ES2348280T3 - Motor de ciclo cerrado. - Google Patents
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Abstract
Un sistema de motor de ciclo cerrado que comprende: una unidad de motor (110) operable para quemar combustible con gas comburente, produciéndose de ese modo gases de escape, teniendo la unidad de motor (110) una admisión (112) y un escape (114); y un circuito de gas que proporciona una comunicación fluida entre la admisión (112) y el escape (114), teniendo el circuito de gas un absorbedor (120) para absorber al menos parcialmente los gases de escape, y una resistencia al flujo, estando ubicada la resistencia al flujo entre el absorbedor (120) y la admisión (112) y dispuesta de tal manera que la presión en la admisión (112) sea menor que la presión en el escape (114), en el que la resistencia al flujo es ajustable en respuesta a la presión en la admisión (112).
Description
Motor de ciclo cerrado.
Esta invención se refiere a un sistema de motor
de ciclo cerrado mejorado. Los sistemas de motor de ciclo cerrado
son operables independientemente del aire atmosférico, y de esta
manera son especialmente útiles donde el aire atmosférico no está
disponible libremente. Tales motores se usan por tanto a menudo en
aplicaciones bajo el agua.
Los motores de ciclo cerrado se conocen, por
ejemplo, de la publicación de patente europea núm. 0118284. Tales
motores conocidos comprenden un circuito por el que al menos algo
del gas de escape de una cámara de combustión es canalizado de
manera que retorne a la misma. Un suministro de oxigeno mezclado con
un gas portador inerte se proporciona a la cámara de combustión, en
la que se quema combustible con el oxigeno para producir dióxido de
carbono, entre otros productos de combustión. El circuito comprende
un absorbedor en el que el gas de escape es tratado con agua para
retirar el dióxido de carbono del gas de escape.
La Publicación de Patente Europea núm.
EP-0644112 da a conocer otro motor de ciclo cerrado,
que comprende una unidad de motor operable para quemar combustible
con gas comburente, produciéndose de ese modo gases de escape,
teniendo el motor una admisión y un escape; y un circuito de gas que
proporciona una comunicación fluida entre la admisión y el escape,
teniendo el circuito de gas un absorbedor para absorber al menos
parcialmente los gases de escape, y una resistencia al flujo.
Desafortunadamente, la absorción de gas de
dióxido de carbono del escape requiere una gran cantidad de energía,
y esto crea una gran pérdida de potencia parásita para el motor. La
reducción de esta pérdida parásita es esencial si se debe mejorar la
eficacia general del motor. Se reconoce en la técnica anterior que
es importante que la presión parcial del dióxido de carbono en el
absorbedor sea elevada, ya que la eficacia de absorción se
incrementa a medida que se incrementa la presión parcial del dióxido
de carbono. Por lo tanto, se ha sugerido en el documento EP0118284
comprimir el gas de escape antes de que llegue al absorbedor, y
después expandir el gas de salida del absorbedor. Tal expansión es
necesaria para reducir la presión en el colector de admisión del
motor a una presión que esté dentro de las limitaciones de
funcionamiento del motor. Sin embargo, la compresión del gas de
escape, según se da a conocer en el documento EP0118284, requiere
una pérdida de energía parásita adicional para accionar un
compresor. Sin esta compresión adicional, la presión de absorción
máxima está limitada por la presión máxima del colector de admisión
que la máquina puede aceptar. Esta limitación se produce porque la
presión de pico de los cilindros del motor está directamente
influenciada por la presión del colector de admisión, que, en un
sistema configurado para minimizar la pérdida de energía, es cercana
a la presión de absorción. La vida útil del motor está directamente
influenciada por la presión de pico de los cilindros del motor: unas
presiones de pico de los cilindros más elevadas resultan
desafortunadamente en una vida útil más corta.
Como consecuencia, existe una necesidad de un
sistema de motor de ciclo cerrado más eficaz con menos pérdidas
parásitas. Es por lo tanto un objeto de la presente invención
proporcionar un sistema de motor de ciclo cerrado que aborde al
menos parcialmente esta necesidad, y que mitigue al menos
parcialmente los problemas descritos anteriormente con los sistemas
de motor de ciclo cerrado previamente conocidos.
En términos generales, la presente invención
reside en el concepto de configurar un sistema de motor de ciclo
cerrado de tal manera que se desarrolle una diferencia de presión,
en la operación del motor, entre los colectores de admisión y de
escape, y de hacer uso de una presión mayor en la parte del escape
del motor para mejorar la eficacia de la absorción de los gases de
escape. Mediante la incorporación de una resistencia al flujo en el
circuito de gas que conecta el escape a la admisión, se puede
conseguir tal diferencia de presión, mejorando de ese modo la
eficacia de absorción de dióxido de carbono, y reduciendo así las
pérdidas parásitas. Así, a pesar del hecho de que una resistencia
adicional, que se podría esperar que incrementara las pérdidas de
energía dentro del sistema de motor, se ha introducido en el flujo
del circuito de gas, se mejora la eficacia general del sistema.
Además, estos beneficios se consiguen de forma ventajosa sin el uso
de un compresor.
Según un primer aspecto de la presente
invención, se proporciona un sistema de motor de ciclo cerrado que
comprende: una unidad de motor operable para quemar combustible con
gas comburente, produciéndose de ese modo gases de escape, teniendo
la unidad de motor una admisión y escape; y un circuito de gas que
proporciona una comunicación fluida entre la admisión y el escape,
teniendo el circuito de gas un absorbedor para absorber al menos
parcialmente los gases de escape y una resistencia al flujo, estando
ubicada la resistencia al flujo entre el absorbedor y la admisión y
dispuesta de tal manera que la presión en la admisión sea mayor que
la presión en el escape en la que la resistencia al flujo es
ajustable en respuesta a la presión en la admisión. La ubicación de
la resistencia al flujo entre el absorbedor y la admisión también
garantiza que el absorbedor permanezca a la presión mayor del
escape, más que a la presión inferior de la admisión.
Sorprendentemente, la incorporación de una resistencia al flujo
adicional en el circuito de gas mejora la eficacia del sistema de
motor puesto que la presión en el absorbedor se incrementa sin
necesidad de componentes que consumen energía adicionales, como un
compresor. El incremento de la presión en el absorbedor incrementa
la eficacia de absorción de CO_{2}, y así se reducen las pérdidas
parásitas asociadas con el absorbedor. Ya que se reducen las
pérdidas parásitas, se incrementa la potencia de exportación del
sistema para una potencia dada del eje del motor.
La inclusión de la resistencia permite que el
sistema de ciclo cerrado haga uso de la capacidad natural de la
unidad de motor para aceptar una diferencia de presión entre los
colectores de admisión y de escape. De hecho, ciertos tipos de
unidad de motor, como motores diesel provistos de turbocompresores
accionados por los gases de escape, están diseñados para operar con
una diferencia de presión entre la admisión y el escape. Mediante la
retirada del turbocompresor, esta diferencia de presión se puede
usar para incrementar la eficacia de absorción. Además, la presencia
de una diferencia de presión entre los colectores de admisión y de
escape de la unidad de motor hace posible que se seleccione una
variedad más amplia de unidades de motor para el uso en el sistema
de motor de ciclo cerrado. Previamente, las limitaciones impuestas
por la presión máxima permitida del colector de admisión han
reducido el número de unidades de motor que se pueden usar en el
sistema de motor de ciclo cerrado. Este problema se mitiga por la
presente invención, ya que la resistencia al flujo se puede
seleccionar en dependencia de la unidad de motor que se desee usar
en un sistema de motor de ciclo cerrado dado.
Ya que la resistencia al flujo es ajustable en
respuesta a la presión en la admisión, se puede garantizar que la
presión de la admisión se mantenga dentro de un intervalo aceptable
para el motor, mientras que también se permita que se mantenga una
presión elevada en el absorbedor. Además, la presencia de una
resistencia al flujo ajustable permite que el sistema dé cuenta de
cualquier incremento transitorio de la presión en la admisión. Tales
transitorios de lo contrario pueden exceder la presión máxima que la
admisión sea capaz de aceptar.
La resistencia al flujo comprende un limitador
de flujo, como una placa de orificio, o un tubo con sección de
diámetro reducido. El uso de una placa de orificio proporciona un
modo ventajosamente simple de conseguir la resistencia al flujo, que
se puede incorporar a los sistemas de motor de ciclo cerrado
existentes, o a los diseños existentes para los sistemas de motor de
ciclo cerrado, rápidamente y de forma eficaz. En una forma de
realización especifica descrita más adelante, la resistencia al
flujo comprende además una válvula reductora de presión sensible a
la presión de la admisión. La presión en el colector de admisión de
la unidad de motor se puede ajustar entonces para que se puedan
seleccionar los valores de presión más eficaces.
Un suministro de gas comburente se puede
proporcionar entonces al circuito de gas entre la placa de orificio
y la válvula reductora de presión. Es conveniente que el suministro
de gas sea introducido una vez que se haya llevado a cabo la
reducción de presión bruta en la placa de orificio. Es probable que
el gas comburente sea una mezcla de oxigeno y un gas portador
inerte, como argón, de botellas de suministro de gas por separado, y
mediante la introducción de estos gases antes de que el flujo pase
por la válvula reductora de presión, se puede garantizar que los
componentes del gas comburente estén bien mezclados antes de la
entrada al colector de admisión.
La resistencia al flujo puede comprender
ventajosamente medios de extracción de energía para extraer energía
del flujo en el circuito de gas. La extracción de energía del flujo
en el circuito de gas mejora además la eficacia del sistema de motor
de ciclo cerrado. Los medios de extracción de energía pueden
comprender una turbina. Alternativamente, los medios de extracción
de energía pueden comprender un álabe u otro motor de desplazamiento
positivo.
La presión en la admisión puede ser controlable
independientemente de la presión en el escape. Tal medio de control
independiente permite que las presiones dentro del sistema de motor
se ajusten para que se pueda conseguir una eficacia mejorada.
Según un segundo aspecto de la presente
invención, se proporciona un procedimiento de operación de un
sistema de motor de ciclo cerrado, comprendiendo el sistema una
unidad de motor que tiene una admisión y un escape, y un circuito de
gas que proporciona una comunicación fluida entre el escape y la
admisión, comprendiendo el procedimiento las etapas de: operación
del motor, produciéndose de ese modo gases de escape, cuyos gases de
escape son expulsados al circuito de gas en el escape; absorción al
menos parcial de los gases de escape en un absorbedor; y provisión
de una resistencia al flujo en el circuito de gas, estando ubicada
la resistencia al flujo entre el absorbedor y la admisión dispuesta
de tal manera que la presión en la admisión sea menor que la presión
en el escape.
La invención se extiende a un vehículo
sumergible que comprende un sistema de motor de ciclo cerrado como
se describe anteriormente. Tal vehículo sumergible puede, por
ejemplo, ser un submarino, o cualquier forma de vehículo subacuático
que requiera un medio motriz.
Con el fin de que la invención se pueda entender
mejor, se describirá ahora una forma de realización especifica, sólo
a modo de ejemplo, con referencia al dibujo adjunto. En el
dibujo:
la fig. 1 es una ilustración esquemática de una
forma de realización de la invención.
Un sistema de motor diesel de ciclo cerrado de
ciclo de argón 100 de acuerdo con una realización de la invención se
muestra esquemáticamente en la figura 1. El sistema 100 comprende
una unidad de motor diesel 110, cuya unidad tiene un colector de
admisión 112 y un colector de escape 114. El colector de escape se
conecta a través de una canalización o tubería apropiada a un
absorbedor 120, que a su vez se conecta, a través de un separador
130, una placa de orificio 140, y una válvula reductora de presión
150, de vuelta al colector de admisión 112 de la unidad de motor
110. Así, se define un circuito de gas, que conecta el colector del
escape de vuelta al colector de admisión. Entre la placa de orificio
140 y la válvula reductora de presión 150 se proporcionan tomas 144
y 146 para suministrar argón y oxigeno al circuito. También se
proporciona una toma (no mostrada) para suministrar combustible a la
unidad de motor 110. Los suministros de oxigeno y argón se pueden
proporcionar de botellas de gas, u otros dispositivos de
almacenamiento de gas apropiados.
El sistema 100 se puede operar en ciclo cerrado.
La unidad de motor 110 es aspirada con un gas comburente que
comprende una mezcla de argón y oxigeno suministrada desde las tomas
144 y 146. La combinación del combustible con el oxigeno en la
unidad de motor 110 produce gases de escape que incluyen dióxido de
carbono (CO_{2}). Al menos algo del CO_{2} es absorbido en la
cámara 120. El absorbedor 120 puede comprender, como en los motores
de ciclo cerrado previamente conocidos, un rotor provisto de malla
metálica, u otro material que tenga una relación de área de
superficie/volumen elevada, por la que se arroja agua radialmente
hacia fuera mediante fuerza centrífuga, mientras que se hace que el
gas de escape fluya por el mismo a contracorriente. La variación de
la cantidad de agua que pasa por el absorbedor 120 mediante el uso
de una bomba de agua de velocidad variable 125 permite que se
controle la cantidad de CO_{2} absorbida, y así la presión en el
absorbedor 120 y en el escape 114.
Los gases así tratados se pasan entonces por el
separador 130, que retira el agua del flujo de gas, a la placa de
orificio 140. La placa de orificio 140, en combinación con la
válvula reductora de presión 150, sirve para controlar la presión en
el colector de admisión 112 de la unidad de motor 110. La válvula
reductora de presión 150 es controlada en respuesta a la presión en
la admisión 112, para que se pueda garantizar que la presión en la
admisión no ascienda por encima de la presión de la admisión máxima
de la que la unidad de motor 110 es capaz. Esto se indica
esquemáticamente en la figura 1 por una linea discontinua 155 que
conecta la admisión 112 a la válvula reductora de presión 150. La
presión en la admisión 112 es por tanto controlada
independientemente de la presión en el escape 114.
La unidad de motor 110 es un motor diesel
convencional de un tipo normalmente equipado con un turbocompresor
accionado por los gases de escape. Cuando se ponga en marcha en su
configuración aeróbica normal, tal motor estará configurado para
operar con una diferencia de presión entre el motor 110 y la turbina
suficiente para impulsar la turbina para comprimir el aire de la
admisión hasta la presión de proyecto. La presión del escape será
por lo tanto mayor que la presión de la admisión creada. Con el fin
de ser usada en el sistema 100, la unidad de motor se adapta
mediante la retirada del turbocompresor y la conexión directa de la
admisión 112 y el escape 114 al motor 110.
En la operación de ciclo cerrado, por lo tanto,
con el turbocompresor retirado, la capacidad del motor para operar
con una diferencia de presión a través del mismo se puede aprovechar
para mejorar la eficacia de absorción incrementando la presión en el
absorbedor 120, mientras se mantiene la presión en el colector de
admisión 112 a un valor dentro del intervalo aceptable para la
unidad de motor 110. La diferencia de presión aumenta tras el
arranque inicial de la unidad de motor 110: al principio, el sistema
estará a una presión uniforme. La presión parcial de CO_{2} en el
sistema es muy baja en el arranque, y de esta manera la eficacia de
absorción también es baja. A medida que el motor continúa en marcha,
la presión parcial de CO_{2} aumenta por lo tanto, y la eficacia
del absorbedor se incrementa, hasta que se alcanza un equilibrio.
Una diferencia de presión aumenta entre el colector de la admisión y
el absorbedor por la acción de la resistencia al flujo adicional que
comprende la placa de orificio 140 y la válvula reductora de presión
150. En el equilibrio, esta diferencia se mantiene a un valor
constante acorde con la presión máxima que el colector de la
admisión puede aceptar, mientras se mantiene la presión en el
absorbedor 120 a la presión mayor presente en el colector del escape
114. Así la eficacia del absorbedor se incrementa. El incremento de
la eficacia de absorción reduce las pérdidas parásitas en el motor,
y así, mediante la introducción de la placa de orificio y la válvula
reductora de presión en el circuito de gas, se mejora la eficacia
general del motor.
Como será inmediatamente obvio para los expertos
en la materia, son posibles variaciones y modificaciones de la
realización descrita anteriormente. Por ejemplo, mientras, en lo
anteriormente citado, se ha descrito el uso de una combinación de
una placa de orificio y una válvula reductora de presión para
restringir el flujo y conseguir el control de la presión de la
admisión, se pueden usar otras diversas configuraciones. Tales otras
configuraciones podrían hacer uso de tubos de diámetro reducido, o
varios limitadores de flujo controlados activamente y pasivamente
conocidos para los expertos en la materia. En una configuración
especialmente simple, la resistencia al flujo puede comprender sólo
la placa de orificio, más que incluir la válvula reductora de
presión como se describe anteriormente. Tal resistencia al flujo
seria apropiada cuando la diferencia de presión exacta requerida en
la operación del sistema de motor fuese conocida en la fabricación,
y no fuera necesario un control adicional. También se prevé el uso
de dispositivos que puedan hacer uso de la energía de la reducción
de presión para proporcionar más potencia a la planta, como turbinas
de gas y extensores, o cualquier tipo de motor de desplazamiento
positivo. Finalmente, se observa que se entenderá claramente que
tales variantes y modificaciones, y otras que serán inmediatamente
obvias a los expertos en la materia, son posibles sin desviarse del
ámbito de la invención que se define en las reivindicaciones
adjuntas.
Claims (10)
1. Un sistema de motor de ciclo cerrado que
comprende:
una unidad de motor (110) operable para quemar
combustible con gas comburente, produciéndose de ese modo gases de
escape, teniendo la unidad de motor (110) una admisión (112) y un
escape (114); y
un circuito de gas que proporciona una
comunicación fluida entre la admisión (112) y el escape (114),
teniendo el circuito de gas un absorbedor (120) para absorber al
menos parcialmente los gases de escape, y una resistencia al flujo,
estando ubicada la resistencia al flujo entre el absorbedor (120) y
la admisión (112) y dispuesta de tal manera que la presión en la
admisión (112) sea menor que la presión en el escape (114),
en el que la resistencia al flujo es ajustable
en respuesta a la presión en la admisión (112).
2. Un sistema de motor según la reivindicación 1
en el que la resistencia al flujo comprende un limitador de
flujo.
3. Un sistema de motor según la reivindicación 1
o la reivindicación 2 en el que la resistencia al flujo comprende
una placa de orificio (140).
4. Un sistema de motor según la reivindicación 3
en el que la resistencia al flujo comprende además una válvula
reductora de presión (150) sensible a la presión de la admisión.
5. Un sistema de motor según la reivindicación 4
en el que se proporciona un suministro de gas comburente al circuito
de gas entre la placa de orificio (140) y la válvula reductora de
presión (150).
6. Un sistema de motor según la reivindicación 1
en el que la resistencia al flujo comprende medios de extracción de
energía para extraer energía del flujo en el circuito de gas.
7. Un sistema de motor según la reivindicación 6
en el que los medios de extracción de energía comprenden una
turbina.
8. Un sistema de motor según cualquier
reivindicación precedente en el que la presión en la admisión (112)
es controlable independientemente de la presión en el escape.
9. Un vehículo sumergible que comprende un
sistema de motor de ciclo cerrado según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8.
10. Un procedimiento de operación de un sistema
de motor de ciclo cerrado, comprendiendo el sistema una unidad de
motor (110) que tiene una admisión (112) y un escape (114), y un
circuito de gas que proporciona una comunicación fluida entre el
escape (114) y la admisión (112), comprendiendo el procedimiento las
etapas de:
a) operación del motor, produciéndose de ese
modo gases de escape, cuyos gases de escape son expulsados al
circuito de gas en el escape (114);
b) absorción al menos parcial de los gases de
escape en un absorbedor (120);
c) provisión de una resistencia al flujo en el
circuito de gas, estando ubicada la resistencia al flujo entre el
absorbedor (120) y la admisión (112), y dispuesta de tal manera que
la presión en la admisión (112) sea menor que la presión en el
escape (114); y
d) ajuste de la resistencia al flujo en
respuesta a la presión en la admisión (112).
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