ES2321570B1 - Procedimiento y aparato para la implementacion de un nuevo ciclo termodinamico. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento y aparato para la implementación
de un nuevo ciclo termodinámico.
El aparato comprende una cámara de combustión
(1) para quemar una mezcla de combustible procedente de una fuente
de suministro de combustible (2) y aire procedente de un
dispositivo de suministro de aire (3), al menos una primera turbina
de gas volumétrica (6) accionada por unos gases procedentes de
dicha cámara de combustión (1) y conectada operativamente para hacer
girar un árbol (5). La turbina (6) está rodeada por una carcasa
envolvente (4) comunicada con la cámara de combustión (1) por medio
de un conducto de comunicación (21), y el dispositivo de suministro
de aire (3) está dispuesto para introducir aire al interior de
dicha carcasa envolvente (4), hacer pasar dicho aire alrededor de
la turbina (6) con el fin de refrigerarla, e inyectar el aire
calentado y a presión procedente de la carcasa envolvente (4) a la
cámara de combustión (1) a través de dicho conducto de comunicación
(21).
Description
Procedimiento y aparato para la implementación
de un nuevo ciclo termodinámico.
La presente invención concierne a un
procedimiento y a un aparato para la implementación de un nuevo
ciclo termodinámico. El aparato incluye una o más turbinas de gas
volumétricas realizando un ciclo termodinámico de alta eficiencia.
El procedimiento y el aparato de la presente invención son útiles en
diferentes campos de la técnica, entre ellos, por ejemplo, la
automoción y la generación de electricidad.
Es bien conocido que los motores de combustión
interna, tales como, por ejemplo, los motores de pistones
alternantes comúnmente usados en la automoción, convierten en
trabajo sólo de un 25 a un 30% de la energía calorífica contenida
en el combustible. Aproximadamente, el sistema de refrigeración del
motor consume un tercio de la energía disponible, y otro tercio de
la energía es liberado a la atmósfera con los gases de escape.
Ensayos hechos con motores de turbina de gas o motores de
combustión interna de pistones rotativos aplicados a la automoción
no han dado los frutos esperados referentes a un mayor
aprovechamiento de la energía calorífica del combustible.
En una coyuntura económica como la actual, en la
que los combustibles derivados del petróleo son cada vez más caros,
una pérdida del 70 al 75% de la energía aportada por los mismos
representa un despilfarro difícilmente sostenible. Además, el calor
liberado a la atmósfera con los gases de escape favorece el
calentamiento global, y el CO_{2} producido durante la combustión
contribuye en gran medida al efecto invernadero. Por ello, existe
una necesidad de introducir mejoras en el rendimiento termodinámico
de sistemas motores con el fin de conseguir una mayor eficiencia,
con un consiguiente ahorro energético y mejoras
medioambientales.
La patente
EP-A-0247984 describe una turbina
gas en la que los gases generados por la combustión en un quemador
son enfriados en un generador vapor antes de entrar en la turbina de
gas, y el vapor generado es utilizado en una turbina de vapor.
La patente
EP-A-0353374 da a conocer una
turbina de gas que es utilizada para mover un árbol de potencia y
para producir agua caliente como subproducto de la
refrigeración.
La patente
ES-A-2145248 da a conocer una
turbina de gas provista de una válvula para conmutar el paso de
aire procedente del compresor desde la entrada del quemador a la
entrada de la turbina para evitar un exceso de velocidad en el
rotor. En la zona donde se encuentra la válvula, el conducto de
aire a presión rodea concéntricamente el conducto de gas que lleva
los gases generados en la combustión desde el quemador a la
turbina.
La patente
GB-A-567661A describe un motor de
explosión interna con turbina volumétrica provista de un rotor
hueco que proporciona unos conductos por los que se hace circular
aire para refrigeración del rotor.
La patente
ES-A-2181259, procedente de la
patente europea EP-A-1009914,
describe un motor de explosión interna con turbina volumétrica que
usa un rotor provisto de paletas diametralmente opuestas conectadas
rígidamente entre sí formado una corredera deslizable en un pasaje
del núcleo del rotor.
La patente
ES-A-2138530 describe un motor de
explosión interna con turbina volumétrica, donde el rotor incluye
unas cámaras para refrigeración del rotor con agua.
Ninguna de las patentes citadas propone un nuevo
ciclo termodinámico que proporcione un incremento de la eficiencia
lo bastante grande como para hacer viable su incorporación a gran
escala, por ejemplo, en motores para la automoción o en la
generación de electricidad.
La presente invención consiste en un
procedimiento y un aparato para la implementación de un nuevo ciclo
termodinámico de alta eficiencia basado en reutilizar el calor que
irradian una o más turbinas de gas volumétricas contenidas en una
carcasa envolvente.
De acuerdo con un primer aspecto, la presente
invención aporta un procedimiento del tipo que comprende los pasos
de suministrar combustible procedente de una fuente de suministro
de combustible y aire procedente de un dispositivo de suministro de
aire a una cámara de combustión, y accionar al menos una primera
turbina de gas volumétrica conectada operativamente para hacer
girar un árbol mediante unos gases producto de una combustión de
dicha mezcla de combustible y aire en dicha cámara de combustión.
El procedimiento de la presente invención está caracterizado porque
comprende utilizar dicho aire suministrado por dicho dispositivo de
suministro de aire para enfriar dicha turbina de gas volumétrica en
el interior de un recinto, a consecuencia de lo cual el aire se
calienta y aumenta de presión en dicho recinto, e inyectar el aire
calentado y a presión al interior de la cámara de combustión para
formar parte de dicha mezcla de combustible y aire.
Para una eficiencia todavía mayor, el
procedimiento comprende disponer varias turbinas de gas
volumétricas adicionales interconectadas en serie en el interior de
dicho recinto, estando una de dichas turbinas de gas volumétricas
adicionales accionada por unos gases procedentes del escape de la
primera turbina de gas volumétrica, y estando cada una de las
siguientes turbinas de gas volumétricas adicionales accionada por
unos gases procedentes del escape de la turbina de gas volumétrica
precedente. Cada una de las turbinas de gas volumétricas
adicionales está conectada operativamente para hacer girar dicho
primer árbol o al menos un segundo árbol. El procedimiento comprende
además disponer el dispositivo de suministro de aire para
introducir aire en el interior del recinto a propósito para enfriar
todas las turbinas de gas volumétricas alojadas en el mismo y para
posteriormente inyectar el aire calentado y a presión procedente
del recinto al interior de la cámara de combustión. Preferiblemente,
el procedimiento comprende accionar el dispositivo de suministro de
aire mediante un trabajo realizado por una o más de las turbinas.
El dispositivo de suministro de aire puede estar dispuesto para
tomar aire de la atmósfera antes de introducirlo en el recinto y el
procedimiento comprende asegurar una presión mínima predeterminada
en el aire a presión que es introducido en la cámara de combustión
disponiendo una válvula tarada a dicha presión mínima
predeterminada en una entrada de aire a la cámara de combustión.
De acuerdo con un segundo aspecto, la presente
invención aporta un aparato que comprende una o más turbinas de gas
volumétricas accionada por unos gases procedentes de una cámara de
combustión preparada para quemar una mezcla de combustible y aire,
donde el combustible procede de una fuente de suministro de
combustible y el aire es un aire calentado y presurizado procedente
de un dispositivo de suministro de aire dispuesto para refrigerar
las turbinas. La turbina o las turbinas están rodeadas por una
carcasa envolvente comunicada con la cámara de combustión por medio
de un conducto de comunicación, y el mencionado dispositivo de
suministro de aire es un ventilador dispuesto para introducir una
fuerte corriente de aire al interior de dicha carcasa
envolvente.
Así, el aire pasa alrededor de las turbinas
absorbiendo el calor irradiado por las turbinas y refrigerándolas,
con lo que el aire se calienta y, al no poder aumentar de volumen
por estar confinado en la carcasa, aumenta de presión. Entonces, el
aire calentado y a presión procedente de la carcasa envolvente es
inyectado a la cámara de combustión a través de dicho conducto de
comunicación. Preferiblemente, en el conducto de comunicación o a la
entrada de la cámara de combustión está dispuesta una válvula
empujada, por ejemplo por un muelle, hacia su posición cerrada.
Cuando el aire impulsado por el ventilador y calentado en el
interior de la carcasa alcanza una presión de aproximadamente 300 a
600 kPa, empuja dicha válvula hacia su posición abierta y el aire
calentado y a presión penetra a chorro en la cámara de combustión,
donde se mezcla con el combustible. En la cámara de combustión, la
mezcla es inflamada, por ejemplo por una bujía, produciendo unos
gases de combustión que aumentan enormemente de volumen,
temperatura, presión y velocidad en relación con el volumen,
temperatura, presión y velocidad de la mezcla de aire y
combustible. Estos gases procedentes de la combustión son conducidos
a las turbinas para mover los rotores de las mismas. En un ejemplo
de realización preferido, el ventilador es un ventilador centrífugo
movido por una o más de las
turbinas.
turbinas.
En la cámara de combustión, el combustible es
quemado en proporción estequiométrica, es decir, de 14 a 15 partes
de aire por una parte de combustible, y la llama podría alcanzar
una temperatura altísima, de hasta 2000ºC, si no se tomaran medidas
para evitarlo. Sin embargo, el ventilador centrífugo está
dimensionado para inyectar, además de esa cantidad de aire necesaria
para la combustión, llamado aire primario o de combustión, un
exceso de aire, llamada aire secundario o de dilución, que sirve
para rebajar la temperatura de los gases que salen del quemador
hasta una temperatura soportable por la primera turbina. Para un
mayor rendimiento conviene que la velocidad y la temperatura de los
gases que llegan a la turbina sean lo más altas posible, con la
natural limitación impuesta por la resistencia de los materiales de
los que está hecha la turbina, los cuales deben soportar sin fatiga
mecánica y química el chorro velocísimo de gases a alta
temperatura. Con las aleaciones níquel-cromo y los
materiales "cermet", compuestos de cerámica y metal,
actualmente en uso, esta temperatura soportable se estima en unos
800 a 950ºC para una velocidad del chorro de hasta 500 metros por
segundo.
Ventajosamente, el aparato incluye varias
turbinas de gas volumétricas interconectadas en serie en el
interior de la carcasa envolvente. La primera turbina está
accionada por los gases procedentes de la cámara de combustión. La
segunda turbina está accionada por los gases procedentes del escape
de la primera turbina, y cada una de las siguientes turbinas está
accionada por los gases procedentes del escape de la turbina
precedente. Los gases de escape de la última turbina pueden ser
evacuados a la atmósfera. Cuando los gases pasan por cada una de
las turbinas, les ceden parte de su energía y pierden temperatura.
A título meramente orientativo, tal pérdida de temperatura se ha
estimado en aproximadamente 200ºC por cada turbina. Así, en un
ejemplo de realización con cuatro turbinas de gas volumétricas
conectadas en serie, los gases que entran a la primera turbina, por
ejemplo, a aproximadamente 850ºC pasan a la segunda turbina a
aproximadamente 650ºC, a la tercera turbina a aproximadamente 450ºC
y entran en la cuarta y última turbina a aproximadamente 250ºC,
para salir finalmente a aproximadamente 50ºC por el escape.
En un ejemplo de aplicación como motor de
automoción, de las cuatro turbinas conectadas en serie, la primera
y la segunda pueden estar conectadas operativamente para hacer
girar un primer árbol común y la tercera y la cuarta pueden estar
conectadas operativamente para hacer girar un segundo árbol común.
Preferiblemente, el primer árbol accionado por las turbinas de las
fases más calientes a 850 y 650ºC es un árbol de potencia apto para
accionar una carga, y el segundo árbol accionado por las turbinas
de las fases menos calientes a 450 y 250ºC es un árbol de servicio
apto para accionar el ventilador, un generador de electricidad para
un motor eléctrico de arranque, bombas de aceite y combustible,
etc., utilizando así un calor sobrante de las fases más calientes.
Sin embargo, en otros ejemplos de aplicación, puede haber un número
distinto de turbinas conectadas en serie y/o éstas pueden estar
conectadas operativamente para accionar un único árbol de potencia y
servicio, y/o el primer árbol accionado por las fases más calientes
puede ser el árbol de servicio y el árbol accionado por las fases
menos calientes puede ser el árbol de potencia.
La eficiencia termodinámica del procedimiento y
el aparato de la presente invención está basada, en primer lugar,
en la disposición de la carcasa, la cual actúa como refrigerador de
las turbinas, por la transferencia de calor desde las turbinas al
aire que pasa a través de la carcasa, como compresor, puesto que el
aire introducido por el ventilador aumenta de presión dentro de la
carcasa, y como recuperador de calor, por la reutilización del aire
calentado en la refrigeración de la turbinas para la combustión.
Téngase en cuenta que la temperatura del aire dentro de la carcasa
puede llegar a ser de hasta aproximadamente 200ºC. Este calor
recuperado con el aire de refrigeración e introducido en la cámara
de combustión se traduce en una disminución del combustible
consumido, en comparación con el combustible utilizado con un
sistema de la técnica anterior para realizar un mismo trabajo. En
segundo lugar, la eficiencia termodinámica del sistema de la
presente invención viene dada también por la utilización de la
energía residual para mover el árbol de servicio, lo que tiene la
ventaja adicional de liberar los gases de escape a la atmósfera a
una temperatura sensiblemente más baja que con un sistema de la
técnica anterior.
En el aparato de la presente invención se pueden
utilizar turbinas de gas volumétricas de cualquier tipo conocido,
las cuales en general comprenden uno o varios rotores y un estator.
Las turbinas volumétricas no solo utilizan la energía cinética de
los gases procedentes de la cámara de combustión, si no su presión,
calor y volumen como lo hacen las máquinas de pistón, sean estas de
vapor, de ciclo Otto o de ciclo Diesel. En general, el estator
exige refrigeración exterior, mientras que los rotores se
refrigeran con la misma corriente gaseosa hasta el punto que la
resistencia al calor de los materiales de los que está hecho lo
permita. En un ejemplo de realización, el sistema de la presente
invención utiliza unas turbinas volumétricas o de desplazamiento
positivo derivadas del clásico compresor Roots, modificado para
funcionar en sentido inverso como turbina. Una turbina de este tipo
tiene dos rotores en forma de ocho conectados entre sí por ruedas
dentadas exteriores de manera que giran a la misma velocidad pero
en direcciones opuestas dentro de una cámara provista de una entrada
de gases y una salida de escape. Los dos rotores giran siempre en
contacto empujados por los gases que entran, y a su vez empujan a
los gases hasta la salida. Una ventaja de este diseño es que no
necesita lubricación, puesto que los rotores giran sin fricción
entre si ni con las paredes de la cámara. Los cojinetes que
soportan los rotores y los engranajes asociados a los mismos pueden
ser engrasados sin problemas al estar situados fuera de la cámara,
en unas paredes frontal y trasera del cárter de la turbina. Otra
ventaja de esta turbina es su gran simplicidad mecánica y su
fiabilidad probada a lo largo de muchos años, características estas
que son muy apreciadas en una máquina que gira a velocidades de
hasta 6000 rpm a temperaturas de entre 800 y 950ºC y a presiones de
entre 1,5 y 3,0 kPa.
Alternativamente, en otro ejemplo de realización
de la presente invención, el aparato utiliza turbinas de gas
volumétricas de paletas correderas. Las turbinas de este tipo
comprenden una cámara provista de una entrada de gases y una salida
de escape, dentro de la que gira un rotor conectado a un árbol. El
rotor está provisto de un núcleo y unas paletas diametralmente
opuestas, conectadas rígidamente entre sí formando una corredera
montada de manera que puede deslizar a lo largo de un pasaje
transversal existente en dicho núcleo. Así, cuando el rotor gira
dentro de la cámara, una de las paletas se retrae mientras la
paleta opuesta se extiende en la misma proporción, y viceversa, de
manera que unos extremos de dichas paletas diametralmente opuestas
hacen permanentemente un contacto dinámico de hermeticidad con una
superficie interior excéntrica de la cámara. El núcleo y el árbol
incluyen uno o más pasajes longitudinales que están en comunicación
con el espacio interior de la carcasa envolvente, lo que permite
que el aire que circula a través de la carcasa envolvente pase
también a través del núcleo del rotor con el fin de
refrigerarlo.
Se comprenderá que el aparato de la presente
invención, ya sea utilizando turbinas volumétricas derivadas del
compresor Roots o turbinas volumétricas de corredera, exige escasa
tecnología, lo que lo hace apto para ser diseñado y fabricado
incluso en países poco desarrollados industrialmente.
Las anteriores y otras características y
ventajas se comprenderán más plenamente a partir de la siguiente
descripción detallada de unos ejemplos de realización con
referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
la Fig. 1 es un diagrama esquemático que muestra
en sección un aparato por turbina de gas volumétrica de acuerdo con
un ejemplo de realización básico de la presente invención que
incluye una turbina acoplada a un árbol;
la Fig. 2 es un diagrama esquemático que muestra
en sección un aparato por turbina de gas volumétrica de acuerdo con
otro ejemplo de realización de la presente invención que incluye
dos turbinas conectadas en serie, cada una acoplada a un árbol
distinto;
la Fig. 3 es un diagrama esquemático que muestra
en sección un aparato por turbina de gas volumétrica de acuerdo con
otro ejemplo de realización de la presente invención que incluye
cuatro turbinas conectadas en serie y acopladas por parejas a dos
árboles distintos;
la Fig. 4 es un diagrama esquemático que muestra
en sección un aparato por turbina de gas volumétrica de acuerdo con
otro ejemplo de realización de la presente invención que incluye
cuatro turbinas conectadas en serie y acopladas a un mismo
árbol;
la Fig. 5 es una vista esquemática en sección
transversal que muestra un ejemplo de construcción aplicable a
cualquiera de los ejemplos de realización mostrados en las Figs. 1
a 4, con una disposición de ventilador centrífugo y turbina
derivada del compresor Roots;
la Fig. 6 es una vista esquemática en sección
transversal que muestra un ejemplo de construcción aplicable a
cualquiera de los ejemplos de realización mostrados en las Figs. 1 a
4, con una disposición de ventilador centrífugo y turbina de
paletas correderas; y
la Fig. 7 es una vista esquemática en sección
transversal ampliada de la turbina de paletas correderas de la Fig.
6.
Haciendo en primer lugar referencia a la Fig. 1,
el aparato por turbina de gas volumétrica comprende, de acuerdo con
un ejemplo de realización básico de la presente invención, una
carcasa envolvente 4 en el interior de la cual está dispuesta
turbina de gas volumétrica 6 que tiene una entrada de gases 14 en
comunicación con una cámara de combustión 1 y una salida de gases 15
en comunicación, por ejemplo, con la atmósfera. La mencionada
carcasa envolvente 4 está comunicada con dicha cámara de combustión
1 por medio de un conducto de comunicación 21, y un dispositivo de
suministro de aire 3, tal como un ventilador, está dispuesto para
introducir aire al interior de dicha carcasa envolvente 4. La
cámara de combustión 1 está preparada para quemar una mezcla de
combustible, procedente de una fuente de suministro de combustible
2, y aire, procedente de la carcasa envolvente 4 y de dicho
conducto de comunicación 21. La turbina de gas volumétrica 6 está
accionada por unos gases producto de la combustión de dicha mezcla
de combustible y aire procedentes de la cámara de combustión 1, y
conectada operativamente para hacer girar un árbol 5. Así, el aire
impulsado por el dispositivo de suministro de aire 3 al interior de
la carcasa envolvente 4 pasa alrededor de la turbina de gas
volumétrica 6 y con ello refrigera la turbina de gas volumétrica 6.
En el interior de la carcasa envolvente 4 el aire se calienta por
el calor absorbido de la turbina de gas volumétrica 6 y aumenta de
presión. Entonces, el aire calentado y a presión procedente de la
carcasa envolvente 4 es inyectado a la cámara de combustión 1 a
través de dicho conducto de comunicación 21. Preferiblemente, en
una entrada de aire a la cámara de combustión 1 proporcionada por la
desembocadura del conducto de comunicación 21 está dispuesta una
válvula 7 tarada para asegurar una presión mínima predeterminada en
el aire a presión que entra en la cámara de combustión 1.
En el ejemplo de realización de la Fig. 1, el
dispositivo de suministro de aire 3 es un ventilador axial
dispuesto para tomar aire de la atmósfera. Aunque en la práctica el
ventilador está ventajosamente conectado para girar con el árbol 5,
se observará que en la Fig. 1 el eje del ventilador 3 se ha
representado independiente del árbol 5 puesto que no es
imprescindible que el ventilador 3 sea movido directamente por la
turbina volumétrica 6.
Para la puesta en marcha del aparato de acuerdo
con la presente invención se dispone un motor eléctrico (no
mostrado) para hacer girar el ventilador 3, el cual llena la
carcasa envolvente 4 de aire a presión que se introduce por el
conducto de comunicación 21. Cuando dicha presión del aire llega a
una presión predeterminada, empuja o vence la válvula 7 y el aire
entra en la cámara de combustión 1 donde se mezcla con el
combustible. En la cámara de combustión una bujía (no mostrada)
inflama la mezcla de combustible y aire, y los gases producto de la
combustión pasa por la turbina 6 y luego salen por el escape con un
bajo calor y presión. A partir de este momento el motor eléctrico
de arranque es detenido y el calor irradiado por la cámara de
combustión 1 y la turbina 6 basta para dilatar el aire y así obtener
la presión estática necesaria, que se mantiene por la velocidad de
ese aire en la carcasa envolvente 4 impulsado por el ventilador
3.
En la Fig. 2 se muestra otro ejemplo de
realización del aparato de la presente invención basado en el mismo
principio descrito en relación con la Fig. 1 pero con un mayor
grado de complejidad. En este ejemplo de realización de la Fig. 2,
en el interior de dicha carcasa envolvente 4 está dispuesta una
primera turbina de gas volumétrica 6 adaptada para ser accionada
por unos gases procedentes de la cámara de combustión 1 y una
segunda turbina de gas volumétrica 8 adaptada para ser accionada
por unos gases procedentes del escape de la primera turbina de gas
volumétrica 6. La segunda turbina de gas volumétrica 8 tiene una
salida de gases 15 en comunicación, por ejemplo, con la atmósfera.
Un conducto de comunicación 21 comunica el interior de la carcasa
envolvente 4 con la cámara de combustión 1, la cual recibe
combustible desde una fuente de suministro de combustible 2. La
primera turbina de gas volumétrica 6 está conectada operativamente
para hacer girar un primer árbol 5, el cual es un árbol de potencia
apto para accionar una carga, mientras que la segunda turbina
volumétrica 8 está conectada operativamente para hacer girar un
segundo árbol 9, el cual es un árbol de servicio dispuesto para
accionar el dispositivo de suministro de aire 3 y otros
dispositivos auxiliares del sistema. Aquí, el dispositivo de
suministro de aire 3 se ha representado como un ventilador
centrífugo o tangencial dispuesto para tomar aire de la atmósfera,
introducirlo al interior de la carcasa envolvente 4, y hacerlo pasar
alrededor de las primera y segunda turbinas volumétricas 6, 8 y a
lo largo del conducto de comunicación 21 hasta la cámara de
combustión 1, a la que entra a través de una válvula 7.
La puesta en marcha y el funcionamiento del
aparato del ejemplo de realización mostrado en la Fig. 2 es análogo
al descrito más arriba en relación con el ejemplo de realización
mostrado en la Fig. 1.
Con referencia ahora a la Fig. 3 se describe a
continuación otro ejemplo de realización del aparato de la presente
invención con un grado de complejidad adecuado para conseguir un
alto nivel de eficiencia termodinámica. De acuerdo con este ejemplo
de realización de la Fig. 3, el aparato comprende una carcasa
envolvente 4, el interior de la cual está en comunicación con una
cámara de combustión 1 por medio de un conducto de comunicación 21.
La cámara de combustión 1 recibe combustible desde una fuente de
suministro de combustible 2. En el interior de la carcasa
envolvente están dispuestas cuatro turbinas volumétricas 6, 8, 10,
12 interconectadas en serie, donde la primera turbina volumétrica 6
tiene una entrada de gases 14 en conexión con la cámara de
combustión 1 para recibir gases de combustión desde la misma, la
segunda turbina volumétrica 8 tiene una entrada de gases conectada
al escape de la primera turbina volumétrica 6, la tercera turbina
volumétrica 10 tiene una entrada de gases conectada al escape de la
segunda turbina volumétrica 8, y la cuarta turbina volumétrica 12
tiene una entrada de gases conectada al escape de la tercera
turbina volumétrica 10 y una salida de gases 15 en comunicación, por
ejemplo, con la atmósfera. Un dispositivo de suministro de aire 3,
tal como un ventilador centrífugo o tangencial, está dispuesto para
tomar aire de la atmósfera, introducirlo al interior de la carcasa
envolvente 4 y hacerlo pasar alrededor de las primera, segunda,
tercera y cuarta turbinas volumétricas 6, 8, 10, 12 y a lo largo
del conducto de comunicación 21 hasta la cámara de combustión 1, a
la que entra a través de una válvula 7. En el ejemplo de
realización de la Fig. 3, las primera y segunda turbinas
volumétricas 6, 8 están conectadas operativamente para hacer girar
un primer árbol 5, el cual es un árbol de potencia apto para
accionar una carga, mientras que las tercera y cuarta turbinas
volumétricas 8 están conectadas operativamente para hacer girar un
segundo árbol 9, el cual es un árbol de servicio dispuesto para
accionar el dispositivo de suministro de aire 3 y otros
dispositivos auxiliares del sistema.
En la Fig. 3 está representado esquemáticamente
un motor eléctrico 11 dispuesto para hacer girar el árbol de
servicio 9, y con él el ventilador 3, durante la puesta en marcha
del aparato. Generalmente, el motor eléctrico 11 estará acoplado al
árbol de servicio 9 por medio de un acoplamiento capaz de liberase
automáticamente una vez el aparato se ha puesto en marcha, y el
árbol de servicio 9 puede ser utilizado para mover un generador
eléctrico (no mostrado) capaz de generar energía eléctrica que
puede ser acumulada en una o más baterías dispuestas para alimentar
el motor eléctrico 11 cuando sea requerido. La mencionada puesta en
marcha y el funcionamiento del aparato del ejemplo de realización
mostrado en la Fig. 3 es análogo al descrito más arriba en relación
con el ejemplo de realización mostrado en la Fig. 1.
El aparato de la presente invención admite dos
ejemplos de realización alternativos, no representados, con una
construcción similar a la mostrada en las Figs. 2 y 3,
respectivamente, con la diferencia de que en ellos el primer árbol 5
es el árbol de servicio al que está conectado el ventilador 3 y el
segundo árbol 9 es el árbol de potencia apto para accionar una
carga.
En la Fig. 4 se muestra todavía otro ejemplo de
realización del aparato de la presente invención, el cual, de una
manera análoga a la descrita más arriba en relación con la Fig. 3,
comprende una carcasa envolvente 4 comunicada con una cámara de
combustión 1 por medio de un conducto de comunicación 21 y a través
de una válvula 7. La cámara de combustión 1 recibe combustible desde
una fuente de suministro de combustible 2. En el interior de la
carcasa envolvente están dispuestas cuatro turbinas volumétricas 6,
8, 10, 12 interconectadas en serie, donde la primera turbina
volumétrica 6 tiene una entrada de gases 14 en conexión con la
cámara de combustión 1 para recibir gases de combustión desde la
misma, la segunda turbina volumétrica 8 tiene una entrada de gases
conectada al escape de la primera turbina volumétrica 6, la tercera
turbina volumétrica 10 tiene una entrada de gases conectada al
escape de la segunda turbina volumétrica 8, y la cuarta turbina
volumétrica 12 tiene una entrada de gases conectada al escape de la
tercera turbina volumétrica 10 y una salida de gases 15 en
comunicación, por ejemplo, con la atmósfera. Un dispositivo de
suministro de aire 3, tal como un ventilador axial, está dispuesto
para tomar aire de la atmósfera, introducirlo al interior de la
carcasa envolvente 4 y hacerlo pasar alrededor de las primera,
segunda, tercera y cuarta turbinas volumétricas 6, 8, 10, 12 y a lo
largo del conducto de comunicación 21 hasta la cámara de combustión
1, a la que entra a través de dicha válvula 7. La diferencia reside
en que, en el ejemplo de realización de la Fig. 4, las cuatro
turbinas volumétricas 6, 8 están conectadas operativamente para
hacer girar un único árbol 5, el cual actúa a la vez como árbol de
potencia apto para accionar una carga y como árbol de servicio
dispuesto para accionar el dispositivo de suministro de aire 3 y
otros dispositivos auxiliares del sistema.
La puesta en marcha y el funcionamiento del
aparato del ejemplo de realización mostrado en la Fig. 4 es análogo
al descrito más arriba en relación con el ejemplo de realización
mostrado en la Fig. 1.
En las Figs. 5 y 6 se muestran unos ejemplos de
construcción del aparato de la presente invención aplicables a
cualquiera de los ejemplos de realización descritos anteriormente
en relación con las Figs. 1 a 4. En ambos ejemplos de construcción,
el dispositivo de suministro de aire 3 es en la forma de un clásico
ventilador centrífugo, también llamado tangencial, compuesto por una
cubierta 27 dentro de la cual está dispuesto excéntricamente un
rodete giratorio 28 que lleva una corona de álabes 29. La toma de
aire se realiza axialmente a través de una zona central hueca de
dicho rodete giratorio 28 y la salida de aire se produce
tangencialmente a través de una abertura de la cubierta 27
comunicada con el interior de la carcasa envolvente 4. Este tipo de
ventilador centrífugo ha demostrado ser de construcción sencilla y
fiable, y capaz de proporcionar una corriente de aire a un caudal y
una velocidad notables. Por este motivo se recomienda en general el
uso de un ventilador centrífugo con el aparato de la presente
invención, aunque en algunas aplicaciones, como la mostrada en el
ejemplo de realización de la Fig. 4, puede ser más apropiado un
ventilador axial u otro dispositivo de suministro de aire cualquiera
capaz de dar las prestaciones requeridas.
Haciendo referencia específicamente al ejemplo
de construcción de la Fig. 5, el aparato comprende una o más
turbinas de gas volumétricas 6 derivadas del clásico compresor
Roots. Esta turbina 6 está formada por dos rotores 22, 23 en forma
de ocho, los cuales están enlazados por un engranaje exterior (no
mostrado) de manera tal que giran en sentidos opuestos dentro de
una cámara 24 ajustada, la cual tiene una entrada de gases 14 y una
salida de gases 15. La entrada de gases 14 estará conectada a la
salida de la cámara de combustión 1 o a la salida de gases de una
turbina precedente, y la salida de gases 15 estará conectada a la
entrada de gases de una turbina subsiguiente o comunicada, por
ejemplo, a la atmósfera. Los dos rotores 22, 23 giran siempre en
contacto mutuo empujados por los gases que entran a través de la
entrada 14 y a su vez empujan a los gases que salen a través de la
salida 15. Las superficies de los dos rotores 22, 23 están
separadas entre sí y de la superficie de la cámara una pequeñísima
distancia, por lo que giran sin fricción y no necesitan
lubricación. La cámara 24 de la turbina 6 está definida por un
cárter 25 que tiene una superficie exterior relativamente grande
aumentada por medio de una pluralidad de aletas de refrigeración
26.
En el ejemplo de realización mostrado en la Fig.
6, el aparato de la presente invención incluye una o más turbinas
de gas volumétricas 6 del tipo de paletas correderas, una de las
cuales se muestra adicionalmente por separado en la Fig. 7. Esta
turbina 6 de paletas correderas comprende una cámara 13 provista de
una entrada de gases 14 y una salida de gases 15, y un rotor 16
formado por un núcleo 17 conectado a un árbol, tal como el árbol 5 ó
9 mostrado en las Figs. 1 a 4, y unas paletas diametralmente
opuestas 30, 31 conectadas rígidamente entre sí formando una
corredera montada para correr dentro de un pasaje transversal 18
existente en dicho núcleo 17. En dicho pasaje transversal 18 están
alojados unos rodamientos lineales 34 para minimizar la fricción en
los movimientos de la corredera y en los extremos de las paletas
diametralmente opuestas 30, 31 están dispuestos elementos de
rodadura 35 para minimizar la fricción entre las paletas
diametralmente opuestas 30, 31 y la superficie interior 19 de la
cámara 13. El rotor está dispuesto de manera excéntrica en relación
con una superficie interior 19 de la cámara 13, la cual está
diseñada de manera que unos extremos de dichas paletas
diametralmente opuestas 30, 31 hacen permanentemente un contacto
dinámico de hermeticidad con dicha superficie interior 19 de la
cámara 13 al girar el rotor 16 dentro de la cámara 13. El núcleo 17
del rotor 16 comprende uno o más pasajes longitudinales 20 que están
en comunicación con unos pasajes (no mostrados) existentes en el
árbol 5 ó 9, los cuales a su vez están en comunicación con un
espacio interior de la carcasa envolvente 4. Con esta construcción,
el aire que circula a través de la carcasa envolvente 4 impulsado
por el ventilador 3 pasa también a través de dichos pasajes
longitudinales 20 del núcleo 17 con el fin de refrigerar el rotor
16.
También en esta turbina de paletas correderas,
la entrada de gases 14 está conectada a la salida de la cámara de
combustión 1 o a la salida de gases de una turbina precedente, y la
salida de gases 15 está conectada a la entrada de gases de una
turbina subsiguiente o comunicada, por ejemplo, a la atmósfera. Los
gases que entran a través de la entrada 14 empujan las paletas
diametralmente opuestas 30, 31 haciendo girar el rotor 17, y las
paletas diametralmente opuestas 30, 31 empujan a su vez a los gases
que salen a través de la salida 15. La cámara 13 de la turbina 6
está definida por un cárter 32 que tiene una superficie exterior
relativamente grande aumentada por medio de una pluralidad de
aletas de refrigeración 33.
Un experto en la técnica será capaz de efectuar
modificaciones y variaciones a partir de los ejemplos de
realización mostrados y descritos sin salirse del alcance de la
presente invención según está definido en las reivindicaciones
adjuntas.
Claims (16)
1. Procedimiento para la implementación de un
nuevo ciclo termodinámico, del tipo que comprende los pasos de:
suministrar combustible procedente de una fuente
de suministro de combustible (2) y aire procedente de un
dispositivo de suministro de aire (3) a una cámara de combustión
(1);
accionar al menos una primera turbina de gas
volumétrica (6) conectada operativamente para hacer girar un árbol
(5) mediante unos gases producto de una combustión de dicha mezcla
de combustible y aire en dicha cámara de combustión (1);
caracterizado porque comprende:
utilizar dicho aire suministrado por dicho
dispositivo de suministro de aire (3) para enfriar dicha turbina de
gas volumétrica (6) en el interior de un recinto, a consecuencia de
lo cual el aire se calienta y aumenta de presión en dicho recinto;
e
inyectar el aire calentado y a presión al
interior de la cámara de combustión (1) para formar parte de dicha
mezcla de combustible y aire.
2. Procedimiento, de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque comprende:
disponer varias turbinas de gas volumétricas
adicionales (8, 10, 12) interconectadas en serie en el interior de
dicho recinto, estando una de dichas turbinas de gas volumétricas
adicionales (8) accionada por unos gases procedentes del escape de
la primera turbina de gas volumétrica (6), y estando cada una de
las siguientes turbinas de gas volumétricas adicionales (10, 12)
accionada por unos gases procedentes del escape de la turbina de gas
volumétrica precedente, estando cada una de las turbinas de gas
volumétricas adicionales (8, 10, 12) conectada operativamente para
hacer girar dicho primer árbol (5) o al menos un segundo árbol (9);
y
disponer el dispositivo de suministro de aire
(3) para introducir aire en el interior del recinto a propósito
para enfriar todas las turbinas de gas volumétricas y para
posteriormente inyectar el aire calentado y a presión procedente del
recinto al interior de la cámara de combustión (1).
3. Procedimiento, de acuerdo con la
reivindicación 2, caracterizado porque comprende accionar el
dispositivo de suministro de aire (3) mediante dicho primer árbol
(5) o dicho segundo árbol (9).
4. Procedimiento, de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque comprende disponer el
dispositivo de suministro de aire (3) para tomar aire de la
atmósfera antes de introducirlo en el recinto.
5. Procedimiento, de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque comprende asegurar
una presión mínima predeterminada en el aire a presión que es
introducido en la cámara de combustión (1) disponiendo una válvula
(7) tarada a dicha presión mínima predeterminada en una entrada de
aire a la cámara de combustión (1).
6. Aparato para la implementación de un nuevo
ciclo termodinámico, del tipo que comprende una cámara de
combustión (1) preparada para quemar una mezcla de combustible
procedente de una fuente de suministro de combustible (2) y aire
procedente de un dispositivo de suministro de aire (3), al menos una
primera turbina de gas volumétrica (6) accionada por unos gases
procedente de dicha cámara de combustión (1) y conectada
operativamente para hacer girar un árbol (5), caracterizado
porque dicha turbina de gas volumétrica (6) está rodeada por una
carcasa envolvente (4) comunicada con la cámara de combustión (1)
por medio de un conducto de comunicación (21), y porque dicho
dispositivo de suministro de aire (3) está dispuesto para introducir
aire al interior de dicha carcasa envolvente (4), hacer pasar dicho
aire alrededor de la turbina de gas volumétrica (6) con el fin de
refrigerar la turbina de gas volumétrica (6), e inyectar el aire
calentado y a presión procedente de la carcasa envolvente (4) a la
cámara de combustión (1) a través de dicho conducto de comunicación
(21).
7. Aparato, de acuerdo con la reivindicación 6,
caracterizado porque en el interior de dicha carcasa
envolvente (4) está dispuesta una segunda turbina de gas
volumétrica (8) accionada por unos gases procedentes del escape de
la primera turbina de gas volumétrica (6) y conectada
operativamente para hacer girar dicho árbol (5) o un segundo árbol
(9).
8. Aparato, de acuerdo con la reivindicación 6,
caracterizado porque en el interior de dicha carcasa
envolvente (4) están dispuestas varias turbinas de gas volumétricas
adicionales (8, 10, 12) interconectadas en serie, estando una de
dichas turbinas de gas volumétricas adicionales (8) accionada por
unos gases procedentes del escape de la primera turbina de gas
volumétrica (6) y cada una de las siguientes turbinas de gas
volumétricas adicionales (10, 12) está accionada por unos gases
procedentes del escape de la turbina de gas volumétrica adicional
(8, 10) precedente, y donde cada una de las turbinas de gas
volumétricas adicionales (8, 10, 12) está conectada operativamente
para hacer girar dicho primer árbol (5) o al menos un segundo árbol
(9).
9. Aparato, de acuerdo con la reivindicación 6,
7 u 8, caracterizado porque dicho primer árbol (5) es un
árbol de potencia apto para accionar una carga, y el dispositivo de
suministro de aire (3) está conectado operativamente para ser
accionado por dicho primer árbol (5).
10. Aparato, de acuerdo con la reivindicación 7
u 8, caracterizado porque dicho primer árbol (5) es un árbol
de potencia apto para accionar una carga, y el dispositivo de
suministro de aire (3) está conectado operativamente para ser
accionado por dicho segundo árbol (9), el cual es un árbol de
servicio.
11. Aparato, de acuerdo con la reivindicación 7
u 8, caracterizado porque dicho segundo árbol (9) es un
árbol de potencia apto para accionar una carga, y el dispositivo de
suministro de aire (3) está conectado operativamente para ser
accionado por dicho primer árbol (5), el cual es un árbol de
servicio.
12. Aparato, de acuerdo con la reivindicación 6,
caracterizado porque en el conducto de comunicación (21)
proporciona una entrada de aire a la cámara de combustión (1) en la
que está dispuesta una válvula (7) tarada para asegurar una presión
mínima predeterminada en el aire a presión que entra en la cámara
de combustión (1).
13. Aparato, de acuerdo con la reivindicación 6,
caracterizado porque dicho dispositivo de suministro de aire
(3) está seleccionado a partir de un grupo que incluye un
ventilador axial y un ventilador excéntrico o tangencial, entre
otros.
14. Aparato, de acuerdo con la reivindicación
13, caracterizado porque el dispositivo de suministro de
aire (3) está dispuesto para tomar aire de la atmósfera.
15. Aparato, de acuerdo con la reivindicación 6,
7 u 8, caracterizado porque dicha turbina de gas volumétrica
(6, 8, 10, 12) está seleccionada a partir de un grupo que incluye
una turbina de doble rotor derivada del compresor Roots y una
turbina de rotor excéntrico con paletas correderas, entre otras.
16. Aparato, de acuerdo con la reivindicación
15, caracterizado porque dicha turbina de rotor excéntrico
con paletas correderas comprende una cámara (13) provista de una
entrada de gases (14) y una salida de gases (15), y un rotor (16)
formado por un núcleo (17) conectado a dicho árbol (5, 9) y unas
paletas diametralmente opuestas (30, 31) conectadas rígidamente
entre sí formando una corredera montada para correr dentro de un
pasaje transversal (18) existente en dicho núcleo (17), de manera
que unos extremos de dichas paletas diametralmente opuestas (30,
31) hacen permanentemente un contacto dinámico de hermeticidad con
una superficie interior (19) excéntrica de dicha cámara (13) al
girar el rotor (16) dentro de la cámara (13), estando formados en
el núcleo (17) uno o más pasajes longitudinales (20) en comunicación
con un espacio interior de la carcasa envolvente (4) para permitir
el paso del aire que circula a través de la carcasa envolvente (4)
con el fin de refrigerar el rotor (16).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200603239A ES2321570B1 (es) | 2006-12-21 | 2006-12-21 | Procedimiento y aparato para la implementacion de un nuevo ciclo termodinamico. |
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|---|---|---|---|
| ES200603239A ES2321570B1 (es) | 2006-12-21 | 2006-12-21 | Procedimiento y aparato para la implementacion de un nuevo ciclo termodinamico. |
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|---|---|
| ES2321570A1 ES2321570A1 (es) | 2009-06-08 |
| ES2321570B1 true ES2321570B1 (es) | 2010-03-03 |
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Family Cites Families (6)
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| JPS50102711A (es) * | 1974-01-25 | 1975-08-14 | ||
| US4074522A (en) * | 1976-09-07 | 1978-02-21 | Mcdowell Jimmy J | Rotary engine |
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2006
- 2006-12-21 ES ES200603239A patent/ES2321570B1/es not_active Expired - Fee Related
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