| REIVINDICACIONES 1. Sistema compuesto por una o varias unidades de BOMBA DE CALOR o cualquier desarrollo técnico que puedan considerarse incluidas en este concepto o definición, utilizadas para el aprovechamiento del calor residual que se evacúa en los procesos de generación termoeléctrica con fines de calefacción. HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) |
SECTOR DE LA TÉCNICA
La presente invención se incluye dentro de los sistemas de calefacción de locales, pudiéndose extender tanto a los públicos como a los privados, y dentro de éstos, tanto a los domésticos como a los profesionales. También se consideran incluidos los locales dedicados a estabulación de animales que utilicen sistemas de calefacción, e incluso la cría y la conservación de especies vegetales y de sus productos que empleen medios para ser calefactados.
ESTADO DE LA TÉCNICA
EL CALOR RESIDUAL EN LA GENERACIÓN TERMOELÉCTRICA
Es conocido que el proceso de generación eléctrica a partir de combustibles tiene unos rendimientos muy bajos, entendiendo como tal rendimiento la relación entre el contenido calórico total de los combustibles, y la energía eléctrica obtenida finalmente.
Nos referimos aquí a todos los procesos termoeléctricos de generación, es decir, a todos los casos de generación de energía eléctrica a partir de fluidos calientes, independientemente de que se consigan los fluidos calientes a partir de distintos tipos de combustibles, siempre que el resultado de esta combustión sean fluidos calientes. Por tanto, se incluyen los procesos de generación termonuclear en tanto en cuanto se genera energía eléctrica a partir de fluidos calientes, si bien estos fluidos no se calientan como resultado de combustión en su sentido más común. En este caso, el calor se obtiene de las reacciones nucleares. Sin embargo, y a pesar de no producirse una combustión en el sentido tradicional, es frecuente referirse a las materias utilizadas como combustible nuclear, dando por extendida esta denominación de combustión a los procesos que ocurren en los reactores nucleares.
Entre estos procesos termoeléctricos de generación podemos citar: las centrales térmicas de carbón, que generan vapor a alta temperatura para su aprovechamiento en turbinas; las centrales de gas, que hacen pasar el producto de la quema del gas por turbinas, o bien lo queman en motores de combustión interna; las centrales de ciclo combinado, e incluso las centrales termonucleares, en las que se hace circular agua en el entorno de los combustibles nucleares, absorbiendo así el calor que se producen en las reacciones de estos combustibles para obtener el vapor caliente, al que se hace circular por turbinas para su aprovechamiento energético. Estos procesos termoeléctricos de generación se citan a modo de ejemplo, y sin excluir otros existentes ni otros aún sin desarrollar técnicamente.
El bajo rendimiento de estos procesos se explica en todos los casos por las leyes de la termodinámica, y es conocido o aceptado que hay unos límites físicos, derivados de estas leyes, que impiden mejorar estos rendimientos por encima de unos valores teóricos.
Pero también las leyes de la termodinámica establecen que el calor contenido en estos fluidos que no pueda ser transformado en energía eléctrica, no se pierde en ningún caso (Ley de Conservación de la Energía). Como hecho real tenemos que, en todos estos procesos, este calor sobrante ha de ser disipado, al no poder ser ni aprovechado ni almacenado. Así, es frecuente el empleo de torres de refrigeración para evacuar ese calor, y en otros casos se vierte en forma de agua caliente al mar o a otros cursos de agua. En cualquier caso, debe haber algún modo por el que el calor se evacúa.
En el caso se los sistemas que utilizan vapor de agua como fluido térmico, el calor residual se recoge en el "CONDENSADOR", donde se transfiere desde el circuito de generación al de refrigeración. El resultado es, generalmente, agua caliente. Lo mismo ocurre en prácticamente todos los casos: se obtiene un agua caliente que se vierte o que se refrigera de algún modo para que pueda recuperar su capacidad de actuar como refrigerante, evacuando así el calor residual.
En todos los casos, y con independencia del método que se utilice para su evacuación, hay un CALOR RESIDUAL que debe ser evacuado en alguno de los medios desarrollados por la técnica.
LAS NECESIDADES DE CALOR PARA CALEFACCIÓN.
Las posibilidades de utilización del calor residual de los procesos de generación termoeléctrica en sistemas de calefacción, bien sean domésticos o de otras instalaciones, se ven gravemente dificultadas en la mayor parte de las ocasiones por la baja temperatura de los refrigerantes tras su utilización. Esto es debido a que, en estos procesos industriales, para lograr grados de enfriamiento elevados en periodos cortos de tiempo e instalaciones sencillas, se emplean grandes volúmenes de refrigerante, el cual sufre un incremento de temperatura relativamente pequeño, que lleva a unas posibilidades de empleo de este exceso de calor muy difíciles.
Si bien existen sistemas de refrigeración capaces de lograr una mayor temperatura de los refrigerantes, necesitan grandes circuitos de intercambio de calor, generalmente en contracorriente, y que precisan enormes superficies de contacto. Estos circuitos de intercambio tienen elevados costes de instalación y de mantenimiento, lo que da como resultado que, con muy pocas excepciones, el calor sobrante que es necesario disipar en estas instalaciones no tiene aprovechamiento.
El empleo de refrigerante en exceso tiene además otras ventajas, como es el hecho de que su vertido al medio ambiente no tiene prácticamente impacto, o al menos, este impacto apenas se aprecia. Así, la mayor parte de instalaciones industriales con sistemas de refrigeración mediante aire, e incluso las grandes torres de refrigeración mediante vapor de agua propias de centrales térmicas y nucleares, no están consideradas como elementos con elevado impacto ambiental, ya que el único elemento que se cede a la atmósfera es aire a baja temperatura o vapor de agua también con temperatura muy inferior a la de ebullición.
Además, en caso de lograr que el refrigerante empleado tenga una mayor temperatura, las pérdidas en el circuito de transporte que deberá haber desde las instalaciones de generación hasta los locales a calefactar se incrementarán notablemente, o bien requerirán de instalaciones dotadas de un mayor aislamiento térmico.
La consecuencia es que las temperaturas de los refrigerantes empleados resultan tan bajas que su empleo para calefacción resulta, si no inviable, al menos poco interesante y de empleo únicamente en lugares con elevadas necesidades de calefacción.
Las temperaturas de estos refrigerantes tras su empleo en la generación termoeléctrica raramente superan los 40-60°C. Sin embargo, las temperaturas empleadas en los circuitos domésticos de calefacción necesitan, a la salida de la caldera, valores como mínimo de 65-75 °C, para garantizar un buen calentamiento. Hay que tener en cuenta que el objetivo de estos sistemas de calefacción es alcanzar temperaturas de 20-30 °C en las estancias, por lo que la diferencia en el salto térmico entre las estancias y los posibles fluidos calefactores en uno y otro caso, cambia de aproximadamente 20 °C a 40°C, es decir, una diferencia prácticamente del doble. Además, en el trayecto desde la central eléctrica hasta los locales a calefactar se produce una disminución de la temperatura, que quedará por debajo de los 40-60 °C alejándose más aún de la temperatura necesaria (65-75 °C) para la calefacción.
Debe hacerse especial mención al hecho de que es habitual, en algunos lugares, el empleo para calefacción de este calor residual, incluso el diseño de centrales de modo específico para emplear este calor para calefacción. Sin embargo, hasta la fecha no se tiene conocimiento de su empleo con la ayuda de bombas de calor, siendo esta la principal novedad de la presente invención.
LA BOMBA DE CALOR.
Por otro lado, es generalmente conocido el concepto de BOMBA DE CALOR como medio para transferir calor de un medio frío a otro más caliente, necesitando para ello un aporte de energía. Existen distintos modos de realización técnica de la bomba de calor, y en esta patente se engloban todos ellos, ya que se trata de diferentes medios técnicos para llevar a cabo un proceso bien definido por la ciencia. Así, se define como BOMBA DE CALOR cualquier proceso en el que se consigue que un cuerpo ceda calor a otro con mayor temperatura, requiriendo para ello el consumo de cierta cantidad de energía. Se trata de invertir, por cualquiera de los posibles desarrollos técnicos, la tendencia natural por la que el calor pasa de cuerpos calientes a otros de menor temperatura. Se consideran incluidos en la presente patente todos los procesos existentes, así como todos los que se puedan desarrollar en el futuro, que estén incluidos en el concepto BOMBA DE CALOR.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN.
La presente patente consiste en la utilización de la BOMBA DE CALOR para el aprovechamiento del CALOR RESIDUAL de los procesos de generación termoeléctrica para calefacción de locales.
Dentro del concepto de calefacción de locales, se consideran aquellos lugares que necesiten de una temperatura adecuada para el confort de las personas, el cuidado y cría de especies animales y vegetales, así como la conservación y tratamiento de productos que requieran o se beneficien de temperaturas similares a las que hay en las estancias para personas.
Esta combinación de aprovechar, mediante la bomba de calor, el calor residual de los procesos de generación termoeléctrica, será la que de lugar al aprovechamiento de este calor a pesar de que la temperatura sea insuficiente para su empleo como calefactor de forma directa. Incluso en aquellos lugares en los que ya se emplea este calor residual para calefacción, el empleo de la bomba de calor permitirá reducir las temperaturas de los circuitos de transporte, reduciendo las pérdidas en el transporte y/o las necesidades de aislamiento de los circuitos de transporte, sin que se reduzca la cantidad de calor aportado a los locales a calefactar.
La aplicación de la presente invención requerirá de la unión entre la central de generación termoeléctrica y los locales a calefactar mediante tuberías de transporte para los fluidos que contienen el calor residual de las centrales de generación. Estas tuberías requerirán de mayor o menor aislamiento térmico según la distancia entre ambos lugares y de la temperatura del fluido, pero serán menores que en el caso de pretender utilizar estos mismos fluidos de forma directa, sin el empleo de la bomba de calor, gracias a la extracción forzada del calor que ésta realiza.
Evidentemente, la distancia entre estos lugares será un factor decisivo para la aplicabilidad de esta invención, si bien, en cualquier caso, su aplicación permitirá aumentar las posibilidades de aprovechamiento actuales del calor residual de las centrales termoeléctricas.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS.
La figura 1 se refiere al caso en que el fluido que se obtiene en la central termoeléctrica con el calor residual es agua, que llamaremos Agua Templada de Central ATC, y muestra el proceso por el que esta agua ATC es calentada en el Intercambiador de Calor INT1 por el gas caliente GC que se obtiene a la salida de un compresor COM. El agua se transforma en agua caliente AC, y el gas disminuye su temperatura pero mantiene una presión elevada, y lo denominamos Gas Templado a Presión, GTP. El agua AC tendrá temperatura suficiente para calefactar el local LC. Tras esto, el agua habrá perdido temperatura, pasando a ser agua templada, pero diferente del agua templada ATC que venía de la central térmica, por lo que la denominamos Agua Templada Segunda AT2.
Por su parte, el Gas Templado a Presión GTC citado anteriormente, y que es el gas caliente GC tras calentar el agua AC, se expandirá hasta disminuir su temperatura, en un proceso similar al que se producen los aparatos de aire acondicionado, frigoríficos y refrigeradores. Se convierte así en Gas Frío, GF. El enfriamiento sufrido deberá realizarse de modo que su temperatura tras la expansión sea significativamente menor que la del agua AT2 que sale del local calefactado LC.
En un nuevo intercambio de calor, representado en la figura como IT2, se unen el Gas Frío GF y el Agua Templada Segunda, AT2, con el resultado de que el gas frío se calienta pasando a ser Gas Templado Descomprimido, GTD, y el agua se enfría definitivamente, pasando a ser Agua Fría AF, ya desposeída de su capacidad de aportar calor y agotada en este sentido.
Por su parte, al Gas Templado Descomprimido se hará pasar de nuevo por el Compresor COM, donde alcanzará elevadas presión y temperatura, hasta convertirse de nuevo en el gas caliente GC que será usado nuevamente para calentar el Agua Templada de Central ATC. De este modo el gas es reutilizado de forma continua, mientras el agua templada es enfriada y evacuada del circuito tras haberse aprovechado su contenido calórico.
EXPOSICIÓN DE UN MODO DE REALIZACIÓN.
Para explicar un modo sencillo de llevar a cabo la presente invención, partimos del agua de refrigeración que sale del condensador de una central termoeléctrica que utilice vapor de agua como fluido interno. En el citado condensador, este vapor es enfriado mediante el agua del circuito de refrigeración, que a su vez se calienta, alcanzando temperaturas, habitualmente, entre 30 y 70 °C.
A partir de esta agua ligeramente caliente, y una vez que ha sido transportada hasta el lugar que se pretende calentar, se hará pasar por un circuito de intercambio de calor. Este intercambiador tendrá como elemento caliente el gas de la salida de un compresor de gas de los empleados para circuitos de aire acondicionado. Como resultado, el agua se calentará, y el gas se enfriará, pero mantendrá al menos cierta presión.
El agua calentada se hará circular por el circuito de calefacción del local a calentar, donde cederá calor al local, disminuyendo su temperatura. Al mismo tiempo, el gas, tras enfriarse con el agua, se hará pasar por un expansor, donde sufrirá un importante enfriamiento. La expansión del gas será tal que su temperatura sea significativamente inferior a la del agua, en un proceso bien conocido y extensamente empleado en los sistemas de aire acondicionado, frigoríficos y refrigeradores. Una vez el gas frío, se hace pasar por un intercambiador de calor, junto al agua ya empleada en el circuito de calefacción, dando lugar el enfriamiento del agua, y el calentamiento del gas, que de nuevo se conduce al compresor citado anteriormente.
Para este modo de realización de la invención, se emplearán intercambiadores de calor de los empleados habitualmente en los sistemas de aire acondicionado, y compresores también ampliamente utilizados en estos sistemas.