ES2941798T3 - Sistema de generación de energía y método para generar energía mediante la operación de dicho sistema de generación de energía - Google Patents

Sistema de generación de energía y método para generar energía mediante la operación de dicho sistema de generación de energía Download PDF

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Abstract

Un sistema de generación de energía que comprende - una sección de bomba de líquido (4) que comprende una bomba de líquido rotatoria (7) con un impulsor en el que se presuriza un fluido de trabajo y que es accionado por un eje impulsor (8); ~ una sección de evaporador que comprende un evaporador (9) en el que el fluido de trabajo presurizado de la bomba rotatoria de líquido (7) se evapora al menos parcialmente mediante la adición de calor desde una fuente de calor; - una sección de expansión (3) que comprende una expansión giratoria (11) con un puerto de entrada (16) y un elemento de expansión giratoria en el que se expande el fluido de trabajo evaporado al menos parcialmente en la sección del evaporador; y - una sección de generador (5) que comprende un generador de energía rotativo (13) con un rotor, por lo que la sección de expansión (3), (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de generación de energía y método para generar energía mediante la operación de dicho sistema de generación de energía
La presente invención se refiere a un sistema de generación de energía que comprende una sección de expansor que expande un fluido de trabajo, una sección de bomba de líquido que presuriza este fluido de trabajo y una sección de generador, en donde la sección de expansor, la sección de bomba de líquido y la sección de generador están conectadas rotativamente de tal manera que las relaciones relativas de velocidad rotacional entre la sección de expansor, la sección de medio líquido y la sección de generador se mantienen mecánicamente.
En particular, el sistema de generación de energía comprende además un alojamiento cerrado semi-herméticamente que encierra todas las piezas giratorias de la sección de expansor, la sección de bomba de líquido y la sección del generador, pero el sistema de generación de energía no se limita a ello.
Es sabido que la energía se genera en las máquinas de expansión convirtiendo la energía asociada a la presión de un fluido de trabajo en energía cinética mecánica de un expansor que es una turbina o similar con un rotor, un pistón o similar. Esta energía cinética puede convertirse en energía eléctrica en un generador rotativo con un rotor conectado a la máquina de expansión mediante un árbol, acoplamiento, engranaje, correa o similar. La máquina de expansión puede ser accionada por un fluido de trabajo que circula en un circuito cerrado que se conoce con el nombre de ciclo Rankine o circuito Rankine. Este circuito cerrado está provisto de una bomba de líquido para hacer circular el fluido de trabajo sucesivamente a través de
- una sección de evaporación que comprende uno o varios evaporadores en los que el fluido de trabajo procedente de la bomba de líquido se convierte, al menos en parte, en gas o vapor a alta presión;
- la sección de expansor;
- una sección de condensación que comprende uno o más condensadores conectados a un circuito de refrigeración de un fluido refrigerante, por ejemplo, agua o aire, para permitir la condensación completa del fluido de trabajo en líquido que se bombea de nuevo mediante la bomba de líquido para un ciclo posterior.
Para cerrar el ciclo Rankine, una salida de la sección de bomba de líquido está conectada mediante fluido a una entrada de la sección del evaporador, una salida de la sección del evaporador está conectada mediante fluido a una entrada de la sección de expansor, una salida de la sección de expansor está conectada mediante fluido a una entrada de la sección del condensador, y una salida del condensador está conectada mediante fluido a una entrada de la sección de bomba de líquido.
El fluido de trabajo puede seleccionarse como fluido de trabajo orgánico, por lo que el ciclo Rankine se conoce con el nombre de Ciclo Rankine Orgánico u ORC. Una desventaja de los fluidos de trabajo orgánicos es que suelen ser explosivos, venenosos o caros. Por lo tanto, los sellos mecánicos de árbol son necesarios cuando las piezas giratorias de un expansor rotativo y/o un generador de energía rotativo penetran a través del alojamiento que contiene el fluido de trabajo alrededor del rotor del expansor respectivamente del generador y están en contacto con el aire ambiente. Estos cierres mecánicos de árbol son caros y suelen requerir mucho mantenimiento.
Una forma habitual de evitar el uso de cierres mecánicos de árbol entre el fluido de trabajo y el aire ambiente es diseñar combinaciones compactas "semi-herméticas" o "integradas" del expansor y el generador.
Por combinaciones "semi-herméticas" o "integradas" de un expansor y un generador se entiende una combinación de un expansor y un generador contenidos en un alojamiento en el que todas las piezas giratorias del expansor y el generador están completamente encerradas por el alojamiento y, por lo tanto, aisladas del contacto con el aire ambiente. Ejemplos de combinaciones semi-herméticas o integradas de un expansor y un generador se describen, entre otros, en US 4,185,465 y DE 102012 016488. EP 0004609 muestra una combinación semi-hermética de un expansor de tornillo, un compresor de tornillo y un motor eléctrico en un fluido de trabajo refrigerante. JP H 05195808 y CN 206290297 muestran combinaciones integradas de un expansor, un generador y una bomba de líquido.
Una desventaja de las combinaciones integradas de un expansor, un generador y una bomba de líquido es la aparición de fugas internas no deseadas del fluido de trabajo dentro del alojamiento entre la sección de expansor que contiene el expansor, la sección del generador que contiene el generador y la sección de bomba de líquido que contiene la bomba de líquido, debido a la existencia de niveles de presión del fluido de trabajo significativamente diferentes en estas secciones del alojamiento. Tales fugas internas no sólo reducen la eficiencia de la generación de energía, sino también la fiabilidad del sistema de generación de energía debido a los violentos destellos cuando el fluido de trabajo se encuentra en un estado mixto líquido-gas o mixto líquido-vapor. Adicionalmente, la cavitación se produce en la bomba de líquido cuando el vapor a alta presión del fluido de trabajo se fuga de la sección de expansor o de la sección del generador a la bomba de líquido. Además, grandes cantidades de líquido pueden filtrarse de la bomba de líquido a través del árbol de accionamiento de la bomba de líquido al condensador sin pasar por el evaporador, lo que da lugar a una reducción de la eficiencia de generación de energía, definiéndose la "eficiencia de generación de energía" como la relación entre la energía mecánica generada en la sección de expansor y la suma del calor transferido al fluido de trabajo en la sección del evaporador y el trabajo entregado a la bomba de líquido. Alternativamente, las juntas estancas en el árbol de accionamiento de la bomba de líquido para evitar fugas de la bomba de líquido a través de su árbol de accionamiento son propensas al desgaste y requieren un mantenimiento no deseado.
Además, si el generador es de imanes permanentes, los imanes de este generador de imanes permanentes pueden sufrir una refrigeración insuficiente debido al tamaño compacto de la combinación integrada del expansor, el generador y la bomba de líquido, lo que provoca daños permanentes en el rendimiento.
El documento EP 2386727 divulga un sistema de generación de energía diseñado como un ciclo Rankine que comprende un turboexpansor que incluye una combinación integrada de una sección de expansión, una sección de bomba de líquido y una sección de motor-generador, en la que la sección de motor-generador se refrigera mediante una parte del fluido de trabajo presurizado por la sección de bomba de líquido. La desventaja de este diseño del sistema es que el generador está expuesto internamente a la alta presión del fluido de trabajo a la salida de la sección de bomba de líquido, lo que podría causar daños permanentes en el rotor y otras piezas internas del generador.
El documento WO 82/02741 describe un sistema turbogenerador de ciclo Rankine con una combinación integrada de una sección expansora, una sección de bomba de líquido y una sección generadora en un único árbol vertical en una carcasa herméticamente cerrada, en el que una parte del fluido de trabajo procedente del condensador es bombeada por una bomba de refuerzo corriente arriba de la sección de bomba de líquido a los rodamientos del árbol con fines de lubricación y refrigeración. La refrigeración del generador se realiza mediante la fuga de fluido de trabajo del ensamble de rodamiento superior y una bomba de líquido en la sección de bomba de líquido. La desventaja de este sistema es la necesidad de que la bomba de refuerzo, además de la bomba de líquido, presurice la porción del fluido de trabajo que se utiliza para lubricar y refrigerar los rodamientos, con el fin de evitar la evaporación de dicha porción de fluido de trabajo y la producción de vapor en las cavidades de rodamientos debido a la adición de pequeñas cantidades de calor que perjudicarían el correcto funcionamiento del fluido como lubricante hidrodinámico en los rodamientos. Adicionalmente, el rotor y otras partes internas del generador están de nuevo expuestas a la alta presión del fluido de trabajo en las cavidades de rodamientos y en la salida de la sección de bomba de líquido.
El documento US 2017/0241297 se refiere a un sistema de recuperación de calor residual que incluye un condensador para recibir un fluido de trabajo en estado vapor y proporcionar el fluido de trabajo en estado líquido; una bomba en comunicación fluida con el condensador; una caldera de calor residual en comunicación fluida con la bomba, la caldera de calor residual para recibir el fluido de trabajo de la bomba y vaporizar el fluido de trabajo utilizando calor residual de un sistema mecánico; un expansor en comunicación fluida con la caldera de calor residual y el condensador, el expansor para recibir el fluido de trabajo vaporizado de la caldera de calor residual y proporcionar el fluido de trabajo al condensador, el expansor para producir energía mecánica; y un sistema de acoplamiento mecánico acoplado mecánicamente entre el expansor y el sistema mecánico.
El propósito de la presente invención es proporcionar una solución a una o más de las desventajas antes mencionadas y/u otras.
Para ello, la invención se refiere a un sistema de generación de energía de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende - una sección de bomba de líquido que comprende una bomba de líquido rotativa con un impulsor en el que se presuriza un fluido de trabajo y que se acciona mediante un árbol de accionamiento;
- una sección de evaporación que comprende un evaporador en el que el fluido de trabajo presurizado en la bomba de líquido rotativa se evapora al menos parcialmente mediante la adición de
calor de una fuente de calor;
- una sección de expansión que comprende un expansor rotativo con un orificio de entrada y un elemento expansor rotativo en el que se expande el fluido de trabajo evaporado al menos parcialmente en la sección de evaporación; y
- una sección de generador que comprende un generador de energía rotativo con un rotor,
en la que la sección de expansor, la sección de bomba de líquido y la sección del generador están conectadas rotativamente de tal manera que las relaciones relativas de velocidad de rotación entre el elemento expansor rotativo del expansor rotativo, el impulsor de la bomba de líquido rotativa y el rotor del generador de energía rotativo se mantienen mecánicamente, con la característica de que el árbol de accionamiento que acciona el impulsor de la bomba de líquido rotativa está configurado para estar provisto de un dispositivo de estrangulación que permite que una parte controlada del fluido de trabajo que entra en la bomba de líquido rotativa pase de la sección de bomba de líquido a la sección de expansor y/o a la sección del generador.
Una ventaja del sistema de generación de energía de acuerdo con la invención si la porción controlada de fluido de trabajo pasa de la sección de bomba de líquido a la sección del generador, es la posibilidad de conectar la bomba de líquido rotativa de la sección de bomba de líquido directamente al rotor del generador de energía rotativo , evitando al mismo tiempo la cavitación de la bomba de líquido rotativa debido a la fuga de vapor de fluido de trabajo en la bomba de líquido rotativa, y evitando pérdidas en la eficiencia de generación de energía debido a grandes cantidades de fluido de trabajo que fluyen directamente de la bomba de líquido rotativa al generador de energía rotativo sin pasar por el evaporador. La pequeña porción controlada de fluido de trabajo permitida por el dispositivo de estrangulamiento que pasa de la sección de bomba de líquido a la sección de generador es la justa para mantener el generador rotativo refrigerado a un nivel adecuado, principalmente por evaporación local. El generador rotativo está expuesto a una presión del fluido de trabajo inferior a la presión del fluido de trabajo en una salida de la sección de bomba de líquido, lo que evita daños en el rotor u otras piezas internas del generador rotativo debido a una presión del fluido de trabajo demasiado alta.
Una ventaja del sistema de generación de energía de acuerdo con la invención si la porción controlada de fluido de trabajo pasa de la sección de bomba de líquido a la sección de expansor, es la posibilidad de conectar la bomba de líquido rotativa de la sección de bomba de líquido directamente al rotor del expansor rotativo, evitando al mismo tiempo la cavitación de la bomba de líquido rotativa debido a la fuga de vapor de fluido de trabajo en la bomba de líquido rotativa, y evitando pérdidas en la eficiencia de generación de energía debido a grandes cantidades de fluido de trabajo que fluyen directamente de la bomba de líquido rotativa al expansor rotativo sin pasar por el evaporador. La pequeña porción controlada de fluido de trabajo permitida por el dispositivo de estrangulación que pasa de la sección de bomba de líquido a la sección de expansor es suficiente para mantener los rodamientos y otras piezas giratorias del expansor rotativo refrigerados a un nivel adecuado, principalmente por evaporación local.
Una ventaja adicional es que, si el generador de energía rotativo es un generador de imán permanente y si la porción controlada del fluido de trabajo permitida por el dispositivo de estrangulación pasa de la sección de bomba de líquido a la sección del generador, esta porción controlada del fluido de trabajo puede utilizarse para enfriar los imanes del generador de energía rotativo.
En una modalidad preferida de la invención, el sistema de generación de energía está dispuesto como un circuito Rankine, preferiblemente un circuito ORC con un fluido de trabajo orgánico.
En otra modalidad preferida de la invención, el puerto de entrada del expansor rotativo de la sección de expansor está en una posición más alta que un puerto de salida de dicho expansor rotativo. Además, la bomba de líquido rotativa se encuentra en una posición más baja que el orificio de entrada del expansor rotativo.
Esto aporta la ventaja de permitir que el fluido de trabajo expandido en una fase mixta líquido-vapor salga del expansor rotativo sin pérdidas de bombeo causadas por el ascenso interno del fluido de trabajo en fase mixta.
La invención puede utilizarse para una combinación integrada de una sola sección de expansor, una sola sección de bomba de líquido y una sección de generador.
Sin embargo, la invención también puede utilizarse para una combinación integrada de dos o más secciones de expansor, dos o más secciones de bomba de líquido y una sección de generador. Cada una de las secciones del expansor o de la bomba de líquido puede comprender varios expansores rotativos o bombas de líquido rotativas.
La invención también se refiere, de acuerdo con la reivindicación 10, a un método para generar energía mediante la operación de un sistema de generación de energía, el sistema de generación de energía que comprende:
- una sección de bomba de líquido que comprende una entrada y una bomba de líquido rotativa con un impulsor en el que se presuriza un fluido de trabajo y que es accionado por un árbol de accionamiento;
- una sección de evaporación que comprende un evaporador en el que el fluido de trabajo presurizado en la bomba de líquido rotativa se evapora, al menos parcialmente, por adición de calor procedente de una fuente de calor;
- una sección de expansión que comprende un expansor rotativo con un elemento expansor rotativo en el que se expande el fluido de trabajo evaporado al menos parcialmente en la sección de evaporación; y
- una sección de generador que comprende un generador de energía rotativo con un rotor,
en la que la sección de expansor, la sección de bomba de líquido y la sección del generador están conectadas rotativamente de tal manera que las relaciones relativas de velocidad de rotación entre el elemento expansor rotativo del expansor rotativo, el impulsor de la bomba de líquido rotativa y el rotor del generador de energía rotativo se mantienen mecánicamente, con la característica de que una porción controlada del fluido de trabajo que entra en la bomba de líquido rotativa se deja pasar desde la sección de bomba de líquido a la sección de expansor y/o a la sección del generador mediante un dispositivo de estrangulación, del que está provisto el árbol de accionamiento por el que se acciona el impulsor de la bomba de líquido rotativa, por lo que el expansor rotativo y/o el generador de energía rotativo se enfrían mediante la porción controlada del fluido de trabajo que pasa desde la sección de bomba de líquido a la sección de expansor respectivamente a la sección del generador.
En una modalidad preferida de la invención, un flujo de masa de la porción controlada de fluido de trabajo que se permite pasar de la sección de bomba de líquido a la sección de expansor y/o la sección de generador por el dispositivo de estrangulación es inferior al 25%, preferentemente inferior al 10%, más preferentemente inferior al 5%, incluso más preferentemente inferior al 3% de un flujo de masa total del fluido de trabajo que se alimenta a la entrada de la sección de bomba de líquido. De este modo, la porción controlada de fluido de trabajo es la justa para mantener el rotor y otros componentes del generador de energía rotativo, respectivamente los rodamientos y otras partes giratorias del expansor rotativo, refrigerados a un nivel adecuado, principalmente por evaporación local.
Con la intención de mostrar mejor las características de la invención, algunas modalidades preferidas de un sistema de generación de energía de acuerdo con la invención en el que el árbol de accionamiento de la bomba de líquido rotatorio está provisto de un dispositivo de estrangulación, se describen a continuación a modo de ejemplo, sin ningún carácter limitativo, con referencia a los dibujos adjuntos, en donde:
Las figuras 1A y 1B muestran esquemáticamente un circuito Rankine que incluye un sistema de generación de energía de acuerdo con la invención;
Las figuras 2 a 5 muestran cada una variante diferente del sistema de generación de energía;
la figura 6 muestra con más detalle el sellado de un árbol de accionamiento de una bomba de líquido rotativa del sistema de generación de energía.
En este caso, el sistema de generación de energía 1 de la figura 1A es un circuito Rankine que comprende una combinación integrada 2 de una sección 3 de expansor, una sección 4 de bomba de líquido y una sección 5 de generador.
Preferentemente, todas las piezas giratorias de la sección de expansor 3 y de la sección de generador 5, y preferentemente también la sección de bomba de líquido 4, están encerradas en un alojamiento 6 cerrado semiherméticamente.
Una bomba de líquido rotativa 7 en la sección de bomba de líquido 4 impulsa el fluido de trabajo a través del circuito por medio de un impulsor rotativo que es accionado por un árbol de accionamiento 8 de la bomba de líquido rotativa 7. La bomba de líquido rotativa 7 puede ser una bomba rotativa de desplazamiento positivo, preferentemente una bomba de engranajes.
El flujo del fluido de trabajo a través del circuito es el siguiente.
La bomba de líquido rotativa impulsa el fluido de trabajo en forma líquida a través de una sección de evaporación que comprende un evaporador 9 que es una primera sección de un intercambiador de calor 10. Un medio de calefacción que proporciona calor desde una fuente de calor fluye a través de una segunda sección del intercambiador de calor 10, preferentemente en contracorriente con respecto al fluido de trabajo que fluye a través del evaporador 9.
La fuente de calor puede ser el calor residual de una instalación de proceso como, por ejemplo, una instalación de compresores, de modo que el sistema de generación de energía 1 es una instalación denominada WTP (Waste heat To Power) que transforma el calor residual recuperado en energía mecánica o eléctrica útil.
El fluido de trabajo se evapora, al menos en parte, en el evaporador 9 debido a la transferencia de calor del medio de calentamiento al fluido de trabajo, y sale del evaporador 9 en estado gaseoso o de vapor o como una mezcla de líquido y gas o vapor.
El fluido de trabajo se caracteriza típicamente por una característica de evaporación más favorable, que es la temperatura de ebullición a la presión del fluido de trabajo en el evaporador 9, con respecto a la temperatura de un medio de calentamiento que proporciona calor al fluido de trabajo en el evaporador 9.
Cuanto más baja sea la temperatura de ebullición del fluido de trabajo en el evaporador 9, mejor y más eficiente será el calor proporcionado al fluido de trabajo por un medio de calentamiento a baja temperatura. Normalmente, se selecciona un fluido de trabajo cuya temperatura de punto crítico esté próxima a una temperatura máxima del medio de calefacción en el intercambiador de calor.
10.
Además, el fluido de trabajo puede comprender un lubricante o actuar como lubricante para los componentes del sistema de generación de energía 1.
Un ejemplo de fluido de trabajo orgánico adecuado es el 1,1,1,3,3-pentafluoropropano. Sin embargo, la invención no se limita a este fluido de trabajo específico.
El fluido de trabajo, al menos parcialmente evaporado, que sale del evaporador 9 se expande en un expansor rotativo 11 en la sección de expansión 3. El expansor rotativo 11 está configurado de tal manera que permite convertir la energía térmica del fluido de trabajo en energía mecánica, por ejemplo, porque está construido en forma de un elemento expansor rotativo que es accionado por un árbol de accionamiento de salida 12 que está acoplado a un rotor de un generador de energía rotativo 13 en la sección del generador 5 para suministrar energía eléctrica a un consumidor.
El expansor rotativo 11 de la sección de expansión 3 puede ser un expansor rotativo de desplazamiento positivo, preferentemente un expansor rotativo de doble husillo.
El generador de energía rotativo 13 de la sección de generador 5 puede ser un generador síncrono, preferentemente un generador de imanes permanentes.
El fluido de trabajo expandido que sale de la sección de expansión 3 fluye a través de una sección de condensación que comprende un condensador 14 donde entra en contacto con un medio refrigerante y es enfriado por el mismo, lo que garantiza que el fluido de trabajo se condense completamente para poder ser bombeado como líquido por la bomba de líquido rotativa 7 para un ciclo posterior en el circuito Rankine.
Una porción controlada 15 del fluido de trabajo que entra en la bomba de líquido rotativa 7 puede filtrarse desde la sección de bomba de líquido 4 a la sección del generador 5 a través de un dispositivo de estrangulamiento instalado en el árbol de accionamiento 8 que acciona el impulsor de la bomba de líquido rotativa 7. Esta porción controlada del fluido de trabajo 15 pasará por encima y a través del generador de energía rotativo 13. De este modo, el rotor y otros componentes del generador rotativo 13 se enfrían en la medida adecuada.
Como se indica en la figura 1B, la posición de la sección de expansor 3 y de la sección de generador 5 puede intercambiarse en el alojamiento 6, de modo que la porción controlada 15 del fluido de trabajo se filtre a la sección de expansor 3 a través del dispositivo de estrangulación previsto en el árbol de accionamiento 8 de la bomba rotativa de líquido 7. La porción controlada 15 del fluido de trabajo se utiliza entonces para enfriar los rodamientos y otros componentes del expansor rotativo 11.
No se excluye que en las figuras 1A y/o 1B la porción controlada 15 del fluido de trabajo fluya a través tanto de la sección de expansor 3 como de la sección de generador 5, y se utilice para enfriar tanto los componentes del expansor rotativo 11 como los componentes del generador 13.
La sección de expansor 3, la sección de bomba de líquido 4 y la sección de generador 5 están conectadas rotativamente de tal manera que las relaciones de velocidad de rotación relativas entre el elemento expansor rotativo del expansor rotativo 11, el impulsor de la bomba de líquido rotativa 7 y el rotor del generador de energía rotativo 13 se mantienen mecánicamente.
Esto puede lograrse conectando el elemento expansor rotativo del expansor rotativo 11, el impulsor de la bomba rotativa de líquido 7, el rotor del generador de energía rotativo 13, el árbol de accionamiento 8 de la bomba de líquido rotativa 7 y el árbol de accionamiento 12 del generador de energía rotativo 13 mediante cajas de engranajes. No obstante, el elemento expansor rotativo del expansor rotativo 11 y/o el impulsor de la bomba de líquido rotativa 7 pueden montarse directamente en el árbol de accionamiento 8. Del mismo modo, el elemento expansor rotativo del expansor rotativo 11 y/o el rotor del generador de energía rotativo 13 pueden montarse directamente en el árbol de accionamiento 12.
En una variante de la invención, el elemento expansor rotativo 11 está montado en el árbol de accionamiento 8 que acciona el impulsor de la bomba de líquido rotativa 7. Además, el elemento expansor rotativo del expansor rotativo 11 puede estar montado en el árbol de accionamiento 12 que acciona el rotor del generador de energía rotativo 13.
El árbol de accionamiento 8 que acciona el impulsor de la bomba de líquido rotativa 7 puede ser diferente del árbol de accionamiento 12 que acciona el rotor del generador de energía rotativo 13, por ejemplo, cuando el impulsor de la bomba de líquido rotativa 7 es accionado por un árbol de accionamiento 8 conectado a un elemento rotor macho del expansor rotativo 11 y el rotor del generador de energía rotativo 13 es accionado por un árbol de accionamiento 12 conectado a un elemento rotor hembra del expansor rotativo 11 o viceversa. Alternativamente, el rotor del generador de energía rotativo 13 puede ser accionado por el mismo árbol de accionamiento que el impulsor de la bomba de líquido rotativa 7, de modo que los árboles de accionamiento 8 y 12 se conviertan en un mismo árbol de accionamiento.
La posición y orientación de la sección de expansor 3, la sección de bomba de líquido 4 y la sección de generador 5 en el alojamiento 6 cerrado semi-herméticamente pueden configurarse de distintas maneras, como se indica en las figuras 2 a 5.
La figura 2 muestra esquemáticamente una combinación de una sección de expansor 3, una sección del generador 5 y una sección de bomba de líquido 4, en la que estas secciones están montadas verticalmente y conectadas de forma giratoria de tal manera que las relaciones de velocidad de giro relativas entre el elemento expansor rotativo del expansor giratorio 11, el impulsor de la bomba de líquido giratoria 7 y el rotor del generador de energía rotativo 13 se mantienen mecánicamente. La porción controlada 15 del fluido de trabajo fluye desde la sección de bomba de líquido 4 a la sección del generador 5 con el fin de enfriar el rotor y otros componentes internos del generador de energía rotativo 15. El expansor rotativo 11 de la sección de expansión 3 está provisto de un orificio de entrada 16 que se encuentra en una posición más elevada que el orificio de salida 17 de este expansor rotativo 11. La bomba de líquido rotativa 7 de la sección de bomba de líquido 4 se encuentra en una posición más baja que el orificio de entrada 16 del expansor rotativo 11 para evitar la cavitación de la bomba de líquido rotativa 7 y las consiguientes pérdidas de bombeo debidas al ascenso interno del fluido de trabajo de fase mixta y al reflujo del fluido de trabajo gaseoso o vaporoso desde el expansor rotativo 11 a la bomba de líquido rotativa 7.
La figura 3 muestra una variante de la combinación de la figura 2, en la que se intercambian las posiciones de la sección de expansor 3 y de la sección de generador 5, de modo que la porción controlada 15 del fluido de trabajo permitido por el dispositivo de estrangulación que está provisto en el árbol de accionamiento 8 de la bomba de líquido rotativa 7, fluye desde la sección de bomba de líquido 4 a la sección de expansor 3 con el fin de refrigerar los rodamientos y otras piezas giratorias del expansor rotativo 11.
La figura 4 muestra una variante de la combinación de la figura 2, en la que la sección de expansor 3, la sección de generador 5 y la sección de bomba de líquido 4 están montadas horizontalmente.
La figura 5 muestra una variante de la combinación de una sección de expansión 3, una sección de generador 5 y una sección de bombeo de líquido 4 de la figura 4, en la que las posiciones de la sección de expansión 3 y la sección de generador 5 están intercambiadas.
En la figura 6 se muestra que la porción controlada 15 del fluido de trabajo se estrangula y se filtra a través del árbol de accionamiento 8 de la bomba de líquido rotativa 7 desde la sección de bomba de líquido 4 a un nivel de presión p1 a una de las secciones de expansor 3 y sección de generador 5 a un nivel de presión p2 que es inferior a p1. En este caso, el dispositivo de estrangulación es una abertura entre el árbol de accionamiento 8 en el que está montado el impulsor de la bomba de líquido rotativa 7 y una junta 18 de este árbol de accionamiento 8 entre la sección de bomba de líquido 4 y la de la sección de expansor 3 y la sección de generador 5.
La porción controlada 15 del fluido de trabajo que se deja pasar desde la sección de bomba de líquido 4 a la sección de expansor 3 o a la sección del generador 5 por el dispositivo de estrangulación, del que está provisto el árbol de accionamiento 8 que acciona el impulsor de la bomba de líquido rotativa 7, puede utilizarse para refrigerar el expansor rotativo 11 o el generador de energía rotativo 13 en un método para generar energía mediante la operación del sistema de generación de energía 1 de acuerdo con la invención.
En este método, el orificio de entrada 16 del expansor rotativo 11 de la sección de expansión 3 se alimenta con fluido de trabajo evaporado, al menos parcialmente, procedente del evaporador 9 de la sección de evaporación.
El rotor del generador de energía rotativo 13 se enfría y se expone al fluido de trabajo a un nivel de presión que es superior a un nivel de presión del fluido de trabajo en una entrada de la sección de bomba de líquido 4 e inferior a un nivel de presión del fluido de trabajo en una salida de la sección de bomba de líquido 4.
Como la temperatura del fluido de trabajo que está enfriando el generador rotativo de potencia 13 aumenta durante su acción de enfriamiento, este fluido de trabajo puede evaporarse de tal manera que el rotor del generador de energía rotativo 13 está expuesto a una mezcla de fluido de trabajo líquido y gaseoso o vaporoso.
El flujo de masa de la porción controlada 15 del fluido de trabajo es sólo una pequeña porción relativa al flujo de masa total del fluido de trabajo que se alimenta a la entrada de la sección de bomba de líquido 4, preferentemente inferior al 25%, más preferentemente inferior al 10%, aún más preferentemente inferior al 5%, y aún más preferentemente inferior al 3%.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de generación de energía que comprende
- una sección de bomba de líquido (4) que comprende una bomba de líquido rotativa (7) con un impulsor en el que se presuriza un fluido de trabajo y que se acciona mediante un árbol de accionamiento (8);
- una sección de evaporación que comprende un evaporador (9) en el que el fluido de trabajo presurizado en la bomba de líquido rotativa (7) se evapora, al menos parcialmente, por adición de calor procedente de una fuente de calor;
- una sección de expansión (3) que comprende un expansor rotativo (11) con un orificio de entrada (16) y un elemento expansor rotativo en el que se expande el fluido de trabajo evaporado al menos parcialmente en la sección de evaporación; y
- una sección de generador (5) que comprende un generador de energía rotativo (13) con un rotor,
en la que la sección de expansor (3), la sección de bomba de líquido (4) y la sección de generador (5) están conectadas rotativamente de tal manera que las relaciones relativas de velocidad de rotación entre el elemento expansor rotativo del expansor rotativo (11), el impulsor de la bomba de líquido rotativa (7) y el rotor del generador de energía rotativo (13) se mantienen mecánicamente, caracterizado porque el árbol de accionamiento (8) que acciona el impulsor de la bomba de líquido rotativa (7), está configurado para estar provisto de un dispositivo de estrangulación que permite que una porción controlada (15) del fluido de trabajo que entra en la bomba de líquido rotativa (7) pase de la sección de bomba de líquido (4) a la sección de expansor (3) y/o a la sección de generador (5).
2. El sistema de generación de energía de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el sistema de generación de energía (1) es un ciclo Rankine, en donde el fluido de trabajo circula.
3. El sistema de generación de energía de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque el puerto de entrada (16) del expansor rotativo (11) está en una posición más elevada que un puerto de salida (17) de dicho expansor rotativo.
4. El sistema de generación de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la bomba de líquido rotativa (7) está en una posición más baja que el puerto de entrada (16) del expansor rotativo (11).
5. El sistema de generación de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el elemento expansor rotativo está montado en el árbol de transmisión (8) que acciona el impulsor de la bomba de líquido rotativa (7).
6. El sistema de generación de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el elemento expansor rotativo está montado en un árbol de accionamiento (12) que acciona el rotor del generador de energía rotativo (13).
7. El sistema de generación de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el sistema de generación de energía (1) comprende además un alojamiento cerrado semi-herméticamente (6) que encierra todas las piezas giratorias del expansor giratorio (11) y del generador de energía rotativo (13).
8. El sistema de generación de energía de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque el alojamiento cerrado semi-herméticamente (6) encierra todas las piezas giratorias de la bomba de líquido rotativa (7),
donde preferentemente
- la posición de la sección de expansor (3) en el alojamiento cerrado semi-herméticamente (6) se encuentra entre la sección de bomba de líquido (4) y la sección del generador (5); o bien
- la posición de la sección del generador (5) en el alojamiento cerrado semi-herméticamente (6) se encuentra entre la sección de bomba de líquido (4) y la sección de expansor (3).
9. El sistema de generación de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el dispositivo de estrangulación es una abertura entre el árbol de accionamiento (8) en el que está montado el impulsor de la bomba de líquido rotativa (7) y una junta (18) de dicho árbol de accionamiento (8) entre la sección de bomba de líquido (4) y una de las secciones del expansor (3) y del generador (5).
10. Un método para generar energía mediante la operación de un sistema de generación de energía (1), el sistema de generación de energía (1) que comprende:
- una sección de bomba de líquido (4) que comprende una entrada y una bomba de líquido rotativa (7) con un impulsor en el que se presuriza un fluido de trabajo y que se acciona mediante un árbol de accionamiento (8);
- una sección de evaporación que comprende un evaporador (9) en el que el fluido de trabajo presurizado en la bomba de líquido rotativa (7) se evapora, al menos parcialmente, por adición de calor procedente de una fuente de calor;
- una sección de expansión (3) que comprende un expansor rotativo (11) con un elemento expansor rotativo en el que se expande el fluido de trabajo evaporado al menos parcialmente en la sección de evaporación; y
- una sección de generador (5) que comprende un generador de energía rotativo (13) con un rotor,
donde la sección de expansor (3), la sección de bomba de líquido (4) y la sección de generador (5) están conectadas rotativamente de tal manera que las relaciones relativas de velocidad de rotación entre el elemento expansor rotativo del expansor rotativo (11), el impulsor de la bomba de líquido rotativa (7) y el rotor del generador de energía rotativo (13) se mantienen mecánicamente, caracterizado porque se permite que una porción controlada (15) del fluido de trabajo que entra en la bomba de líquido rotativa (7) pase de la sección de bomba de líquido (4) a la sección de expansor (3) y/o a la sección del generador (5) mediante un dispositivo de estrangulación del que está provisto el árbol de accionamiento (8) por el que se acciona el impulsor de la bomba de líquido rotativa (7) mediante el cual el expansor rotativo (11) y/o el generador de energía rotativo (13) es enfriado por la porción controlada (15) del fluido de trabajo que pasa de la sección de bomba de líquido (4) a la sección de expansor (3) respectivamente a la sección de generador (5).
11. Un método para generar energía de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque el fluido de trabajo evaporado al menos parcialmente que se alimenta a un puerto de entrada (16) del expansor rotativo está en estado gaseoso o de vapor.
12. Método para generar energía de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque el fluido de trabajo que se alimenta a un puerto de entrada (16) del expansor rotativo (11) es una mezcla de fluido de trabajo líquido y gaseoso o vaporoso.
13. Método para generar energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12 anteriores, caracterizado porque el rotor del generador de energía rotativo (13) está expuesto a una presión ejercida por el fluido de trabajo que es superior a una presión del fluido de trabajo a la entrada de la sección de bomba de líquido (4) e inferior a una presión del fluido de trabajo a la salida de la sección de bomba de líquido (4).
14. Método para generar energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13 anteriores, caracterizado porque el rotor del generador de energía rotativo (13) está expuesto a una mezcla de fluido de trabajo líquido y gaseoso o vaporoso.
15. Un método para generar energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes 10 a 14, caracterizado porque un flujo de masa de la porción controlada (15) de fluido de trabajo que se permite que pase de la sección de bomba de líquido (4) a la sección de expansor (3) y/o a la sección de generador (5) mediante un dispositivo de estrangulación, es inferior al 25%, preferentemente inferior al 10%, más preferentemente inferior al 5%, incluso más preferentemente inferior al 3% de un flujo de masa total del fluido de trabajo que se alimenta a la entrada de la sección de bomba de líquido (4).
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