ES3049238T3 - A system for generation of usable pressure steam using low temperature waste heat from internal combustion engines - Google Patents

A system for generation of usable pressure steam using low temperature waste heat from internal combustion engines

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ES3049238T3
ES3049238T3 ES23761630T ES23761630T ES3049238T3 ES 3049238 T3 ES3049238 T3 ES 3049238T3 ES 23761630 T ES23761630 T ES 23761630T ES 23761630 T ES23761630 T ES 23761630T ES 3049238 T3 ES3049238 T3 ES 3049238T3
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Abstract

La invención se refiere a un sistema de generación de vapor a presión utilizable, en particular mediante la compresión del vapor a baja presión generado al recuperar el calor residual de baja temperatura de un motor de combustión interna. El vapor motriz a alta presión necesario para comprimir el vapor a baja presión se genera recuperando el calor residual de alta temperatura de los gases de escape del mismo motor. La cantidad de calor residual de baja temperatura del motor de combustión interna es significativa en comparación con el calor total aportado al motor y comparable al calor residual de alta temperatura de los gases de escape. Con el sistema propuesto, el aprovechamiento del calor residual de baja temperatura y la generación de vapor a presión utilizable reducen el consumo total de combustible en comparación con la generación de la misma cantidad de vapor con sistemas convencionales que consumen combustible. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN
[0003] Un sistema para generación de vapor a presión utilizable, utilizando calor residual a baja temperatura de motores de combustión interna
[0005] Campo técnico
[0007] La invención se refiere a un sistema de generación de vapor a un nivel de presión utilizable, en particular mediante la compresión del vapor a baja presión que se genera recuperando el calor residual a baja temperatura rechazado de un motor de combustión interna, mientras que el vapor motriz a alta presión necesario para comprimir el vapor a baja presión se genera mediante la recuperación del calor residual de escape a alta temperatura del mismo motor de combustión interna. La cantidad de calor rechazado a baja temperatura del motor de combustión interna es de importancia cuando se la compara con la entrada total de calor al motor de combustión interna, y comparable al calor residual de escape a alta temperatura. Con el sistema propuesto, la utilización del calor residual a baja temperatura y la generación de vapor a un nivel de presión utilizable disminuyen el consumo total de combustible cuando se compara con la generación de la misma cantidad de vapor con sistemas convencionales que consumen combustible.
[0009] Estado de la técnica
[0011] Los motores de combustión interna se utilizan ampliamente para generar energía eléctrica y calor en aplicaciones principalmente basadas en tierra y rara vez en aplicaciones marinas. Utilizan combustible y aire de combustión para generar energía. Este tipo de motores se utilizan como motores primarios para impulsar generadores eléctricos para generar electricidad. El uso intensivo de motores de combustión interna se emplea en industrias en las que se aprovechan tanto la energía generada como el calor residual del motor, y la utilización del calor, que es un subproducto, hace que el uso localizado de los motores de combustión interna sea aún más económico. Menos de la mitad del combustible que entra al motor de combustión interna se convierte en electricidad, mientras que el resto de la entrada energía se rechaza en varias corrientes de calor residual.
[0013] La disipación de calor primario del motor de combustión interna se realiza con la corriente de gas de escape. Después de la extracción de energía térmica de los gases de combustión por parte del motor de combustión interna, la corriente de gas de combustión expandida que está a alta temperatura se elimina como corriente de gas de escape. Esta corriente de escape de gas caliente se utiliza principalmente en generadores de vapor de recuperación de calor para generar vapor a los niveles de presión y temperatura requeridos por los consumidores de calor específicos de esa instalación.
[0015] El rechazo de calor secundario del motor de combustión interna proviene principalmente del aceite lubricante del motor, los cilindros del motor y la carga de aire de combustión, que se convierten en una corriente de fluido refrigerante que circula dentro de los circuitos de enfriamiento del motor. Este calor no se puede aprovechar en su mayor parte debido a su característica de baja temperatura, generalmente por debajo de 100 °C.
[0017] El tercer rechazo de calor del motor de combustión interna proviene de las pérdidas superficiales hacia el ambiente y, por lo general, no se utiliza para un uso adicional.
[0019] En instalaciones donde se consume vapor, el requerimiento de vapor de los consumidores de calor puede exceder la cantidad de vapor disponible del generador de vapor de recuperación de calor aguas abajo de la corriente de escape del motor de combustión interna. En dichos casos, para satisfacer la mayor demanda de vapor, se aumenta la generación de vapor del generador de vapor de recuperación de calor inyectando combustible suplementario (y aire según se requiera) en la corriente de gas de escape para provocar una combustión suplementaria, o se suministra el requerimiento de vapor adicional mediante una caldera auxiliar donde ambos sistemas consumen combustible. Algunas veces se utilizan ambos sistemas según se requiera. La combustión de combustible adicional supone un mayor coste del combustible y una mayor cantidad de emisiones gaseosas.
[0021] El rechazo de calor secundario del motor de combustión interna se destina a fines de enfriamiento del motor, donde las fuentes son principalmente el aceite lubricante del motor, el bloque del motor y el aire de carga de combustión. Este calor se elimina del motor de combustión interna mediante una corriente de fluido refrigerante, generalmente una solución de anticongelante y agua, que trabaja generalmente por debajo de los 100 °C. La corriente de fluido refrigerante calentada aguas abajo del motor de combustión interna disipa el calor principalmente a la atmósfera en radiadores refrigerados por aire, y el fluido refrigerado se hace circular de vuelta al motor de combustión interna. La cantidad de calor en la corriente de rechazo de calor secundario es significativa y comparable con la cantidad utilizable de calor contenido en los gases de escape a alta temperatura en el rechazo de calor primario del motor de combustión interna. Debido a la baja temperatura del fluido refrigerante, que en su mayoría está por debajo de 100 °C, tanto la presión como la temperatura del vapor generado a partir de esta fuente no son suficientes para la mayoría de los consumidores de calor para su uso directo y, por lo tanto, este calor secundario se desperdicia en la mayoría de los casos al disiparse en la atmósfera.
[0022] El documento CN111441837B describe un dispositivo de recuperación de calor residual y un método de recuperación de un motor de combustión interna, en donde el dispositivo de recuperación de calor residual comprende: el dispositivo de recuperación de calor residual del motor de combustión interna comprende un cuerpo de cilindro de motor de combustión interna, un intercambiador de calor de gases de combustión, un expansor, un precalentador de aire presurizado, un regenerador de calor a alta temperatura, un regenerador de calor a baja temperatura, una unidad de enfriamiento, una unidad de presurización y un tanque de medio de trabajo, en donde el dispositivo de recuperación de calor residual del motor de combustión interna utiliza CO<2>supercrítico/subcrítico como medio de trabajo circulante. La invención utiliza CO<2>supercrítico/subcrítico, recupera completamente el calor residual de varias fuentes de calor con diferentes calidades en el motor de combustión interna, tales como los gases de combustión, el agua de las camisas de los cilindros y el aire presurizado.
[0024] El documento CN107542556A se refiere a generar energía a partir del calor residual de los gases de cola del sector automovilístico, más particularmente a un tipo de sistema de generación de electricidad de recuperación del calor latente de un motor de IC con ajuste automático y a su método de evaluación de aptitud para el servicio.
[0026] El documento CN110905619A describe un sistema para generación de vapor a presión utilizable según el preámbulo de la reivindicación 1.
[0028] Resumen
[0030] Un objeto de la invención, que se define por las características de la reivindicación 1, es proporcionar un sistema que supere las desventajas mencionadas anteriormente, que reduzca la cantidad total de combustible utilizado para generar vapor recuperando la fuente de calor a baja temperatura del circuito de rechazo de calor secundario del motor de combustión interna, generando vapor a baja presión a partir de esta fuente y comprimiéndolo aún más a niveles de presión utilizables según lo requieran los consumidores de calor. Los sistemas propuestos para comprimir vapor a baja presión son una compresión mecánica, que utiliza un compresor expansor, y, alternativamente, una compresión térmica, que utiliza un termocompresor.
[0032] El motor de combustión interna es una técnica anterior utilizada para generar energía que consume combustible y aire de combustión. Los gases de combustión expandidos abandonan el motor de combustión interna a una temperatura bastante alta pero aún contienen grandes cantidades de energía y oxígeno. El escape del motor de combustión interna está conectado a una caldera de calor residual que genera vapor a un nivel de presión y temperatura más alto que el requerido por los consumidores de calor. La caldera de calor residual está equipada con un quemador de conducto que añade energía al flujo de escape, lo que hace posible generar una mayor cantidad de vapor a temperaturas y presiones más altas según se requiera.
[0034] En la compresión mecánica, se utiliza una maquinaria de compresor expansor para comprimir el vapor a baja presión mientras se expande el vapor a alta presión. La entrada de energía mecánica al compresor provoca la compresión del vapor a baja presión, por lo tanto, este sistema se especifica como compresión mecánica. El vapor a alta presión generado por la caldera de calor residual después del motor de combustión interna se envía a la sección de expansor de un paquete de compresor expansor y la expansión del vapor al nivel de presión requerido por los consumidores de calor provoca la extracción de energía térmica y la generación de trabajo en el eje de salida giratorio del expansor. El vapor expandido se suministra al consumidor de calor. Este trabajo generado se transmite por transmisión al eje giratorio de entrada del compresor. El vapor a baja presión en la entrada del compresor se genera en una caldera a baja presión que genera vapor a una presión y temperatura relativamente bajas. La fuente de esta caldera es la corriente de fluido refrigerante, en la que se transforma el calor secundario disipado por el motor de combustión interna, mientras que la corriente de fluido refrigerante trabaja principalmente por debajo de los 100 °C. Este vapor a baja presión se comprime en la sección del compresor expansor, consumiendo trabajo, mientras que el expansor suministra el trabajo necesario a través de la transmisión. Este vapor comprimido a baja presión también se suministra para calentar el consumidor. El calor requerido para generar vapor a baja presión se suministra desde una fuente residual y no se consume combustible para generarlo. Como resultado, el sistema sugerido para generar vapor a alta presión a partir del generador de vapor de recuperación de calor y además vapor a baja presión a partir de la caldera a baja presión consume menos combustible en total cuando se compara con la generación de la misma cantidad de vapor con sistemas convencionales que utilizan un generador de vapor de recuperación de calor o con la adición de una caldera auxiliar donde ambos necesitan una combustión de combustible adicional.
[0035] En la compresión térmica, se utiliza un dispositivo termocompresor para comprimir el vapor a baja presión mientras se expande el vapor a alta presión. Dentro del termocompresor, la conversión de la presión estática del vapor a alta presión a presión dinámica, la transferencia de calor del vapor a alta presión al vapor a baja presión en contacto directo y mezclado, y la conversión de la presión dinámica a presión estática de la mezcla son procesos térmicos y, por lo tanto, este sistema se especifica como compresión térmica. El vapor a alta presión generado por la caldera de calor residual después del motor de combustión interna se envía a la sección de boquilla del termocompresor, que aumenta la velocidad del vapor de entrada a alta presión al tiempo que disminuye su presión estática, creando un entorno a baja presión en la sección de la cámara de succión del termocompresor. El vapor a baja presión se genera en una caldera a baja presión que genera vapor a una presión y temperatura relativamente bajas, donde la fuente de esta caldera es la corriente de fluido refrigerante, en la que se produce el calor secundario disipado por el motor de combustión interna, mientras que esta corriente de fluido refrigerante trabaja principalmente por debajo de los 100 °C. Este vapor a baja presión se conecta a la cámara de succión del termocompresor, y la menor presión de esta cámara provoca la succión de vapor a baja presión hacia el termocompresor. Ambas corrientes fluyen hacia la cámara de mezclado mientras transfieren energía del vapor a alta presión generado por la caldera de calor residual al vapor a baja presión generado por la caldera a baja presión en contacto directo y mezclado. Una cámara de expansión con sección transversal aumentada sigue a la cámara de mezclado, lo que provoca una disminución de la velocidad y un aumento de la presión estática de la mezcla. La mezcla que abandona el termocompresor se encuentra a un nivel de presión entre dos corrientes de entrada al termocompresor: por debajo del vapor a alta presión y por encima del vapor a baja presión. La corriente de salida del termocompresor se suministra al consumidor de calor y/o al usuario del proceso. El calor requerido para generar vapor a baja presión se suministra desde una fuente residual y no se consume combustible para generarlo. Como resultado, el sistema sugerido para generar vapor a alta presión a partir del generador de vapor de recuperación de calor y además el vapor a baja presión a partir de la caldera a baja presión consume menos combustible en total cuando se compara con la generación de la misma cantidad de vapor con sistemas convencionales que utilizan un generador de vapor de recuperación de calor o con la adición de una caldera auxiliar donde ambos necesitan combustión de combustible adicional.
[0036] Breve descripción de los dibujos
[0037] Figura 1, un diagrama de bloques del proceso dispuesto con un aparato de acuerdo con y que implementa la presente invención con una compresión mecánica.
[0038] Figura 2, una ilustración esquemática, con mayor detalle, del paquete de compresor expansor de carcasa de presión de una sola etapa dado en la Figura 1.
[0039] Figura 3, una ilustración esquemática, con mayor detalle, del paquete de compresor expansor de carcasa de presión de múltiples etapas con transmisión múltiple dado en la figura 1.
[0040] Figura 4, una ilustración esquemática, con mayor detalle, de la carcasa de presión de múltiples etapas de transmisión común del paquete de compresor expansor dada en la figura 1.
[0041] Figura 5, un diagrama de bloques del proceso dispuesto con un aparato de acuerdo con y que implementa la presente invención con una compresión térmica.
[0042] Figura 6, una ilustración esquemática, con mayor detalle, de un termocompresor de una sola etapa da do en la figura 5.
[0043] Figura 7, una ilustración esquemática, con mayor detalle, de un termocompresor de múltiples etapas dado en la figura 5.
[0044] Figura 8, un diagrama de bloques de un paquete de compresor híbrido, una combinación de compresión mecánica y compresión térmica.
[0045] Lista de referencias
[0046] 1 motor de combustión interna
[0047] 2 generador eléctrico
[0048] 3 aire de combustión
[0049] 4 combustible
[0050] 5 corriente de gas de escape
[0051] 6 corriente de fluido refrigerante del motor
[0052] 7 fluido refrigerante del motor caliente
[0053] 8 fluido refrigerante del motor frío
[0054] 9 bomba de circulación
[0055] 15 caldera a baja presión
[0056] 16 condensado a baja presión
[0057] 17 vapor a baja presión
[0058] 18 corriente de descarga del compresor de baja presión
[0059] 19 corriente de descarga del compresor
[0060] 20 consumidor de calor
[0061] 25 caldera de recuperación de calor residual
[0062] 26 combustible suplementario
[0063] 27 corriente de gas de escape de la caldera de recuperación de calor residual
[0064] 28 vapor a alta presión
[0065] 29 corriente de escape del expansor de alta presión
[0066] 30 corriente de escape del expansor
[0067] 32 condensado a alta presión
[0068] 35 paquete de compresor expansor
[0069] 36 expansor
[0070] 37 transmisión
[0071] 38 compresor
[0072] 40 compresor de baja presión
[0073] 41 compresor de alta presión
[0074] 43 expansor de alta presión
[0075] 44 expansor de baja presión
[0076] 45 primera transmisión
[0077] 46 segunda transmisión
[0078] 48 transmisión común
[0079] 50 paquete de termocompresor
[0080] 51 corriente de escape del termocompresor
[0081] 55 termocompresor
[0082] 56 boquilla
[0083] 57 cámara de succión
[0084] 58 cámara de mezclado
[0085] 59 cámara de expansión
[0086] 64 paquete de termocompresor de múltiples etapas
[0087] 65 1a etapa de termocompresor
[0088] 66 2a etapa de termocompresor
[0089] 67 vapor motriz
[0090] 68 Corriente de salida de la 1a etapa de termocompresor
[0091] Descripción detallada de la invención
[0092] Con referencia a la Figura 1, un motor (1) de combustión interna utiliza aire (3) de combustión y combustible (4) para crear la combustión. El aumento de presión y temperatura por combustión se transforma en energía cinética mediante la expansión de los gases de combustión calientes provocando un movimiento y/o un giro de los componentes internos que se utilizan para propulsar un generador (2) eléctrico. Después de completar la expansión, los gases de combustión calientes se alejan del motor (1) de combustión interna con la corriente (5) de gas de escape. La corriente (5) de gas de escape comprende altos niveles de energía debido a su alta temperatura. Para utilizar la energía de la corriente (5) de gas de escape, se utiliza una caldera (25) de recuperación de calor residual para enfriar la corriente (5) de gas de escape mientras se genera vapor (28) a alta presión calentando, evaporando y sobrecalentando el condensado (32) a alta presión con superficies de calentamiento del economizador, evaporador y sobrecalentador. El tipo de fluido de condensado (32) a alta presión utilizado para generar vapor (28) a alta presión es según el requerimiento del consumidor (20) de calor. Se suministra combustible (26) suplementario a la caldera (25) de recuperación de calor residual para una combustión suplementaria que provoca una mayor generación de vapor. También se puede suministrar aire junto con combustible (26) suplementario, si se requiere. Se utiliza una corriente (27) de gas de escape de la caldera de recuperación de calor residual para extraerlo de la caldera (25) de recuperación de calor residual.
[0093] La corriente (6) de fluido refrigerante del motor elimina el calor disipado de varias fuentes dentro del motor (1) de combustión interna con fines de enfriamiento. El fluido (8) refrigerante del motor frío es enviado por la bomba (9) de circulación al motor (1) de combustión interna y fuerza la corriente (6) de fluido refrigerante del motor a pasar a través de los circuitos de enfriamiento donde se produce el rechazo de calor de las superficies de calentamiento. El fluido (7) refrigerante del motor caliente fluye hacia una caldera (15) a baja presión. La caldera (15) a baja presión es un evaporador donde el fluido (7) refrigerante del motor caliente fluye dentro de un lado de la superficie de calentamiento mientras transfiere su calor al condensado (16) a baja presión que está dentro del otro lado de la superficie de calentamiento, provocando la evaporación del condensado y generando vapor (17) a baja presión. El tipo de fluido de condensado (16) a baja presión utilizado para generar el vapor (17) a baja presión es según el requerimiento del consumidor (20) de calor y puede ser el mismo tipo u otro tipo de fluido que el condensado (32) a alta presión.
[0095] Tanto el vapor (28) a alta presión como el vapor (17) a baja presión fluyen hacia el paquete (35) de compresor expansor a través de corrientes separadas. El paquete (35) de compresor expansor comprende un compresor (38), un expansor (36) y una transmisión (37). El vapor (28) a alta presión fluye hacia el expansor (36) mientras que el vapor (17) a baja presión fluye hacia el compresor (38) del paquete (35) de compresor expansor.
[0096] El expansor (36) es una máquina que extrae energía térmica del vapor (28) a alta presión mediante su expansión y la utiliza para realizar trabajo mecánico en un eje de salida giratorio conectado a la transmisión (37), mientras que el vapor (28) a alta presión expandido abandona el expansor (36) desde la corriente (30) de escape del expansor con menor presión y temperatura y por consiguiente menor energía térmica en comparación con la entrada.
[0098] El compresor (38) es una máquina que aumenta la presión y por consiguiente la energía térmica del vapor (17) a baja presión al reducir su volumen o aumentar su velocidad o una mezcla de ambos, mientras consume el trabajo mecánico requerido de un eje de entrada giratorio conectado a la transmisión (37), mientras que el vapor (17) a baja presión comprimido abandona el compresor (38) desde la corriente (19) de descarga del compresor con mayor presión y temperatura y por consiguiente mayor energía térmica cuando se compara con la entrada.
[0100] La transmisión (37) conecta mecánica o hidráulicamente el eje de salida giratorio del expansor (36) al eje de entrada giratorio del compresor (38). La energía extraída del expansor (36) por expansión del vapor (28) a alta presión se transmite a través de la transmisión (37) al compresor (38) donde la compresión del vapor (17) a baja presión consume la potencia generada por el expansor (36). La corriente (19) de descarga del compresor y la corriente (30) de escape del expansor se suministran al consumidor (20) de calor. El consumidor (20) de calor extrae energía interna tanto de la corriente (30) de escape del expansor como de la corriente (19) de descarga del compresor y provoca su condensación. El consumidor (20) de calor suministra el condensado (32) a alta presión a la caldera (25) de recuperación de calor residual y el condensado (16) a baja presión a la caldera (15) a baja presión.
[0102] Para simplificar, el paquete (35) de compresor expansor con carcasa de presión de una sola etapa se ilustra en la Figura 1 y se dan más detalles del paquete (35) de compresor expansor con carcasa de presión de una sola etapa en la Figura 2. El paquete (35) de compresor expansor puede ser del tipo de carcasa de presión de múltiples etapas, y los detalles de dicha configuración se dan en la Figura 3 y la Figura 4.
[0104] Con referencia a la Figura 2, se explica con más detalle un paquete (35) de compresor expansor de un tipo carcasa de presión de una sola etapa mostrado en la Figura 1. El expansor (36) puede ser de un tipo axial de una sola etapa o de múltiples etapas, de un tipo radial de una sola etapa o de múltiples etapas, de un tipo de turbina de una mezcla axial y radial de múltiples etapas, o puede ser de un tipo de expansor de una sola etapa o de múltiples etapas de desplazamiento positivo. El expansor (36) está empaquetado en una carcasa de presión individual. El compresor (38) puede ser de un tipo de compresor axial de una sola etapa o de múltiples etapas, de un tipo de compresor radial de una sola etapa o de múltiples etapas, de un tipo de compresor de una mezcla de turbina axial y radial de múltiples etapas o puede ser de un tipo de compresor de desplazamiento positivo de una sola etapa o de múltiples etapas. El compresor (38) está empaquetado dentro de una carcasa de presión individual. La transmisión (37) puede ser de un tipo de eje mecánico, de un tipo de caja de cambios, de un tipo hidráulica o de un tipo variable continua.
[0106] Con referencia a la Figura 3, se explica una carcasa de presión de múltiples etapas del paquete (35) de compresor expansor con transmisión múltiple al que se refiere la Figura 1. Para simplificar, solo se explica el compresor expansor de carcasa de presión de dos etapas, mientras que el número de carcasas de presión puede aumentar tanto para las secciones del compresor como del expansor. La función de cada expansor (43) de alta presión y expansor (44) de baja presión dados en la Figura 3 es la misma que la función del expansor (36) dado en la Figura 1 y la Figura 2. La función de cada compresor (40) de baja presión y compresor (41) de alta presión dados en la Figura 3 son las mismas que la función del compresor (36) en la Figura 1 y la Figura 2. La función de cada una de, la primera transmisión (45) y la segunda transmisión (46) dadas en la Figura 3 son las mismas en principio que la transmisión (37) dada en la Figura 1 y la Figura 2.
[0108] El vapor (28) a alta presión se expande dentro del expansor (43) de alta presión a un nivel de presión intermedio y sale a través de la corriente (29) de escape del expansor de alta presión, fluyendo hacia el expansor (44) de baja presión y expandiéndose aún más en su interior, y saliendo a través de la corriente (30) de escape del expansor con una presión más baja. A medida que la corriente de vapor disminuye en presión, la temperatura y la energía térmica también disminuyen.
[0110] El trabajo total por la expansión del vapor (28) a alta presión hacia la corriente (30) de escape del expansor es generado por dos expansores conectados en serie en el lado del vapor, donde cada expansor (43) de alta presión y expansor (44) de baja presión extrae alguna porción de la energía térmica total extraída y genera una cantidad correspondiente de trabajo.
[0112] El vapor (17) a baja presión se comprime dentro del compresor (40) de baja presión a un nivel de presión intermedio y sale a través de la corriente de descarga del compresor (18) de baja presión, fluyendo hacia el compresor (41) de alta presión y comprimiéndose aún más en su interior, y saliendo a través de la corriente (19) de descarga del compresor con una presión más alta. A medida que la corriente de vapor aumenta su presión, la temperatura y la energía térmica también aumentan.
[0114] El trabajo total consumido al comprimir el vapor (17) a baja presión a la corriente (19) de descarga del compresor es consumido por dos compresores conectados en serie en el lado del vapor, donde cada uno del compresor (40) de baja presión y el compresor (41) de alta presión transfiere alguna porción de la energía a la corriente de vapor y consume la cantidad correspondiente de trabajo.
[0116] La energía extraída del expansor (43) de alta presión por la expansión del vapor (28) a alta presión a la corriente (29) de escape del expansor de alta presión se transmite a través de la primera transmisión (45) al compresor (41) de alta presión donde la compresión de la corriente de descarga del compresor (18) de baja presión a la corriente (19) de descarga del compresor consume la energía generada por el expansor (43) de alta presión.
[0117] La energía extraída del expansor (44) de baja presión mediante la expansión de la corriente (29) de escape del expansor de alta presión a la corriente (30) de escape del expansor se transmite a través de la segunda transmisión (46) al compresor (40) de baja presión donde la compresión del vapor (17) a baja presión a la corriente (18) de descarga del compresor de baja presión consume la energía generada por el expansor (44) de baja presión.
[0119] El expansor (43) de alta presión y/o el expansor (44) de baja presión pueden ser de un tipo de turbina axial de una sola etapa o de múltiples etapas, de un tipo de turbina radial de una sola etapa o de múltiples etapas, de un tipo de turbina de una mezcla axial y radial de múltiples etapas o pueden ser de un tipo de expansor de desplazamiento positivo de una sola etapa o de múltiples etapas. Cada uno de los expansores de alta presión (43) y de baja presión (44) está empaquetado en carcasas de presión individuales. El compresor (41) de alta presión y/o el compresor (40) de baja presión pueden ser de un tipo de compresor axial de una sola etapa o de múltiples etapas, de un tipo de compresor radial de una sola etapa o de múltiples etapas, de un tipo de compresor de una mezcla de turbina axial y radial de múltiples etapas, o pueden ser de un tipo de compresor de desplazamiento positivo de una sola etapa o de múltiples etapas. Cada uno del compresor (41) de alta presión y el compresor (40) de baja presión está empaquetado en carcasas de presión individuales. La primera transmisión (45) y/o la segunda transmisión (46) pueden ser de un tipo de eje mecánico, de un tipo de caja de cambios, de un tipo hidráulica o de un tipo variable continua.
[0121] Para cada carcasa de presión del compresor, se requiere una carcasa de presión del expansor y una transmisión individual que las interconecte en este tipo de configuración.
[0123] El requerimiento de pasar de un expansor de compresor de carcasa de presión de una sola etapa que se muestra en la Figura 2 a un expansor de compresor de carcasa de presión de múltiples etapas que se muestra en la Figura 3 puede surgir debido a varias razones. Puede haber casos en los que la expansión en el expansor o la compresión en el compresor puedan requerir la separación física de las etapas del compresor o del expansor en carcasas de presión separadas debido a requerimientos o limitaciones, tales como la velocidad de giro, la relación de presión, el aumento o la disminución del flujo volumétrico, la capacidad de construcción, etc. En dichos casos, las etapas del compresor y del expansor se separan físicamente en carcasas de presión, las carcasas de presión del expansor comienzan desde la carcasa de alta presión hasta la carcasa de baja presión conectadas en serie en el lado del vapor, y las carcasas de presión del compresor comienzan desde la carcasa de baja presión hasta la carcasa de alta presión conectadas en serie en el lado del vapor. El número de carcasas de presión se calcula y optimiza según los requerimientos técnicos, para simplificar, en la Figura 3 solo se implementan dos carcasas de presión, de "alta presión" y de "baja presión". Como un ejemplo de una configuración de carcasa de presión de tres etapas, la disposición comprendería un expansor de alta presión conectado a un compresor de alta presión con transmisión, un expansor de presión intermedia conectado a un compresor de presión intermedia con transmisión y un expansor de baja presión conectado al compresor de baja presión con transmisión, carcasas de presión del compresor conectadas en serie en el lado del vapor y carcasas de presión del expansor conectadas en serie en el lado del vapor tal como se explicó para la configuración de la Figura 3 anterior.
[0125] Con referencia a la Figura 4, se explica un tipo de carcasa de presión de múltiples etapas de transmisión común del paquete (35) de compresor expansor dado en la Figura 1. Las descripciones de las secciones del compresor y del expansor de la Figura 3 son válidas para la Figura 4, mientras que en la Figura 4, los ejes de entrada del compresor y los ejes de salida del expansor están conectados a una transmisión (48) común.
[0127] El eje de salida giratorio del expansor (43) de alta presión, el eje de salida giratorio del expansor (44) de baja presión, el eje de entrada giratorio del compresor (41) de alta presión y el eje de entrada giratorio del compresor (40) de baja presión están todos conectados a la transmisión (48) común. La transmisión (48) común puede ser de un tipo caja de cambios, de un tipo hidráulica o de un tipo variable continua o una mezcla de las mismas para cada conexión.
[0129] La razón que está detrás de pasar de un paquete (35) de compresor expansor con carcasa de presión de múltiples etapas y transmisión múltiple en la Figura 3 a un paquete (35) de compresor expansor con carcasa de presión de múltiples etapas de transmisión común en la Figura 4 es hacer coincidir el trabajo total generado por los expansores con el trabajo total consumido por los compresores mientras se permite que cada carcasa de presión del compresor y carcasa de presión del expansor funcionen a velocidades de giro y tareas que no necesitan coincidir entre sí.
[0131] Para simplificar, solo se ilustran dos carcasas de presión del expansor y dos carcasas de presión del compresor, donde el número de ambas puede aumentar debido a razones como las que se explican en la figura 3. El número de carcasas de presión del compresor y de carcasas de presión del expansor no tiene por qué coincidir necesariamente entre sí.
[0133] Con referencia a la Figura 5, el tipo de fluido de condensado (16) a baja presión utilizado para generar vapor (17) a baja presión es el mismo que el condensado (32) a alta presión que se utiliza para generar vapor (28) a alta presión. Tanto el vapor (28) a alta presión como el vapor (17) a baja presión fluyen hacia el paquete (50) de termocompresor a través de corrientes separadas. El paquete (50) de termocompresor comprende un termocompresor (55) de una sola etapa o varios de los termocompresores (55) conectados en serie. Para simplificar, en la Figura 5, se ilustra el termocompresor (55) de una sola etapa. Los detalles y el funcionamiento del termocompresor (55) se dan en la Figura 6, mientras que la disposición y descripción adicional del termocompresor (55) de múltiples etapas se dan en la Figura 7.
[0135] El termocompresor (55) es un dispositivo que utiliza el vapor (28) a alta presión para crear una corriente de alta velocidad y presión estática reducida que provoca la succión del vapor (17) a baja presión y un mayor mezclado de ambas corrientes ocurre en la sección aguas abajo del dispositivo mientras que la sección de salida del termocompresor (55) disminuye la velocidad de la mezcla provocando un aumento en la presión estática, mientras que la corriente de escape del termocompresor (51) abandona el termocompresor (55) a un nivel de presión entre el vapor (28) a alta presión y el vapor (17) a baja presión. La corriente de escape del termocompresor (51) se suministra al consumidor (20) de calor. El consumidor (20) de calor extrae energía interna a la corriente de escape del termocompresor (51) y provoca la condensación de la corriente. El consumidor (20) de calor entrega el condensado (32) a alta presión a la caldera (25) de recuperación de calor residual y el condensado (16) a baja presión a la caldera (15) de baja presión, que son ambos el mismo fluido a diferentes niveles de presión.
[0137] Con referencia a la Figura 6, se explica el funcionamiento del termocompresor (55). El vapor (28) a alta presión fluye hacia una boquilla (56). El vapor (28) a alta presión suministrado a la boquilla (56) se denomina vapor (67) motriz. La boquilla (56) provoca un aumento de la velocidad del vapor (28) a alta presión creando un flujo en chorro mientras disminuye su presión estática a un punto inferior al del vapor (17) a baja presión. La velocidad del vapor de salida de la boquilla (56) puede ser subsónica o supersónica, cuanto mayor sea la velocidad, mayor será la relación de compresión del vapor (17) a baja presión. La relación de compresión se proporciona como la presión de la corriente (51) de escape del termocompresor dividida por la presión del vapor (17) a baja presión. La corriente de salida de la boquilla (56) fluye hacia la cámara (58) de mezclado mientras crea un entorno de menor presión en una cámara (57) de succión provocando el flujo del vapor (17) a baja presión hacia la cámara (57) de succión y el posterior mezclado de corrientes en una cámara (58) de mezclado. En una cámara (59) de expansión, la velocidad de la mezcla disminuye debido al aumento de la sección transversal, mientras aumenta la presión estática de la mezcla. La corriente de escape del termocompresor (51) está a un nivel de presión entre el vapor (28) a alta presión y el vapor (17) a baja presión.
[0139] Con referencia a la Figura 7, se explica el paquete (64) de termocompresor de múltiples etapas. Para simplificar, solo se implementan termocompresores (55) de dos etapas, mientras que el número de termocompresores (55) conectados en serie puede aumentar según se requiera. La relación de compresión del termocompresor (55) es limitada, por lo tanto, cuando se requiere una relación de compresión mayor, se conectan varios de los termocompresores (55) en serie para lograr relaciones de compresión mayores. La relación de compresión se proporciona como la presión de la corriente (51) de escape del termocompresor dividida por la presión del vapor (17) a baja presión. El vapor (67) motriz, que puede suministrarse tanto desde el vapor (28) a alta presión como desde la corriente (51) de escape del termocompresor, se suministra a la sección de boquilla de una 1a etapa (65) de termocompresor. La 1a etapa (65) de termocompresor comprime el vapor (17) a baja presión a un nivel de presión intermedio por debajo de la corriente (51) de escape del termocompresor y por encima del vapor (17) a baja presión. El vapor (28) a alta presión se suministra a una 2a etapa (66) de termocompresor para comprimir la corriente (68) de salida de la 1a etapa de termocompresor y entrega la corriente (51) de salida del termocompresor en un punto de presión entre el vapor (28) a alta presión y una corriente (68) de salida de la primera etapa del termocompresor.
[0141] Con referencia a la Figura 8, se ilustra un sistema de compresión híbrido que comprende el paquete (35) de compresor expansor y el paquete (50) de termocompresor. El paquete (35) de compresor expansor y el paquete (50) de termocompresor se pueden conectar en serie según se requiera o cuando se requiera. En una configuración híbrida, la secuencia, el número de etapas de compresión y los tipos de compresores se pueden organizar según se requiera, para simplificar, se implementa el paquete (50) de termocompresor seguido del paquete (35) de compresor expansor. El vapor (28) a alta presión fluye hacia el termocompresor (55) y comprime el vapor (17) a baja presión, y entrega la corriente (51) de escape del termocompresor a la succión del compresor (38). El compresor (38) comprime la corriente de entrada y entrega la corriente (19) de descarga del compresor. La potencia requerida para el compresor (38) es suministrada por el expansor (36) a través de la transmisión (37) y generada por el expansor (36) mediante la expansión del vapor (28) a alta presión. El vapor (19) de descarga del compresor y la corriente (30) de escape del expansor se suministran al consumidor (20) de calor, y el nivel de presión de estas corrientes puede ser el mismo o diferente.

Claims (21)

1. REIVINDICACIONES
1. Un sistema para generar vapor a presión utilizable utilizando calor residual a baja temperatura de motores (1) de combustión interna que utiliza aire (3) de combustión y combustible (4) para crear la combustión, en donde los gases de combustión calientes se alejan del motor (1) de combustión interna con una corriente (5) de gas de escape, en donde el sistema comprende:
• una caldera (25) de recuperación de calor residual que se utiliza para enfriar la corriente (5) de gas de escape mientras genera vapor (28) a alta presión calentando, evaporando y sobrecalentando el condensado (32) a alta presión con superficies de calentamiento del economizador, evaporador y sobrecalentador,
• una caldera (15) a baja presión que es un evaporador donde el fluido (7) refrigerante del motor caliente fluye dentro de un lado de la superficie de calentamiento mientras transfiere su calor al condensado (16) a baja presión que está dentro del otro lado de la superficie de calentamiento, provocando la evaporación del condensado y generando vapor (17) a baja presión, el sistema está caracterizado por que comprende:
• un paquete (35) de compresor expansor,
° en donde fluyen tanto el vapor (28) a alta presión como el vapor (17) a baja presión, y
° que comprende:
- un expansor (36) dentro del cual fluye el vapor (28) a alta presión, y que extrae energía térmica del vapor (28) a alta presión mediante la expansión y el uso de la energía térmica para realizar un trabajo mecánico en un eje de salida giratorio conectado a una transmisión (37), mientras que el vapor (28) a alta presión expandido abandona el expansor (36) desde la corriente (30) de escape del expansor con menor presión y temperatura y, por consiguiente, menor energía térmica en comparación con la entrada,
- un compresor (38) dentro del cual fluye el vapor (17) a baja presión y que aumenta la presión y, por consiguiente, la energía térmica del vapor (17) a baja presión al reducir el volumen o aumentar la velocidad o una mezcla de ambos, mientras que consume el trabajo mecánico requerido de un eje de entrada giratorio conectado a la transmisión (37), mientras que el vapor (17) a baja presión comprimido abandona el compresor (38) como una corriente (19) de descarga del compresor con mayor presión y temperatura y, por consiguiente, mayor energía térmica en comparación con la entrada, y
- la transmisión (37) que conecta mecánica o hidráulicamente el eje de salida giratorio del expansor (36) al eje de entrada giratorio del compresor (38), en donde la energía extraída del expansor (36) por la expansión del vapor (28) a alta presión se transmite a través de la transmisión (37) al compresor (38) donde la compresión del vapor (17) a baja presión consume la energía generada por el expansor (36),
• un consumidor (20) de calor,
° al que se suministran la corriente (19) de descarga del compresor y la corriente (30) de escape del expansor, ° que extrae energía interna tanto de la corriente (30) de escape del expansor como de la corriente (19) de descarga del compresor y provoca la condensación de la corriente (30) de escape del expansor y de la corriente (19) de descarga del compresor, y
° que entrega el condensado (32) a alta presión a la caldera (25) de recuperación de calor residual y el condensado (16) a baja presión a la caldera (15) a baja presión.
2. El sistema según la reivindicación 1, caracterizado por que el paquete (35) de compresor expansor se elige como una carcasa de presión de múltiples etapas con transmisión múltiple, en donde la carcasa de presión de múltiples etapas del paquete (35) de compresor expansor comprende:
• un expansor (43) de alta presión y un expansor (44) de baja presión,
° en donde el vapor (28) a alta presión se expande dentro del expansor (43) de alta presión a un nivel de presión intermedio y sale a través de la corriente (29) de escape del expansor de alta presión, fluyendo hacia el expansor (44) de baja presión y se expande más en su interior, y sale a través de la corriente (30) de escape del expansor con una presión más baja,
• un compresor (40) de baja presión y un compresor (41) de alta presión,
° en donde el vapor (17) a baja presión se comprime dentro del compresor (40) de baja presión a un nivel de presión intermedio y sale a través de la corriente de descarga del compresor (18) de baja presión, fluyendo hacia el compresor (41) de alta presión y comprimiéndose más en su interior, y saliendo a través de la corriente (19) de descarga del compresor con una presión más alta,
• una primera transmisión (45) y una segunda transmisión (46),
° en donde la energía extraída del expansor (43) de alta presión por la expansión del vapor (28) a alta presión a la corriente (29) de escape del expansor de alta presión se transmite a través de la primera transmisión (45) al compresor (41) de alta presión donde la compresión de la corriente (18) de descarga del compresor de baja presión a la corriente (19) de descarga del compresor consume la energía generada por el expansor (43) de alta presión.
3. El sistema según la reivindicación 2, caracterizado por que el eje de salida giratorio del expansor (43) de alta presión, el eje de salida giratorio del expansor (44) de baja presión, el eje de entrada giratorio del compresor (41) de alta presión y el eje de entrada giratorio del compresor (40) de baja presión están todos conectados a una transmisión (48) común.
4. El sistema según la reivindicación 1, caracterizado por que el paquete (35) de compresor expansor se elige como un paquete (50) de termocompresor,
• al que fluyen tanto el vapor (28) a alta presión como el vapor (17) a baja presión,
• que es un dispositivo que utiliza el vapor (28) a alta presión para crear una corriente de alta velocidad y presión estática reducida que provoca la succión del vapor (17) a baja presión y un mezclado adicional de ambas corrientes ocurre en la sección aguas abajo del dispositivo mientras que la sección de salida del termocompresor (55) disminuye la velocidad de la mezcla provocando un aumento en la presión estática, mientras que la corriente (51) de escape del termocompresor abandona el termocompresor (55) a un nivel de presión entre el vapor (28) a alta presión y el vapor (17) a baja presión.
5. El sistema según la reivindicación 4, caracterizado por que el paquete (50) de termocompresor es un termocompresor (55) de una sola etapa o un paquete (64) de termocompresor de múltiples etapas conectados en serie.
6. El sistema según la reivindicación 4 o 5, caracterizado por que el paquete (50) de termocompresor comprende además:
• una boquilla (56), en la que fluye el vapor (28) a alta presión, y que provoca un aumento de la velocidad del vapor (28) a alta presión creando un flujo de chorro mientras disminuye la presión estática a un punto inferior al del vapor (17) a baja presión,
° en donde la corriente de salida de la boquilla (56) fluye hacia la cámara (58) de mezclado mientras crea un entorno de menor presión en una cámara (57) de succión que provoca el flujo del vapor (17) a baja presión hacia la cámara (57) de succión y la posterior mezcla de corrientes en una cámara (58) de mezclado,
• una cámara (59) de expansión, donde la velocidad de la mezcla disminuye debido al aumento de la sección transversal mientras aumenta la presión estática.
7. El sistema según la reivindicación 6, caracterizado por que el vapor (28) a alta presión suministrado a la boquilla (56) es un vapor (67) motriz.
8. El sistema según la reivindicación 6 o 7, caracterizado por que la velocidad del vapor de salida de la boquilla (56) puede ser subsónica o supersónica, cuanto mayor sea la velocidad mayor será la relación de compresión del vapor (17) a baja presión que se puede lograr.
9. El sistema según la reivindicación 5, caracterizado por que el paquete (64) de termocompresor de múltiples etapas comprende:
• una 1a etapa (65) de termocompresor,
° donde el vapor (67) motriz, que puede suministrarse desde el vapor (28) a alta presión o desde la corriente (51) de escape del termocompresor, se suministra a la sección de boquilla de,
° que comprime el vapor (17) a baja presión a un nivel de presión intermedio por debajo de la corriente de escape del termocompresor (51) y por encima del vapor (17) a baja presión,
• una 2a etapa (66) de termocompresor,
° donde se suministra el vapor (28) a alta presión,
° que comprime la corriente (68) de salida de la 1a etapa de termocompresor y entrega la corriente (51) de salida del termocompresor en un punto de presión entre el vapor (28) a alta presión y una corriente (68) de salida de la primera etapa del termocompresor.
10. El sistema según la reivindicación 4, caracterizado por que el paquete (35) de compresor expansor se elige como una combinación del paquete (35) de compresor expansor y el paquete (50) de termocompresor, en donde
• el paquete (35) de compresor expansor y el paquete (50) de termocompresor se pueden conectar en serie, • el vapor (28) a alta presión fluye hacia el termocompresor (55) y comprime el vapor (17) a baja presión, y entrega la corriente (51) de escape del termocompresor a la succión del compresor (38),
• el compresor (38) comprime la corriente de entrada y entrega la corriente (19) de descarga del compresor, • la energía requerida para el compresor (38) es suministrada por el expansor (36) a través de la transmisión (37) y generada por el expansor (36) mediante la expansión del vapor (28) a alta presión,
• el vapor (19) de descarga del compresor y la corriente (30) de escape del expansor se suministran al consumidor (20) de calor.
11. El sistema según la reivindicación 1, caracterizado por que el tipo de fluido de condensado (32) a alta presión utilizado para generar vapor (28) a alta presión.
12. El sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque se suministra combustible (26) suplementario a la caldera (25) de recuperación de calor residual para una combustión suplementaria que provoca una mayor generación de vapor.
13. El sistema según la reivindicación 1, caracterizado por que en la compresión mecánica, el tipo de fluido de condensado (16) a baja presión utilizado para generar el vapor (17) a baja presión es según el requerimiento del consumidor (20) de calor y puede ser del mismo tipo u otro tipo de fluido que el condensado (32) a alta presión.
14. El sistema según la reivindicación 1, caracterizado por que en la compresión térmica, el tipo de fluido de condensado (16) a baja presión utilizado para generar el vapor (17) a baja presión es según el requerimiento del consumidor (20) de calor y es el mismo tipo del condensado (32) a alta presión.
15. El sistema según la reivindicación 1, caracterizado por que el expansor (36) se elige como un tipo de turbina axial de una sola etapa o de múltiples etapas, un tipo de turbina radial de una sola etapa o de múltiples etapas, un tipo de turbina de una mezcla axial y radial de múltiples etapas o puede ser un tipo de expansor de desplazamiento positivo de una sola etapa o de múltiples etapas.
16. El sistema según la reivindicación 1, caracterizado por que el compresor (38) se elige como un compresor de un tipo axial de una sola etapa o de múltiples etapas, un tipo de compresor de un tipo radial de una sola etapa o de múltiples etapas, un tipo de compresor de una mezcla de axial y radial de múltiples etapas, o puede ser un tipo de compresor de desplazamiento positivo de una sola etapa o de múltiples etapas.
17. El sistema según la reivindicación 1, caracterizado por que la transmisión (37) se elige como de un tipo de eje mecánico, de un tipo de caja de cambios, de un tipo hidráulica o de un tipo variable continua.
18. El sistema según la reivindicación 2, caracterizado por que el expansor (43) de alta presión y/o el expansor (44) de baja presión se eligen como un tipo de turbina axial de una sola etapa o de múltiples etapas, un tipo de turbina radial de una sola etapa o de múltiples etapas, un tipo de turbina de una mezcla axial y radial de múltiples etapas o puede ser un tipo de expansor de desplazamiento positivo de una sola etapa o de múltiples etapas.
19. El sistema según la reivindicación 2, caracterizado por que el compresor (41) a alta presión y/o el compresor (40) a baja presión se elige como un tipo de compresor de axial de una sola etapa o de múltiples etapas, un tipo de compresor radial de una sola etapa o de múltiples etapas, un tipo de compresor de una mezcla de axial y radial de múltiples etapas, o puede ser de un tipo de compresor de desplazamiento positivo de una sola etapa o de múltiples etapas.
20. El sistema según la reivindicación 2, caracterizado por que la primera transmisión (45) y/o la segunda transmisión (46) se eligen como de un tipo de eje mecánico, de un tipo de caja de cambios, de un tipo hidráulica o de un tipo variable continua.
21. El sistema según la reivindicación 3, caracterizado por que la transmisión (48) común se elige como de un tipo de caja de cambios, de un tipo hidráulica o de un tipo variable continua o una mezcla de las mismas para cada conexión.
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