ES2231390T3 - Sistema generador de energia. - Google Patents

Abstract

Un sistema de generación de energía que comprende una cámara de combustión (16) para la combustión de material combustible sólido, un intercambiador de calor (18) asociado con la cámara de combustión (16) a través del cual pasa un fluido para calentarse mediante la combustión del material combustible sólido, y una turbina (14) que se impulsa mediante el fluido caliente para generar energía, caracterizado porque el intercambiador de calor (18) incluye unas placas deflectoras (29, 31) retirables selectivamente.

Description

Sistema generador de energía.

El presente invento se refiere a sistemas de generación de energía, tales como los que se describen en el documento US-A-5687570.

La generación de energía eléctrica, y en particular la generación de energía eléctrica a una escala relativamente pequeña que emplea técnicas convencionales, tiene varias desventajas.

Recientemente, se han desarrollado las microturbinas, que son pequeñas turbinas de gas recuperadas que ofrecen muchos beneficios sobre las tecnologías convencionales de generación de energía en pequeña escala. Sus beneficios principales son los costes reducidos, el aumento de su fiabilidad y disponibilidad, y también las emisiones ultra-bajas.

Sin embargo, una desventaja significativa de las microturbinas es que solamente pueden funcionar con combustibles gaseosos y líquidos.

De acuerdo con el presente invento, se proporciona un sistema de generación de energía que comprende una cámara de combustión en la que tiene lugar la combustión de un material combustible sólido, un intercambiador de calor asociado con la cámara de combustión a través del cual pasa fluido para calentarse mediante la combustión del material combustible sólido, y una turbina que es impulsada por el fluido caliente para generar energía, en el que el intercambiador de calor incluye placas deflectoras selectivamente retirables.

La turbina es preferiblemente una turbina de gas, y puede comprender una microturbina.

El intercambiador de calor puede comprender una admisión de fluido a través de la cual se introduce un fluido preferentemente precalentado en parte al intercambiador de calor. El fluido se puede introducir a compresión en el intercambiador de calor, y se puede haber hecho pasar a través de un compresor que puede haber precalentado al fluido para su introducción en el intercambiador. El fluido se puede introducir a una temperatura comprendida en el intervalo 150-250ºC, y preferiblemente a 200ºC. Preferiblemente el fluido es un gas, y puede ser aire atmosférico.

Preferiblemente, el intercambiador de calor está situado en una parte superior de la cámara de combustión, y con preferencia en o cerca de la parte más alta de la misma. El intercambiador de calor puede comprender un conducto a través del cual circule fluido que se va a calentar, cuyo conducto define un camino sinuoso que sirve para facilitar el calentamiento del aire contenido en el mismo. Preferiblemente, el intercambiador de calor mantiene al fluido separado de los gases de combustión generados durante la combustión, mientras que al mismo tiempo permite que los gases pasen alrededor de la parte exterior del conducto para de ese modo calentar el fluido que pasa a través del conducto.

Las placas deflectoras se pueden instalar en el intercambiador de calor para desviar los gases de combustión sobre el conducto, con el fin de facilitar la transmisión de calor. Preferiblemente, el intercambiador de calor comprende además materiales aislantes para mejorar adicionalmente la transmisión de calor. El material aislante puede revestir el interior de una carcasa del intercambiador de calor y puede comprender material cerámico.

El intercambiador de calor puede comprender materiales capaces de resistir temperaturas elevadas y de conservar la resistencia mecánica y la geometría a temperaturas de hasta del orden de 1000ºC mientras que al mismo tiempo proporcionen una buena conducción del calor, tales como el acero inoxidable exótico u otro material adecuado, que sea conductor y aún duradero. El intercambiador de calor preferiblemente se desarma fácilmente, al menos en parte, para facilitar su limpieza, en particular la limpieza de la parte exterior del conducto, por ejemplo para retirar subproductos de la combustión tales como hollín y otros depósitos carbonosos.

Preferiblemente, el intercambiador de calor está diseñado para permitir el paso de fluido a través del mismo que se va a calentar hasta aproximadamente 800-900ºC, dependiendo del material que se esté quemando.

Preferiblemente, la cámara de combustión está dispuesta para acomodar la combustión de una gama de materiales sólidos, tales como residuos combustibles, combustibles fósiles y madera. Es preferible usar combustibles sostenibles o renovables.

Preferiblemente, el fluido caliente sale del intercambiador de calor para introducirse a la turbina con el fin de impulsar a la turbina para generar energía eléctrica. Un conducto puede conectar el intercambiador de calor a la turbina, que puede estar distante del intercambiador de calor. Se pueden proveer medios para procesar la energía eléctrica generada, tales como unos medios de inversor/rectificador.

Preferiblemente, se proveen medios para alimentar el fluido caliente que ha impulsado a la turbina de retorno a la cámara de combustión, donde cualquier calor residual contenido en el fluido facilita y aumenta el rendimiento de la combustión.

El sistema puede comprender además medios para utilizar los gases residuales de la cámara de combustión, particularmente para usar el calor residual contenido en los gases para calentar por ejemplo un aparato doméstico, tal como un radiador, antes de que los gases se descarguen del sistema.

El invento proporciona además un método de generación de energía eléctrica, cuyo método comprende quemar un material combustible sólido en una cámara de combustión para calentar un fluido que pasa a través de un intercambiador de calor asociado con la cámara de combustión y que incluye unas placas deflectoras selectivamente retirables, y usar dicho fluido caliente para impulsar una turbina con el fin de generar energía eléctrica.

El método puede comprender el uso de un sistema sustancialmente según se ha definido en cualquiera de los doce párrafos precedentes.

A continuación se describe una realización preferida del presente invento solamente a título de ejemplo, y con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La Figura 1 es una representación esquemática de un sistema de generación de energía de acuerdo con el presente invento;

La Figura 2 es una vista en planta de un intercambiador de calor de acuerdo con el presente invento; y

La Figura 3 es una vista en alzado del intercambiador de calor de la Figura 2.

Con referencia a los dibujos, se provee un sistema de generación 10 que comprende un dispositivo 10 de combustión en el que se usa la combustión de material combustible (no mostrado) para calentar un fluido, tal como aire, y una turbina 14 que se impulsa mediante el fluido caliente para generar energía.

Dicho con más detalle, el dispositivo 12 de combustión comprende una cámara 16 de combustión en o cerca de cuya parte más alta está situado un intercambiador de calor 18. La cámara de combustión comprende una admisión 20 de combustible, generalmente hacia la parte inferior de la misma. La cámara se puede construir de materiales generalmente convencionales, y puede comprender una envuelta metálica exterior revestida con material ignífugo, tal como ladrillos refractarios.

Refiriéndose en particular a las Figuras 2 y 3, el intercambiador de calor comprende un conducto 22 que tiene una admisión 24 de aire y una descarga 26 de aire.

El conducto 22 comprende una pluralidad de tubos 23 que definen una matriz dentro del intercambiador de calor 16 alrededor de cuya parte exterior los gases de combustión procedentes de la cámara 16 pueden circular para calentar el aire que atraviesa el conducto 22. El conducto 22 se ha mostrado comprendiendo cuatro tubos a, b, c y d que se extienden transversalmente a través del intercambiador de calor desde la admisión 24 hasta un extremo respectivo a, b, c, d en el que los tubos experimentan un giro de 90º para extenderse hacia abajo en una corta distancia desde hacia la parte más alta del intercambiador de calor hacia la parte más baja, Los tubos 26 a,b,c,d se extienden hacia abajo una corta distancia, luego transversalmente, de vuelta transversalmente hacia la admisión 22, y luego hacia abajo y transversalmente hasta que definen un camino tortuoso que se extiende hasta la parte más baja del intercambiador de calor. Hacia la parte más baja, el conducto 22 pasa por debajo de una placa deflectora 29 para abrirse en un conjunto ordenado adicional de tubos 26 e, f, g, h que son similares a los tubos 26 a, b, c, d. Los tubos 26 e, f, g, h, siguen su camino hacia arriba hacia la parte más alta del intercambiador de calor de una forma similar a la descrita para los tubos 26 a, b, c, d.

Generalmente, en la parte más alta del intercambiador de calor, los tubos 26 e, f, g, h pasan sobre una placa deflectora adicional 31 para abrirse en un conjunto ordenado final de tubos i, j, k, l que se dirigen tortuosamente hacia debajo de una forma similar hasta la descarga 26. Esta matriz tortuosa de tubos proporciona una transmisión eficiente de calor de los gases de combustión a medida que éstos pasan alrededor de los tubos 26 a hasta 26l a través del espacio 33 comprendido entre los mismos. El conducto 22 se ha hecho de un material capaz de resistir temperaturas hasta del orden de 1.000ºC, manteniendo al mismo tiempo la resistencia mecánica y la geometría y proporcionando una buena transmisión de calor por medio de un elevado coeficiente de conductividad térmica. El intercambiador de calor 18 se ha construido de acero inoxidable exótico, aunque se podrían usar otros materiales adecuados. Las placas deflectoras 29, 31 son retirables selectivamente para permitir la limpieza de las mismas y también del conducto 22. Las placas deflectoras 29, 31 comprenden material reflectante de calor tal como un material cerámico. Adicionalmente, la carcasa 35 del intercambiador de calor podría comprender material reflectante del calor, tal como un revestimiento de material cerámico, para ayudar a conservar el calor dentro del intercambiador de calor 18 y de ese modo facilitar la transmisión de calor dentro del intercambiador de calor 18.

Se ha provisto un compresor 28 que recibe aire de la atmósfera a través de una admisión de aire y comprime el aire, cuyo aire comprimido se introduce al intercambiador de calor por la admisión 24. El aire comprimido se precalienta hasta aproximadamente 200ºC, consiguiéndose esta temperatura por la compresión del aire.

La descarga 26 para el aire caliente que sale del intercambiador de calor se conecta a la turbina 14, que es una turbina de gas, preferiblemente una microturbina, mediante un conducto 30. Alternativamente, la turbina 14 podría conectarse directamente a la descarga 26. El aire que sale del intercambiador de calor 18 se encuentra aproximadamente a 850ºC.

El aire caliente impulsa la microturbina 14 y el generador 32 de la turbina para generar energía eléctrica, cuya salida eléctrica se puede hacer pasar por un inversor/rectificador antes de descargarla para uso posterior.

El aire caliente usado para impulsar la turbina 14 se recoge, una vez usado para impulsar la turbina 14, y se reintroduce a la cámara de combustión 16 a través de un conducto 35, para con ello aumentar y mejorar el rendimiento de la combustión. Este aire probablemente se encontrará a una temperatura del orden de 550ºC, y se introduce en la cámara de combustión 16 a través de una admisión 36.

En la cámara de combustión 16 se ha provisto una descarga 38, para permitir que los gases de combustión se descarguen de la cámara 16, una vez que estos gases se han usado para calentar el aire en el intercambiador de calor 18. La temperatura de los gases descargados es del orden de 300ºC, y estos gases se introducen en un aparato doméstico tal como un radiador u otro aparato 40 de calefacción que pudiera usarse, para calentar un objeto o una habitación por intercambio de calor. Esto proporciona un rendimiento energético adicional al sistema 10.

Los gases se descargan luego del aparato doméstico, por ejemplo a la atmósfera.

En uso, el sistema 10 permite que las turbinas de gas, y en particular las microturbinas, relativamente ventajosas, se impulsen indirectamente usando combustibles sólidos. Hasta la fecha, la impulsión de las turbinas de gas y en particular de las microturbinas no ha sido posible empleando combustible sólido.

La ventaja de poder usar combustible sólido, es que se pueden usar combustibles de fuentes sostenibles y renovables, así como residuos y subproductos, tales como madera, papel, productos animales y productos similares. Las partes internas de la cámara de combustión se podrían modificar de acuerdo con los combustibles que se vayan a quemar.

En uso, los combustibles adecuados se introducen en la cámara de combustión 16 a través de la admisión 20, y se encienden para quemarlos.

El calor y los gases generados por la combustión ascienden por la cámara 16 y pasan alrededor de la parte exterior del conducto 22 del intercambiador de calor 18 a través del espacio 33 comprendido entre el mismo. Las placas deflectoras 29, 31 ayudan a dirigir los gases de combustión sobre el conducto 22. Cuando está sucediendo esto, el aire es comprimido por el compresor 28 e introducido a través de la admisión 24 al intercambiador de calor a una temperatura de aproximadamente 200ºC. A medida que el aire pasa a través de los tubos 26 a hasta 26l del intercambiador de calor hacia la descarga 26, los gases de combustión calientan el aire, hasta que éste sale a través de la descarga 26 generalmente a una temperatura del orden de 850ºC. El revestimiento cerámico de la carcasa 35 ayuda a mejorar el rendimiento del intercambiador de calor.

Este aire caliente se introduce luego a la turbina 14, por lo cual el aire caliente, que ahora se está desplazando con relativa rapidez, hace girar a los álabes dentro de la turbina 14, impulsando de ese modo a la turbina 14 para generar energía eléctrica por medio del generador 32, cuya energía eléctrica se hace pasar por un inversor/rectificador para entregarla como salida para su uso, por ejemplo para alimentar aparatos y sistemas eléctricos en la forma normal.

El aire caliente que impulsa la microturbina 14 se descarga una vez que ha pasado por los álabes y se realimenta a la cámara de combustión 16 a través de la admisión 36. Este aire se encuentra a una temperatura del orden de 550ºC; y por tanto cuando se introduce en la cámara 16 actúa para mejorar el rendimiento de la combustión, y también para calentar aire adicional a medida que pasa a través del intercambiador de calor 18.

A medida que continúa la combustión, los gases de combustión que se han usado para calentar aire, y por tanto que se encuentran a una temperatura relativamente baja (del orden de 300ºC), se descargan a través de la descarga 28 para calentar un aparato doméstico 40, tal como un radiador. Esto aporta mayor rendimiento al sistema.

Hay que hacer notar que el sistema 10 de acuerdo con el invento proporciona una generación eficiente de energía eléctrica usando fuentes sostenibles y renovables de combustible para impulsar microturbinas, y por tanto permite acoplar las ventajas de las microturbinas a las ventajas de la utilización de combustibles sostenibles y renovables.

La combustión de los combustibles da lugar a productos de combustión tales como hollín y otros materiales carbonosos que forman depósitos en la parte exterior del conducto 22. A medida que estos depósitos se acumulan, podrían afectar perjudicialmente al intercambio de calor, y por ello una característica del intercambiador de calor 10 es que se puede desarmar selectivamente para permitir su limpieza.

Se pueden realizar diversas modificaciones sin apartarse del espíritu o del alcance del presente invento. Por ejemplo, la disposición y la estructura de un intercambiador de calor se podrían variar de acuerdo con las aplicaciones que se deseen. Además, se podrían usar una pluralidad de intercambiadores de calor. El sistema podría usar cualquier combustible adecuado para calentar, tal como un gas procedente de una fuente de gas.

El sistema podría comprender cualquier número de los componentes y características anteriormente mencionados en cualquier combinación.

Claims (33)

1. Un sistema de generación de energía que comprende una cámara de combustión (16) para la combustión de material combustible sólido, un intercambiador de calor (18) asociado con la cámara de combustión (16) a través del cual pasa un fluido para calentarse mediante la combustión del material combustible sólido, y una turbina (14) que se impulsa mediante el fluido caliente para generar energía, caracterizado porque el intercambiador de calor (18) incluye unas placas deflectoras (29, 31) retirables selectivamente.

2. Un sistema de generación de energía de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la turbina es una turbina de gas.

3. Un sistema de generación de energía de acuerdo con la reivindicación 1 o con la reivindicación 2, en el que la turbina de gas comprende una microturbina.

4. Un sistema de generación de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el intercambiador de calor comprende una admisión de fluido a través de la cual se introduce fluido en el intercambiador de calor.

5. Un sistema de generación de energía de acuerdo con la reivindicación 4, en el que el fluido introducido se precalienta parcialmente.

6. Un sistema de generación de energía de acuerdo con la reivindicación 4 o con la reivindicación 5, en el que el fluido introducido en el intercambiador de calor está sometido a compresión.

7. Un sistema de generación de energía de acuerdo con la reivindicación 5 o con la reivindicación 6, en el que el fluido se ha hecho pasar a través de un compresor que ha precalentado el fluido.

8. Un sistema de generación de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 4 a 7, en el que el fluido se introduce a una temperatura que está comprendida en el intervalo de 250 a 250ºC.

9. Un sistema de generación de energía de acuerdo con la reivindicación 8, en el que el fluido se introduce a una temperatura de aproximadamente 200ºC.

10. Un sistema de generación de energía de acuerdo con la reivindicación precedente, en el que el fluido es un gas.

11. Un sistema de generación de energía de acuerdo con la reivindicación 10, en el que el fluido es aire atmosférico.

12. Un sistema de generación de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el intercambiador de calor está situado en una parte superior de la cámara de combustión.

13. Un sistema de generación de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el intercambiador de calor está situado en o cerca de la parte más alta de la cámara de combustión.

14. Un sistema de generación de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el intercambiador de calor comprende un conducto a través del cual circula el fluido a calentar, cuyo conducto define un camino tortuoso para facilitar el calentamiento del fluido en el mismo.

15. Un sistema de generación de energía de acuerdo con la reivindicación 14, en el que el intercambiador de calor mantiene al fluido separado de los gases de combustión generados durante la combustión, permitiendo al mismo tiempo que los gases pasen alrededor de la parte exterior del conducto para de ese modo calentar el fluido que pasa a través del conducto.

16. Un sistema de generación de energía de acuerdo con la reivindicación 14 o con la reivindicación 15, en el que las placas deflectoras desvían a los gases de combustión sobre el conducto para facilitar la transmisión de calor.

17. Un sistema de generación de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el intercambiador de calor comprende un material aislante para mejorar adicionalmente la transmisión de calor.

18. Un sistema de generación de energía de acuerdo con la reivindicación 17, en el que el material aislante reviste el interior de una carcasa del intercambiador.

19. Un sistema de generación de energía de acuerdo con la reivindicación 17 o con la reivindicación 18, en el que el material comprende material cerámico.

20. Un sistema de generación de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el intercambiador de calor comprende materiales capaces de resistir temperaturas elevadas y de conservar la resistencia mecánica y la geometría a temperaturas de hasta del orden de 1.000ºC mientras que al mismo tiempo proporcionan buena conducción del calor, tales como acero inoxidable exótico u otro material adecuado, conductor y todavía duradero.

21. Un sistema de generación de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el intercambiador de calor es fácilmente desarmable, al menos en parte, para facilitar la limpieza del mismo, en particular la limpieza de la parte exterior del conducto, por ejemplo para retirar los subproductos de la combustión tales como hollín y otros depósitos carbonosos.

22. Un sistema de generación de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el intercambiador de calor está diseñado para permitir el paso de fluido a través del mismo para calentarlo a aproximadamente 800-900ºC, dependiendo del material que se esté quemando.

23. Un sistema de generación de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la cámara de combustión está dispuesta para acomodar la combustión de una gama de materiales de combustibles sólidos, tales como residuos combustibles, combustibles fósiles y madera.

24. Un sistema de generación de energía de acuerdo con la reivindicación 23, en el que la cámara está dispuesta para acomodar la combustión de fluido sostenible y/o renovable.

25. Un sistema de generación de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el fluido caliente sale del intercambiador de calor para introducirse en la turbina con el fin de impulsar a la turbina para generar energía eléctrica.

26. Un sistema de generación de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que un conducto conecta el intercambiador de calor a la turbina.

27. Un sistema de generación de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la turbina está distante del intercambiador de calor.

28. Un sistema de generación de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que se han provisto medios para tratar la energía generada.

29. Un sistema de generación de energía de acuerdo con la reivindicación 28, en el que los medios comprenden unos medios de inversor/rectificador.

30. Un sistema de generación de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que se han provisto medios para alimentar el fluido caliente que ha impulsado a la turbina de retorno a la cámara de combustión, por lo cual cualquier cantidad de calor residual contenido en el fluido facilita y aumenta el rendimiento de la combustión.

31. Un sistema de generación de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el sistema comprende además medios para utilizar los gases residuales de la cámara de combustión, en particular para usar el calor residual contenido en los gases con el fin de calentar, por ejemplo, un aparato doméstico, tal como un radiador, antes de que los gases se expulsen del sistema.

32. Un método de generación de energía, cuyo método comprende quemar material combustible sólido en una cámara de combustión para calentar un fluido que pasa a través de un intercambiador de calor asociado con la cámara de combustión y que incluye unas placas deflectoras retirables selectivamente, y usar dicho fluido caliente para impulsar una turbina con el fin de generar energía.

33. Un método de acuerdo con la reivindicación 32, que comprende el uso de un sistema como el reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 31.