ES2657072A1 - THERMODYNAMIC CYCLIC PROCESS WITH TURBINE AND COMPRESSOR OF GAS, WITH CONTRIBUTION OF HEAT BY EXTERNAL SOURCE, AND DEVICE FOR ITS REALIZATION (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Description
PROCESO CÍCLICO TERMODINÁMICO CON TURBINA Y COMPRESOR DE GAS, CON APORTACIÓN DE CALOR POR FUENTE EXTERIOR, Y DISPOSITIVO PARA SU REALIZACIÓN THERMODYNAMIC CYCLIC PROCESS WITH TURBINE AND GAS COMPRESSOR, WITH SUPPLY OF HEAT FROM AN EXTERNAL SOURCE, AND DEVICE FOR ITS REALIZATION
SECTOR DE LA TÉCNICA TECHNICAL SECTOR
La invención se encuadra en el campo de los ciclos termodinámicos que transforman energía térmica en energía cinética del eje de rotación de su máquina expansora o turbina. The invention falls within the field of thermodynamic cycles that transform thermal energy into kinetic energy of the axis of rotation of its expanding machine or turbine.
El problema consiste en aprovechar al máximo la energía de una fuente externa de calor, ideando un montaje termodinámico que use máquinas y equipos relativamente convencionales, pero interconectados de forma novedosa, explotando las cualidades termo-físicas del fluido real de trabajo, obteniendo unos resultados que van más allá del estado el arte. The problem consists of making the most of the energy of an external heat source, devising a thermodynamic assembly that uses relatively conventional machines and equipment, but interconnected in a novel way, exploiting the thermo-physical qualities of the real working fluid, obtaining results that they go beyond the state of the art.
Desde el punto de vista teórico y de análisis de propuestas, el estado del arte puede verse descrito en las solicitudes previas del inventor de la presente solicitud; en concreto, la patente ES 2427648 B2 trata de un ciclo Brayton con refrigeración ambiental próxima a la isoterma crítica, siendo el segundo documento, con número de aplicación de la solicitud de patente nacional P201731263, un ciclo con punto de menor entalpía que tiene temperatura por debajo de la crítica, pero su presión está por encima de la presión crítica. From the theoretical point of view and analysis of proposals, the state of the art can be seen described in the previous applications of the inventor of the present application; Specifically, patent ES 2427648 B2 deals with a Brayton cycle with ambient cooling close to the critical isotherm, the second document being, with application number of the national patent application P201731263, a cycle with a point of lower enthalpy that has a temperature of below criticism, but his pressure is above critical pressure.
La explotación tecnológica y comercial de las turbinas de gas se centró desde hace muchos años en los turbopropulsores de chorro, aunque a finales del siglo XX comenzó a imponerse la turbina de gas como cabecera de un ciclo combinado, con un Rankine como ciclo inferior (en entalpía específica) para aprovechar el calor emergente de la turbina de gas (sobrante, no transformable en energía mecánica). The technological and commercial exploitation of gas turbines has focused for many years on jet turboprops, although at the end of the 20th century the gas turbine began to prevail as the head of a combined cycle, with a Rankine as the lower cycle (in specific enthalpy) to take advantage of the emerging heat of the gas turbine (surplus, not transformable into mechanical energy).
Es perfectamente conocido que el rendimiento termo-mecánico está limitado al rendimiento de Carnot, teóricamente. Adicionalmente, repercuten contra el rendimiento las irreversibilidades y rozamientos de todo tipo que se puedan dar a lo largo del ciclo, que por la 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. No obstante, It is well known that thermo-mechanical performance is theoretically limited to Carnot performance. Additionally, irreversibilities and frictions of all kinds that may occur throughout the cycle, which are generally defined assuming reversible processes, have an impact on performance, since it is in this area where the novelty of the cycle can be defined. What concerns the reduction of irreversibilities would be a matter of the design of the machines and equipment. Nevertheless,
5 habida cuenta la imposibilidad de reducir a cero las irreversibilidades, es muy importante que la novedad propuesta se contraste también con el funcionamiento real con irreversibilidades. Given the impossibility of reducing irreversibilities to zero, it is very important that the proposed novelty is also contrasted with the real operation with irreversibilities.
Una parte importante del estado del arte es la formulación teórica del ciclo Brayton en 10 sus diversas especificidades, lo cual se revisa sucintamente a continuación: An important part of the state of the art is the theoretical formulation of the Brayton cycle in its various specificities, which is briefly reviewed below:
Para un ciclo Brayton abierto, en el que la entrada de aire al compresor es a presión atmosférica, y lo mismo sucede con el escape de la turbina, el rendimiento con gas ideal es For an open Brayton cycle, in which the air inlet to the compressor is at atmospheric pressure, and the same happens with the turbine exhaust, the ideal gas performance is
donde 15 compresión. Particularmente se aplica a la compresión isentrópica iniciada con presión where 15 compression. It particularly applies to pressure-initiated isentropic compression
P0 y temperatura T0; y llegando a presión P1 y temperatura T1, siendo el valor de ésta P0 and temperature T0; and reaching pressure P1 and temperature T1, the value of which is
siendo r la razón de compresión, igual a P1/P0. where r is the compression ratio, equal to P1 / P0.
Propiamente hablando, el rendimiento antedicho se alcanza en el mejor de los casos de un Brayton abierto, que es cuando alcanzan el mismo valor las temperaturas de 20 salida del compresor y de la turbina, por lo que el cociente de Carnot µ (=TM/T0) es Properly speaking, the above performance is achieved in the best case of an open Brayton, which is when the compressor and turbine outlet temperatures reach the same value, so that the Carnot ratio µ (= TM / T0) is
A primera vista extraña que el rendimiento no dependa del cociente de temperaturas extremas, µ, pero en realidad sí depende, por la última ecuación, por lo que se puede reescribir At first glance it is strange that the performance does not depend on the extreme temperature quotient, µ, but in reality it does depend, because of the last equation, so it can be rewritten
Este rendimiento siempre es peor que el de Carnot (1-µ-1). 3 This performance is always worse than Carnot's (1-µ-1). 3
Es muy importante señalar que, en el ciclo abierto, el rendimiento aumenta tal como lo hace la razón de compresión. It is very important to note that, in the open cycle, the performance increases as does the compression ratio.
Esta tendencia cambia absolutamente en un ciclo cerrado regenerativo, que en el caso de gas ideal se rige por This trend changes absolutely in a closed regenerative cycle, which in the ideal gas case is governed by
donde WC es el trabajo específico absorbido por el eje del compresor, y WT es el entregado por el eje de la turbina. where WC is the specific work absorbed by the compressor shaft, and WT is that delivered by the turbine shaft.
Y por tanto, en el Brayton cerrado de gas ideal se llega a And therefore, in the closed Brayton of ideal gas we arrive at
10 Se aprecia que el rendimiento aumenta según crece µ, y según decrece r. Más aún, se tiene que el límite de este rendimiento, cuando r tiende a 1, es precisamente el rendimiento de Carnot, pero hablando con propiedad, ese límite no existe, pues no habría ciclo, porque coincidirían las isóbaras alta y baja. 10 It can be seen that the yield increases as µ grows, and as r decreases. Furthermore, the limit of this yield, when r tends to 1, is precisely the Carnot yield, but properly speaking, that limit does not exist, since there would be no cycle, because the high and low isobars would coincide.
15 Nótese en este caso, que el cociente de Carnot tiene una expresión diferente a la anterior, pues incluye el efecto del regenerador, que exige que la temperatura de salida de la turbina ha de ser mayor que la de salida del compresor. Ello se escribiría donde m es el factor que caracteriza la regeneración. En la ecuación se ha indicado que en los casos reales, los exponentes de expansión (
5 5
En la ecuación anterior queda evidente que, en cada semiciclo, ascensional y descendiente en entalpía respectivamente, hay tres fases: compresión, regeneración y calentamiento exterior, en el semiciclo de subida; y expansión, regeneración y enfriamiento exterior en el de bajada. In the previous equation it is evident that, in each half cycle, ascending and descending in enthalpy respectively, there are three phases: compression, regeneration and external heating, in the half cycle of rising; and expansion, regeneration and external cooling in the downstream.
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El ciclo se cierra mediante el balance de entropía, teniendo en cuenta que tanto la compresión como la expansión las consideramos isentrópicas. Ello permite formular el balance simplemente, como que la entropía ganada desde el final de la compresión al comienzo de la expansión por la isóbara alta, es igual, en valor absoluto, a la entropía 15 perdida desde el final de la expansión al principio de la compresión por la isóbara baja. The cycle is closed by means of the entropy balance, taking into account that both compression and expansion are considered isentropic. This allows the balance to be formulated simply, as the entropy gained from the end of the compression to the beginning of the expansion by the high isobar is equal, in absolute value, to the entropy 15 lost from the end of the expansion to the beginning of the expansion. compression by the low isobar.
Para cada una de las fases isóbaras se puede escribir la variación de entropía y de entalpía en estos términos, en función del calor específico Cp y de las temperaturas de comienzo y final de fase, Txi y Txf. For each of the isobar phases, the entropy and enthalpy variation can be written in these terms, as a function of the specific heat Cp and the temperatures of the beginning and end of the phase, Txi and Txf.
A partir de ello se puede definir la temperatura Tx que caracteriza cada fase, y 20 corresponde a From this, the temperature Tx that characterizes each phase can be defined, and 20 corresponds to
Donde Tx0 es la temperatura que sería característica en un gas ideal en esas condiciones, pues en el gas ideal Cp es constante, y Cx =Gx. Where Tx0 is the temperature that would be characteristic in an ideal gas under these conditions, since in the ideal gas Cp is constant, and Cx = Gx.
El balance de entropía se pude escribir, usando a y b como identificadores de las isóbaras de alta y de baja presión The entropy balance can be written, using a and b as identifiers of the high and low pressure isobars
Para su definición, hay que identificar la temperatura Ta en la que acaba la For its definition, it is necessary to identify the temperature Ta at which the
5 regeneración de alta presión y comienza el calentamiento externo. Dicha Ta debe ser menor que la temperatura de salida de la turbina Tt, y de hecho será bastante más baja cuanto mayor sea el efecto de pérdida de entalpía al subir por la isoterma Tc desde P0 a P1, lo cual exige considerar la ecuación de estado real, según se verá más adelante. 5 high pressure regeneration and external heating begins. Said Ta must be lower than the turbine outlet temperature Tt, and in fact it will be considerably lower the greater the effect of loss of enthalpy when rising through the isotherm Tc from P0 to P1, which requires considering the equation of state real, as will be seen later.
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Las definiciones quedan pues The definitions are thus
Donde se ha introducido el valor Where the value has been entered
Del balance de entropía se puede escribir From the entropy balance we can write
A partir de ello, y con objeto de ligar el rendimiento con el balance de entropía, se puede escribir la igualdad siguiente, teniendo en cuenta que H
El rendimiento por tanto se puede expresar como The yield can therefore be expressed as
El proceso de optimización de la expresión anterior no es elemental, pues todas las variables dependen entre sí a través, entre otros parámetros, de Cx y Gx que a su vez condicionan la partición del intervalo T0 a TM en cada uno de los semiciclos, de subida The optimization process of the previous expression is not elementary, since all the variables depend on each other through, among other parameters, Cx and Gx which in turn condition the partition of the interval T0 to TM in each of the semicycles, from rise
5 y bajada. En todo caso, aparecen dos situaciones posibles, respecto del fluido de trabajo: que se comporte como gas ideal, o que sea un gas que difiera bastante de esa condición. Es bien sabido que cuando los gases se acercan mucho a la campana bifásica líquido-vapor, es decir, a la curva de saturación por comienzo de condensación, el gas se aleja bastante de gas ideal. 5 and down. In any case, two possible situations appear, with respect to the working fluid: that it behaves as an ideal gas, or that it is a gas that differs considerably from that condition. It is well known that when gases get very close to the two-phase liquid-vapor bell, that is, to the saturation curve due to the beginning of condensation, the gas moves quite far from the ideal gas.
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Como ecuación de estado generalizada se emplea 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 cumpla As a generalized equation of state, the Ideal Gas is used, including the so-called “compressibility factor”, identified by “z”, and that at each point is the one that makes it happen.
Es importante señalar que z es adimensional, pero no así R (que se mide en 15 kJ/(kg·K)). It is important to note that z is dimensionless, but not R (which is measured in 15 kJ / (kg · K)).
El factor de compresibilidad z vale 1 cuando la sustancia se comporta como gas ideal. The compressibility factor z is equal to 1 when the substance behaves as an ideal gas.
Existen una serie de propiedades termodinámicas que forman parte del estado del There are a series of thermodynamic properties that are part of the state of the
20 arte, y ayudan a formular la invención. Una propiedad útil para caracterizar la fase de regeneración es que la derivada parcial de la entalpía específica respecto de la presión, a temperatura constante, corresponde a 20 art, and help formulate the invention. A useful property to characterize the regeneration phase is that the partial derivative of the specific enthalpy with respect to pressure, at constant temperature, corresponds to
siendo VT el volumen específico a lo largo de la isoterma T, y fp un parámetro denominado “factor logarítmico de dilatación isóbara”, y corresponde a where VT is the specific volume along the isotherm T, and fp is a parameter called "logarithmic factor of isobar expansion", and corresponds to
Este factor logarítmico vale 0 para gases ideales. This logarithmic factor is 0 for ideal gases.
La variación de entalpía específica que se produce al pasar de P0 a P1 a lo largo de una isoterma de temperatura dada, Ti; lo cual se denota por
donde se ha hecho uso del valor medio de V (VTi) y de fp (fpi). 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 fp (fpi) have been used. The minus sign is due to the fact that the specific enthalpy decreases when the pressure increases along an isotherm.
A su vez, el factor logarítmico de dilatación isóbara sirve para calcular con carácter general el exponente térmico de evolución de la temperatura en una compresión o expansión isentrópica real, que se ha denotado por In turn, the logarithmic isobar expansion factor is used to generally calculate the thermal exponent of temperature evolution in a real isentropic compression or expansion, which has been denoted by
15 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 es 15 and which determines the aforementioned thermal evolution, which starts in a state characterized by pressure P0 and temperature T0 and evolves to pressure P1, then the final temperature T1 is
Para obtener la ecuación de To obtain the equation of
20 en la que se aplican las igualdades siguientes 20 in which the following equalities apply
Es importante recordar que la evolución isentrópica general, caracterizada por dS=0, parte de la definición de entropía It is important to remember that general isentropic evolution, characterized by dS = 0, part of the definition of entropy
En esta ecuación se incorpora la ecuación de estado real, con z dando The real equation of state is incorporated into this equation, with z giving
La ecuación anterior señala la variación logarítmica de la temperatura absoluta, respecto de la presión absoluta, en las isentrópicas, que son curvas fundamentales en The previous equation indicates the logarithmic variation of the absolute temperature, with respect to the absolute pressure, in the isentropic ones, which are fundamental curves in
10 la definición del ciclo. Al señalar una presión P0 junto a T0, se está eligiendo una isentrópica. Cuando se elija la presión de alta P1, habiendo ya fijado la temperatura máxima que se admite, TM, se obtendrá la isentrópica alta que cierra el ciclo. 10 the definition of the cycle. By pointing to a pressure P0 next to T0, you are choosing an isentropic one. When the high pressure P1 is chosen, having already set the maximum admissible temperature, TM, the high isentropic that closes the cycle will be obtained.
En él hay aún dos cosas fundamentales: cómo se lleva a cabo el proceso de intercambio de calor regenerativo, y cómo se produce la compresión (de gas, si se 15 acerca a lo ideal; o de vapor, si se busca esa condición). Adicionalmente se tiene el proceso de expansión, pero con TM suficientemente alta, dicho proceso será muy cercano a gas ideal. Más aún, en la expansión, el gas se mueve en línea con su naturaleza física, que lo lleva a expansionarse; que es justo lo contrario de lo que sufre In it there are still two fundamental things: how the regenerative heat exchange process is carried out, and how compression occurs (gas, if it is close to ideal; or steam, if that condition is sought). Additionally, there is the expansion process, but with a sufficiently high TM, this process will be very close to ideal gas. Furthermore, in expansion, the gas moves in line with its physical nature, which leads it to expand; which is just the opposite of what he suffers
en la compresión, que resulta en definitiva más difícil de realizar en la práctica, por dicho motivo. in compression, which is ultimately more difficult to perform in practice, for this reason.
Al considerar los dos procesos aludidos, de compresión y de regeneración, aparecen When considering the two aforementioned processes, compression and regeneration,
5 dos incrementos entálpicos, medidos en la isóbara baja, que condicionan enormemente el rendimiento, según cabe deducir de las ecuaciones anteriores, incluyendo los efectos de la ecuación de estado real: 5 two enthalpic increases, measured in the low isobar, which greatly condition performance, as can be deduced from the previous equations, including the effects of the real state equation:
15 Este último valor de incremento entálpico, denominado antes
20 Si tenemos en cuenta el trabajo específico (entalpía específica) de la turbina WT, del compresor, WC y la entalpía descompensada QA (> 20 If we take into account the specific work (specific enthalpy) of the WT turbine, the compressor, WC and the decompensated enthalpy QA (>
Esta ecuación tiene como numerador la definición usada antes para gas ideal, pues en 25 el gas ideal This equation has as its numerator the definition used before for ideal gas, since in 25 the ideal gas
La invención consiste en prescribir inequívocamente las variables termodinámicas esenciales de un montaje de componentes que conforman un ciclo cerrado para un fluido de trabajo del que también se prescriben sus requisitos. The invention consists in unequivocally prescribing the essential thermodynamic variables of an assembly of components that make up a closed cycle for a working fluid whose requirements are also prescribed.
5 5
Para ello se ha de afinar el análisis general precedente, del estado del arte, buscando montajes entre dispositivos térmicos, máquinas e intercambiadores, que ofrezcan innovación (con algún tipo de mejora) aprovechando adecuadamente las ecuaciones de estado. For this, the previous general analysis of the state of the art has to be refined, looking for assemblies between thermal devices, machines and exchangers, which offer innovation (with some type of improvement) taking advantage of the equations of state adequately.
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Conviene ahondar en la estructura de la ecuación del rendimiento, que con ecuación de estado de un fluido real, sin incluir irreversibilidades todavía, podría escribirse It is convenient to delve into the structure of the yield equation, which with the equation of state of a real fluid, not including irreversibilities yet, could be written
Donde sí se ha distinguido, por ser esencial, entre el exponente Where it has been distinguished, for being essential, between the exponent
Respecto de la compresión, y la descompensación en la regeneración, una sucinta colección de datos termodinámicos será relevante al efecto y servirá de referencia a la explicación, haciéndola más fácil de exponer. Regarding compression, and decompensation in regeneration, a brief collection of thermodynamic data will be relevant to this effect and will serve as a reference to the explanation, making it easier to present.
20 twenty
Si consideramos nitrógeno puro, el mayor componente del aire, encontramos que su temperatura crítica es de 127 K, es decir, muy por debajo de la del ambiente, por lo que su comportamiento es muy próximo a gas ideal, siendo su R= 298 J/kg·K y su cociente =C
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Si partimos de un valor de T0=30ºC (303 K) y aplicamos una compresión de factor 2, a partir de cualquier presión, siempre que se mantenga como gas ideal, se encuentra que la Tc de salida de la compresión (reversible) es de 370 K; y la entalpía consumida es de 70 kJ/kg·K. Si el caso se cerrara superiormente con TM=1000 K, el trabajo dado por la turbina sería de 187 kJ/kg·K; con una temperatura de salida de la turbina de 820 K, y un rendimiento teórico máximo de 0,63. If we start from a value of T0 = 30ºC (303 K) and apply a compression of factor 2, starting from any pressure, as long as it remains as an ideal gas, it is found that the compression output Tc (reversible) is 370K; and the enthalpy consumed is 70 kJ / kg · K. If the case were closed superiorly with TM = 1000 K, the work given by the turbine would be 187 kJ / kg · K; with a turbine outlet temperature of 820 K, and a maximum theoretical efficiency of 0.63.
5 Si aplicamos reversiblemente una compresión de razón 2 (r=2) al dióxido de carbono, CO2, desde diversas presiones de partida, siempre con 303 K de temperatura inicial, se obtienen los siguientes valores de salto entálpico para Wc, QA y Qfn, que es la suma de los dos anteriores, y es el valor mínimo a evacuar por el foco frío (suponiendo todo reversible). Se añade el rendimiento máximo teórico, con TM=1000 K. 5 If we reversibly apply a compression of ratio 2 (r = 2) to carbon dioxide, CO2, from various starting pressures, always with an initial temperature of 303 K, the following enthalpy jump values are obtained for Wc, QA and Qfn, which is the sum of the previous two, and is the minimum value to be evacuated by the cold focus (assuming everything is reversible). The theoretical maximum efficiency is added, with TM = 1000 K.
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- P0 (MPa) P0 (MPa)
- Wc (kJ/(kg·K) QA (kJ/kg·K) Qfn (kJ/kg·K) Max. Wc (kJ / (kg K) QA (kJ / kg K) Qfn (kJ / kg K) Max.
- 1 1
- 42 11 53 0,607 42 eleven 53 0.607
- 2 2
- 41 13 54 0,606 41 13 54 0.606
- 3 3
- 38 24 62 0,581 38 24 62 0.581
- 4 4
- 33 32 65 0,585 33 32 65 0.585
Los datos anteriores se pueden complementar con los correspondientes de una razón de compresión de factor 3 (r=3) con los mismos datos de temperaturas máxima y mínima en el ciclo. Para el N2 ello representaría salir del compresor a 415 K y de la The previous data can be complemented with the corresponding ones of a compression ratio of factor 3 (r = 3) with the same data of maximum and minimum temperatures in the cycle. For N2 this would represent leaving the compressor at 415 K and the
15 turbina a 730 K; con trabajos específicos respectivos de 116,5 kJ/kg·K y de 190 kJ/kg·K, lo que lleva aparejado un rendimiento de 0,58, menor que el obtenido para r=2 (de 0,63). 15 turbine at 730 K; with respective specific works of 116.5 kJ / kg · K and 190 kJ / kg · K, which entails a performance of 0.58, less than that obtained for r = 2 (0.63).
Para el CO2 los datos obtenidos para r=3, son Con estos precedentes, se presenta un proceso cíclico 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, existiendo For CO2, the data obtained for r = 3, are With these precedents, a cyclical process is presented that in its ideal definition or without irreversibilities, works between an isobar of lower pressure, or low isobar, which is at P0, and an isobar high, or higher pressure, P1, existing
- P0 (MPa) P0 (MPa)
- Wc (kJ/(kg·K) QA (kJ/kg·K) Qfn (kJ/kg·K) Max. Wc (kJ / (kg K) QA (kJ / kg K) Qfn (kJ / kg K) Max.
- 1 1
- 68 14 82 0,598 68 14 82 0.598
- 2 2
- 63 25 93 0,567 63 25 93 0.567
- 3 3
- 60 36 96 0,575 60 36 96 0.575
- imagen62 image62
-
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, que está ligada a T0 a través de que su cociente (Tc/T0) es igual a r
imagen63 , siendo r el cociente de presiones (P1/P0) y a compression phase, in which a compressor draws in the fluid at its lowest specific enthalpy point of the entire cycle, at pressure P0 and temperature T0, and raises it in pressure throughout an isentropic evolution, up to P1, leaving the compressor with a temperature Tc, which is linked to T0 through which its quotient (Tc / T0) is equal to rimage63 , where r is the pressure ratio (P1 / P0) and
-
imagen64image64 - el exponente térmico de la compresión; the thermal exponent of the compression;
- imagen65 image65
- siguiendo una fase de calentamiento en la cual actúan sucesivamente dos tipos de fuentes de calor, que son following a heating phase in which two types of heat sources act successively, which are
- imagen66 image66
- el propio fluido, en otra fase del ciclo, en la que está más caliente, que es a la salida de la turbina, llevándose a cabo por tanto una fase térmicamente regenerativa, que en esta fase de calentamiento llega hasta una temperatura Ta que está por debajo de la temperatura de salida de la turbina, Tt, en una cantidad que se denomina diferencia terminal superior de temperatura, Dtst, cuyo valor está entre 0,001 K y la diferencia de temperaturas entre la salida de la turbina y la salida del compresor, y como referencia de la invención se toma el valor de 10 K; the fluid itself, in another phase of the cycle, in which it is warmer, which is at the outlet of the turbine, thus carrying out a thermally regenerative phase, which in this heating phase reaches a temperature Ta that is below below the turbine outlet temperature, Tt, by an amount called the upper terminal temperature difference, Dtst, whose value is between 0.001 K and the temperature difference between the turbine outlet and the compressor outlet, and As reference of the invention, the value of 10 K is taken;
- imagen67 image67
- la fuente externa 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 trabajo, seleccionando la procedencia de dicho calor entre la combustión de un combustible en una cámara de combustión exterior al circuito cerrado del fluido de trabajo, u otra fuente de calor como la solar térmica, transfiriendo el calor generado al fluido de trabajo, a través de un intercambiador de calor denominado calentador; the external source of heat input to the working fluid, with which the fluid is heated up to TM, which is the maximum temperature that the working fluid reaches, selecting the source of said heat from the combustion of a fuel in a chamber combustion outside the closed circuit of the working fluid, or another source of heat such as solar thermal, transferring the heat generated to the working fluid, through a heat exchanger called a heater;
- imagen68 Image68
- una fase de expansión, desde el punto de máxima entalpía 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 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 pressure P0, leaving the turbine
o máquina expansora, donde se realiza esta fase, con una temperatura Tt; or expander machine, where this phase is carried out, with a temperature Tt;
- imagen69 image69
- 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
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30 30
- imagen70 image70
- el propio fluido, en otra fase del ciclo en la que está más frío, que es a la salida del compresor, y que se realiza en un intercambiador de calor regenerativo enfriándose el fluido hasta una temperatura Tb que está por encima de la temperatura Tc de salida del compresor, en una cantidad denominada diferencia terminal inferior de temperatura, representada por Dtit, cuyo valor está entre 0,001 K y la diferencia de temperaturas entre la salida de la turbina y la salida del compresor, y como referencia de la invención se toma el valor de 10 K; the fluid itself, in another phase of the cycle in which it is colder, which is at the compressor outlet, and which is carried out in a regenerative heat exchanger, cooling the fluid to a temperature Tb that is above the temperature Tc of compressor output, in an amount called the lower terminal temperature difference, represented by Dtit, whose value is between 0.001 K and the temperature difference between the turbine outlet and the compressor outlet, and as a reference of the invention, the value of 10 K;
- imagen71 image71
- el sumidero exterior de refrigeración, que enfría el fluido hasta T0 the external cooling sump, which cools the fluid down to T0
y en la cual las prescripciones fundamentales son and in which the fundamental prescriptions are
- imagen72 image72
- 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 evolutions of compression and expansion, which is equivalent to establishing that the turbine outlet temperature, Tt, is greater than the compressor outlet temperature, Tc;
- imagen73 image73
- las presiones de las isóbaras de baja, P0, y de alta, P1, se fijan por cumplirse los criterios: the pressures of the low isobars, P0, and high, P1, are set by meeting the criteria:
-de que la entalpía específica ganada por el fluido de trabajo, al descender por la isoterma de salida del compresor, desde P1 a P0, en un proceso virtual que no forma parte del ciclo real, es menor que el trabajo específico del compresor, lo cual se explicita como -that the specific enthalpy gained by the working fluid, when descending through the compressor output isotherm, from P1 to P0, in a virtual process that is not part of the real cycle, is less than the specific work of the compressor, which is which is specified as
donde fp0 es el factor logarítmico de dilatación isóbara del fluido de trabajo para la temperatura de salida del compresor y una presión que sea la media geométrica de P0 y P1, y Vc0 es el volumen específico del fluido a dicha temperatura de salida del compresor, y a dicha media geométrica de presiones; where fp0 is the logarithmic factor of isobar expansion of the working fluid for the compressor outlet temperature and a pressure that is the geometric mean of P0 and P1, and Vc0 is the specific volume of the fluid at said compressor outlet temperature, and said geometric mean of pressures;
y para las presiones P0 y P1, los calores específicos isóbaros del fluido de trabajo satisfacen la igualdad siguiente, con una tolerancia de ± 20%, siendo and for the pressures P0 and P1, the isobar specific heats of the working fluid satisfy the following equality, with a tolerance of ± 20%, being
5 Para determinar el valor óptimo de la razón de compresión, r, se halla el valor del factor de regeneración que produce ese óptimo, m, a partir del cociente de Carnot del caso, µ, que se factoriza en tres factores, correspondientes a las fases de compresión, regeneración y expansión, según la ecuación siguiente, en la que se diferencia entre la razón de 5 To determine the optimum value of the compression ratio, r, the value of the regeneration factor that produces this optimum, m, is found from the Carnot quotient of the case, µ, which is factored into three factors, corresponding to the compression, regeneration and expansion phases, according to the following equation, which differentiates between the ratio of
10 compresión, r, en el compresor, y r’, en la turbina, 10 compression, r, in the compressor, and r ', in the turbine,
siendo r’<r por razones de pérdida de carga manométrica a lo largo de todo el circuito del fluido de trabajo, lo cual es función fundamentalmente del valor del factor de regeneración, m, pues a mayor valor de la entalpía que ha de ser regenerada, mayor pérdida de carga, lo cual se valora en esta invención mediante un coeficiente reductor, where r '<r for reasons of manometric head loss throughout the entire working fluid circuit, which is fundamentally a function of the value of the regeneration factor, m, since the higher the value of the enthalpy to be regenerated , greater pressure drop, which is valued in this invention by means of a reduction coefficient,
a partir de lo cual se modifica la ecuación del rendimiento simplificado, sin contabilizar la pérdida de carga, que es from which the simplified performance equation is modified, without accounting for the pressure drop, which is
para obtener el rendimiento realista to get the realistic performance
que se ha de maximizar respecto de m, que es la variable independiente aquí, adoptando para m el valor que maximiza el rendimiento realista, con una tolerancia de ± 20% en m; pudiéndose hacer una aproximación numérica para la determinación de dicho valor de m, como se muestra a continuación para el Argón, con un valor de that it has to be maximized with respect to m, which is the independent variable here, adopting for m the value that maximizes the realistic yield, with a tolerance of ± 20% in m; being able to make a numerical approximation to determine said value of m, as shown below for Argon, with a value of
Rendimiento Rendimiento m r'/r realista simplificado Performance Simplified realistic m r '/ r performance
1 1 0,4522747 0,4522747 1,1 0,9977348 0,47712384 0,47776442 1,2 0,99094946 0,49724995 0,4999975 1,3 0,97967472 0,512932 0,51961314 1,4 0,96396167 0,5241268 0,53708764 1,5 0,94388148 0,53041946 0,55278417 1,6 0,91952513 0,53087379 0,56698513 1,7 0,89100297 0,52369449 0,57991387 1,8 0,8584442 0,50546332 0,59174967 1,9 0,82199634 0,46924209 0,60263831 1 1 0.4522747 0.4522747 1.1 0.9977348 0.47712384 0.47776442 1.2 0.99094946 0.49724995 0.4999975 1.3 0.97967472 0.512932 0.51961314 1.4 0.96396167 0.5241268 0.53708764 1.5 0.94388148 0.53041946 0.55278417 1.6 0.91952513 0.53087379 0.56698513 1.7 0.89100297 0.52369449 0.57991387 1.8 0.8584442 0, 50546332 0.59174967 1.9 0.82199634 0.46924209 0.60263831
2 0,7818245 0,399027 0,61269973 2 0.7818245 0.399027 0.61269973
donde se aprecia que el rendimiento simplificado es monótonamente creciente con m, mientras que el rendimiento realista presenta un máximo para m=1,6; que implica un coeficiente reductor (
y con los valores dados, se obtiene que la razón de compresión es r=2,6. and with the given values, it is obtained that the compression ratio is r = 2.6.
La materialización de la invención se selecciona entre hacerla con contenido constante The embodiment of the invention is selected between making it with constant content
10 a lo largo del tiempo, sin variar la masa de fluido contenida en el circuito cerrado del sistema, o con contenido variable de fluido de trabajo en el circuito, en función de las condiciones de operación; y en caso de seleccionar inventario variable de fluido durante la operación, se dispone de una válvula de extracción de fluido a baja presión, antes de la succión del compresor, y una inyección de fluido, controlable con válvula, 10 over time, without varying the mass of fluid contained in the closed circuit of the system, or with a variable content of working fluid in the circuit, depending on the operating conditions; and in case of selecting variable fluid inventory during operation, there is a low pressure fluid extraction valve, before the compressor suction, and a fluid injection, controllable with a valve,
15 conectada a un depósito de presión superior a la del circuito en ese punto. 15 connected to a tank with a pressure higher than that of the circuit at that point.
El fluido de trabajo se selecciona entre sustancia pura o mezcla de sustancias, escogidas de tal forma que su calor específico a presión constante, a la presiones y temperaturas de interés, cumpla mejor los requisitos de que Cx sea menor que Gx en el 20 proceso de compresión, de que Cx de la isóbara baja, en el proceso de regeneración, a una temperatura T, sea igual al Cx de la isóbara alta a una temperatura T-
El accionamiento del compresor se selecciona entre efectuarse mecánicamente desde el eje de la turbina, o activado por motor eléctrico, cuya alimentación puede seleccionarse de diversa procedencia. The compressor drive is selected between being carried out mechanically from the turbine shaft, or activated by an electric motor, whose power supply can be selected from various sources.
En el caso de mantener constante el contenido del fluido de trabajo en el interior del dispositivo, su operación se regula, al menos, por la aportación de calor a través del calentador, o foco caliente, y la extracción de calor a través del foco frío; y en caso de seleccionarse accionamiento del compresor por motor eléctrico, también se regula el sistema por la potencia dada al compresor, y sus revoluciones. In the case of keeping constant the content of the working fluid inside the device, its operation is regulated, at least, by the contribution of heat through the heater, or hot source, and the extraction of heat through the cold source. ; and in the event that the compressor drive by electric motor is selected, the system is also regulated by the power given to the compressor, and its revolutions.
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 diagram of an assembly of a device in which the process of the invention could be implemented.
La figura 2 muestra las líneas de los procesos y los puntos termodinámicos principales del ciclo, en un grafo (entalpía, log P). Figure 2 shows the lines of the processes and the main thermodynamic points of the cycle, in a graph (enthalpy, log P).
Para mejorar la comprensión de la explicación de las figuras se enumeran a continuación los elementos que componen la invención: To improve understanding of the explanation of the figures, the elements that make up the invention are listed below:
- 1. 1.
- Turbina (de gas) Gas turbine)
- 2. 2.
- Escape de la turbina y conexión con el circuito de baja presión del intercambiador regenerativo Turbine exhaust and connection to the low pressure circuit of the regenerative exchanger
- 3. 3.
- Circuito de baja presión del intercambiador regenerativo Low pressure circuit of the regenerative exchanger
- 4. Four.
- Intercambiador regenerativo Regenerative exchanger
- 5. 5.
- Salida del circuito de baja presión del intercambiador regenerativo Low pressure circuit outlet of the regenerative exchanger
- 6. 6.
- Circuito del fluido de trabajo en el sumidero de calor Working fluid circuit in heat sink
- 7. 7.
- Sumidero de calor Heat sink
- 8. 8.
- Salida del fluido de trabajo del sumidero de calor, y conexión a la entrada del compresor Outlet of the working fluid from the heat sink, and connection to the compressor inlet
- 9. 9.
- Entrada del refrigerante exterior del sumidero de calor Outside heat sink refrigerant inlet
- 10.10.
- Salida del refrigerante exterior del sumidero de calor Outside refrigerant outlet from heat sink
5 11. Compresor 5 11. Compressor
- 12.12.
- Salida del compresor y conexión con el circuito de alta presión del intercambiador regenerativo Compressor outlet and connection to the high pressure circuit of the regenerative exchanger
- 13.13.
- Motor eléctrico de accionamiento del compresor (11) Compressor Drive Electric Motor (11)
- 14.14.
- Generador eléctrico activado por el eje de la turbina (1) Electric generator activated by the turbine shaft (1)
10 15. Circuito a contracorriente del fluido de trabajo en la rama fría, de alta presión, en el regenerador. 10 15. Countercurrent circuit of the working fluid in the cold branch, high pressure, in the regenerator.
16. Salida del circuito de alta presión del intercambiador regenerativo y conexión con el foco caliente 16. Outlet of the high pressure circuit of the regenerative exchanger and connection to the hot bulb
- 17.17.
- Foco caliente, que puede estar constituido por los humos de la combustión 15 atmosférica, o proveniente de otra fuente Hot spot, which may be constituted by the fumes of atmospheric combustion, or from another source
- 18.18.
- Salida, desde el foco de alta temperatura, del fluido a alta presión y a la más alta temperatura, para entrada en la turbina Outlet, from the high temperature source, of the fluid at high pressure and at the highest temperature, for entry into the turbine
- 19.19.
- Cámara de combustión atmosférica Atmospheric combustion chamber
- 20.twenty.
- Inyector de combustible, o quemador 20 21. Admisión de aire atmosférico precalentado en la cámara (19) Fuel injector, or burner 20 21. Intake of preheated atmospheric air into chamber (19)
- 22.22.
- Conducción de los humos calientes desde la cámara (19) al intercambiador que hace de foco caliente (17) Conduction of hot fumes from the chamber (19) to the exchanger that acts as a hot spot (17)
- 23.2. 3.
- Conducción de los humos desde su salida del foco caliente (17) al Conduction of the fumes from its exit from the hot spot (17) to the
recuperador de calor (24) 25 24. Intercambiador de calor aire/aire, o recuperador heat recovery unit (24) 25 24. Air / air heat exchanger, or recuperator
- 25.25.
- Entrada de aire atmosférico en el recuperador Inlet of atmospheric air into the recuperator
- 26.26.
- Chimenea de evacuación de humos Smoke evacuation chimney
- 27.27.
- Punto termodinámico de mínima entalpía del ciclo, que es la entrada al Thermodynamic point of minimum enthalpy of the cycle, which is the entrance to the
compresor (11). 30 28. Punto de salida del compresor (11). compressor (11). 30 28. Compressor outlet point (11).
- 29.29.
- Punto en el que finaliza la regeneración en la isóbara alta, y entra el fluido en el calentador, su temperatura es Ta que es igual a Tt menos Dtst. Point at which the regeneration in the high isobar ends, and the fluid enters the heater, its temperature is Ta which is equal to Tt minus Dtst.
- 30.30.
- Punto de entrada en la turbina (1). Entry point into the turbine (1).
31. Punto de salida de la turbina. 35 32. Punto de finalización de la regeneración en la isóbara baja (su temperatura 31. Turbine outlet point. 35 32. End point of regeneration in the low isobar (its temperature
es Tb= Tc +Dtit) 18 is Tb = Tc + Dtit) 18
- 33.33.
- Punto de temperatura Tc en la isóbara baja Temperature point Tc in the low isobar
- 34.3. 4.
- Punto, en la isóbara baja, con igual entalpía que el de salida del compresor (28). Point, in the low isobar, with the same enthalpy as that of the compressor outlet (28).
En el diagrama de la figura 2 aparecen diversas líneas definidas por una propiedad: la marca LP0 señala la línea en la cual la presión es constante y vale P0. LP1 es la isóbara alta. In the diagram in figure 2 there are several lines defined by a property: the LP0 mark indicates the line in which the pressure is constant and is equal to P0. LP1 is the high isobar.
LTt designa a la isoterma de la temperatura de escape de la turbina, y LTc la isoterma de la impulsión desde el compresor. LTt designates the isotherm of the turbine exhaust temperature, and LTc the isotherm of the drive from the compressor.
T0 es la temperatura del punto de mínima entalpía del ciclo (27), y TM el de máxima entalpía (30). T0 is the temperature of the point of minimum enthalpy of the cycle (27), and TM that of maximum enthalpy (30).
LSc es la isentrópica de compresión. LSc is the isentropic compression.
LSt es la isentrópica de expansión en la turbina. LSt is the isentropic expansion in the turbine.
Lri representa las condiciones del regenerador en la cara inferior (de entalpía) y Lrs las condiciones de la cara superior del mismo. Lri represents the conditions of the regenerator on the lower face (enthalpy) and Lrs the conditions of the upper face.
LE es la línea isentálpica que va desde el punto 28 al 34. LE is the isenthalpic line that goes from point 28 to 34.
La invención se materializa integrando apropiadamente los dos elementos físicos que le componen: el fluido de trabajo, y el equipamiento termo-mecánico en el que se dan los procesos que componen el ciclo. The invention is materialized by appropriately integrating the two physical elements that compose it: the working fluid, and the thermo-mechanical equipment in which the processes that make up the cycle take place.
Para ello, se dispone 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 el calentador o foco caliente (17) para calentar el fluido de alta presión con los medios externos (19). Antes del compresor, en la sucesión de fases del ciclo, se encuentra el foco frío (7). For this, a set of thermal engineering elements or components is available, ranging from the compressor (11) to the turbine (1), passing through the regenerative exchanger (4), plus the heater or hot spot (17) to heating the high pressure fluid with the external means (19). Before the compressor, in the succession of phases of the cycle, there is the cold bulb (7).
5 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. 5 Materialization includes as an essential issue setting the levels of the relevant variables in the definition of the cycle, complying with the prescriptions already expressed. These levels are substantially dependent on the working fluid used.
La figura 1 muestra un esquema que visualiza una forma preferente de realización de Figure 1 shows a diagram that displays a preferred embodiment of
10 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. Termodinámicamente se dan en la figura 2 los puntos necesarios para definir cada proceso, yendo la expansión en la turbina del punto 30 al 10 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. Thermodynamically, the points necessary to define each process are given in figure 2, with the expansion in the turbine going from point 30 to
15 31, y dándose la regeneración en la isóbara baja desde el punto 31 al 32. 15 31, and regenerating in the lower isobar from point 31 to 32.
La salida (5) de dicho circuito de baja presión (3) se conecta con un sumidero externo 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 The outlet (5) of said low pressure circuit (3) is connected to an external heat sink (7) through the corresponding circuit (6) of the working fluid in said sink. This heat sink (7) is cooled, having an inlet (9) and
20 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). 20 an outlet (10) of the external coolant from the heat sink. The outlet (8) of the working fluid from the heat sink (7) sets the conditions in which said working fluid enters the compressor (11).
Una vez que el fluido de trabajo ha finalizado su evolución en el compresor (11), la Once the working fluid has finished its evolution in the compressor (11), the
25 salida (12) del compresor (11) supone la conexión al circuito de alta presión (15) del intercambiador regenerativo (4). Así, cuando el fluido de trabajo emerge por la salida The outlet (12) of the compressor (11) involves the connection to the high pressure circuit (15) of the regenerative exchanger (4). Thus, when the working fluid emerges from the outlet
(16) del circuito de alta presión 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 (16) of the high pressure circuit of the regenerative exchanger (4), is in a position to start its evolution in the hot spot (17), increasing its enthalpy. At the outlet (18) of said hot spot (17), the fluid is in conditions of
30 evolucionar en la turbina (1), iniciándose así un nuevo ciclo. 30 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 2, cuyos puntos termodinámicos se identifican directamente con puntos geométricos y físicos de los circuitos y máquinas del dispositivo. The main characteristics of the thermodynamic cycle characteristic of this invention are shown in figure 2, whose thermodynamic points are directly identified with geometric and physical points of the circuits and machines of the device.
Una novedad en la invención es mantener fijo el contenido de fluido total, que se reparte a lo largo del circuito según la temperatura y la presión. A novelty in the invention is to keep the total fluid content fixed, which is distributed throughout the circuit according to temperature and pressure.
Hay que señalar que en funcionamiento habitual la situación dentro de cada sección del circuito será casi isóbara, pues si hubiera considerables diferencias de presión, el fluido se aceleraría enormemente. La presión en cuestión puede variar a lo largo del tiempo, tal como varíe la carga entálpica y la T, pero esa evolución se puede considerar como una sucesión de casos casi en equilibrio. It should be noted that in normal operation the situation within each section of the circuit will be almost isobar, because if there were considerable pressure differences, the fluid would accelerate enormously. The pressure in question can vary over time, as the enthalpy load and the T vary, but this evolution can be considered as a succession of cases almost in equilibrium.
En reposo (sin calentamiento ni compresión) el sistema será isotermo e isóbaro, y las propiedades valen para todos los puntos. At rest (without heating or compression) the system will be isothermal and isobaric, and the properties are valid for all points.
En funcionamiento, en el sistema habrá que distinguir esencialmente cuatro secciones: el circuito de alta, la turbina, el circuito de baja, y el compresor. In operation, the system will have to distinguish essentially four sections: the high circuit, the turbine, the low circuit, and the compressor.
Cada uno de ellos habrá de cumplir: Each of them will have to fulfill:
Respecto de una sección cualquiera, genéricamente llamada i, se puede escribir: Regarding any section, generically called i, you can write:
donde Vi es el volumen de cada sección. A su vez, cada sección se puede subdividir en compartimentos consecutivos, según se requiera afinar en la descripción de P y T, y como promedios en las máquinas, donde hay fuerte variación de P y T, se puede tomar la media geométrica de cada variable, entre la entrada y la salida del compartimento. where Vi is the volume of each section. In turn, each section can be subdivided into consecutive compartments, as required to refine in the description of P and T, and as averages in machines, where there is strong variation of P and T, the geometric mean of each variable can be taken , between the inlet and outlet of the compartment.
En cuanto a la ecuación de continuidad, se puede escribir M’i=constante, siendo M’ el gasto másico. Para determinar qué contenido de fluido, M, se le da en total para que cumpla las especificaciones nominales, se puede escribir, para cada sección: Regarding the continuity equation, we can write M'i = constant, where M 'is the mass flow. To determine what fluid content, M, is given in total to meet the nominal specifications, one can write, for each section:
donde
Donde M es la masa total de inventario para cumplir las especificaciones nominales, y Where M is the total mass of inventory to meet the nominal specifications, and
siendo V el volumen total del sistema. where V is the total volume of the system.
Cuando el sistema esté en condiciones de parada, a temperatura uniforme T’, la 10 presión P’ que alcanzará será When the system is in stop conditions, at a uniform temperature T ’, the pressure P’ that it will reach will be
Claims (1)
- imagen2 image2
-
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, que está ligada a T0 a través de que su cociente (Tc/T0) es igual a r
imagen3 , siendo r el cociente de presiones (P1/P0) y a compression phase, in which a compressor draws in the fluid at its lowest specific enthalpy point of the entire cycle, at pressure P0 and temperature T0, and raises it in pressure throughout an isentropic evolution, up to P1, leaving the compressor with a temperature Tc, which is linked to T0 through which its quotient (Tc / T0) is equal to rimage3 , where r is the pressure ratio (P1 / P0) and
-
imagen4image4 - el exponente térmico de la compresión; the thermal exponent of the compression;
- imagen5 image5
- siguiendo una fase de calentamiento en la cual actúan sucesivamente dos tipos de fuentes de calor, que son following a heating phase in which two types of heat sources act successively, which are
- imagen6 image6
- el propio fluido, en otra fase del ciclo, en la que está más caliente, que es a la salida de la turbina, llevándose a cabo por tanto una fase térmicamente regenerativa, que en esta fase de calentamiento llega hasta una temperatura Ta que está por debajo de la temperatura de salida de la turbina, Tt, en una cantidad que se denomina diferencia terminal superior de temperatura, Dtst, cuyo valor está entre 0,001 K y la diferencia de temperaturas entre la salida de la turbina y la salida del compresor, y como referencia de la invención se toma el valor de 10 K; the fluid itself, in another phase of the cycle, in which it is warmer, which is at the outlet of the turbine, thus carrying out a thermally regenerative phase, which in this heating phase reaches a temperature Ta that is below below the turbine outlet temperature, Tt, by an amount called the upper terminal temperature difference, Dtst, whose value is between 0.001 K and the temperature difference between the turbine outlet and the compressor outlet, and As reference of the invention, the value of 10 K is taken;
- imagen7 image7
- la fuente externa 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 trabajo, seleccionando la procedencia de dicho calor entre la combustión de un combustible en una cámara de combustión exterior al circuito cerrado del fluido de trabajo, u otra fuente de calor como la solar térmica, transfiriendo el calor generado al fluido de trabajo, a través de un intercambiador de calor denominado calentador; the external source of heat input to the working fluid, with which the fluid is heated up to TM, which is the maximum temperature that the working fluid reaches, selecting the source of said heat from the combustion of a fuel in a chamber combustion outside the closed circuit of the working fluid, or another source of heat such as solar thermal, transferring the heat generated to the working fluid, through a heat exchanger called a heater;
- imagen8 image8
- una fase de expansión, desde el punto de máxima entalpía 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 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 pressure P0, leaving the turbine
- imagen9 image9
- 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
- --
- un compresor (11), cuya entrada está conectada a la salida (8) del fluido de trabajo del sumidero de calor (7), y cuya salida de compresor está conectada a la entrada del circuito de alta presión del intercambiador de calor regenerativo (4); 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 inlet of the high pressure circuit of the regenerative heat exchanger (4 );
- --
- un foco caliente (17), alimentado térmicamente desde el exterior, y en el cual entra el fluido de trabajo, en su circuito de alta presión, desde el intercambiador de calor regenerativo (4), y cuya salida (18) está conectada a la entrada a la turbina de gas (1). a hot bulb (17), thermally fed from the outside, and into which the working fluid enters, in its high pressure circuit, from the regenerative heat exchanger (4), and whose outlet (18) is connected to the inlet to the gas turbine (1).
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ES201731385A ES2657072A1 (en) | 2017-12-05 | 2017-12-05 | THERMODYNAMIC CYCLIC PROCESS WITH TURBINE AND COMPRESSOR OF GAS, WITH CONTRIBUTION OF HEAT BY EXTERNAL SOURCE, AND DEVICE FOR ITS REALIZATION (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) |
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ES2657072A1 true ES2657072A1 (en) | 2018-03-01 |
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Family Applications (1)
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ES201731385A Pending ES2657072A1 (en) | 2017-12-05 | 2017-12-05 | THERMODYNAMIC CYCLIC PROCESS WITH TURBINE AND COMPRESSOR OF GAS, WITH CONTRIBUTION OF HEAT BY EXTERNAL SOURCE, AND DEVICE FOR ITS REALIZATION (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3621654A (en) * | 1970-06-15 | 1971-11-23 | Francis R Hull | Regenerative gas turbine power plant |
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US20140291993A1 (en) * | 2011-12-22 | 2014-10-02 | Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha | Method for operating lean fuel intake gas turbine engine, and gas turbine power generation device |
US20160010551A1 (en) * | 2014-07-08 | 2016-01-14 | 8 Rivers Capital, Llc | Method and system for power production wtih improved efficiency |
-
2017
- 2017-12-05 ES ES201731385A patent/ES2657072A1/en active Pending
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3621654A (en) * | 1970-06-15 | 1971-11-23 | Francis R Hull | Regenerative gas turbine power plant |
US20140291993A1 (en) * | 2011-12-22 | 2014-10-02 | Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha | Method for operating lean fuel intake gas turbine engine, and gas turbine power generation device |
ES2427648A1 (en) * | 2012-03-30 | 2013-10-31 | Universidad Politécnica de Madrid | Brayton cycle with ambient cooling close to the critical isotherm |
US20160010551A1 (en) * | 2014-07-08 | 2016-01-14 | 8 Rivers Capital, Llc | Method and system for power production wtih improved efficiency |
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