ES2260981B1 - STIRLING CYCLE ALTERNATIVE MOTOR. - Google Patents
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Abstract
Motor alternativo de ciclo Stirling. Comprende dos bloques a diferente temperatura respectivamente en contacto con un refrigerador y una fuente de calor. Cada bloque presenta unas cámaras de volumen variable que alojan respectivos pistones. Unos conductos unen las cámaras de los bloques por donde circula el fluido de trabajo y comunican los bloques pasando a través de un intercambiador de calor. Las aberturas de salida de las cámaras del bloque de alta temperatura quedan conectadas a las aberturas de entrada de las cámaras opuestas del bloque de baja temperatura. Las aberturas de salida de las cámaras del bloque de baja temperatura quedan conectadas a las aberturas de entrada del bloque de alta temperatura. La abertura de salida de la cámara extrema del bloque de baja temperatura queda conectada a la abertura de entrada de la cámara extrema opuesta del bloque de alta temperatura.Alternative Stirling cycle engine. It comprises two blocks at different temperatures respectively in contact with a refrigerator and a heat source. Each block has variable volume chambers that house respective pistons. Ducts connect the chambers of the blocks through which the working fluid circulates and communicate the blocks passing through a heat exchanger. The outlet openings of the chambers of the high temperature block are connected to the inlet openings of the opposite chambers of the low temperature block. The outlet openings of the chambers of the low temperature block are connected to the inlet openings of the high temperature block. The outlet opening of the end chamber of the low temperature block is connected to the entrance opening of the opposite end chamber of the high temperature block.
Description
Motor alternativo de ciclo Stirling.Alternative Stirling cycle engine.
La presente invención se refiere a un nuevo motor térmico alternativo que funciona de acuerdo con el ciclo Stirling.The present invention relates to a new alternative thermal engine that operates according to the cycle Stirling.
El ciclo Stirling es un ciclo termodinámico en el cual se produce la compresión y la expansión cíclica de un fluido de trabajo que evoluciona entre dos temperaturas diferentes utilizando el calor almacenado en un regenerador. La cesión y extracción de calor se realiza isotérmicamente desde una fuente de calor y un foco frío, respectivamente.The Stirling cycle is a thermodynamic cycle in which occurs the compression and cyclic expansion of a working fluid that evolves between two different temperatures using the heat stored in a regenerator. The assignment and Heat extraction is performed isothermally from a source of heat and a cold spot, respectively.
Dicho fluido de trabajo, que puede ser de un componente (gases como H, He, Ar, CO_{2}, H_{2}O_{(v)}, líquidos como H_{2}O, Hg, aceite, alcoholes, CO_{2(l)}, gasolina) o de múltiples componentes (aire, agua más solutos, mezclas de aire y agua en distintas fases, etc), se comprime isotérmicamente, extrayéndole calor en el recinto frío, y es transferido al recinto caliente a través del citado regenerador. El regenerador calienta el fluido hasta la temperatura de dicho foco, donde es expansionado isotérmicamente, aportándole calor del exterior hasta ser de nuevo transferido al foco frío, cediendo calor al regenerador al atravesarlo. Este calor se aprovecha después para volver a calentar el fluido.Said working fluid, which can be of a component (gases such as H, He, Ar, CO 2, H 2 O (v), liquids such as H2O, Hg, oil, alcohols, CO2 (l)}, gasoline) or multi-component (air, water more solute, mixtures of air and water in different phases, etc.), it is compressed isothermally, extracting heat in the cold room, and it is transferred to the hot room through said regenerator. He regenerator heats the fluid to the temperature of that focus, where it is isothermally expanded, providing heat from outside until again transferred to the cold spot, yielding heat to the regenerator when passing through it. This heat is used then to reheat the fluid.
El calor aportado al fluido de trabajo proviene de la citada fuente de calor. Esta fuente de calor es externa, de manera que el fluido de trabajo no interviene en el proceso de aportación de calor al ciclo, normalmente una combustión, estableciéndose un intercambio de calor isotérmico entre el exterior y el propio fluido de trabajo.The heat contributed to the working fluid comes from of said heat source. This heat source is external, of so that the working fluid does not intervene in the process of heat input to the cycle, usually a combustion, establishing an isothermal heat exchange between the outside and the working fluid itself.
El hecho de tratarse de un motor exotérmico hace que el motor Stirling resulte muy versátil al permitir aprovechar combustibles de baja calidad, de flujos de gases a elevada y media temperatura procedentes del empleo de otro tipo de máquina térmica u otro tipo de aportación de calor o combinación de la misma como la radiación solar.Being an exothermic engine makes that the Stirling engine is very versatile by allowing to take advantage low quality fuels, from high and medium gas flows temperature from the use of another type of thermal machine or other type of heat input or combination thereof as solar radiation
En un motor de ciclo Stirling típico, el fluido de trabajo realiza el ciclo termodinámico evolucionando de una cámara de baja temperatura a una cámara de alta temperatura a través de un regenerador según se realiza el movimiento sincronizado de dos émbolos que se mueven de manera alternativa en el interior de dichas cámaras, respectivamente. Es decir, uno de los émbolos (denominado pistón) se dispone en la cámara fría y el otro émbolo (denominado desplazador) se dispone en la cámara caliente.In a typical Stirling cycle engine, the fluid of work performs the thermodynamic cycle evolving from a low temperature chamber to a high temperature chamber a through a regenerator as the movement is performed synchronized of two pistons that move alternately in the interior of said chambers, respectively. That is, one of the pistons (called piston) are arranged in the cold chamber and the another plunger (called displacer) is arranged in the chamber hot.
El fluido de trabajo se encuentra inicialmente
expandido totalmente en el interior la cámara fría (cámara de baja
temperatura) mientras que la cámara caliente (cámara de alta
temperatura) se encuentra a volumen mínimo. En la cámara fría el
fluido de trabajo es comprimido isotérmicamente (es necesario
extraer calor del mismo). El fluido de trabajo es traspasado de
dicha cámara fría a la cámara caliente de manera isocórica
atravesando el intercambiador de calor el cual le cede calor. El
fluido se encuentra entonces comprimido en la cámara caliente
expandiéndose posteriormente de manera isotérmica absorbiendo el
calor aportado por la fuente de calor externa. La cámara caliente
se encuentra a volumen mínimo y la cámara fría a volumen máximo
produciéndose entonces un trasvase isocórico de fluido de trabajo
desde la cámara caliente hacia la cámara fría. El fluido de trabajo
cede calor al intercambiador el cual le será cedido
nuevamente al repetir la etapa correspondiente del ciclo.The working fluid is initially fully expanded inside the cold chamber (low temperature chamber) while the hot chamber (high temperature chamber) is at minimum volume. In the cold chamber the working fluid is compressed isothermally (it is necessary to extract heat from it). The working fluid is transferred from said cold chamber to the hot chamber in an isocoric way through the heat exchanger which gives it heat. The fluid is then compressed in the hot chamber, subsequently expanding isothermally absorbing the heat provided by the external heat source. The hot chamber is at minimum volume and the cold chamber at maximum volume, producing an isochoric transfer of working fluid from the hot chamber to the cold chamber. The working fluid gives heat to the exchanger which will be transferred
again when repeating the corresponding stage of the cycle.
Ejemplos de motores alternativos de la técnica anterior que funcionan bajo el ciclo Stirling expuesto son los descritos, por ejemplo, en las patentes nº US5.557.934 y US4.107.925.Examples of alternative engines of the art previous that work under the exposed Stirling cycle are the described, for example, in US Pat. Nos. 5,557,934 and 4,107,925.
La patente nº US5.557.934 describe un motor Stirling alternativo que comprende un foco frío, un foco caliente, uno o varios pares de cilindros con respectivos pistones desplazables, una fuente de calor, un refrigerador y un regenerador. Se dispone un sistema de accionamiento que acopla los pistones para transmitir su movimiento a un eje de giro el cual comprende una serie de engranajes, estando provisto dicho eje de unos acoplamientos dotados de un cigüeñal. En funcionamiento, un pistón controla el fluido de trabajo durante la expansión, y el otro controla el fluido durante la compresión.Patent No. US5,557,934 describes an engine Alternative stirling comprising a cold focus, a hot focus, one or several pairs of cylinders with respective pistons scrollable, a heat source, a refrigerator and a regenerator. A drive system is arranged that couples the pistons to transmit its movement to an axis of rotation which comprises a series of gears, said shaft being provided with about couplings equipped with a crankshaft. In operation, a piston controls the working fluid during expansion, and the other controls the fluid during compression.
La patente nº US4.107.925 describe un motor alternativo de ciclo Stirling cuya estructura comprende un primer y un segundo banco de cilindros. Cada banco de cilindros comprende cuatro cilindros provistos cada uno un foco de calor en el extremo superior de los cilindros y unas aletas de refrigeración en la parte inferior de los mismos. Los cilindros, que se encuentran mecánicamente conectados mediante un eje, se disponen por parejas de manera que un cilindro de un par actúa como desplazador mientras que el otro cilindro actúa como pistón. Los cilindros presentan respectivas aberturas para la comunicación de los mismos mediante unos conductos. Los cilindros conectados mediante tales conductos se encuentran desfasados 90º entre sí.US Patent No. 4,107,925 describes an engine Stirling cycle alternative whose structure comprises a first and A second bank of cylinders. Each cylinder bank comprises four cylinders each provided a heat source at the end upper of the cylinders and cooling fins in the bottom of them. The cylinders, which are located mechanically connected by an axis, they are arranged in pairs so that a cylinder of a pair acts as a displacer while the other cylinder acts as a piston. Cylinders they present respective openings for their communication through some ducts. Cylinders connected by such ducts are 90º out of phase with each other.
Uno de los problemas derivados del ciclo termodinámico descrito es que solamente se realiza de manera correcta cuando todo el fluido de trabajo se encuentra en la cámara fría y se transfiere a la cámara caliente. En otras palabras, únicamente existe una transferencia efectiva, por parte del mecanismo, cuando se transfiere el fluido de trabajo de la cámara fría a la caliente. Además, el ciclo termodinámico de dos isotermas y dos isócoras no se realiza correctamente, alejándose consecuentemente del rendimiento teórico del ciclo, que es el de Carnot.One of the problems derived from the cycle thermodynamic described is that it is only done in a way correct when all working fluid is in the chamber cold and transferred to the hot chamber. In other words, there is only one effective transfer, by the mechanism, when the working fluid of the chamber is transferred cold to hot. In addition, the thermodynamic cycle of two isotherms and two isocores are not successful, moving away consequently of the theoretical performance of the cycle, which is that of Carnot
Por otra parte, el trasvase de fluido de una
cámara a otra no se realiza de manera totalmente isocórica. Como
que la cámara fría y la cámara caliente se encuentran comunicadas
siempre a través del regenerador, las presiones de ambas cámaras
han de tender a igualarse con lo que consecuentemente se produce un
traspaso de fluido de la cámara caliente a la cámara fría no
deseado. Como se ha indicado anteriormente, dicho proceso de
traspaso se realiza solamente de manera adecuada cuando el fluido
va de la cámara fría a la cámara caliente, mientras que el
traspaso de la cámara caliente a la cámara fría se realiza de
manera simultánea a los procesos de expansión y
compresión.On the other hand, the transfer of fluid from one chamber to another is not carried out completely isocorically. Since the cold chamber and the hot chamber are always communicated through the regenerator, the pressures of both chambers must tend to equalize, which consequently produces a transfer of fluid from the hot chamber to the unwanted cold chamber. As indicated above, said handover process is only carried out properly when the fluid goes from the cold chamber to the hot chamber, while the transfer from the hot chamber to the cold chamber is carried out simultaneously with the processes of expansion and
compression.
Además, el hecho de que el fluido de trabajo circule por el regenerador en dos sentidos provoca que la última parte de la columna de fluido caliente (que se queda en su interior) no pueda entrar en la cámara fría y viceversa (el volumen del regenerador no es nulo), hecho que comporta los efectos negativos de un volumen muerto considerable de fluido que debe trasegarse pero que no realiza el ciclo.In addition, the fact that the working fluid circulate through the regenerator in two directions causes the last part of the hot fluid column (that stays in your inside) cannot enter the cold chamber and vice versa (the volume of the regenerator is not null), a fact that involves the effects negatives of a considerable dead volume of fluid that should trasgarrse but that does not perform the cycle.
Debe destacarse también el hecho de que el tiempo disponible que tiene el fluido de trabajo para circular por el regenerador hace difícil la interacción con el mismo, imposibilitando una adecuada absorción y cesión de calor en los tiempos que se disponen en condiciones normales de funcionamiento (velocidad de giro del motor del orden de 1000 rpm). El tiempo para realizar la transferencia de calor entre el foco caliente y el foco frío y el fluido de trabajo (convección turbulenta) está limitado por el régimen de giro.The fact that the available time that the working fluid has to circulate through the regenerator makes interaction with it difficult, preventing adequate absorption and transfer of heat in the times that are arranged under normal operating conditions (engine speed of the order of 1000 rpm). Time for perform heat transfer between hot spot and focus cold and working fluid (turbulent convection) is limited by the spin regime.
Otro de los puntos fundamentales a destacar en un motor Stirling es el regenerador. Este elemento juega un papel decisivo en la consecución de un rendimiento aceptable. El calor implicado en la regeneración es mucho mayor que el calor aportado en el ciclo termodinámico. Una ineficiencia en la acumulación del regenerador implica una merma muy importante en el rendimiento del conjunto.Another of the key points to highlight in A Stirling engine is the regenerator. This element plays a role. decisive in achieving acceptable performance. The heat involved in regeneration is much greater than the heat provided in the thermodynamic cycle. An inefficiency in the accumulation of regenerator implies a very important decrease in the performance of the set.
El estado de la técnica ha propuesto numerosas soluciones centradas específicamente en la configuración del regenerador para mejorar el rendimiento del motor. Una de las soluciones propuestas es la utilización de intercambiadores de calor con diseños específicos para mejorar la transferencia de calor del exterior al fluido de trabajo durante la expansión, o bien la transferencia de calor del fluido de trabajo al foco frío, durante la compresión. Ejemplos de motores Stirling con intercambiadores de calor son los descritos en las patentes US4.662.176 y US2002/0029567.The state of the art has proposed numerous solutions specifically focused on the configuration of regenerator to improve engine performance. One of the proposed solutions is the use of exchangers heat with specific designs to improve the transfer of heat from outside to the working fluid during expansion, or well the heat transfer from the working fluid to the cold spot, during compression Examples of Stirling engines with heat exchangers are those described in the patents US4,662,176 and US2002 / 0029567.
La patente US4.662.176 se refiere a un intercambiador de calor para un motor Stirling que comprende un cilindro en forma de cúpula que funciona como cámara caliente y una carcasa regeneradora. El citado cilindro está dividido interiormente en una cámara de expansión y una cámara de regeneración conectadas mediante unos tubos calentadores unidos al cilindro. En el interior del espacio de regeneración se dispone coaxialmente un regenerador cilíndrico mientras por encima del regenerador se dispone coaxialmente un refrigerador cilíndrico.US 4,662,176 refers to a heat exchanger for a Stirling engine comprising a dome-shaped cylinder that functions as a hot chamber and a regenerative housing. The said cylinder is divided internally in an expansion chamber and a chamber of regeneration connected by heating tubes attached to the cylinder. Inside the regeneration space there is coaxially a cylindrical regenerator while above the A cylindrical cooler is coaxially arranged.
En la patente US2002/0029567 se describe otra configuración de intercambiador de calor diseñado para un motor Stirling. Dicho intercambiador de calor está adaptado para la transferencia de calor a través de un cabezal calefactor desde un fluido caliente hacia el fluido de trabajo. El intercambiador de calor está constituido por unas púas termoconductoras cuyo eje se encuentra alejado de la pared cilíndrica del cilindro de expansión y los cuales están formados apilando anillos perforados dispuestos en contacto con una cabeza calefactora.In patent US2002 / 0029567 another one is described heat exchanger configuration designed for an engine Stirling. Said heat exchanger is adapted for the heat transfer through a heating head from a hot fluid to the working fluid. The exchanger of heat is constituted by thermoconducting spikes whose axis is located away from the cylindrical wall of the expansion cylinder and which are formed by stacking perforated rings arranged in contact with a heating head.
La presente invención tiene como objetivo disponer un motor alternativo de ciclo Stirling con el cual se resuelvan estos inconvenientes permitiendo conseguir un elevado rendimiento de trabajo.The present invention aims at have an alternative Stirling cycle engine with which solve these problems allowing to achieve a high work performance
Se presenta, de acuerdo con la invención, un nuevo motor exotérmico de ciclo Stirling alternativo en el cual un fluido de trabajo fluye de manera continua entre dos bloques que incluyen en su interior unas cámaras: un bloque frío, o bloque de baja temperatura, y un bloque caliente, o bloque de alta temperatura.In accordance with the invention, a new alternative Stirling cycle exothermic motor in which a working fluid flows continuously between two blocks that Inside they include cameras: a cold block, or block of low temperature, and a hot block, or high block temperature.
Cada uno de dichos dos bloques está provisto de por lo menos cuatro cámaras de volumen variable. En una realización, cada bloque incluye cuatro cámaras, con lo que se obtiene un motor exotérmico de ciclo Stirling alternativo octocilíndrico. Sin embargo, la invención también contempla la disposición de un número de cámaras múltiplo de cuatro por cada bloque, por ejemplo ocho cámaras por bloque (motor de dieciséis cilindros).Each of said two blocks is provided with at least four cameras of variable volume. In a realization, each block includes four cameras, bringing obtains an alternative Stirling cycle exothermic motor octocilíndrico. However, the invention also contemplates the provision of a number of cameras multiple of four for each block, for example eight cameras per block (sixteen engine cylinders)
Las citadas cámaras de volumen variable están provistas de respectivas aberturas de entrada y salida, controladas por válvulas, por donde entra y sale, respectivamente, dicho fluido de trabajo. Las cámaras alojan por deslizamiento respectivos cilindros dotados de correspondientes pistones que se desplazan de manera alternativa y sincronizada entre sí a través de un cigüeñal.The aforementioned variable volume cameras are provided with respective entry and exit openings, controlled by valves, where this fluid enters and leaves, respectively of work. The cameras host by respective slip cylinders equipped with corresponding pistons that move from alternative way and synchronized with each other through a crankshaft.
El motor se completa con una fuente de calor, un refrigerador y unos conductos que atraviesan un intercambiador de calor. Estos conductos unen las cámaras del bloque de alta temperatura y las del bloque de baja temperatura mediante las citadas aberturas de entrada y salida por las que circula dicho fluido de trabajo. De este modo, siempre existe una conexión permanente entre la cámara de baja temperatura y la cámara de alta temperatura a través del citado intercambiador de calor que está debidamente controlado por la abertura y cierre de las válvulas de entrada y salida de los distintos cilindros, con lo que se establece en cada instante la procedencia del fluido que se incorpora al intercambiador y el destino del fluido motor que lo deja.The engine is completed with a heat source, a refrigerator and ducts that pass through a heat exchanger hot. These ducts join the high block chambers temperature and those of the low temperature block by said entry and exit openings through which said circulation working fluid In this way, there is always a connection permanent between the low temperature chamber and the high chamber temperature through said heat exchanger that is duly controlled by the opening and closing of the valves inlet and outlet of the different cylinders, with which establishes the source of the fluid that is incorporates the exchanger and the destination of the motor fluid that let.
Los pistones de los cilindros de ambos bloques incluyen respectivas bielas articuladas a sendos cigüeñales que transforman el movimiento lineal de los mismos en un movimiento giratorio de salida.The pistons of the cylinders of both blocks They include respective connecting rods to two crankshafts that they transform their linear movement into a movement swivel out.
De acuerdo con la invención, dichos conductos comunican ambos bloques atravesando el citado intercambiador de calor de tal manera que las aberturas de salida de cada cámara del bloque de alta temperatura quedan conectadas a las aberturas de entrada de la cámara opuesta del bloque de baja temperatura. Por su parte, las aberturas de salida de la cámara del bloque de baja temperatura se conectan mediante dicho conductos a las aberturas de entrada de las cámaras del bloque de alta temperatura. Debe tenerse en cuenta especialmente el hecho de que la abertura de salida de la cámara extrema del bloque de baja temperatura queda conectada a la correspondiente abertura de entrada de la cámara extrema opuesta del bloque de alta temperatura.According to the invention, said ducts communicate both blocks through the aforementioned exchanger heat in such a way that the outlet openings of each chamber of the high temperature block are connected to the openings of Opposite chamber input of low temperature block. For his part, the outlet openings of the lower block chamber temperature are connected through said conduits to the openings of High temperature block chamber input. Should especially the fact that the opening of extreme chamber output of the low temperature block remains connected to the corresponding camera inlet opening opposite end of the high temperature block.
Este tipo de conexión, que queda definido por leal estado de abertura y cierre de las válvulas de entrada y salida de los distintos cilindros, se debe al desfase existente entre pistones consecutivos de un mismo bloque y entre pistones de bloques distintos. Cada par de pistones funciona desfasado 90º entre sí y 180º respecto a los pistones del otro banco, es decir, que cuando el pistón del cilindro de la cámara de baja temperatura se encuentra a volumen mínimo, el pistón del cilindro de la cámara de alta temperatura se encuentra a volumen máximo. El fluido de trabajo circula entre pares de cámaras del bloque de alta temperatura y del bloque de baja temperatura, terminando el ciclo en la cámara del bloque de alta temperatura del par desfasado 90º. Se trata, por lo tanto, de un proceso cíclico con una periodicidad de cinco vueltas de cigüeñal con cuatro ciclos sobre cinco unidades de fluidos.This type of connection, which is defined by loyal state of opening and closing of the inlet valves and output of the different cylinders, is due to the existing lag between consecutive pistons of the same block and between pistons of different blocks. Each pair of pistons works 90º out of phase each other and 180º with respect to the pistons of the other bank, that is, that when the piston of the low temperature chamber cylinder It is at minimum volume, the piston of the chamber cylinder High temperature is at maximum volume. The fluid of work circulates between pairs of high block chambers temperature and low temperature block, ending the cycle in the chamber of the high temperature block of the 90º offset pair. It is, therefore, a cyclical process with a periodicity of five crankshaft turns with four cycles over five units of fluids
Con esta estructura se mejora la realización aislada de los procesos dado que se realizan las fases cerradas y también se minimiza el volumen muerto. Gracias a esta estructura es posible aumentar el tiempo de regeneración del fluido. Los traspasos se llevan a cabo con variaciones de volumen simultáneas y opuestas. Se obtiene consecuentemente un trabajo útil y un rendimiento mayor que el motor Stirling convencional.With this structure the performance is improved isolated from the processes since the closed phases are carried out and Dead volume is also minimized. Thanks to this structure it is possible to increase the regeneration time of the fluid. The transfers are carried out with simultaneous volume variations and opposite. A useful job and a higher performance than conventional Stirling engine.
Como se ha indicado, el motor de alternativo de ciclo Stirling no utiliza el concepto de regenerador como elemento que almacena temporalmente el calor sino que es sustituido por un intercambiador de flujo cruzado entre el fluido de trabajo caliente que se transfiere a la cámara fría y el fluido de trabajo frío que se transfiere a la cámara caliente.As indicated, the alternative engine of Stirling cycle does not use the regenerator concept as an element which temporarily stores heat but is replaced by a cross flow exchanger between hot working fluid that is transferred to the cold chamber and the cold working fluid that It is transferred to the hot chamber.
El motor de la presente invención puede utilizarse, entre otras numerosas aplicaciones, para la tracción de máquinas y vehículos (transportes públicos urbanos, trenes, embarcaciones, submarinos), sistemas de bombeo, generación de aire comprimido, animación de corazones artificiales, y también como bombas de calor en sistemas de calefacción y refrigeración (máquinas frigoríficas, criogénicas y calefactoras).The engine of the present invention can be used, among many other applications, for the traction of machines and vehicles (urban public transport, trains, boats, submarines), pumping systems, air generation compressed, artificial hearts animation, and also as heat pumps in heating and cooling systems (refrigerating, cryogenic and heating machines).
Otra de las opciones de aplicación de un motor Stirling como el descrito es la generación de energía eléctrica. Esta aplicación ha sido especialmente considerada por los inventores dadas las numerosas ventajas que ofrece respecto a otros sistemas convencionales de generación (y co-generación) de energía eléctrica. Se contempla, por ejemplo, la posibilidad de utilizar la biomasa residual de bosques como fuente de calor. El aprovechamiento de la biomasa para producir gas pobre obtenido por gasificación de la misma para calentar el motor Stirling permite, además, reducir considerablemente los riesgos de incendios en los bosques. Utilizando la biomasa forestal con un motor Stirling como el descrito es posible generar energía eléctrica para posteriormente vender los kWh a una compañía distribuidora.Another of the application options of an engine Stirling as described is the generation of electrical energy. This application has been especially considered by inventors given the numerous advantages it offers compared to others conventional generation systems (and co-generation) of electrical energy. Is contemplated, for example, the possibility of using the residual biomass of forests as a source of heat. The use of biomass to produce poor gas obtained by gasification of it to heating the Stirling engine also reduces considerably the risks of forest fires. Using forest biomass with a Stirling engine like the described it is possible to generate electricity for later sell the kWh to a distribution company.
Se describe a continuación una realización preferida de un motor Stirling alternativo de acuerdo con la invención la cual se da a modo de ejemplo no limitativo con relación a la figura que se adjunta en la presente memoria. Dicha figura ilustra esquemáticamente una vista en planta de la disposición de un motor exotérmico de ciclo Stirling alternativo de acuerdo con la presente invención.An embodiment is described below. preferred of an alternative Stirling engine according to the invention which is given by way of non-limiting example with in relation to the figure attached here. Bliss Figure schematically illustrates a plan view of the arrangement of an alternative Stirling cycle exothermic motor of according to the present invention.
El motor de la realización que se ilustra a modo de ejemplo en la realización de la figura adjunta comprende esencialmente dos bloques (1, 2) los cuales se encuentran a diferente temperatura. De esta manera, se dispone un bloque de baja temperatura (1) (a la izquierda de la figura) y un bloque de alta temperatura (2) (a la derecha de la figura).The engine of the embodiment illustrated by way example in the embodiment of the attached figure comprises essentially two blocks (1, 2) which are at different temperature In this way, a low block is arranged temperature (1) (to the left of the figure) and a high block temperature (2) (to the right of the figure).
El bloque de baja temperatura (1) y el bloque de alta temperatura (2) presentan cada uno cuatro cámaras de volumen variable (3f, 4f, 5f, 6f; 3c, 4c, 5c, 6c) adaptadas convenientemente para alojar por deslizamiento correspondientes cilindros provistos de respectivos pistones que se desplazan en el interior de las mismas con un movimiento alternativo y sincronizado entre sí.The low temperature block (1) and the block high temperature (2) each have four volume chambers variable (3f, 4f, 5f, 6f; 3c, 4c, 5c, 6c) adapted conveniently to accommodate corresponding sliding cylinders provided with respective pistons that move in the inside of them with an alternative and synchronized movement each.
En la figura adjunta puede apreciarse que las cámaras (3f, 4f, 5f, 6f, 3c, 4c, 5c, 6c) de cada bloque (1, 2) del motor presenta una abertura de entrada (7f, 8f, 9f, 10f, 7c, 8c, 9c, 10c) y una abertura de salida (11f, 12f, 13f, 14f, 11c, 12c, 13c, 14c) para el paso del fluido de trabajo.In the attached figure it can be seen that the cameras (3f, 4f, 5f, 6f, 3c, 4c, 5c, 6c) of each block (1, 2) of the motor has an input opening (7f, 8f, 9f, 10f, 7c, 8c, 9c, 10c) and an outlet opening (11f, 12f, 13f, 14f, 11c, 12c, 13c, 14c) for the passage of the working fluid.
Las aberturas de salida (11f, 12f, 13f, 14f) del bloque de baja temperatura (1) y las aberturas de salida (11c, 12c, 13c, 14c) del bloque de alta temperatura (2) están conectadas mediante unos conductos (15) de la manera que se expone a continuación.The outlet openings (11f, 12f, 13f, 14f) of the low temperature block (1) and outlet openings (11c, 12c, 13c, 14c) of the high temperature block (2) are connected by means of ducts (15) in the manner exposed to continuation.
Dichos conductos (15) conectan cada abertura de salida (11f, 12f, 13f, 14f) del bloque de baja temperatura (1) con la correspondiente abertura de entrada (7c, 8c, 9c, 10c) del bloque de alta temperatura (2), y cada abertura de salida (11c, 12c, 13c, 14c) de dicho bloque de alta temperatura (2) con la correspondiente abertura de entrada (7f, 8f, 9f, l0f) del bloque de baja temperatura (1) de modo que establecen las aberturas y cierres de las correspondientes de entrada y salida de cada uno de los cilindros de las cámaras (3f, 4f, 5f, 6f, 3c, 4c, 5c, 6c). Esta particular conexión entre el bloque de alta temperatura (2) y el bloque de baja temperatura (1) se realiza de manera que la abertura de salida (11f) de la cámara extrema (3f) del bloque de baja temperatura (1) queda conectada con la abertura de entrada (l0c) de la cámara extrema opuesta (6c) del bloque de alta temperatura (2), tal como puede apreciarse en la figura.Said conduits (15) connect each opening of output (11f, 12f, 13f, 14f) of the low temperature block (1) with the corresponding inlet opening (7c, 8c, 9c, 10c) of the block high temperature (2), and each outlet opening (11c, 12c, 13c, 14c) of said high temperature block (2) with the corresponding input opening (7f, 8f, 9f, 10f) of the low block temperature (1) so that they establish the openings and closures of the corresponding input and output of each of the Chamber cylinders (3f, 4f, 5f, 6f, 3c, 4c, 5c, 6c). This particular connection between the high temperature block (2) and the low temperature block (1) is made so that the opening output (11f) of the end chamber (3f) of the low block temperature (1) is connected to the inlet opening (10c) of the opposite extreme chamber (6c) of the high temperature block (2), as can be seen in the figure.
Aunque no se ha ilustrado por motivos de simplicidad, los pistones de cada cámara (3f, 4f, 5f, 6f, 3c, 4c, 5c, 6c) incorporan respectivas bielas articuladas a sendos cigüeñales que transforman el movimiento lineal de los mismos en un movimiento giratorio de salida.Although not illustrated by reasons of Simplicity, the pistons of each chamber (3f, 4f, 5f, 6f, 3c, 4c, 5c, 6c) incorporate respective articulated connecting rods to each other crankshafts that transform their linear movement into a rotary exit movement.
El tipo de conexión expuesto anteriormente se debe al desfase existente entre pistones de cámaras consecutivas (3f, 4f, 5f, 6f) y (3c, 4c, 5c, 6c) de un mismo bloque (1; 2) y pistones de cámaras (3f-3c, 4f-4c, 5f-5c, 6f-6c) de bloques distintos (1, 2). Más concretamente, los pistones de las cámaras (3f, 4f, 5f, 6f, 3c, 4c, 5c, 6c) se encuentran desfasados 90º entre sí (es decir, existe un desfase de 90º entre pistones sucesivos de un mismo bloque) y 180º entre pistones de distinto bloque. A modo de ejemplo, los pistones de las cámaras (3f, 4f) del bloque de baja temperatura (1) se encuentran desfasados entre sí 90º, mientras que los pistones de las cámaras (3f, 3c) del bloque de baja temperatura (1) y el del bloque de alta temperatura (2), respectivamente, se encuentran desfasados entre sí 180º.The type of connection described above is due to the lag between consecutive chamber pistons (3f, 4f, 5f, 6f) and (3c, 4c, 5c, 6c) of the same block (1; 2) and chamber pistons (3f-3c, 4f-4c, 5f-5c, 6f-6c) of different blocks (1, 2). More specifically, the pistons of the chambers (3f, 4f, 5f, 6f, 3c, 4c, 5c, 6c) are 90º out of phase with each other (it is that is to say, there is a 90º offset between successive pistons of a same block) and 180º between pistons of different block. By way of example, the pistons of the chambers (3f, 4f) of the low block temperature (1) is 90º out of phase, while the pistons of the chambers (3f, 3c) of the low temperature block (1) and that of the high temperature block (2), respectively, they find 180º out of phase with each other.
El trasvase del fluido de trabajo a través de los conductos (15) se realiza atravesando un intercambiador de calor de flujo cruzado (16) dispuesto entre el bloque de baja temperatura (1) y el bloque de alta temperatura (2), el cual sirve de colector del fluido que se debe calentar a expensas del que se tiene que enfriar. La aportación y la extracción de calor al fluido de trabajo la llevan cabo, respectivamente, una fuente de calor (17) y un refrigerador (18).The transfer of working fluid through The ducts (15) are made through a heat exchanger cross flow heat (16) disposed between the low block temperature (1) and the high temperature block (2), which serves of collector of the fluid to be heated at the expense of which It has to cool. The contribution and extraction of heat to the fluid work is carried out, respectively, by a heat source (17) and a refrigerator (18).
El refrigerador (18) puede utilizar un circuito de agua refrigerada para enfriar el fluido de trabajo si bien son posibles también sistemas de refrigeración por aire ya sea por convección directa con aire o bien mediante un circuito de agua con radiador o mediante fluidos que presenten un cambio de fase como el Gas natural licuado.The refrigerator (18) can use a circuit of chilled water to cool the working fluid although they are possible also air cooling systems either by direct convection with air or through a water circuit with radiator or through fluids that present a phase change such as Liquefied natural gas.
En cuanto a la fuente de calor (17), ésta puede provenir de la combustión de sólidos (carbón, madera, residuos de limpieza forestal y cualquier otro tipo de residuo), de líquidos (fuel, gasoil, gasolina, queroseno, alcohol, biocombustibles), de gases (derivados del petróleo, gas natural, gas de gasógeno, etc), de metales, de radiación solar, etc.As for the heat source (17), it can come from the combustion of solids (coal, wood, waste from forest cleaning and any other type of waste), of liquids (fuel, diesel, gasoline, kerosene, alcohol, biofuels), of gases (petroleum products, natural gas, gas of gas, etc), of metals, solar radiation, etc.
En funcionamiento, el fluido de trabajo es calentado y enfriado alternativamente por la fuente de calor (18) y el refrigerador (17), respectivamente.In operation, the working fluid is heated and cooled alternately by the heat source (18) and the refrigerator (17), respectively.
El ciclo que realiza el fluido de trabajo se inicia cuando en una cámara fría, por ejemplo la designada por (3f), el fluido motor se encuentra en posición de volumen máximo, con las válvulas de las aberturas entrada y salida (7f, 11f) de dicha cámara (3f) cerradas, de modo que el pistón se desplaza de volumen máximo a volumen intermedio, realizándose la compresión, isotérmica debido a la presencia del refrigerador (18). Cuando el fluido motor se encuentra en posición intermedia, se abre la válvula de la abertura de salida (11f) de dicha cámara (3f) y se abre la válvula de la abertura de entrada (10c) de la cámara (6c), que se encuentra, debido al desfase especificado, en posición de volumen mínimo.The cycle performed by the working fluid is starts when in a cold room, for example the one designated by (3f), the motor fluid is in the maximum volume position, with the valves of the inlet and outlet openings (7f, 11f) of said chamber (3f) closed, so that the piston moves from maximum volume at intermediate volume, compression being performed, isothermal due to the presence of the refrigerator (18). When he engine fluid is in intermediate position, the valve of the outlet opening (11f) of said chamber (3f) and is open the valve of the inlet opening (10c) of the chamber (6c), that is, due to the specified offset, in the position of minimum volume
En esta situación, la variación sincronizada de volumen de ambos recintos permite que el fluido motor sea transferido del recinto frío al recinto caliente, a través del intercambiador de calor (18).In this situation, the synchronized variation of volume of both enclosures allows the motor fluid to be transferred from the cold room to the hot room, through the heat exchanger (18).
Una vez realizada la transferencia de fluido efectiva del recinto frío al caliente, el pistón del cilindro de la cámara caliente realiza la expansión isotérmica, debido al elemento calefactor (17), desplazándose el pistón de volumen intermedio a volumen máximo.After the fluid transfer Effective hot-cold enclosure, the cylinder piston hot chamber performs isothermal expansion, due to the element heater (17), moving the intermediate volume piston to maximum volume
Cuando este proceso concluye, se abre la válvula de la abertura de salida (14c) de la cámara (6c) y la válvula de la abertura de entrada (10f) de la cámara (6f), cuyo pistón se encuentra en posición de volumen mínimo debido al desfase de 180º entre ambos. A partir de este punto, la evolución de volumen máximo a volumen mínimo que se realiza en la cámara caliente (6c) se produce sincronizadamente con la evolución de volumen mínimo a volumen máximo de la cámara fría (6f).When this process concludes, the valve opens of the outlet opening (14c) of the chamber (6c) and the valve the inlet opening (10f) of the chamber (6f), whose piston is It is in a minimum volume position due to 180º offset Between both. From this point, the maximum volume evolution at a minimum volume that is performed in the hot chamber (6c) produces synchronously with the evolution of minimum volume at maximum volume of the cold chamber (6f).
Una vez concluido el ciclo termodinámico, el fluido motor no se encuentra en la misma cámara fría (3f) en la que inicialmente se encontraba, de modo que a continuación realiza el ciclo transfiriéndose a la cámara caliente (5c) a través de las correspondientes válvulas de las aberturas (14f) y (9c), a la cámara fría (5f) a través de las válvulas de las aberturas (13c) y (9f), a la cámara caliente (4c) a través de las válvulas (13f) y (8c), a la cámara fría (4f) a través de las válvulas de las aberturas (12c) y (8f), a la cámara caliente (3c) a través de las válvulas de las aberturas (12f) y (7c) y finalmente otra vez a la cámara fría. (3f) a través de las válvulas de las aberturas (11c) y (7f), cerrándose por completo la evolución del fluido motor.Once the thermodynamic cycle is over, the engine fluid is not in the same cold chamber (3f) in which initially he was, so he then performs the cycle transferring to the hot chamber (5c) through the corresponding valves of the openings (14f) and (9c), to the cold chamber (5f) through the valves of the openings (13c) and (9f), to the hot chamber (4c) through the valves (13f) and (8c), to the cold chamber (4f) through the valves of the openings (12c) and (8f), to the hot chamber (3c) through the valves of the openings (12f) and (7c) and finally again to the cold camera. (3f) through the valves of the openings (11c) and (7f), the evolution of the motor fluid being completely closed.
Aunque se ha descrito una realización concreta
de un motor Stirling alternativo de acuerdo con la presente
invención en correspondencia con el dibujo adjunto, ésta se ha dado
solamente a modo de ejemplo y se comprenderá que podrán
introducirse en la misma cualquier modificación de detalle que se
estime conveniente siempre y cuando dichas modificaciones no altere
la esencialidad de la invención definida en las reivindicaciones
adjuntas. De este modo, aunque se ha descrito una arquitectura de
motor Stirling de bloques de cuatro cámaras, se entenderá
comprendido dentro del concepto inventivo que definen las citadas
reivindicaciones la disposición de un número de cámaras múltiplo de
cuatro por cada bloque, tal como ocho (motor de dieciséis
cilindros). La implementación de arquitecturas con otro número de
cilindros se realiza haciendo trabajar el número múltiple de
pistones de manera idéntica en el mismo momento o en un determinado
desfase entre ellos, aunque el funcionamiento debe ser exactamente
el mismo que el
descrito.Although a specific embodiment of an alternative Stirling engine according to the present invention has been described in correspondence with the attached drawing, it has been given by way of example only and it will be understood that any modification of detail deemed necessary may be introduced therein. convenient as long as said modifications do not alter the essentiality of the invention defined in the appended claims. Thus, although a Stirling engine architecture of four chamber blocks has been described, it will be understood within the inventive concept that the said claims define the arrangement of a number of cameras multiple of four for each block, such as eight (engine of sixteen cylinders). The implementation of architectures with another number of cylinders is done by working the multiple number of pistons identically at the same time or at a certain offset between them, although the operation must be exactly the same as the
described
Claims (7)
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