ES2224625T3

ES2224625T3 - Camara decombustion apresion tipociclo brayton hibrido conalto rendimiento y baja polucion.

Info

Publication number: ES2224625T3
Application number: ES99913847T
Authority: ES
Inventors: J. Lyell Ginter
Original assignee: Vast Power Portfolio LLC
Current assignee: Vast Power Portfolio LLC
Priority date: 1998-03-13
Filing date: 1999-03-10
Publication date: 2005-03-01
Anticipated expiration: 2019-03-10
Also published as: EP1062409B1; BR9908710A; AU771937C; EP1496220A3; KR20010074445A; DE69918538T2; ATE270748T1; JP2002538345A; DE69918538D1; EP1062409A1; WO1999046484A1; AU3183299A; EP1496220A2; RU2000125743A; IL138380A; CN1299435A; SG141211A1; CA2323541A1; AU771937B2; IL138380A0

Abstract

Un sistema de conversión de energía que comprende: a) un combustor (200) que incluye una cámara de combustión (25), b) un dispositivo de utilización acoplado al combustor, c) un medio de suministro de combustible para suministrar combustible al combustor, d) un medio de suministro de aire para suministrar aire comprimido a una temperatura y presión elevadas al combustor, eligiéndose la cantidad de aire de modo que se consuma una parte sustancial del oxígeno en el aire cuando reaccione con el combustible; mezclándose el combustible y el aire en el combustor; e) un medio de control para controlar la cantidad de aire suministrada al combustor y la cantidad de combustible suministrada al combustor, f) un medio de suministro de líquido para suministrar cantidades controladas de diluyente térmico al combustor, convirtiéndose rápidamente en vapor el diluyente térmico suministrado tras la entrada en la cámara de combustión, creando el suministro y la formación de vapor turbulencias y mezcladoen la cámara de combustión que dan como resultado un fluido energético que comprende diluyente térmico, productos de combustión, componentes residuales del aire y combustible, suministrándose dicho fluido energético al dispositivo de utilización, g) un controlador de temperatura, suministrando dicho controlador al combustor cantidades suficientes para mantener la temperatura del fluido energético al nivel deseado, derivando una porción sustancial del control de la temperatura en el combustor del calor latente de vaporización del diluyente térmico introducido en el combustor, caracterizado porque la cámara de combustión comprende: una primera zona de quemador (250) localizada en el extremo aguas arriba de la cámara de combustión, al menos una zona de quemador adicional (252) localizada aguas abajo de la primera zona de quemador y caracterizada adicionalmente porque incluye: un mecanismo de alimentación de aire (236) para admitir una parte del aire comprimido total disponible en la primera zona de quemador, y un segundo mecanismo de alimentación de aire (232) para admitir el resto del aire comprimido disponible en una o más de las zonas de quemador aguas abajo.

Description

Cámara de combustión a presión tipo ciclo Brayton híbrido con alto rendimiento y baja polución.

Antecedentes

Esta solicitud es una continuación en parte de la solicitud de EE.UU. nº de serie 08/232.047 presentada el 26 de abril de 1994, ahora patente de EE.UU. 5.743.080 expedida el 28 de abril de 1998, que es la fase nacional EE.UU. del documento PCT/US93/10280 presentado el 27 de octubre de 1993 y una continuación de patente de la patente de EE.UU. 5.617.719 presentada en 27 de octubre de 1992, todas las cuales se incorporan por referencia. La invención de la presente memoria constituye el nuevo material no dado a conocer en las citadas solicitudes y patentes anteriores.

Campo de la invención

La presente invención se dirige a un motor de vapor vapor-aire que funciona a alta presión y utiliza un fluido motor constituido por una mezcla de productos de combustión del combustible y vapor con una cantidad mínima de aire comprimido en exceso. La invención se dirige adicionalmente a procesos para producir energía eléctrica, potencia de eje utilizable y/o grandes cantidades de vapor de agua en un sistema de quemado de combustible de alta eficacia y bajo consumo específico de combustible, mientras se generan cantidades insignificantes de contaminantes medioambientales (NO_{x}, CO, partículas, combustible no quemado). La invención se dirige adicionalmente aún a la producción de agua potable mientras se genera energía eléctrica sin contaminar el ambiente ni reducir significativamente la eficacia o aumentar el consumo de combustible.

Antecedentes de la invención

Los motores de combustión interna se clasifican generalmente como de volumen constante o de presión constante. Los motores de ciclo Otto funcionan haciendo explotar combustible volátil en un volumen constante de aire comprimido, mientras que los motores de ciclo diesel queman combustible en un ciclo modificado, caracterizándose el quemado como aproximadamente a presión constante.

Los motores de combustión externa se ejemplifican por los motores de vapor, turbinas de vapor y turbinas de gas. Es bien conocido suministrar a una turbina de gas un fluido motor gaseoso generado mediante la combustión de un combustible con aire comprimido y hacer funcionar diversos dispositivos motores con la energía almacenada en esta corriente gaseosa a alta presión. En estos dispositivos, el control de la temperatura es habitualmente el resultado de alimentar grandes cantidades de aire comprimido en exceso.

Es también conocido quemar combustible en una cámara y evacuar los productos de combustión a un cilindro o cámara de trabajo, a veces con la inyección de pequeñas cantidades de agua o vapor de agua. Pueden clasificarse también como motores de combustión externa.

Se han propuesto algunos otros dispositivos en los que las cámaras de combustión se enfrían mediante la adición de agua o vapor de agua proporcionado interna o externamente. Se ha propuesto aún otra forma de aparato para funcionamiento con combustible inyectado en un cilindro de combustión a medida que cae la temperatura, que tiene medios para terminar la inyección de combustible cuando la presión alcanza un valor deseado.

Cada uno de estos motores anteriores ha encontrado dificultades que limitan su adopción general como fuente de energía para el funcionamiento de máquinas motrices. Entre estas dificultades han estado la incapacidad de dicho motor de satisfacer una demanda repentina y/o de mantener una temperatura o presión de trabajo constantes, como puede ser necesario para el funcionamiento eficaz de dicho motor.

Además, el control de dichos motores ha sido ineficaz, y la capacidad del generador de gas de mantenerse en condición de reposo se ha encontrado totalmente inadecuada. En todas las configuraciones prácticas aplicadas de motores, el requisito de enfriar las paredes limitantes de los cilindros de trabajo ha dado como resultado una pérdida de eficacia y una serie de otras desventajas previamente inherentes a los motores de combustión interna.

La presente invención supera las limitaciones de la técnica anterior descrita anteriormente. En primer lugar, el requisito de grandes cantidades de aire comprimido en exceso o de una refrigeración líquida externa se elimina mediante la inyección de agua directamente a la cámara de combustión para controlar la temperatura del fluido motor resultante. Cuando se inyecta agua, se convierte instantáneamente en vapor de agua en la cámara de combustión, y se vuelve un componente del fluido motor mismo, aumentando así la masa y el volumen del fluido motor sin compresión mecánica.

En la presente invención, el control independiente de a) la temperatura de la llama de combustión, b) el perfil de temperatura de la cámara de combustión mediante la inyección de agua líquida y c) la relación combustible a aire permite optimizar las propiedades físicas del fluido motor para un funcionamiento de alta eficacia. Reducir o eliminar el aire en exceso, limitando así la disponibilidad del oxígeno en exceso, y controlar la temperatura de llama y el perfil de temperatura del combustor evita también la formación de NO_{x} y favorece la conversión completa del combustible quemado a CO_{2}, minimizando la producción de CO.

La presente invención utiliza también altas relaciones de presión como medio para aumentar la eficacia y la potencia reduciendo simultáneamente el consumo específico de combustible ("CEC"). Cuando se inyecta agua y se convierte en vapor de agua en la cámara de combustión de la presente invención, adquiere la presión de la cámara de combustión. Debe observarse que la presión de la cámara de combustión se adquiere mediante el vapor de agua, independientemente de la relación de presión del motor. Por tanto, puede obtenerse una relación mayor de presión en el motor sin gastar energía adicional para realizar la compresión de la nueva inyección de vapor de agua o agua. Debido a la inyección de cantidades masivas de agua en la presente invención, no hay necesidad de comprimir más aire que el necesario para la combustión, estando utilizado típicamente este aire en exceso en los sistemas anteriores para refrigeración. La eliminación de este requisito da como resultado un enorme ahorro de energía para el sistema y un aumento significativo, sin consumo adicional de combustible, de la potencia de eje disponible sin aumentar la velocidad de la turbina.

La inyección de agua, como se enseña en la presente invención, proporciona diversas ventajas frente a la técnica anterior. En primer lugar, se requiere una cantidad mínima de energía adicional para presurizar el agua por encima de la presión de la cámara de combustión. En el sistema de inyección de vapor, debe gastarse una energía significativa para elevar el vapor a una presión superior a la de la cámara de combustión. Igualmente, el aire en exceso requiere gastar una energía adicional para elevar el aire de alimentación a presiones mayores para producir una masa de fluido motor adicional. Además, cuando se inyecta agua y se convierte en vapor de agua en la presente invención, adquiere la presión de la cámara de combustión sin energía adicional. Este vapor tiene también una entropía y entalpía constantes.

En la presente invención se utiliza el calor en exceso (residual) de la combustión para convertir el agua inyectada en vapor de agua, aumentando así la presión del fluido motor y la masa del fluido motor sin compresión mecánica del aire en exceso. En contraposición, en una turbina de ciclo Brayton típica, se utiliza de 66% a 75% del aire comprimido mecánicamente para diluir los productos de combustión para reducir la temperatura del fluido motor a la temperatura de entrada en turbina ("TET") deseada.

El vapor de agua generado por la vaporización del agua inyectada puede duplicar al menos la masa de fluido motor generada por la combustión y aumentar la potencia neta en un 15% o más. Por lo tanto, puede observarse que el agua sirve como combustible en este nuevo sistema termodinámico porque suministra presión, masa y energía al sistema, dando como resultado una eficacia aumentada del presente sistema.

El ciclo de la presente invención puede ser abierto o cerrado con respecto al agua. Esto significa que el aire y el agua pueden evacuarse (abierto) o recuperarse y reciclarse (cerrado). La desalinización o purificación de agua puede ser un subproducto de la generación de energía eléctrica de una instalación estacionaria o de barcos en el mar, en la que el ciclo es abierto en cuanto al aire pero cerrado en cuanto a la recuperación de agua desalinizada. Las plantas de energía marina, las aplicaciones industriales y los sistemas de limpieza y recuperación del agua potable y agua de irrigación son también aplicaciones viables.

Es conocido del documento WO-A-9410427 un sistema de conversión de energía según el preámbulo de la reivindicación 1.

El presente ciclo puede emplearse también en una fase de ciclo cerrado en entornos móviles, por ejemplo automóviles, camiones, autobuses, locomotoras, navíos, aviones regionales, aviación en general y similares.

Sumario de la invención

Uno de los objetivos de esta invención es proporcionar un nuevo ciclo de energía termodinámica que puede funcionar en un modo abierto o cerrado, que comprime una cantidad estequiométrica de aire y quema combustible con el aire para proporcionar una energía eficaz, limpia y exenta de contaminación.

Es también un objeto de esta invención controlar completamente la temperatura de combustión en un combustor mediante el empleo del calor latente de vaporización del agua sin necesidad de comprimir mecánicamente el aire en exceso (dilución) para refrigeración.

Es un objeto adicional de esta invención reducir la carga del compresor de aire en relación con la turbina de energía utilizada en el motor, de modo que pueda utilizarse un compresor menor y pueda conseguirse una marcha al ralentí lenta y una aceleración más rápida.

Es un objeto adicional de la invención controlar separadamente la temperatura de entrada en turbina (TET) a voluntad.

Es otro objeto de esta invención variar la composición y la temperatura del fluido motor a voluntad.

Es también un objeto de esta invención proporcionar suficiente tiempo de residencia de los reactantes en la cámara de combustión para permitir la combustión estequiométrica, el enlace químico y tiempo para completar e inactivar la reacción, dando como resultado un equilibrio químico.

Es también un objeto de esta invención quemar y enfriar los productos de combustión de manera que se prevenga la formación de componentes que causan el smog, tales como NO_{x}, combustible no quemado, CO, partículas, productos de disociación de CO_{2}, etc.

Es también un objeto de esta invención proporcionar un sistema de combustión con un 100% de conversión de un kilo de energía química a un kilo de energía térmica.

Es también un objeto de esta invención hacer funcionar el sistema de energía completo tan frío como sea posible y seguir funcionando con una buena eficacia térmica.

Es también un objeto de esta invención proporcionar un proceso de condensación para enfriar, condensar, separar y recuperar el vapor de agua en forma de agua potable condensada.

Es también un objeto de esta invención proporcionar un sistema generador de energía eléctrica que utiliza agua no potable como refrigerante y produce agua potable como subproducto de la generación de energía eléctrica.

Es también un objeto de esta invención proporcionar un nuevo ciclo que proporciona alternativamente un ciclo Brayton modificado durante un modo de funcionamiento del motor, un ciclo de vapor de agua vapor-aire durante un segundo modo de funcionamiento del motor y un ciclo combinado durante un tercer modo.

Es también un objeto de esta invención proporcionar un combustor para uso con cualquier sistema generador de energía por turbina tal que el sistema de energía produzca energía eléctrica con una mayor eficacia y un consumo específico de combustible reducido en comparación con los sistemas actualmente disponibles utilizando los combustores actualmente disponibles.

Es también un objeto de esta invención proporcionar un combustor que puede reconvertir los sistemas de quemado de combustible hidrocarbonado actuales, reemplazando los combustores utilizados actualmente y eliminando la necesidad de un equipo de reducción de la contaminación (convertidores catalíticos, requemadores, sistemas de barrido con gases) aumentando la eficacia operativa y reduciendo la contaminación en las corrientes de evacuación.

Es también un objeto de la invención proporcionar un sistema de generación de energía por turbina que proporciona una potencia de eje utilizable significativamente aumentada (potencia neta utilizable) en comparación con un sistema de ciclo Brayton que quema una cantidad equivalente de combustible.

Es también un objeto de esta invención proporcionar un sistema de generación de energía que produce energía eléctrica con una eficacia global significativamente mayor de un 40%.

Es también un objeto proporcionar un sistema de generación de energía que quema combustibles hidrocarbonados de manera más eficaz para producir menos gases de efecto invernadero (CO_{2}).

Es también un objeto proporcionar eficazmente grandes cantidades de vapor de agua a cualquier temperatura y presión deseada.

Según una realización ejemplar de la presente invención, designada como el ciclo VAST, se describe un motor de combustión interna. Este motor incluye un compresor configurado para comprimir aire ambiental a aire comprimido que tiene una presión mayor o igual a 607,8 kPa y que tiene una temperatura elevada. Se configura una cámara de combustión conectada al compresor para la liberación graduada de aire comprimido del compresor a la cámara de combustión. Se utilizan controles separados de inyección de combustible y líquido para inyectar combustible y agua líquida, respectivamente, en la cámara de combustión según sea necesario y cuando sea necesario. La cantidad de aire comprimido, combustible y agua inyectada, la temperatura del agua inyectada y el punto de inyección en el combustor se controlan cada uno independientemente. Como resultado, la temperatura de combustión media y la relación de combustible a aire (C/A) puede controlarse también independientemente. El combustible inyectado y una porción controlada del aire comprimido se queman, y el calor generado transforma el agua inyectada en vapor. Cuando se transforma el agua inyectada en un vapor, el calor latente de vaporización del agua reduce la temperatura de los gases de combustión que salen del combustor. Se utiliza una cantidad de agua significativamente mayor que el peso de combustible quemado. Sin embargo, la masa de alimentación de aire al sistema se reduce significativamente. Como resultado, el flujo de masa del fluido motor generado por la combustión puede variar de 50% a más de 200% de los flujos de masa en sistemas actuales que utilizan la misma cantidad de combustible en la mayoría de condiciones operativas.

Se genera así un fluido motor constituido por una mezcla de una pequeña cantidad de los componentes no oxígeno no combustibles del aire comprimido (79%), los productos de combustión del combustible y vapor de agua en la cámara de combustión durante la combustión a una temperatura de combustión y con un perfil de temperatura de combustor predeterminados. Sustancialmente todo el control de temperatura se proporciona por el calor latente de vaporización del agua. Cualquier exceso se proporciona sólo para asegurar la combustión completa y no se proporciona con fines refrigerantes. Este fluido motor puede suministrarse después a uno o más motores de trabajo para realizar un trabajo útil. Como alternativa, el fluido motor, que es vapor de agua a alta temperatura y alta presión, puede utilizarse directamente, tal como mediante inyección en pozos de petróleo para aumentar el flujo, como fuente de calor para torres de destilación u otros equipos que utilizan vapor para su funcionamiento.

En realizaciones más específicas de la presente invención, se utiliza una bujía de encendido para encender el motor. El motor puede hacerse funcionar también en ciclo abierto o cerrado; en el último caso, puede recuperarse una parte de la evacuación del fluido motor. La temperatura de llama y el perfil de temperatura de la cámara de combustión se controlan utilizando detectores de temperatura y termostatos localizados a lo largo del combustor.

Además, puede utilizarse un sistema de control informatizado por realimentación para controlar los componentes gaseosos de la corriente de evacuación, y pueden ajustarse automáticamente las condiciones operativas y las velocidades de alimentación para minimizar los NO_{x} y CO en la evacuación.

Cuando se utiliza la presente invención, se reduce la temperatura de combustión mediante el medio de control de la combustión de modo que se consigue una combustión estequiométrica y el equilibrio de la reacción química en el fluido motor. Toda la energía química en el combustible inyectado se convierte durante la combustión en energía térmica y la vaporización del agua a vapor de agua crea una turbulencia ciclónica que ayuda al mezclado molecular del combustible y el aire de tal modo que se efectúa una combustión más completa. El agua inyectada absorbe toda la energía térmica en exceso, reduciendo la temperatura del fluido motor a la temperatura operativa deseada máxima del motor de trabajo. Cuando el agua inyectada se transforma en vapor de agua, asume la presión de la cámara de combustión, sin trabajo adicional para compresión y sin entropía ni entalpía adicionales. El control cuidadoso de la temperatura de combustión evita la formación de gases y compuestos que causan o contribuyen a la formación de smog atmosférico y, en virtud de la eficacia operativa aumentada, reduce la cantidad de gases de efecto invernadero generada por energía utilizable producida.

En otra realización de la presente invención, se genera energía eléctrica utilizando agua no potable como refrigerante, produciéndose agua potable como subproducto de la generación de energía o vapor de agua.

En una tercera realización de la presente invención (un nuevo ciclo), el motor puede funcionar en tres modos diferentes. Cuando el motor se hace funcionar en exceso de unas primeras rpm predeterminadas (concretamente a altas rpm), la inyección de agua y la cantidad de aire comprimido quemado se mantienen constantes a medida que aumentan las rpm del motor. A unas rpm intermedias, concretamente entre unas primeras rpm (altas) y segundas (bajas) predeterminadas, se aumenta la relación de agua a combustible a medida que se reduce la cantidad de aire en exceso. Cuando el motor se hace funcionar a diversas velocidades por debajo de unas segundas rpm predeterminadas (concretamente unas bajas rpm), la relación de agua inyectada a combustible se mantiene constante y la cantidad de aire comprimido quemado se mantiene constante, eliminándose sustancialmente el exceso de aire.

El uso de este nuevo ciclo da como resultado una potencia aumentada a bajas rpm, una lenta marcha en vacío, una rápida aceleración y una combustión de hasta un 95% del aire comprimido a bajas rpm.

Resultará evidente una comprensión más completa de la invención y de los objetos y ventajas adicionales de la misma a partir de la consideración de los dibujos adjuntos y la siguiente descripción detallada. El alcance de la presente invención se indica con particularidad en las reivindicaciones adjuntas.

Breve descripción de los dibujos

La Fig. 1 es un diagrama de bloques de un motor de turbina de vapor vapor-aire según la presente invención.

La Fig. 2 es un diagrama esquemático de un combustor preferido;

La Fig. 3 es una vista en corte transversal a lo largo de la línea 3-3 de la Fig. 2.

La Fig. 4 es un diagrama de bloques de un motor de turbina de vapor vapor-aire que incluye medios para recuperar agua potable según la presente invención.

La Fig. 5 es un dibujo esquemático de una realización del motor de turbina de vapor vapor-aire mostrado por el diagrama de bloques de la Figura 4.

La Fig. 6 es un dibujo esquemático de una segunda realización de un motor de turbina de vapor vapor-aire con instalaciones de recuperación de agua potable que incorpora características de la invención.

La Fig. 7 es una gráfica que muestra el efecto de la relación de presión sobre la eficacia térmica para el motor de turbina de vapor vapor-aire de la Figura 1.

La Fig. 8 es una gráfica que muestra el efecto de la relación de presión sobre el consumo específico de combustible para el motor de turbina de vapor vapor-aire de la Figura 1.

La Fig. 9 es una gráfica que muestra el efecto de la relación de presión sobre la potencia de la turbina para el motor de turbina de vapor vapor-aire de la Figura 1.

La Fig. 10 es una gráfica que muestra el efecto de la relación de presión sobre la potencia neta para el motor de turbina de vapor vapor-aire de la Figura 1.

Descripción detallada de la invención A. Configuración básica del presente sistema

Con referencia ahora a la Fig. 1, se muestra esquemáticamente un motor de turbina de gas que realiza las enseñanzas de la presente invención. Se comprime el aire ambiental 5 mediante el compresor 10 a una presión deseada, dando como resultado el aire comprimido 11. En una realización preferida, el compresor 10 es un compresor de dos o tres etapas típico bien conocido, y el aire ambiental 5 se comprime a una presión mayor de aproximadamente 405,2 kPa, y preferiblemente de 1.013 kPa a 3.039 kPa. La temperatura del aire comprimido depende de la relación de compresión. A una relación de compresión de 30:1, la temperatura del aire comprimido es de aproximadamente 1424ºR (518ºC).

El flujo de aire comprimido 11 se controla mediante un controlador del flujo de aire 27 a un combustor 25. Los combustores son bien conocidos en la técnica. Sin embargo, en la presente invención el aire comprimido 11 se suministra de manera graduada circular mediante el control del flujo de aire 27 al combustor 200 mostrado en la Fig. 2 y descrito con más detalle a continuación. La alimentación graduada de aire permite controlar y limitar la temperatura de combustión (temperatura de llama) a lo largo de la cámara de combustión 25. Las normalmente altas temperaturas máximas se reducen, mientras que se sigue generando el mismo resultado de energía total de la combustión.

Se inyecta el combustible 31 a presión mediante el control de inyección de combustible 30. El control de inyección de combustible es también bien conocido por los expertos en la técnica. El control de inyección de combustible 30 utilizado en la presente invención puede consistir en una serie de boquillas de alimentación de combustible simples o múltiples convencionales. Se utiliza un suministro de combustible a presión (no mostrado) para suministrar el combustible, que puede ser cualquier combustible hidrocarbonado convencional, tal como el combustible diesel nº 2, petróleo para calefacción, preferiblemente exento de azufre, petróleo de cabeza de pozo, propano, gas natural, gasolina y alcoholes tales como etanol. El etanol puede ser preferible en algunas aplicaciones porque incluye o puede mezclarse con al menos algo de agua, que puede utilizarse para refrigerar los productos de combustión, reduciendo así el requisito de agua inyectada. Además, las mezclas de etanol y agua tienen un punto de congelación mucho menor, aumentando así la capacidad de utilizar el motor en climas que tienen temperaturas por debajo de 0ºC.

Se inyecta al agua 41 a presión y a una velocidad prefijada pero ajustable mediante una bomba controlada por el control de inyección de agua 40, y puede atomizarse a través de una o más boquillas a la corriente de aire de alimentación, aguas abajo de la combustión en la cámara de combustión a presión, o combustor 25 o en la llama si se desea, como se explica con más detalle a continuación.

La temperatura en el combustor 25 se controla mediante el controlador de combustión 100 funcionando junto con otros elementos de la presente invención detallados anteriormente. El controlador de combustión 100 puede ser un microprocesador programado convencionalmente que soporta una lógica digital, un microordenador o cualquier otro dispositivo bien conocido para controlar y efectuar el control en respuesta a señales de realimentación de monitores localizados en la cámara de combustión 25, la corriente de evacuación 51 (fluido motor expandido 21) o asociadas a otros componentes del presente sistema.

Por ejemplo, la presión en el combustor 25 puede mantenerse mediante el compresor de aire 10 en respuesta a variaciones en las rpm del motor. Los detectores de temperatura y termostatos 260 (sólo se muestra uno por claridad) en el combustor 25 proporcionan información de la temperatura al control de combustión 100, que dirige entonces el control de inyección de agua 40 a inyectar más o menos agua líquida según sea necesario. De forma similar, la masa de fluido motor se controla mediante el control de combustión 100 variando la mezcla de combustible, agua y aire quemada en el combustor 25.

Existen ciertas limitaciones prácticas bien conocidas que regulan la temperatura de combustión máxima aceptable. La más importante entre estas consideraciones es la temperatura de entrada en turbina (TET) máxima, que puede ajustarse mediante cualquier sistema. Para efectuar la TET máxima deseada, el control de inyección de agua 40 inyecta agua según sea necesario al fluido motor 21 para mantener la temperatura de combustión en límites aceptables. El agua inyectada absorbe una cantidad sustancial del calor de combustión de la llama mediante el calor latente de evaporación de dicha agua a medida que se convierte en vapor de agua a la presión del combustor 25.

Para la ignición del combustible inyectado en el combustor 25, es necesaria una relación de presión mayor de 12:1 para efectuar una ignición por autocompresión. Sin embargo, puede utilizarse una bujía de ignición estándar 262 con menores relaciones de presión.

Como se mencionó anteriormente, el controlador de combustión 100 controla independientemente la cantidad de aire comprimido quemado con el control de flujo de aire 27, el control de inyección de combustible 30 y el control de inyección de agua 40 de modo que se queme el combustible inyectado y sustancialmente todo el oxígeno en el aire comprimido. Se quema al menos un 95% del oxígeno en el aire comprimido. Si se quema menos del 100% del O_{2}, entonces está disponible suficiente O_{2} para completar la unión estequiométrica y para aceleración. Cuando se consume el 100% del aire en el proceso de combustión, formando CO_{2}, no está disponible oxígeno para formar NO_{x}. El calor de combustión transforma también el agua inyectada en vapor de agua, dando como resultado así un fluido motor 21 constituido por una mezcla de los componentes no combustibles del aire comprimido, productos de combustión del combustible y vapor de agua que se genera en la cámara de combustión. Pueden suministrarse relaciones de presión de aproximadamente 4:1 a aproximadamente 100:1 mediante el compresor 10. Las temperaturas de TET pueden variar de 399ºC a 1.260ºC, estando dictado el límite superior por consideraciones materiales. Sin embargo, puede proporcionarse una mayor TET si se fabrica la turbina a partir de materiales, tales como cerámicas u otros materiales refractarios, que puedan resistir mayores temperaturas.

Se acopla un motor de trabajo 50, típicamente una turbina a, y recibe el fluido motor 21 de, la cámara de combustión 25 para realizar un trabajo útil (tal como rotar un eje 54 por ejemplo) que, a su vez, acciona un receptor tal como el generador 56 que produce energía eléctrica 58, o el compresor de aire 10. Aunque la presente invención discute el uso de una turbina como motor de trabajo, los expertos en la técnica apreciarán que pueden accionarse motores recíprocos, Wankel, de levas u otro tipo de motores de trabajo por el fluido motor creado por la presente invención.

Debido a las diferencias de presión entre el interior del combustor 25 y la evacuación de la turbina, el fluido motor se expande a medida que pasa por el motor de trabajo 50. El fluido motor expandido 51 se evacúa por el control de evacuación 60 a presión variable, generalmente de 10,13 kPa a aproximadamente 101,3 kPa, dependiendo de si se utiliza un ciclo cerrado con bomba de vacío o un ciclo abierto. Sin embargo, son posibles presiones de evacuación mayores. El control de evacuación 60 puede incluir también un intercambiador de calor 63 y/o un condensador 62 para condensar el vapor 61 del fluido motor 51 expandido, así como un recompresor 64 para evacuar el fluido motor 51 expandido. El vapor de agua condensado en el condensador 62 sale en forma de agua potable 65.

La Figura 2 muestra un diagrama esquemático de un combustor 200 preferido que incorpora características de la invención, que tiene un extremo de entrada 198 y un extremo de evacuación 196. En la realización mostrada, el combustor comprende tres tubos concéntricos de acero inoxidable 202, 206, 210 y entradas para aire, agua y combustible. El tubo interno 202 es el más largo de los tubos, el tubo medio 206 es el tubo más corto y el tubo externo 210 es de una longitud intermedia. El tubo interno o central 202, en una realización particular, tiene un diámetro interno de 12,7 cm y un espesor de pared de aproximadamente 1,27 cm. Hay aproximadamente un espacio de flujo de aire de 2,54 cm entre cada uno del tubo interno 202, el tubo medio 206 y el tubo externo 210 (el espacio de flujo de aire interno 204 y el espacio de flujo de aire externo 208, respectivamente). El extremo de entrada del tubo medio 206 y del tubo externo 210 tienen cada uno una cabeza hemisférica 224, 226 conectada a la circunferencia de cada uno respectivamente, formando un espacio cerrado 228, 230 contiguo al espacio entre los tubos 204, 208, creando una ruta de flujo, como se describe a continuación, desde el exterior del combustor 200, a través del espacio entre el tubo externo 210 y el tubo medio 206 (el espacio de flujo de aire exterior 208) y después entre el tubo medio 206 y el tubo interno 202 (el espacio de flujo de aire interno 204) y a través del quemador 214.

Cubriendo el extremo de entrada o cabeza 212 del tubo interno 202, como se muestra en la Fig. 2, está una placa de alimentación de aire 232 a la que están unidos tubos anidados que comprenden el quemador 214. El quemador 214 está formado por tres tubos concéntricos, siendo el tubo de tiro interno 216 de 5,08 cm de diámetro, el tubo de tiro central 218 de aproximadamente 7,62 cm de diámetro y el tubo de tiro externo 220 de aproximadamente 10,16 cm de diámetro. Los tubos de tiro 216, 218, 220 son progresivamente más largos, de modo que una línea recta que conecta los extremos internos de los mismos forma un cono de contención de la llama 222, siendo el ángulo del cono 222 de aproximadamente 50 a 90º.

El extremo de entrada del tubo de tiro central 216 se extiende a la cámara de alimentación de aire 228 formada entre la cabeza hemisférica 224 en el tubo central 206 y el extremo de entrada del tubo central 202. Como se muestra en la Fig. 3, una segunda placa de alimentación de aire 236 con orificios 234 en la misma cubre el extremo de entrada del tubo de tiro interno 216. Además, están distribuidos orificios 234 a lo largo y a través de la periferia de la superficie externa del tubo de tiro interno 216, que se extiende en la cámara de alimentación de aire 228. Localizada centralmente y pasando a través de las cabezas hemisféricas 224, 226 y la segunda placa de alimentación de aire 236 hay una boquilla de inyección de combustible 218 posicionada para suministrar combustible desde el exterior del combustor 200 al extremo de entrada del otro tubo de tiro interno 216, en el que se mezcla el combustible con el aire que pasa al tubo de tiro interno 216.

Se alimenta aire para combustión a la presión deseada a través de una o más entradas de aire 240 en la cabeza hemisférica externa 226. El aire fluye después a lo largo del espacio de flujo de aire externo 208 entre el tubo medio 206 y el tubo externo 210 desde el extremo de entrada 198 al extremo de evacuación 196, en que incide con la placa del extremo de evacuación 242 que une, de manera hermética, el extremo de evacuación 196 del tubo externo 210 con la superficie externa del tubo interno 202. Después, fluye a través del espacio de flujo de aire interno 204 de vuelta al extremo de entrada 198 en el que el aire, ahora calentado adicionalmente mediante energía radiante de la superficie externa del tubo interno 202, entra en la cámara de alimentación de aire 228 para una distribución adicional a través de los orificios 234 y en el quemador 214.

La relación de aire que fluye en y a través de las respectivas porciones del quemador se define por las áreas respectivas de los orificios 234 en esas áreas. Como se muestra mejor en la Figura 3, el número de orificios 234 y el área transversal de cada orificio se eligen, en una realización preferida, de modo que los orificios 234 en la segunda placa de alimentación de aire 236 y la pared lateral del tubo de tiro interno 216 comprendan un 50% del área de orificios, que alimentan la primera zona de tiro 250, y los orificios de la placa de alimentación de aire que alimenta el espacio entre el tubo de tiro interno 216 y el extremo de entrada del tubo central 202 constituyen el 50% restante distribuido de modo que un 25% del área abierta sean los orificios 234 en la placa de alimentación de aire a través del espacio entre el tubo de tiro interno 216 y el tubo de tiro medio o central 218, que alimentan la segunda zona de tiro 252, un 12,5% del área abierta sea mediante los orificios 234 en el espacio entre el tubo de tiro medio 218 y el tubo de tiro externo 220, que alimentan la tercera zona de tiro 254, y el 12,5% restante del área abierta sea mediante los orificios 234 en el espacio entre el tubo de tiro externo 220 y el tubo interno 202, que alimentan la cuarta zona de tiro 256.

En consecuencia, se alimenta una cantidad definida de combustible a través de la boquilla de combustible 218 directamente a la primera zona de tiro 250. Se alimenta al espacio cerrado 230 una cantidad estequiométrica de aire, o un ligero exceso, a la presión de combustión deseada y que tiene un calor de temperatura elevada generado como resultado de la compresión y, si se desea, con intercambio de calor en contracorriente con gases calientes que salen del combustor. El aire fluye a través del espacio de flujo de aire externo 208 y el espacio de flujo de aire interno 204 en los que recoge calor radiado adicional del tubo interno 202 una vez se ha iniciado la combustión. Este aire calentado ahora adicionalmente se distribuye a través de los orificios de modo que el combustible se quema con oxígeno en el 50% de la alimentación de aire que entra en la primera zona de tiro 250. A medida que la llama con escasez de oxígeno entra en la segunda zona de tiro 252, se consume una cantidad adicional de oxígeno en el siguiente 25% del aire; igualmente, se consume oxígeno en el siguiente 12,5% del aire mediante la llama en la tercera zona 254 y el oxígeno en el 12,5% restante del aire se consume en la cuarta zona de tiro 256, dando como resultado una combustión estequiométrica completa que entra en la cámara de equilibrado 258.

La temperatura de la llama y el perfil de temperatura de la cámara de combustión se controlan mediante termopares u otros sensores de temperatura 260 localizados a lo largo del combustor. Las localizaciones de los sensores de temperatura 260 en la Fig. 2 son meramente representativas y pueden estar en diferentes localizaciones en el centro y en las paredes de los tubos según sea necesario.

Para controlar la temperatura de la llama y el perfil de temperatura en la cámara de combustión, se inyecta agua líquida (no vapor de agua) a través de las boquillas de agua 201 al combustor en diversas localizaciones. Las Figuras 2 y 3 muestran diversas boquillas de agua 201 que se utilizan para transferir el agua líquida desde el exterior del combustor a la cámara de equilibrado 258 del combustor. Como se muestra mejor en la Fig. 2, se disponen diversos conjuntos de boquillas de agua 201 a lo largo de la longitud del combustor. En una realización preferida, se utilizan al menos tres conjuntos de boquillas 270, 272, 274 y cada conjunto incluye tres boquillas 201, estando sólo las tres boquillas 201 en menos de aproximadamente 180º de la circunferencia y estando al menos dos de los conjuntos en unos 180º diferentes de la circunferencia para causar un flujo de mezclado, y posiblemente un flujo de vórtex, en el fluido motor que pasa a lo largo de la longitud de la cámara de equilibrado 258. Aunque se muestra que las boquillas son radiales desde el tubo interno 202 del combustor, para crear más turbulencia a medida que entra el agua en la cámara de equilibrado, se vaporiza rápidamente a vapor de agua y se expande, las boquillas pueden situarse en cualquier serie de ángulos diferentes con el eje central del combustor para crear más flujo tangencial o para dirigir el material inyectado aguas abajo. El control de agua 40, en coordinación con las válvulas de control (no mostradas) en cada una de las boquillas 201 o cada conjunto de boquillas 270, 272, 274 controla la cantidad y localización del agua introducida a través de las boquillas 201 respectivas en la cámara de equilibrado 258 y, a su vez, la temperatura en puntos específicos de la cámara 258 y el perfil de temperatura en la misma. En condiciones normales de funcionamiento, menos de todas las boquillas 201 pueden estar inyectando agua en cualquier momento. La Fig. 2 muestra también al menos una boquilla de agua 201 para proporcionar agua a la cámara de alimentación de aire 228 para añadir vapor de agua al aire antes de hacer reaccionar dicho aire con el combustible. Además, boquillas adicionales pueden alimentar agua al espacio de flujo de aire interno o externo 204, 208. El objetivo último, que se ha demostrado mediante el funcionamiento real del combustor, es limitar la temperatura en la cámara de equilibrado 258 y las zonas de tiro 250, 252, 254, 256 a no más de aproximadamente 1.204ºC a 1.427ºC, evitando o limitando significativamente así la formación de NO_{x}, mientras se proporciona un tiempo de residencia suficiente por encima de aproximadamente 982ºC para permitir la conversión completa del combustible quemado a CO_{2}. Adicionalmente, pueden añadirse además más boquillas de agua aguas abajo según se desee para añadir agua adicional si, por ejemplo, se desea alimentar una turbina de vapor en lugar de una turbina de gas, o si el objetivo último es producir grandes cantidades de vapor de agua alta presión y alta temperatura. En dichos casos, se ha demostrado que relaciones de agua a combustible del orden de 16 a 1 no afectan a la estabilidad de la llama ni generan contaminantes.

Aunque el combustible inyectado en el combustor se encenderá espontáneamente una vez los componentes internos del combustor estén calientes, inicialmente es necesario cuando se enciende un combustor frío proporcionar una chispa de ignición para iniciar la llama. Esta se proporciona por el encendedor 262 localizado en la primera zona de tiro 250. La Figura 3 muestra dos encendedores 262. Sin embargo, se ha mostrado que un solo encendedor es adecuado. El encendedor 262 es típicamente una bujía de encendido tal como se utiliza en motores de aviones de alta temperatura. Sin embargo, una bujía incandescente, una barra de metal calentada a alta temperatura con resistencia o una llama de hidrógeno encendida con chispa son también adecuados para iniciar la ignición. Un experto en la técnica identificará fácilmente encendedores alternativos.

La construcción en tubos múltiples del combustor proporciona un beneficio único respecto al estrés mecánico aplicado al tubo central 202 durante el funcionamiento. En la realización preferida discutida anteriormente, el fluido motor en el espacio dentro del tubo interno 202 (la cámara de equilibrado 258) está a temperaturas elevadas, posiblemente del orden de 1.427ºC, y a presiones de aproximadamente 405,2 kPa a más de 3.039 kPa. Generalmente, si no se proporcionara un medio para reducir la temperatura de la pared del tubo interno 202 o evitar que el tubo interno 202 experimente una presión diferencial significativa a través de esa pared, estas condiciones de funcionamiento podrían dañar el material utilizado para construir el tubo. Sin embargo, como se muestra en la Fig. 2, el aire que sale del compresor 10 entra en el espacio de flujo de aire externo 208 sustancialmente a la misma presión que la presión en el tubo interno 202. Existe sustancialmente a la misma presión en el espacio de flujo de aire interno 204. Como resultado, el tubo central 202, con la excepción de su extremo de evacuación 196, para todos los fines prácticos no tiene una presión diferencial aplicada al mismo. Además, el aire comprimido que fluye a través del espacio de aire interno 204 barre continuamente toda la superficie externa del tubo interno 202, manteniendo así el diámetro externo del tubo interno a una temperatura menor que la del fluido motor que fluye a la cámara de equilibrado 258. El único tubo expuesto a la presión diferencial completa, concretamente la diferencia de presión entre la presión interna en el combustor y la presión atmosférica, es el tubo externo 201, que está a la menor temperatura de los tres tubos y es el más capaz de resistir la presión diferencial. Este diseño es tan eficaz para mantener el tubo externo 201 a la temperatura más baja posible que si se alimenta aire comprimido a temperatura ambiente al combustor que funciona a una TET de 1.143ºC, el tubo externo 210 está frío al tacto durante el funcionamiento.

La relación de presiones, la temperatura de entrada en turbina y la temperatura de entrada del agua pueden variarse según sea necesario por la aplicación en la que se utiliza en ciclo VAST. Adicionalmente, la relación combustible/aire cambia dependiendo del tipo de combustible utilizado, para asegurar cantidades estequiométricas, y la eficacia de los sistemas que utilizan el combustor puede aumentarse mediante el uso de diseños de compresor y turbina más eficaces. Aumentar la alimentación de aire manteniendo la relación combustible/aire constante da como resultado un aumento proporcional del rendimiento de potencia.

El ciclo VAST es una combinación de un ciclo de trabajo de aire comprimido y un ciclo de vapor de agua, puesto que tanto el aire como el vapor de agua están presentes como fluido motor. Cada uno constituye una porción de la presión total desarrollada en el combustor. En la presente discusión, se entenderá que el término fluido motor se pretende que incluya el vapor de agua generado por el agua inyectada, los productos del combustible quemado con el oxígeno en el aire comprimido de entrada junto con los componentes no combustibles del aire y cualquier exceso de aire comprimido que pueda estar presente, e incluye por tanto todos los productos de combustión, componentes inertes del aire y vapor de agua. El término "vapor de agua" designa agua que se inyecta en estado líquido para volverse vapor de agua supercalentado. El proceso descrito hace uso de vapor de agua, productos de combustión y aire combinados como fluido motor.

Sigue ahora una breve discusión de los procesos termodinámicos en el ciclo VAST. El aire se comprime en compresores, generalmente un compresor de dos o tres etapas, 10. Las condiciones de salida a la salida del compresor 10 se calculan utilizando las relaciones entrópicas para la compresión y las condiciones reales se calculan utilizando una eficacia de compresor de un 85%.

Como se explica anteriormente, el aire comprimido entra en la cámara de combustión 25 mediante el control del flujo de aire 27.

La cámara de combustión 25 quema combustible a presión constante en condiciones que se aproximan también a una combustión a temperatura constante. La temperatura es totalmente controlable, puesto que existen controles independientes de combustible, aire y agua. La entrada de aire comprimido al combustor, tras el inicio, es a presión constante. Por tanto, la combinación de alimentación de aire a presión constante y relación combustible/aire fija en combinación con el control de la TET mediante la inyección de agua da como resultado una presión constante en la cámara de combustión. La combustión ocurre en el combustor inmediatamente después de la inyección de combustible a alta presión, y proporciona condiciones de combustión ideales para la eficacia y para evitar los contaminantes del aire en los que la mezcla de combustible puede ser al principio más rica que la mezcla para combustión completa, añadiéndose aire adicional a medida que continúa la combustión, y añadiéndose este aire circunferencialmente al combustible en combustión y en una cantidad que, como mínimo, iguala las cantidades necesarias para una combustión completa (una cantidad estequiométrica), pero puede exceder en última instancia la necesaria para la combustión completa de los componentes combustibles. Aunque puede introducirse una cantidad estequiométrica de aire, un exceso de un 5% parece forzar la combustión completa y proporciona un exceso de oxígeno para aceleración si se desea.

Se inyecta agua a alta presión, que puede ser del orden de 2,81 x 10^{7} Pa o mayor, mediante el control de inyección de agua 40. La presión se mantiene a un nivel para evitar la vaporización antes de entrar en el combustor. Debido a las altas temperaturas y a la menor presión en la cámara de combustión 25, el agua inyectada se vaporiza instantáneamente a vapor de agua y se mezcla con los gases de combustión. La cantidad de agua que se añade a la cámara de combustión 25 depende de la temperatura de entrada en turbina (TET) deseada y de la temperatura del agua justo antes de la inyección. Parte del calor liberado durante la combustión del combustible se utiliza para elevar la temperatura de la porción no quemada (inerte) del aire comprimido de un compresor de tres etapas 10 a la TET. El calor de combustión restante se utiliza para convertir el agua inyectada en vapor de agua.

La Tabla 1 indica diversos conjuntos de condiciones de funcionamiento para un sistema que utiliza combustible diesel nº 2. Por ejemplo, respecto al ejemplo 30, se indican una relación de presión de 30/1, una temperatura de entrada en turbina de 1.121ºC, una presión de salida de la turbina de 50,65 kPa y una temperatura de entrada de agua de 314ºC. Los resultados predichos por una simulación informática que modeliza el sistema proyecta la eficacia del compresor y el motor de trabajo utilizando una eficacia de turbina publicada bastante estándar de un 92%. Esto dio como resultado una potencia neta de 567 kW, un CEC de 0,31 y una eficacia de 0,431. Los ejemplos calculados en la Tabla I de un proceso simulado y enumerados en las tablas de datos muestran el resultado de variar la relación de presión manteniendo constantes la temperatura de entrada de agua y la temperatura de entrada en turbina (TET).

De manera similar, pueden variarse otras condiciones de funcionamiento. Por ejemplo, puede aumentarse la temperatura del agua, no siendo la temperatura máxima mayor que la TET deseada. Preferiblemente, la temperatura del agua no se aumenta a una temperatura mayor de aproximadamente 10ºC por debajo de la TET deseada. Sin embargo, por razones prácticas, puesto que el fluido motor que sale de la turbina se utiliza para calentar el agua de alimentación, el agua de entrada se mantiene habitualmente a no más de aproximadamente 10ºC por debajo de la temperatura de salida de la turbina. Cuanto mayor es la temperatura del agua, mayor es la cantidad de agua necesaria para reducir la temperatura de combustión a la TET, dando como resultado así una mayor masa de gases que fluyen por la turbina y un mayor rendimiento de potencia. Igualmente, la TET puede elevarse o reducirse. Los ejemplos 1-7 en la tabla de datos se calcularon a una TET igual a 982ºC. Éste es el máximo generalmente aceptado para turbinas que no utilizan aleaciones de alta temperatura o refrigeración por pala hueca con aire o vapor de agua. Sin embargo, la utilización de aleaciones resistentes a altas temperaturas y/o a la corrosión, materiales compuestos de altas temperaturas, cerámicas y otros materiales diseñados para funcionamiento a alta temperatura, tales como los utilizados en motores a reacción de turbina, permitirán el funcionamiento a 1.260ºC o más. Los ejemplos 8-13, 15-31 y 14 ilustran el funcionamiento a temperaturas más elevadas, es decir 1.093ºC, 1.121ºC y 1.191ºC, respectivamente.

Los ejemplos 1-5 de la Tabla 1 muestran el efecto sobre la potencia, la eficacia y el CEC de aumentar la relación de compresión del aire. El efecto de reducir la presión de salida (calculada a una eficacia de turbina y una eficacia de compresor de un 85%) se muestra en los ejemplos 2, 6 y 7. Los ejemplos 8-13 muestran el efecto de la relación de compresión de aire sobre un sistema con una TET de 1.093ºC, una presión de salida de turbina de 50,65 kPa y una temperatura de entrada de H_{2}O de aproximadamente 313ºC a aproximadamente 371ºC cuando se calcula a una supuesta eficacia de turbina de un 90%. Debe observarse que se reivindica una eficacia de turbina de un 93% por las turbinas axiales de compresión de aire y el tren de expansión de potencia de turbina actualmente disponibles.

Los ejemplos 15-24 y 25-31 demuestran adicionalmente el efecto de aumentar la presión del aire a dos eficacias de turbina diferentes.

En los ejemplos 1 a 31, el combustible es diesel nº 2 y la relación de combustible a aire es de 0,066, que es la relación estequiométrica para el combustible diesel nº 2. Con otros combustibles es necesaria una relación c/a diferente para mantener las condiciones estequiométricas. El ejemplo 32 utiliza metano y una c/a= 0,058. Debido a que el metano se quema más eficazmente que el combustible diesel, se utiliza menos combustible por kilo de aire y, como resultado, se añade menos agua.

\vskip1.000000\baselineskip

\vskip1.000000\baselineskip

\vskip1.000000\baselineskip

(Tabla pasa a página siguiente)

1

2

3

\newpage

Conversión de medidas inglesas a métricas para las tablas 1 y 2

4

5

El ejemplo 32 se calcula también a una eficacia de turbina de un 93% y a una temperatura de entrada en turbina de 1.191ºC, que son ambos parámetros reivindicados como funcionales de turbinas disponibles comercialmente (que no utilizan la invención reivindicada).

El efecto de cambiar la relación de compresión de aire sobre el rendimiento en ciclo cerrado de los sistemas enumerados en los ejemplos 8-13, 15-20 y 25-30 se representa en las Figuras 7-10. En particular, la Fig. 6 muestra la eficacia térmica, la Fig. 7 muestra el CEC, la Fig. 8 muestra la potencia de turbina y la Fig. 9 muestra la potencia
neta.

El combustor de la invención difiere de los dispositivos anteriores en un aspecto fundamental, puesto que la masa de fluido motor puede aumentarse a presión constante, a temperatura constante o ambas. La temperatura constante se mantiene mediante el controlador de combustión 100 mediante la inyección controlada de agua por el control de inyección de agua 40 en respuesta a monitores de temperatura (termostatos) en el combustor 25. En el combustor 25, la temperatura típica de combustión para combustibles hidrocarbonados líquidos alcanza aproximadamente 1.199ºC a 2.093ºC cuando se suministra una cantidad estequiométrica o una pequeña cantidad en exceso de aire comprimido por el compresor 10. Cantidades mayores de aire en exceso reducen la temperatura de entrada en turbina, pero no afectarían en gran medida a la temperatura real de combustión o a la temperatura de ignición.

El límite práctico de la temperatura de descarga del combustor 25 está gobernado a su vez por la resistencia del material de las paredes contenedoras a la temperatura de descarga, la tolerancia a temperaturas altas de las paredes del combustor, los materiales de construcción de la turbina de energía y si las palas de la turbina se enfrían separadamente, externa o internamente. Esta temperatura de descarga se controla entre los límites adecuados mediante la variación de la inyección de agua a alta presión que después se vaporiza después rápidamente a vapor de agua, igualándose el calor de vaporización y supercalentamiento al calor de combustión del combustible que se está quemando. (La temperatura del combustible en combustión se reduce a la TET deseada principalmente si no totalmente mediante el calor de vaporización y supercalentamiento a medida que el agua se vaporiza y se calienta después hasta la TET). La cantidad de agua inyectada se determina así mediante la temperatura de funcionamiento deseada, siendo menor para altos supercalentamientos, pero manteniendo realmente una temperatura de funcionamiento fija.

La presión de trabajo se mantiene constante por el compresor 10 según sea necesario para cualquier rpm del motor deseada.

El fluido motor resultante mezcla de gases de combustión, componentes no reaccionados del aire (concretamente N_{2}, CO_{2}) y vapor de agua se pasa después a un motor de trabajo 50 (típicamente una turbina como se explicó anteriormente) en la que tiene lugar la expansión de la mezcla vapor de agua - gas. Las condiciones de salida en la salida del motor de trabajo 50 se calculan utilizando relaciones isentrópicas y la eficacia de turbina.

Los gases de evacuación y el vapor de agua del motor de trabajo 50 se pasan después a través de un control de evacuación 60. El control de evacuación 60 incluye un condensador en el que la temperatura se reduce a la temperatura de saturación correspondiente a la presión parcial del vapor de agua en la evacuación. Así, el vapor de agua en la evacuación de turbina se condensa y puede bombearse de vuelta a la cámara de combustión 25 mediante el control de inyección de agua 40. Los gases de combustión restantes se pasan después a través de un compresor secundario en el que la presión se eleva de nuevo a la presión atmosférica si se hizo un vacío a la salida de la turbina, de modo que pueda evacuarse a la atmósfera. Como alternativa, la evacuación de la turbina, que es una corriente supercalentada de vapor de agua, puede utilizarse directamente, como reconocerán los expertos en la técnica.

Puede observarse que la presente invención aprovecha sustancialmente el calor latente de vaporización del agua. Cuando se inyecta agua a una cámara de combustión y se crea vapor de agua pueden ocurrir diversos resultados útiles: (1) el vapor de agua asume su propia presión parcial; (2) la presión total en el combustor será la presión de la cámara de combustión mantenida por el compresor de aire; (3) la presión de vapor de agua es sin coste mecánico, excepto por una pequeña cantidad para bombear el agua a presión; (4) la presión del vapor de agua a altos niveles se obtiene sin compresión mecánica, excepto el agua, con el vapor de agua a entropía y entalpía constantes. La conversión del agua en vapor de agua enfría también los gases de combustión, dando como resultado el control de la contaminación descrito a continuación.

B. Control de la contaminación y eficacia del mismo

Cualquier tipo de combustión tiende a producir productos que reaccionan con el aire formando smog, tanto en motores como en hornos industriales, aunque de diferentes tipos. La presente invención reduce o elimina la formación de productos contaminantes de diversos modos discutidos a continuación.

En primer lugar, los motores de combustión interna que funcionan con paredes y cabezas cilíndricas refrigeradas tienen un enfriamiento de la capa límite de mezclas combustible-aire suficiente para dar como resultado pequeños porcentajes de hidrocarburos no quemados emitidos durante la carrera de evacuación. La presente invención evita la refrigeración de la pared de la cámara de combustión en dos modos distintos para mantener la temperatura de combustión para el combustible a un nivel adecuado, mostrándose ambos con más detalle en la patente de EE.UU. nº 3.651.641. En primer lugar, el aire comprimido caliente se hace fluir por el control de flujo de aire 27 alrededor de una pared exterior del combustor 25 de tal modo que ocurre la combustión sólo en un pequeño espacio calentado por encima de la temperatura de ignición. En segundo lugar, la llama de combustión se protege con aire no mezclado con combustible. Por tanto, se utiliza una combustión de pared caliente, preferiblemente por encima de 1.093ºC, en un motor que funciona en el presente ciclo.

A continuación, se inhiben también los productos de smog mediante el funcionamiento del combustor 25 en un intervalo definido de temperaturas. Por ejemplo, se reducen el CO y otros productos de la combustión parcial por la combustión a alta temperatura, preferiblemente muy por encima de 1.093ºC y reteniendo dichos productos durante un tiempo de residencia considerable después del inicio de la combustión. A una temperatura demasiado alta, sin embargo, se forman más óxidos nitroso y nítrico (NO_{x}). En consecuencia, no son aceptables temperaturas extremadamente altas ni extremadamente bajas para reducir los productos de smog. El controlador de la combustión 100 en la presente invención comienza a quemar el combustible y el aire a una temperatura baja controlada mediante combustión graduada en el quemador 214, después se aumenta progresivamente durante un tiempo de residencia considerable y después se enfría (después de la terminación de la combustión) a una temperatura inhibidora del smog predefinida (TET) mediante el uso de inyección de agua. Por tanto, la combustión se realiza primero en una mezcla rica; después se añade suficiente aire comprimido para permitir la combustión completa del combustible con un mínimo de oxígeno en exceso y para enfriar los gases por debajo de aproximadamente 1.371ºC durante aproximadamente la mitad del tiempo de residencia en la cámara de combustión 25. La inyección de agua se añade directamente al quemador, cámara de combustión o aguas arriba mediante el control de inyección de agua 40 para mantener una temperatura aceptable, preferiblemente en el intervalo de aproximadamente 1.371ºC, que asegure una combustión completa de todos los hidrocarburos antes de enfriar a la TET deseada.

En los motores típicos, los combustibles hidrocarbonados se queman a menudo en una mezcla con aire un poco más rico en combustible, concretamente a menos de las proporciones estequiométricas para aumentar la eficacia. Sin embargo, esto da como resultado CO en exceso y productos más complejos de la combustión incompleta. Sin embargo, la presente invención, debido a que proporciona un suministro progresivo de aire a través del control de flujo de aire 27, diluye la combustión y reduce adicionalmente dichos productos de smog.

Los óxidos de nitrógeno se forman también más rápidamente a mayores temperaturas como se explicó anteriormente, pero pueden reducirse también mediante la dilución controlada de los productos de combustión con aire comprimido adicional.

El presente ciclo de combustión es compatible con un quemado completo y eficaz del combustible, elimina los productos de una combustión incompleta y reduce otros productos de combustión tales como óxidos de nitrógeno. El controlador de la combustión 100 permite la combustión de los productos de combustión con un tiempo de residencia inicial considerable, después del cual los productos de combustión y el aire en exceso se enfrían después a una temperatura de trabajo de motor aceptable, que puede estar en el intervalo de 538ºC a 982ºC, o incluso del orden de 1.260ºC si se utilizan materiales de construcción apropiados en la turbina, o puede ser del orden de 371ºC a 427ºC.

Puede crearse una condición de equilibrio haciendo la cámara de combustión 25 de al menos aproximadamente dos a cuatro veces la longitud de la zona de combustión en la cámara de combustión 25; sin embargo, puede utilizarse cualquier cámara de combustión diseñada apropiadamente.

Una combustión como la descrita proporciona un procedimiento de reducción de los elementos formadores de smog, proporcionando el mismo tiempo una conversión completa de la energía del combustible en energía fluida.

El ciclo VAST es un sistema de combustión de baja contaminación porque la relación combustible-aire y la temperatura de la llama se controlan independientemente. El control de la relación combustible-aire, particularmente la oportunidad de quemar todo el oxígeno en el aire comprimido (o de diluir con grandes cantidades de aire comprimido, si se desea) inhibe la aparición de hidrocarburos no quemados y de monóxido de carbono como resultado de una combustión incompleta. El uso de un diluyente inerte (agua) en lugar de aire permite el control de la formación de óxidos de nitrógeno y reprime la formación de monóxido de carbono formado por la disociación de dióxido de carbono a alta temperatura. El uso de diluyentes de alto calor específico, tales como agua o vapor de agua como se explicó anteriormente, reduce la cantidad de diluyente necesaria para el control de la temperatura. En el caso de los óxidos de nitrógeno, debe observarse que el ciclo VAST inhibe su formación en lugar de, como es cierto en algunos sistemas, permitir su formación e intentar después la difícil tarea de eliminarlos. El resultado neto de todos estos factores es que el ciclo VAST funciona en un amplio intervalo de condiciones con niveles insignificantes de contaminación, a menudo por debajo de los límites de detección para hidrocarburos y óxidos de nitrógeno utilizando técnicas de espectroscopía de masas.

Otros han intentado inyectar pequeñas cantidades de agua, pero lo han hecho en condiciones que no conducían a, o que eran incompatibles con, el funcionamiento a contaminación cero, dando como resultado la reducción de la eficacia.

La patente de EE.UU. 4.733.527 de Kidd designa la inyección de cantidades relativamente pequeñas de agua en la cámara de combustión al mismo tiempo que el combustible y aparentemente en la llama misma, reduciendo así la temperatura de la llama en un intento de reducir la formación de NO_{x}. Sin embargo, Kidd, así como otros expertos en la técnica, han sido incapaces de obtener una reducción significativa, o de evitar la formación de NO_{x}. Los mejores niveles de NO_{x} que se han demostrado por otros en un combustor sin convertidores catalíticos es de aproximadamente 25 a 30 ppm. Kidd demuestra la mejor técnica anterior conocida con el control y la reducción de los niveles de NO_{x} a no menos de 30 ppm mediante la adición de agua en cantidades iguales o menores que la cantidad de combustible, concretamente a una RAC = 1,0.

En contraste con esto, el solicitante ha demostrado realmente niveles de NO_{x} del orden de 4 ppm con una RAC de 5,57 cuando la temperatura de entrada de aire comprimido era de aproximadamente 204ºC. Esto se indica con más detalle a continuación. Si la temperatura del aire hubiera sido de 518ºC, que es la temperatura de evacuación estándar de un compresor de 2 etapas a 30:1, la RAC habría sido de 8,27. La capacidad de suministrar dichas grandes cantidades de agua es el resultado de funcionar con un combustor único en condiciones que todo el mundo en el pasado decía que eran inoperantes y en las que los expertos en la técnica decían que se crearían temperaturas inaceptablemente bajas, se apagaría la llama de combustión y la eficacia operativa volvería inutilizable el equipo como fuente de energía para un motor de trabajo. Al contrario de la técnica anterior que funcionaba reduciendo la temperatura de llama en un sistema utilizando ya grandes cantidades de aire para controlar las temperaturas, el solicitante genera una llama intensa controlada con una cantidad estequiométrica de aire y después enfría rápidamente los productos de combustión para producir la composición de evacuación deseada.

Sustancialmente toda la refrigeración del fluido motor y/o la temperatura de combustión y la temperatura de salida (temperatura de salida del combustor o de entrada en turbina) se proporciona por el calor latente de vaporización del líquido inyectado, tal como agua líquida. El resultado es que la mezcla combustible/aire puede seleccionarse de modo que pueda seleccionarse la llama más eficaz desde el punto de vista de la combustión, los productos de combustión y la generación de calor, y el funcionamiento no está limitado por la necesidad, como en los dispositivos de la técnica anterior, de proporcionar un considerable exceso de aire para refrigerar los productos de combustión. Además, los dispositivos de la técnica anterior, controlaban los contaminantes limitando la temperatura de llama. En contraste con esto, la presente invención permite una mezcla estequiométrica (o casi estequiométrica) de aire y combustible a utilizar para producir una llama intensa graduada con combustión completa para eliminar los residuos de CO, seguido de una refrigeración controlada y mezclado de los productos de combustión a la TET deseada, evitando la combinación la formación de NO_{x}.

Además, un experto en la técnica sabe que la cantidad de energía producida por una turbina de energía depende de la temperatura y de la masa del fluido motor que entra en la turbina y de la diferencia de presión a lo largo de la turbina. Cuando se produce una llama intensa eficaz proporcionando una mezcla estequiométrica de combustible y aire (generalmente a más de 1260ºC) y sustancialmente toda la refrigeración se proporciona por el calor latente de vaporización del agua líquida inyectada en la cámara de combustión, utilizándose el líquido inyectado para reducir la temperatura de salida del fluido motor a la TET máxima para turbinas de gas del estado de la técnica (1010ºC a aproximadamente 1149ºC), la cantidad de agua es de aproximadamente 5 a aproximadamente 8 veces el peso de combustible utilizado, dependiendo de la temperatura de llama y de la temperatura de aire comprimido y del agua que entra en el combustor. Para temperaturas de llama, de agua, y de entrada de aire específicas, la cantidad de agua suministrada puede determinarse precisamente para una TET deseada. Aunque la turbina de gas funcionará de manera altamente eficaz cuando la TET del fluido motor esté en el intervalo de 1010ºC-1149ºC, la eficacia puede mejorarse utilizando una TET más alta. El factor limitante actual son los materiales de construcción de las turbinas del estado de la técnica. Aumentar la masa de fluido motor que entra en la turbina reduciendo su temperatura mediante la inyección de altos volúmenes de aire para producir la TET preferida aumenta significativamente la eficacia de la producción de energía eléctrica por la turbina. Esto se consigue mediante el uso de la invención del solicitante, en la que el aire en exceso se elimina sustancialmente dando como resultado una llama intensa. El rápido enfriamiento a la TET preferida mediante inyección de agua da como resultado una eficacia mejorada para la producción de energía útil, mientras que al mismo tiempo evita la formación de contaminantes indeseados tales como NO y NO_{x} debido a la eliminación casi completa del O_{2} en exceso disponible para oxidación del nitrógeno.

La Tabla 1 de la memoria enumera condiciones operativas seleccionadas y resultados generados para 32 condiciones operativas diferentes. En todos los casos, la eficacia es mayor, y el consumo específico de combustible es menor, que en los motores de la técnica anterior que funcionan con la misma cantidad de combustible. La Tabla 2, ejemplos 33-40 muestra los resultados de simulación de motores en ciclo Brayton que funcionan con la misma cantidad de aire a una A/C= 0,02020. La simulación informática ha mostrado que el motor reivindicado funcionará un 10% más eficazmente y que el consumo de combustible será un 10% menor que en motores que funcionan sin la invención reivindicada.

El funcionamiento real de un combustor en estas condiciones produjo un fluido motor con NO_{x} y CO por debajo de 1 ppm y sin combustible no quemado (HC). Se obtuvo una eficacia de combustión de 99-100%. El combustor funcionó de manera estable (sin evidencia de inestabilidad de llama o fluctuación de la temperatura) con las relaciones de agua/combustible utilizadas para los ejemplos indicados en la Tabla 3.

La Tabla 3 indica los datos obtenidos para un combustor VAST fabricado y funcionando de la manera descrita en la presente memoria utilizando diesel nº 2 como combustible y en las condiciones indicadas en el ejemplo 3, 13, 20 y 30, con la excepción de que la presión de salida fue de 101,3 kPa.

\vskip1.000000\baselineskip

\vskip1.000000\baselineskip

\vskip1.000000\baselineskip

(Tabla pasa a página siguiente)

6

\newpage

El gas de evacuación se analizó utilizando un Enerac 2000, proporcionado por Energy Efficient Systems, calibrado para O_{2}, NO_{x}, CO y combustibles (combustible no quemado) por el suministrador. Se conectó después el Enerac 2000 mediante tubos de cobre a un puerto de ensayo localizado en la posición TET en el combustor.

Se enumeran en la Tabla 3 diversos parámetros operativos y lecturas de composición de gas. Los valores dados para combustible, aire y agua están en libras por segundo. La TET corresponde a la temperatura de entrada en turbina. Se incluyen también los cálculos de la relación aire/combustible y la relación agua/combustible.

Las 7 líneas en la mitad inferior de la Tabla 3 reflejan los valores medidos por el Enerac 2000 (NO_{x}, CO, O_{2}, combustibles) y los valores calculados para eficacia de combustión, CO_{2} y aire en exceso. El fabricante del Enerac 2000 ha indicado que la eficacia de combustión es artificialmente baja porque la unidad particular utilizada es una unidad vieja que no tiene la corrección del algoritmo para la medida a temperatura ambiente en lugar de a la temperatura recomendada de 93ºC. Los valores reales de la eficacia de combustión en lugar de ser de 94,4 a 96,4 son más cercanos a 100%. El fabricante del equipo de ensayo ha indicado que los valores medidos son mucho más fiables y que las lecturas de los combustibles no quemados indican una eficacia de combustión de 99-100%.

Dependiendo de las condiciones operativas en cada prueba de ensayo, los NO_{x} estaban por debajo de 9 ppm y el CO era indetectable, con niveles de NO_{x} registrados del orden de 4 ppm y lecturas observadas en la pantalla digital de la unidad de ensayo para otros puntos de datos del orden de 3 ppm.

Aunque la relación agua/combustible para la prueba de ensayo ilustrada era de 4,75 a 6,88, se registraron relaciones de agua a combustible del orden de 9,36 sin efectuar un funcionamiento estable del combustor. Además, el aire de entrada estaba aproximadamente a 204ºC-260ºC. Cuando la temperatura de entrada es mayor de 482ºC, que es la temperatura típica para un compresor de dos etapas con una presión de salida de 3039 kPa, se requieren al menos dos kilos adicionales de agua por kilo de combustible para mantener la temperatura de llama en el intervalo deseado.

Los gases de evacuación que salen del combustor, cuando se funciona en las condiciones enumeradas en la Tabla 3 de la misma con indicación de 0 ppm de CO, cuando se observaron visiblemente fueron completamente claros y transparentes sin humo, vapor de agua o material particulado observable. Aparte de la distorsión visual debida al calor de la corriente de evacuación, no hubo en absoluto ninguna indicación visible de que se estuviera quemando combustible diesel nº 2.

El combustor 25 representa un mecanismo para utilizar calor y agua para crear un fluido motor de alta temperatura sin las ineficacias resultantes cuando, para generar vapor de agua, se transmite calor a través del intercambiador de calor a un vaporizador instantáneo o hervidor. La adición de agua en lugar de simplemente gas calentado a los productos de combustión representa un medio de utilización de una fuente fluida para producir el gas, proporcionando el agua que se vaporiza rápidamente a vapor de agua una fuente muy eficaz de masa y presión y proporcionando al mismo tiempo una tremenda flexibilidad en términos de temperatura, volumen y otros factores que pueden controlarse independientemente. Además, el agua inyectada cuando se añade directamente a la cámara de combustión para inactivar el proceso de combustión, reduce en gran medida la contaminación resultante de la mayoría de los procesos de combustión.

Además, la cantidad de nitrógeno disponible para formar NO_{x} se reduce significativamente. Sólo hay aproximadamente un 30% de nitrógeno como máximo en los gases quemados de la cámara de combustión 25, en comparación con un motor de ciclo Brayton abierto con dilución de aire normal de cualquier forma o modelo, porque se utiliza agua en lugar de aire en exceso para refrigeración y la cantidad de aire alimentada al sistema se reduce así en gran medida. En particular, se alimenta aproximadamente 1/3 del aire al combustor. Como se discutió anteriormente, esto reduce significativamente también la energía empleada para comprimir el aire de alimentación.

Además, el agua inyectada se expande rápidamente a medida que se vaporiza rápidamente a vapor de agua, siendo el aumento de volumen a 3039 kPa mayor de 50/1.

C. Inyección de agua

El control de inyección de agua 40 controla la presión y el volumen del agua 41 inyectada a través de las boquillas 201, dispuestas para pulverizar una fina niebla de agua a la cámara. El agua puede inyectarse al combustor en una o más zonas, incluyendo: atomizada en la toma de aire antes del compresor 10, pulverizada en la corriente de aire comprimido generada por el compresor 10, atomizada alrededor de o en la boquilla de combustible o una multiplicidad de boquillas de combustible, atomizada en la llama de combustión en la cámara de combustión 25 o en los gases de combustión en cualquier localización deseada, o aguas abajo en los gases de combustión antes de su paso al motor de trabajo 50. Pueden concebirse fácilmente otras áreas de inyección por el experto en la técnica. Como se describió anteriormente, la cantidad de agua inyectada se basa en la temperatura de los productos de combustión, en la temperatura máxima deseada y en el perfil de temperatura en la zona de equilibrado 258, controlados por los sensores de temperatura 260 en el combustor 25. La cantidad de agua inyectada depende también del sistema que utiliza el ciclo VAST. Por ejemplo, si el agua se recicla como para uso en un vehículo a motor, el agua se refrigera lo más posible para obtener un equilibrio utilizable entre el agua total utilizada y el rendimiento de energía, concretamente si la temperatura de entrada de agua es baja y la TET es alta puede utilizarse un pequeño volumen de agua para reducir la temperatura de combustión a la TET. Por otro lado, si el propósito principal del sistema es producir agua potable a partir de agua contaminada o salada, como se discute a continuación, mientras se genera energía eléctrica, la temperatura de entrada del agua se elevaría lo más posible mientras se reduce la TET.

D. Potencia disponible aumentada

Utilizando el sistema VAST con inyección de agua, se alimenta una cantidad estequiométrica de aire, o un ligero exceso. La cantidad de alimentación de aire se reduce significativamente, cuando se compara con un sistema que quema la misma cantidad de combustible funcionando según el ciclo Brayton (sin inyección de agua, refrigeración proporcionada por aire en exceso). El sistema VAST requiere por tanto un compresor mucho menor que en un combustor de ciclo Brayton y, en consecuencia, se reduce significativamente esa parte de la energía generada por la turbina cuando se utiliza para accionar el compresor. Por ejemplo, si se utiliza aproximadamente un tercio de la cantidad de aire del ciclo Brayton, puede utilizarse un compresor menor con aproximadamente un tercio de los requisitos de potencia. La energía que habría ido a alimentar el compresor mayor está disponible en cambio ahora como energía adicional para suministrar al cliente o hacer funcionar equipos adicionales.

Los ejemplos 33-40 enumeran los valores calculados para un sistema de energía que funciona en el ciclo Brayton. Estos datos pueden compararse con los ejemplos 25-31 que funcionan (a 0,454 kg/s) en las mismas condiciones según el sistema VAST. Es de particular relevancia la significativa diferencia en la potencia de turbina disponible, estando disponible una cantidad adicional significativa en un sistema que funciona con el combustor VAST.

Más específicamente, utilizando los requisitos de combustible de las tablas NACA para diesel nº 2, el ciclo Brayton requiere 4,16 g/s de diesel nº 2 por cada gramo de aire. Sin embargo, el requisito estequiométrico (sin aire en exceso, todo el combustible y oxígeno consumidos) es de 29,94 g de diesel por gramo de aire. En otras palabras, cuando se queman 9,16 g de diesel, se consume el oxígeno en sólo 138,8 g de aire. Para cantidades iguales de combustible, es decir 29,94 g de diesel, VAST consume 0,453 kg de aire, mientras que un sistema de ciclo Brayton utiliza 1,48 kg de aire. Sin embargo, el combustor VAST requiere 0,248 kg de agua cuando funciona a una TET de 1121ºC para un flujo de masa total a la turbina de 731,3 g en comparación con los 1,513 kg para el ciclo Brayton. Puesto que el rendimiento de energía de la turbina depende de la masa alimentada a la turbina, para que la turbina genere la misma cantidad de energía, el combustor VAST requiere que la masa total se duplique aproximadamente (2,07 veces), aumentando todos los componentes de alimentación proporcionalmente y la cantidad de aire a 0,939 kg. Comparando esto con los 1,48 kg necesarios con el ciclo Brayton, se requieren 0,544 kg menos de aire, se utiliza un compresor de un 63,6% del tamaño del ciclo Brayton y la energía necesaria para accionar el compresor para suministrar el aire necesario se reduce en un 36,7%. El diesel nº 2 libera 1,25 kWH/kg) cuando se quema completamente. Puede calcularse entonces que 29,94 kg de diesel nº 2 cuando se queman generan 1349 kW de potencia de combustión. El ejemplo 30, que funciona con una eficacia de un 43,1%, genera 571,4 kW. Aunque el ciclo Brayton funciona a una menor eficacia, suponiendo que funcione a la misma eficacia, se requiere el resto de la potencia de combustión para accionar el compresor. Por lo tanto, para suministrar 1,48 kg de aire, el compresor requiere 777 kW/kg o 525 kW/kg por kilo de aire. Por lo tanto, para la misma cantidad de combustible, puede calcularse que están disponible aproximadamente 593,3 kW adicionales como energía de eje disponible adicional.

Otro modo de comparar los sistemas, si se hiciera funcionar una turbina de compresor de un eje actual y se utilizara el combustor VAST para reemplazar al combustor que funciona en el ciclo Brayton, se generaría suficiente masa para accionar la turbina de la misma manera que en el pasado. Sin embargo, debido a que debe quemarse combustible adicional para consumir todo el oxígeno suministrado y añadirse agua adicional para controlar la temperatura de ese combustible quemado adicional, se genera suficiente masa en exceso a la TET deseada para accionar una segunda turbina de al menos aproximadamente un 50% de tamaño de la primera turbina, o está disponible una cantidad significativa de vapor de agua adicional a mayor temperatura y alta presión para otras aplicaciones de potencia.

D. Otras realizaciones de la presente invención 1. Planta de energía que incluye purificación de agua

En el caso de la generación de energía eléctrica utilizando agua de mar, agua salobre o agua freática contaminada o agua de pozo como refrigerante, el ciclo puede ser abierto como en la energía eléctrica y utilizarse el agua como se muestra en las Figuras 4 y 5. El agua de alimentación 41, movida por la bomba 42, se calienta a medida que pasa a través del condensador 62 y el intercambiador de calor 63 en contracorriente para salir en forma de un fluido motor caliente 51 que se vaporiza instantáneamente en el combustor 25 ó 200 como se describe anteriormente. Al aumentar el diámetro de la cámara de combustión, puede reducirse también la velocidad del fluido motor permitiendo así una eliminación más sencilla de los materiales portados por el agua o solutos.

La temperatura típica de funcionamiento del combustor es de 816ºC a 1260ºC. Cuando la fuente de alimentación es agua salada o agua salobre, esta temperatura está por encima del punto de fusión pero significativamente por debajo del punto de ebullición de las sales en el agua de mar (el 85% de la sal del mar es NaCl, un 14% adicional está compuesto por MgCl_{2}, MgSO_{4}, CaCl_{2} y KCl). Cuando el agua se vaporiza rápidamente a vapor de agua, los contaminantes inorgánicos disueltos se depositan en forma de líquido y los contaminantes orgánicos se queman. Por ejemplo, el NaCl se funde a 801ºC y hierve a 1413ºC, las demás sales tienen menores puntos de fusión y mayores puntos de ebullición. Como resultado, las sales fundidas se recogen fácilmente de la pared inferior del combustor y las sales líquidas pueden eliminarse mediante un ensamblaje de rosca en la parte inferior del combustor, alimentarse a través de un extrusor y troquel en los que pueden conformar barras o aglomerados, o pulverizarse a través de boquillas, utilizando la presión en el combustor como fuerza motriz, a una cámara de refrigeración en la que el material de desecho puede depositarse en un contenedor de recogida de desechos 80 en forma de copos, polvo o aglomerados de cualquier tamaño o forma deseada mediante la selección de las dimensiones y configuración apropiadas de la boquilla de pulverización. Debido a que el agua salada está expuesta a temperaturas extremadamente altas en la cámara de combustión, la sal recuperada es estéril y exenta de material orgánico.

Se atomiza agua del orden de 6 a 12 veces en peso de combustible en la llama de combustión y se vaporiza en milisegundos. La sal o las impurezas atrapadas en el vapor de agua se separan del vapor de agua y después se cristalizan, se precipitan y/o se filtran dejando atrás vapor de agua limpio.

El mecanismo de recogida y eliminación de sal o desechos 80 puede realizarse mediante cualquiera de una serie de medios bien conocidos a partir de la cámara de combustión 25, tales como mediante una sonda longitudinal rotatoria. Esta sonda se sella para no desviar muchos gases de trabajo a presión a medida que gira y elimina la sal precipitada. Como se mencionó anteriormente, una alternativa es pulverizar el desecho o sal fundido a través de boquillas de pulverización a una torre de recogida o extrusionar la sal 81 en hebras o barras que pueden cortarse después a los tamaños deseados. Una alternativa adicional más es verter la sal fundida directamente en moldes para formar bloques de sal 81, que después son fáciles de transportar y utilizar en procesamiento químico reprocesándose para recuperación o eliminación de otra forma.

El fluido motor resultante, que incluye ahora vapor de agua limpia, puede alimentarse a una o más turbinas de vapor o de gas estándar. Después de la producción de trabajo por la mezcla vapor de agua - gas en expansión, un condensador 62 condensa el vapor de agua 61, dando como resultado una fuente de agua potable 65 utilizable. Utilizando este ciclo abierto a relaciones de presión de 10:1 a 50:1 o mayores, puede generarse potencia eléctrica a buenas eficacias y consumos específicos de combustible.

La Figura 6 muestra una segunda realización de una unidad que utiliza el ciclo VAST. En esta realización, la eficacia del sistema se aumenta adicionalmente capturando el calor de desecho adicional de la cámara de combustión 25. La cámara de combustión 25 está rodeada por un intercambiador de calor de doble cubierta 90. En la versión mostrada, el aire caliente comprimido 11 que sale del compresor 10 pasa a través de la cubierta 92 que rodea inmediatamente la cámara de combustión 25 antes de entrar en el combustor 25. Se alimenta agua fría 41 a una segunda cubierta 94 que rodea la primera cubierta 92. De esta manera, el aire 11 absorbe el calor adicional perdido normalmente por el combustor 25 y el agua de entrada 41 absorbe parte del calor del aire comprimido 11. Un beneficio adicional, puesto que el aire 11 está a presión elevada, es que el diferencial de presión a lo largo de la pared de la cámara de combustión 25 (concretamente la diferencia entre el interior del combustor y las condiciones ambientales como en la Figura 5 o la diferencia entre el interior del combustor y el aire comprimido 11) se reduce significativamente, reduciendo así el estrés sobre la pared del combustor por la combinación de alta temperatura y alta presión. El agua 41, después de pasar a través de la cubierta externa 94 de la cámara de combustión, prosigue después a través del condensador 62 y el intercambiador de calor 73 para adquirir la temperatura de inyección deseada. Se tiene cuidado de mantener el agua a presión posiblemente del orden de 28.100 kPa de modo que, a medida que se calienta el agua no se convierta en vapor de agua antes de inyectarse en la cámara de combustión 25, que está a una temperatura superior, y en la mayoría de los casos, a una presión inferior a la del agua supercalentada 41.

La purificación de los productos de desecho contaminados o el tratamiento de los productos de desecho sólidos, líquidos y gaseosos de procesos comerciales que dan como resultado productos utilizables con producción de energía como subproducto son también aplicaciones potenciales de un motor que emplea el ciclo VAST. El agua de desecho de productos de desecho sólidos secados puede utilizarse en la presente invención, dando como resultado agua filtrada utilizable como subproducto. Los materiales combustibles son combustible adicional para quemar en el combustor 25 y los productos de desecho inorgánicos secados pueden utilizarse después para crear fertilizantes. Como resulta evidente, pueden extraerse otros productos químicos de los productos sólidos y líquidos utilizando la presente invención. El tratamiento de aguas residuales es también una aplicación. Otras aplicaciones incluyen ablandamiento del agua, fuentes de vapor junto con operaciones de excavación de campos petrolíferos y de producción de pozos, recuperación y reciclado de agua de irrigación junto con fertilizantes y minerales lixiviados del suelo, residuos sólidos municipales, etc.

2. Motores de aviones

El ciclo VAST descrito anteriormente, particularmente cuando se hace funcionar con agua reciclada, es particularmente eficaz y tiene un consumo de combustible relativamente bajo cuando se utiliza en aviación comercial que funciona normalmente a 9.140 a 12.200 m. A dicha altura, la presión ambiental es de 10,13 a 25 kPa o menor, y la temperatura ambiente está bastante por debajo de -17,8ºC. Los datos de ciclo abierto de los ejemplos 5-7 ilustran el beneficio de reducir la presión de salida de la turbina. Para generar presiones de salida de turbina por debajo de la atmosférica, tal como cuando se hace funcionar el sistema a nivel del mar, es necesaria una bomba de vacío en la salida de la turbina. Esta bomba, que consume la energía generada por el sistema, reduce la energía utilizable y la eficacia del sistema.

La eliminación de la bomba de vacío a la salida de la turbina mediante el funcionamiento en un entorno con presiones menores que la atmosférica, tal como a alturas de aproximadamente 9.140 m, aumenta el rendimiento de potencia utilizable del sistema y, por lo tanto, reduce el consumo de combustible. Además, si el agua en el sistema ha de reciclarse, la temperatura del aire ambiental puede utilizarse para condensar y enfriar la corriente de gas de salida y separar el agua para reducir mediante reciclado la cantidad de energía utilizada para recuperar el calor.

3. Generación de vapor de agua y cogeneración de vapor de agua/energía

Se contempla también que el combustor y su sistema de control, junto con un compresor adecuado, pueden utilizarse sin la turbina de energía sólo para la generación de vapor de agua a alta temperatura y alta presión, la generación de agua potable, o la recuperación de materiales inorgánicos valiosos disueltos en agua. Como alternativa, pueden acoplarse al combustor una o más turbinas de gas y/o de vapor de agua configuradas para producir una cantidad deseada de energía eléctrica para suministrar energía eléctrica, así como una mezcla de vapor de agua a alta temperatura en forma de una corriente lateral directamente del combustor.

Claims

1. Un sistema de conversión de energía que comprende:

a): un combustor (200) que incluye una cámara de combustión (25),

b): un dispositivo de utilización acoplado al combustor,

c): un medio de suministro de combustible para suministrar combustible al combustor,

d): un medio de suministro de aire para suministrar aire comprimido a una temperatura y presión elevadas al combustor, eligiéndose la cantidad de aire de modo que se consuma una parte sustancial del oxígeno en el aire cuando reaccione con el combustible; mezclándose el combustible y el aire en el combustor;

e): un medio de control para controlar la cantidad de aire suministrada al combustor y la cantidad de combustible suministrada al combustor,

f): un medio de suministro de líquido para suministrar cantidades controladas de diluyente térmico al combustor, convirtiéndose rápidamente en vapor el diluyente térmico suministrado tras la entrada en la cámara de combustión, creando el suministro y la formación de vapor turbulencias y mezclado en la cámara de combustión que dan como resultado un fluido energético que comprende diluyente térmico, productos de combustión, componentes residuales del aire y combustible, suministrándose dicho fluido energético al dispositivo de utilización,

g): un controlador de temperatura, suministrando dicho controlador al combustor cantidades suficientes para mantener la temperatura del fluido energético al nivel deseado, derivando una porción sustancial del control de la temperatura en el combustor del calor latente de vaporización del diluyente térmico introducido en el combustor,

caracterizado porque la cámara de combustión comprende:

una primera zona de quemador (250) localizada en el extremo aguas arriba de la cámara de combustión,

al menos una zona de quemador adicional (252) localizada aguas debajo de la primera zona de quemador y caracterizada adicionalmente porque incluye:

un mecanismo de alimentación de aire (236) para admitir una parte del aire comprimido total disponible en la primera zona de quemador, y

un segundo mecanismo de alimentación de aire (232) para admitir el resto del aire comprimido disponible en una o más de las zonas de quemador aguas abajo.

2. Un sistema de conversión de energía según la reivindicación 1, caracterizado adicionalmente porque:

el primer mecanismo de alimentación de aire (236) admite aproximadamente un 50% del aire comprimido total disponible en la primera zona de quemador (250) y

el segundo mecanismo de alimentación de aire (232) admite el resto del aire comprimido disponible en una o más zonas de quemador aguas abajo.

3. Un sistema de conversión de energía según la reivindicación 1, caracterizado porque la cámara de combustión (25) comprende adicionalmente:

una tercera zona de quemador (254) aguas abajo de la segunda zona de quemador (252);

y una cuarta zona de quemador (256) aguas abajo de la tercera zona de quemador (254);

y caracterizado adicionalmente porque:

el primer mecanismo de alimentación de aire (236) proporciona aproximadamente un 50% del aire comprimido total disponible a la primera zona de quemador (250) y

el segundo mecanismo de alimentación de aire (232) proporciona un 25% del aire comprimido total disponible a la segunda zona de quemador (252), un 12,5% del aire comprimido total disponible a la tercera zona de quemador (254) y un 12,5% del aire comprimido total disponible a la cuarta zona de quemador (256).

4. Un sistema de conversión de energía según la reivindicación 3, caracterizado porque el segundo mecanismo inyector (201) incluye una pluralidad de inyectores para inyectar diluyente térmico en localizaciones múltiples aguas abajo de la cuarta zona de quemador (256).

5. Un sistema de conversión de energía según la reivindicación 4, caracterizado porque el segundo mecanismo inyector (201) incluye al menos un inyector para suministrar diluyente térmico al aire comprimido antes de la introducción del mismo en la cámara de combustión (25).

6. Un sistema de conversión de energía según la reivindicación 1, caracterizado porque el segundo mecanismo inyector (201) incluye una pluralidad de inyectores para inyectar diluyente térmico en la cámara de combustión (25) en múltiples localizaciones aguas abajo de todas las zonas de quemador (250, 252, 254, 256).

7. Un sistema de conversión de energía según la reivindicación 6, caracterizado porque el segundo mecanismo inyector (201) incluye al menos un inyector para suministrar diluyente térmico al aire comprimido antes de la introducción del mismo en la cámara de combustión (25).

8. Un sistema de conversión de energía según la reivindicación 1, caracterizado porque incluye:

un intercambiador de calor (204, 208); y

un acoplador (240) localizado en el extremo aguas arriba del intercambiador de calor, conectado al compresor (10); estando en comunicación el extremo aguas abajo del intercambiador de calor (204, 208) con los primer y segundo mecanismos de alimentación de aire (236, 232) para suministrar aire a la cámara de combustión (25) después de que haya pasado a través del intercambiador de calor (204, 208).

9. Un sistema de conversión de energía según la reivindicación 8, caracterizado porque el segundo mecanismo inyector (201) incluye al menos un inyector (201) para suministrar diluyente térmico al extremo aguas abajo (228) del intercambiador de calor (63), pero en una localización aguas arriba de la localización en la que se introduce el aire comprimido a la cámara de combustión (25).

10. Un sistema de conversión de energía según la reivindicación 8, caracterizado porque:

la cámara de combustión (25) comprende un primer tubo (202) y

el intercambiador de calor (204, 208) comprende un segundo tubo concéntrico (206) separado de, y que rodea a, el primer tubo,

el interior del tubo interno comprende la cámara de combustión (25), y

el espacio (204) entre el primer y el segundo tubos comprende un canal a través del cual pasa el aire comprimido desde el acoplador al primer y segundo mecanismos de alimentación de aire (236, 232).

11. Un sistema de conversión de energía según la reivindicación 8, caracterizado porque:

la cámara de combustión (25) comprende un primer tubo (202),

el intercambiador de calor (204, 208) comprende:

: un segundo tubo concéntrico (206) separado de, y que rodea a, el primer tubo, formando el espacio (204) entre el primer y el segundo tubos un primer canal; y un tercer tubo concéntrico (210) separado de, y que rodea a, el primer y segundo tubos (202, 206),

formando el espacio (208) entre el segundo y el tercer tubos (202, 210) un segundo canal;

estando conectado el extremo aguas arriba (230) del segundo canal al acoplador (240),

estando conectado el extremo aguas abajo del segundo canal al extremo aguas arriba del primer canal, y

estando conectado el extremo aguas abajo del primer canal al primer y segundo mecanismos de alimentación de aire (236, 232),

comprendiendo el interior del primer tubo la cámara de combustión (25) y

comprendiendo el primer y segundo canales la ruta a través de la cual pasa el aire comprimido desde el acoplador (240) al primer y segundo mecanismos de alimentación de aire (236, 232).

12. Un sistema de conversión de energía según la reivindicación 1, caracterizado porque el segundo mecanismo inyector (201) incluye al menos un inyector (201) para suministrar diluyente térmico al extremo aguas abajo del primer canal.

13. Un sistema de conversión de energía según la reivindicación 1, en el que el diluyente térmico es agua no potable, caracterizado adicionalmente porque

incluye un colector (80) para materiales inorgánicos que estaban contenidos en el agua no potable, y que se han portado por el fluido energético suministrado al dispositivo de utilización (50).

14. Un sistema de conversión de energía según la reivindicación 13, caracterizado porque incluye un condensador (62) para recoger agua potable del fluido energético suministrado al dispositivo de utilización (50).

15. Un procedimiento de funcionamiento de un sistema de conversión de energía que comprende:

a): un combustor (200) que incluye una cámara de combustión (25),

b): un dispositivo de utilización acoplado al combustor,

d): un medio de suministro de aire para suministrar aire comprimido a temperatura y presión elevada al combustor, eligiéndose la cantidad de aire de modo que se consuma una parte sustancial del oxígeno del aire cuando reaccione con el combustible; mezclándose el combustible y el aire en el combustor;

f): un medio de suministro líquido para suministrar cantidades controladas de diluyente térmico al combustor, convirtiéndose rápidamente en vapor el diluyente térmico suministrado tras la entrada en la cámara de combustión, creando el suministro y formación de vapor turbulencias y mezclado en la cámara de combustión que dan como resultado un fluido energético que comprende diluyente térmico, productos de combustión, componentes residuales del aire y combustible, suministrándose dicho fluido energético al dispositivo de utilización,

g): el medio de control incluye un controlador de la temperatura, suministrando dicho controlador el diluyente térmico al combustor en cantidades suficientes para mantener la temperatura del fluido energético a un nivel deseado, derivando una parte sustancial del control de la temperatura en el combustor del calor latente de vaporización del diluyente térmico introducido en el combustor,

estando caracterizado el procedimiento por las etapas de:

comprimir aire ambiental a aire comprimido que tiene una elevada temperatura y presión;

hacer funcionar el primer mecanismo inyector (218) para suministrar una cantidad controlada de combustible a la cámara de combustión (25);

suministrar una primera cantidad de aire comprimido a una primera zona de quemador (250) localizada cerca del extremo aguas arriba de la cámara de combustión (25);

suministrar una segunda cantidad de aire comprimido al menos a una primera zona de quemador adicional (252) localizada cerca del extremo aguas abajo de la primera zona de quemador (250);

quemar sustancialmente todo el combustible inyectado y una porción sustancial del oxígeno en el aire comprimido en la cámara de combustión; y

hacer funcionar el segundo mecanismo inyector (201) para suministrar una cantidad controlada de diluyente térmico al combustor (200),

generando así el fluido energético a la temperatura de fluido energético deseada.

16. El procedimiento de la reivindicación 15, caracterizado adicionalmente porque:

se mezcla menos de la cantidad estequiométrica del aire comprimido disponible con combustible en la primera zona de quemador (205) para formar una mezcla rica en combustible en la primera zona de quemador (250), y

se mezcla el aire comprimido disponible restante con combustible en una o más zonas de quemador adicionales aguas abajo de la primera zona de quemador (252).

17. El procedimiento de la reivindicación 15 ó 16, caracterizado adicionalmente porque

\newpage

se mezcla aproximadamente un 50% del aire comprimido disponible con el combustible en la primera zona de quemador (250),

creando así una llama rica en combustible en la primera zona de quemador (250).

18. El procedimiento de la reivindicación 15, caracterizado adicionalmente porque

se mezcla aproximadamente un 50% del aire comprimido con el combustible en la primera zona de quemador (250), creando así una llama rica en combustible en la primera zona de quemador (250), y caracterizado adicionalmente porque

se añade aproximadamente un 25% del aire comprimido total disponible a la cámara de combustión (25) en una segunda zona de quemador (252) localizada aguas abajo de la primera zona de quemador (250),

se añade aproximadamente un 12,5% del aire comprimido total disponible a la cámara de combustión (25) en una tercera zona de quemador (254) localizada aguas abajo de la segunda zona de quemador (252), y

el resto del aire comprimido se añade a la cámara de combustión (25) en una cuarta zona de quemador (256) localizada aguas abajo de la tercera zona (254).

19. El procedimiento de las reivindicaciones 15 ó 16, caracterizado adicionalmente porque:

se mezcla la mayor parte del aire comprimido con suficiente combustible en la primera zona de quemador (250) para crear una mezcla rica en combustible en la primera zona de quemador (250),

se añade una segunda parte del aire comprimido total disponible a la cámara de combustión (25) en una segunda zona de quemador (252) localizada aguas abajo de la primera zona de quemador (250), y

se añade el resto del aire comprimido disponible a la cámara de combustión en partes entre una o más zonas de quemador aguas abajo de la segunda zona de quemador.

20. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-19, en el que la etapa de hacer funcionar el segundo mecanismo inyector (201) incluye inyectar una cantidad controlada del diluyente térmico en el aire comprimido antes de mezclar el aire con el combustible.

21. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-20, caracterizado porque se atomiza una parte del diluyente térmico y se inyecta en el aire de alimentación que entra por la entrada del compresor.

22. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-21, en el que, antes de mezclar el aire comprimido con el combustible, se calienta el aire comprimido pasándolo a través de un intercambiador de calor (63) para recibir calor de la cámara de combustión (25).

23. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-22, en el que el fluido energético que sale del dispositivo de utilización (50) contiene menos de 3 ppm de NO_{x}.

24. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-23, en el que el fluido energético que sal del dispositivo de utilización (50) contiene menos de 3 ppm de CO.

25. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-22, en el que el suministro de combustible, aire comprimido y diluyente térmico al combustor se controla de modo que el fluido energético que sale del dispositivo de utilización (50) contiene menos de 8 ppm de NO_{x}.

26. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-22 y 25, en el que el suministro de combustible, aire comprimido y diluyente térmico al combustor se controla de modo que el fluido energético que sale del dispositivo de utilización (50) contiene menos de 8 ppm de CO.

27. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-22, en el que el suministro de combustible, aire comprimido y diluyente térmico al combustor se controla de modo que el fluido energético que sale del dispositivo de utilización (50) contiene cantidades deseablemente insignificantes de contaminantes medioambientales, incluyendo NO_{x}, CO, partículas y combustible no quemado.

28. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-27, en el que la etapa de hacer funcionar el segundo mecanismo inyector (201) comprende inyectar cantidades controladas de diluyente térmico en la cámara de combustión (25) en múltiples localizaciones aguas abajo de todas las entradas a la primera zona de quemador.

29. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 15-28, caracterizado porque la cantidad total de aire comprimido suministrada a la cámara de combustión (25) se selecciona de modo que se consume al menos un 90% del oxígeno en el aire disponible cuando reacciona con el combustible.

30. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 15-29, caracterizado porque las cantidades de aire comprimido y combustible suministradas a la cámara de combustión (25) se seleccionan para mantener una relación de aire a combustible deseada.

31. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-30, que incluye adicionalmente la etapa de controlar uno o ambos de temperatura y perfil de temperatura en el combustor mediante el control de la cantidad y la localización del diluyente térmico suministrado.

32. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-31, en el que el suministro de diluyente térmico se controla según una temperatura de llama máxima deseada.

33. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-32, en el que el suministro del diluyente térmico se controla según una temperatura media deseada del fluido energético a la salida (196) del combustor (200).

34. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-32, en el que el suministro de diluyente térmico se controla según la temperatura máxima deseada del fluido energético a la salida (196) del combustor (200) independientemente de la tasa de conversión de energía en el combustor.

35. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-34, en el que el suministro del diluyente térmico se controla para limitar la temperatura de combustión y/o la temperatura del fluido energético para conseguir el nivel deseado de óxidos de nitrógeno que salen del combustor.

36. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-35, que incluye adicionalmente las etapas de:

quemar una parte del combustible en la primera zona de quemador, y

controlar el suministro de fluido diluyente para mantener la temperatura del fluido energético aguas abajo de la primera zona de quemador por encima de un mínimo deseado,

consiguiendo así un nivel de oxidación deseado de al menos un componente combustible y reduciendo al menos un componente oxidable de las emisiones a menos de un valor deseado.

37. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-36, en el que la temperatura del fluido energético se limita suministrando una parte del diluyente térmico aguas arriba de o a una región de combustión, o aguas abajo de la combustión, o a la salida del combustor (196), o cerca de la localización de temperatura máxima en el combustor, o combinaciones de las mismas.

38. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-37, caracterizado adicionalmente porque la temperatura del fluido energético que sale del combustor se controla independientemente del flujo de entalpía del fluido energético.

39. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-38, en el que la temperatura del fluido en el combustor se limita a menos de aproximadamente 1427ºC.

40. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-39, en el que la temperatura del fluido en el combustor se mantiene por encima de la temperatura de salida del combustor deseada durante un tiempo de residencia suficiente para reducir el contenido de combustible y monóxido de carbono del fluido energético que sale del combustor a 758 ppm o menos.

41. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-40, en el que la temperatura del fluido en el combustor se mantiene por encima de aproximadamente 932ºC durante un tiempo de residencia suficiente para oxidar el combustible a dióxido de carbono en el grado deseado.

42. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-41, caracterizado adicionalmente porque la temperatura en el fluido energético está controlada para ser entre aproximadamente 399ºC y aproximadamente 1426ºC.

43. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-42, caracterizado adicionalmente porque el diluyente térmico se suministra al combustor en una pluralidad de localizaciones separadas axialmente.

44. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-43, caracterizado adicionalmente porque el diluyente térmico se suministra al combustor en una pluralidad de localizaciones separadas periféricamente.

45. El procedimiento de la reivindicación 43 ó 44, caracterizado adicionalmente porque el diluyente térmico se suministra al combustor en una pluralidad de localizaciones separadas que se encuentran eficazmente en un plano.

46. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-45, caracterizado adicionalmente porque el diluyente térmico se suministra al combustor en una pluralidad de localizaciones separadas situadas asimétricamente respecto al eje del combustor.

47. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-46, caracterizado adicionalmente porque el diluyente térmico se suministra al combustor a un ángulo que tiene una componente tangencial respecto a la pared del combustor.

48. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-47, caracterizado adicionalmente porque el diluyente térmico se suministra al combustor a un ángulo que tiene un componente axial.

49. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-48, en el que la temperatura de la pared interior del combustor se mantiene por encima de aproximadamente 1093ºC después de la localización de la temperatura de combustión máxima hasta que se enfría el fluido energético a la temperatura de salida del combustor.

50. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-49, en el que la presión diferencial entre la pared interna del combustor se mantiene para ser menor de un 3,5% de la presión del aire comprimido que entra en el combustor.

51. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-50, en el que el suministro que diluyente térmico se controla para limitar la temperatura de una pared exterior del combustor por debajo del valor deseado.

52. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-51, en el que el suministro de aire comprimido, combustible y diluyente térmico al combustor se controla de tal modo que el flujo de masa del fluido energético que sale del combustor es más de un 120% del flujo de masa de aire a través del compresor.

53. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-52, caracterizado adicionalmente porque la relación de aire a combustible se controla para estar dentro del intervalo de 100% a 123% de la relación estequiométrica.

54. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-53, en el que el suministro de combustible, aire y diluyente térmico al combustor se controlan cada uno independientemente.

55. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-54, caracterizado adicionalmente porque: uno o más de la temperatura de combustión y la temperatura del fluido energético cerca de la salida del combustor (196) se controlan independientemente de la relación aire a combustible.

56. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-55, caracterizado adicionalmente porque la relación aire a combustible, la temperatura de combustión, el perfil de temperatura del combustor y la temperatura del fluido energético cerca de la salida del combustor (196) están cada uno controlado independientemente.

57. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-56, caracterizado adicionalmente porque, antes del suministro al combustor, se calienta el aire comprimido mediante intercambio de calor con gases calientes que salen del combustor.

58. Un sistema de conversión de energía según las reivindicaciones 15 1, caracterizado adicionalmente porque:

el medio de suministro de aire funciona admitiendo menos de la cantidad estequiométrica del aire comprimido disponible en la primera zona de quemador (250), y el medio de suministro de combustible funciona admitiendo suficiente combustible para crear una mezcla rica en combustible en la primera zona de quemador (250), y

admite el aire comprimido disponible restante en una o más zonas adicionales de quemador aguas abajo de la primera zona de quemador (252).

59. Un sistema de conversión de energía según la reivindicación 1 ó 58, caracterizado porque:

el medio de suministro de aire admite la mayor parte del aire comprimido y lo mezcla con combustible en la primera zona de quemador (250), creando así una llama rica en combustible en la primera zona de quemador (250),

admite la segunda mayor porción de aire comprimido total disponible y lo añade a la cámara de combustión (25) en una segunda zona de quemador (252) localizada aguas abajo de la primera zona de quemador (250), y

admite el resto del aire comprimido disponible en la cámara de combustión en partes entre una o más zonas de quemador aguas abajo de la segunda zona de quemador.

60. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1, 58 y 59, en el que el segundo mecanismo inyector (201) funciona inyectando cantidades controladas de diluyente térmico en el aire comprimido antes de mezclar el aire con el combustible.

61. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 58-60, caracterizado adicionalmente porque el medio de suministro de líquido funciona atomizando e inyectando una parte del diluyente líquido en el aire de alimentación que entra por la entrada del compresor.

62. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 58-61, caracterizado adicionalmente porque incluye un intercambiador de calor (63) acoplado térmicamente al combustor (200), y que funciona calentando el aire comprimido antes de la mezcla con el combustible.

63. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 58-62, en el que el fluido energético que sale del dispositivo de utilización (50) contiene menos de 3 ppm de NO_{x}.

64. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 58-65, en el que el fluido energético que sale del dispositivo de utilización (50) contiene menos de 3 ppm de CO.

65. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-62, en el que el suministro de combustible, aire comprimido y diluyente térmico al combustor se controla de modo que el fluido energético que sale del dispositivo de utilización (50) contiene menos de 8 ppm de NO_{x}.

66. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14, 58-62 ó 65, en el que el suministro de combustible, aire comprimido y diluyente térmico al combustor se controla de modo que el fluido energético que sale del dispositivo de utilización (50) contiene menos de 8 ppm de CO.

67. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-62, en el que el suministro de combustible, aire comprimido y diluyente térmico al combustor se controla de modo que el fluido energético que sale del dispositivo de utilización (50) contiene cantidades deseablemente insignificantes de contaminantes medioambientales, incluyendo NO_{x}, CO, partículas y combustible no quemado.

68. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-67, en el que la etapa de hacer funcionar el segundo mecanismo inyector (201) funciona inyectando cantidades controladas de diluyente térmico al combustor (200) en múltiples localizaciones aguas debajo de la entrada a la primera zona de quemador.

69. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-68, caracterizado porque la cantidad total de aire comprimido que se suministra al combustor (200) se selecciona de modo que se consume al menos aproximadamente un 90% del oxígeno en el aire disponible cuando reacciona con el combustible.

70. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-69, caracterizado porque las cantidades de aire comprimido y combustible suministradas al combustor (200) se seleccionan para mantener la relación de aire a combustible deseada.

71. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-70, caracterizado adicionalmente porque uno o ambos de la temperatura y el perfil de temperatura del combustor se controlan controlando la cantidad y localización del diluyente térmico suministrado.

72. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-71, en el que el suministro de diluyente térmico se controla según la temperatura de llama máxima deseada.

73. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-72, en el que el suministro de diluyente térmico se controla según la temperatura de salida media del combustor del fluido energético.

74. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-73, en el que el suministro de diluyente térmico se controla según la temperatura máxima deseada del fluido energético cerca de la salida del combustor (196) independientemente de la tasa de conversión de energía en el combustor.

75. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-74, en el que el suministro de diluyente térmico se controla para limitar la temperatura de combustión y/o la temperatura del fluido energético para conseguir el nivel deseado de óxidos de nitrógeno que salen del combustor.

76. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-75, caracterizado adicionalmente porque el medio de suministro de líquido funciona controlando el suministro de fluido diluyente para mantener la temperatura de fluido energético aguas abajo de la primera zona de quemador por encima del mínimo deseado,

consiguiendo así el nivel deseado de oxidación de al menos un componente combustible y reduciendo al menos un componente oxidable de las emisiones a menos del valor deseado.

77. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-76, en el que el medio de suministro de líquido es operativo para suministrar una parte del diluyente térmico aguas arriba de o a una región de combustión, o aguas abajo de la combustión, o cerca de la salida del combustor (196), o cerca de la localización de la temperatura máxima, o combinaciones de las mismas.

78. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-77, caracterizado adicionalmente porque la temperatura del fluido energético que sale del combustor se controla independientemente del caudal de entalpía.

79. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-78, en el que la temperatura del fluido en el combustor se limita a menos de aproximadamente 1427ºC.

80. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-79, en el que el fluido en el combustor se mantiene por encima de la temperatura de salida deseada del combustor durante un tiempo de residencia suficiente para reducir el contenido de combustible y monóxido de carbono del fluido energético que sale del combustor a 758 ppm o menos.

81. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-80, en el que la temperatura del fluido en el combustor se mantiene por encima de aproximadamente 932ºC durante un tiempo de residencia suficiente para oxidar el combustible a dióxido de carbono en el grado deseado.

82. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-81, caracterizado adicionalmente porque la temperatura del fluido energético se controla para que esté entre aproximadamente 399ºC y aproximadamente 1426ºC.

83. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-82, caracterizado adicionalmente porque el medio de suministro de líquido incluye un medio para suministrar diluyente térmico al combustor en una pluralidad de localizaciones separadas axialmente.

84. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-83, caracterizado adicionalmente porque el medio de suministro de líquido incluye un medio para suministrar diluyente térmico al combustor en una pluralidad de localizaciones separadas periféricamente.

85. Un sistema de conversión de energía según las reivindicaciones 83 ó 84, caracterizado adicionalmente porque el medio de suministro líquido incluye un medio para suministrar diluyente térmico al combustor en una pluralidad de localizaciones que se encuentran eficazmente en un plano.

86. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-85, caracterizado adicionalmente porque el medio de suministro de líquido incluye un medio para suministrar diluyente térmico al combustor en una pluralidad de localizaciones separadas situadas asimétricamente con respecto al eje del combustor.

87. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-86, caracterizado adicionalmente porque el medio de suministro de líquido incluye un medio para suministrar diluyente líquido al combustor según un ángulo que tiene un componente tangencial respecto a la pared del combustor.

88. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-87, caracterizado adicionalmente porque el medio de suministro líquido incluye un medio para suministrar diluyente líquido al combustor según un ángulo que tiene un componente axial con respecto al eje del combustor.

89. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-88, en el que el suministro de diluyente térmico se controla para limitar la temperatura de una pared externa del combustor por debajo del valor deseado.

90. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-89, en el que el suministro de aire comprimido, combustible y diluyente térmico al combustor se controla de tal modo que el flujo de masa del fluido energético que sale del combustor es más de un 120% del flujo de masa de aire a través del compresor.

91. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-90, caracterizado adicionalmente porque la relación de aire a combustible se controla para que esté en el intervalo de 100% a 123% de la relación estequiométrica.

92. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-91, en el que el suministro de combustible, aire y diluyente térmico al combustor está controlado cada uno independientemente.

93. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-92, en el que la temperatura de combustión y las temperatura del fluido energético cerca de la salida del combustor (196) se controlan cada una independientemente de la relación aire a combustible.

94. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-93, caracterizado adicionalmente porque la relación de aire a combustible, la temperatura de combustión, el perfil de temperatura del combustor y la temperatura del fluido energético cerca de la salida del combustor (196) se controlan cada uno independientemente.

95. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-94, caracterizado adicionalmente porque incluye un sistema de control informático de realimentación que funciona controlando el fluido energético y controlando las velocidades de alimentación de aire, combustible y diluyente térmico para minimizar los NO_{x} y CO en el producto de evacuación.

96. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-95, en el que el perfil de temperatura del combustor se controla mediante el suministro de diluyente térmico al combustor.

97. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-96, en el que las localizaciones en que se suministra el diluyente térmico al combustor y la cantidad de diluyente térmico suministrada se controlan independientemente.

98. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-97, en el que la temperatura del diluyente térmico se controla independientemente de la cantidad de diluyente térmico inyectada.

99. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-98, caracterizado adicionalmente porque el medio de suministro de aire funciona suministrando aire comprimido al combustor a la presión deseada.

100. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-99, caracterizado adicionalmente porque el dispositivo de utilización es un pozo de petróleo o una torre de destilación, u otro equipo que utiliza vapor de agua para su funcionamiento.

101. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-100, caracterizado adicionalmente porque el dispositivo de utilización funciona suministrando energía para aplicaciones mecánicas y/o térmicas, incluyendo desalinización, generación de electricidad y funcionamiento de dispositivos móviles.

102. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-101, caracterizado adicionalmente porque el fluido energético que sale del dispositivo de utilización se enfría, al menos parte del diluyente térmico se condensa, y al menos parte del diluyente térmico se recupera.

103. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-102, caracterizado adicionalmente porque incluye:

un medio para enfriar el fluido energético que sale del dispositivo de utilización;

un medio para condensar al menos una parte del diluyente térmico;

un medio para separar el fluido energético enfriado y al menos una porción del diluyente condensado;

un medio para recomprimir el fluido energético separado al menos a presión atmosférica;

un medio para evacuar el fluido energético separado; y

un medio para recuperar al menos una parte del diluyente térmico condensado.

104. Un sistema de conversión de energía según las reivindicaciones 102 ó 103, caracterizado adicionalmente porque la cantidad de diluyente térmico recuperado es al menos igual a la cantidad suministrada aguas arriba de la salida del combustor (196).

105. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 102-104, caracterizado adicionalmente porque al menos parte del diluyente térmico recuperado se purifica y recicla.

106. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-105, caracterizado adicionalmente porque el aire suministrado al combustor está a una presión entre aproximadamente 4 a 100 veces la presión atmosférica.

107. Un sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-106, caracterizado adicionalmente porque la relación de diluyente térmico a combustible suministrado al combustor se controla dentro del intervalo de aproximadamente 2 a 1 a aproximadamente 16 a 1 en masa.

108. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 15-57, en el que el perfil de temperatura del combustor se controla mediante el suministro de diluyente térmico al combustor.

109. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 15-57 ó 108, en el que las localizaciones en las que se suministra diluyente térmico al combustor y la cantidad de diluyente térmico suministrado se controlan independientemente.

110. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-57 ó 108-109, en el que la temperatura del diluyente térmico se controla independientemente de la cantidad de diluyente térmico inyectada.

111. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-57 ó 108-110, en el que la entrada de aire comprimido al combustor, después del encendido, se suministra a la presión deseada.

112. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-57 ó 108-111, caracterizado adicionalmente porque el fluido energético que sale del combustor se inyecta en un pozo de petróleo o se utiliza en una torre de destilación, o en otros equipos que utilizan vapor de agua para su funcionamiento.

113. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-57 ó 108-112, caracterizado adicionalmente porque el fluido energético que sale del combustor se utiliza para generar energía para aplicaciones mecánicas y/o térmicas, incluyendo desalinización, generación de electricidad y funcionamiento de dispositivos móviles.

114. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-57 ó 108-113, caracterizado adicionalmente porque el combustible comprende cualquier hidrocarburo o alcohol.

115. El procedimiento de las reivindicaciones 15-57 ó 108-113, en el que el combustible comprende uno o más de combustible diesel nº 2, petróleo para calefacción, petróleo de cabeza de pozo, propano, gas natural, gasolina y etanol.

116. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-57 ó 108-115, caracterizado adicionalmente porque el fluido energético que sale del dispositivo de utilización se enfría, al menos una parte del diluyente térmico se condensa, y al menos una parte del diluyente térmico se recupera.

117. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-57 ó 108-115, caracterizado adicionalmente porque incluye:

enfriar el fluido energético que sale del dispositivo de utilización;

condensar al menos una parte del diluyente térmico;

separar el fluido energético enfriado y al menos una parte del diluyente condensado;

recomprimir el fluido energético separado al menos a presión atmosférica;

evacuar el fluido energético separado; y

recuperar al menos una parte del diluyente térmico condensado.

118. El procedimiento de la reivindicación 116 ó 117, caracterizado adicionalmente porque la cantidad de diluyente térmico recuperado es al menos igual a la cantidad suministrada aguas arriba de la salida del combustor (196).

119. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 116-118, caracterizado adicionalmente porque al menos parte del diluyente térmico recuperado se purifica y recicla.

120. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-57 ó 108-119, caracterizado adicionalmente porque el aire suministrado al combustor está a una presión entre aproximadamente 4 y aproximadamente 100 veces la presión atmosférica.

121. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-57 ó 108-116, caracterizado adicionalmente porque la relación de diluyente térmico a combustible suministrado al combustor se controla dentro del intervalo de aproximadamente 2 a 1 a aproximadamente 16 a 1 en masa.

122. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15 a 57 ó 108-121, caracterizado adicionalmente porque se suministra el fluido energético a un primer motor de trabajo, y a uno o ambos de un segundo motor de trabajo de al menos un 50% del tamaño del primer motor de trabajo y de otro dispositivo de utilización.

123. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15-57 ó 108-122, caracterizado adicionalmente porque el combustible comprende diluyente térmico.

124. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 15 a 57 ó 108-123, caracterizado adicionalmente porque el diluyente térmico es agua.

125. El sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-107, caracterizado adicionalmente porque el combustible comprende diluyente térmico.

126. El sistema de conversión de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 ó 58-107, caracterizado adicionalmente porque el diluyente térmico es agua.