SISTEMA DE RECUPERACIÓN DE CALOR EN PROCESOS TÉRMICOS MEDIANTE LA ACTUACIÓN SECUENCIAL Y ALTERNATIVA DE UN CONJUNTO DE LECHOS EMPAQUETADOS CON MATERIALES NO ADSORBENTES.

SECTOR DE LA TÉCNICA Eficiencia energética de procesos térmicos: Desalación, secado, destilación, tratamiento de aguas, climatización por absorción y generación de energía mecánica.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN El alcanzar el desarrollo sostenible en nuestro planeta es probablemente uno de los objetivos más importantes que tenemos como especie. Uno de los retos que plantea ese objetivo es el desarrollo de tecnologías sostenibles, energéticamente eficientes y con bajo impacto económico y medioambiental.

En los diversos procesos de transformación de los recursos naturales con energía térmica para obtener energía eléctrica, agua potable, alimentos, climatizar edificios,., etc., los sistemas de recuperación del calor utilizado para su posterior uso se están aplicando con gran profusión para aumentar su eficiencia energética. En la actualidad existen un gran número de procedimientos para hacerlo. Los sistemas más eficientes no solo recuperan una buena parte de la energía aportada, sino que adicionalmente no degradan en exceso el nivel térmico de la energía utilizada lo que permite que la energía recuperada sea utilizable para el mismo proceso o para otro. Esta necesidad de que la energía recuperada sea utilizable suele llevar asociado el que el nivel térmico de partida tenga una temperatura tan elevada como permita el proceso (p.e. por temperatura máxima de los materiales) y los costes asociados. Ejemplos de esto son

· El ciclo combinado para la producción de electricidad

• La desalación de agua con tecnologías térmicas

• El secado de productos

• Las máquinas de absorción de doble efecto

La descripción de los diversos métodos de aumentar la eficiencia energética del proceso utilizando sistemas de recuperación de calor se puede encontrar en numerosísimos documentos. Como ejemplo podemos citar

• En producción de electricidad por procedimientos térmicos: "Combined Heating, Cooling & Power Handbook: Technologies & Applications", Neil Petchers,2005, The Fairmont Press, ISBN 0-88173-349-0; "A thermodynamic analysis of different options to break 60% electric efficiency in combined cycle power plants"

P Chiesa, 2002, ASME Turbo Expo 2002, ISBN: 0-7918-3606-1 y, sobre la combinación con sistemas solares térmicos como fuente de calor, "Trough integration into power plants— a study on the performance and economy of integrated solar combined cycle systems, J Dersch, et al.;2004 - Energy Magazine Volume 29, Issues 5-6,, Elsevier

• En desalación térmica "Status of humidification dehumidification desalination technology", G. Prakash Narayan et al, 201 1. Proceedings International Desalination Association World Congress 2011 IDA WC/PER11-266 y "Advances in Membrane Distillation for Water Desalination and Purification Applications", 2015. Lucy Mar Camacho et al, Water 2013, 5, 94-196; doi: 10.3390/w5010094 y, sobre la combinación de los sistemas térmicos de desalación con sistemas de aprovechamiento térmico de la energía solar como fuente de calor, "Solar- Powered Desalination", Emrah Deniz, 2015. Chapter 5 "Desalination Updates", book edited by Robert Y. Ning, ISBN 978-953-51-2189-3;

· En el secado de productos "Drying handbook. Fourth edition", (Arun S.

Mujumdar, 2014, CRC Press; ("Energy Efficient Multistage Zeolite Drying for heat Sensitive Products", Mohamed Djaeni , 2008, Tésis Doctoral Universidad de Wageningen (Holanda); "Eficiencia energética en calderas, generadores de vapor, hornos y secaderos", Guillermo Escobar et al, capítulo 5 del wikilibro en Eficiencia energética, Escuela de Organización Industrial, http ://www. eoi . es/wi ki/) y, sobre la combinación con sistemas de aprovechamiento térmico de la energía solar como fuente de calor, "Solar Drying", W. Weiss & J. Buchinger, 2015. Training course within the project "Establisment of a Production, Sales and Consulting Infrastructure for Solar Thermal Plants in Zimbabwe", AEE INTEC -Austria).

• En la refrigeración por absorción: "Investigation of the potential of application of single effect and múltiple effect absorption cooling systems", Gomri 2010; Energy Conversión and Management, Volume 51 , Issue 8; Elsevier y, combinadolo con solar térmica, "Absorption cooling in Spain: Perspectives and outcomes from the simulation of recent installations, García Casáis 2006 - Renewable energy Volume 31 , Issue 9, July 2006 Elsevier

Entre los principales problemas pendientes en la recuperación de calor podemos señalar

• El aumento de la eficiencia energética de los procesos

• El mantenimiento del nivel térmico de la energía de partida en la energía recuperada a un coste competitivo

• El acoplamiento en sistemas de generación de calor residual o con renovables intermitentes y demandas desacopladas, a un coste competitivo

El sistema de la invención pretende contribuir a la solución de estos problemas EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

Un lecho empaquetado es un reactor multifásico en cuyo interior se hallan presentes diversos materiales en dos o tres fases (sólido, líquido o gas). En sus interior se pueden producir reacciones químicas o, como en el caso del sistema de la invención que nos ocupa, fenómenos de transferencia de calor y masa entre el sólido (denominado típicamente relleno del lecho) y un fluido caloportador (p.e. aire húmedo, agua líquida,... ) que circula en su interior y que sirve para cederle o quitarle energía al relleno sólido del lecho, en función del modo de operación.

El sistema de la invención utiliza para la recuperación de calor en procesos térmicos, la actuación secuencial y alternativa de un conjunto de lechos empaquetados con materiales no adsorbentes (o en los que la adsorción no representa un efecto dominante) aplicando, en un nuevo sistema, los resultados teóricos y experimentales de la Tesis doctoral del autor del sistema de la invención: "Estudio de los intercambios de calor entre un invernadero considerado como colector solar de aire húmedo y un lecho de rocas como sistema de control ambiental" (José Ignacio Ajona Maeztu, Facultad de Físicas- Universidad Complutense de Madrid, 1990). En aquella Tesis Doctoral, se modelizó y se comprobó experimentalmente una serie de resultados utilizables para entender cómo funciona el sistema de la invención. Cuando se introduce aire caliente y húmedo por la parte alta de un lecho empaquetado (en aquél caso cantos rodados) más frío, con un salto escalón en las condiciones de temperatura y humedad del aire de entrada, el aire cede su calor al relleno en forma de calor sensible y de cambio de fase, produciéndose la condensación de parte del agua contenida en el aire sobre el relleno y observándose:

• Incluso con caudales y velocidades del aire reducidas, la transferencia de calor entre el aire y el relleno es excelente y por tanto la temperatura del aire y del relleno son muy semejantes en los puntos del interior del lecho.

• Si la humedad relativa del aire de entrada es menor del 100% con una temperatura húmeda superior a la temperatura inicial del relleno, la evolución térmica del relleno experimentaba dos etapas claramente diferenciadas. En la primera etapa, el relleno alcanza una temperatura próxima a la temperatura húmeda del aire de entrada y se produce condensación de agua sobre el relleno y, posteriormente, drenaje o evaporación del agua depositada. Cuando el agua sobre el relleno se agota, bien por la evaporación o por el movimiento del agua líquida hacia el fondo por efecto de la gravedad, se inicia la segunda fase en la que el lecho evoluciona desde la temperatura próxima a la del aire húmedo del aire de entrada, hasta alcanzar la temperatura seca del aire de alimentación.

• En la primera etapa, la onda térmica se desplaza en el interior del lecho a una velocidad, en función de las condiciones de operación, significativamente más rápida que en la segunda y tanto más rápida cuanto mayor es la temperatura húmeda.

• El agua líquida depositada sobre el relleno y que desciende hasta el fondo del lecho impulsada por la gravedad, representaba una proporción muy significativa del agua líquida introducida.

• Durante la primera etapa, la evolución del aire húmedo, representada sobre el diagrama psicrométrico, recorre la curva de saturación hasta aproximarse a la temperatura húmeda del aire de entrada

El sistema de la invención se puede utilizar en numerosas aplicaciones, diferentes entre sí pero compartiendo el mismo principio: el calor aplicado o generado en un dispositivo, (que pude ser también un lecho empaquetado) es captado y recuperado por unos lechos empaquetados con materiales no adsorbentes que intercambian secuencialmente sus papeles: mientras uno de los lechos capta el calor residual del primer dispositivo, el segundo precalienta el fluido que entrega al primer dispositivo (o a otro proceso) utilizando el calor residual que había captado anteriormente; es decir, cuando el lecho captador alcanza el nivel máximo fijado, utilizando un sistema de válvulas sincronizadas, intercambia su papel con el lecho precalentador, y viceversa. Las aplicaciones del sistema de la invención se caracterizan por una capacidad de recuperación del calor residual producido superior, en la mayor parte de los casos, al 80%. Como elemento característico común para todas las aplicaciones, en el sistema de la invención se utilizan lechos empaquetados con un material sólido, no significativamente adsorbente, de relleno con unas propiedades físicas tales que el producto del valor de su calor específico, de su densidad y de la fracción del espacio ocupado por el sólido en el lecho es mayor de 200 kilojulios por grado centígrado y metro cúbico (kJ/C/m3), pudiendo superar los 3000 kJ/C/m ³ .

Para entender mejor el sistema de la invención vamos a explicarlo en relación con alguna de sus aplicaciones o usos posibles

APLICACIÓN: SECADO DE PRODUCTOS

Para esta aplicación, el autor de la invención tiene publicado el modelo de utilidad ES1 172383U. En las figuras 1 , 2 y 3 representamos al sistema de la invención aplicado al secado de producto (o a una aplicación semejante). El significado de los números en las Figuras 1 , 2 y 3 es

1. Proceso que genera calor residual tanto en forma de calor de cambio de fase como de calor sensible (p.e.: Secadero en el que se produce vapor de agua)

2. Lecho empaquetado con materiales no adsorbentes que capta el calor residual y lo transmite al material de relleno (p. e. condensando el vapor extraído de un secadero)

3. Lecho empaquetado con materiales no adsorbentes que aprovecha la entalpia del calor residual captado por (2) para precalentar el fluido con el que alimento a (1) o a otro equipo

4. Entrada del fluido al precalentador (3), (en el modo de operación 1 , descrito a continuación)

5. Salida del fluido precalentado del precalentador (3) (en el modo de operación 1 y en el 3, descrito a continuación)

6. Calentador del fluido precalentado, (en el modo de operación 1).

7. Entrada del fluido al proceso (p.e. secadero) (1) (en el modo de operación 1 y 2)

8. Salida del fluido del proceso (1) hacia el captador de calor residual (2) en el modo de operación 1 y 3 o al precalentador (3) en el modo de operación 2, descrito a continuación

9. Salida del fluido al exterior, en el modo de operación 1 y 3, desde el captador de calor residual (2).

10. Salida del destilado del captador de calor residual (2) en el caso de que se produzca.

1 1. Entrada del fluido desde el exterior al proceso (1), (en el modo de operación 3)

12. Salida del fluido al exterior, en el modo de operación 3, hacia el proceso externo de aprovechamiento del calor residual. El fluido utilizado como fluido caloportador en los lechos (2) y (3) (p.e. aire húmedo) que ha aumentado su nivel entálpico al atravesar previamente el proceso (1), cederá buena parte de la entalpia ganada en (1) al circular a través de los lechos (2) y (3), según los modos de operación descritos a continuación, y recuperando por tanto la energía aportada (o generada) en el proceso (1), para el propio proceso (1) o para otros usos. Para la circulación del fluido caloportador entre el proceso (1) y los lechos (2) y (3) se precisa el soplante (S) y si es preciso calentarlo antes de que entre en el proceso (1), hace falta un calentador (6). Para que el flujo del fluido caloportador se dirija desde el proceso (1) al lecho (2) o al lecho (3) y para el que el flujo del fluido caloportador entre al proceso (1) desde el lecho (3) o del (2), se precisan válvulas o compuertas (a), (b), (c) y (d) accionadas en conjunción con las (a'), (b'), (c') y (d'). Para permitir la entrada y salida de fluido desde el exterior del sistema, son precisas las válvulas o compuertas (e), (f) y (g). La extracción de condensados en los lechos (2) o (3) precisa de una bomba (B)

El sistema de la invención puede funcionar en tres modos de operación diferenciados. En el primero (modo de operación 1), el producto que se procesa en (1) (p.e. producto a secar) se calienta con una fuente externa (6) (caldera, instalación solar, ... ) o interna (reacción química) y produce calor residual (p.e. entra aire caliente y seco al proceso (1) que evapora el agua del producto a secar y produce aire caliente y húmedo) que es transferido por el fluido caloportador hacia el captador de calor residual (2) y el precalentador (3). El fluido del proceso (1), a baja temperatura, entra por (4) al precalentador (2) donde se precalienta antes de entrar en el calentador (6) por la conducción (5) y ser introducido en el proceso (1) mediante la conducción (7), produciéndose un fluido con calor residual a su salida (en el caso del secado se produce vapor, haciendo que el aire alcance un estado inicialmente cuasi saturado a una temperatura próxima a la fijada en el calentador y posteriormente con un contenido de humedad que irá disminuyendo según el producto vaya secándose hasta aproximarse a la humedad del aire de entrada). El fluido con alto contenido entálpico procedente del proceso (1) a través de la conducción (8), transferirá su entalpia en contacto con el material del relleno del captador de calor residual (2)

• Para el caso del secado la transmisión de calor se realizará de la misma forma que en la descrita anteriormente en la Tesis citada y recorriendo inicialmente una trayectoria, representada en el diagrama psicrométrico, o en el diagrama de presión-temperatura correspondiente al vapor a condensar, sobre la curva de saturación, entre una temperatura próxima a la fijada en el calentador (6) y la del aire de entrada, o gas de tratamiento, introducido por (4). El líquido condensado sobre el relleno y que llega por gravedad al fondo del captador de calor residual (2) es extraído del sistema por (10). El fluido enfriado que sale del captador de calor residual (2) se expulsa del sistema por (9).

· Para el caso de otros procesos sin cambio de fase del fluido, la transferencia de calor será únicamente por calor sensible entre el fluido caloportador y el sólido. En el segundo modo de operación (modo de operación 2) se entrará exclusivamente cuando se quiera recuperar el calor sensible del material en el interior del proceso (1); por ejemplo, en el caso del secado de un producto cuando éste ya está seco hasta los niveles establecidos y a una temperatura próxima a la fijada como consigna en el calentador (6). En este modo de operación 2 se procede a apagar el calentador (6), manteniendo el circulador del fluido (S) conectado para recuperar el calor sensible del producto y transferirlo hacia la parte alta del precalentador (3). El fluido enfriado a la salida del precalentador (3) entra al proceso (1) por la conducción (7). Si la temperatura de salida del precalentador no es lo suficientemente fría para refrigerar el producto, se tomará fluido frío del exterior, por ejemplo, posicionando adecuadamente (b) y (c), y se expulsará por (e) una vez abierta.

En el tercer modo de operación (modo de operación 3) se entrará exclusivamente cuando se quiera utilizar el calor residual generado en el proceso (1), recuperándolo para su uso en otro proceso diferente al que lo ha generado (proceso (1)); por ejemplo, en el caso de un proceso exotérmico (o con fuentes internas de generación de calor) que no necesita que el fluido entrante le proporcione energía y que en muchos casos se utiliza para refrigerarlo. En este modo de operación 3, el calentador (6) normalmente estará apagado (ya que el proceso (1) genera calor), manteniendo el circulador del fluido (S) conectado para mover el fluido y recuperar el calor residual del proceso (1) de la misma forma que en el modo de operación 1 : El fluido con alto contenido entálpico procedente del proceso (1) a través de la conducción (8), transferirá su entalpia en contacto con el material del relleno del captador de calor residual (2), realizando el mismo cambio de papeles con el precalentador (3) con los mismos criterios descrito en el siguiente párrafo. La diferencia con el modo de operación 1 estriba en que, en el modo de operación 3, el fluido entrará al sistema por la conducción (1 1) para dirigirlo hacia el proceso (1) y por la conducción (4) para dirigirlo a través de la conducción (12) hacia el aprovechamiento externo de la entalpia procedente del precalentador (3), en vez de dirigirla hacia el proceso (1), el fluido que entre por la conducción (1 1) puede ser igual o distinto del que entra por la conducción (4). Para este modo de funcionamiento 3, es necesario que la compuerta (f) desvíe el fluido hacia el proceso externo, evitando que vaya hacia el proceso (1) desde la conducción (5) y que este abierta la compuerta (g) para permitir la entrada del fluido por (1 1). El proceso al que se envía el calor recuperado del proceso (1) contará con todos los elementos necesarios para la circulación del fluido a su través.

En los modos de operación 1 y 3, el que el precalentador (3) pueda hacer la función de precalentar el fluido se debe a que captador de calor residual (2) y el precalentador (3) intercambian sus papeles cuando la evolución de temperatura en la parte baja del captador de calor residual (2) es tal que sube por encima de la temperatura de la entrada del fluido por (4) la cantidad establecida como criterio de operación. Este cambio se ejecuta mediante un juego de válvulas de compuerta de 3 vías (o equivalente) por el que las conexiones (a), (b), (c) y (d) del captador de calor residual (2) cambian su función con las (a'), (b'), (c') y (d') del precalentador (3) y viceversa mientras la compuerta (e) de salida del proceso permanece cerrada. El movimiento de los fluidos se realiza, principalmente, mediante el grupo hidráulico de bombas B de extracción del condensado, y por el circulador (soplante para el caso del secado) S, en el conducto (5) (también es posible ubicarlo en el conducto (8)) para circular el fluido entre el precalentador (3), el secadero (1) y el captador de calor residual (2). Al producirse el cambio, el nuevo precalentador se encuentra en las condiciones que estaba el captador de calor residual, con una temperatura en la parte alta próxima a la fijada en el calentador (6) y una temperatura en la parte baja próxima a la de entrada del fluido por (4) por lo que podrá precalentar, cediendo su calor, al fluido entrante. De la misma manera, el nuevo captador de calor residual se encuentra en las condiciones que estaba el precalentador, que se ha ido descargando térmicamente al haberse enfriado por el paso del fluido de alimentación al sistema, con una temperatura en su parte inferior próxima a la de entrada del fluido por (4) por lo que, en los modos de operación 1 y 3, podrá recuperar eficientemente el calor residual proveniente del proceso (1) al igual que recuperar el calor sensible del producto procesado, en el segundo modo de operación. Este cambio de papeles es uno de elementos más destacables del sistema de la invención. Es importante destacar que el cambio de papeles entre el captador de calor residual (2) y el precalentador (3) se realizará, durante los modos de operación 1 y 3, el número necesario de veces para recuperar el calor del proceso según lo establecido como consigna y que el modo de operación 2 se utilizará únicamente si se desea extraer el calor sensible del producto una vez procesado para poder utilizarlo en el procesado de nuevo producto. La eficiencia del sistema de la invención, entendida como el cociente entre la energía residual del proceso (1) recuperada, mediante la utilización del captador de calor residual (2) y del precalentador (3), y el calor residual generado en (1) va a depender principalmente de

« La temperatura fijada como consigna en el calentador (6), o producida por el propio proceso, y la presión de trabajo: cuanto más altas, mayor eficiencia.

• Durante los modos de operación 1 y 3, lo próximas que se encuentren las temperaturas de la parte alta del captador de calor residual (2) y del precalentador (3) a la fijada en el calentador (6) (o a la producida por el proceso) y las temperaturas de la parte baja del captador de calor residual (2) y del precalentador (3) a la entrada de fluido por (4): Cuanto más próximas, mayor eficiencia.

• La entalpia a la salida del proceso (1): En los modos de operación 1 y 3 cuanto más altas, mayor eficiencia y en el modo de operación 2, cuanto más baja la temperatura, mayor eficiencia

• La temperatura del destilado producido (si se produce): Cuanto más baja, mayor eficiencia

• La temperatura del producto a procesar, una vez procesado: Cuanto más baja, mayor eficiencia.

· El nivel de aislamiento térmico del captador de calor residual (2) y del precalentador (3): Cuanto mejor sea el aislamiento, mejor eficacia del sistema Aplicando estas pautas de control de las condiciones de trabajo que favorecen la eficiencia energética del sistema, los valores de eficiencia alcanzables en la mayor parte de los casos será superior al 60%, pudiéndose alcanzar niveles por encima del 95% en muchos casos, siempre que el nivel de aislamiento térmico sea el suficiente.

El criterio de diseño de los lechos para un funcionamiento eficiente, teniendo en cuenta la cantidad de calor residual producida en el proceso (1) y los correspondientes caudales de fluido, es por tanto el

• dimensionar el captador de calor residual (2) y el precalentador (3) con la capacidad térmica suficiente para que el cambio de papeles de captador de calor residual (2) a precalentador (3), y viceversa, (a realizar cuando la onda térmica provocada por la entrada del calor residual en la parte alta del captador de calor residual (2) empiece a llegar a la parte baja del captador de calor residual (2)), se tenga que realizar con una frecuencia razonable (p.e. cada 2-3 hr) y se garantice una recuperación de la casi totalidad de la energía residual del proceso (1).

• dimensionar los lechos para garantizar una transferencia de calor y masa adecuados, lo que depende, entre otras cosas, de la velocidad del fluido en el interior del lecho.

Si bien el sistema de la invención para este tipo de uso/aplicación puede trabajar con numerosos materiales de relleno no adsorbentes (o en los que la adsorción no representa un efecto dominante), es recomendable el utilizar materiales con un elevado valor del producto densidad y calor específico, fracción de huecos pequeña, bajo coste, disponibilidad local y resistencia a la temperatura y la corrosión. Por lo tanto, la utilización de rocas (cantos rodados, granito,... .) disponibles localmente, es una excelente (no única) elección: Permite trabajar a temperaturas y presiones elevadas con un coste muy reducido por lo que se puede dimensionar con amplitud para poder trabajar con saltos térmicos importantes entre la parte superior e inferior de los rellenos del captador de calor residual (2) y del precalentador (3)

El lecho del captador de calor residual (2) y del precalentador (3) cuando utiliza como relleno materiales tales que el producto del valor de su calor específico, de su densidad y de la fracción del espacio ocupado por el sólido en el lecho sea mayor de 200 kilojulios por grado centígrado y metro cúbico (kJ/C/m ³ ), pudiendo superar los 3000 kJ/C/m ³ , además de como captador de calor residual (2) o precalentador (3), funciona como un sistema de almacenamiento energético de fuentes de calor (intermitentes o no), eficiente y, potencialmente, de bajo coste. Esto es especialmente interesante si se quiere aportar con calor solar, u otras fuentes de calor renovable o de recuperación, (en solitario o como contribuyente principal) la energía necesaria para el proceso (hay que tener en cuenta que siempre se podrá hibridar el sistema solar con otro sistema de producción de calor con renovables o con combustibles convencionales para mantener un régimen constante en la producción del proceso si así se desea).

Es importante señalar que en el dispositivo de la invención se consigue el equilibrado termodinámico de los flujos de fluido y del relleno de los lechos, gracias al acoplamiento causado entre el comportamiento térmico del fluido y del relleno, tanto en el captador de calor residual (2), como en el precalentador (3), por la buena transferencia de calor que se consigue y la gran estratificación térmica entre la parte alta del lecho y la parte baja del lecho, incrementada si se utilizan materiales de relleno con una elevada inercia térmica y baja conductividad térmica.

APLICACIÓN: DESALACION DE AGUA DE MAR O CONCENTRACIÓN DE EFLUENTES

Para esta aplicación, el autor de la invención tiene publicado el modelo de utilidad ES1 163858Y. En la figura 8 representamos al sistema de la invención aplicado a la desalación de agua de mar (o a una aplicación o uso semejante). En esta aplicación se utilizan tres (o dos) lechos empaquetados con materiales no adsorbentes para hacer las funciones de evaporador, condensador y recuperador del calor de condensación tal como muestra la Figura 4, donde los números se refieren a los distintos equipos:

1. Evaporador. Generador de calor residual tanto en forma de calor de cambio de fase como de calor sensible. Como evaporador también se puede utilizar otro dispositivo distinto de un lecho empaquetado.

2. Condensador, lecho empaquetado captador de calor residual

3. Recuperador del calor residual captado (p.e. en el condensador), lecho empaquetado para su utilización como precalentador del evaporador o contenedor. Aprovecha la entalpia del calor residual captado por (2) para precalentar el fluido con el que alimento a (1) o a otro equipo

4. Entrada del agua salada o del líquido a tratar

5. Tanque auxiliar

6. Entrada de la salmuera, o de la disolución, al recuperador (3)

7. Salida de la salmuera , o de la disolución, precalentada del recuperador (3) 8. Calentador de la salmuera, o de la disolución.

9. Entrada de la salmuera, o de la disolución, caliente al evaporador (1)

10. Salmuera, o disolución, concentrada en el evaporador (1) y enviada al tanque auxiliar (4) para reiniciar el ciclo atravesando el recuperador (3) y el calentador (8)

1 1. Salmuera, o disolución, concentrada en el evaporador (1) y enviada al calentador (8) para recalentarse

12. Salmuera, o disolución, concentrada en el evaporador (1) y rechazada hacia el exterior

13. Salida del destilado del condensador (2)

14. Conducción del aire (o del gas) con bajo contenido de vapor y fresco, desde el condensador (2) hacia el evaporador (1)

15. Conducción del aire (o del gas) con alto contenido de vapor y caliente, desde el evaporador (1) hacia el condensador (2)

El agua salada, o líquido a tratar, y a baja temperatura que entra por (4) al tanque auxiliar (5), entra por (6) en el recuperador (2) donde se precalienta antes de entrar en el calentador (8) y ser introducido en la parte alta del evaporador (1) repartiéndose sobre el relleno, produciéndose vapor y haciendo que el aire (u otro gas) alcance un estado cuasi saturado a una temperatura próxima a la fijada en el calentador. El aire (u otro gas) caliente y con alto contenido de vapor procedente del evaporador (1) perderá vapor y temperatura en contacto con el material del relleno del condensador (2) de la misma forma que en la descrita anteriormente en la Tesis citada y recorriendo una trayectoria, representada en el diagrama psicrométrico, (o en el diagrama de presión-temperatura correspondiente al vapor a condensar) sobre la curva de saturación entre una temperatura próxima a la fijada en el calentador (8) y la de la salmuera, o líquido a tratar, introducida por (6). El líquido condensado sobre el relleno y que llega por gravedad al fondo del condensador (2) es extraída del sistema por (13). La salmuera (o disolución) enfriada y concentrada que sale del evaporador (1) se conducirá por (1 1), (12) o (13) según sea el modo de operación deseado para, respectivamente, recalentarse, reconcentrase o expulsarse del sistema.

El que el recuperador (3) pueda hacer la función de precalentar la salmuera (o disolución) se debe a que condensador (2) y el recuperador (3) intercambian sus papeles cuando la evolución de temperatura en la parte baja del condensador es tal que sube por encima de la temperatura de la entrada de la salmuera (o disolución) por (6) la cantidad establecida como criterio de operación. Este cambio se ejecuta mediante un juego de válvulas de 3 vías y de compuerta (o equivalente) por el que las conexiones (a), (b), (c), (d) y (e) del condensador (2) cambian su función con las (a'), (b'), (c'), (d') y (e') del recuperador (3). El movimiento del líquido se realiza, principalmente, mediante los grupos hidráulicos de bombas B1 de alimentación al tanque auxiliar (5), B2 de alimentación al recuperador (3) y B3 de extracción del condensado, y por el soplante S, en el conducto (14) para circular el aire (u otro gas) con vapor entre el condensador (2) y el evaporador (1)

Al producirse el cambio, el nuevo recuperador se encuentra en las condiciones que estaba el condensador, con una temperatura en la parte alta próxima a la fijada en el calentador (8) y una temperatura en la parte baja próxima a la de entrada del líquido por (6) por lo que podrá precalentar, cediendo su calor, al líquido entrante. De la misma manera el nuevo condensador se encuentra en las condiciones que estaba el recuperador, que se ha ido descargando térmicamente al haberse enfriado por el paso del líquido de alimentación al sistema, con una temperatura en su parte inferior próxima a la de entrada del líquido por (6) por lo que podrá condensar eficientemente el vapor proveniente del evaporador (1). Este cambio de papeles es uno de elementos más destacables del dispositivo de la invención

La eficiencia del dispositivo de la invención va a depender principalmente de

• La temperatura fijada como consigna en el calentador (8) y la presión de trabajo: cuanto más alta, mayor eficiencia y, si se trabaja con salmueras, más depósitos salinos en el relleno del evaporador (1)

• lo próximas que se encuentren las temperaturas de la parte alta del condensador (2) y del recuperador (3) a la fijada en el calentador (8) y las temperaturas de la parte baja del condensador (2) y del recuperador (3) a la entrada de la salmuera por (6): Cuanto más próximas, mayor eficiencia.

« La temperatura y caudal del líquido a la salida del evaporador (1): Cuanto más bajos, mayor eficiencia

• La temperatura del destilado producido: Cuanto más baja, mayor eficiencia

El criterio de diseño de los lechos para un funcionamiento eficiente, teniendo en cuenta los caudales de líquido a tratar y los correspondientes caudales de aire (o de otro gas), es por tanto el

• dimensionar el evaporador (1) con la capacidad térmica suficiente para que la onda térmica ocasionada por el líquido caliente en la entrada, no alcance el final del evaporador (1) y la temperatura en la parte baja del evaporador (1) se mantenga baja con las variaciones esperadas de los caudales del líquido caliente que desciende y se va enfriando la ceder su calor al relleno y al aire (o a otro gas), al aumentar su temperatura y aumentar la cantidad de vapor que contiene.

• dimensionar el condensador (2) y el recuperador (3) con la capacidad térmica suficiente para que el cambio de papeles de condensador (2) a recuperador (3), y viceversa, (a realizar cuando la onda térmica provocada por la entrada del vapor caliente en la parte alta del condensador (2) empiece a llegar a la parte baja del condensador (2)), se tenga que realizar con una frecuencia razonable (p.e. cada 2-3 hr) y se garantice una recuperación de la casi totalidad del liquido condensado

• dimensionar los tres lechos para garantizar una transferencia de calor y masa adecuados, lo que depende, entre otras cosas, de las velocidades del aire (o del gas) y del líquido en el interior del lecho.

Si bien el sistema de la invención puede trabajar con numerosos materiales de relleno con materiales no adsorbentes (o en los que la adsorción no representa un efecto dominante), es recomendable el utilizar materiales con un elevado valor del producto densidad y calor específico, fracción de huecos pequeña, bajo coste, disponibilidad local y resistencia a la temperatura y la corrosión salina o de otro tipo. Por lo tanto, la utilización de rocas (catos rodados, granito, ... .) disponibles localmente, es una excelente (no única) elección: Permite trabajar a temperaturas y presiones elevadas sin que las incrustaciones salinas (si se trabaja con salmueras) supongan un grave problema y dado que su coste es muy reducido se puede dimensionar con amplitud para poder trabajar con saltos térmicos importantes entre la parte superior e inferior de los rellenos del evaporador (1) del condensador (2) y del recuperador (3)

La utilización de lechos empaquetados como evaporadores/humidificadores es bastante común tanto en aplicaciones HDH (humidificación-deshumidificación) de desalación como en otras aplicaciones (p.e. torres de refrigeración en centrales térmicas), utilizándose normalmente rellenos de materiales plásticos y con una gran fracción de huecos para minimizar la pérdida de carga del aire (o del gas) a través del lecho y reducir el peso. El sistema de la invención puede utilizar ese tipo de lechos rellenos en el evaporador (1), pero utilizando materiales no adsorbentes, con elevado valor del producto densidad por calor específico, fracciones de huecos en el lecho en el entorno del 33% y bajo coste, el lecho, además de como evaporador, funciona como un sistema de acumulación eficiente y de bajo coste, lo cual es especialmente interesante si se quiere aportar con calor solar (en solitario o como contribuyente principal) la energía necesaria para el proceso (hay que tener en cuenta que siempre se podrá hibridar el sistema solar con otro sistema de producción de calor con renovables o con combustibles convencionales para mantener un régimen constante en la producción del proceso).

El sistema de la invención utilizado para desalación se puede considerar una mejora sobre los sistemas HDH de desalación. Para optimizar la eficiencia de cualquier sistema HDH de desalación, el criterio básico encontrado en la literatura es el equilibrado termodinámico de los flujos de aire (o de gas) con vapor y de líquido. En el sistema de la invención este equilibrado se consigue de una manera natural sin necesidad de realizar extracciones/inyecciones de vapor o de líquido entre el evaporador y el condensador como se propones en numerosos sistemas HDH, gracias al acoplamiento causado por el intercambio directo entre el comportamiento térmico del sólido y los fluido, tanto en el evaporador (1) como en el condensador (2), y por la gran estratificación térmica entre la parte alta del lecho y la parte baja del lecho, incrementada si se utilizan materiales de relleno con una elevada inercia térmica y baja conductividad térmica.

Utilizando como materiales de relleno materiales con una tendencia reducida a las incrustaciones salinas, incluso a temperaturas elevadas, permite utilizar el sistema de la invención para trabajar a concentraciones salinas muy elevadas reduciendo el rechazo salino y pudiendo conectarse para tratar los rechazos salinos de otros sistemas de desalación, como la osmosis inversa y para la obtención, y para conseguir soluciones muy concentradas como producto, por ejemplo, sales de litio.

APLICACIÓN: FRÍO Y OTROS PROCESOS POR ABSORCIÓN

Una aplicación en la que el sistema de la invención se utiliza de manera semejante a la descrita para su aplicación en la desalación, es la de la producción de frío por absorción y, en general, para cualquier aplicación en la que una solución experimenta un proceso durante el que aumenta su concentración de la sal disuelta al aplicarle calor (desorbiendo el disolvente) y disminuye su concentración al poner en contacto la solución con los vapores del disolvente (absorbiendo el disolvente).

En una máquina de absorción convencional de, por ejemplo, simple efecto, una solución diluida y fría de, por ejemplo, bromuro de litio, se calienta aplicándole calor, en el denominado Generador a una presión reducida, desorbiendo vapor y concentrando por tanto la disolución. El vapor generado en el Generador se transfiere a un Condensador a la misma presión, donde se disipa calor hacia el exterior, (condensándose el vapor y produciéndose agua líquida). El agua líquida producida en el Condensador se expande hacia una zona de baja presión, el denominado Evaporador, enfriándose hasta típicamente los 4°C y produciendo vapor a baja presión al tomar el calor de la demanda de frío. Este vapor a baja presión se transfiere hacia el Absorbedor donde se pone en contacto con la solución concentrada producida en el Generador, después de expandirla hacia la zona de baja presión, que absorbe el vapor, diluyendo por tanto la solución y generando un calor que es necesario disipar hacia el exterior. Esta solución diluida a baja presión es enviada desde el Absorbedor al Generador por una bomba, que aumenta su presión, para iniciar el ciclo de absorción/desorción de nuevo. Para mejorar la eficiencia del ciclo de absorción se suele utilizar un intercambiador de calor entre la salmuera diluida y fría proveniente del Absorbedor y que va al Generador con la solución concentrada y caliente proveniente del Generador y que va al Absorbedor. Resumiendo el funcionamiento de la máquina de absorción, introduciendo calor en el generador y disipando calor en el condensador y el absorbedor, conseguimos producir frío en el evaporador. Para medir la eficiencia térmica de este tipo de máquinas de producción de frío se utiliza el denominado COP (Coefficient of Performance, cociente entre el frío producido en el evaporador y el calor externo aplicado en el Generador) que en máquinas de simple efecto suele ser de alrededor de 0,7, muy inferior al límite termodinámico e igualmente muy inferior al alcanzado por las máquinas de producción de frío mediante compresión mecánica que pueden superar un COP de 3.

En la figura 10 representamos al sistema de la invención aplicado a la producción de frío (o a una aplicación semejante) utilizando aire (o un gas) húmedo y soluciones concentradas y diluidas de, por ejemplo, bromuro de litio. En esta aplicación se utilizan tres (o dos) lechos empaquetados con materiales no adsorbentes (de manera semejante al caso de la desalación descrita anteriormente, para hacer las funciones de Generador, Condensador y Recuperador del calor de condensación conectados a un Evaporador y a un Absorbedor a baja presión semejantes a los utilizados en una máquina de absorción convencional. Los números en la Figura 10, donde se refieren a los distintos equipos

1. Generador de vapor, concentrando y calentando la solución (p.e. de Bromuro de litio) y produciendo vapor. Puede no ser un lecho empaquetado

2. Condensador del vapor producido en el Generador: Lecho empaquetado captador de calor residual

3. Recuperador del calor residual captado (p.e. en el condensador) para su utilización como precalentador del generador (1). Lecho empaquetado que aprovecha la entalpia del calor residual captado por (2) para precalentar el fluido con el que alimento a (1).

4. Absorbedor a baja presión: Donde la solución concentrada se diluye al absorber el vapor generado en el evaporador a baja presión

5. Evaporador a baja presión: El condensado producido en (2) se evapora a baja presión, captando el calor de la demanda de frío 19

6. Entrada de la solución diluida al Recuperador (3)

7. Salida de la solución diluida del Recuperador (3) y enviada al calentador (8) para recalentarse

8. Calentador de la disolución diluida

9. Entrada de la solución diluida y caliente al Generador (1)

10. Salida de la solución concentrada del Generador (1)

1 1. Salida del destilado del Condensador (2)

12. Tanque auxiliar

13. Conducción del aire (o del gas) con bajo contenido de vapor y fresco, desde el condensador (2) hacia el generador (1)

14. Conducción del aire (o del gas) con alto contenido de vapor y caliente, desde el generador (1) hacia el condensador (2)

15. Válvula de trasiego de la solución entre el Condensador (2) y el Recuperador (3) en el momento del cambio de papeles entre ellos

16. Válvula de expansión de la solución concentrada

17. Válvula de expansión del destilado producido en (2)

18. Disipación del calor generado en el absorbedor

19. Demanda de frío

En el sistema de la invención una solución diluida y enfriada de, por ejemplo, bromuro de litio, se calienta aplicándole calor en (8) entrando en el Generador (1) a contracorriente con un flujo de aire (o gas) húmedo que circula entre el Generador (1) y el Condensador (2). En el Generador (1) la solución se reparte sobre el relleno, produciéndose vapor y haciendo que el aire (u otro gas) alcance un estado en equilibrio con la concentración y temperatura de la solución en cada zona del lecho, desorbiendo vapor de la solución, por lo que al atravesar el lecho se va concentrando y enfriando la disolución y aumentando la humedad del aire (o gas) húmedo que lo atraviesa. El aire (o gas) húmedo se transfiere a un Condensador mediante el soplante (S), donde el vapor del aire (o gas) se condensa y se produje agua líquida. El aire (u otro gas) caliente y con alto contenido de vapor procedente del generador (1) perderá vapor y temperatura en contacto con el material del relleno del condensador (2) de la misma forma que en la descrita anteriormente en la Tesis citada anteriormente. El líquido condensado sobre el relleno y que llega por gravedad al fondo del condensador (2) es extraída del sistema por (11) y se introduce, después de expandirse en (17), en el evaporador (5) donde se evapora tomando el calor de la demanda de frío (19) (enfriándose hasta típicamente los 4°C), pasando el vapor formado al absorbedor (4). La solución enfriada y concentrada que sale del Generador (1) se conducirá por (10), para expandirse en (16) y entrar en el absorbedor (4) donde el calor generado en la absorción del vapor que le llega desde el evaporador (5) es disipado en (18). La solución diluida a baja presión resultantes es enviada, por una bomba B3, que aumenta su presión, a través de (6) al recuperador (3) donde se precalienta antes de entrar en el calentador (8) y ser introducido en la parte alta del evaporador (1), iniciando de nuevo el ciclo de absorción/desorción.

El que el recuperador (3) pueda hacer la función de precalentar la disolución se debe a que condensador (2) y el recuperador (3) intercambian sus papeles cuando la evolución de temperatura en la parte baja del condensador es tal que sube por encima de la temperatura de la entrada de la disolución por (6) la cantidad establecida como criterio de operación. Este cambio se ejecuta mediante un juego de válvulas de 3 vías y de compuerta (o equivalente) por el que las conexiones (a), (b), (c), (d) y (e) del condensador (2) cambian su función con las (a'), (b'), (c'), (d') y (e') del recuperador (3). El movimiento del líquido se realiza, principalmente, mediante los grupos hidráulicos de bombas B1 de alimentación al tanque auxiliar (5), B2 de relleno del recuperador (3) y B3 de alimentación al recuperador (3), y por el soplante S, en el conducto (13) para circular el aire (u otro gas) con vapor entre el condensador (2) y el generador (1) Al producirse el cambio, el nuevo recuperador se encuentra en las condiciones que estaba el condensador, con una temperatura en la parte alta próxima a la fijada en el calentador (8) y una temperatura en la parte baja próxima a la de entrada del líquido por (6) por lo que podrá precalentar, cediendo su calor, al líquido entrante. De la misma manera el nuevo condensador se encuentra en las condiciones que estaba el recuperador, que se ha ido descargando térmicamente al haberse enfriado por el paso del líquido de alimentación al sistema, con una temperatura en su parte inferior próxima a la de entrada del líquido por (6) por lo que podrá condensar eficientemente el vapor proveniente del generador (1). Este cambio de papeles es uno de elementos más destacables del sistema de la invención. De hecho, la diferencia sustancial entre el sistema de la invención y una máquina de absorción convencional es que en el sistema de la invención no se disipa hacia el exterior el calor generado en el condensador (2) sino que se recupera para el precalentamiento de la solución antes de entra en el Generador (1) con lo que le COP alcanzable puede superar el valor de 3.

La eficiencia del sistema de la invención va a depender principalmente de

• La temperatura fijada como consigna en el calentador (8) y la presión de trabajo: cuanto más alta, mayor eficiencia

• lo próximas que se encuentren las temperaturas de la parte alta del condensador (2) y del recuperador (3) a la fijada en el calentador (8) y las temperaturas de la parte baja del condensador (2) y del recuperador (3) a la entrada de la salmuera por (6): Cuanto más próximas, mayor eficiencia.

• La temperatura y caudal del líquido a la salida del evaporador (1): Cuanto más bajos, mayor eficiencia

· La temperatura del destilado producido: Cuanto más baja, mayor eficiencia

El criterio de diseño de los lechos para un funcionamiento eficiente para esta aplicación, son semejantes a los aplicables para su uso en aplicaciones de desalación y descritos anteriormente.

APLICACIÓN: GENERACIÓN DE ENERGÍA MECÁNICA Una de las aplicaciones de mayor potencial del sistema de la invención es la generación de energía mecánica. La mayor parte de los sistemas que se utilizan para generar energía mecánica partiendo de fuentes de calor se basan en la utilización de ciclos termodinámicos trabajando en régimen cuasiestacionario entre dos focos a temperatura claramente diferentes, tomando calor del denominado Foco Caliente a alta presión, generando trabajo mecánico durante la expansión del fluido de trabajo (normalmente vapor de agua, gas o fluidos orgánicos) y cediendo calor residual al denominado Foco Frío a baja presión. Para mejorar los rendimientos de conversión de energía térmica a energía mecánica los métodos tradicionales son:

· Aumentar la presión y/o la temperatura del foco caliente

• Disminuir la temperatura del foco frío

• Recuperar parte del calor residual

Entre los numerosos sistemas para aumentar la eficiencia de los sistemas convencionales de generación de energía mecánica, aprovechando en lo posible el calor residual, destacamos como ejemplo:

• El ciclo Rankine con recalentamiento: Es un ciclo utilizado en turbinas de vapor.

Utiliza una escalera descendente de presiones y temperaturas. Tras expansionar el vapor a alta temperatura en una turbina de alta presión, se recalienta para volver a ser expansionarlo en una turbina a menor presión. El rendimiento (cociente entre la energía mecánica producida y la energía extraída del foco caliente) típico para la producción de energía mecánica con este ciclo está en el entorno del 40%.

• Ciclo Rankine con regeneración: También es un ciclo utilizado en turbinas de vapor. Se precalienta el agua que entra en el Foco Caliente con uno o varios sangrados o extracciones de vapor de la turbina a unas presiones tales que su temperatura de saturación sea intermedia entre la de condensación en el Foco Frío y la de saturación a la presión del Foco Caliente. Cuando hay varias extracciones, lo normal es que las temperaturas de extracción estén escalonadas con saltos equidistantes. El rendimiento típico para la producción de energía mecánica con este ciclo suele superar el 40%.

• El Ciclo combinado: Los gases de escape de una turbina de gas, o un motor de combustión, se emplean para alimentar térmicamente una caldera de recuperación de un ciclo de vapor. Utilizando este ciclo para la generación de energía mecánica se puede superar el rendimiento del 60%

· El ciclo Stirling es un ciclo cerrado regenerativo con un fluido gaseoso permanente, donde el ciclo cerrado es definido como un sistema termodinámico en el cual el fluido está permanentemente contenido en el sistema, y regenerativo describe el uso de un tipo específico de intercambio de calor y almacenamiento térmico, conocido como el regenerador. El regenerador es un intercambiador de calor interno que tiene la función de absorber y ceder calor en las evoluciones a volumen constante del ciclo. El regenerador consiste en un medio poroso con conductividad térmica despreciable, que contiene un fluido. El regenerador divide al motor en dos zonas: una zona caliente y otra zona fría. El fluido se desplaza de la zona caliente a la fría durante los diversos ciclos de trabajo, atravesando el regenerador. Los motores Stirling tienen una alta eficiencia, es el único capaz de aproximarse al rendimiento máximo teórico de Carnot

• Cogeneración: Aprovechamiento térmico del calor residual de un ciclo de potencia ya sea del calor cedido en el condensador, de los gases de escape de un motor o turbina o de la refrigeración de la lubricación de un motor. Con la cogeneración para la generación de energía mecánica y térmica se puede superar el rendimiento global (cociente de la energía útil, térmica y mecánica, entre la energía consumida en el foco caliente) del 85%.

En el sistema de la invención para esta aplicación de generación de energía mecánica mediante la actuación secuencial y alternativa de un conjunto de lechos empaquetados con materiales no significativamente adsorbentes, se produce la generación de energía mecánica elevando la presión a un líquido, al que llamaremos líquido de trabajo, para su posterior expansión moviendo un embolo, haciendo girar una turbina, bombeando un fluido o cualquier otro medio de aprovechamiento mecánico. En el sistema de la invención se utiliza un fluido auxiliar, el mismo o diferente de aquel al que queremos aumentar la presión, en fase líquida (al que llamaremos simplemente líquido) y en forma de vapor (siempre que se utilice la palabra vapor en este texto nos referimos al vapor del fluido auxiliar), un gas (p.e. aire) que transporta el vapor y unos lechos empaquetados. En el sistema de la invención aplicado a la generación de energía mecánica se distinguen 2 zonas de presión (ver Figura 11) una que siempre se encuentra a alta presión y otra que, en función de la posición de las válvulas estará a alta o a baja presión. Los números y letras en la Figura 11 , se refieren a los distintos equipos

1. Generador de vapor. Puede no ser un lecho empaquetado

2. Captador de calor residual: Lecho empaquetado actuando como Condensador del vapor producido en el Generador (1).

3. Recuperador del calor residual captado (p.e. en el condensador) para su utilización como precalentador del generador (1). Lecho empaquetado para aprovechar la entalpia del calor residual captado por (2) para precalentar el fluido con el que alimento a (1).

4. Cámara de expansión/compresión del vapor producido en el Generador (1).

5. Cámara de expansión/compresión del líquido de trabajo

6. Pistón separador móvil que separa la Cámara de vapor (4) y la cámara de líquido de trabajo (5)

7. Salida del líquido auxiliar precalentado en el Recuperador (3) y enviada al calentador (8) para recalentarse

8. Calentador del líquido auxiliar

9. Entrada del líquido auxiliar calentado al Generador (1)

10. Salida del líquido no evaporado del Generador (1) y enviada al Recuperador (3)

1 1. Salida del condensado caliente de la cámara (4)

12. Salida del condensado frío del Condensador (2)

13. Tanque auxiliar

14. Conducción del aire (o del gas) con bajo contenido de vapor y fresco, desde el condensador (2) hacia el generador (1)

15. Conducción del aire (o del gas) con alto contenido de vapor y caliente, desde el generador (1) hacia la cámara de vapor (4)

16. Conducción del aire (o del gas) con alto contenido de vapor y caliente, desde la cámara de vapor (4) hacia el condensador (2)

17. Válvula de trasiego del líquido auxiliar entre el Condensador (2) y el Recuperador (3) en el momento del cambio de papeles entre ellos

18. Tubería y válvula de aspiración del líquido de trabajo hacia la cámara (5)

19. Tubería y válvula de expulsión del líquido de trabajo desde la cámara (5)

• V1 : Válvula de conexión/corte del paso de vapor entre el generador (1) y la cámara de vapor (4)

• V2: Válvula de conexión/corte del paso de vapor entre la cámara de vapor (4) y el captador de calor residual (2)

• V3: Válvula de conexión/corte del paso de líquido de la cámara de vapor (4) a la parte alta del captador de calor residual (2)

• V4: Válvula de conexión/corte del paso de líquido de la parte baja del captador de calor residual (2) a la cámara de vapor (4) • V5: Válvula de expulsión del líquido de trabajo desde la cámara (5)

• V6: Válvula de aspiración del líquido de trabajo hacia la cámara (5)

• V7: Válvula de bypass de la cámara de vapor (4) desde el Generador (1) al Captador de calor residual (2)

· S: Soplante de recirculación del aire (o gas) con vapor entre el Generador (1) y el Recuperador de calor Residual (2) pasando (o no, si V7 está abierta y V1 y V2 cerradas) por la cámara de vapor (4)

• B1 : Bomba de alimentación de líquido desde el depósito auxiliar (13) al Recuperador de Calor Residual (3)

· B2: Soplante de recirculación del líquido auxiliar entre el Generador (1), el recuperador de calor Residual (2) y el calentador (8)

• B3: Bomba de inyección del condensado formado en el Recuperador del calor residual (2) en la cámara de vapor ((4)

La zona de que siempre estará a alta presión utiliza como fluidos auxiliares aire (o un gas) con vapor (p.e de agua) y un líquido (p.e. agua) y dos o tres lechos empaquetados con materiales no adsorbentes (de manera semejante a los casos de la desalación y la absorción descritos anteriormente), para hacer las funciones de Generador (1), Condensador (2) y Recuperador (3) del calor de condensación. La zona con presión variable la forman la cámara de expansión/compresión del vapor (4) y la cámara (5) de expansión/compresión del líquido de trabajo (p.e. agua) que equilibran sus presiones a través del pistón (6).

Partiendo de la cámara de vapor (4) a baja presión, fría y con un volumen mínimo y con la cámara de líquido (5) a baja presión, fría y con un volumen máximo y las válvulas V1 , V2, V3, V4, V5 y V7 cerradas y la V6 abierta, el aumento de presión en las cámaras de vapor (4) y de líquido de trabajo (5) se produce cerrando la válvula V6 y abriendo las válvulas V1 , V2, V3 y V5 (manteniendo cerradas la V4 y la V7) con lo que se comunica la cámara de vapor con la zona de alta presión, con lo que el aire (o gas) con el vapor generado en el Generador (1) se transfiere por la tubería (15) a la cámara de vapor (4), calentándola y aumentando su presión, desplazando por tanto el separador (6) entre las cámaras de vapor (4) y de líquido (5) y aumentando la presión del líquido de trabajo en la cámara de líquido (5), expulsando el líquido de trabajo a alta presión a través de la tubería (19) y la válvula (V5) y enviándolo al proceso en el que se utiliza su energía mecánica, expulsándolo o no del sistema. Al entrar el vapor en la cámara de vapor (4), ésta se calentará al condensarse parte del vapor en la cámara inicialmente fría hasta que alcance la presión y temperatura próximas a las de salida del generador (1). El líquido condensado en (4) se enviará al condensador (2) a través de la válvula V3 y la tubería (12), unida con el pistón separador (6) mediante, por ejemplo, una conexión flexible o telescópica, hacia la parte alta del condensador (2). El vapor no condensado se transfiere desde la cámara de vapor (4) al Condensador (2) mediante el soplante (S) por la tubería (16), donde el vapor del aire (o gas) se condensa y se produje líquido (p.e. agua líquida).

Cuando el pistón (6) llega al límite de su recorrido, con la cámara de vapor (4) a alta presión, caliente y con un volumen máximo, con la cámara de líquido (5) a alta presión, caliente y con un volumen mínimo y las válvulas V1 , V2, V3 y V5 abiertas y las V4 y V6 cerradas, la disminución de la presión en las cámaras de vapor (4) y de líquido de trabajo

(5) , con la consiguiente recarga el sistema con el líquido de trabajo frío a la presión de partida, se produce cerrando las válvula V1 , V2, V3 y V5 y abriendo las válvulas V4 y V6 (V7 seguirá cerrada a no ser que se necesite hacer un bypass de la cámara de vapor) con lo que se introduce, con o sin ayuda de una bomba, liquido frío procedente de la parte baja del condensador en la cámara de vapor, enfriándola y disminuyendo la presión, (enfriándola y reduciéndole por tanto la presión hasta la presión en equilibrio con la temperatura del líquido proveniente del condensador (2), desplazando el pistón

(6) y disminuyendo la presión del líquido de trabajo en la cámara de líquido (5), captando líquido de trabajo frío y a baja presión a través de la válvula V6 empujado por la presión mínima disponible en el líquido de trabajo, por ejemplo para sistemas de bombeo, la presión atmosférica.

En la zona que siempre está a alta presión, se calienta el líquido auxiliar aplicándole calor en el Calentador (8) e introduciéndolo en el Generador (1) a contracorriente con un flujo de aire (o gas) con vapor que circula entre el Generador (1) y el Recuperador de calor residual (2) pasando por la cámara de vapor (4) en la fase de expansión del vapor. En el Generador (1) el líquido se reparte sobre el relleno, produciéndose vapor a la elevada presión del Generador (1) y haciendo que el aire (u otro gas) alcance un estado en equilibrio de su contenido de vapor en cada zona del lecho, por lo que al atravesar el lecho el líquido se va enfriando en su recorrido hacia la parte baja del Generador (1) y el aire (o gas) va aumentando su temperatura y la cantidad de vapor que transporta en su recorrido hacia la parte alta del Generador (1). El líquido que llega hasta la parte baja del Generador (1) sin evaporarse es conducido por (10) hasta la parte baja del Recuperador (3) donde se precalentará al atravesarlo antes de entrar en el calentador (8) por la tubería (7) para posteriormente ser introducido en la parte alta del Generador (1) e iniciar de nuevo el ciclo. Siguiendo en la zona de alta presión, el aire (u otro gas) caliente y con alto contenido de vapor procedente del generador (1) y de la cámara de vapor (4) perderá vapor y temperatura en contacto con el material del relleno del Recuperador de Calor residual (condensador) (2) calentándolo de la misma forma que en la descrita en la Tesis anteriormente citada. El líquido condensado sobre el relleno del Condensador (2), que llega frío y por gravedad al fondo del condensador (2), es extraído del sistema por (1 1) cuando se quiera enfriar la cámara de vapor (4). Como hemos indicado, el líquido que sale por la parte baja del Generador (1) se precalienta en el Recuperador (3). El que el recuperador (3) pueda hacer la función de precalentar el líquido se debe a que el condensador (2) y el recuperador (3) intercambian sus papeles cuando la evolución de la temperatura en la parte baja del condensador es tal que sube por encima de la temperatura establecida como criterio de operación. Este cambio, se ejecuta mediante un juego de válvulas de 3 vías y de compuerta (o equivalente) por el que las conexiones (a), (b), (c), (d), (e) y (f) del condensador (2) cambian su función con las (a'), (b'), (c'), (d'), (e') y (f) del recuperador (3). El movimiento del líquido se realiza, principalmente, mediante los grupos hidráulicos de bombas B1 de alimentación al tanque auxiliar (13), B2 de alimentación del recuperador (3) desde el generador (1) y B3 de circulación del condensado producido en el Condensador (2), y por el soplante S, ubicado en el conducto (14), (15) o (16) según convenga, para circular el aire (u otro gas) con vapor entre el condensador (2), el generador (1) y la cámara de vapor (4)

Al producirse el cambio, el nuevo recuperador se encuentra en las condiciones que estaba el condensador, con una temperatura en la parte alta próxima a la fijada en el calentador (8) y una temperatura en la parte baja próxima a la de entrada del líquido por (6) por lo que podrá precalentar, cediendo su calor, al líquido entrante. De la misma manera el nuevo condensador se encuentra en las condiciones que estaba el recuperador, que se ha ido descargando térmicamente al haberse enfriado por el paso del líquido de alimentación al sistema, con una temperatura en su parte inferior próxima a la de entrada del líquido por (10) por lo que podrá condensar eficientemente el vapor proveniente del generador (1). Este cambio de papeles es uno de elementos más destacables del sistema de la invención. De hecho, la diferencia sustancial entre el sistema de la invención y uno convencional es que en el sistema de la invención no se disipa hacia el exterior el calor entregado al condensador (2) sino que se recupera para el precalentamiento del líquido antes de entrar en el Generador (1) con lo que el rendimiento alcanzable puede superar al de los sistemas convencionales.

Para entender el cómo es posible que el rendimiento sea mayor, hay que tener en cuenta:

• El sistema de la invención no trabaja en régimen cuasiestacionario como es el caso en los sistemas convencionales de generación de energía mecánica a partir del calor, debido a la inercia térmica del material de relleno de los lechos.

« Se utiliza un gas intermedio (p.e. aire) como transportador del vapor entre los lechos

• El vapor se produce indirectamente sobre el relleno que se calienta a partir del líquido calentado y repartido sobre la parte superior del lecho generador de vapor y que es arrastrado por el gas que asciende por el lecho

« La recuperación del calor entregado al Condensador (2) (Foco Frío) puede ser mucho mayor

• La estratificación térmica en los lechos rellenos y el funcionamiento secuencial con el cambio de papeles entre el Condensador (2) y el Recuperador (3) provoca que el nivel térmico del calor recuperado pueda ser muy próximo al del foco caliente fijado en el calentador (8)

• El trabajo de compresión del aire (o gas) con vapor lo puede realizar la presión atmosférica o la presión mínima disponible en el líquido de trabajo

La eficiencia del sistema de la invención va a depender principalmente de

• La temperatura fijada como consigna en el calentador (8) y la presión de trabajo: cuanto más alta, mayor eficiencia

• lo próximas que se encuentren las temperaturas de la parte alta del condensador (2) y del recuperador (3) a la fijada en el calentador (8) y las temperaturas de la parte baja del condensador (2) y del recuperador (3) a la entrada del líquido por (10) : Cuanto más próximas, mayor eficiencia.

· La temperatura y caudal del líquido a la salida del evaporador (1): Cuanto más bajos, mayor eficiencia

• La temperatura del destilado producido: Cuanto más baja, mayor eficiencia

El criterio de diseño de los lechos para un funcionamiento eficiente para esta aplicación, son semejantes a los aplicables para su uso en las otras aplicaciones descritas anteriormente.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

En la Figura 1 mostramos una vista esquemática del sistema de la invención, para la aplicación de secado, con los principales elementos constituyentes, trabajando en el modo de operación 1.

En la Figura 2 mostramos una vista esquemática del sistema de la invención, para la aplicación de secado, con los principales elementos constituyentes, trabajando en el modo de operación 2.

En la Figura 3 mostramos una vista esquemática del sistema de la invención, para la aplicación de secado, con los principales elementos constituyentes, trabajando en el modo de operación 3.

En las Figura 4, y 5 mostramos una vista detallada, en planta desde arriba y desde abajo, para el modo de operación 1 de la aplicación de secado y en las Figuras 6 y 7 mostramos una vista detallada en planta desde arriba y desde abajo para el modo de operación 2 de la aplicación de secado, de una posible realización preferente del objeto de la invención para el caso de un proceso de secado, con sus diversos componentes en los que se muestra el sistema de la invención incluyendo los dispositivos para el cambio de papeles entre el captador de calor residual (2) y el precalentador (3) y la recuperación del calor sensible del proceso (1).

En las Figuras 4, 5, 6 y 7 los elementos designados por las letras minúsculas hacen referencia a los de la Figura 1 , 2 y 3 al igual que los designados por los números.

En la Figura 8 mostramos una vista esquemática del sistema de la invención, para la aplicación de desalación, con los principales elementos constituyentes.

En la Figura 9 mostramos una vista detallada, en planta, de una posible realización preferente del objeto de la invención, para la aplicación de desalación, con sus diversos componentes en los que se muestra el sistema de la invención incluyendo los dispositivos para el cambio de papeles entre el condensador (2) y el recuperador (3). En la Figura 9 los elementos designados por las letras minúsculas hacen referencia a los de la Figura 8, al igual que los designados por los números.

En la Figura 10 mostramos una vista esquemática del sistema de la invención, para la aplicación de frío y otros procesos por absorción, con los principales elementos constituyentes.

En la Figura 1 1 mostramos una vista esquemática del sistema de la invención, para la aplicación de generación de energía mecánica, con los principales elementos constituyentes. REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

El sistema objeto de la invención se puede realizar de múltiples formas, con diferentes tamaños y materiales y en numerosas aplicaciones. A continuación mostramos dos realizaciones preferentes del sistema de la invención, una para su utilización en una aplicación de secado y otra para su utilización en una aplicación de desalación.

APLICACIÓN: SECADO

Para el caso de un proceso de secado, en las Figura 4, y 5 mostramos una vista detallada, en planta desde arriba y desde abajo, para el modo de operación 1 y en las Figuras 6 y 7 mostramos una vista detallada en planta desde arriba y desde abajo para el modo de operación 2, de una posible realización preferente del objeto de la invención con sus diversos componentes en los que se muestra el sistema de la invención incluyendo los dispositivos para el cambio de papeles entre el captador de calor residual (2) y el precalentador (3) y la recuperación del calor sensible del proceso-secadero (1). Estas figuras muestran una posible realización preferente de la invención para secaderos y con los mismos elementos de las Figuras 1 , 2 y 3 (salvo las compuertas f y g que no son necesarias para esta realización preferente) y un trazado de las tuberías y conductos en el que se observan las bombas B, el soplante S, las compuertas C, D1 , D2, D3 Y D4 y la válvula de 3 vías, V, utilizadas para la operación del sistema.

En funcionamiento en el modo de operación 1 ,

• El soplante S funciona mientras se quiera secar el producto en el secadero (1).

• La bomba B funciona mientras se quiera extraer el destilado producido.

• La posición de la compuerta C, dirige el aire desde el secadero (1) al captador de calor residual (2) y desde el precalentador (3) al calentador (6).

• Las compuertas D1 y D2 están abiertas y permiten la entrada del aire exterior al precalentador (3) y la salida del aire desde el captador de calor residual (2)

• La posición de las compuertas D3 y D4 permite que el aire de salida del precalentador (3) por la tubería (5) alcance al calentador (6) e impide que el aire circule por las aberturas (b) y (b').

• La compuerta D5 permanece cerrada

• El calentador (6) recibe el aire por la tubería (5) y lo manda más caliente, a la temperatura designada, por la tubería (7) al secadero (1) siempre que el soplante S esté en marcha.

Para el cambio de papeles entre el captador de calor residual (2) y el precalentador (3) a realizar cuando la temperatura en la parte baja del captador de calor residual (2) suba la cantidad fijada por encima de la del aire de alimentación al precalentador (3):

• Se para el soplante S y se vacía el captador de calor residual (2) de agua con la bomba B.

« Se cambia de posición la compuerta C. Al cambiar de posición la compuerta

(C- C), situada entre el conducto (5) y el (8), el precalentador (3) se transforma en el nuevo captador de calor residual (3- 2') y el aire se mueve entre el nuevo captador de calor residual (2') y el secadero (1)

• Cuando se ha cambiado de posición la compuerta C, se arranca el soplante S y se entra en el nuevo modo de funcionamiento normal

El modo de funcionamiento 1 se mantiene hasta alcanzar el nivel de humedad deseado a la salida del secadero (1); cuando se alcanza, se pasa al modo de funcionamiento 2. En funcionamiento en el modo de operación 2,

• El soplante S funciona mientras se quiera enfriar el producto en el secadero. · El calentador (6) está apagado

• La posición de la compuerta C, dirige el aire desde el secadero (1) al último que ha actuado como precalentador (3)

• Mientras la temperatura de salida del precalentador (3) sea lo suficientemente baja para enfriar el producto en el secadero (1),

o Las compuertas D1 y D2 están cerradas e impiden la entrada del aire exterior al precalentador (3) y la salida desde el captador de calor residual (2)

o La posición de las compuertas D3 y D4 evita que el aire de salida del precalentador (3) por la tubería (5) alcance al calentador (6), evita que el aire circule por la abertura (b) y permite que el aire circule por las aberturas (b').

• Si la temperatura de salida del precalentador (3) no es lo suficientemente baja para enfriar el producto en el secadero (1), se tomará aire del exterior (abriendo el paso, por ejemplo, a través de las compuertas D1 y D3) y después de circularlo por el secadero (1) se expulsará al exterior por una abertura al efecto después del secadero D5, en la tubería (8)

• El secadero (1 ) recibe el aire frío del precalentador (3) o del exterior por la tubería (7) siempre que el soplante S esté en marcha.

Tanto en el modo de operación 1 como en el 2, si se quiere realizar todo o parte del aporte de energía con una instalación solar, u otra de disponibilidad intermitente, se podrá, entre otras opciones, calentar el aire a la salida del secadero.

Los lechos empaquetados con materiales no adsorbentes de la realización preferente mostrada en la Figura 4, 5, 6 y 7, se pueden construir con sólido (p.e. rocas) de un tamaño homogéneo y con un diámetro, preferiblemente, unas 20 veces inferior al del diámetro equivalente del contenedor. El contenedor estará aislado térmicamente, se puede fabricar de un material capaz de aguantar la presión (o estar contenido en otro contenedor que la soporte como puede ser el propio suelo si está enterrado), y la temperatura de trabajo (p.e. polipropileno, acero, ..), y además del relleno, podrá contar con un plenum/difusor inferior y otro superior, u otros dispositivos equivalentes, para la adecuada distribución del aire. El dimensionado de los lechos empaquetados dependerá de la demanda de producto seco que se quiera procesar y de los modos de operación que se deseen y puede variar desde unos pocos litros hasta muchos miles de m ³ . Los equipos para el movimiento y control de los fluidos se seleccionarán para aguantar las condiciones de trabajo (p.e. temperatura, presión, pérdida de carga, ..)

Es de destacar que, cambiando los fluidos de trabajo (aire por cualquier gas y agua por cualquier líquido), y manteniendo el concepto general, el número de aplicaciones en las que se puede aplicar el sistema de la invención es enorme y se podrían mostrar un gran número de realizaciones esencialmente idénticas a la realización preferente descrita en esta sección.

APLICACIÓN: DESALACION DE AGUA DE MAR

Para el caso de un proceso de desalación de agua de mar, en la Figura 9 mostramos una posible realización preferente de la invención para desalación de agua de mar y con los mismos elementos de la Figura 8 y un trazado de las tuberías y conductos en el que se observan las bombas B1 , B2 y B3, el soplante S, la compuerta C y las válvulas de 3 vías V1 , V2, V3, la válvula de 4 vías V4 y las 2 compuertas C, utilizadas para la operación del sistema.

En funcionamiento normal,

• La bomba B1 se conecta para mantener el nivel deseado en el depósito auxiliar (5), mientras se quiera producir agua.

· La bomba B2 funciona mientras se quiera producir agua.

• La bomba B3 funciona mientras se quiera extraer el destilado producido.

• El soplante S funciona mientras se quiera producir agua.

• La posición de la compuerta C, dirige el aire hacia y desde el condensador.

• Las válvulas V1 , V2 y V3 dirigen el agua por las tuberías (6), (7) y (13).

· El calentador (8) recibe el agua por la tubería (7) y la manda más caliente, a la temperatura designada, por la tubería (9) al generador (1) siempre que la B2 esté en marcha.

• Dependiendo del modo de operación deseado la válvula V4 dirige la salida de salmuera concentrada del generador (1) a las tuberías (10), (1 1) o (12).

o Modo básico: la salmuera concentrada se recircula por la tubería (10) a través del depósito auxiliar (5), por el recuperador de calor (3), el calentador (8) y el generador (1). Este modo de operación se mantendrá mientras la concentración salina de la salmuera no alcance el nivel máximo fijado y el nivel térmico del generador (1) sea suficiente, o Modo preparación: La salmuera se recircula directamente por la tubería (1 1) y el calentador (8) hacia el generador (1). Este modo de operación se utilizará en los arranques del sistema o cuando el nivel térmico del generador (1) no sea suficiente,

o Modo purgado: la salmuera concentrada se expulsa al exterior por la tubería (12). Este modo de operación se mantendrá mientras la concentración salina de la salmuera sea mayor al nivel máximo fijado Para el cambio de papeles entre el condensador (2) y el recuperador (3) a realizar cuando la temperatura en la parte baja del condensador (2) suba la cantidad fijada por encima de la de alimentación al recuperador (3):

• Se paran la bomba B2 y el soplante S y se vacía el condensador (3) de agua.

• Se para la bomba B3 y se cambian de posición las válvulas V1 , V2 y V3 y la compuerta C.

o En el circuito de agua, al cambiar de posición las válvulas V1 , V2 y V3 el condensador (2) se transforma en el nuevo recuperador (2->3') y el recuperador en el nuevo condensador (3->2') ya que el papel de las tuberías (6), (7) y (13) lo realizan, respectivamente, las tuberías (6'), (7') y (13')

o En el circuito de aire, al cambiar de posición las compuertas (C->C), situada una en el conducto (14) y la otra en el conducto (15), el recuperador (3) se transforma en el nuevo condensador (3->2') y el aire se mueve entre el nuevo condensador (2') y el generador (1)

• Se vacía por gravedad el recuperador (3) ya que la bomba B2 en parado permite que el agua descienda al depósito auxiliar (5), dimensionado adecuadamente.

• Cuando se ha vaciado el recuperador (3), se arrancan las bombas B2 y B3 y el soplante S y se entra en el nuevo modo de funcionamiento normal Los lechos empaquetados con materiales no adsorbentes de la realización preferente mostrada en la Figura 2, se pueden construir con rocas de un tamaño homogéneo y con un diámetro unas 20 veces inferior al del diámetro equivalente del contenedor, el contenedor estará aislado térmicamente, se puede fabricar de un material plástico capaz de aguantar la presión (o estar contenido en otro contenedor que la soporte como puede ser el propio suelo si está enterrado), y la temperatura de trabajo (p.e. polipropileno), y además del relleno, contará con un plenum/difusor inferior y otro superior para la adecuada distribución del líquido y/o del aire. El dimensionado de los lechos empaquetado con materiales no adsorbentes dependerá de la demanda de agua que se quiera aportar y de los modos de operación que se deseen y puede variar desde unos pocos m ³ hasta muchos miles de m ³ .

Los equipos para el movimiento y control de los fluidos se seleccionarán para aguantar las condiciones de trabajo (p.e. temperatura, salinidad, presión, pérdida de carga, ..) Es de destacar que, cambiando los fluidos de trabajo (aire por cualquier gas y agua salada por cualquier disolución de un sólido o un líquido en otro líquido menos volátil), y manteniendo el concepto general, el número de aplicaciones en las que se puede aplicar el sistema de la invención es enorme y se podrían mostrar un gran número de realizaciones esencialmente idénticas a la realización preferente descrita en esta sección.

Aplicación industrial

La aplicación industrial del sistema de la invención es inherente a naturaleza de la invención y se deduce de la explicación de la misma.