MX2014011444A - Sistema y metodo para recuperar calor residual de fuentes de calor dual. - Google Patents
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Abstract
Un sistema de recuperación de calor incluye un sistema de ciclos de recuperación de calor (10) acoplado a por lo menos dos fuentes de calor separadas que tienen diferentes temperaturas; el sistema de ciclos de recuperación de calor está acoplado a una primera fuente de calor (26) y por lo menos una segunda fuente de calor (52); el sistema de ciclos de recuperación de calor está configurado para hacer circular un fluido de trabajo; la por lo menos una segunda fuente de calor incluye una fuente de calor de temperatura menor que la primera fuente de calor; el fluido de trabajo puede circular en relación de intercambio de calor a través de una primera unidad de intercambio de calor (18), una segunda unidad de intercambio de calor (20) para calentar el fluido de trabajo en el sistema de ciclos de recuperación de calor; la primera unidad de intercambio de calor está acoplada a por lo menos una segunda fuente de calor para calentar por lo menos una porción de un caudal enfriado de fluido de trabajo a una temperatura sustancialmente mayor.
Description
SISTEMA Y MÉTODO PARA RECUPERAR CALOR RESIDUAL DE
FUENTES DE CALOR DUAL
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Las modalidades descritas en la presente se refieren por lo general al campo de generación de energía y, más en particular, a un sistema y método para recuperar calor residual de una pluralidad de fuentes de calor que tienen diferentes temperaturas para la generación de electricidad.
Se generan grandes cantidades de calor residual por medio de una amplia variedad de procedimientos y operaciones industriales y comerciales. Las fuentes de calor residual de ejemplo incluyen caudales de escape y calor de los ensambles de calentamiento de espacios, calderas de vapor, motores y sistemas de refrigeración. Muchos motores quemadores de combustible, además de producir un caudal de escape a alta temperatura, también emiten calor a una temperatura menor en aceite lubricante, fluido de refrigeración o aire de radiador intermedio de compresor. Aunque los ciclos de descenso pueden utilizarlo para recuperar potencia del eje o eléctrica adicional de los gases calientes de escape emitidos por el motor, generalmente están configurados para hacer un uso eficiente de las fuentes de calor de menor temperatura disponibles.
Cuando el calor residual es de grado bajo, tal calor residual que tiene una temperatura debajo de los 300 grados Celsius, por ejemplo, los
sistemas de recuperación de calor convencionales no operan con suficiente eficiencia para hacer la recuperación de energía rentable. El resultado neto es que las cantidades vastas de calor residual caen en la atmósfera, tierra o agua.
Un método para generar electricidad de calor residual incluye sistemas de un solo ciclo o sistemas de dos ciclos que se utilizan en las aplicaciones de recuperación de calor con fuentes de calor residual o niveles diferentes de temperatura. Las configuraciones de un solo ciclo recolectan calor de diferentes ubicaciones diferentes de calor residual en una disposición en serie de unidades de intercambio de calo con un fluido de calentamiento intermedio. Esta configuración "de múltiples funciones" disminuye la temperatura de vapor de fluido resultante máxima porque el calor disponible de las fuentes de calor de varios niveles de temperatura se mezclan. Un resultado no deseado de esta configuración es una eficiencia Carnot reducida. En configuraciones de dos ciclos, la fuente caliente de calor calienta un líquido de punto de ebullición alto en un bucle superior, y la fuente de calor frío calienta un líquido de punto de ebullición bajo en un bucle inferior separado. Aunque, el sistema de dos ciclos generalmente alcanza un mejor desempeño que un solo ciclo, los componentes en el sistema de dos ciclos son más complejos y requieren más componentes. Como un resultado, el costo general del sistema de dos ciclos es significativamente más alto.
En otro sistema convencional proporcionado para generar electricidad a partir del calor residual, un sistema de ciclos rankine orgánico en
cascada para la utilización de calor residual incluye un par de sistemas de ciclos rankine orgánico, que incluyen dos fluidos de trabajo. Los ciclos se combinan, y los fluidos de trabajo orgánico respectivos se eligen de tal manera que el fluido de trabajo orgánico del primer ciclo rankine orgánico se condensa a una temperatura de condensación que está arriba del punto de ebullición del fluido de trabajo orgánico del segundo ciclo orgánico. Un sola unidad común de intercambio de calor se utiliza tanto para el condensador del primer sistema de ciclos rankine orgánicos como del evaporador del segundo ciclo rankine orgánico. Un sistema de ciclos rankine orgánicos en cascada convierte el calor excedente dentro de ciertas escalas de temperatura, pero no recuperan el calor residual sobre una amplia escala de temperatura, debido a un límite de temperatura superior en el fluido orgánico de aproximadamente 250°C impuesto por tendencia a degradarse rápidamente a temperaturas más altas.
Sería deseable tener un sistema que recupera de manera efectiva el calor residual sobre una amplia escala de temperatura a partir de múltiples fuentes de calor que utiliza un solo fluido de trabajo.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
De acuerdo con una modalidad ejemplar descrita en la presente, un sistema de recuperación de calor residual que incluye un sistema de generación de calor y un sistema de recuperación de calor. El sistema de
generación de calor incluye por lo menos dos fuentes de calor separadas que tienen diferentes temperaturas. Las por lo menos dos fuentes de calor separadas incluyen una primera fuente de calor y por lo menos una segunda fuente de calor. El sistema de recuperación de calor está configurado para hacer circular un solo fluido de trabajo, e incluye un calentador, una primera unidad de intercambio de calor y una segunda unidad de intercambio de calor. El calentador está configurado para hacer circular un fluido de trabajo en relación de intercambio de calor con un fluido caliente para evaporizar el fluido de trabajo. La primera unidad de intercambio de calor está acoplada al calentador, en donde el fluido de trabajo vaporizado puede circular en relación de intercambio de calor a través de la primera unidad de intercambio de calor para calentar por lo menos una porción del fluido de trabajo en el sistema de ciclos de recuperación de calor. Por lo menos una porción del fluido de trabajo puede hacerse circular en relación de intercambio de calor a través de la segunda unidad de intercambio de calor para calentar por lo menos una porción del fluido de trabajo en el sistema de ciclos de recuperación de calor. El sistema de ciclos de recuperación de calor se acopla a una primera fuente de calor entre por lo menos dos fuentes de calor separadas y por lo menos una segunda fuente de calor entre por lo menos dos fuentes de calor separada. El sistema de ciclos de recuperación de calor está configurado para eliminar calor de la primera fuente de calor y la segunda fuente de calor.
De acuerdo con una modalidad ejemplar descrita en la presente, un sistema de recuperación de calor residual incluye un motor de combustión
y un sistema de ciclos de recuperación de calor. El motor de combustión incluye una fuente de calor que tiene una unidad de escape de motor y por lo menos una fuente de calor adicional seleccionada del grupo que comprende un radiador intermedio de temperatura menor, un radiador intermedio de temperatura mayor, una unidad de escape de compresor de baja presión o combinación de éstos. La fuente de calor comprende una fuente de calor de temperatura mayor que la por lo menos una fuente de calor adicional. El sistema de ciclos de recuperación de calor incluye un calentador, una unidad de refrigeración, por lo menos dos expansores, una primera unidad de intercambio de calor y una segunda unidad de intercambio de calor. El sistema de ciclos de recuperación de calor está acoplado a la unidad de escape de motor y la por lo menos una fuente de calor adicional y está configurado para hacer circular un fluido de trabajo. La primera unidad de intercambio de calor está acoplada al calentador y la por lo menos una fuente de calor adicional, en donde por lo menos una porción del fluido de trabajo puede circular en relación de intercambio de calor a través de la primera unidad de intercambio de calor para calentar el fluido de trabajo en el sistema de ciclos de recuperación de calor. Por lo menos una porción del fluido de trabajo puede hacerse circular en relación de intercambio de calor a través de la segunda unidad de intercambio de calor para calentar el fluido de trabajo en el sistema de ciclos de recuperación de calor. El sistema de ciclos de recuperación de calor está configurado para eliminar calor de la unidad de escape de motor y la por lo menos una fuente de calor adicional.
De acuerdo con una modalidad ejemplar descrita en la presente, un sistema de recuperación de calor residual incluye un motor de combustión y un sistema de ciclos de recuperación de calor. El motor de combustión incluye una fuente de calor que tiene una unidad de escape de motor y por lo menos una fuente de calor adicional seleccionada del grupo que comprende un radiador intermedio de temperatura menor, un radiador intermedio de temperatura mayor, una unidad de escape de compresor de baja presión o combinación de éstos. La fuente de calor y la por lo menos una fuente de calor adicional con diferentes temperaturas, en donde la por lo menos una fuente que comprende una fuente de calor de temperatura mayor que la por lo menos una fuente de calor adicional. El sistema de ciclos de recuperación de calor incluye un calentador y por lo menos dos expansores acoplados a por lo menos una unidad de generador, una primera unidad de intercambio de calor y una segunda unidad de intercambio de calor. El calentador está acoplado a la unidad de escape de motor. El sistema de ciclos de recuperación de calor está configurado para hacer circular un fluido de trabajo. El fluido de trabajo comprende dióxido de carbono (C02). La primera unidad de intercambio de calor está acoplada al calentador y por lo menos una fuente de calor adicional. Por lo menos una porción del fluido de trabajo puede hacerse circular en relación de intercambio de calor a través de la primera unidad de intercambio de calor para calentar el fluido de trabajo en el sistema de ciclos de recuperación de calor. Por lo menos una porción del fluido de trabajo puede hacerse circular en relación de intercambio de calor a través de la segunda
unidad de intercambio de calor para calentar el fluido de trabajo en el sistema de ciclos de recuperación de calor. El sistema de ciclos de recuperación de calor está configurado para eliminar calor de la unidad de escape de motor y la por lo menos una fuente de calor adicional.
Varios refinamientos de las características observadas anteriormente existen en relación con varios aspectos de la presente descripción. Las características adicionales también pueden incorporarse en estos varios aspectos. Estos refinamientos y características adicionales pueden existir de manera individual o en cualquier combinación. Por ejemplo, las diferentes características mencionadas a continuación en relación con una o más modalidades ilustradas pueden incorporarse en cualquier aspecto antes descrito de la presente descripción sola o en cualquier combinación. Nuevamente, la breve descripción de la invención presentada anteriormente está prevista para familiarizar al lector con ciertos aspectos y contextos de la presente descripción sin limitación al tema reclamado.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Éstas y otras características, aspectos y ventajas de la presente descripción se comprenderán mejor cuando se lea la siguiente descripción detallada con referencia a los dibujos anexos, donde:
La figura 1 es una representación gráfica de un sistema de recuperación de calor residual de acuerdo con una modalidad ejemplar aquí descrita.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
De acuerdo con la modalidad descrita en la presente, se describe un sistema de ciclos de recuperación de calor para recuperar calor residual de fuentes duales. El sistema de ciclos de recuperación de calor ejemplar incluye un calentador configurado para hacer circular un fluido de trabajo en relación de intercambio de calor con un fluido caliente para vaporizar el fluido de trabajo. El sistema de ciclos de recuperación de calor incluye una primera unidad de intercambio de calor configurada para hacer circular un primer caudal vaporizado del fluido de trabajo del calentador en relación de intercambio de calor con una primera porción de un caudal enfriado del fluido de trabajo para calentar la primera porción del caudal enfriado del fluido de trabajo. El sistema de ciclos de recuperación de calor incluye una segunda unidad de intercambio de calor configurada para hacer circular un segundo caudal vaporizado del fluido de trabajo en relación de intercambio de calor con una segunda porción de un caudal enfriado del fluido de trabajo, para calentar la segunda porción del caudal enfriado del fluido de trabajo antes de volver a suministrar al calentador. De acuerdo con la modalidad ejemplar de la presente descripción, el sistema de ciclos de
recuperación de calor se integra con una primera fuente de calor y una segunda fuente de calor para permitir una recuperación más eficiente de calor residual para la generación de electricidad. La primera y segunda fuentes de calor pueden incluir motores de combustión, turbinas de gas, fuentes de calor térmico, industrial y residencial o similares.
Haciendo referencia a la figura 1 , un sistema de ciclos de recuperación de calor 10 se ilustra de acuerdo con una modalidad ejemplar de la presente descripción. El sistema de ciclos de recuperación de calor ilustrado 10 incluye un calentador 12, un primer expansor 14, un segundo expansor 16, una primera unidad de intercambio de calor o recuperador 18 y una segunda unidad de intercambio de calor o recuperador 20, una unidad de refrigeración 22 y una bomba 24. Un solo fluido de trabajo se hace circular a través del sistema de ciclos de recuperación de calor 10.
El calentador 12 se acopla a una primera fuente de calor 26. En la modalidad ilustrada, el calentador 12 se acopla a un motor 28 y más en particular a una unidad de escape de motor tal como una turbina de potencia 30 del motor 28. El calentador 12 está configurado para recibir un caudal de escape de temperatura alta 32 que se origina de la descarga de la turbina de potencia 30. El calentador 12 recibe calor del caudal de escape de alta presión 32 generado de la turbina de potencia 30 y calienta un fluido de trabajo para generar un primer caudal vaporizado 34 del fluido de trabajo. Más específicamente, el fluido de trabajo se calienta a una presión elevada a un estado supercalentado en el calentador 12 mediante el caudal de escape
de alta temperatura 32. El primer caudal vaporizado 34 del fluido de trabajo se pasa a través del primer expansor 18 para expandir el primer caudal vaporizado 34 del fluido de trabajo a una presión menor y para activar una unidad de generador 36 por medio de un eje 38. El primer expansor 18 puede ser un expansor tipo axial, un expansor de tipo impulso, un expansor de tipo tornillo de alta temperatura o un tipo de expansor de turbina de entrada radial. Después de pasar a través del primer expansor 18, el primer caudal vaporizado 34 del fluido de trabajo, descargado a una presión relativamente inferior y temperatura menor, se pasa a través de la primera unidad de intercambio de calor o recuperador 18 a la unidad de refrigeración. El caudal vaporizado 34 se enfría a temperatura casi ambiente en la primera unidad de intercambio de calor 18. El primer caudal vaporizado 34 se enfría adicionalmente y puede condensarse en un líquido o un estado supercrítico denso adecuado para bombear, en la unidad de refrigeración 22, para generar un caudal enfriado 40 del fluido de trabajo. El caudal enfriado 40 del fluido de trabajo entonces se bombea utilizando la bomba 24 para una válvula de control 42 con lo cual el caudal enfriado 40 se divide en dos caudales: una primera porción 44 y una segunda porción 46. En una modalidad, el primer caudal vaporizado 34 puede enfriarse de manera supercrítica, a un fluido supercrítico en fase densa antes de bombearlo de manera ascendente a presión.
La primera porción 44 del caudal enfriado 40 regresa al calentador 12 por medio de la segunda unidad de intercambio de calor,
recuperador 20. En la modalidad ilustrada, la válvula de control 42 se acopla entre la primera unidad de intercambio de calor 18 y la segunda unidad de intercambio de calor 20 y se configura para controlar el flujo del caudal enfriado 40 de la unidad de refrigeración 22 a la primera unidad de intercambio de calor 18 y la segunda unidad de intercambio de calor 20 durante la operación del sistema que depende del calor adicional provisto de una segunda fuente de calor (descrito en la presente).
La segunda porción 46 del caudal enfriado 40 regresa a la primera unidad de intercambio de calor 18 donde se calienta a una temperatura intermedia de la descarga del primer expansor 14 y más en particular a la temperatura del primer caudal vaporizado 34 para sufrir una segunda expansión a través del segundo expansor 16. Más específicamente, la primera unidad de intercambio de calor 18 se configura para hacer circular el primer caudal vaporizado 34 del fluido de trabajo del primer expansor 14 en la relación de intercambio de calor con la segunda porción 46 del caudal enfriado 40 del fluido de trabajo para calentar la segunda porción 46 del caudal enfriado 40 del fluido de trabajo y generar un segundo caudal vaporizado 48 del fluido de trabajo. El calor transferido del primer caudal vaporizado 34 a la segunda porción 46 del caudal enfriado 40 en la primera unidad de intercambio de calor 18 puede complementearse con calor complementario de un caudal de aire de radiador intermedio complementario 50 que tiene una temperatura que se puede comparar con el primer caudal vaporizado 34 en la descarga del primer expansor 14. En este ejemplo
particular, el calor complementario se proporciona mediante el caudal de aire del radiador intermedio complementario 50, descargado de una segunda fuente de calor 52, y más en particular un caudal de aire de descarga del motor 28. Como se ilustra mejor en la figura 1 , el caudal de aire del radiador intermedio complementario 50 se origina de una unidad de escape de compresor de baja presión y más en particular una descarga de un compresor de baja presión 54 en el motor 28. Entre más grande sea la cantidad de calor disponible del caudal de aire del radiador intermedio complementario 50, más grande será la proporción del caudal enfriado 40 que pueda canalizarse mediante la válvula de control 42 a la primera unidad de intercambio de calor 18 más que a la segunda unidad de intercambio de calor 20. El calor de la primera fuente de calor 26 y de la segunda fuente de calor 52 puede utilizarse de manera óptima al ajustar el radio del flujo en la válvula de control 42.
El segundo caudal vaporizado 48 del fluido de trabajo se pasa a través del segundo expansor 16 para expandir el segundo caudal vaporizado 48 del fluido de trabajo y para activar una segunda unidad de generador (no se muestra) o la primera unidad de generador 36 por medio del eje 38. El segundo expansor 16 puede ser un expansor axial, un expansor de tipo impulso, un expansor de tipo tornillo de alta temperatura o un tipo de expansor de turbina de entrada radial. Después de pasar a través del segundo expansor 16, el segundo caudal vaporizado 48 del fluido de trabajo pasa a través de la segunda unidad de intercambio de calor 20 y de regreso a la unidad de refrigeración 22. La segunda unidad de intercambio de calor 20
está configurada para circular el segundo caudal vaporizado 48 del fluido de trabajo del segundo expansor 16 en relación de intercambio de calor con la primera porción 44 del caudal enfriado 40 del fluido de trabajo para calentar la primera porción 44 del fluido de trabajo antes de ser suministrado al calentador 12. Una segunda válvula de control 56 se acopla entre la primera unidad de intercambio de calor 18 y la segunda unidad de intercambio de calor 20 y configurada para controlar el flujo del segundo caudal vaporizado 48 del segundo expansor 16 y el primer caudal vaporizado 34 del primer expansor 14 a la unidad de refrigeración 22. El segundo caudal vaporizado 48 del fluido de trabajo se combina por medio de la segunda válvula de control 56 con el primer caudal vaporizado 34 antes de alcanzar la unidad de refrigeración 22. El primer caudal vaporizado 34 y el segundo caudal vaporizado 48 combinados se enfrían para generar el caudal enfriado 40 del fluido de trabajo. El caudal enfriado 40 del fluido de trabajo entonces se bombea usando la bomba 24 para el calentador 12 por medio de la segunda unidad de intercambio de calor 20 (como se describió anteriormente) o para el segundo expansor 16 por medio de la primera unidad de intercambio de calor 18 (como se describió anteriormente). El ciclo entonces puede repetirse.
El sistema de ciclos de recuperación de calor 10 pueden incluir además un radiador intermedio 58 acoplado a la primera unidad de intercambio de calor 18 y el caudal de aire del radiador intermedio complementario 50 y un enfriador de guarnición 60 acoplado al radiador intermedio 58 y el motor 28.
En la modalidad ilustrada, hay dos ejemplos de intercambio de calor (también puede referirse como transferencia de calor intraciclos entre un caudal de alta presión del fluido de trabajo y un caudal de baja presión del fluido de trabajo. En el primer ejemplo, el primer caudal vaporizado 34 del fluido de trabajo se circula en relación de intercambio de calor con la segunda porción 46 del caudal enfriado 40 del fluido de trabajo para calentar la segunda porción 46 del caudal enfriado 40 del fluido de trabajo y generar el segundo caudal vaporizado 48 del fluido de trabajo. Este intercambio de calor sirve para hervir o de otro modo aumentar la entalpia (si la segunda porción 46 del caudal enfriado 40 del fluido de trabajo está en una temperatura subcrítica) de la segunda porción 46 del caudal enfriado 40 del fluido de trabajo, para que el segundo caudal vaporizado 48 del fluido de trabajo puede entonces sufrir otra expansión en la segunda turbina 16. En el segundo ejemplo, el segundo caudal vaporizado 48 del fluido de trabajo del segundo expansor 16 se circula en relación de intercambio de calor con la primera porción 44 del caudal enfriado 40 del fluido de trabajo para calentar la primera porción 44 del caudal enfriado 40 del fluido de trabajo. La primera porción 44 del caudal enfriado 40 del fluido de trabajo es suministrar al calentador 12 y calentado usando la primera fuente de calor 26 para completar el circuito de flujo. La primera unidad de intercambio de calor 18 y la segunda unidad de intercambio de calor 20 funcionan como "recuperadores" en el sistema 10.
La primera unidad de intercambio de calor 18 se describe como acoplada a cualquiera o más de las segundas fuentes de calor 52 tales como
el caudal de descarga del compresor de baja presión 54. Tales segundas fuentes de calor 52 también se acoplan comúnmente al motor 28. La una o más segundas fuentes de calor 52 están configuradas para proporcionar calor adicional o vaporizar parcialmente (con "o" como se utiliza aquí el significado o ambos) la segunda porción 46 del caudal enfriado 40 del fluido de trabajo. Más particularmente, la segunda porción 46 del caudal enfriado 40 del fluido de trabajo se pasa a través de la unidad de intercambio de calor 18 que en conjunto con el radiador intermedio 58 proporciona calor y/o evaporación o incluso sobrecalentamiento de la segunda porción 46 del caudal enfriado 40 del fluido de trabajo. En una modalidad, la primera unidad de intercambio de calor 18 está acoplada a por lo menos dos segundas fuentes de calor 52 con las por lo menos dos segundas fuentes de calor 52 que se acoplan en serie o en paralelo. Debe observarse que la segunda fuente de calor 52 incluye una fuente de calor de menor temperatura que la primera fuente de calor 26. En un ejemplo, la temperatura de la segunda fuente de calor 52 puede estar en la escala de 80 a 300 grados Celsius. Debe observarse que en otras modalidades ejemplares, la primera y segunda fuentes de calor 26, 52 pueden incluir otras múltiples fuentes de calor de grado bajo tales como turbinas de gas con radiadores intermedios. La primer unidad de intercambio de calor 18 recibe calor del primer caudal vaporizado 34 y genera el segundo caudal vaporizado 48. En un ejemplo, el segundo caudal vaporizado 48 puede estar a una presión de 250 bar y temperatura de aproximadamente 250 grados Celsius. El segundo caudal vaporizado 48 se hace pasar a través del
segundo expansor 16. En la modalidad ilustrada, el primer expansor 14 y el segundo expansor 16 se acoplan a la sola unidad de generador 36 por medio del eje 28. En ciertas otras modalidades de ejemplo, el segundo expansor 16 (que en un ejemplo comprende un compresor tipo tornillo) puede configurarse para activar una segunda unidad de generador (no se muestra).
La disposición ¡lustrada de la segunda fuente de calor 52 facilita la eliminación de calor efectiva de la pluralidad de fuentes de calor de motor a menor temperatura. Esto aumenta la efectividad de los sistemas de refrigeración y proporciona conversión efectiva de calor residual en electricidad.
En la modalidad ilustrada, el fluido de trabajo incluye dióxido de carbono. El uso de dióxido de carbono como el fluido de trabajo tiene la ventaja de ser no infalible, no corrosivo y capaz de soportar temperaturas cíclicas mayores (por ejemplo arriba de los 400 grados Celsius). En una modalidad como se describió anteriormente, el dióxido de carbono puede calentarse de manera súper crítica a temperaturas sustancialmente sin riesgo de descomposición química. La transferencia de de dos intra ciclos distintos de calor después de una expansión inicial del fluido de trabajo permite que el fluido de trabajo produzca más trabajo a través de expansiones sucesivas que las que pudieran ser posibles con un solo proceso de expansión (como en la operación convencional de ciclos Rankine). En otras modalidades, también se conciben otros fluidos de trabajo.
Con respecto nuevamente a la figura 1 , en el sistema de recuperación de calor residual ilustrada 10, en un ejemplo, la temperatura del caudal de escape de alta presión 32 de la primera fuente de calor 26 del motor 28 puede estar en la escala de temperatura de 450 a 500 grados Celsius. El calentador 12 recibe calor del caudal de escape de alta presión 32 generado de la primera fuente de calor 26 y genera un vapor de fluido de trabajo como el primer caudal vaporizado 34. En un ejemplo, el primer caudal vaporizado 34 puede estar a una presión de 250 bar y temperatura de aproximadamente 450 grados Celsius. El primer caudal vaporizado 34 se pasa a través de un primer expansor 14 (que en un ejemplo comprende un expansor de tiempo radial) para accionar la unidad de generador 36. Después de pasar a través del primer expansor 14, el primer caudal vaporizado 34 se pasa a través de la primera unidad de intercambio de calor 18 y después condensarse en un líquido en la unidad de refrigeración 22 para formar el caudal enfriado 40 que después se bombea mediante una bomba 24 a la válvula de control 42. En un ejemplo, el primer caudal vaporizado 34 puede suministrarse a la unidad de refrigeración 22 a una presión de 80 bar y 70 grados Celsius. En un ejemplo, la segunda porción 46 del caudal enfriado 40 puede suministrarse a la primera unidad de intercambio de calor 18 a una presión de 250 bar y 50 grados Celsius. En un ejemplo, la primera porción 44 del caudal enfriado 40 puede suministrarse a la segunda unidad de intercambio de calor 20 a una presión de 250 bar y 50 grados Celsius. En un ejemplo, el segundo caudal vaporizado 48 de la primera unidad de intercambio de calor 18 se suministra al segundo
expansor 16 a una presión de aproximadamente 250 bar y una temperatura aproximada de 350 grados Celsius. En un ejemplo, el caudal de aire del radiador intermedio complementario 50 de la segunda fuente de calor 52 se proporciona como un caudal de aire de temperatura baja y puede suministrarse al radiador intermedio 58 a una presión de 3 bar y una temperatura aproximada de 250 grados Celsius. En un ejemplo, el caudal de aire del radiador intermedio 62 del radiador intermedio 58 se proporciona como un caudal de aire de temperatura baja y puede suministrarse al enfriador de guarnición opcional 60 y de regreso al motor 28 a una presión de 3 bar y una temperatura aproximada de 70 grados Celsius. Debe observarse en la presente que los valores de temperatura y presión mencionados anteriormente son valores de ejemplo y no deben interpretarse como valores limitantes. Los valores pueden variar dependiendo de las aplicaciones.
Como se mencionó anteriormente, después de pasar a través del primer expansor 14, el primer caudal vaporizado 34 del fluido de trabajo en una presión relativamente más baja y temperatura más baja se pasa a través de la primera unidad de intercambio de calor 18 a la unidad de refrigeración 22. La unidad de refrigeración 22 se explica en mayor detalle en la presente. En la modalidad ilustrada, la unidad de refrigeración 22 es una unidad de aire enfriado. El segundo caudal vaporizado 34 del fluido de trabajo que sale a través de la segunda unidad de intercambio de calor 18 se pasa a través del enfriador de aire de la unidad de refrigeración 22 (no se muestra). El enfriador
de aire 22 está configurado para enfriar el primer caudal vaporizado 34 del fluido de trabajo que utiliza aire ambiente.
En sistemas convencionales, no puede ser posible condensar dióxido de carbono en muchas ubicaciones geográficas si el aire del ambiente se emplea como un medio de refrigeración para una unidad de refrigeración, ya que las temperaturas ambiente en tales ubicaciones geográficas de manera rutinaria exceden la temperatura crítica del dióxido de carbono. De acuerdo con las modalidades de la presente descripción, el dióxido de carbono puede o no condensarse dependiendo de las circunstancias. El sistema descrito opera de una manera similar cuando no hay condensación, excepto porque el fluido se enfría simplemente de manera supercrítica, a un fluido supercrítico de fase densa antes de bombearlo a presión.
Como se mencionó anteriormente, después de pasar a través del segundo expansor 16, el segundo caudal vaporizado 48 del fluido de trabajo pasa a través de la segunda unidad de intercambio de calor 20 a la unidad de refrigeración 22. El segundo caudal vaporizado 48 del fluido de trabajo que sale a través de la segunda unidad de intercambio de calor 20 se pasa a través del enfriador de aire de la unidad de refrigeración 22. De manera similar a la refrigeración del primer caudal vaporizado 34, el enfriador de aire está configurado para enfriar, y puede condensar el segundo caudal vaporizado 48 del fluido de trabajo usando el aire ambiente.
Aunque las modalidades anteriores se mencionan con referencia al dióxido de carbono como el fluido de trabajo, en ciertas modalidades,
también se conciben otros fluidos de trabajo de temperatura crítica baja adecuados para los sistemas de ciclos de recuperación de calor, tal como un ciclo rankine o ciclo Brayton. Como se menciona aquí, asegurar la disponibilidad de un flujo refrigerante para el ciclo de recuperación de calor facilita la disponibilidad de un flujo refrigerante adecuado para enfriar el fluido de trabajo a medida que la temperatura de refrigeración de ambiente aumenta durante la estación de verano. De acuerdo con la modalidad ejemplar, la unidad de refrigeración y la etapa de baja presión de la turbina se reducen en volumen para los ciclos de recuperación de calor que usan dióxido de carbono como el fluido de trabajo. El sistema de ciclos de recuperación de calor ejemplar como se describe en la presente, al emplear las fuentes de calor residual duales a diferentes temperaturas, más que sólo una fuente de calor residual de temperatura alta, proporciona un sistema capaz de una salida significativamente mayor de energía. También, el ciclo de recuperación de calor ejemplar que utiliza una entrada de fuente de calor dual como se describe en la presente tiene una huella digital compacta y en consecuencia es más rápida de manera ascendente que los ciclos de recuperación de calor que utilizan vapor como el fluido de trabajo.
Aunque sólo ciertas características de la modalidad descrita se han ilustrado y descrito en la presente, a los expertos en la técnica se les ocurrirán muchas modificaciones y cambios. Por lo tanto, se debe comprender que las reivindicaciones anexas están previstas para abarcar
tales modificaciones y cambios que se encuentran dentro el alcance de la descripción.
Claims (26)
1 . Un sistema de recuperación de calor residual que comprende: un sistema de generación de calor que comprende por lo menos dos fuentes de calor separadas que tienen diferentes temperaturas, en donde las por lo menos dos fuentes de calor separadas comprenden una primera fuente de calor y por lo menos una segunda fuente de calor; un sistema de recuperación de calor configurado para hacer circular un solo fluido de trabajo, el sistema de ciclos de recuperación de calor comprende: un calentador, configurado para hacer circular un fluido de trabajo en relación de intercambio de calor con un fluido caliente para vaporizar el fluido de trabajo; una primera unidad de intercambio de calor acoplada al calentador, en donde el fluido de trabajo vaporizado puede circular en relación de intercambio de calor a través de la primera unidad de intercambio de calor para calentar por lo menos una porción del fluido de trabajo en el sistema de ciclos de recuperación de calor; y una segunda unidad de intercambio de calor, en donde por lo menos una porción del fluido de trabajo puede circular en relación de intercambio de calor a través de la segunda unidad de intercambio de calor para calentar por lo menos una porción del fluido de trabajo en el sistema de ciclos de recuperación de calor, en donde el sistema de ciclos de recuperación de calor se acopla a una primera fuente de calor entre por lo menos dos fuentes de calor separadas y por lo menos una segunda fuente de calor entre por lo menos dos fuentes de calor separadas, y en donde el sistema de ciclos de recuperación de calor está configurado para eliminar calor de la primera fuente de calor y la segunda fuente de calor.
2. El sistema de recuperación de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque un solo fluido de trabajo comprende dióxido de carbono (C02).
3. El sistema de recuperación de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la primera unidad de intercambio de calor se acopla a la por lo menos una segunda fuente de calor, y en donde el por lo menos una segunda fuente de calor se selecciona de un grupo que comprende un radiador intermedio de temperatura menor, un radiador intermedio de temperatura mayor, una unidad de escape compresor de presión baja o combinaciones de los mismos.
4. El sistema de recuperación de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque por lo menos una segunda fuente de calor está configurada para por lo menos calentar de manera parcial una porción de un caudal enfriado del fluido de trabajo.
5. El sistema de recuperación de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la primera unidad de intercambio de calor está configurada para recibir un aire de radiador intermedio complementario de la por lo menos una segunda fuente de calor para calentar por lo menos una porción de un caudal enfriado del fluido de trabajo a una temperatura sustancialmente mayor antes de entrar a un expansor.
6. El sistema de recuperación de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la primera fuente de calor comprende una unidad de escape de motor.
7. El sistema de recuperación de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque comprende adicionalmente un primer expansor en comunicación fluida con el calentador, en donde el primer expansor comprende por lo menos uno de un expansor de tipo radial, un expansor tipo axial, un expansor tipo tornillo o un expansor tipo impulso.
8. El sistema de recuperación de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque comprende adicionalmente un segundo expansor en comunicación fluida con el calentador, en donde el segundo expansor comprende por lo menos uno de un expansor de tipo radial, un expansor de tipo axial, un expansor de tipo tornillo o un expansor de tipo impulso.
9. El sistema de recuperación de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado además porque la primera unidad de intercambio de calor está acoplada al segundo expansor y configurada para calentar por lo menos una porción de un caudal enfriado de fluido de trabajo a una temperatura sustancialmente mayor antes de entrar al segundo expansor.
10. El sistema de recuperación de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado además porque el primer expansor y el segundo expansor se acoplan a una unidad de generador.
1 1. El sistema de recuperación de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado además porque el primer expansor está acoplado a una primera unidad de generador y el segundo expansor se acopla a una segunda unidad de generador.
12. El sistema de recuperación de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque comprende adicionalmente una unidad de refrigeración, en donde el fluido de trabajo de la unidad de intercambio de calor se suministra a través de la unidad de refrigeración.
13. El sistema de recuperación de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado además porque comprende adicionalmente una bomba situada entre la unidad de refrigeración y la primera unidad de intercambio de calor y la segunda unidad de intercambio de calor.
14. El sistema de recuperación de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado además porque comprende adicionalmente una primera válvula de control colocada en una trayectoria de flujo entre la primera unidad de intercambio de calor y la segunda unidad de intercambio de calor, la válvula de control puede ponerse en funcionamiento para controlar un flujo de un caudal enfriado de fluido de trabajo que entra en la primera unidad de intercambio de calor y la segunda unidad de intercambio de calor.
15. El sistema de recuperación de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque comprende adicionalmente una segunda válvula de control colocada en una trayectoria de flujo entre la primera unidad de intercambio de calor y la segunda unidad de intercambio de calor, la válvula de control puede ponerse en funcionamiento para controlar un flujo de un primer caudal vaporizado de fluido de trabajo y un segundo caudal vaporizado de fluido de trabajo que entra en la unidad de refrigeración.
16. El sistema de recuperación de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el sistema de generación de calor comprende un motor de combustión.
17. Un sistema de recuperación de calor residual que comprende: un motor de combustión que comprende una fuente de calor que tiene una unidad de escape de motor y por lo menos una fuente de calor adicional seleccionada del grupo que comprende un radiador intermedio de temperatura menor, un radiador intermedio de temperatura mayor, una unidad de escape de compresor de baja presión o combinación de éstos, una fuente de calor comprende una fuente de calor de temperatura mayor que por lo menos una fuente de calor adicional; un sistema de ciclos de recuperación de calor que comprende: un calentador, una unidad de refrigeración y por lo menos dos expansores, en donde el sistema de ciclos de recuperación de calor está acoplado a la unidad de escape de motor y por lo menos una fuente de calor adicional y configurado para hacer circular un fluido de trabajo; una primera unidad de intercambio de calor acoplada al calentador y la por lo menos una fuente de calor adicional, en donde por lo menos una porción del fluido de trabajo puede circular en relación de intercambio de calor a través de la primera unidad de intercambio de calor para calentar el fluido de trabajo en el sistema de ciclos de recuperación de calor; y una segunda unidad de intercambio de calor, en donde por lo menos una porción del fluido de trabajo puede circular en relación de intercambio de calor a través de la segunda unidad de intercambio de calor para calentar el fluido de trabajo en el sistema de ciclos de recuperación de calor, en donde el sistema de ciclos de recuperación de calor está configurado para eliminar calor de la unidad de escape de motor y la por lo menos una fuente de calor adicional.
18. El sistema de recuperación de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado además porque el fluido de trabajo comprende dióxido de carbono (C02).
19. El sistema de recuperación de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado además porque el calentador está acoplado a la primera fuente de calor.
20. El sistema de recuperación de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado además porque por lo menos una fuente de calor adicional está configurada para calentar por lo menos una porción de un caudal enfriado del fluido de trabajo.
21. El sistema de recuperación de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado además porque la primera unidad de intercambio de calor está acoplada al segundo expansor y configurada para calentar una porción del caudal enfriado de fluido de trabajo a una temperatura sustancialmente mayor antes de entrar al segundo expansor.
22. El sistema de recuperación de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado además porque la primera unidad de intercambio de calor está configurada para recibir un aire de radiador intermedio complementario de la por lo menos una segunda fuente de calor para calentar por lo menos una porción del caudal enfriado del fluido de trabajo a una temperatura sustancialmente mayor antes de entrar al segundo expansor.
23. El sistema de recuperación de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado además porque comprende adicionalmente una bomba, en donde la bomba está situada entre la unidad de refrigeración y la primera unidad de intercambio de calor y la segunda unidad de intercambio de calor.
24. El sistema de recuperación de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado además porque comprende adicionalmente una primera válvula de control colocada en una trayectoria de flujo entre la primera unidad de intercambio de calor y la segunda unidad de intercambio de calor, la válvula de control puede ponerse en funcionamiento para controlar un flujo de un caudal enfriado de fluido de trabajo que entra en la primera unidad de intercambio de calor y la segunda unidad de intercambio de calor.
25. El sistema de recuperación de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado además porque el primer expansor y el segundo expansor se acoplan a por lo menos a una unidad de generador.
26. Un sistema de recuperación de calor residual que comprende: un motor de combustión que comprende una fuente de calor que tiene una unidad de escape de motor y por lo menos una fuente de calor adicional seleccionada del grupo que comprende un radiador intermedio de temperatura menor, un radiador intermedio de temperatura mayor, una unidad de escape de compresor de baja presión o combinación de éstos, la fuente de calor y la por lo menos unafuente de calor adicional tienen diferentes temperaturas, en donde la fuente de calor comprende una fuente de calor de temperatura mayor que la por lo menos una fuente de calor adicional; un sistema de ciclos de recuperación de calor que comprende: un calentador y por lo menos dos expansores acoplados a por lo menos una unidad de generador, en donde el calentador está acoplado a la unidad de escape de motor, el sistema de ciclos de recuperación de calor está configurado para hacer circular un fluido de trabajo, y en donde el fluido de trabajo comprende dióxido de carbono (C02); una primera unidad de intercambio de calor acoplada al calentador y por lo menos una fuente de calor adicional, en donde por lo menos una porción del fluido de trabajo puede circular en relación de intercambio de calor a través de la primera unidad de intercambio de calor para calentar el fluido de trabajo en el sistema de ciclos de recuperación de calor; y una segunda unidad de intercambio de calor, en donde por lo menos una porción del fluido de trabajo puede circular en relación de intercambio de calor a través de la segunda unidad de intercambio de calor para calentar el fluido de trabajo en el sistema de ciclos de recuperación de calor, en donde el sistema de ciclos de recuperación de calor está configurado para eliminar calor de la unidad de escape de motor y la por lo menos una fuente de calor adicional.
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