ES2541581B1 - Sistema de producción de energía eléctrica - Google Patents

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Abstract

Sistema de producción de energía eléctrica.#Comprende un primer circuito (1) de trabajo termodinámico que emplea dióxido de carbono para obtener energía mediante un generador (8) de energía del sistema, y se caracteriza por el hecho de que dicho circuito (1) de trabajo termodinámico está asociado en paralelo a un circuito (2) secundario de absorción y evaporación de amoníaco que está dimensionado para condensar el gas dióxido de carbono procedente del generador (8), incluyendo dicho sistema un dispositivo (5a, 5b, 5c) de recuperación de energía (E) térmica de bajo nivel que está dimensionado para evaporar amoníaco de la solución de amoníaco del circuito (2) secundario, siendo susceptible una fracción de la energía (E) térmica de bajo nivel captada por el dispositivo (5a, 5b, 5c) de ser utilizada para sobrecalentar el dióxido de carbono del circuito (1) de trabajo.

Description

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DESCRIPCION
SISTEMA DE PRODUCCION DE ENERGIA ELECTRICA
La presente invention se refiere un sistema de production de energla electrica que comprende un circuito de trabajo termodinamico que emplea dioxido de carbono para obtener energla mediante un generador.
Antecedentes de la invencion
Son conocidos sistemas de produccion de energla que emplean dioxido de carbono y amonlaco como fluidos basicos de transporte para generar electricidad.
La patente DE19921336 describe un sistema de produccion de energla que comprende dos circuitos termodinamicos que operan juntos, cada uno con un fluido de transporte diferente. Uno de los circuitos opera con dioxido de carbono y el otro con gas amonlaco. Cada circuito incluye un medio calefactor, un condensador y un compresor. El circuito de dioxido de carbono comprende la turbina generadora de electricidad que es accionada por el propio dioxido de carbono que actua de fluido motor.
El sistema descrito por la mencionada patente combina los dos circuitos para obtener energla electrica mediante un fluido (el dioxido de carbono) que presenta la ventaja de que es inocuo para el medio ambiente. Ademas, el dioxido de carbono es un fluido de trabajo que condensa a aproximadamente 0°C de temperatura, por lo que es posible utilizar la capacidad refrigerante de un circuito paralelo de evaporation de amonlaco para condensarlo.
En el sistema descrito, el gas dioxido de carbono se calienta, antes de su entrada al generador, mediante energla termica de bajo nivel. Sin embargo, el rendimiento energetico de este sistema es todavla muy bajo, puesto que requiere el empleo de compresores convencionales.
Descripcion de la invencion
El objetivo de la presente invencion es el de proporcionar un sistema de obtencion de energla electrica de alto rendimiento que presenta las ventajas que se mencionan a continuacion.
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De acuerdo con este objetivo, la presente invention proporciona un sistema de obtencion de energla electrica que comprende un circuito de trabajo termodinamico que emplea dioxido de carbono para obtener energla electrica mediante un generador y que se caracteriza por el hecho de que el circuito de trabajo termodinamico esta asociado en paralelo a un circuito secundario de absorcion y evaporation de amonlaco que esta dimensionado para condensar el gas dioxido de carbono procedente del generador, incluyendo dicho sistema un dispositivo de recuperation de energla termica de bajo nivel que esta dimensionado para evaporar amonlaco de la solution de amonlaco del circuito secundario, siendo susceptible una fraction de la energla termica de bajo nivel captada por el dispositivo de ser utilizada para sobrecalentar el gas dioxido de carbono del circuito de trabajo.
El sistema reivindicado prescinde de compresores convencionales y emplea un circuito secundario paralelo de absorcion y evaporacion para evaporar el dioxido de carbono y el amonlaco. Ademas, el sistema incluye un dispositivo de recuperacion de energla termica de bajo nivel que permite dinamizar la reaction flsico-qulmica que evapora el gas amonlaco de la solucion de amonlaco del circuito secundario, incrementando de forma muy significativa el rendimiento energetico del sistema.
La fuente de energla termica de bajo nivel que recupera el dispositivo puede proceder del calor residual de los gases de escape de un motor o, por ejemplo, de la refrigeration de centrales termicas, siempre que estas fuentes de calor superen los 100°C de temperatura.
Por otro lado, el sistema reivindicado presenta la ventaja de que trabaja en unas condiciones tecnicas de bajo riesgo (entre 1 bar i 12 bar para el gas amonlaco), por lo que las posibilidades de fugas de este gas son practicamente nulas. El dioxido de carbono trabaja a presiones superiores que llegan hasta los 65 bar, no obstante, en este caso, al tratarse de un fluido inocuo para el medio ambiente, las fugas accidentales no comportan un problema.
Preferiblemente, el circuito secundario de absorcion y evaporacion de gas comprende un primer intercambiador para condensar mediante un fluido refrigerante el gas amonlaco procedente de la solucion de amonlaco o solucion amoniacal del circuito secundario, un segundo intercambiador para evaporar el amonlaco condensado mediante la energla termica que proporciona el dioxido de carbono a la salida del generador electrico, y una columna de absorcion del gas amonlaco evaporado en el segundo intercambiador.
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Ventajosamente, dicho circuito secundario de absorcion y evaporation comprende un tercer intercambiador para evaporar el dioxido de carbono condensado mediante el calor recuperado por la solution de amonlaco en contacto con el dispositivo de recuperation.
En este tercer intercambiador el dioxido de carbono se evapora al tiempo que la solution de amonlaco se enfrla, lo que se mejora sustancialmente la posterior absorcion de amonlaco en la columna de solucion amoniacal.
Preferiblemente, el dispositivo de recuperation de energla termica de bajo nivel comprende unos intercambiadores de calor que estan asociados a un aparato destilador para evaporar mediante energla termica de bajo nivel una fraction del gas amonlaco de la solution de amonlaco del circuito secundario de absorcion y evaporation.
De este modo, la energla recuperada procedente de fuentes de calor de bajo nivel se aprovecha para dinamizar el propio ciclo de absorcion y evaporation de amonlaco que condensa y evapora el dioxido de carbono del ciclo de trabajo. Se obtiene de este modo un sistema que permite aprovechar de un modo eficiente la energla termica de bajo nivel que hasta el momento se esta desechando y vertiendo al medio ambiente causando problemas de contaminacion ambiental.
Ventajosamente, el dispositivo de recuperation comprende un segundo intercambiador de calor para sobrecalentar mediante energla termica de bajo nivel el gas dioxido de carbono a la entrada del generador electrico.
En el sistema reivindicado, la presion de trabajo del amonlaco esta comprendida entre 1 bar y 12 bar y la presion de trabajo del dioxido de carbono esta comprendida entre 30 bar y 65 bar. La concentration de gas amonlaco en la solution de amonlaco del circuito secundario de absorcion y evaporation esta comprendida entre el 35% y el 45% en peso. Aunque variando las condiciones de equilibrio de temperaturas, cambiarla la concentration en la solution amoniacal.
En la presente invention, por energla termica de bajo nivel se entendera, preferiblemente, la energla termica E procedente de fuentes de calor de temperatura no superior a 150°C, ventajosamente, la energla termica procedente de vapores y gases industriales. El sistema reivindicado permite aprovechar esta energla termica que actualmente se desecha y vierte al medio ambiente.
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Breve descripcion de las figuras
Para mejor comprension de cuanto se ha expuesto se acompanan unos dibujos en los que, esquematicamente y tan solo a tltulo de ejemplo no limitativo, se representa un caso practico de realization.
La figura 1 es un diagrama esquematico del principio de funcionamiento del sistema.
La figura 2 es una representation esquematica de la columna de absorcion de amonlaco.
La figura 3 es una representacion esquematica de un intercambiador de calor de alto rendimiento que evapora o condensa el dioxido de carbono mediante la solution de amonlaco o solucion amoniacal del circuito secundario.
Descripcion de una realizacion preferida
A continuation se describe una realizacion del sistema que emplea un circuito secundario de amonlaco diluido en agua que trabaja a 25°C para operar la absorcion, y a 100°C para operar la evaporacion.
En la realizacion que se describe, el circuito 1 del dioxido de carbono adquiere una presion de trabajo maxima de 65 bar, a 25°C en estado gaseoso, y una presion de 35 bar a 0°C durante la fase de expansion, en estado llquido.
Tal y como se ha comentado, para adquirir estas condiciones de trabajo del dioxido de carbono, se emplea un circuito 2 secundario de una solucion de amonlaco y agua de un ciclo de absorcion y evaporation que trabaja a una presion de 2,5 bar, a -15°C de temperatura, y a 12 bar, a 100°C de temperatura.
El circuito 2 secundario incluye una columna 3 de absorcion por la que circula la solucion de amonlaco desde una entrada 3a hasta una salida 3b. La temperatura de reaction se mantiene mediante un fluido 3c refrigerante, por ejemplo, mediante agua. El tiempo de reaccion en el interior de la columna 3 es el suficiente para que la solucion adquiera una concentration de amonlaco del 45% en peso, a una presion de trabajo de 2,5 bar, a 25°C de temperatura, lo que supone un incremento de la concentracion de gas amonlaco en la solucion del circuito 2 del 10%.
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Una vez concentrada la solucion de amonlaco, una bomba de inyeccion la envla a la presion de 12 bar, hasta un dispositivo recuperador donde esta solucion de amonlaco se calienta mediante una fraccion de la energla termica de bajo nivel, permitiendo separar una fraccion del gas amonlaco.
Tal y como se ha comentado en la description de la invention, el dispositivo de recuperation incluye unos intercambiadores 5a, 5b, que estan asociados a un aparato 6 destilador de amonlaco. De este modo, se dinamiza la reaction flsico-qulmica que evapora el gas de la solucion de amonlaco del circuito 2 secundario. El mismo dispositivo incluye tambien otro intercambiador 5c que calienta el gas dioxido de carbono a 100°C, a la entrada del generador 8 mediante una fraccion de la energla termica E recuperada.
Ademas de la columna 3 de absorcion, el circuito 2 secundario incluye;
■ un primer intercambiador 11 dimensionado para condensar el gas amonlaco procedente de la solucion mediante un fluido refrigerante R (por ejemplo, agua),
■ un segundo intercambiador 7 para evaporar el amonlaco condensado mediante la energla termica que proporciona el dioxido de carbono a la salida del generador 8 electrico y,
■ un tercer intercambiador 9 para evaporar el dioxido de carbono condensado mediante el calor recuperado por la solucion de amonlaco en contacto con el dispositivo de recuperacion.
Los intercambiadores 7, 9 del circuito 2 secundario que evaporan y condensan el dioxido de carbono estan configurados de modo que obligan a circular el dioxido de carbono en el espacio entre dos tubos concentricos 10a, 10b que estan dispuestos muy proximos para garantizar el calentamiento o el enfriamiento del gas en toda su masa volumetrica. Por el interior de los tubos 10a, y por el exterior de los tubos 10b, circula el amonlaco llquido o la solucion de amonlaco o solucion amoniacal.
A la salida del segundo intercambiador 7, el dioxido de carbono condensado posee una presion de trabajo de 35 bar, a una temperatura de 0°C, mientras que, en el mismo intercambiador 7, el gas amonlaco evaporado sale a una presion de trabajo de 2,5 bar y una temperatura de -15°C.
El tercer intercambiador 9 recibe el dioxido de carbono llquido inyectado por una segunda
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bomba y lo evapora para obtener gas dioxido de carbono a 65 bar de presion y 25°C de temperatura, mientras que, en el mismo intercambiador 9, la solucion de amomaco se mantiene a 12 bar de presion, enfriandose a 20°C, antes de su entrada en la columna 3 de absorcion. De este modo, se favorece la posterior absorcion de amomaco en la columna 3 de absorcion.
En una prueba experimental del sistema, el caudal de dioxido de carbono del circuito 1 de trabajo empleado es de 150 Kg/h, mientras que el caudal de la solucion de amomaco del circuito 2 secundario es de 30 Kg/h, con una diferencia de concentration de amomaco durante el ciclo del 10%, lo que supone un caudal de circulation de solucion amoniacal de 300 Kg/h.
Con estos datos;
■ La energia de aportacion exterior necesaria para la evaporation del gas amomaco de la solucion que sale del aparato 6 destilador, y para el calentamiento del dioxido de carbono a la entrada del generador 8, es de 9.480 Kcal/h y 2.273 Kcal/h, respectivamente, que suman un total de 11.752 Kcal/h.
■ El calor de aportacion necesario para la condensation del dioxido de carbono gas despues de expansionarse, es de 6.050 Kcal/h, con un porcentaje de condensacion de dioxido de carbono gas estimado del 27%, y
■ El calor de aportacion necesario para evaporar i calentar a 100°C el dioxido de carbono es de 11.280 Kcal/h.
Por lo tanto, la energia necesaria que cierra el ciclo del circuito 1 de trabajo es de 5.230 Kcal/h, siendo la energia termica de aportacion de bajo nivel de 11.752 Kcal/h, lo que supone un rendimiento termico teorico del sistema estimado en un 44,5%.
A pesar de que se ha hecho referencia a una realization concreta de la invention, es evidente para un experto en la materia que el sistema descrito es susceptible de numerosas variaciones y modificaciones, y que todos los detalles mencionados pueden ser substituidos por otros tecnicamente equivalentes, sin apartarse del ambito de protection definido por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (8)

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    REIVINDICACIONES
    1. Sistema de production de energla electrica que comprende un primer tircuito (1) de trabajo termodinamico que emplea dioxido de carbono para obtener energla mediante un generador (8) de energla del sistema, caracterizado por el hecho de que dicho circuito (1) de trabajo termodinamico esta asociado en paralelo a un circuito (2) secundario de absorcion y evaporation de amonlaco que esta dimensionado para condensar el gas dioxido de carbono procedente del generador (8), incluyendo dicho sistema un dispositivo (5a,5b,5c) de recuperation de energla (E) termica de bajo nivel que esta dimensionado para evaporar amonlaco de la solution de amonlaco del circuito (2) secundario, siendo susceptible una fraction de la energla (E) termica de bajo nivel captada por el dispositivo (5a,5b,5c) de ser utilizada para sobrecalentar r el dioxido de carbono del circuito (1) de trabajo.
  2. 2. Sistema segun la revindication 1, en el que dicho circuito (2) secundario de absorcion y evaporation de gas comprende un primer (11) intercambiador para condensar mediante un fluido refrigerante (R) el gas amonlaco evaporado procedente de la solution de amonlaco del circuito (2) secundario, un segundo (7) intercambiador para evaporar el amonlaco condensado mediante la energla termica que proporciona el dioxido de carbono a la salida del generador (8) electrico y, una columna (3) de absorcion del gas amonlaco evaporado en el segundo (7) intercambiador.
  3. 3. Sistema segun la revindication 2, en el que dicho circuito (2) de absorcion y evaporation comprende un tercer intercambiador (9) para evaporar el dioxido de carbono condensado mediante el calor recuperado por la solution de amonlaco en contacto con el dispositivo (5a,5b,5c).
  4. 4. Sistema segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho dispositivo (4) de recuperation de energla (E) termica de bajo nivel comprende unos intercambiadores (5a,5b) que estan asociados a un aparato (6) destilador para evaporar mediante energla (E) termica de bajo nivel una fraction de gas amonlaco de la solution de amonlaco del circuito (2) secundario de absorcion y evaporation.
  5. 5. Sistema segun la revindication 4, en el que dicho dispositivo comprende un intercambiador de calor (5c) para sobrecalentar mediante energla (E) termica de bajo
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    nivel el gas dioxido de carbono a la entrada del generador (8) electrico.
  6. 6. Sistema de produccion de energla segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que la presion de trabajo del gas amonlaco esta comprendida entre 1 bar y 12 bar y la presion de trabajo del gas dioxido de carbono esta comprendida entre 30 bar y 65 bar.
  7. 7. Sistema de produccion de energla segun la reivindicacion 1, en el que la concentration de gas amonlaco en la solution de amonlaco del circuito (2) secundario de absorcion y evaporation esta comprendida entre el 35% y el 45% en peso.
  8. 8. Sistema de produccion de energla segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha energla (E) termica de bajo nivel procede de fuentes de calor de temperatura no superior a 150°C.
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