ES2200825T3 - Unidad de combustion para quemar un combustible liquido y un sistema para generar energia que comprende dicha unidad de combustion. - Google Patents

Abstract

Una unidad de combustión para quemar un combustible líquido, que comprende una admisión de combustible, una admisión de aire y una salida de gases de combustión que están conectadas a una cámara de combustión para quemar el combustible, en la que la admisión de combustible está conectada al menos a una unidad atomizadora de explosión de remolino, que comprende una admisión tangencial a una cámara de remolino que tiene un orificio de salida de combustible con movimiento de remolino, y que comprende medios para ajustar la temperatura del combustible y/o la presión de atomización de tal manera que como resultado de una caída de presión el combustible con movimiento de remolino que sale en la forma de un cono por el orificio de salida de combustible de la unidad atomizadora de explosión de remolino a la cámara de combustión, debido a la fragmentación de la explosión se fragmenta en gotitas de combustible que tienen una dimensión media menor o igual a 5 µm.

Description

Unidad de combustión para quemar un combustible líquido y un sistema para generar energía que comprende dicha unidad de combustión.

El presente invento se refiere a una unidad de combustión para quemar un combustible líquido, y a un sistema para generar energía que comprende a dicha unidad de combustión.

En la combustión de combustible líquido, en particular de los combustibles de motores tales como gasolina, queroseno, gasóleo y metanol, es importante que en el tiempo de la combustión el combustible esté presente en las partículas del mínimo tamaño posible. Cuanto más pequeñas sean las partículas, más homogénea resulta una combustión. Una combustión más homogénea está relacionada con menos formación y emisión de hollín, así como con menos formación y emisión de CO.

Por tanto, el objeto es introducir en la cámara de combustión las gotitas de combustible del mínimo tamaño posible. Las unidades conocidas de combustión se caracterizan por disponer de medios adicionales variados para obtener en la cámara de combustión las gotitas de combustible del mínimo tamaño posible.

El documento EP-A-0 506 069 describe una unidad de combustión para quemar un combustible líquido en la que se usan inyectores para producir una pulverización de combustible que tiene un tamaño de partículas - según se informa - por debajo de alrededor de 100 micras. Se mencionan diseños de dispositivos y de flujo para promover flujo turbulento, agitado o de remolino de la mezcla líquida de combustible pulverizado, tales como pre-orificios, difusores, placas de turbulencia, restrictores, divisores/combinadores de flujo, choques de flujo, pantallas, deflectores, paletas y otros.

El presente invento tiene por objeto proporcionar una unidad de combustión para quemar combustible líquido que está provista de medios para transportar a la cámara de combustión partículas muy pequeñas de combustible líquido (tamaño mediano < 5 \mum, generalmente < 3 \mum, preferiblemente < 2 \mum, tal como 1,2 \mum). Esto mientras al mismo tiempo se puede asegurar una alimentación suficiente de estas partículas muy pequeñas de combustible líquido, y los medios para obtener estas partículas muy pequeñas de combustible líquido tienen una construcción relativamente sencilla y se pueden añadir de una manera relativamente simple a las unidades actuales de combustión.

Lo anterior se logra de acuerdo con el invento con una unidad de combustión para quemar un combustible líquido, como se reivindica en la Reivindicación 1.

Es importante que el atomizador de remolino genere gotitas o una película de combustible líquido al medio gaseoso en condiciones cambiadas de tal manera que entonces se pueda producir la atomización de explosión. La atomización de explosión implica que el combustible líquido entra a la cámara de combustión en condiciones tales que como resultado de la caída de presión sobre el atomizador se produzcan burbujas de ebullición o burbujas de gas en las gotitas o en la película del combustible líquido. Es decir, tiene lugar la formación de gas en el combustible líquido. Esta denominada evaporación súbita o precipitación da lugar a que las gotitas o la película de combustible exploten o se fragmenten debido a la repentina ebullición parcial o precipitación del gas. Esta fragmentación da lugar a la generación de gotitas muy pequeñas de combustible en el medio gaseoso. La dimensión media de las partículas de combustible asciende después de la fragmentación a menos de 5 \mum, generalmente menos de 3 \mum, preferiblemente menos de 2 \mum, por ejemplo 1,2 \mum.

Nótese que la unidad de atomización de explosión no tiene que descargar el combustible líquido atomizado directamente a la cámara de combustión. Es suficiente con que las gotitas de combustible generadas entren finalmente a la cámara de combustión sin que haya tenido lugar un crecimiento indeseablemente grande de las gotitas como consecuencia de la coalescencia.

Se usa una unidad de atomización de explosión de remolino que está provista de atomizadores de remolino. En esta clase de atomizador conocido de remolino se imparte un movimiento de remolino al combustible líquido en una cámara de remolino. El combustible sometido a movimiento de remolino sale de un orificio de salida. Se ha averiguado que el espesor de la capa de salida de combustible es una fracción (por ejemplo un 10%) del diámetro del conducto de salida. Debido a la subsiguiente fragmentación por explosión se obtienen partículas (dependiendo de la caída de presión, temperatura y diámetro del conducto) con una dimensión media de 5 \mum o menor.

Será aparente que, con el fin de realizar esta fragmentación, es importante que las condiciones (y en particular el cambio en las condiciones) en las que se atomiza el combustible líquido sean óptimas para la fragmentación. Son condiciones importantes para la fragmentación súbita la temperatura del combustible, la presión de atomización bajo la que se atomiza el combustible, la caída de presión durante la salida, y el diámetro del conducto. Por tanto, se recomienda que la unidad de atomización de explosión comprenda medios para ajustar la temperatura del agente vaporizante y/o la presión de atomización.

En el caso de reequipamiento de la unidad de combustión anteriormente descrita, es posible integrar una configuración de una serie de unidades de atomización de explosión en una admisión de aire nueva o modificada, o bien hacer que estas nuevas unidades de atomización de explosión desemboquen directamente a la cámara de combustión. Mediante la orientación del conducto de salida de cada unidad de atomización de explosión es posible atomizar el combustible de tal manera que sea óptimo para la formación de la mezcla de combustible y aire para la combustión. En particular se recomiendan los atomizadores de remolino y los atomizadores de ranuras o de orificios, puesto que son de construcción muy simple, se pueden miniaturizar fácilmente e incorporar a las unidades actuales de combustión. De ese modo, se pueden incorporar cantidades muy grandes de unidades de atomización de explosión sin necesidad de efectuar demasiadas modificaciones de una unidad actual de combustión, lo cual ofrece gran libertad en la elección del caudal de combustible que entra a la cámara de combustión. El reequipamiento de las actuales unidades de combustión resulta así en unas unidades de combustión que se pueden convertir a coste más bajo y que sin embargo realizan una combustión ampliamente perfeccionada con una emisión menor de hollín y de NO_{x}.

Como se ha indicado, el combustible líquido se puede aplicar como combustible. El estado líquido al que se hace referencia en la presente memoria se refiere al estado del combustible a la temperatura y presión que prevalezcan en la admisión de combustible. Esto significa que se pueden usar combustibles que sean gaseosos en condiciones ambientales. Los combustibles tales como el gasóleo y la gasolina tienen un intervalo de puntos de ebullición. Esto significa que, con el fin de realizar la atomización de explosión, se debe elegir una temperatura comprendida en el intervalo de puntos de ebullición de tal manera que se produzca un efecto significativo de evaporación súbita. Para el gasóleo se puede elegir una temperatura de 350ºC. Para queroseno/gasolina se puede elegir una temperatura inferior (250/150ºC). Para los motores diesel marinos de bajas revoluciones se puede elegir una temperatura de combustible más elevada, tal como 400ºC. No obstante, nótese que estas temperaturas pueden variar dependiendo de la presión aplicada y de aditivos opcionales del combustible que tengan un efecto positivo sobre la atomización de la explosión. Será evidente que, con el fin de realizar una óptima atomización de explosión, una unidad de combustión preferiblemente se equipará con medios para ajustar la temperatura y la presión de atomización del combustible.

Si en una preferencia adicional los medios de ajuste de temperatura regulan la temperatura del agente vaporizante alrededor o a la temperatura crítica, el agente vaporizante adquiere una tensión superficial de prácticamente o igual a 0 N/m^{2}.Esto significa que no se requiere energía adicional de atomización (o se requiere poca) para atomizar el líquido, por lo que el tamaño de las gotitas se hará extremadamente pequeño (en este caso es posible una dimensión media de gotita hasta de 0,1 \mum) y opcionalmente se puede prescindir del uso de otros agentes para disminuir la tensión superficial.

Además de dichas condiciones físicas para fragmentación, también es posible aumentar la fragmentación mediante aditivos químicos o físicos al combustible. Por tanto, se recomienda añadir al combustible agentes que reduzcan la tensión superficial del combustible y de ese modo disminuyan la energía requerida para la fragmentación. Se pueden usar detergentes y productos análogos como agentes reductores de tensión superficial. Son preferidos aquellos agentes reductores de tensión superficial que no permanezcan únicamente en la superficie de la gotita de combustible, sino que se distribuyan casi homogéneamente a través del combustible (gotita o película). Por tanto, no se requiere que después de la atomización y antes de la fragmentación, se reduzca la tensión superficial a un grado menor como resultado de la difusión. En estas condiciones se recomienda usar ácidos grasos, en particular ácidos grasos de cadena más corta y opcionalmente alcoholes tales como metanol y etanol. Estos últimos agentes se recomiendan en particular debido a su punto de ebullición relativamente más bajo y a una buena combustión. De ese modo se evita que el proceso de combustión resulte afectado por estos aditivos en un sentido negativo.

De acuerdo con otra realización, el combustible contiene sustancias combustibles y/o vaporizables que o bien reducen la tensión superficial del combustible o bien aumentan la formación de gas en el combustible como consecuencia de la caída de presión sobre el atomizador. Se pueden usar en particular sustancias combustibles y/o vaporizables en este caso que tengan un punto de ebullición más bajo que el punto de ebullición del combustible. Se entenderá que esto significa que, en el caso de un intervalo de puntos de ebullición del combustible, y opcionalmente del agente evaporador, estos intervalos se elegirán de tal manera que el agente evaporador contribuya esencialmente a la formación de gas y por último a la fragmentación del combustible. Cuando se usan una serie o una mezcla de agentes vaporizadores, las sustancias vaporizables con el mínimo punto de ebullición se evaporarán súbitamente en primer lugar y formarán burbujas de ebullición debido a la caída de presión al pasar por la unidad de atomización de explosión, con lo que el combustible líquido explota o se fragmenta en pequeñas gotitas. Por ejemplo, se puede usar una mezcla de gasóleo como combustible y agua como agente evaporador. También se puede usar un agente evaporador sobrecalentado (agua) como agente evaporador (por ejemplo agua) y se puede aplicar en particular en las calderas que queman petróleo para producir vapor, en cuyo caso el combustible y el agua sobrecalentada se pueden introducir por separado a la caldera por atomización de explosión. En este caso se da la ventaja adicional de que a través de la evaporación del agua la temperatura de la mezcla es menor antes, durante y después de la combustión, lo cual aumenta el rendimiento de la combustión y reduce la emisión de CO y de NO_{x}.

La unidad de combustión es aplicable en un motor de combustión, por ejemplo un motor a gas, un motor a gasolina o un motor a gasóleo. Además, la unidad de combustión se puede incorporar en un sistema para producir energía que comprenda un dispositivo de compresión accionado por una turbina de gas y la unidad de combustión de acuerdo con el invento en el que el combustible y el aire comprimido por el dispositivo de compresión se queman e introducen en la turbina de gas.

Será evidente que resulta muy ventajoso a este respecto que las unidades de atomización de explosión se usen en el dispositivo de compresión para atomizar determinadios agentes evaporadores con una energía de evaporación comparablemente mayor (por ejemplo agua). Por este medio se obtiene una compresión casi isotérmica, con lo que se reduce considerablemente el trabajo de compresión. En el caso de que la unidad de combustión esté provista de una cámara de compresión y de una cámara de combustión, la unidad de atomización de explosión para el combustible se puede conectar a la cámara de combustión, y a la cámara de compresión se puede conectar una unidad de atomización de explosión para el agente evaporador con el fin de enfriar por evaporación.

De ese modo puede tener lugar una compresión opcional casi isotérmica durante la carrera de compresión y la carrera de combustión del motor de combustión, y en cualquier caso una combustión óptima. En el caso de enfriamiento por evaporación, se recomienda además que entre una cámara de compresión y una cámara de combustión del motor de combustión se instale al menos una vasija de presión que esté en contacto de intercambio de calor con una salida de gas de combustión del motor de combustión. De ese modo es posible en el aire comprimido frío recuperar calor del calor de los gases de combustión. Si el tiempo de permanencia en la vasija de presión es demasiado corto, se pueden instalar una cantidad de vasijas de presión en paralelo o una vasija de presión relativamente grande en combinación con un número de cámaras de combustión.

Las características mencionadas y otras de la unidad de combustión y del sistema de generación de energía de acuerdo con el invento se aclararán más a continuación en la presente memoria con referencia a una serie de realizaciones que se dan a título de ejemplo, sin que el invento tenga que considerarse limitado a las mismas.

En el dibujo:

La figura 1 muestra una vista esquemática de un atomizador de remolino de explosión;

La figura 2 muestra una representación esquemática de un motor diesel de acuerdo con el invento con turboalimentador;

La figura 3 muestra una variante del motor diesel de la figura 2;

Las figuras 4 hasta 6 muestran cada una una representación esquemática de un motor de combustión de acuerdo con el invento;

La figura 7 muestra una representación esquemática de un sistema generador de energía de acuerdo con el invento;

La figura 8 muestra otro sistema generador de energía de acuerdo con el invento según el principio TOPHAT (turbina de aire humidificado en la parte superior); y

La figura 9 muestra otro sistema generador de energía de acuerdo con el invento según el principio TOPHACE (motor de combustión de aire humidificado en la parte superior).

La figura 1 muestra un atomizador de explosión de remolino tal como se aplica en una unidad de combustión de acuerdo con el invento. El atomizador de explosión de remolino 1 comprende una tubería 2 con la que se alimenta combustible 3 por medio de un orificio tangencial 4 a una cámara 5 de remolino. El líquido adquiere un movimiento 6 de remolino en la cámara 5 de remolino y sale del atomizador 1 a través de un orificio (o conducto) de escape. El combustible con movimiento de remolino sale en la forma de un cono. El espesor de la capa de combustible en dicho conducto disminuye, y como consecuencia de la fragmentación se rompe en gotitas muy pequeñas. Se puede ver claramente que el espesor de la capa de combustible es menor que el diámetro del orificio 7 de escape de la cámara 5 de remolino cuando en el líquido de salida se produce precipitación súbita o de gas por medio de una disminución repentina de presión, con lo que entonces el cono y las partículas se fragmentan en gotitas extremadamente pequeñas, originándose la denominada atomización de explosión. El espesor de la capa cónica y el tamaño de las gotitas formadas depende del grado de atomización de explosión, y por tanto del grado de formación de gas en la capa cónica. Las condiciones físicas que son importantes para esta situación son la presión y la temperatura del combustible y la presión y la temperatura reinantes en el espacio en que se descarga el combustible atomizado con movimiento de remolino. De ese modo, es posible influir en el número y el tamaño de las partículas atomizadas formadas de combustible mediante la elección de estas condiciones.

La figura 2 muestra un motor diesel 8 de acuerdo con el invento que comprende seis unidades o cilindros de combustión 9 de acuerdo con el invento. El gasóleo se suministra por medio de una bomba 10 y de una tubería 11 a una unidad atomizadora de explosión 12 que puede consistir en un número adecuado de atomizadores de explosión seleccionados como se muestra en la figura 1. El gasóleo tiene una temperatura y presión adecuadas para la atomización de explosión. El aire se suministra a través de una tubería 13 a un compresor 14 que se acciona por una turbina de gas 16 a través de un eje 15.

A la turbina de gas 16 se le añade el gas de combustión de los cilindros 9 que se alimenta por medio de una tubería 17 a la turbina de gas 16 y a través de una tubería 18 a la chimenea 19.

El aire comprimido en el compresor 14 se introduce a través de las tuberías 20 a la cámara de combustión 21 de cada cilindro 9.

La figura 3 muestra un motor diesel 22 que se corresponde con el de la figura 2. Los componentes correspondientes se han designado con los mismos números de referencia. Sin embargo, una primera diferencia estriba en el hecho de que el aire comprimido en el compresor 14 no se alimenta a través de la tubería 20 a la cámara de combustión 21, sino a la unidad atomizadora de explosión 12. Esto produce una mezcla óptima de aire y combustible. Si el aire todavía contiene partículas de agente evaporador (partículas de agua) aún es posible incluso una compresión casi isotérmica en el cilindro 9.

En segundo lugar, en la tubería 13 se aloja una unidad atomizadora de explosión 23. A través de la explosión se suministra agua atomizadora al aire en el presente invento, con lo que se produce una evaporación casi isotérmica en el compresor 14. El agua necesaria se introduce a través de una tubería 24 a un intercambiador de calor 35 en el que está en contacto de intercambio de calor con el gas de combustión que sale de la turbina de gas 16. El agua calentada se alimenta a presión por medio de una bomba 26 a una unidad atomizadora de explosión 23.

Los motores diesel 8 y 22 mostrados en las figuras 2 y 3 se pueden usar como motores diesel marinos de bajas revoluciones.

La figura 4 muestra un motor de combustión 27 de acuerdo con el invento que está provisto de una cámara de compresión 28 y de una cámara de combustión 29. La cámara de compresión 28 está provista de una admisión 30 de aire con una válvula 31 de admisión. La cámara de compresión 28 comprende además una unidad atomizadora de explosión 32 para suministrar refrigerante (por ejemplo agua) a través de la tubería 33. De ese modo se puede lograr una compresión casi isotérmica por enfriamiento de evaporación. A través de una salida 35 provista de una válvula 34 la cámara de compresión 28 está conectada a una vasija de presión 36 que está provista de un intercambiador de calor 37. La vasija de presión 36 está conectada por medio de la tubería 38 y de una válvula 39 a la cámara de combustión 29, que está provista además de una unidad atomizadora de explosión 40 para el combustible alimentado a través de la tubería 41 y de una unidad de encendido 42. A través de una válvula 43 y de una salida 44 los gases de escape se descargan a través de los intercambiadores de calor 45, 37 y 46.

El motor de combustión 27 funciona de la manera siguiente. A una presión de un bar y a una temperatura de agua de 27ºC el agua se atomiza por medio de una unidad atomizadora de explosión 32 en la cámara de compresión 28, en la que tiene lugar una compresión casi isotérmica a 44 bares y 220ºC. Las válvulas 34 y 39 se abren y la vasija de presión 36 y la cámara de combustión 29 se llenan durante la última parte de la carrera del pistón 47. Luego se cierran las válvulas 34 y 39. El aire presente en la vasija de presión 36 se calienta por estar en contacto con los gases de escape que pasan a través del intercambiador de calor 37. En la vasija de presión 36 el aire se calienta hasta una temperatura de 300ºC, y finalmente se introduce a presión en la cámara de combustión 29 a través de la válvula 39.

Simultáneamente se inyecta combustible a través de la unidad atomizadora de explosión 40, después de lo cual tienen lugar entonces el encendido y la expansión en la cámara de combustión 29. Durante la carrera de retorno del pistón 48, los gases de escape se descargan a través de la válvula 43 y se usan para intercambiar calor con el combustible, con el aire comprimido y con el agua para inyección.

Será evidente que en la cámara de combustión 29 el combustible se inyecta de un modo análogo por medio de la unidad atomizadora de explosión 40 y el refrigerante a través de la unidad atomizadora de explosión 32.

El uso del motor de combustión 27 logra que se desarrolle un trabajo de compresión mínimo, mientras que se obtiene la recuperación de calor a baja temperatura para precalentar aire, agua y/o combustible.

En el caso de que el tiempo de permanencia en la vasija de presión no sea suficiente para un calentamiento óptimo del gas comprimido, se recomienda que la vasija de presión se realice en la forma de un número de vasijas de presión conectadas en paralelo entre la cámara de compresión 28 y la cámara de combustión 29.

Si la compresión casi isotérmica se desarrolla mediante la inyección de una mezcla de agua/combustible (por ejemplo, agua/metanol), la refrigeración por evaporación se puede suplementar entonces por extracción del calor resultante del craqueo del combustible. Con el fin de llevar a cabo esta reacción de craqueo del combustible, es necesario incorporar en la vasija de presión un catalizador de craqueo (por ejemplo CuO para metanol, o zeolita para gasolina). Son importantes un tiempo adecuado de reacción del orden de un segundo y una temperatura de craqueo suficientemente alta para el metanol, de 250-300ºC, y para la gasolina de 475-675ºC.

Resultará aparente que disponiendo una separación entre la cámara de compresión y la cámara de combustión/expansión usando la vasija de presión, se puede lograr una optimización del rendimiento energético en condiciones de un requisito de potencia variable haciendo uso de la energía acumulada. Se puede aplicar incluso opcionalmente un motor híbrido con almacenamiento de aire comprimido.

La figura 5 muestra una unidad de combustión 49 de acuerdo con el invento.

Por medio del compresor rotativo 50 se suministra aire a través de la admisión 51, mientras que una mezcla de agua/combustible se atomiza con una unidad atomizadora de explosión 52. Conectadas a la vasija de presión 58 se encuentran las cámaras de combustión 53 que admiten cada una la mezcla comprimida de aire/combustible a través de una tubería 54, mientras que a través de la admisión 55 se suministra combustible adicional. La mezcla se enciende usando el sistema de encendido 56. Los gases de escape salen de la cámara de combustión 53 por la salida 57. Por medio de un intercambiador de calor 59 tiene lugar un intercambio de calor con la mezcla de aire/combustible presente en la vasija de presión 58. Mediante la utilización de la vasija grande de presión 58 y de una pluralidad de cámaras de combustión, se dispone de un tiempo significativamente mayor para calentar la mezcla presente en la vasija de presión 58 usando los gases de escape.

La figura 6 muestra un motor de combustión 60 que comprende un cilindro 61 con un pistón 62 además de una admisión 63 de aire y una salida 65 de gases de combustión. El cilindro 61 está provisto además de unos electrodos de plasma 66 que están conectados a un sistema electrónico 66 de energía para generar un plasma en la culata del cilindro 61. Durante la compresión, se introduce una mezcla de combustible/agua a través de la unidad atomizadora de explosión 69, no mostrada con detalle, para la compresión casi isotérmica. Subsiguientemente se genera el arco de plasma para calentar el aire comprimido y encender la mezcla de combustible, y después de la carrera de expansión del pistón 62 se expulsan los gases de combustión a través de la salida 65 y accionan a la turbina 70 generando al mismo tiempo energía que se usa parcialmente por el sistema electrónico de energía.

La Figura 7 muestra un sistema 60 para generar energía. El sistema 60 comprende un compresor 61 que se acciona por un eje 62 mediante la turbina de gas 63 que a su vez mueve a un generador 64.

Se suministra aire al compresor 61 por medio de una tubería 65, y se suministra agua a una unidad atomizadora de explosión 66 a través de la tubería 68 provista de una bomba 67. El aire comprimido en el compresor 61 se alimenta a una unidad de combustión 69 de acuerdo con el invento, a la que, a través de una tubería 70, se introduce combustible precalentado a presión por medio de la bomba 116, intercambiador de calor 117 y bomba 118 y se atomiza en una unidad atomizadora de explosión 71 antes de introducirse a la unidad de combustión 69. El combustible se pone a presión mediante la bomba 116 y se precalienta por intercambio de calor con el gas de combustión de la tubería 73 en el intercambiador de calor, y se lleva hasta la temperatura crítica o por encima de ella o, en el caso de que el combustible tenga un intervalo de puntos de ebullición, dentro del intervalo de temperaturas críticas de los componentes del combustible. A través de la tubería 72 se introducen los gases de combustión a la turbina 63, y tras la expansión, se descargan a través de la tubería 73.

La Figura 8 muestra otro sistema 74 para generar energía de acuerdo con el invento que responde al denominado principio TOPHAT (turbina de aire humidificado en la parte superior). En una unidad de explosión 75 se provee al aire 74 de gotitas de agua con el agua 77 suministrada por medio de atomización de explosión. El aire se suministra a un compresor 78 que está conectado por medio de un eje 79 a una turbina de gas 80 que mueve a un generador 81. En el compresor 78 tiene lugar un enfriamiento por evaporación de las gotitas de agua. El aire comprimido frío atraviesa un intercambiador 83 a través de una tubería 82 y se alimenta a una unidad de combustión 84. El combustible se precalienta a presión previa por medio de la bomba 120 en el intercambiador de calor 121 y se lleva a la presión por la bomba 122, y tras la atomización de explosión producida en la unidad atomizadora de explosión 93, se suministra por medio de la tubería 85 a la unidad de combustión 84. El combustible añadido está a una presión y temperatura tales que cuando entra a la cámara de combustión de la unidad de combustión 84 tiene lugar la evaporación súbita del combustible, resultando en una atomización extremadamente fina del combustible. El gas de combustión procedente de la turbina de gas 80 pasa a través del intercambiador de calor 83 por la tubería 86 para establecer un contacto de intercambio de calor con el aire comprimido frío del compresor 78. A través de la tubería 87, el gas de combustión pasa a través de un intercambiador de calor 88 y condensador 87 en su camino a la chimenea 92. En el condensador 89 el agua se condensa separándose del gas de combustión y se guía a presión por medio de la bomba 90 a través del intercambiador de calor 88, después de lo cual el agua llega a la unidad atomizadora de explosión 75 a presión y temperatura adecuadas. Al agua de condensación procedente del condensador 89 se le puede añadir opcionalmente más agua a través de la tubería 91.

Finalmente, la Figura 9 muestra un sistema 94 de acuerdo con el invento para generar energía según el principio TOPHACE (motor de combustión con aire humidificado en la parte superior).

Por medio de una bomba 95 se alimenta agua (a 140-250ºC y 150 bares) a una unidad atomizadora de explosión 96 a la que análogamente se introduce aire por medio de la tubería 97 (a 15ºC). Desde la unidad atomizadora de explosión 96 el aire llega a un compresor 98 que trabaja con un rendimiento del 0,8. El aire comprimido (a 140ºC) se introduce por medio por medio de la tubería 99 a un intercambiador de calor 100 para establecer un intercambio de calor por contacto con los gases de combustión de un motor de combustión 101. Este último consta de cuatro cilindros 102, desde los que se conecta una admisión 103 de aire a la tubería 99 a través de una válvula 104. Una salida 105 de gas de combustión de cada cilindro 102 pasa a través del intercambiador de calor 100, se transporta a través de la tubería 106 a través del intercambiador de calor 107 y entra a la chimenea 92 a través del condensador 89. En el condensador 89 se forma agua de condensación 108 que, después de pasar por una depuradora de agua 109, se lleva a la presión previa por medio de la bomba 110, se alimenta por medio del intercambiador de calor 107 a la bomba 95 y se lleva a la presión adecuada.

El combustible se alimenta a cada cilindro 102 por la bomba 111, tubería 117, unidad atomizadora de explosión 112 y válvulas (no mostradas). El combustible se precalienta hasta la temperatura crítica o más allá de ella o, en el caso de que tenga un intervalo de puntos de ebullición, dentro del intervalo de temperaturas críticas, antes de atomizarlo con la unidad atomizadora de explosión 112.

En el recuperador 100 el aire se calienta desde 140ºC hasta 377ºC, mientras que los gases de combustión de los cilindros 102 se reenfrían desde 465ºC hasta 210ºC. El aire se introduce a una presión de 9 bares a los cilindros 102 y se inyecta combustible atomizado. Los cilindros 102 se realizan también con un sistema de encendido 119 para encender la mezcla en cada cilindro 102. Cada uno de los cilindros 102 está dotado de un pistón 113, que está conectado a un eje 114 que está acoplado por medio de un sistema 115 de engranajes 1:5 al eje 114 del compresor 98 y en el otro lado al generador 116.

En condiciones ideales, el sistema produce 226 kilovatios de potencia con un rendimiento del 64%. Un aparato conocido de acuerdo con el principio de Atkinson produce una potencia de solamente 170 kilovatios con un rendimiento del 48%.

Claims (10)

1. Una unidad de combustión para quemar un combustible líquido, que comprende una admisión de combustible, una admisión de aire y una salida de gases de combustión que están conectadas a una cámara de combustión para quemar el combustible, en la que la admisión de combustible está conectada al menos a una unidad atomizadora de explosión de remolino, que comprende una admisión tangencial a una cámara de remolino que tiene un orificio de salida de combustible con movimiento de remolino, y que comprende medios para ajustar la temperatura del combustible y/o la presión de atomización de tal manera que como resultado de una caída de presión el combustible con movimiento de remolino que sale en la forma de un cono por el orificio de salida de combustible de la unidad atomizadora de explosión de remolino a la cámara de combustión, debido a la fragmentación de la explosión se fragmenta en gotitas de combustible que tienen una dimensión media menor o igual a 5 \mum.

2. Una unidad de combustión como la reivindicada en la reivindicación 1, en la que los medios de ajuste de temperatura son adecuados para ajustar la temperatura del combustible por debajo, en y por encima de la temperatura crítica del combustible.

3. Una unidad de combustión como la reivindicada en las reivindicaciones 1 ó 2, en la que el combustible está provisto de agentes para reducir la tensión superficial del combustible.

4. Una unidad de combustión como la reivindicada en la reivindicación 3, en la que los agentes reductores de la tensión superficial contienen sustancias combustibles y/o vaporizables.

5. Una unidad de combustión como la reivindicada en las reivindicaciones 1 a 4, en la que el combustible es una mezcla de combustible y un agente evaporador que tiene un punto de ebullición menor que el punto de ebullición del combustible.

6. Una unidad de combustión como la reivindicada en la reivindicación 5, en la que el agente evaporador es agua.

7. Una unidad de combustión como la reivindicada en las reivindicaciones 1 a 6, en la que la unidad atomizadora de explosión está alojada en la cámara de combustión y opcionalmente en una cámara de compresión de la unidad de combustión.

8. Una unidad de combustión como la reivindicada en la reivindicación 7, en la que al menos una vasija de presión en contacto de intercambio de calor con la salida de gases de combustión está instalada entre la cámara de compresión y la cámara de combustión.

9. Una unidad de combustión como la reivindicada en la reivindicación 8, en la que en la cámara de combustión existe un catalizador para craqueo del combustible.

10. Un sistema para generar energía, que comprende al menos una turbina de gas, al menos un dispositivo de compresión accionado por la turbina de gas, y como mínimo una unidad de combustión como la reivindicada en las reivindicaciones 1 a 9.