ES2236677T3 - Amplificador de potencia termohidrodinamico. - Google Patents

Abstract

Amplificador de potencia termohidrodinámico en el que un líquido es desplazado en el interior de un cilindro (13) fijo por medio de un émbolo auxiliar (11) accionado a través de tuberías de una disposición de calentador-regenerador-refrigerador (14, 15, 16) o de una disposición de calentador-recuperador-refrigerador (14, 15, 16) entre una región caliente (14) y una región fría (16), de manera que el líquido se contrae y se expande de modo periódico, y con ello entrega un trabajo de desviación (19), que por cada ciclo es mayor que un trabajo de accionamiento (12) en el émbolo auxiliar (11), caracterizado porque el líquido es desplazado en la disposición (14, 15, 16) de modo periódico en una dirección de flujo alternativa, y el trabajo de desviación (19) se rinde en una máquina (18, 33) separada.

Description

Amplificador de potencia termohidrodinámico.

La invención se refiere a un amplificador de potencia termohidrodinámico.

Los líquidos, en comparación con los gases, son prácticamente incompresibles, tienen un incremento de volumen más reducido, condicionado por el calor, capacidades térmicas considerablemente más elevadas, y ofrecen la posibilidad de intercambiar mejor el calor. El intento de introducir líquidos, alternativamente al gas de trabajo, en máquinas térmicas, se llevó a cabo a mediados de los años veinte del siglo pasado por J. F. Malone, de New-castle-on-Tyne (Inglaterra).

Este desarrolló una máquina regenerativa similar a la máquina Stirling de gas caliente que, en lugar de con aire, estaba llena de agua a presión como medio de trabajo, (Patente de Estados Unidos 1,487,664 de 18 de marzo de 1924 y patente de Estados Unidos 1,7717,161 de 11 de junio de 1929).

Este pudo demostrar que con una diferencia de temperatura de 305K alcanzaba un rendimiento del 27%, que igualaba un grado de realización destacable del 54% del ciclo de Carnot ideal, y que en comparación con las máquinas de vapor convencionales de la época era prácticamente el doble.

La razón para este buen rendimiento venía dada por el hecho de que la máquina, como la máquina Stirling, poseía un regenerador de calor, y adicionalmente usaba las características de transmisión de calor de los líquidos, fundamentalmente mejores que las de los gases. En la Fig. 1 está representada de modo esquemático la máquina de Malone En este caso, (1) es el cilindro de trabajo, (2) el cilindro de desplazamiento, (3) el calentador que es calentado en todo momento por medio del calor (de llama) (3a) exterior, (4) el refrigerador, (5) el émbolo de desplazamiento que desplaza el regenerador (2a) 90º respecto al émbolo de trabajo (6) desplazado en fase desde caliente a frío. El émbolo de trabajo (6) unido con la rueda volante (7) por medio de la biela motriz (7a) transmite por medio de la biela auxiliar (8a) y la excéntrica (8) el movimiento oscilante desplazado en fase al recorrido del regenerador (2a).

En la Fig. 2 está representado en el diagrama PV tanto un ciclo (10) Stirling ideal como el ciclo (9) realizado por la máquina de Malone.

Puesto que el agua sólo se mantiene líquida bajo presiones muy elevadas de > 100 bar en el intervalo de temperaturas de trabajo requerido, Malone tuvo que emplear cilindros altamente resistentes a la presión. Puesto que, además, hizo uso de cigüeñales y émbolos de trabajo para la transformación de las oscilaciones de presión generadas térmicamente en el líquido en energía del árbol de rotación, sometió al liquido, tal y como es normal en las máquinas de trabajo clásicas, a un paso de trabajo en el que principalmente durante la fase de expansión (caliente) se entrega por medio del émbolo de trabajo y el sistema de cigüeñal - rueda volante, trabajo útil, mientras que en la fase de compresión (fría) se ha de llevar trabajo al sistema que procede de una parte del trabajo de expansión que ha sido almacenado en la rueda volante.

Puesto que los líquidos, en comparación con los gases o las mezclas de líquido y vapor, son prácticamente incompresibles, es inevitable que por medio del acoplamiento forzado rígido los émbolos de trabajo, desplazadores, cigüeñales y la rueda volante se estampen sobre el fluido, en particular que durante la fase de comprensión se generen presiones extremadamente elevadas. Esto lleva a cargas alternativas de presión extremadamente elevadas, y requieren masas móviles muy pesadas, que por su lado transmiten fuertes cargas dinámicas al cojinete y a toda la estructura.

Con ello se habían contrarrestado las ventajas fundamentales de la máquina de Malone (mejores características de transmisión del calor en comparación con los gases, elevada capacidad térmica y, con ello, densidad de potencia) por medio de las oscilaciones de presión que resultaban de este modo de construcción y que limitaban la vida útil. Esto también es la razón por la que esta máquina, a pesar de una termodinámica superior, no fue adoptada en el uso habitual.

Debido a ello, el objetivo de la presente invención es usar las ventajas fundamentales ya reconocidas por Malone de los líquidos como medios de trabajo termodinámicos en un modo de construcción nuevo técnicamente, de tal manera que ya no se produzcan los aspectos negativos descritos.

El documento US 2,963,853 da a conocer para la solución de un objetivo similar un amplificador de potencia termohidrodinámico, en el que en una máquina están dispuestos una disposición de émbolo-cilindro y un cigüeñal masivo. El émbolo atraviesa en el cilindro una cámara de compresión, una cámara de expansión y una cámara de trabajo. Al desplazarse de un lado a otro el émbolo dentro de un ciclo, una biela motriz de control separada del émbolo, fijada conjuntamente con éste en el cigüeñal, por medio de diversas líneas, conecta una distribución por válvulas, de manera que en los desplazamientos del émbolo se guía un líquido a través de líneas previstas respectivamente para esto y controladas por medio de las válvulas a través de un calentador, un refrigerador y un regenerador.

En comparación con el documento US 2,963,853, la invención se basa en el objetivo particular de proporcionar un amplificador de potencia con un rendimiento mejorado, proporcionando al mismo tiempo una seguridad de funcionamiento incrementada.

Este objetivo se consigue con un amplificador de potencia termohidrodinámico, en el que un líquido es empujado en el interior de un cilindro rígido por medio de un émbolo auxiliar accionado a través de lineas de una disposición de calentador-regenerador-refrigerador o bien una disposición de calentador-recuperador-refrigerador entre una región caliente y una región fría, de manera que el líquido se contraiga y se expanda de un modo periódico, y entregue en este caso un trabajo de desviación que sea mayor por ciclo que un trabajo de accionamiento en el émbolo auxiliar, caracterizándose el amplificador de potencia porque el líquido es desplazado en la disposición de modo periódico en una dirección de flujo cambiante, y el trabajo de desviación se realiza en una máquina separada.

La máquina conforme a la invención descrita a continuación actúa como un amplificador de potencia termohidrodinámico (APT).

El APT ejecuta en el diagrama PV (Fig. 3) un ciclo fundamentalmente diferente que la máquina térmica clásica. En este caso, el líquido se calienta desde a hasta b de modo isocoro. La presión inicial P_{0} se corresponde en este caso con la presión del entorno (o con una presión ligeramente superior). Tan pronto como se ha alcanzado en el líquido la presión P1 deseada, se abre un elemento de bloqueo (17) y el líquido se expande rindiendo para ello trabajo a un sistema conectado a continuación (motor hidráulico, émbolo compresor, etc.). Esta reducción de presión tiene lugar hasta que, con el volumen que es ahora mayor y la temperatura más elevada respecto al estado inicial a, en c se vuelve a alcanzar la presión inicial P_{0}. Al contrario de las máquinas clásicas en las que el líquido se lleva al estado inicial a por medio de compresión mecánica, en el APT se produce la contracción del líquido por medio de la extracción de calor. Esto, según la invención, tiene la gran ventaja de que, puesto que se extrae toda la energía durante la fase de expansión de b a c, no se ha de almacenar de modo intermedio ninguna energía mecánica de ninguna manera (rueda volante, cámara de aire). En este principio también está incluido, tal y como se indica posteriormente, la posibilidad conforme a la invención de prescindir completamente de un mecanismo de cigüeñal, con las fuerzas forzadas ejercidas por éste sobre el líquido.

En caso de que, adicionalmente, durante las fases de trabajo a \rightarrow b y c \rightarrow a se incluya un regenerador o un recuperador en el proceso de intercambio de calor y se guíe la expansión del fluido de forma isotérmica, entonces el proceso de trabajo definido por las esquinas a, b, c es ideal desde el punto de vista termodinámico con la excepción de pérdidas irreversibles en el fluido y pérdidas de calor.

En la Fig. 4 está representa de modo esquemático la configuración básica de un APT en combinación con un motor hidráulico.

En este caso, (11) es el émbolo desplazador que es movido hacia arriba y hacia abajo por un accionamiento lineal (12) en el interior del cilindro de presión (13). Éste desplaza de un lado a otro el fluido de trabajo de modo periódico a través de un recorrido de calentador (14), regenerador (15) y refrigerador (16). Como elemento de bloqueo (17) separable sirve una válvula hidráulica. Ésta está cerrada al comienzo del ciclo (Fig. 3, recorrido a \rightarrow b) cuando el émbolo desplazador se mueve hacia abajo y con ello transporta el líquido a la parte caliente del sistema. Al alcanzar la presión P1 deseada en el punto b del diagrama PV abre la válvula y el líquido se expande a una alta presión entregando trabajo por medio del motor hidráulico (18) con rueda volante (19) acoplada. El fluido de presión reducida se acumula a continuación en el recipiente colector (20). Una tubería de circulación con la válvula de retención (21) procura una circulación constante del fluido desde el recipiente colector a través del motor hidráulico mientras que éste gire. Cuando la reducción de presión que entrega trabajo del fluido (punto c en el diagrama PV, Fig. 3) está finalizada, se cierra la válvula (17), el desplazador (11) se mueve hacia arriba y desplaza el fluido a la parte fría del sistema (recorrido c \rightarrow a en la Fig. 3). El fluido que se enfría se contrae en el punto de inicio a del ciclo (Fig. 3), y realimenta en este caso a través de la tubería (22) y la válvula de retención (23) fluido del recipiente colector (20).

Puesto que a través del regenerador (15) fluye fluido caliente y frío en dirección alternada, éste almacena temporalmente calor prácticamente sin pérdida de entropía (ya que el calor y el frío se vuelven a ganar a lo largo de un perfil de temperatura que crece linealmente), y vuelve a entregar éste en el instante correcto al fluido.

Seleccionando apropiadamente la frecuencia de oscilación del desplazador (11) y el dimensionado correcto de la sección transversal de circulación a través del calentador, regenerador, recorrido del refrigerador, se consigue que el valor del trabajo entregado por el líquido que se expande sea mayor en un múltiplo que el trabajo rendido por el émbolo desplazador. Por esta razón, y debido a su modo de acción, llamamos a la máquina conforme a la invención amplificador de potencia termohidrodinámico (APT).

Para un mejor entendimiento, en las Figuras 4a, 4b, 4c se vuelven a representar de nuevo los tres pasos de trabajo de modo esquemático, y se añade la sección correspondiente en el diagrama PV. En este caso, \rightarrow representa el flujo del fluido bajo presión, - - - \rightarrow el fluido a presión sin movimiento, y ... \rightarrow el movimiento del fluido con una presión reducida.

En la Fig. 4a se comprime el fluido de modo isocoro. El émbolo desplazador (11) accionado por el accionamiento lineal (12) se encuentra en su recorrido hacia abajo. La válvula hidráulica (17) está cerrada. En el diagrama PV se atraviesa por el recorrido a \rightarrow b. El nivel de fluido en el recipiente de expansión (20) se encuentra a su nivel más bajo.

En la Fig. 4a se comprime el fluido de modo isocoro. El émbolo desplazador (11) accionado por el accionamiento lineal (12) se encuentra en su recorrido hacia abajo. La válvula hidráulica (17) está cerrada. En el diagrama PV se atraviesa por el recorrido a \rightarrow b. El nivel de fluido en el recipiente de expansión (20) se encuentra a su nivel más bajo.

En la Fig 4b, el émbolo desplazador (11) ha alcanzado el punto muerto inferior. El accionamiento lineal (12) está parado. La válvula hidráulica (17) se ha abierto. En el diagrama PV se recorre el recorrido b \rightarrow c. El motor hidráulico (18) está accionado por el líquido de presión reducida. El nivel de fluido en el recipiente de expansión (20) sube.

En la Fig. 4c, el émbolo desplazador (11) se mueve por medio del accionamiento lineal (12) hacia arriba. La válvula hidráulica (17) está cerrada. El fluido caliente sin presión se vuelve a refrigerar por medio del regenerador (15) y el refrigerador (16) a la temperatura inicial, y experimenta en ese proceso una contracción. La presión negativa que se produce debido a ello aspira fluido a través de la tubería (22) del recipiente de expansión (20). Su nivel baja hasta el valor más bajo. En el diagrama PV se recorre el recorrido c \rightarrow a. Con ello se vuelve a alcanzar el estado inicial a del ciclo.

El principio de funcionamiento básico descrito hasta ahora de una máquina APT de tres ciclos se puede variar de diferentes maneras. Una posibilidad conforme a la invención viene dada por el hecho de usar en lugar una válvula hidráulica (17), el mismo establecimiento de presión por medio del motor hidráulico (18). Esto se logra debido al hecho de que el volumen de absorción del motor hidráulico (18) se selecciona de tal manera que es claramente menor que el flujo volumétrico del fluido que surge por medio del calentamiento del fluido en el recorrido a \rightarrow b en el diagrama PV. En la Fig. 5 está representado un diagrama PV que resulta de un proceso APT de este tipo. En este caso, según la invención, se vuelve a comenzar el proceso cuando el fluido se encuentra en el estado de presión P_{0}. El medio que se expande por medio del desplazamiento del fluido de frío a caliente fluye a través del motor hidráulico (17) bajo una presión creciente hasta que en P'_{1} en b el émbolo desplazador (11) ha alcanzado su punto muerto inferior. A continuación se reduce la presión del fluido con el émbolo desplazador retenido hasta el punto c con P_{0}, y a continuación se contrae por medio de la refrigeración regenerativa de c \rightarrow a. La válvula hidráulica (17) está cerrada durante la parte del ciclo a \rightarrow b \rightarrow c, y está cerrada de c \rightarrow b.

Una variante de este tipo del ciclo APT consigue, ciertamente, por ciclo, menores potencias, si bien está caracterizada por una marcha especialmente suave, continua, y requiere una menor resistencia a la presión debido a la escasa presión máxima.

Otra posibilidad de configuración ventajosa reside en la combinación de las características de bloqueo de la válvula hidráulica (17) y del motor hidráulico. En la Fig. 6 se representa el diagrama de indicadores de una variante APT de este tipo. Partiendo de la presión inicial P_{0}, el fluido se comprime de modo isocoro (se cierra la válvula 17) a la presión intermedia P_{1}. Desde b a b', el fluido se reduce en presión por medio del motor hidráulico (18) de modo isóbaro (la válvula 18 está abierta). Después de que el émbolo desplazador (11) ha alcanzado su punto muerto, el fluido se reduce en presión desde b' hasta c (la válvula 18 está abierta). A continuación se vuelve a contraer el fluido con la válvula 18 cerrada por medio de la extracción reversible de calor de c al estado inicial a. Una variante de este tipo del APT consigue buenas potencias de ciclo, y no fuerza el cilindro de presión debido a la menor presión máxima en comparación con la variante básica.

Otra configuración ventajosa conforme a la invención del APT viene dada por la posibilidad de integrar el calentador (14) y el refrigerador (16) sólo durante las secciones del paso de trabajo en el circuito del fluido en las que se requiere su función correspondiente. Esto, por un lado, minimiza los efectos negativos del volumen muerto del fluido, y por otro lado hace posible conformar las secciones transversales del flujo de presión por medio del calentador y el refrigerador sin efectos negativos en el ciclo por lo que se refiere a una menor presión de paso dinámica y características óptimas de transmisión de calor. En la Fig. 7 se representan de modo esquemático las tuberías de derivación necesarias correspondientes con válvulas de bloqueo y su empleo temporal a partir del diagrama PV.

Mientras que el fluido es desplazado de a \rightarrow b a través del émbolo desplazados, es decir, mientras que el fluido se calienta, es algo indeseado extraer calor a través del refrigerador (16). Por medio del cierre de las válvulas 24a, 24b, el fluido es desviado en un conducto de derivación (24c) alrededor del refrigerador, y a continuación fluye a través del regenerador (15) y del calentador (14). En la reducción de presión que se produce a continuación del fluido de b \rightarrow c, de nuevo, no se desea la refrigeración (24a, 24b sigue cerrado, el fluido fluye a través de 24c).

El calentamiento posterior por medio del calentador (14) es deseado debido a la reducción de presión isoterma de b \rightarrow c que se quiere conseguir. El hecho de que de a \rightarrow b \rightarrow c el fluido fluye a través del conducto de derivación 24c está representado en el diagrama PV. Cuando el fluido es refrigerado a continuación de c \rightarrow a de modo reversible, y debido a ello se contrae, sólo se desea el efecto del refrigerador (16), mientras que no se desea, sin embargo, el del calentador (14). Debido a ello se bloquea el calentador por medio de las dos válvulas 25a, 25b, y el fluido es guiado a través del conducto de derivación 25c directamente a través del regenerador (15) y el refrigerador (16) (las válvulas 24a, 24b vuelven a estar abiertas). Para que el fluido, con las válvulas de bloqueo 24a, 24b o 25a, 25b respectivamente abiertas fluya a través de (16) y (14), las tuberías de derivación 24c y 25c están provistas de válvulas de retención 24d y 25d.

Hasta ahora, las máquinas APT con desacoplamiento de rotación estaban caracterizadas por el motor hidráulico. Puesto que la energía del ciclo disminuye de modo constante en el transcurso de la reducción de presión del fluido de trabajo, es necesario "conformar" esta oferta de potencia discontinua. En el caso de máquinas rotatorias, lo mejor es que esto suceda por medio de una rueda volante (19) correspondiente.

El hecho de que, por un lado, sólo se entrega energía hacia el exterior durante la fase de expansión y que, por otra parte, por razones de rendimiento, la frecuencia de trabajo de la máquina APT ha de ser lo menor posible, lleva a que la rueda volante, además de la conformación descrita de la oferta de energía discontinua durante la expansión, también deba cubrir intervalos de tiempo relativamente largos durante los que la máquina no entrega ninguna energía. Esto lleva naturalmente a grandes ruedas volantes.

Debido a ello, otra configuración conforme a la invención de la máquina APT viene dada por el hecho de realizar ésta como máquina de varios cilindros (número n de los cilindros \geq 2), y llevar a cabo el control temporal del accionamiento lineal (12) de los distintos cilindros de tal manera que el solape de ciclos resultante de ello lleve a un par motor alisado. Esto lleva a ruedas volantes fundamentalmente más pequeñas.

Según la invención, sin embargo, también se debería usar el movimiento puramente de translación de la columna de líquido que se expande y se vuelve a contraer para el accionamiento de subsistemas como habitualmente: compresores de aire, máquinas refrigeradoras con bomba térmica, compresores frigoríficos con bomba térmica, instalaciones de ósmosis inversa y similares.

En la Fig. 8 se representa una máquina APT de este tipo conforme a la invención con desacoplamiento lineal de potencia y conformador lineal. Puesto que los subsistemas en este caso hacen necesario un émbolo de trabajo fijo (en lugar del émbolo de trabajo "fluido" descrito hasta ahora), la conformación ventajosa de esta variante del objeto conforme a la invención viene dada por la integración del émbolo de trabajo (26) en el cilindro de presión (13) y en el émbolo desplazador (11) que se mueve hacia arriba y hacia abajo en su interior. El colchón neumático (27) por debajo del émbolo de trabajo hace que en esta forma de construcción no sea necesario el recipiente de expansión (Fig. 3, 26). El émbolo de trabajo que también en este caso se mueve hacia debajo de modo periódico durante la fase de expansión desarrollando potencia es sujetado por el elemento de bloqueo (29) separable, que en este caso está conformado de modo ventajoso como un freno de zapatas que toma el vástago del émbolo, hasta que se ha alcanzado la presión máxima deseada (en el diagrama de indicación PV, el punto b). La potencia se desacopla entonces por medio del conformador de potencia (30) conformado geométricamente como paralelogramo. El paralelogramo está provisto en sus cuatro esquinas de articulaciones giratorias, que llevan a que su forma se modifique continuamente por medio del movimiento característico (indicado por 30, 31). En caso de que se acople ahora en una esquina cuyo eje de recorrido esté perpendicular al eje prefijado por el émbolo de trabajo el vástago del émbolo del subsistema deseado que se ha de operar con fuerza lineal, entonces se conforma el efecto dinámico de la fuerza del émbolo del trabajo del APT, que discurre debido a la reducción de presión isoterma de b \rightarrow c de modo asintótico, es decir, se iguala a lo largo de toda la carrera de trabajo. Puesto que el APT sólo entrega trabajo mecánico al mundo exterior durante la expansión, el émbolo de trabajo del subsistema está unido de modo no positivo por medio del vástago del émbolo (33) únicamente durante la expansión, es decir, éste sólo es "empujado" desde el conformador, y está asentado en la posición de separación (33a) de modo suelto sobre éste (acoplamiento sin presión).

Según la invención, este tipo de construcción del APT también se puede hacer funcionar con las variantes de ciclo representadas en la Fig. 5 y en la Fig. 6 y descritas en el texto, pudiéndose así mismo optimizar con las disposiciones de "conducto de derivación" representadas en la Fig. 7.

Puesto que el APT representa una máquina termodinámica reversible, una variante especialmente ventajosa conforme a la invención está conformada en su configuración como bomba térmica de máquina refrigeradora.

En las Figuras 9a, 9b, 9c está representada una máquina APT de este tipo con las etapas de trabajo correspondientes durante las tres fases de trabajo de la máquina APT de accionamiento y de la bomba térmica de máquina refrigeradora APT accionada.

En este caso, la máquina APT de accionamiento tiene fundamentalmente el mismo acabado que está representado en la Fig. 8 y que ha sido descrito en el texto anterior. Por medio, del mecanismo conformador (30), a través del acoplamiento (33a) sin presión descrito así mismo, el émbolo de trabajo (26a) de la máquina refrigeradora, bomba térmica accionada es introducido de modo periódico y desplazado en fase respecto a la máquina de accionamiento en el cilindro (13a). La máquina refrigeradora posee según la invención fundamentalmente los mismos elementos que la máquina de trabajo, que debido a esto están caracterizados con el mismo número y el índice a (14a = calentador, 15a = regenerador, 16a = refrigerador, 11a = desplazador, 12a = accionamiento lineal del émbolo desplazador, 29a = elemento de bloqueo separable). En la Fig. 9a están representados en el diagrama PV superior derecho los pasos de trabajo desplazados en fase de la máquina de trabajo APT (línea ---) y de la máquina refrigeradora APT (línea - - - -). A la izquierda junto a las Fig. 9a a Fig. 9c están representados respectivamente pasos de trabajo correspondientes de la máquina de trabajo y de la máquina refrigeradora para los tres pasos de trabajo fundamentales. Los dibujos que se encuentran por debajo dan una información, respectivamente, sobre la posición, la dirección de movimiento o la detención de los émbolos de trabajo y los émbolos desplazadores de las dos máquinas (26, 26a, 11, 11a) y del estado de los elementos de bloqueo (29, 29a) separable. En el último, significa \approx 0 = cerrado, \approx 1 = abierto.

Adicionalmente, en la posición del conformador (30) y de los vástagos del émbolo de trabajo se puede ver en el acoplamiento (33a) sin presión si la máquina de trabajo acciona la máquina refrigeradora o no. Las direcciones de movimiento del fluido y del émbolo están caracterizadas por medio de flechas.

Durante las tres fases de trabajo sucede los siguiente:

Fig. 9a. Máquina de trabajo. El fluido es calentado de modo isocoro de a a b. El desplazador (11) se mueve hacia el émbolo de trabajo (26) fijado.

Máquina refrigeradora. El fluido es refrigerado de modo isóbaro por medio del desplazamiento del desplazador de a' a c'. El émbolo de trabajo (26a) está fijado. El acoplamiento sin presión (33a) no está enganchado.

Fig. 9b Máquina de trabajo. El fluido se expande de modo isotérmico de b a c. El émbolo de trabajo (26) y el émbolo desplazador (11) se mueven conjuntamente hacia abajo. El acoplamiento (30) sin presión está enganchado. El elemento de bloqueo (29) está abierto.

Máquina refrigeradora. El émbolo de trabajo (26a) comprime el fluido. El émbolo desplazador está fijado en el punto muerto exterior. El elemento de bloqueo (29a) está abierto.

Fig. 9c Máquina de trabajo. El fluido se contrae por medio de refrigeración regenerativa de c a a. El émbolo de trabajo y el émbolo desplazador (26, 11) se mueven de modo paralelo hacia arriba. El elemento de bloqueo (29) está abierto. El acoplamiento (30) sin presión no está enganchado.

Máquina refrigeradora. El émbolo de trabajo (26a) está fijado por medio del elemento de bloqueo (29a) en el punto muerto inferior. El émbolo desplazador empuja el fluido de b' a a' (refrigeración isocora).

La bomba térmica de la máquina refrigeradora, así pues, toma a través de (16a) calor del entorno (refrigerador), lo comprime de modo isotérmico, y vuelve a entregar por medio de (14a, calentador) el calor. El ciclo de tres pasos realizado en este caso es análogo en su principio al ciclo descrito conforme a la invención de la máquina de trabajo, si bien se recorre "al revés", y trabaja a un nivel de temperatura más reducido.

A parte del ciclo reversible, eficiente, en este caso representa una especial ventaja el hecho de que todos los procesos de intercambio de calor se puedan realizar de líquido a líquido. Esto hace posible, al contrario que en las mezclas convencionales de dos fases en las máquinas refrigeradoras clásicas, refrigeradores/intercambiadores de calor calentadores más económicos y más eficientes. Según la invención, de modo análogo a la conexión de conducto de derivación de la Fig. 7 (24c, 25c), también se puede emplear una disposición de este tipo en la máquina refrigeradora, y con ello, todo el fluido refrigerado puede fluir directamente sin efectos de espacios muertos a través de los cuerpos de refrigeración correspondientes.

Puesto que la máquina APT de accionamiento y la máquina refrigeradora APT accionada trabajan a diferentes niveles de temperatura, las presiones se han de adaptar entre ellas. Esto se puede realizar según la invención, o bien por medio de relaciones de volumen correspondientes del cilindro de la máquina de trabajo (13) respecto al cilindro de la máquina refrigeradora (13a), o bien por medio de una reducción correspondiente de la presión por medio de un émbolo de trabajo por etapas entre el conformador (30) y la máquina refrigeradora.

Otra configuración conforme a la invención de la bomba térmica de la máquina refrigeradora APT hace uso del principio básico de la bomba térmica de la máquina refrigeradora Vuilleumier que trabaja según el principio Stirling realizando una adaptación al ciclo especial de la máquina APT. En la Fig. 10 está representada esta variante de un modo esquemático.

En un cilindro común dividido por medio de una pared (34) bien aislada contra pérdidas de calor y resistente a la presión en dos regiones de trabajo (I = cilindro "caliente"; II = cilindro "frío") se encuentra, respectivamente, un émbolo desplazador accionado de modo lineal con un recorrido conectado de calentador- regenerador-refrigerador. En este caso, los elementos asignados al cilindro "caliente" están caracterizados con el índice a, y los elementos asignados al cilindro "frío" están caracterizados con el índice b. Por medio de la válvula (35) controlable temporalmente, se unen entre ellos en el instante deseado el fluido del cilindro I y del cilindro II.

Para el comienzo de la operación, las dos mitades del cilindro están llenas con el mismo fluido a la misma presión (preferentemente: 1 bar). Los accionamientos desplazadores 12a, 12b mueven los émbolos desplazadores 11a, 11b con una fase desplazada 90º.

En el cilindro 1 caliente, el fluido se lleva a alta presión de modo isocoro a través del calentamiento por medio de 14a. Después de alcanzar esta presión, la válvula (35) se abre, y el fluido comprimido del cilindro I comprime desarrollando calor el fluido del cilindro II. Después de haberse realizado la igualación de presión, el émbolo desplazador (11a) se mueve hacia arriba en el cilindro "caliente", mientras que en cilindro "frío" el émbolo desplazador se mueve hacia abajo.

En este caso, tanto en el cilindro I como en el cilindro II se transmiten los contenidos térmicos respectivos de modo regenerativo a los regeneradores 15a y 15b, y se almacenan de modo intermedio para la siguiente sección del ciclo. En el tercer paso de trabajo se mueven (11a) y (11b) de modo síncrono hacia arriba. Tan pronto como ambos han alcanzado su punto muerto superior, se cierra la válvula (35), y el ciclo vuelve a comenzar desde el comienzo como se ha descrito.

Fundamentalmente, en esta variante conforme a la invención, el cilindro I actúa como pulsador de presión regenerativo, mientras que el cilindro II recorre como bomba térmica de la máquina refrigeradora girando hacia la izquierda el ciclo del pulsador APT atravesado girando hacia la derecha en el cilindro I. En este caso se extrae calor del espacio deseado a través de (14b) a una menor temperatura (máquina refrigeradora), y se vuelve a entregar a través de (16c) a un nivel medio de temperatura (bomba térmica). En la operación como bomba térmica o como grupo multiuso (generación simultanea de calor y de frío), tiene sentido conectar los flujos térmicos a través de (16c) y (16a) en serie uno detrás de otro.

Fundamentalmente, la bomba térmica de máquina refrigeradora "Vuilleumier APT" descrita con esto también se puede operar sin la válvula (35). Según la invención, en este caso la válvula (35) se reemplaza por medio de una pequeña abertura de paso permanente en la pared (34). En este caso, los desplazadores (11a, 11b) no se mueven de modo discontinuo desplazados en fase 90º, sino de modo continuo desplazados en fase 90º. Esta simplificación del ciclo conforme a la invención tiene, sin embargo, debido a la reducida fluctuación de presión utilizable, una densidad de potencia más reducida. Esto se puede compensar fundamentalmente por medio de una frecuencia de trabajo incrementada que, sin embargo, viene ligada con un peor rendimiento debido a las pérdidas de presión hidráulica que aumentan de modo sobreproporcional.

En la selección de los fluidos de trabajo se ofrece una amplia paleta de posibilidades. Los criterios de selección más importantes son: Temperatura y estabilidad de los ciclos, fuerte incremento del volumen térmico, reducida comprensibilidad, elevada capacidad térmica, c_{p} claramente mayor que c_{v}, elevados puntos de ebullición, reducidos puntos de fusión, compatibilidad con el medio ambiente y costes.

El agua usada por Malone, tal y como se ha descrito al comienzo, presenta, ciertamente, muchas ventajas, si bien también presenta la desventaja fundamental de que para permanecer líquida a lo largo de todo el ciclo de trabajo ha de ser cargada con una presión de admisión > 100 bar. Esto se puede realizar fundamentalmente, ciertamente, con las máquinas APT descritas, si bien hace que se precise de depósitos de expansión y cámaras de aire que estén llenos de esta presión de admisión.

Debido a ello, en el estado de la técnica actual se prefieren, en particular, aceites sintéticos con los que, como se ha descrito, se pueda trabajar contra presión atmosférica, y que se puedan adaptar a la medida precisa en viscosidad, resistencia a la temperatura, comprensibilidad otros parámetros importantes de la termodinámica del APT.

Puesto que las máquinas APT también trabajan ya en el intervalo de temperaturas medios desde aproximadamente 100ºC a aproximadamente 400ºC con buenos rendimientos, y la introducción de calor (y refrigeración) del fluido se puede realizar técnicamente de un modo especialmente sencillo, las siguientes fuentes de energía para la operación de APT son especialmente interesantes: energía solar incluyendo el funcionamiento nocturno por medio de almacenamiento térmico, todos los combustibles biógenos, calores de escape en el intervalo de temperaturas mencionado. Están particularmente indicadas las máquinas APT y las bombas térmicas de máquinas refrigeradoras APT combinadas para el acoplamiento de potencia-calor en edificios, para el suministro energético descentralizado con sol y/o biomasa y para la transformación inversa en corriente eléctrica de calores de escape (industriales).

La construcción sencilla y compacta, debida al nuevo tipo de ciclo, hace posible instalaciones económicas. Debido a la elevada densidad de energía de los fluidos se pueden operar frecuencias de trabajo claramente por debajo de 1 Hz con pesos de la instalación razonables (aplicaciones estacionarias). Esto minimiza no sólo la potencia de accionamiento de los émbolos desplazadores, sino que también incrementa la vida útil de los sistemas.

Claims (9)

1. Amplificador de potencia termohidrodinámico en el que un líquido es desplazado en el interior de un cilindro (13) fijo por medio de un émbolo auxiliar (11) accionado a través de tuberías de una disposición de calentador-regenerador-refrigerador (14, 15, 16) o de una disposición de calentador-recuperador-refrigerador (14, 15, 16) entre una región caliente (14) y una región fría (16), de manera que el líquido se contrae y se expande de modo periódico, y con ello entrega un trabajo de desviación (19), que por cada ciclo es mayor que un trabajo de accionamiento (12) en el émbolo auxiliar (11), caracterizado porque el líquido es desplazado en la disposición (14, 15, 16) de modo periódico en una dirección de flujo alternativa, y el trabajo de desviación (19) se rinde en una máquina (18, 33) separada.

2. Amplificador de potencia según la reivindicación 1, caracterizado porque el líquido proporciona el trabajo de desviación (19) durante la expansión, en el que éste se reduce en presión hasta la presión atmosférica (P_{0}) o una presión situada ligeramente por encima de ésta, y porque a continuación se lleva a cabo un retorno del líquido a un estado inicial del periodo por medio de la contracción a través de un proceso de refrigeración reversible.

3. Amplificador de potencia según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por un elemento de bloqueo (17) separable, por medio del que se puede regular la presión generada por la columna de líquido que se expande temporalmente y en su valor.

4. Amplificador de potencia según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por una frecuencia de trabajo claramente por debajo de 1 Hz.

5. Amplificador de potencia según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la máquina (18, 33) separada está acoplada al acoplamiento (30) del amplificador de potencia de tal manera que la entrega de trabajo lineal del líquido que se expande periódicamente se acopla en la máquina separada, siendo la máquina (18, 33) separada un convertidor de energía que trabaja con movimientos lineales, en particular un compresor de aire, un generador de presión o una instalación de ósmosis de inversión o similar.

6. Amplificador de potencia según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la máquina (18, 33) separada está acoplada por medio de un compensador de fuerzas (30) y un acoplamiento de presión (33a) al amplificador de potencia, y trabaja como bomba térmica de la maquina refrigeradora.

7. Amplificador de potencia según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la máquina separada es un motor hidráulico (18), por medio del que el líquido que se expande térmicamente fluye de modo periódico, de manera que en un árbol del motor hidráulico se genera energía de rotación (19).

8. Amplificador de potencia según la reivindicación 7, caracterizado porque el líquido que se expande y se contrae periódicamente se usa al mismo tiempo como líquido hidráulico del motor hidráulico (18).

9. Amplificador de potencia según la reivindicación 7 u 8, caracterizado porque el motor hidráulico (18) está conectado a continuación de un recipiente de expansión (20) solicitado con presión atmosférica (P_{0}) o con una ligera sobrepresión.