MX2012005081A - Intercambiador de calor para evaporacion directa en sistemas de ciclo rankine organico y metodo. - Google Patents
Intercambiador de calor para evaporacion directa en sistemas de ciclo rankine organico y metodo.Info
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Abstract
Los sistemas y métodos incluyen intercambiadores de calor que utilizan fluidos del Ciclo Rankine Orgánico (ORC, por sus siglas en inglés) en sistemas de generación de energía; el sistema incluye un intercambiador de calor configurado para montarse dentro de una chimenea que guía los gases de combustión caliente y que tiene una entrada y una salida, el intercambiador de calor se configura para recibir una corriente de líquido de un primer fluido a través de la entrada y para generar una corriente de vapor del primer fluido y el intercambiador de calor se configura para incluir una tubería de doble pared, en donde el primer fluido se coloca dentro de una pared interior de la tubería de doble pared y un segundo fluido se coloca entre la pared interior y una pared exterior de la tubería de doble pared.
Description
INTERCAMBIADOR DE CALOR PARA EVAPORACIÓN DIRECTA EN SISTEMAS DE CICLO RANKINE ORGÁNICO Y MÉTODO
CAMPO DE LA INVENCIÓN
Las modalidades de la materia objeto descrita en la presente generalmente se relacionan con sistemas de generación de energía y más particularmente con sistemas de Ciclo Rankine Orgánico (ORC).
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Los Ciclos Rankine usan un fluido de trabajo en un ciclo cerrado para acumular calor desde una fuente de calor o un depósito caliente generando una corriente gaseosa caliente que se expande a través de una turbina para generar energía. La corriente expandida es condensada en un condensador transfiriendo el calor hacia un depósito frío. El fluido de trabajo en un ciclo Rankine sigue un bucle cerrado y es re-usado constantemente. Un sistema para generación de energía usando un ciclo Rankine es mostrado en la Figura 1. Estos sistemas para generación de energía pueden ser descritos con base en la energía generada como sistemas de generación de energía primaria y generación de energía secundaria. Adicionalmente, los sistemas de generación de energía secundaria tienden a usar el calor
residual, por ejemplo, gases de descarga calientes, del sistema de generación de energía primaria para mejorar la eficiencia del sistema total. La generación de energía usando el ciclo Rankine es usada tradicionalmente como un sistema de generación de energía secundario.
El sistema de generación de energía 100 incluye un intercambiador de calor 2, o en algunos casos una caldera, una turbina 4, un condensador 6 y una bomba 8. Transitando a través de este sistema de bucle cerrado, empezando con el intercambiador de calor 2, una fuente de calor externa 10, por ejemplo gases del conducto de gases calientes, calientan el intercambiador de calor 2. Esto causa que el medio líquido presurizado recibido 12 se convierta en un vapor presurizado 14 el cual fluye hacia la turbina/generador 4. La turbina 4 recibe la corriente de vapor presurizado 14 y puede generar energía 16, por ejemplo, girando un eje mecánico (no mostrado) cuando el vapor presurizado 14 se expande hacia dentro de la turbina 4. La corriente de vapor de presión más baja expandida 18 entonces entra a un condensador 6 el cual condensa la corriente de vapor de presión más baja expandida 18 en una corriente de líquido de presión más baja 20. La corriente de líquido de presión más baja 20 entonces entra a una bomba 8 la cual genera la corriente de líquido de presión más alta 12 y mantiene el sistema de bucle cerrado fluyendo. La corriente de líquido de presión más alta 12 entonces es bombeada hacia el intercambiador de calor 2 para continuar este proceso.
Un fluido de trabajo que puede ser usado en un ciclo Rankine es un fluido de trabajo orgánico. Tal fluido de trabajo orgánico es referido como fluido de ciclo rankine orgánico (ORC). Los sistemas ORC han sido destacados como adaptaciones para turbinas de gas de pequeña-escala y media-escala, para capturar calor residual de la corriente de gas del conducto de gases calientes generados por un motor. Estos sistemas pueden generar hasta un 20% adicional de energía en la parte superior de la salida de línea base del motor, es decir, los sistemas ORC son usados típicamente en sistemas de generación de energía secundaria. Este fluido de trabajo ÓRC es típicamente un hidrocarburo con una temperatura de ebullición ligeramente sobre la línea de base de la Organización Internacional para Estandarización para presión atmosférica. Debido a la preocupación de que tales fluidos de hidrocarburo puedan degradarse si se exponen directamente al la corriente de descarga de la turbina de gas de temperatura-alta (aproximadamente 500 grados Celsius), necesitan ser tomadas mediciones para limitar la temperatura de la superficie de las superficies de intercambio de calor en un evapofador el cual contiene los fluidos de trabajo ORC. Un método usado actualmente para limitar la temperatura superficial de las superficies de intercambio de calor en un evaporador el cual contiene los fluidos de trabajo ORC es introducir un bucle de termo-aceite intermedio dentro del sistema de intercambio dé calor, es decir, evitar que el líquido ORC circule a través del conducto de descarga de la turbina de gas.
Otra preocupación potencial con los sistemas ORC, cuando se exponen directamente a gases calientes, es su inflamabilidad potencial. Si una fuga ocurriera en un sistema usando los fluidos ORC, y el fluido ORC fugara hacia dentro de la corriente de gas de descarga caliente, por ejemplo, el gas del conducto de gases calientes, podría ocurrir combustión y/o explosión lo cual podría ser potencialmente de una naturaleza catastrófica para el sistema de generación de energía y/o planta de energía. Un método usado actualmente para limitar la temperatura superficial de las superficies de intercambio de calor en un evaporador el cual contiene los fluidos de trabajo ORC y reducir el riesgo de explosión es introducir el bucle de termó-aceite intermedio dentro del sistema de intercambio de calor, el cual separa el fluido ORC del conducto de descarga como se discute a continuación.
El bucle de termo-aceite intermedio puede ser usado entre el gas del conducto de gases calientes y el fluido ORC vaporizable. En este caso, el bucle de termo-aceite intermedio es usado como un intercambiador de calor intermedio, es decir, es transferido calor desde el gas del conducto de gases calientes hacia el aceite, el cual está en su propio sistema de bucle cerrado, y después desde el aceite hacia el fluido ORC usando un intercambiador de calor separado. Separando el fluido ORC de la exposición directa al gas del conducto de gases calientes puede proteger el fluido ORC de degradación y descomposición. Adicionalmente, mientras que el aceite usado en el bucle termo-aceite intermedio es inflamable, este aceite es generalmente ¡menos inflamable que los fluidos de trabajo ORC. Sin embargo, este sistema de aceite térmico toma espacio físico adicional y puede representar hasta un cuarto del costo de un sistema ORC.
En consecuencia, son deseables sistemas y métodos para reducir costo y mejorar la seguridad de los sistemas usando ORC en sistemas de generación de energía.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
De acuerdo con una modalidad ejemplificante existe un sistema para generación de energía usando un Ciclo Rankine Orgánico (ORC, por sus siglas en inglés). El sistema incluye: un intercambiador de calor configurado para ser montado dentro de un conducto de descarga que guía los gases del conducto de gases calientes y teniendo una entrada y una salida, el intercambiador de calor siendo configurado para recibir una corriente de líquido de un primer fluido a través de la entrada y para generar una corriente de vapor del primer fluido y el intercambiador de calor es configurado para incluir un tubo de doble pared, en donde el primer fluido está dispuesto dentro de una pared interna del tubo de doble pared y un segundo fluido está dispuesto dentro de la pared interna y una pared externa del tubo de doble pared; un expansor conectado fluidamente a la salida del intercambiador de calor y configurado para expandir la corriente de vapor del primer fluido, para generar energía; un condensador conectado fluidamente a una salida del expansor y configurado para recibir y condensar una corriente de vapor expandida; y una bomba conectada fluidamente a una salida del condensador y configurada para recibir la corriente de líquido del primer fluidó, para presurizar la corriente de líquido del primer fluido y para circular la corriente de líquido del primer fluido a la entrada del intercambiador de calor.
De conformidad con otra modalidad ejemplificante existe un método para vaporizar un fluido de Ciclo Rankine Orgánico (ORC) ! en un sistema de generación de energía. El método incluye: transferir calor desde un gas del conducto de gases en un conducto de descarga a través ele una primera pared de un intercambiador de calor hacia un medio de tubo de calentamiento el cual cambia una primera fase del medio de tubo de calentamiento desde una fase líquida hacia una fase gaseosa dentro! de un compartimiento del intercambiador de calor; y vaporizar el fluido ORC cuando se transfiere calor desde el medio de tubo de calentamiento en la fase gaseosa a través de una segunda pared hacia el fluido ORC el cuál está contenido dentro del intercambiador de calor dentro del conducto de escape el cual cambia una segunda pase del medio de tubo de calentamiento desde la fase gaseosa hacia la fase líquida, en donde la segunda pared es provista dentro de la primera pared.
De conformidad con aún otra modalidad ejemplificante existe un intercambiador de calor en un conducto de descarga expuesto directamente a gases del conducto de gases calientes. El intercambiador de calor incluye: un primer tubo configurado para recibir un fluido de tubo de calentamiento y además incluye un segundo tubo, en donde un volumen entre el primer tubo y el segundo tubo es sellado herméticamente y es dividido en compartimientos los cuales son unidos por una pared interna del primer tubo, una! pared
externa del segundo tubo y paredes de separación entre los compartimientos; el segundo tubo configurado para recibir un fluido de Ciclo Rankine Orgánico (ORC); y las paredes de separación configuradas para unir el primer tubo al segundo tubo, el intercambiador de calor configurado para recibir calor desde los gases del conducto de gases calientes y configurado para recibir una corriente de líquido del fluido ORC a través de una entrada y para generar una corriente de vapor del fluido ORC a través de una salida.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Los dibujos anexos ilustran las modalidades ejemplificantes, en donde:
La Figura 1 ilustra un Ciclo Rankine Convencional;
La Figura 2 ilustra un intercambiador de calor el cual usa un fluido orgánico dispuesto dentro de un conducto de descarga de conformidad con las modalidades ejemplificantes;
La Figura 3 muestra un tubo de doble pared de conformidad con las modalidades ejemplificantes;
La Figura 4 ilustra una sección transversal parcial del tubo de doble pared de la Figura 3 con compartimientos de conformidad con las modalidades ejemplificantes;
La Figura 5 muestra una vista del tubo de doble pared con compartimientos de toroide de conformidad con las modalidades
ejemplificantes;
La Figura 6 es un diagrama de flujo de un método para intercambiar calor de conformidad con las modalidades ejemplificantes; :
La Figura 7 ilustra trayectorias de descarga de conformidad con las modalidades ejemplificantes; y
La Figura 8 muestra un diagrama de flujo de un método para vaporizar un fluido ORC de conformidad con las modalidades ejemplificantes.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
La siguiente descripción detallada de las modalidades ejemplificantes se refiere a los dibujos anexos. Los mismos números de referencia en los diferentes dibujos identifican los mismos elementos o similares. Adicionalmente, los dibujos no son necesariamente dibujados a escala. También, la siguiente descripción detallada no limita la invención. En lugar de eso, el alcance de la invención es definida por las reivindicaciones anexas.
Referencia a través de la especificación a "una modalidad" o "la modalidad" significa que una característica particular, estructura o característica descrita en combinación con una modalidad es incluida en por lo menos una modalidad de la materia objeto descrita. Así, la aparición de las frases "en una modalidad" o "en la modalidad" en varios lugares a través de la especificación no necesariamente se refiere a la misma modalidad. Además, las propiedades particulares, estructuras o características pueden ser combinadas en cualquier manera apropiada en una o más modalidades.
Como es descrito en los Antecedentes de la Invención, y mostrado en la Figura 1 , un ciclo Rankine puede ser usado en sistemas de generación de energía secundaria para usar algo de la energía residual desde los gases de descarga calientes de los sistemas de generación de energía primaria. Un sistema primario produce la mayor parte de la energía mientras que también desaprovecha energía. Un sistema secundario puede ser usado para capturar una porción de la energía residual del sistema primario. Un Ciclo Rankine Orgánico (ORC) puede ser usado en estos sistemas de generación de energía dependiendo de las temperaturas del sistema y otras específicas de los sistemas de generación de energía. De conformidad con las modalidades ejemplificantes, los ORC pueden ser usados para sistemas de generación de energía de turbina de gas de tamaño medio a pequeño para capturar calor/energía adicional desde el gas del conducto de gases calientes el cual puede ser liberado directamente hacia la atmósfera.
Como es descrito en el Ciclo Rankine genérico de la Figura 1 , puede ser introducido calor dentro del ciclo a través de un intercambiador de calor 2 o algún proceso similar, por ejemplo, un evaporador o caldera. Los sistemas ORC anteriores han usado un sistema de bucle de termó-aceite intermedio para transferir calor desde los gases del conducto de¡ gases calientes hacia el fluido de trabajo ORC. En estos casos el sistema ORC está fuera de la trayectoria de los gases del conducto de gases calientes y ubicado fuera del conducto. De conformidad con las modalidades ejemplificantes, un enfoque más directo para el intercambio de calor puede ser usado el cual quita la necesidad de bucle de termo-aceite y ubica el intercambiador dé calor para el sistema ORC en el conducto de descarga en contacto con los gases del conducto de gases calientes, por ejemplo, temperaturas entre 350 grados Celsius y 600 grados Celsius, las cuales pueden ser encontradas en sistemas de generación de energía eléctrica. Sin embargo, de conformidad con otras modalidades ejemplificantes otras temperaturas e intervalos de temperatura pueden ser usados.
De conformidad con las modalidades ejemplificantes, bobinas de intercambio de calor 202 pueden enrollarse en una manera de serpentina a través de un conducto 204, o estructura de descarga de calor residual equivalente, como es mostrado en la Figura 2. Inicialmente, el fluido ORC de líquido presurizado 12 entra desde un lado de entrada hacia dentro del intercambiador de calor 200. Este fluido de trabajo puede entrar dentro del lado más frío del intercambiador de calor 200 y viaja a través de las bobinas del intercambiador de calor 202 y sale desde el intercambiador de calor 200 desde el lado más caliente, por ejemplo, más cercano a la fuente dé calor, como un fluido ORC de vapor presurizado 14 en el lado de salida. Én esta vista, las bobinas mostradas más cercanas a la flecha 206 están más cercanas a la fuente de calor (no mostrada). La flecha 206 representa la dirección de viaje para los gases del conducto de gases calientes saliendo del conducto, y "g" indica la gravedad en esta Figura ejemplificante (sin embargo otras configuraciones de intercambiador de calor pueden estar en diferentes orientaciones con respecto a la gravedad). Las fuentes de calor para ORCs incluyen, pero no están limitadas a, gases de escape desde los sistemas de combustión (plantas de energía o procesos industriales), líquido caliente o o corrientes gaseosas de los procesos industriales, fuentes geotérmicas y térmicas solares.
De conformidad con las modalidades ejemplificantes, un tubo de doble pared (el cual también puede ser considerado como un tubo dentro de un tubo) puede ser usado como las bobinas de intercambio de calor 202 en el intercambiador de calor 200 del sistema ORC para proteger el fluido de trabajo ORC de descomposición y degradación. El fluido ORC puede degradarse y/o descomponerse a temperaturas localizadas de 300° C o posiblemente a temperaturas promedio de 240° C en volúmenes más grandes del fluido ORC. Este intervalo de operación es generalmente aplicable a cualquier hidrocarburo que es usado como el fluido ORC exceptó para hidrocarburos aromáticos, por ejemplo, tiofeno, el cual puede ser capaz de operar a temperaturas más altas.
Un diagrama ejemplificante ilustrando este concepto es mostrado en la Figura 3. La bobina de intercambio de calor 202 de la Figura 2' puede incluir un tubo de doble pared 300 con una pared externa 302 y una pared interna 306. Un fluido de tubo de calentamiento puede ser colocado en la sección externa 304 entre las dos paredes y el medio de trabajo QRC es ubicado en la sección interna 308, es decir, el volumen limitado por la pared interna 306. Esta disposición ejemplificante puede permitir que un gas del conducto de gases de temperatura alta 206, por ejemplo, en el intervalo de 350 - 600 grados Celsius, trasfiera calor al fluido de tubo de calentamiento en la sección externa 304 a través de la pared externa 302. El fluido del túbo de calentamiento entonces transfiere calor al fluido ORC en la sección ¡nterna 308 a través de la pared interna 306. De conformidad con las modalidades ejemplificantes, este intercambio de calor entre el fluido de tubo de calentamiento hacia el fluido ORC puede ser realizado de tal manera que la temperatura usada, y las fluctuaciones de temperatura potenciales, pueden ser controladas de tal manera que la temperatura del fluido ORC permanece debajo de una temperatura de degradación mientras aún permite que el fluido ORC vaporice antes de dejar el intercambiador de calor 200. En soporte a esto, el fluido del tubo de calentamiento seleccionado necesita, a la presión deseada, ser capaz de usar la energía térmica de los gases del conducto de gases calientes para cambiar su fase de líquido a vapor. El vapor del fluido de tubo tubo de calentamiento circula hacia la pared interna 306, donde el vapor del fluido del tubo de calentamiento es enfriado, por ejemplo, libera energía térmica, y condensa en un líquido de fluido tubo de tubo de calentamiento y circula de regreso hacia la pared externa 302. En esta manera la temperatura del fluido de tubo de calentamiento permanece relativamente constante cuando el fluido del tubo de calentamiento es capaz de absorber grandes cantidades de calor de los gases del conducto de gases calientes sin incrementar su temperatura, debido al cambio de fase de líquido a gas.
Para controlar este intercambio de calor ejemplificante, varios factores pueden ser modificados para lograr este efecto. Estos factores pueden incluir, pero no están limitados a, temperatura del gas de descarga, dimensiones del tubo, tamaño del intercambiador de calor, tamaño del conducto, fluido del tubo de calentamiento, fluido ORC, construcción interna del tubo y presión(es). Por ejemplo, si la temperatura del gas de escape es 200 grados Celsius contra 500 grados Celsius, diferentes combinaciones de los factores mencionados arriba pueden ser usadas para lograr el intercambiador de calor 200 eficaz de costo deseado. Más detall s con respecto a estos varios factores son descritos en las modalidades ejemplificantes abajo.
De conformidad con las modalidades ejemplificantes, el fluido del tubo de calentamiento puede ser sellado herméticamente dentro de la sección 304. El fluido del tubo de calentamiento puede ser seleccionado de varios medios los cuales tienen algunas, o posiblemente todas las características siguientes: siendo menos inflamable que el fluido ORC, capaz de experimentar un cambio de fase para transferir calor a la proporción de temperatura/presión deseada, y ser capaz de auto circular dentro de la sección 304. Ejemplos de un fluido de tubo de calentamiento puede incluir agua, sodio, aceite térmico y aceite térmico basado en silicio. Adicionalménte, de conformidad con las modalidades ejemplificantes, el fluido ORC puede ser un hidrocarburo, tal como, pentano, propano, ciclohexano, cicloperitano y butano o un fluorohidrocarburo tal como R-245fa una cetona tal como acetona o un aromático tal como tolueno o tiofeno.
De conformidad con las modalidades ejemplificantes, varias implementaciones pueden ser usadas para implementar el tubo de doble pared en la porción del intercambiador de calor del sistema ORC uno del cual es mostrado en las Figuras 4 y 5. La Figura 4 muestra una sección transversal parcial del tubo de doble pared 300 entre la pared externa 302 y la pared interna 306. La Figura 5 muestra una vista del tubo de doble pared 300 con una pluralidad de compartimientos en forma de toroide 406 De conformidad con las modalidades ejemplificantes, la sección externa 304 (extendiendo la longitud del tubo externo) ubicada entre la pared externa 302 y la pared interna 306 puede ser además dividida en compartimientos con una pluralidad de compartimientos 406. Estos compartimientos 406 contienen el fluido de tubo de calentamiento, por ejemplo, agua o sodio, en fases líquida y gaseosa. El fluido del tubo de calentamiento puede estar bajo una presión más alta que el fluido de trabajo ORC en el área interna 308. Las presiones usadas en la sección de tubería conteniendo el fluido ORC y la sección de tubería conteniendo el fluido de tubo de calentamiento, las cuales pueden estar a presiones diferentes, pueden ser establecidas para fijar el püntó de ebullición deseado del fluido respectivo. Adicionalmente, separadores 404 pueden ser usados para ayudar a crear los compartimientos 406 aéí como proporcionar soporte estructural para la bobina de intercambio de calor 202. Estos compartimientos 406 pueden ser, por ejemplo, toroides en forma, es decir, los separadores 404 pueden ser separadores circulares entre: el tubo interno y externo.
La tubería usada en el ¡ntercambiador de calor puede ¡ser de
formas y tamaños variables para promover el intercambio de calor deseado y
para permitir/ayudar en la auto circulación deseada del fluido de tubo de
calentamiento, sin embargo el diámetro de la pared externa 302 es mayor que
I
el diámetro de la pared interna 306. Por ejemplo, en algunas modalidades ejemplificantes, el diámetro del tubo más interno puede estar en el intervalo de
aproximadamente 12.77 mm - 25.4 mm, el diámetro del tubo externo! puede
estar en el intervalo de 25.4 mm - 50.8 mm. Los separadores 404 los ¡cuales
conectan/soportan la pared interna 306 a la pared externa 302 pueden tener i una longitud en el intervalo de 5 mm - 25.4 mm con una separación potencial
de hasta 152.4 mm entre cada separador. Sin embargo, dependiendo del
diseño de intercambiador de calor y ambiente de uso, pueden ser úsadas i otras dimensiones. Adicionalmente, de conformidad con las modalidades
I
i ejemplificantes, una estructura capilar, por ejemplo, una estructura capilar de
malla de alambre, puede cubrir (o cubrir parcialmente) los separadores 404 y otras superficies de intercambio de calor para permitir el flujo de retorno del
fluido de tubo de calentamiento de líquido. Los tubos capilares son
configurados para incrementar el fluido de tubo de calentamiento en su fase
líquida llevado en contacto con la superficie calentada. De conformidad con
las modalidades ejemplificantes, el compartimiento 406 es unido por
separadores 404, la pared interna 306 y la pared externa 302.
Adicionalmente, algunos de los separadores 404 pueden ser configurados
para permitir la comunicación de fluido entre compartimientos adyacentes seleccionados.
El intercambio de calor del gas de descarga caliente hacia el fluido ORC puede ser realizado a través de una serie de pasos ejemplificantes como es mostrado en el diagrama de flujo de la Figura 6. Inicialmente convección desde el gas de descarga caliente hacia la pared externa del intercambiador de calor 302 ocurre en el paso 602. Después un cambio de fase, por ejemplo vaporización, del fluido de tubo de calentamiento ocurre sobre la superficie interna de la pared externa 302 en el paso 604. El fluido de tubo de calentamiento vaporizado fluye hacia la pared interna 306 en el paso 606. Condensación del fluido de tubo de calentamiento ocurre sobre la superficie externa de la pared interna 306 en el paso 608. En el lado de fluido ORC, convección (si precalentamiento o supercalentamiento) o un cambio de fase (si hierve) del fluido ORC ocurre sobre o cerca de la pared interna 306 en el paso 610. Corriente de regreso continua del fluido de tubo de calentamiento de líquido ocurre hacia la superficie interna de la pared externa 302 entonces ocurre en el compartimiento 404 (en parte vía capilares sobre las superficies de intercambio de calor y los separadores 404) en el paso 612. De conformidad con una modalidad alternativa ejemplificante, evaporación y condensación del fluido de tubo de calentamiento no necesita ocurrir, en lugar de eso auto circulación impulsada por flotación puede ocurrir sin los mecanismos de accionamiento de evaporación y condensación, como diferencias térmicas dentro del compartimiento puede accionar auto
circulación lo cual aún resulta en el intercambio de calor deseado ocurriendo con el fluido ORC.
De conformidad con otras modalidades ejemplificantes, la configuración de tubo de pared doble puede mejorar la seguridad en sistemas de generación de energía. En una modalidad ejemplificante, el fluido del tubo de calentamiento en la sección externa está a una presión más alta que el fluido ORC en la sección interna. En este caso, si una fuga ocurrió entre las secciones interna y extema del tubo de doble pared del fluido ORC podría no llegar hacia dentro del conducto de descarga para convertirse en un peligro de fuego. Sensores pueden ser usados para monitorear una presión del fluido de tubo de calentamiento tal que si una fuga ocurriera podría ser detectada y permitir que el sistema sea apagado. Similarmente si ocurriera una fuga que permitiera que el flujo del tubo de calentamiento entrara al conducto de descarga, la pérdida de presión podría ser detectada y nuevamente permitir que un apagado del sistema. Adicionalmente, fluidos del tubo de calentamiento pueden ser elegidos los cuales son inflamables o significativamente menos inflamables que el fluido ORC.
Como se describió arriba, varias configuraciones ejemplificantes para el tubo de doble pared en el intercambiador de calor pueden ser usadas. De conformidad con otras modalidades ejemplificantes, este tubo de doble pared puede ser usado en varios diseños de intercambiador de calor, tales como, por ejemplo, intercambiadores de calor de armazón, tubo y placa. Adicionalmente, tubos de doble pared múltiples pueden ser usados en
configuraciones paralelas.
De conformidad con otra modalidad ejemplificante, en aplicaciones de temperatura más baja, un sistema ORC puede ser colocado en la trayectoria de los gases de escape sin el uso de un tubo de doble pared. En este caso debe tenerse cuidado para evitar que el fluido ORC se fugue dentro del la trayectoria de los gases de escape. Sin embargo, es contemplado que fuga de bajo nivel puede ocurrir lo cual es difícil de detectar. Esta fuga de bajo nivel (fuga de velocidad muy baja del fluido ORC) puede ser de una preocupación cuando el sistema no está en operación durante períodos extendidos de tiempo. Cuando el sistema no está en operación durante períodos extendidos de tiempo, si una fuga de nivel bajo ocurre permitiendo que el fluido ORC fugue dentro del sistema del conducto de gases, una acumulación del fluido ORC en el área general del intercambiador de calor puede ocurrir puesto que gases del conducto de gases no están ventilándose hacia fuera después del intercambiador de calor. Cuando esto ocurre, es posible que suficiente fluido ORC se acumule de tal manera que cuando el sistema es vuelto a encender, los gases del conducto de gases calientes se ponen en contacto con el fluido ORC fugado, y se queman o explotan. De conformidad con las modalidades ejemplificantes, los sistemas de ventilación pueden ser puesto en su lugar para reducir y/o retirar este riesgo como es mostrado en la Figura 7.
Bajo operaciones normales, el gas de descarga caliente sigue una trayectoria desde la fuente de calor a través sobre las bobinas del
intercambiador de calor 702 y fuera de un conducto de de escape 714 como es mostrado por la flecha direccional 704. De conformidad con una modalidad ejemplificante, en este caso, un desviador 706 es colocado en una posición cerrada A tal que solamente la trayectoria de flujo disponible es la trayectoria de flujo mostrada por la flecha direccional 704. Sin embargo, existen momentos cuando el sistema ORC no será operacional. En este caso, el escape sigue la trayectoria designada por la flecha direccional 708, y fluye directamente fuera de la atmósfera. Para hacer que esto ocurra, el desviador 706 se coloca en una posición abierta B de tal manera que la única trayectoria de flujo disponible es la trayectoria de flujo mostrada por la flecha direccional 708. Como se describió anteriormente, si el sistema de generación de energía es apagado durante un período de tiempo extendido, y una fuga de fluidos ORC ha ocurrido que fue demasiado pequeña para ser detectada mientras la unidad estaba funcionando, una concentración inflamable dé vapor de fluido ORC puede acumularse lentamente con el tiempo dentro del conducto de descarga.
De conformidad con las modalidades ejemplificantes, para evitar esto, el desviador 710 es abierto lo cual permite que ingrese aire al conducto en este punto y vacíe el área alrededor de las bobinas del intercambiador de calor 702 de tal manera que cantidad no apreciable de fluidos ORC de combustible pueden permanecer en el área. La trayectoria del aire de vaciado es mostrada por la trayectoria de flecha direccional 712. Nótese que durante operación normal el desviador 710 está en una posición cerrada C. Cuando
es vaciado, varios métodos de circulación pueden ser usados para introducir este aire dentro del conducto, por ejemplo, ventiladores. También, los controles para abrir y cerrar los desviadores 706 y 710 pueden ser interconectados o no como sea deseado. De conformidad con una modalidad ejemplificante, las bobinas del intercambiador de calor 702 pueden ser del diseño de tubo de doble pared descrito anteriormente.
Utilizando los sistemas ejemplificantes descritos anteriormente de conformidad con las modalidades ejemplificantes, un método para vaporizar un fluido ORC es mostrado en el diagrama de flujo de la Figura 8. Inicialmente un método para vaporizar un fluido ORC en un sistema de generación de energía incluye: transferir calor desde un gas del conducto de gases en un conducto de descarga a través de una primera pared de un intercambiador de calor hacia un tubo de calentamiento medio en el paso 802, cambiar una primera fase del tubo de calentamiento medio desde una fase líquida hacia una fase gaseosa dentro de un compartimiento del intercambiador de calor en el paso 804; transferir calor desde el tubo de calentamiento medio en la fase gaseosa a través de una segunda pared hacia el fluido ORC el cual es contenido dentro del intercambiador de calor 'dentro del conducto de descarga en el paso 806, cambiar una segunda pase del tubo de calentamiento medio desde la fase gaseosa hacia la fase líquida en él paso 808; y vaporizar el fluido ORC en el paso 8 0.
Las modalidades ejemplificantes descritas anteriormente son pretendidas para ser ilustrativas en todos los aspectos, en lugar de
restrictivas, de la presente invención. Así la presente invención es capaz de muchas variaciones en la implementación detallada que pueden ser derivadas de la descripción contenida en la presente por una persona experta en la técnica. Todas las variantes y modificaciones son consideradas estar dentro del alcance y espíritu de la presente invención como es definida por las siguientes reivindicaciones. Ningún elemento, acto o instrucción usada en la descripción de la presente solicitud debería ser considerada como crítica o esencial para la invención a menos que sea descrito explícitamente como tal También, como es usado en la presente, el artículo "a" es pretendido para incluir uno o más objetos.
La descripción escrita usa ejemplos para describir la invención, incluyendo el mejor modo, y también para permitir que cualquier experto en la técnica ponga en práctica la invención, incluyendo hacer y usar cualesquiera dispositivos o sistemas y realizar cualesquiera métodos incorporados. El alcance de la invención patentable es definido por las reivindicaciones, y puede incluir otros ejemplos que se le ocurran al experto en la técnica. Tales otros ejemplos son pretendidos para estar dentro del alcance de las reivindicaciones si éstas tienen elementos estructurales que no difieren del lenguaje literal de las reivindicaciones, o si éstos incluyen elementos estructurales equivalentes dentro del lenguaje literal de las reivindicaciones.
Claims (20)
1 - Un sistema para generación de energía usando un Ciclo Rankine Orgánico (ORC), el sistema comprendiendo: un intercambiacJor de I calor configurado para ser montado dentro de un conducto de descarga que guía gases del conducto de gases calientes y teniendo una entrada; y una salida, el intercambiador de calor siendo configurado para recibir una corriente de líquido de un primer fluido a través de la entrada y para generar una corriente de vapor del primer fluido y el intercambiador de calor es configurado para incluir un tubo de pared doble, en donde el primer fluido está dispuesto dentro de una pared interna del tubo de doble pared y un segundo fluido está dispuesto dentro de la pared interna y una pared externa del tubo dé doble pared; un expansor conectado fluidamente a la salida del intercambialdor de calor y configurado para expandir la corriente de vapor del primer fluido, para generar energía; un condensador conectado fluidamente hacia una salida del expansor y configurado para recibir y condensar una corriente de i vapor i expandida; y una bomba conectada fluidamente a una salida del condensador y configurada para recibir la corriente de líquido del primer fluido:, para presurizar la corriente de líquido del primer fluido y para circular la comenté de líquido del primer fluido hacia la entrada del intercambiador de calor.
2.- El sistema de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el segundo fluido es seleccionado de un grupo comprendiendo agua, sodio, aceite térmico y aceite térmico basado en silicio.
3.- El sistema de conformidad con la reivindicación 1 o 2, caracterizado además porque comprende una pluralidad de compartimientos teniendo un volumen entre la pared interna y la pared externa, algunos de la pluralidad de compartimientos siendo adyacentes y aislados de cada otro; y separadores configurados para unir la pared interna a la pared externa, en donde cada compartimiento dentro de la pluralidad de compartimientos es unida por la pared interna, la pared externa y uno o más de los separadores.
4.- El sistema de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque los separadores están configurados para permitir comunicación de fluido entre los compartimientos seleccionados.
5. - El sistema de conformidad con la reivindicación 3 o 4, caracterizado además porque el segundo fluido auto circula debido a un flujo de calor dentro de los compartimientos cuando los gases del conducto de gases calientes hierven el segundo fluido junto a la pared externa y el primer fluido condensa el segundo fluido junto a la pared interna.
6. - El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, caracterizado además porque el tubo de doble pared incluye un primer tubo que forma la pared interna y tiene un diámetro interno en el intervalo de 12.77 - 25.4 mm y un segundo tubo que forma la pared externa y tiene un diámetro interno en el intervalo de 25.4 - 50.8 de tal manera que el diámetro interno del segundo tubo es siempre mayor que que el diámetro interno del primer tubo, además en donde una distancia entre la pared interna y la pared externa está entre 12.7 mm y 25.4 mm
7. - El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque el primer fluido es un fluido ORC y seleccionado de un grupo comprendiendo pentano, própano, ciclohexano, ciclopentano, butano, un fluorohidrocarburo, una cetona, un aromático, y una combinación de los mismos.
8. - El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque comprende e' conducto de descarga; y un primer desviador provisto en el conducto de descarga y configurado para redirigir los gases del conducto de gases calientes en el conducto de descarga de tal manera que el escape de gases del conducto de gases caliente evade el intercambiador de calor cua|ndo el intercambiador de calor está en una condición no-operativa.
9 - El sistema de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado además porque adicionalmente comprende un segundo desviador en el conducto de descarga y configurado para abrir selectivamente para permitir que aire dentro del conducto de descarga vacíe gas lejos del intercambiador de calor y hacia la atmósfera cuando el primer desviador está en una posición cerrada.
10.- Un método para vaporizar un fluido de Ciclo Ránkine Orgánico (ORC) en un sistema de generación de energía, el método comprendiendo: transferir calor desde un gas del conducto de gases en un conducto de descarga a través de una primera pared de un intercambiador de calor hacia un medio de tubo de calentamiento el cual cambia una primera fase del medio de tubo de calentamiento desde una fase líquida hacia una fase gaseosa dentro de un compartimiento del intercambiador de calor; y vaporizar el fluido ORC cuando se transfiere calor desde el medio de tubo de calentamiento en la fase gaseosa a través de una segunda pared hacia el fluido ORC el cual está contenido dentro del intercambiador de calor ídentro del conducto de descarga el cual cambia una segunda fase del medio de tubo de calentamiento desde la fase gaseosa hacia la fase líquida, en donde la segunda pared está provista dentro de la primera pared.
1 1.- El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado además porque el fluido del tubo de calentamiento es seleccionado de un grupo comprendiendo agua, sodio, aceite térmico aceite térmico basado en silicio.
12.- El método de conformidad con la reivindicación 10 u 11 , caracterizado además porque el fluido ORC es seleccionado de un grupo comprendiendo pentano, propano, ciclohexano, ciclopentano, butano, un fluorohidrocarburo, una cetona, un aromático y una combinación de los mismos.
13.- El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 0 a 12, caracterizado además porque una temperatura del gas del conducto de gases está en un intervalo de temperatura de 35Q - 600 grados Celsius.
14.- El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13, caracterizado además porque una temperatura promedio del fluido ORC está a una temperatura promedio menor que p igual a 240 grados Celsius.
15.- El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14, caracterizado además porque el fluido del tubo de calentamiento está auto circulando en el compartimiento.
16. - El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 15, caracterizado además porque el fluido del túbo de calentamiento está bajo una presión más alta que el fluido ORC.
17. - El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 16, caracterizado además porque el fluido del tübó de calentamiento está en un volumen sellado herméticamente.
18. - Un intercambiador de calor en un conducto de descarga expuesto directamente a gases del conducto de gases calientes, el intercambiador de calor comprendiendo: un primer tubo configurado para recibir un fluido de tubo de calentamiento y además incluye un segundó tubo, en donde un volumen entre el primer tubo y el segundo tubo es sellado herméticamente y es dividido en compartimientos los cuales son unidos por una pared interna del primer tubo, una pared externa del segundo tubo y separando paredes entre los compartimientos; el segundo tubo configurado para recibir un fluido de Ciclo Rankine Orgánico (ORC); y paredes separadas configuradas para unir el primer tubo al segundo tubo, el intercambiador de calor configurado para recibir calor de los gases del conducto de gases calientes y configurado para recibir una corriente de líquido del fluido ORC a través de la entrada y para generar una corriente de vapor del fluido ÓRC a través de una salida.
19.- El intercambiador de calor de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado además porque la distancia entre la pared interna del primer tubo y la pared externa del segundo tubo está entre 12.7 mm y 25.4 mm.
20.- El intercambiador de calor de conformidad con la reivindicación 18 o 19, caracterizado además porque los tubos primero y segundo entran y salen del conducto de descarga múltiples veces.
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