos en la misma y conectados de modo motriz a uno respectivo de dichos pasadores (61) de cigüeñal; y
    un sistema según una o más de las reivindicaciones anteriores.
  10. 10. Un método, que comprende:
    hacer circular vapor de dióxido de carbono en relación de intercambio de calor con un fluido caliente para calentar el vapor de dióxido de carbono a través de un calentador (16) de un sistema de ciclo Brayton;
    expandir el vapor de dióxido de carbono mediante un expansor (18) acoplado al calentador (16) del sistema de ciclo Brayton;
    enfriar el vapor de dióxido de carbono desde el expansor (18) a través de un enfriador (20) del sistema de ciclo Brayton;
    comprimir el vapor de dióxido de carbono alimentado a través del enfriador (20) mediante un compresor (22) del sistema de ciclo Brayton;
    hacer circular el vapor de dióxido de carbono desde el compresor (22) hasta el calentador (16) en relación de intercambio de calor con el vapor (18) de dióxido de carbono del expansor para precalentar el vapor de dióxido de carbono,
    caracterizado porquela etapa de compresión comprende comprimir vapor de dióxido de carbono que circula en etapas consecutivas del compresor después de un enfriamiento entre etapas en intercambiadores (15) de calor entre etapas enfriados por líquido para reducir la potencia de compresión;
    en donde el sistema de ciclo Brayton comprende tambores separadores (23) colocados corriente abajo de los intercambiadores (15) de calor entre etapas y adaptados para separar y recolectar el líquido de enfriamiento condensado; una bomba (25) adaptada para comprimir el líquido de enfriamiento de los tambores separadores (23) e inyectar el líquido comprimido en las etapas del compresor (221, 222).
    Método según la reivindicación 10, en donde la etapa de compresión comprende comprimir el vapor de dióxido de carbono de 40 bar ± 15 % a 260 bar ± 15 % en un intervalo de temperatura entre 50 °C ± 15 % y 110 °C ± 15 %.
    Método según una o más de las reivindicaciones 10 u 11, en donde expandir comprende expandir el vapor de dióxido de carbono de 260 bar ± 10 % a 40 bar ± 15 % en un intervalo de temperatura entre 400 °C ± 15 % y 230 °C ± 15 %.
    Método según una o más de las reivindicaciones 10 a 12, en donde el precalentamiento comprende calentar el vapor de dióxido de carbono de 110 °C ± 15 % hasta 160 °C ± 15 %.
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