ES2652522B2

ES2652522B2 - THERMODYNAMIC CYCLING PROCESS WITHOUT FLUID CONDENSATION AND WITH REGULATED LIMITATIONS ON ITS POINTS OF MINIMUM AND MAXIMUM ENTHALPIA AND DEVICE FOR ITS REALIZATION

Info

Publication number: ES2652522B2
Application number: ES201731263A
Authority: ES
Inventors: Penalosa Jose Maria Martinez-Val; Anton Javier Munoz; Portillo Luis Francisco Gonzalez; Matas Ruben Amengual
Original assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Current assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Priority date: 2017-10-30
Filing date: 2017-10-30
Publication date: 2019-01-16
Anticipated expiration: 2037-10-30
Also published as: ES2652522A1

Description

PROCESO CÍCLICO TERMODINÁMICO SIN CONDENSACIÓN DEL FLUIDO Y CON THERMODYNAMIC CYCLIC PROCESS WITHOUT FLUID CONDENSATION AND WITH

PRESCRIPCIONES ACOTADAS SOBRE SUS PUNTOS DE MÍNIMA Y MÁXIMA PRESCRIBED LIMITATIONS ON YOUR MINIMUM AND MAXIMUM POINTS

ENTALPÍA, Y DISPOSITIVO PARA SU REALIZACIÓNENTALPÍA, AND DEVICE FOR ITS REALIZATION

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

SECTOR DE LA TÉCNICASECTOR OF THE TECHNIQUE

La invención se encuadra en el campo de los ciclos termodinámicos que transforman energía térmica en energía cinética de rotación, en una turbina donde se expansiona el gas de trabajo.The invention falls within the field of thermodynamic cycles that transform thermal energy into kinetic energy of rotation, in a turbine where the working gas is expanded.

PROBLEMA TÉCNICO A RESOLVER Y ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNTECHNICAL PROBLEM TO BE RESOLVED AND BACKGROUND OF THE INVENTION

El problema consiste en maximizar el rendimiento de la instalación donde se lleva a cabo el proceso cíclico. Para ello, se han de estudiar con rigor las propiedades de los fluidos en los distintos dominios que manifiestan, caracterizados por unos rangos determinados de presión y temperatura.The problem is to maximize the performance of the installation where the cyclic process is carried out. For this purpose, the properties of the fluids in the different domains they manifest, characterized by certain ranges of pressure and temperature, must be rigorously studied.

Nótese que la presión está limitada por el espesor dado a las paredes de recipientes y tuberías, y por la calidad del material que las constituye, mientras que la temperatura generalmente viene limitada por el proceso físico donde se genera el calor, es decir, donde se le proporciona al fluido (que en nuestro caso estará en estado supercrítico) la máxima entalpía posible, y es la más alta de todo el ciclo que experimenta el fluido.Note that the pressure is limited by the thickness given to the walls of containers and pipes, and by the quality of the material that constitutes them, while the temperature is generally limited by the physical process where heat is generated, that is, where it provides the fluid (which in our case will be in a supercritical state) the maximum possible enthalpy, and is the highest of the entire cycle that the fluid experiences.

Es bien sabido que el rendimiento termo-mecánico está limitado al rendimiento de Carnot, teóricamente. En la realidad, repercuten contra el rendimiento las irreversibilidades y rozamientos de todo tipo que se puedan dar a lo largo del ciclo, que por lo general se define suponiendo procesos reversibles, dado que es en ese ámbito donde se puede definir la novedad del ciclo. Lo que atañe a la disminución de irreversibilidades sería cuestión del diseño de las máquinas y equipos.It is well known that thermo-mechanical performance is limited to the performance of Carnot, theoretically. In reality, the irreversibilities and frictions of all kinds that may occur throughout the cycle, which is usually defined by assuming reversible processes, have an impact on performance, given that it is in this field that the novelty of the cycle can be defined. What concerns the decrease of irreversibilities would be a matter of the design of the machines and equipment.

Como precedente directo, que a su vez tiene en su parte expositiva el análisis de diversos antecedentes de estos ciclos, hay que citar la patente ES 2427648 B2, que trata de un ciclo Brayton con refrigeración ambiental próxima a la isoterma crítica, siendo su primer inventor el mismo que el de esta solicitud.As a direct precedent, which in turn has in its expository part the analysis of various antecedents of these cycles, it is necessary to mention the patent ES 2427648 B2, which deals with a cycle Brayton with environmental cooling close to the critical isotherm, its first inventor being the same as that of this application.

El invento aquí presentado no sólo mejora la explotación de las características físicas de los fluidos de trabajo habituales o potenciales, sino que busca que los procesos puedan llevarse a cabo en las máquinas de la mejor manera. El resultado es un ciclo de tipo Brayton, por tanto sin condensación, con especificaciones muy precisas en la definición de los puntos de mínima y máxima entalpía del fluido de trabajo que ejecuta el ciclo.The invention presented here not only improves the exploitation of the physical characteristics of the usual or potential working fluids, but also seeks that the processes can be carried out in the machines in the best way. The result is a Brayton type cycle, therefore without condensation, with very precise specifications in the definition of minimum and maximum enthalpy points of the working fluid that executes the cycle.

Los antecedentes más importantes de la invención son las propias relaciones termodinámicas establecidas como reglas universales, pero que se materializan en comportamientos físicos muy específicos según se tome una u otra alternativa en las especificaciones a definir.The most important antecedents of the invention are the own thermodynamic relations established as universal rules, but that materialize in very specific physical behaviors as one or the other alternative is taken in the specifications to be defined.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓNEXPLANATION OF THE INVENTION

La invención consiste en especificar unas prescripciones inequívocamente definidas, sobre un proceso cíclico termodinámico, que en su definición ideal o sin irreversibilidades, trabaja entre una isóbara de menor presión, o isóbara baja, que está a P0, y una isóbara alta, o de mayor presión, P1, existiendoThe invention consists in specifying unequivocally defined prescriptions, on a thermodynamic cyclic process, which in its ideal definition or without irreversibilities, works between an isobar of lower pressure, or low isotope, which is at P0, and a high isobar, or higher pressure, P1, existing

- una fase de compresión, en la que un compresor aspira el fluido en su punto de menor entalpía específica de todo el ciclo, a presión P0 y temperatura T0, y lo eleva de presión a lo largo de una evolución isentrópica, hasta P1, saliendo del compresor con una temperatura Tc;- a compression phase, in which a compressor sucks the fluid at its point of lowest specific enthalpy of the entire cycle, at pressure P0 and temperature T0, and raises it pressure along an isentropic evolution, up to P1, leaving of the compressor with a temperature Tc;

- siguiendo una fase de calentamiento en la cual concurren tres tipos de fuentes de calor, que son- following a heating phase in which three types of heat sources concur, which are

o el propio fluido, en otra fase del ciclo, en la que está más calienteor the fluid itself, in another phase of the cycle, in which it is hotter

o la fuente principal de aportación del calor al fluido de trabajo, con la que el fluido se calienta hasta TM, que es la temperatura máxima que alcanza el fluido de trabajoor the main source of heat input to the working fluid, with which the fluid is heated to TM, which is the maximum temperature reached by the working fluid

o una fuente térmica auxiliar, que puede actuar sobre el fluido de trabajo bien al mismo tiempo que la fuente principal, bien alternadamente con ella, pero sin llegar hasta la temperatura TM, en ningún caso; or an auxiliary thermal source, which can act on the working fluid either at the same time as the main source, or alternatively with it, but without reaching the TM temperature, in any case;

- una fase de expansión, desde el punto de máxima entalpia específica del ciclo, en el cual el fluido de trabajo está a presión P1 y temperatura TM, evolucionando isentrópicamente hasta la presión P0, saliendo de la turbina o máquina expansora donde se realiza esta fase con una temperatura Tt;- an expansion phase, from the point of maximum enthalpy specific to the cycle, in which the working fluid is at pressure P1 and temperature TM, evolving isentropically up to the pressure P0, leaving the turbine or expanding machine where this phase is carried out with a temperature Tt;

- siguiendo una fase de enfriamiento en la cual concurren dos tipos de acciones refrigeradoras, que son- following a cooling phase in which two types of cooling actions concur, which are

o el propio fluido, en otra fase del ciclo en la que está más fríoor the fluid itself, in another phase of the cycle in which it is coldest

o el sumidero exterior de refrigeración, que enfría el fluido hasta T0or the external cooling sump, which cools the fluid to T0

y en la cual las prescripciones fundamentales sonand in which the fundamental prescriptions are

- la presión del punto de mínima entalpía específica, P0, es mayor que la presión crítica, Pcr, del fluido de trabajo; y su temperatura, T0, es menor que la temperatura crítica, Tcr, de dicho fluido;- the pressure of the specific minimum enthalpy point, P0, is greater than the critical pressure, Pcr, of the working fluid; and its temperature, T0, is less than the critical temperature, Tcr, of said fluid;

- el cociente entre las temperaturas máxima y mínima del fluido, TM/T0, ha de ser mayor que la razón de compresión r, correspondiente al cociente P1/P0, elevada a la suma de los exponentes térmicos en las evoluciones isentrópicas de compresión y expansión, lo cual equivale a establecer que la temperatura de salida de la turbina, Tt , es mayor que la temperatura de salida del compresor, Tc;- the quotient between the maximum and minimum temperatures of the fluid, TM / T0, must be greater than the compression ratio r, corresponding to the quotient P1 / P0, raised to the sum of the thermal exponents in the isentropic evolution of compression and expansion , which is equivalent to establishing that the exit temperature of the turbine, Tt, is greater than the outlet temperature of the compressor, Tc;

Las prescripciones se completan con las propiedades o relaciones establecidas en lo que sigue, entre diversos parámetros de la ecuación de estado del fluido de trabajo.The prescriptions are completed with the properties or relationships established in the following, between various parameters of the equation of state of the working fluid.

En principio se tratará de un fluido no degradable en los rangos de variables que se van a suponer, y cuyo estado se puede determinar con dos variables, como son la temperatura y la presión. De ellas dependerá, a través de la ecuación de estado, el Volumen, la Entalpía y la Entropía, todas ellas en su formulación específica, es decir, por unidad de masa, siendo por tanto las unidades respectivas m3/kg; kJ/kg; y kJ/(kgK).In principle it will be a non-degradable fluid in the ranges of variables that are going to be assumed, and whose state can be determined with two variables, such as temperature and pressure. On them, the volume, the enthalpy and the entropy will depend on the state equation, all of them in their specific formulation, that is, per unit of mass, being therefore the respective units m3 / kg; kJ / kg; and kJ / (kgK).

Como ecuación de estado generalizada se hará uso de la de Gas Ideal con inclusión del llamado "factor de compresibilidad”, identificado por "z”, y que en cada punto es el que hace que se cumplaAs a generalized equation of state, Gas Ideal will be used, including the so-called "compressibility factor", identified by "z", and that at each point it is the one that enforces it

P-V = z -R -T P-V = z -R -T

Es importante señalar que z es adimensional, pero no así R (que se medirá en kJ/(kgK)). Para las aplicaciones conviene utilizar el Sistema Internacional de Unidades, pero esto no forma parte de la invención ni de sus explicaciones.It is important to note that z is dimensionless, but not so R (which will be measured in kJ / (kgK)). For applications it is convenient to use the International System of Units, but this is not part of the invention or its explanations.

El factor de compresibilidad z vale 1 cuando la sustancia se comporta como gas ideal; pero en general difiere bastante de ese valor.The compressibility factor z is 1 when the substance behaves as an ideal gas; but in general it differs a lot from that value.

Un punto termodinámico esencial en cualquier sustancia es el punto crítico, definido por su temperatura crítica y su presión crítica, existiendo su correspondiente volumen crítico. Es el punto de máxima presión y de máxima temperatura de la curva que delimita en su interior la curva bifásica de cambio de estado líquido-vapor. Por encima de esa temperatura, el gas no puede condensarse. Y además no hay discontinuidad en el volumen específico del fluido por encima de la presión crítica, ni existe la ebullición convencional, con temperatura y presión constante mientras se produce el cambio de fase.An essential thermodynamic point in any substance is the critical point, defined by its critical temperature and its critical pressure, with its corresponding critical volume. It is the point of maximum pressure and maximum temperature of the curve that delimits in its interior the biphasic curve of change of liquid-vapor state. Above that temperature, the gas can not condense. And there is also no discontinuity in the specific volume of the fluid above the critical pressure, nor is there conventional boiling, with constant temperature and pressure while the phase change occurs.

Si para una sustancia se determinan experimentalmente los valores de P, T y V en el punto crítico, denotadas como Pcr, Tcr y Vcr, se encuentra su factor de compresibilidad en el punto crítico, zcr , que esIf for a substance the values of P, T and V are determined experimentally at the critical point, denoted as Pcr, Tcr and Vcr, there is its compressibility factor at the critical point, zcr, which is

Dicho zcr vale alrededor de 0,25 para cualquier sustancia (de hecho, la inmensa mayoría de las sustancias conocidas tienen su zcr entre 0,2 y 0,3), pero es más importante aún analizar la topología de los valores de z, lo cual puede explicarse con notoria aproximación en función de la entalpía específica del fluido, representada por H y medida en kJ/kg.Said zcr is about 0.25 for any substance (in fact, the vast majority of known substances have their zcr between 0.2 and 0.3), but it is more important to analyze the topology of the z values, which can be explained with noticeable approximation depending on the specific enthalpy of the fluid, represented by H and measured in kJ / kg.

Existe un dominio en el diagrama termodinámico de las sustancias que interesan, que se extiende a entalpías menores que la de la isoterma crítica, para valores de la presión por encima de Pcr; que lógicamente se puede llamar "dominio supercrítico en presión, de baja entalpía”, o DSPBE. En él, el valor de z depende fundamentalmente de la presión, y casi nada de T y V. De hecho, se puede escribir para este dominio: There is a domain in the thermodynamic diagram of the substances of interest, which extends to enthalpies smaller than that of the critical isotherm, for values of the pressure above Pcr; which logically can be called "supercritical domain under pressure, low enthalpy", or DSPBE.In it, the value of z depends primarily on the pressure, and almost nothing of T and V. In fact, you can write for this domain:

En esta expresión w es un exponente algo menor que la unidad (0,9 para las sustancias de interés) y PR es una presión de referencia, que se puede fijar en 25 MPa, y que en realidad no afecta para nada al análisis termodinámico completo y sus conclusiones; pues al estar el ciclo definido entre dos isóbaras, de alta y baja, y ambas referidas a PR, el efecto global de ésta se anula. No así el del exponente w, que es muy importante para caracterizar las transformaciones termodinámicas en este dominio.In this expression w is an exponent somewhat less than unity (0.9 for the substances of interest) and PR is a reference pressure, which can be set at 25 MPa, and which in fact does not affect at all the complete thermodynamic analysis and its conclusions; since the cycle is defined between two isobars, high and low, and both referred to PR, the overall effect of this is canceled out. Not so the one of the exponent w, which is very important to characterize the thermodynamic transformations in this domain.

En el planteamiento termodinámico que se necesita, no es suficiente el valor del parámetro z como una función de punto para hacer iguales dos términos energéticos, (PV) y (RT); sino que es necesario tener caracterizadas sus variaciones más importantes, para lo cual se introduce un parámetro, fp, no usado previamente en Termodinámica (según conocimiento de los autores), pero que tiene su utilidad para calcular la derivada parcial de la entalpía específica respecto de la presión, a temperatura constante, que corresponde aIn the thermodynamic approach that is needed, the value of the z parameter is not enough as a point function to make equal two energetic terms, (PV) and (RT); but it is necessary to have its most important variations characterized, for which a parameter, fp, not previously used in Thermodynamics (according to the authors' knowledge) is introduced, but which has its utility to calculate the partial derivative of the specific enthalpy with respect to the pressure, at constant temperature, which corresponds to

siendo VT el volumen específico a lo largo de la isoterma T, y fp un parámetro que se ha denominado "factor logarítmico de dilatación isóbara”, y corresponde abeing VT the specific volume along the isotherm T, and fp a parameter that has been called "logarithmic factor of isobaric dilatation", and corresponds to

Este parámetro tiene gran utilidad para definir una línea en el diagrama termodinámico, fundamentalmente en el que se usa entalpía específica en abscisas y presión (en escala logarítmica) en ordenadas, o diagrama (H, logP) y es una línea propuesta, a juicio de los inventores, llamada "línea de discontinuidad secundaria”, y es el lugar geométrico que forman los puntos de más alto valor de fp en cada isóbara, por encima de la presión crítica. Esa línea delimita dos regiones diferentes en el mencionado diagrama. A la izquierda de la misma, las curvas de z=constante, o curvas iso-nivel de z, son casi horizontales en el diagrama antedicho (H, logP); mientras que a la derecha de la línea, tal como aumenta la entalpía, las curvas iso-nivel de z adquieren componente vertical, que se hace dominante. Más aún, en esa línea de discontinuidad secundaria, o en sus cercanías, desaparecen las curvas iso-nivel de z que tengan valor inferior a 0,5 aproximadamente. This parameter has great utility to define a line in the thermodynamic diagram, fundamentally in which specific enthalpy is used in abscissas and pressure (in logarithmic scale) in ordinates, or diagram (H, logP) and is a proposed line, in the opinion of The inventors, called "line of secondary discontinuity", and is the locus that form the points of highest value of fp in each isobar, above the critical pressure.That line delimits two different regions in the mentioned diagram. left of it, the curves of z = constant, or iso-level curves of z, are almost horizontal in the above diagram (H, logP), while to the right of the line, as the enthalpy increases, the curves iso-level of z they acquire vertical component, which becomes dominant Moreover, in that line of secondary discontinuity, or in its neighborhoods, iso-level curves of z that have a value lower than approximately 0.5 disappear.

A su vez, este parámetro sirve para calcular con carácter general el exponente de evolución de la temperatura en una compresión o expansión isentrópica, que se ha denotado por g, que vale, según se demuestra a continuación,In turn, this parameter serves to calculate in general the exponent of evolution of the temperature in an isentropic compression or expansion, which has been denoted by g, which is worth, as shown below,

zRzR

9 = t (1 fp) 9 = t ( 1 fp)

y el cual determina la citada evolución térmica, que arranca en un estado caracterizado por la presión P0 y la temperatura T0 y evoluciona hasta la presión P1, cumpliéndose entonces que la temperatura final T1 esand which determines the aforementioned thermal evolution, which starts in a state characterized by the pressure P0 and the temperature T0 and evolves up to the pressure P1, thus fulfilling that the final temperature T1 is

Conviene señalar que para un gas ideal se tienen los siguientes valores de estos parámetrosIt should be noted that for an ideal gas the following values of these parameters are available

z=1z = 1

fp=0fp = 0

g=(Y-1)/Yg = (Y-1) / Y

con Y=Cp/Cvwith Y = Cp / Cv

siendo Cp y Cv los calores específicos a presión constante y a volumen constante.Cp and Cv being the specific heats at constant pressure and constant volume.

Para obtener la ecuación de g se parte de la siguiente ecuación de Maxwell:To obtain the equation of g we start from the following Maxwell equation:

en la que se aplican las igualdades siguientesin which the following equalities apply

Y combinando ambas derivadas se obtiene el valor previo de g:And combining both derivatives we obtain the previous value of g:

P(dT ^ fdLnT^ P ( dT ^ fdLnT ^

T \d p )s ~ \dLnp)s ⁹ T \ dp) s ~ \ dLnp) s ⁹

En el dominio supercrítico en presión, de baja entalpia (DSPBE) el exponente g es mucho menor que 0,1; mientras que para altos valores de la temperatura (el doble de la crítica o más) g vale por encima de 0,1; siendo cercano a 0,2 para moléculas pesadas, y a 0,3 para las más ligeras (como el aire).In the supercritical domain under pressure, low enthalpy (DSPBE) the exponent g is much less than 0.1; while for high values of temperature (twice the critical or more) g is worth over 0.1; being close to 0.2 for heavy molecules, and to 0.3 for lighter ones (such as air).

Como soporte teórico riguroso, se añade a continuación el análisis de la evolución isentrópica, caracterizado por dS=0, siendo S la entropíaAs a rigorous theoretical support, the analysis of isentropic evolution, characterized by dS = 0, is added next , being S the entropy

En el análisis se incorpora la ecuación de estado incluyendo z, lo que daThe state equation including z is incorporated into the analysis, which gives

pudiendo utilizar esta última ecuación en la condición isentrópicabeing able to use this last equation in the isentropic condition

De lo cual se deducen las relaciones entre las variaciones de P, T y VFrom which the relationships between the variations of P, T and V are deduced

siendo m el exponente de variación logarítmica de la densidad,where m is the logarithmic variation exponent of the density,

que lleva el signo - en el exponente cuando se aplica al inverso de la densidad, que es el volumen específico. which bears the sign - in the exponent when applied to the inverse of the density, which is the specific volume.

Para el caso de gas ideal, z vale 1, y no depende por tanto de P, lo que equivale a w=0. Si se aplica a la última ecuación, queda m=1/Y (como ya es sabido).For the ideal gas case, z is 1, and therefore does not depend on P, which is aw = 0. If it is applied to the last equation, there remains m = 1 / Y (as is already known).

Por el contrario, en el DSPBE w vale casi 1, y m resulta un valor diminuto, lo cual es fundamental para la compresión en la zona DSPBE.On the contrary, in the DSPBE, w is almost 1, and m is a tiny value, which is fundamental for the compression in the DSPBE zone.

Para ello, hay que añadir que la derivada de la entalpía específica respecto de la presión, a entropía constante, es el volumen específico (VS, a lo largo de la isentrópica, dada por un valor constante de la entropía S). Esto esFor this, we must add that the derivative of the enthalpy specific to pressure, at constant entropy, is the specific volume (VS, along the isentropic, given by a constant value of the entropy S). This is

Ello permite calcular el trabajo específico de compresión para pasar del estado de mínima entalpía específica en el fluido, caracterizado por P0 y T0, en la entrada del compresor, y llevarlo a presión P1 y a la T1 que corresponda, que seráThis allows calculating the specific compression work to move from the state of minimum specific enthalpy in the fluid, characterized by P0 and T0, at the compressor inlet, and bring it to pressure P1 and to the corresponding T1, which will be

Ti = T0r gcTi = T0r gc

Siendo r la razón de compresión, que es igual a P1/P0; y siendo gc el exponente g particularizado para la isentrópica de compresión. El trabajo en cuestión se expresa en términos de variación de entalpía específica, y se denota por AHC, correspondiendo aWhere r is the compression ratio, which is equal to P1 / P0; and gc being the exponent g particularized for the isentropic compression. The work in question is expressed in terms of specific enthalpy variation, and is denoted by AHC, corresponding to

v0v0

A^ = T1 T g ^c (pi rSC“ po)A ^ = T 1 T g ^ c (pi rSC "po)

De manera análoga se calcula el trabajo realizado por la máquina expansora o turbina, AHe, aunque en este caso la variable realmente vinculante o limitativa es la máxima temperatura alcanzable por el fluido de trabajo con las condiciones que tiene el foco caliente del que se dispone, denotando dicha temperatura por TM.Analogously, the work done by the expanding or turbine machine, AHe, is calculated, although in this case the variable that is really binding or limiting is the maximum temperature that can be reached by the working fluid under the conditions of the hot bulb that is available, denoting said temperature by TM.

^{... _ 7 p / r}A ^{H e = —} -------(1 - r ^{z K / l p} ) ^{... _ 7 p / r} A ^{H e = -} ------- (1 - r ^{z K / lp} )

donde z y Cp son los valores medios de dichos coeficientes a lo largo de la isentrópica en cuestión, y zM el valor de z correspondiente al punto de máxima entalpía. where z and Cp are the mean values of said coefficients along the isentropic in question, and zM the value of z corresponding to the point of maximum enthalpy.

Queda por formular la variación de entalpia específica que se produce al pasar de P0 a P1 a lo largo de una isoterma de temperatura dada, T¡; lo cual se denota por AH¡ y obedece aIt remains to formulate the specific enthalpy variation that occurs when passing from P0 to P1 along a given temperature isotherm, T1; which is denoted by AH, and obeys

donde se ha hecho uso del valor medio de V (VTi) y de fp (fp). El signo menos se debe a que la entalpía específica decrece cuando se incrementa la presión a lo largo de una isoterma.where the mean value of V ( VTi) and of fp ( fp) has been used. The minus sign is due to the fact that the specific enthalpy decreases when the pressure increases along an isotherm.

Hay que añadir que en la ventana termodinámica que representa un ciclo de este tipo, que está delimitado por dos valores, mínimo y máximo de presión, que son P0 y P1, y por dos temperaturas extremas menor y mayor, T0 y TM, existe una temperatura intermedia, que se denota por Ta, en la cual se observa la siguiente asimetría: para temperaturas más altas que Ta, el calor específico isóbaro es más alto a mayor presión; y a temperaturas por debajo de Ta, el calor específico isóbaro es más alto a menor presión, lo cual hace que en Ta aparezca un estrangulamiento en el proceso de transferencia de calor en el intercambiador de calor regenerativo, que obliga a buscar soluciones adecuadas a la configuración y condiciones apropiadas de funcionamiento de dicho intercambiador.It should be added that in the thermodynamic window that represents a cycle of this type, which is delimited by two values, minimum and maximum pressure, which are P0 and P1, and by two lower and higher extreme temperatures, T0 and TM, there is a intermediate temperature, which is denoted by Ta, in which the following asymmetry is observed: for temperatures higher than Ta, the specific isobaric heat is higher at higher pressure; and at temperatures below Ta, the specific isotope heat is higher at lower pressure, which causes a choke in the heat transfer process in the regenerative heat exchanger in Ta, which forces us to look for suitable solutions to the configuration and appropriate operating conditions of said exchanger.

Esto último está asociado al proceso de variación de la entalpía a lo largo de una isóbara, que tiene a su vez repercusiones en S, T y V, lo cual se puede caracterizar a partir de la ecuaciónThe latter is associated with the process of variation of the enthalpy along an isobar, which in turn has repercussions on S, T and V, which can be characterized from the equation

P _zTP _zT

R ~ ~R ~ ~

En ella, el miembro de la izquierda permanece constante en una isóbara, por lo cual se deduce, tomando diferencialesIn it, the member of the left remains constant in an isobar, which is inferred, taking differential

dz dT dVdz dT dV

0 = — — ■ _{z T} ~V 0 = - - ■ _{z T} ~ V

Despejando dV/V y dividiendo todo ello por dT/T se tieneClearing dV / V and dividing all this by dT / T you have

Y dividiendo por el calor específico a presión constante, Cp, se obtiene, introduciendo la variable entropía, S:And dividing by the specific heat at constant pressure, Cp, is obtained, introducing the variable entropy, S:

Esta relación es muy importante, al estar delimitado el ciclo por dos isentrópicas, de compresión y de expansión, lo cual quiere decir que el incremento de entropía cuando se calienta el fluido por la isóbara alta es igual en valor absoluto, en la aproximación reversible seguida, a la reducción de entropía por la isóbara baja, y tanto por una como por otra se cumple la relación anterior.This relationship is very important, since the cycle is delimited by two isentropics, compression and expansion, which means that the increase in entropy when the fluid is heated by the high isobar is equal in absolute value, in the reversible approximation followed , to the reduction of entropy by low isotope, and for both the previous relationship is fulfilled.

Si se consideran los volúmenes específicos al principio y al final de la compresión, denotados por Vc0 y Vc1, y asimismo se denotan como Vt1 y Vt0 los volúmenes específicos al principio y al final de la expansión en la turbina, se puede escribirIf you consider the specific volumes at the beginning and end of the compression, denoted by Vc0 and Vc1, and also denote Vt1 and Vt0 as the specific volumes at the beginning and end of the expansion in the turbine, you can write

Se aprecia pues la importancia del cociente (fp 1)/Cp de cara a obtener un crecimiento considerable de V para un incremento dado de entropía.The importance of the quotient (fp 1) / Cp in order to obtain a considerable growth of V for a given entropy increase is appreciated.

Además, en la isentrópica de compresión las variaciones de T y de V son minúsculas, tomando la formaIn addition, in the isentropic of compression the variations of T and V are minuscule, taking the form

Donde los exponentes son muy pequeños en valor absoluto, típicamente gc=0,02 (y menor que 0,05, por restricción de las especificaciones) y m=0,05 (y menor que 0,1 por igual motivo). Where the exponents are very small in absolute value, typically gc = 0.02 (and less than 0.05, by restriction of the specifications) and m = 0.05 (and less than 0.1 for the same reason).

Si se plantea ahora cómo crece V a lo largo de una isóbara, a medida que aumenta su temperatura, y por ende su entropía, se denominan A0 y A1If one considers now how V grows along an isobar, as its temperature increases, and therefore its entropy, they are called A0 and A1

Y se obtiene, para los volúmenes específicos a la entrada y a la salida de la turbina, a través del comportamiento en las isóbaras alta y baja, la relaciónAnd you get, for the specific volumes at the entrance and exit of the turbine, through the behavior in the high and low isotopes, the relationship

_{_ _} v _P , _{_} v _P , _{_} _ r _m exp(^ ¿_ r _m exp (^ ₄₄ l _ _j l _ _j ₄₄ 0)0)

v,t o v, t o

Por otra parte, en la isentrópica de expansión se tieneOn the other hand, in the isentropic of expansion we have

TJ L = r atTJ L = r at

Tt0Tt0

Esto lleva a poder escribirThis leads to being able to write

Donde el exponente gt será muy aproximado a (y - l)/y.Para valores de TM por encima de dos veces la Tcr (en escala absoluta) que son los que tienen interés en estas aplicaciones, zM y zt0 son prácticamente iguales, de modo que su cociente puede tomarse como 1. Igualando esta última ecuación a la razón anteriormente escrita para esos mismos volúmenes, se obtiene la relación de cierre del cicloWhere the exponent gt will be very approximate to ( y - l) / y.For values of TM above two times the Tcr (in absolute scale) that are those that have interest in these applications, zM and zt0 are practically equal, of So that its quotient can be taken as 1. Equating this last equation to the previously written reason for those same volumes, you get the closing ratio of the cycle

Más importante aún para la caracterización del rendimiento es la comparación, en valor absoluto, de la pérdida de entalpía específica al subir por la isoterma de la temperatura de salida de la turbina, Tt0 , desde la presión P0 a P1, con la entalpía convertida en trabajo específico de la turbina, pues conviene que la primera sea pequeña respecto de esta última, para obtener un buen rendimiento; dado que, como mínimo, la fuente principal de calor tendrá que suministrar la suma de los valores absolutos de ambas cantidades, de lo cual sólo se transforma en trabajo útil la segunda de las cantidades. Si fpt0 es el factor logarítmico de dilatación isóbara, promediado a lo largo de la mencionada isoterma de Tt0, y Vt0 es el volumen específico a la salida de la turbina, el valor absoluto de su variación de entalpia específica, AHt0, esMore important for the performance characterization is the comparison, in absolute value, of the specific enthalpy loss when going up the isotherm of the exit temperature of the turbine, Tt0, from the pressure P0 to P1, with the enthalpy converted into specific work of the turbine, because it is convenient that the first is small with respect to the latter, to obtain a good performance; since, as a minimum, the main source of heat will have to supply the sum of the absolute values of both quantities, of which only the second quantity is transformed into useful work. If fpt0 is the logarithmic factor of isobaric dilation, averaged along the aforementioned isotherm of Tt0, and Vt0 is the specific volume at the output of the turbine, the absolute value of its specific enthalpy variation, AHt0, is

AHt0 = fPtoVt0P0Ln(r) AHt0 = fPtoVt0P0Ln ( r)

Y la entalpia específica convertida en trabajo específico de la turbina, AHtt, es (suponiendo que el valor de z es ya muy próximo a 1 en dicha isentrópica)And the specific enthalpy converted into turbine specific work, AHtt, is (assuming that the value of z is already very close to 1 in said isentropic)

Para tener un buen rendimiento, la entalpia cedida en la turbina AHtt ha de ser mayor que AHt0, lo cual comporta que fpt0 esté acotadoTo have a good performance, the enthalpy yielded in the AHtt turbine must be greater than AHt0, which means that fpt0 is bounded

Es importante señalar que para valores usuales de r en esta disciplina, entre 1,5 y 5, y valores asimismo usuales en gt, por debajo de 0,3; el valor que se obtiene en el cociente del miembro derecho de esta última ecuación es siempre ligeramente mayor que 1. Por ejemplo, para r=3 y gt=0,1 el valor de fpt0* es 1,057; y sube a 1,118 para gt=0,2. Con este último exponente y r=4 sale el valor 1,152.It is important to note that for usual values of r in this discipline, between 1.5 and 5, and values also usual in gt, below 0.3; the value obtained in the quotient of the right member of this last equation is always slightly greater than 1. For example, for r = 3 and gt = 0.1 the value of fpt0 * is 1.057; and goes up to 1,118 for gt = 0.2. With this last exponent and r = 4 the value 1,152 comes out.

Existe una línea isoterma de importancia, que corresponde a la de mayor pendiente media negativa en la representación con la entalpía específica en abscisas y la presión en ordenadas. Esta línea marca la asimetría en los calores específicos a presión constante, pues para temperaturas superiores a esta isoterma, es más alto el calor específico en la isóbara alta que en la baja, mientras que por debajo de esa isoterma ocurre lo contrario, y es mayor el calor especifico en la isóbara baja. Esta isoterma que marca la asimetría corresponde al mayor valor medio del producto V fp a lo largo de una isoterma entre P0 y P1; dentro de los límites marcados por T0 y TM; y se sitúa en la isoterma crítica o ligeramente por encima, hasta unas decenas de grados K.There is an important isotherm line, which corresponds to the one with the highest negative average slope in the representation with the specific enthalpy in abscissas and the pressure in ordinates. This line marks the asymmetry in the specific heats at constant pressure, because for temperatures higher than this isotherm, the specific heat is higher in the high isotope than in the low, while below that isotherm the opposite occurs, and is higher the specific heat in the isotope goes down. This isotherm that marks the asymmetry corresponds to the highest average value of the product V fp along an isotherm between P0 and P1; within the limits marked by T0 and TM; and is located in the critical isotherm or slightly above, up to a few tens of degrees K.

Cuando la temperatura de la asimetría coincide con la isoterma de la temperatura de salida del compresor, Tc, se produce la peor situación en cuanto al rendimiento, pues el foco caliente, o el auxiliar, pero a temperatura cercana a la de salida de la turbina, Tt, han de compensar toda la entalpia específica que no puede proporcionar el intercambiador regenerativo. Y esto es la diferencia de entalpía entre Tc y T0 a presión P0.When the temperature of the asymmetry coincides with the isotherm of the outlet temperature of the compressor, Tc, the worst situation occurs in terms of performance, because the hot spot, or auxiliary, but at a temperature close to the output of the turbine , Tt, have compensate for all the specific enthalpy that the regenerative exchanger can not provide. And this is the enthalpy difference between Tc and T0 at pressure P0.

Esta cercanía se limita fijando un máximo en los valores del factor logarítmico de dilatación isóbara en el punto de mínima entalpía del ciclo; además de fijar un valor mínimo para P0, por encima de Pcr, para limitar la entalpía no recuperable en la transferencia de calor regenerativa. Esta entalpía corresponde a:This closeness is limited by setting a maximum in the values of the logarithmic factor of isobaric dilatation in the point of minimum enthalpy of the cycle; besides setting a minimum value for P0, above Pcr, to limit the non-recoverable enthalpy in the regenerative heat transfer. This enthalpy corresponds to:

AHnñ ^{V m a xfp m ax} P l ô)AHnñ ^{V ma xfp m ax} P l ô)

Este valor depende notoriamente de P0, pues fpmax se puede identificar con el máximo valor de fp para la isóbara en cuestión. Es decir, el valor que adquiere fp en el corte entre la isóbara en cuestión y la línea de discontinuidad, que se introdujo como novedad en esta invención. Ello conduce a establecer la prescripción de que P0 sea igual o mayor que la presión para la cual se produce que la entalpía no recuperable es igual al trabajo específico de la turbina, es decirThis value depends notoriously on P0, since fpmax can be identified with the maximum value of fp for the isotope in question. That is, the value that fp acquires in the cut between the isotope in question and the line of discontinuity, which was introduced as a novelty in this invention. This leads to establish the prescription that P0 is equal to or greater than the pressure for which it occurs that the non-recoverable enthalpy is equal to the specific work of the turbine, ie

A su vez Vmax y Vt0 están relacionadas por la ecuaciónIn turn Vmax and Vt0 are related by the equation

siendo AS™ax la entropía, medida en P0, entre el punto de esa isóbara que tiene la temperatura de asimetría, Ta , y el de salida de la turbina. La prescripción completa puede escribirse como que P0 es la presión para la que se cumplebeing A S ™ ax the entropy, measured in P0, between the point of that isobar which has the temperature of asymmetry, Ta, and the output of the turbine. The full prescription can be written as P0 is the pressure for which it is met

( r a t — 1 ) ( rat - 1)

h ^{pm ax}exp AS^t h ^{pm ax} exp AS ^t ^{o 1or 1}

_gt(r _{- 1)}P _t— )p _o _{gt (r} _{- 1)} P _t -) p _o

Y como referencia general, con los valores usuales de los fluidos relevantes, se tiene que el máximo valor de fp es de 20, en el punto de corte de P0 con la línea de discontinuidad. Esto fija el valor de la presión en la isóbara baja.And as a general reference, with the usual values of the relevant fluids, we have that the maximum value of fp is 20, at the cut-off point of P0 with the discontinuity line. This sets the value of the pressure in the low isotope.

Por otro lado, en la isentrópica de compresión radica una parte crucial de la innovación, pues se busca un trabajo específico de compresión que sea bajo. Al mismo tiempo se busca que, en valor absoluto, sea también moderada la entalpia específica ganada por el fluido al pasar del punto P1, Tc al P0, Tc , es decir, a lo largo de la isoterma Tc. Ésta no es una línea termodinámica que represente una fase del ciclo, sino una disposición que se adopta para caracterizarlo. En concreto, la prescripción se puede definir por la igualdad entre ambos términos, que seríaOn the other hand, in the isentropic of compression lies a crucial part of the innovation, since a specific work of compression is sought that is low. At the same time you are looking that, in absolute value, the specific enthalpy gained by the fluid from the point P1, Tc to P0, Tc, that is, along the isotherm Tc, is also moderate. This is not a thermodynamic line that represents a phase of the cycle, but a disposition that is adopted to characterize it. Specifically, the prescription can be defined by the equality between both terms, which would be

VsÁP1 ~ Po) = VcfpÁPl ~ Po) VsÁP1 ~ Po) = VcfpÁPl ~ Po)

Y dado que VSc y Vc corresponden a dos líneas termodinámicas muy cercanas entre sí, tendrán valores muy similares, y por tanto fpc debe ser 1, o cercano a este valor, pero no mucho mayor.And since VSc and Vc correspond to two thermodynamic lines very close to each other, they will have very similar values, and therefore fpc must be 1, or close to this value, but not much higher.

Como consecuencia de esta caracterización novedosa de la termodinámica de un ciclo sin condensación, se ha configurado esta invención, que se materializa en prescripciones fundamentales para definir el ciclo. Éstas son:As a consequence of this novel characterization of the thermodynamics of a non-condensing cycle, this invention has been configured, which is embodied in fundamental prescriptions to define the cycle. These are:

el valor de la presión de la isóbara baja, P0, que ha de ser superior a la presión crítica, se escoge de tal modo que el punto en que corta a la isoterma T0, que es la de mínima temperatura que alcanza el fluido de trabajo, tenga un valor del denominado factor logarítmico de dilatación isóbara menor que 6; siendo 1 el valor de referencia especificado por esta invención;the value of the pressure of the low isotope, P0, which must be higher than the critical pressure, is chosen in such a way that the point where it cuts the isotherm T0, which is the minimum temperature reached by the working fluid , have a value of the so-called logarithmic factor of isotope dilatation less than 6; 1 being the reference value specified by this invention;

el valor del denominado factor logarítmico de dilatación isóbara, promediado a lo largo de la isentrópica de compresión, no excede de 3; siendo 0,5 el valor de referencia especificado por esta invención;the value of the so-called logarithmic factor of isobaric dilatation, averaged over the isentropic compression, does not exceed 3; 0.5 being the reference value specified by this invention;

el valor del denominado factor logarítmico de dilatación isóbara, promediado a lo largo de la línea isoterma de temperatura igual a la temperatura de salida de la turbina, desde la presión de baja P0 a la presión de alta P1, no excede de 2,5; siendo 0,5 el valor de referencia especificado por esta invención;the value of the so-called logarithmic factor of isobaric expansion, averaged along the isothermal line of temperature equal to the outlet temperature of the turbine, from the low pressure P0 to the high pressure P1, does not exceed 2.5; 0.5 being the reference value specified by this invention;

el cociente entre la presión de alta P1 y presión de baja P0, llamado relación de compresión, r, cumple la relación de cierre del ciclothe quotient between the high pressure P1 and the low pressure P0, called the compression ratio, r, meets the cycle closing ratio

donde gt es el exponente de la variación de la temperatura, respecto de la presión, en la isentrópica de expansión; m es el valor absoluto del exponente de la variación del volumen específico, respecto de la presión, en la isentrópica de compresión; y A0 y A1 son respectivamente, para las isóbaras baja y alta, el valor del incremento de entropía multiplicado por el promedio a lo largo de la isóbara, del cociente entre el factor logarítmico de dilatación isóbara, más 1, y el calor específico a presión constante.where gt is the exponent of the variation of temperature, with respect to pressure, in the isentropic expansion; m is the absolute value of the exponent of the variation of the specific volume, with respect to the pressure, in the isentropic compression; and A0 and A1 are, respectively, for the low and high isotopes, the value of the entropy increase multiplied by the average along the isobar, the quotient between the logarithmic factor of isobar dilation, plus 1, and the specific heat at constant pressure.

La invención del proceso se completa con las especificaciones de los componentes en los que se materializan estos ciclos, y particularmente en los intercambiadores de calor regenerativos, que en la invención no son de una pieza continua, con dos flujos del mismo fluido a distinta presión en contracorriente, uno que se calienta, siendo éste el de alta presión, y otro que se enfría, siendo éste el de baja presión, sino que en la invención, al intercambiador regenerativo se le añade un flujo auxiliar (no regenerativo) de calentamiento del fluido de trabajo a alta presión, y se selecciona la actuación de este flujo auxiliar, siempre en contracorriente, de modo que sea de forma continua o de forma discreta, The invention of the process is completed with the specifications of the components in which these cycles materialize, and particularly in the regenerative heat exchangers, which in the invention are not of a continuous piece, with two flows of the same fluid at different pressure in countercurrent, one that is heated, this being the high pressure, and another that is cooled, this being the low pressure, but in the invention, to the regenerative exchanger is added an auxiliary flow (non-regenerative) of fluid heating of high-pressure work, and the action of this auxiliary flow is selected, always in countercurrent, so that it is continuous or discreet,

- y en el modo continuo se añade el flujo auxiliar de calentamiento como un tercer flujo, que o bien aporta el calor al fluido de baja presión, que por otra superficie de contacto calienta al fluido de alta presión, o bien aporta el calor directamente al fluido de alta presión, por una superficie de contacto distinta de la que separa los dos flujos del mismo fluido;- and in the continuous mode the auxiliary heating flow is added as a third flow, which either provides the heat to the low pressure fluid, which on the other contact surface heats the high pressure fluid, or it supplies the heat directly to the high pressure fluid, by a contact surface other than that which separates the two flows of the same fluid;

- y en el modo discreto, se secciona el intercambiador regenerativo al menos en dos partes, introduciendo entre dos partes consecutivas un intercambiador auxiliar a contracorriente en el que el fluido de baja presión no interviene, y el fluido de alta presión se calienta, a partir del flujo auxiliar de calentamiento, que proviene de una fuente auxiliar de menor temperatura que la que lleva al fluido de trabajo hasta su estado de máxima entalpía.- and in the discrete mode, the regenerative exchanger is divided into at least two parts, introducing between two consecutive parts a countercurrent auxiliary exchanger in which the low pressure fluid does not intervene, and the high pressure fluid is heated, starting from of the auxiliary heating flow, which comes from an auxiliary source of lower temperature than that which leads the working fluid to its state of maximum enthalpy.

EXPLICACIÓN DE LAS FIGURASEXPLANATION OF THE FIGURES

Las figuras corresponden en muchos casos a diagramas termodinámicos, bien de tipo general, bien de un fluido representativo, como es el refrigerante comercial R-125, que es el penta-fluoruro de etilo.The figures correspond in many cases to thermodynamic diagrams, either of a general type or of a representative fluid, such as the commercial refrigerant R-125, which is ethyl penta fluoride.

La figura 1 muestra un esquema de un montaje de un dispositivo en el que se podría materializar el proceso de la invención. Figure 1 shows a schematic of a mounting of a device in which the process of the invention could be embodied.

La figura 2 muestra un diagrama termodinámico básico, del R 125, usando la entalpia específica como abscisa y la presión, en escala logarítmica, como ordenada.Figure 2 shows a basic thermodynamic diagram of the R 125, using the specific enthalpy as abscissa and the pressure, in logarithmic scale, as ordinate.

La figura 3 muestra un diagrama del R 125 con exposición de curvas de nivel de z y de fp. Figure 3 shows a diagram of the R 125 with exposure of z and fp level curves .

La figura 4 es similar a la 3, pero ampliando la parte de alta entalpía para llegar al dominio del gas ideal.Figure 4 is similar to 3, but expanding the high enthalpy part to reach the ideal gas domain.

La figura 5 incluye en el diagrama la traza de un ciclo del tipo prescrito en la invención.Figure 5 includes in the diagram the trace of a cycle of the type prescribed in the invention.

La figura 6 expone tan sólo las fases del ciclo y sus elementos relevantes, sin las líneas del diagrama.Figure 6 shows only the phases of the cycle and their relevant elements, without the lines of the diagram.

La figura 7 muestra dos disposiciones, (a) y (b) de montaje del tercer flujo, o flujo auxiliar continuo.Figure 7 shows two arrangements, (a) and (b) mounting the third flow, or continuous auxiliary flow.

La figura 8 muestra un intercambiador regenerativo seccionado en partes, con el calentamiento auxiliar (no regenerativo) efectuado entre secciones consecutivas.Figure 8 shows a regenerative exchanger sectioned in parts, with auxiliary (non-regenerative) heating effected between consecutive sections.

Para mejorar la comprensión de la explicación de las figuras se enumeran a continuación los elementos que componen la invención:To improve the understanding of the explanation of the figures, the elements that make up the invention are listed below:

1. Turbina (de gas)1. Turbine (gas)

2. Escape de la turbina y conexión con el circuito de baja presión del intercambiador regenerativo2. Exhaust from the turbine and connection to the low pressure circuit of the regenerative exchanger

3. Circuito de baja presión del intercambiador regenerativo3. Low pressure circuit of the regenerative exchanger

4. Intercambiador regenerativo4. Regenerative exchanger

5. Salida del circuito de baja presión del intercambiador regenerativo5. Low pressure circuit output of the regenerative exchanger

6. Circuito del fluido de trabajo en el sumidero de calor6. Working fluid circuit in the heat sink

7. Sumidero de calor7. Heat sink

8. Salida del fluido de trabajo del sumidero de calor, y conexión a la entrada del compresor 8. Exit of the working fluid from the heat sink, and connection to the compressor inlet

Entrada del refrigerante exterior del sumidero de calorInput of the external coolant of the heat sink

Salida del refrigerante exterior del sumidero de calorOutlet of the external coolant from the heat sink

CompresorCompressor

Salida del compresor y conexión con el circuito de alta presión del intercambiador regenerativoCompressor output and connection to the high pressure circuit of the regenerative exchanger

Circuito de alta presión del intercambiador regenerativoHigh pressure circuit of the regenerative exchanger

Foco calorífico auxiliarAuxiliary heat source

Circuito a contracorriente del fluido de calentamiento auxiliarCountercurrent circuit of auxiliary heating fluid

Salida del circuito de alta presión del intercambiador regenerativo y conexión con el foco calienteOutput of the high pressure circuit of the regenerative exchanger and connection to the hot spot

Foco calienteHot spot

Salida del fluido a alta presión y a la más alta temperatura, para entrada en la turbinaFluid outlet at high pressure and at the highest temperature, for entry into the turbine

En la sección recta del intercambiador de calor regenerativo con calentamiento auxiliar continuo desde el flujo auxiliar al de baja presión, tubo por el que circula el fluido a alta presión.In the straight section of the regenerative heat exchanger with continuous auxiliary heating from the auxiliary flow to the low pressure, tube through which the fluid flows at high pressure.

En la sección recta del intercambiador de calor regenerativo con calentamiento auxiliar continuo desde el flujo auxiliar al de baja presión, conducción de sección anular por el que circula el fluido a baja presión.In the straight section of the regenerative heat exchanger with continuous auxiliary heating from the auxiliary flow to the low pressure, ring section conduction through which the fluid circulates at low pressure.

En la sección recta del intercambiador de calor regenerativo con calentamiento auxiliar continuo desde el flujo auxiliar al de baja presión, conducción de sección anular por el que circula el fluido auxiliar.In the straight section of the regenerative heat exchanger with continuous auxiliary heating from the auxiliary flow to the low pressure, annular section conduction through which the auxiliary fluid circulates.

En la variante dada para las etiquetas numéricas 19, 20 y 21, flujo de calor desde el fluido de baja presión al de alta.In the given variant for the numerical labels 19, 20 and 21, heat flow from the low pressure fluid to the high.

En la variante dicha en 22, flujo de calor desde el fluido auxiliar al de baja presión.In the variant said in 22, heat flow from the auxiliary fluid to the low pressure fluid.

Aplicable a la variante en la que el flujo auxiliar calienta directamente al fluido a alta presión, y es la marca que indica ese flujo de calor. En este caso, representado en la figura 7b, el fluido de alta presión circula por la conducción anular 19b, y el de baja presión, por el tubo central 20b, pasando en este caso el calor, según se indica en 22b, desde el tubo central al anular que le rodea.Applicable to the variant in which the auxiliary flow directly heats the fluid at high pressure, and is the mark that indicates that flow of heat. In this case, represented in FIG. 7b, the high-pressure fluid circulates through the annular conduit 19b, and the low-pressure fluid, through the central tube 20b, passing in this case the heat, as indicated at 22b, from the tube. central to the ring around him.

Foco caliente principalMain hot spot

Foco caliente auxiliarAuxiliary hot spot

Calentadores auxiliares del fluido a alta presión, según la línea LT1 Secciones o partes del intercambiador regenerativo. Auxiliary high pressure fluid heaters, according to line LT1 Sections or parts of the regenerative exchanger.

En los diagramas aparecen diversas líneas definidas por una propiedad, o por ser constante el valor de una variable dada. La letra H siempre representa entalpia específica en kJ/kg, esté en mayúscula o minúscula. Las etiquetas empleadas en las figuras son:The diagrams show several lines defined by a property, or because the value of a given variable is constant. The letter H always represents a specific enthalpy in kJ / kg, whether it is uppercase or lowercase. The labels used in the figures are:

LB: línea bajo la cual coexisten las fases de líquido y vapor, es decir, zona bifásica. LB: line under which the liquid and vapor phases coexist, that is, biphasic zone.

LD: línea de discontinuidad secundaria, en la cual se alcanza el mayor valor del factor f para cada presión.LD: line of secondary discontinuity, in which the highest value of the factor f is reached for each pressure.

Pcr: punto crítico.Pcr: critical point.

Para hacer inequívocos los diagramas de entalpía-presión de las figuras 2,3 y 4 se emplean cinco conjuntos de etiquetas, correspondientes a una letra seguida de un número, siendo las letrasTo make unambiguous the enthalpy-pressure diagrams of figures 2, 3 and 4, five sets of labels are used, corresponding to a letter followed by a number, the letters being

V: volumen específicoV: specific volume

T: temperaturaT: temperature

S: entropíaS: entropy

Z: factor de compresibilidadZ: compressibility factor

F: factor logarítmico de dilatación isóbaraF: logarithmic factor of isotate dilation

La especificación completa de las etiquetas mostradas, es:The complete specification of the labels shown is:

V1=0,0008 m3/kgV1 = 0.0008 m3 / kg

V2=0,001 m3/kgV2 = 0.001 m3 / kg

V3=0,002 m3/kgV3 = 0.002 m3 / kg

V4=0,005 m3/kgV4 = 0.005 m3 / kg

V5=0,015 m3/kgV5 = 0.015 m3 / kg

V6=0,04 m3/kgV6 = 0.04 m3 / kg

T1=0°CT1 = 0 ° C

T2=100°CT2 = 100 ° C

T3=200 °CT3 = 200 ° C

T4=300 °CT4 = 300 ° C

T5=400 °CT5 = 400 ° C

T6=500 °C T6 = 500 ° C

T7= 10 °C T8= 32 °C T9= 66 °C T10= 99 °C T11=134°C S1= 1,2 kJ/kgK S2= 1,6 kJ/kgK S3=2 kJ/kgK S4= 2,4 kJ/kgK S5= 1 kJ/kgK S6=1,2 kJ/kgK S7=1,4 kJ/kgK S8= 1,6 kJ/kgK S9= 1,8 kJ/kgK Z1= 0,1 Z2=0,2 Z3=0,4 Z4=0,6 Z5=0,8T7 = 10 ° C T8 = 32 ° C T9 = 66 ° C T10 = 99 ° C T11 = 134 ° C S1 = 1.2 kJ / kgK S2 = 1.6 kJ / kgK S3 = 2 kJ / kgK S4 = 2 , 4 kJ / kgK S5 = 1 kJ / kgK S6 = 1.2 kJ / kgK S7 = 1.4 kJ / kgK S8 = 1.6 kJ / kgK S9 = 1.8 kJ / kgK Z1 = 0.1 Z2 = 0.2 Z3 = 0.4 Z4 = 0.6 Z5 = 0.8

Z6=1Z6 = 1

F1 = 19F1 = 19

F2=7F2 = 7

F3=3F3 = 3

F4=1F4 = 1

F5=0 Además en las figuras en las que se representa el ciclo, o parte de él, como es el calentamiento parcialmente regenerativo, se emplean etiquetas con las siglas siguientes:F5 = 0 In addition, in the figures in which the cycle is represented, or part of it, as is the partially regenerative heating, labels with the following abbreviations are used:

LP para isóbaras. La marca LP0 señala precisamente la línea en la cual la presión es constante y vale P0. LP1 es la isóbara alta. También se usan como etiquetas para designar dichas isóbaras P0 y P1.LP for isobars. The LP0 mark indicates precisely the line in which the pressure is constant and is P0. LP1 is the high isobar. They are also used as labels to designate said isomers P0 and P1.

LT para las isotermas, como es el caso de la de mayor inclinación en el diagrama (entalpía, log P) que es la línea LTa. Nótese que la etiqueta LTpa es una línea paralela a la línea LTa. También se usan las etiquetas Tpa y Ta para designar respectivamente a estas dos últimas isotermas; y además Tt para designar a la isoterma de la temperatura de escape de la turbina, y Tc para la de la impulsión desde el compresor.LT for isotherms, as is the case of the highest inclination in the diagram (enthalpy, log P) which is the line LTa. Note that the LTpa tag is a line parallel to the line LTa. The tags Tpa and Ta are also used to designate respectively these last two isotherms; and in addition Tt to designate the isotherm of the exhaust temperature of the turbine, and Tc for the one of the impulsion from the compressor.

T0 es la temperatura del punto de mínima entalpía del ciclo, y TM el de máxima entalpía.T0 is the temperature of the point of minimum enthalpy of the cycle, and TM that of maximum enthalpy.

LSc es la isentrópica de compresión (también como Sc).LSc is the isentropic compression (also as Sc).

LSt es al isentrópica de expansión en la turbina (también denotada St)LSt is the isentropic expansion in the turbine (also denoted St)

En la figura 8, LTP0 es la línea de enfriamiento, hasta Ta, de la isóbara baja; y LTP1 es la línea de calentamiento de la isóbara alta, que conjuga partes regenerativas, recibiendo calor desde la isóbara baja, con partes en las que se calienta con el fluido auxiliar.In Figure 8, LTP0 is the cooling line, up to Ta, of the low isobar; and LTP1 is the heating line of the high isotope, which combines regenerative parts, receiving heat from the low isotope, with parts in which it is heated with the auxiliary fluid.

MODO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓNMODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

La invención se materializa disponiendo de un conjunto de elementos o componentes de ingeniería térmica, que van desde el compresor (11) a la turbina (1), pasando por el intercambiador regenerativo (4), más los medios (14, 17) para calentar el fluido de alta presión con los medios auxiliares, bien de forma continua, bien a saltos. La materialización incluye como cuestión esencial fijar los niveles de las variables relevantes en la definición del ciclo, cumpliendo las prescripciones ya expresadas. Estos niveles dependen sustancialmente del fluido de trabajo que se use. The invention is embodied by having a set of elements or components of thermal engineering, ranging from the compressor (11) to the turbine (1), through the regenerative exchanger (4), plus the means (14, 17) to heat the high pressure fluid with the auxiliary means, either continuously or in jumps. The materialization includes as an essential issue to fix the levels of the relevant variables in the definition of the cycle, fulfilling the prescriptions already expressed. These levels depend substantially on the working fluid that is used.

La figura 1 muestra un esquema que visualiza una forma preferente de realización de la invención. El dispositivo sobre el que se realiza el ciclo termodinámico comprende una turbina de gas (1), cuyo escape (2) se conecta con un circuito de baja presión (3) de un intercambiador regenerativo (4) que, como se ve más adelante, también dispone de un circuito de alta presión. La salida (5) de dicho circuito de baja presión (3) se conecta con un sumidero de calor (7) a través del correspondiente circuito (6) del fluido de trabajo en dicho sumidero. Este sumidero de calor (7) está refrigerado, contando con una entrada (9) y una salida (10) del refrigerante exterior del sumidero de calor. La salida (8) del fluido de trabajo del sumidero de calor (7), fija las condiciones en las que dicho fluido de trabajo entra en el compresor (11).Figure 1 shows a diagram showing a preferred embodiment of the invention. The device on which the thermodynamic cycle is carried out comprises a gas turbine (1), whose exhaust (2) is connected to a low pressure circuit (3) of a regenerative exchanger (4) which, as seen below, It also has a high pressure circuit. The outlet (5) of said low pressure circuit (3) is connected to a heat sink (7) through the corresponding circuit (6) of the working fluid in said sump. This heat sink (7) is cooled, having an inlet (9) and an outlet (10) of the external coolant of the heat sink. The outlet (8) of the working fluid of the heat sink (7), sets the conditions under which said working fluid enters the compressor (11).

Una vez que el fluido de trabajo ha finalizado su evolución en el compresor (11), la salida (12) del compresor (11) supone la conexión al circuito de alta presión (13) del intercambiador regenerativo (4). Dicho intercambiador regenerativo (4) dispone de un foco calorífico auxiliar (14) que alimenta al intercambiador (4) mediante un circuito a contracorriente (15). Así, cuando el fluido de trabajo evoluciona por la salida (16) del circuito de alta presión (13) del intercambiador regenerativo (4), está en condiciones de iniciar su evolución en el foco caliente (17), aumentando su entalpía. A la salida (18) de dicho foco caliente (17), el fluido se encuentra en condiciones de evolucionar en la turbina (1), iniciándose así un nuevo ciclo.Once the working fluid has finished its evolution in the compressor (11), the output (12) of the compressor (11) assumes the connection to the high pressure circuit (13) of the regenerative exchanger (4). Said regenerative exchanger (4) has an auxiliary heat source (14) that supplies the exchanger (4) by means of a countercurrent circuit (15). Thus, when the working fluid evolves through the outlet (16) of the high pressure circuit (13) of the regenerative exchanger (4), it is able to start its evolution in the hot focus (17), increasing its enthalpy. At the outlet (18) of said hot focus (17), the fluid is able to evolve in the turbine (1), thus initiating a new cycle.

Las principales características del ciclo termodinámico característico de esta invención se muestran en la figura 6.The main characteristics of the characteristic thermodynamic cycle of this invention are shown in Figure 6.

En las figuras 7a y 7b se muestran diferentes disposiciones de realización del intercambiador regenerativo (4) actuando en modo continuo. En la figura 7a se aprecian diferentes secciones por las que circulan fluidos; así, la referencia (19) indica el fluido de alta presión que circula por el intercambiador (4); la referencia (20) señala el fluido de baja presión que circula por el intercambiador (4), y la referencia (21) muestra la sección por la que circula el fluido auxiliar procedente del foco calorífico (14). La referencia (23) representa la transferencia de calor que se da desde el fluido auxiliar que circula por la sección (21) al fluido de baja presión que circula por la sección (20). Similarmente, la referencia (22) representa la transferencia de calor que se da desde el fluido de baja presión que circula por la sección (20) al fluido de alta presión que circula por la sección (19).In figures 7a and 7b different embodiments of the regenerative exchanger (4) acting in continuous mode are shown. In figure 7a different sections are seen through which fluids circulate; thus, reference (19) indicates the high pressure fluid circulating in the exchanger (4); reference (20) indicates the low pressure fluid circulating in the exchanger (4), and reference (21) shows the section through which the auxiliary fluid from the heat source (14) circulates. The reference (23) represents the heat transfer that occurs from the auxiliary fluid flowing through the section (21) to the low pressure fluid circulating through the section (20). Similarly, the reference (22) represents the heat transfer that occurs from the low pressure fluid circulating through the section (20) to the high pressure fluid circulating through the section (19).

En la figura 7b se muestra otra configuración sobre el funcionamiento del intercambiador regenerativo (4) en el modo continuo de funcionamiento. La referencia (19b) indica el fluido de alta presión que circula por el intercambiador (4); la referencia (20b) señala el fluido de baja presión que circula por el intercambiador (4), y la referencia (21) muestra la sección por la que circula el fluido auxiliar procedente del foco calorífico (14). La referencia (24) representa la transferencia de calor que se da desde el fluido auxiliar que circula por la sección (21) al fluido de alta presión que circula por la sección (19b). Similarmente, la referencia (22b) representa la transferencia de calor que se da desde el fluido de baja presión que circula por la sección (20b) al fluido de alta presión que circula por la sección (19b). Es decir, en la figura 7b el fluido a alta presión confinado en la sección (19b) se encuentra "rodeado internamente” por el fluido a baja presión de la sección (20b), y "externamente” por el fluido auxiliar de la sección (21) procedente del foco calorífico (14). Tanto en el caso de la figura 7a como en el de la figura 7b lo que se consigue es aportar al fluido a alta presión el calor complementario que el calentamiento regenerativo no puede transferir. Este calor lo suministra una fuente auxiliar, a menor temperatura que la principal.In figure 7b another configuration is shown on the operation of the regenerative exchanger (4) in the continuous mode of operation. The reference (19b) indicates the high pressure fluid circulating in the exchanger (4); reference (20b) indicates the low pressure fluid circulating in the exchanger (4), and reference (21) shows the section through which the auxiliary fluid from the heat source (14) circulates. The reference (24) represents the heat transfer that occurs from the auxiliary fluid circulating through the section (21) to the high pressure fluid circulating through the section (19b). Similarly, the reference (22b) represents the heat transfer that occurs from the low pressure fluid circulating through the section (20b) to the high pressure fluid circulating through the section (19b). That is, in Figure 7b the high pressure fluid confined in the section (19b) is "internally surrounded" by the low pressure fluid of the section (20b), and "externally" by the auxiliary fluid of the section (20b). 21) from the heat source (14). Both in the case of Figure 7a and that of Figure 7b, what is achieved is to provide the high-pressure fluid with the complementary heat that the regenerative heating can not transfer. This heat is supplied by an auxiliary source, at a lower temperature than the main one.

En la figura 8 se muestra la disposición de realización del intercambiador regenerativo (4) actuando en modo discreto. El intercambiador de calor regenerativo se divide en secciones (28), introduciendo entre cada una de ellas un intercambiador de calor auxiliar (27) en el que se calienta el fluido de alta presión a partir de un flujo auxiliar proveniente de una fuente auxiliar (26) de menor temperatura que la principal (25).In figure 8 the embodiment of the regenerative exchanger (4) acting in discrete mode is shown. The regenerative heat exchanger is divided into sections (28), introducing between each of them an auxiliary heat exchanger (27) in which the high pressure fluid is heated from an auxiliary flow from an auxiliary source (26). ) of lower temperature than the main one (25).

Los materiales para construir esos elementos serán en general de metales convencionales, pues al fluido de trabajo no le tienen por qué acompañar propiedades muy intensas en corrosión y similares, sino más bien al contrario, manifestar propiedades bastante inertes; siendo ejemplos de esto el CO2 y el refrigerante R-125 (que es el pentafluoruro de etilo).The materials to build these elements will be in general of conventional metals, because the working fluid need not accompany very strong corrosion and similar properties, but rather on the contrary, manifest quite inert properties; examples of this being CO2 and refrigerant R-125 (which is ethyl pentafluoride).

La exigencia básica que ha de cumplir el fluido de trabajo es que su temperatura crítica sea varios grados centígrados superior a la temperatura ambiental más alta que se tenga para refrigerar. En eso los dos fluidos de trabajo citados tienen notables diferencias, porque la temperatura crítica del CO2 es de 31 °C y la del R-125 de 66 °C. Hay por tanto mucho más margen en general para trabajar con este último, que además tiene una presión crítica menor que la mitad del CO2, que es de casi 74 bar (7,37 MPa), mientras que la del R-125 es de 36 bar.The basic requirement to be fulfilled by the working fluid is that its critical temperature is several degrees Celsius higher than the highest environmental temperature one has to cool. In that the two fluids of work cited have notable differences, because the The critical temperature of CO2 is 31 ° C and that of R-125 is 66 ° C. There is therefore much more margin in general to work with the latter, which also has a critical pressure less than half the CO2, which is almost 74 bar (7.37 MPa), while that of the R-125 is 36 Pub.

A modo de ejemplo, si se toma un ciclo en el que se usa R-125 como fluido de trabajo, definido por una temperatura mínima T0=50 °C, una temperatura máxima TM=500 °C, una presión de baja ligeramente por encima de la crítica, en concreto P0=1,01Pcr, y un ratio de compresión r=3, se observa que la máxima eficiencia que se puede obtener sin añadir fuentes auxiliares de calor es 0,41.As an example, if you take a cycle in which R-125 is used as working fluid, defined by a minimum temperature T0 = 50 ° C, a maximum temperature TM = 500 ° C, a low pressure slightly above of the criticism, specifically P0 = 1.01Pcr, and a compression ratio r = 3, it is observed that the maximum efficiency that can be obtained without adding auxiliary sources of heat is 0.41.

Sin embargo, considerando que el coste de la fuente de calor aumenta proporcionalmente al cuadrado de la temperatura (lo cual es fácilmente imaginable si uno piensa en aplicaciones termosolares donde aumentar la temperatura de la fuente incrementa considerablemente el coste de los equipos necesarios para tal fin), se obtendría que, para el ciclo mencionado, el añadir una fuente auxiliar (ya sea para usarla de manera continua o discreta) a una temperatura de 250 °C, daría lugar a una eficiencia igual a 0,57, y en el caso de añadir dos fuentes auxiliares, una a 200 °C y otra a 325 °C, la eficiencia ascendería a 0,61, es decir, casi un 50% superior a la conseguida sin añadir las fuentes auxiliares descritas en la invención.However, considering that the cost of the heat source increases proportionally to the square of the temperature (which is easily imaginable if one thinks of thermo-solar applications where increasing the temperature of the source considerably increases the cost of the equipment necessary for that purpose) , it would be obtained that, for the mentioned cycle, adding an auxiliary source (either for continuous or discrete use) at a temperature of 250 ° C, would give an efficiency equal to 0.57, and in the case of adding two auxiliary sources, one at 200 ° C and another at 325 ° C, the efficiency would amount to 0.61, that is, almost 50% higher than that achieved without adding the auxiliary sources described in the invention.

En el ejemplo anterior, con el fin de considerar el coste de la temperatura, el rendimiento se ha definido como sigueIn the previous example, in order to consider the cost of temperature, the performance has been defined as follows

Wt -W c 2Wt -W c 2

??e Z Q - T 2^{1 M} ?? e ZQ - T 2 ^{1 M}

siendo Wt el trabajo específico hecho por la turbina, Wc el trabajo específico consumido por el compresor, Q el calor aportado por cada fuente, a su temperatura T, que sólo iguala a TM en el caso del foco principal de calentamiento.being Wt the specific work done by the turbine, Wc the specific work consumed by the compressor, Q the heat contributed by each source, at its temperature T, which only equals TM in the case of the main heating focus.

Aunque el CO2 ofrezca menos margen de temperatura y requiera mayores presiones, no debe ser descartado. Hay que tener en cuenta que se puede acercar más T0 a Tcr si se sube un poco P0 sobre Pcr, ya que se aumenta la temperatura a la cual se produce la máxima variación de entalpía. Although CO2 offers less room temperature and requires higher pressures, it should not be discarded. Keep in mind that you can get closer T0 to Tcr if you raise a little P0 over Pcr, since the temperature at which the maximum enthalpy variation occurs is increased.

Si se considera la isóbara de 8 MPa, los valores de fp para las temperaturas del rango de interés sonIf the isotope of 8 MPa is considered, the values of fp for the temperatures of the range of interest are

Incluso en el límite de T0=30 °C, que estaría en el borde de la prescripción fundamental, se encuentra que en su isentrópica desde 8 MPa se llega a 20 MPa (es decir, con r=2,5) con una temperatura de 50 °C, lo que representa un exponente térmico gc= 0,07 que es aceptable (pero también al límite). Asimismo, la densidad sube desde 700 kg/m3 a 775, lo que significa que el valor del exponente m=0,111.Even in the limit of T0 = 30 ° C, which would be at the edge of the fundamental prescription, it is found that in its isentropic from 8 MPa it reaches 20 MPa (ie, with r = 2.5) with a temperature of 50 ° C, which represents a thermal exponent gc = 0.07 that is acceptable (but also at the limit). Also, the density goes up from 700 kg / m3 to 775, which means that the value of the exponent m = 0.111.

Precisamente por estar tan en el límite, la diferencia de entalpia específica entre el punto de T=50 °C y T=30 °C a 8 MPa es muy alta, de 135 kJ/kg. Este calor se ha de extraer precisamente con el foco frío exterior, y se ha de reponer con el fluido auxiliar en el fluido a alta presión, antes de que reciba el calentamiento final en el foco principal.Precisely because it is so far in the limit, the specific enthalpy difference between the point of T = 50 ° C and T = 30 ° C to 8 MPa is very high, of 135 kJ / kg. This heat must be extracted precisely with the external cold focus, and it must be replaced with the auxiliary fluid in the fluid under high pressure, before it receives the final heating in the main focus.

Si se considera una TM =773 K, con un comportamiento del CO2 en la turbina de gas ideal, saldría (expandiéndose de 20 MPa a 8) a 630 K; y produciría un trabajo específico de 120 kJ/kg. El trabajo de compresión sería de 15 kJ/kg. Sin considerar ningún tipo de pérdidas térmicas, el rendimiento sería de (120-15)/(120+135)=0,41.If a TM = 773 K is considered, with a behavior of CO2 in the ideal gas turbine, it would leave (expanding from 20 MPa to 8) to 630 K; and would produce a specific work of 120 kJ / kg. The compression work would be 15 kJ / kg. Without considering any type of thermal losses, the yield would be (120-15) / (120 + 135) = 0.41.

Los anteriores datos ponen de manifiesto la amplitud de posibilidades que existen para materializar esta invención, que fundamentalmente se basa en elaborar un mapa de los valores del factor fp en la ventana de diseño de interés, en función de la disponibilidad de fuente de calor, concretada en TM y de refrigeración exterior, en T0. The above data show the wide range of possibilities that exist to materialize this invention, which basically is based on making a map of the values of the factor fp in the design window of interest, depending on the availability of heat source, specified in TM and external cooling, in T0.

Corresponde ahora especificar las prescripciones del fluido del calentamiento auxiliar, que se concretan sobre todo en el caudal másico o gasto (en kg/s) que ha de fluir para hacer posible el calentamiento complementario al regenerativo. En el caso del modo de funcionamiento continuo, el intercambiador de calor regenerativo (4), dispone de un foco calorífico auxiliar (14) que alimenta dicho intercambiador (4) mediante un circuito a contracorriente (15), y se denomina m’x al gasto másico del flujo auxiliar, cuya temperatura se denota por Tx y tiene un calor específico a presión constante Cpx, y m’ al gasto másico del fluido de trabajo del Brayton, y Cp1 y Cp0 a los calores específicos a presión constante en las isóbaras de alta y baja, el gasto m’x esIt is now necessary to specify the prescriptions of the auxiliary heating fluid, which are specified above all in the mass flow or expense (in kg / s) that has to flow to make possible the complementary heating to the regenerative one. In the case of the continuous operation mode, the regenerative heat exchanger (4) has an auxiliary heat source (14) which supplies said exchanger (4) by means of a countercurrent circuit (15), and is called m'x al mass flow of the auxiliary flow, whose temperature is denoted by Tx and has a specific heat at constant pressure Cpx, and m ' at the mass flow of the working fluid of the Brayton, and Cp1 and Cp0 at the specific heats at constant pressure in the isobars of high and low, the m'x expense is

Cpi Cp0Cpi Cp0

m x = mm x = m

-‘px-'Px

Para el caso del dispositivo representado en la figura 7(a), en el intercambiador de calor regenerativo (4):For the case of the device shown in Figure 7 (a), in the regenerative heat exchanger (4):

o se produce una transferencia de calor (23) desde un fluido auxiliar procedente de un foco (14), que circula por una sección (21) del intercambiador (4), al fluido de baja presión (3) que circula por otra sección (20);or a heat transfer (23) is produced from an auxiliary fluid from a focus (14), which circulates through a section (21) of the exchanger (4), to the low pressure fluid (3) circulating through another section ( twenty);

o se produce una transferencia de calor (22) desde el fluido del circuito de baja presión (3) que circula por dicha sección (20), al fluido del circuito de alta presión (13) que circula por otra sección (19) del intercambiador (4)or a heat transfer (22) is produced from the fluid of the low pressure circuit (3) circulating through said section (20), to the fluid of the high pressure circuit (13) circulating through another section (19) of the exchanger (4)

y se da la jerarquía térmica Tx>T0>T1 entre las temperaturas del flujo auxiliar, Tx, del flujo de baja presión T0 y de alta presión T1, dependiendo la relación entre ellas de los valores del Número de Unidades de Transmisión, N, de cada interfaz de transmisión de calor, entre el flujo auxiliar y el de baja presión, Nx0 y entre éste y el de alta N01, teniendo cada N en el numerador el coeficiente global de transmisión de calor multiplicado por el área de trasmisión, y el denominador es el menor de los productos, de los dos fluidos involucrados, del gasto másico por el calor específico a presión constante, y se cumple la relaciónand the thermal hierarchy Tx>T0> T1 is given between the temperatures of the auxiliary flow, Tx, of the low pressure flow T0 and of high pressure T1, depending on the relation between them of the values of the Number of Transmission Units, N , of each heat transfer interface, between the auxiliary flow and the low pressure, Nx0 and between this and the high N01, each N in the numerator having the global coefficient of heat transmission multiplied by the transmission area, and the denominator it is the smallest of the products, of the two fluids involved, of the mass expense by the specific heat at constant pressure, and the relationship is fulfilled

que prescribe el valor requerido de Tx según se dimensionen los números de unidades de transmisión en las interfaces, siendo las tres líneas de las temperaturas paralelas entre sí.which prescribes the required value of Tx according to the dimensions of the transmission units in the interfaces, the three lines of temperatures being parallel to each other.

Para el dispositivo de la figura 7 (b), el flujo de alta presión con temperatura T1 es calentado por dos caras independientes, una desde el flujo de baja presión con T0 y otra desde el auxiliar con Tx; y el intercambiador en su conjunto funciona de modo equilibrado, con evoluciones paralelas en las tres temperaturas. En el intercambiador de calor regenerativo (4):For the device of Fig. 7 (b), the high pressure flow with temperature T1 is heated by two independent faces, one from the low pressure flow with T0 and the other from the auxiliary with Tx; and the exchanger as a whole works in a balanced way, with parallel evolutions in the three temperatures. In the regenerative heat exchanger (4):

o se produce una transferencia de calor (24) desde un fluido auxiliar procedente de un foco (14), que circula por una sección (21) del intercambiador (4), al fluido de alta presión (13) que circula por otra sección (19b);or a heat transfer (24) is produced from an auxiliary fluid from a focus (14), which circulates through a section (21) of the exchanger (4), to the high pressure fluid (13) circulating through another section ( 19b);

o se produce una transferencia de calor (22b) desde el fluido del circuito de baja presión (3) que circula por una sección (20b) del intercambiador (4), al fluido del circuito de alta presión (13) que circula por otra sección (19b) del intercambiador (4), or a heat transfer (22b) is produced from the fluid of the low pressure circuit (3) circulating through a section (20b) of the exchanger (4), to the fluid of the high pressure circuit (13) circulating through another section (19b) of the exchanger (4),

y las tres temperaturas cumplenand all three temperatures meet

N.N.

T0 - T i = V 0 - T x) XlT0 - T i = V 0 - T x) Xl

N, _{X l} ~N,01 N, _{X l} ~ N, 01

siendo Nx1 el número de unidades de transmisión entre el fluido auxiliar, cuya temperatura es Tx, y el fluido de alta presión, de temperatura T1, y siendo N01 el número de unidades de transmisión entre el fluido de baja presión, cuya temperatura es T0, y el fluido de alta presión; y cuando Nxl = N01, la solución es T0 = Tx, o viceversa. Nx1 being the number of transmission units between the auxiliary fluid, whose temperature is Tx, and the high-pressure fluid, temperature T1, and N01 being the number of transmission units between the low-pressure fluid, whose temperature is T0, and the high pressure fluid; and when Nxl = N01, the solution is T0 = Tx, or vice versa.

Una vez descrita de forma clara la invención, se hace constar que las realizaciones particulares anteriormente descritas son susceptibles de modificaciones de detalle siempre que no alteren el principio fundamental y la esencia de la invención. Once the invention is clearly described, it is noted that the particular embodiments described above are subject to modifications of detail provided they do not alter the fundamental principle and essence of the invention.

Claims

1. Thermodynamic cyclic process without condensation of the fluid and with prescriptions bounded on its points of minimum and maximum enthalpy, where the cycle works between an isobar of lower pressure, or low isotope, which is at P0, and a high isobar, or higher pressure, P1, existing:

- a compression phase, in which a compressor (11) sucks the fluid at its point of lowest specific enthalpy of the whole cycle, at pressure P0 and temperature T0, and elevates it in pressure throughout an isentropic evolution, until P1, leaving the compressor (11) with a temperature Tc;

- following a warm-up phase;

where the pressure P ⁰ is higher than the critical pressure of the working fluid, and the temperature T ⁰ is lower than the critical temperature of said fluid, and because in said heating phase there are three simultaneous types of heat sources, which are:

- the fluid itself, in another phase of the cycle, in which it is hotter than the fluid itself at its exit from the compressor (11),

- a hot bulb (17), main source of heat input to the working fluid, with which the fluid is heated up to the maximum temperature reached by the working fluid TM, - an auxiliary thermal focus (14), which preheats the working fluid without reaching the TM temperature, in any case;

existing in addition:

- an expansion phase, from the point of maximum specific enthalpy of the cycle, in which the working fluid is at pressure P1 and temperature TM, evolving isentropically up to the pressure P0, leaving the turbine (1) or expanding machine where performs this phase with a temperature Tt;

- following a cooling phase in which two types of cooling actions concur, which are:

or the fluid itself, in another phase of the cycle in which it is colder than the fluid itself at its exit from the turbine (1),

or the external cooling sump, which cools the fluid to T ⁰ ;

characterized in that the heating phases that take place with:

or the working fluid itself, in another phase of the cycle, in which it is hotter,

or an auxiliary thermal focus (14), which preheats the working fluid but does not reach the TM temperature, in any case,

they are carried out in a regenerative exchanger (4) to which an auxiliary, non-regenerative flow of heating the working fluid at high pressure is added, this auxiliary flow always acting in countercurrent (15) with respect to the circuit (13) of the fluid of work at high pressure.

2. Thermodynamic cyclic process without condensation of the fluid and with prescriptions bounded on its points of minimum and maximum enthalpy, according to what is established in claim 1, characterized in that the prescriptions are:

- the pressure of the low isotope, which is the pressure of the point of minimum enthalpy, P0, has a maximum value of the so-called logarithmic factor of isotope expansion less than 20, this value being given in the cut of the isobar with the line of secondary discontinuity which present the fluids above the critical point;

- the quotient between the maximum and minimum temperatures of the fluid, TM / T0, must be greater than the compression ratio r , corresponding to the quotient P ¹ / P ⁰ , raised to the sum of the thermal exponents in the isentropic evolution of compression and expansion; - the value of the pressure of the low isotope, P0, which must be greater than the critical pressure, is chosen in such a way that the point where it cuts the isotherm T ⁰ , which is the minimum temperature reached by the fluid of work, have a value of the so-called logarithmic factor of isotope dilatation less than 6; 1 being the reference value specified by this invention;

- the value of the so-called logarithmic factor of isobaric dilatation, averaged over the isentropic compression, does not exceed 3; 0.5 being the reference value specified by this invention;

- the value of the so-called logarithmic factor of isobaric expansion, averaged along the isothermal line of temperature equal to the outlet temperature of the turbine, from the low pressure P0 to the high pressure P1, does not exceed 2.5 ; 0.5 being the reference value specified by this invention;

- and the high pressure P ¹ is prescribed because the quotient between said high pressure P ¹ and the low pressure P ⁰ , called the compression ratio, r, meets the closing ratio of the cycle

where gt is the exponent of the variation of temperature, with respect to pressure, in the isentropic expansion; m is the absolute value of the exponent of the variation of the specific volume, with respect to pressure, in the isentropic compression; and A0 and A1 are respectively, for the low and high isóbaras, the value of the entropy increase multiplied by the average along the isobar, the quotient between the logarithmic factor of isobaric dilation, plus 1, and the specific heat under pressure constant.

3. Cyclic thermodynamic process without condensation of the fluid and with prescriptions bounded on its points of minimum and maximum enthalpy, according to any of the first or second claims, characterized in that the regenerative exchanger (4) works in a continuous mode, adding a third flow of heating, from an auxiliary source (14), which either supplies the heat (23) to the low pressure fluid, which on another contact surface supplies the heat (22) to the high pressure fluid; or it supplies the heat (22b, 24) directly to the high pressure fluid, by a contact surface different from that which separates the two flows from the same fluid.

4. Cyclic thermodynamic process without condensation of the fluid and with prescriptions bounded on its points of minimum and maximum enthalpy according to any of the first or second claims, characterized in that the regenerative exchanger (4) works in a discrete mode, sectioning said regenerative exchanger

(4) in, at least, two parts, introducing between said two consecutive parts a countercurrent auxiliary exchanger in which the low pressure fluid does not intervene, and the high pressure fluid is heated, from another auxiliary fluid that receives the heat of an auxiliary source (14) of lower temperature than that which brings the working fluid to its state of maximum enthalpy.

5. Cyclic thermodynamic process without condensation of the fluid and with prescriptions bounded on its points of minimum and maximum enthalpy, according to any of the previous claims 1 to 4, characterized in that the countercurrent auxiliary flow (15) has a massive expense according to the equation :

_{m X = m} , ópi Cpo

-'PX-'PX

where m'x is the mass flow of the auxiliary flow in countercurrent with a temperature Tx; Cpx is the specific heat at constant pressure; m ' is the mass flow of the working fluid of the Brayton; and Cp1 and Cp0 are the specific heats at constant pressure in the high and low isotopes .

6. Cyclic thermodynamic process without condensation of the fluid and with prescriptions bounded on its points of minimum and maximum enthalpy, according to claim 5, characterized in that , in the regenerative heat exchanger (4):

or a heat transfer (23) is produced from an auxiliary fluid from a focus (14), which circulates through a section (21) of the exchanger (4), to the low pressure fluid (3) circulating through another section ( twenty);

or a heat transfer (22) is produced from the fluid of the low pressure circuit (3) circulating through said section (20), to the fluid of the high pressure circuit (13) circulating through another section (19) of the exchanger (4);

and the thermal hierarchy Tx>T0> T1 is given between the temperatures of the auxiliary flow, Tx, of the low pressure flow T ⁰ and high pressure T ¹ , depending on the relation between them of the values of the Number of Transmission Units, N , of each heat transfer interface, between the auxiliary flow and the low pressure, Nx0 and between this and the high N01, each N in the numerator having the global coefficient of heat transmission multiplied by the transmission area, and the denominator is the smallest of the products, of the two fluids involved, of the mass expense by the specific heat at constant pressure, and the relationship is fulfilled

T0 ~ T1 ^NxO C Tx - Ti)

Nx0 N01Nx0 N01

which prescribes the required value of T x according to the dimensions of the transmission units numbers in the interfaces, being the three lines of the temperatures parallel to each other.

7. Thermodynamic cyclic process without condensation of the fluid and with prescriptions bounded on its points of minimum and maximum enthalpy, according to any one of the preceding claims 5 or 6, characterized in that , in the regenerative heat exchanger (4):

or a heat transfer (24) is produced from an auxiliary fluid from a focus (14), which circulates through a section (21) of the exchanger (4), to the high pressure fluid (13) circulating through another section ( 19b);

or a heat transfer (22b) is produced from the fluid of the low pressure circuit (3) circulating through a section (20b) of the exchanger (4), to the fluid of the high pressure circuit (13) circulating through another section (19b) of the exchanger (4),

and the exchanger as a whole works in a balanced way, with parallel evolutions in the three temperatures, which comply

Nx1 being the number of transmission units between the auxiliary fluid, whose temperature is Tx, and the high-pressure fluid, temperature T1, and N01 being the number of transmission units between the low-pressure fluid, whose temperature is T0, and the high pressure fluid; and when Nxl = N01, the solution is T0 = Tx, or vice versa.

Device for carrying out a thermodynamic cyclic process without condensation of the fluid and with prescriptions bounded on its points of minimum and maximum enthalpy, according to any of the claims one to seven, wherein said device on which the thermodynamic cycle is performed comprises:

- a regenerative heat exchanger (4), which integrates at least one high pressure circuit (13) and a low pressure circuit (3);

- a gas turbine (1), whose exhaust (2) is connected to the input of the low pressure circuit (3) of the regenerative exchanger (4);

- a heat sink (7) connected to the outlet (5) of the low pressure circuit (3) of the regenerative exchanger (4), said heat sink (7) being cooled, having an inlet (9) and an outlet (10) of external coolant;

- a compressor (11), whose inlet is connected to the outlet (8) of the working fluid of the heat sink (7), and whose compressor outlet is connected to the high pressure circuit (13) inlet of the heat exchanger regenerative heat (4);

- a hot bulb (17), whose inlet is connected to the outlet (16) of the high-pressure circuit (13) of the regenerative heat exchanger (4), and whose outlet (18) is connected to the gas turbine (1) );

characterized in that the regenerative heat exchanger (4) has an auxiliary heat source (14) which supplies said regenerative heat exchanger (4) by means of a countercurrent circuit (15).