ES2439619A2 - Device for the generation of mechanical energy according to a regenerative and balanced brayton-rankine hybrid cycle and procedure of use (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents

Device for the generation of mechanical energy according to a regenerative and balanced brayton-rankine hybrid cycle and procedure of use (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) Download PDF

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Abstract

Device for power generation according to a regenerative and balanced brayton-rankine hybrid cycle and its method of use, comprising a heat supply equipment (8), an expander (1), a regenerator (2) and a compressor (6) configuring a brayton cycle; a capacitor (11) and a drive pump (14) forming a rankine cycle; so that by the heat supply equipment and the regenerator, in its secondary circuit, cooling circulates a mass flow of fluid that is divided in two at its output, one called the main flow that follows the rankine cycle and another called flow balancer that runs through the brayton cycle, regenerating the liquid of the main flow after passing through the condenser and the pump, and that joins with the balancer after passing through the compressor, to complete the cycles, selecting the amount of flow balancer so that the regenerator is thermally balanced. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Description

Dispositivo para generación de energía mecánica según un ciclo híbrido Brayton-Rankine regenerativo y equilibrado y procedimiento de uso. Device for generating mechanical energy according to a regenerative and balanced Brayton-Rankine hybrid cycle and use procedure.

Sector de la técnica Technical sector

La invención se encuadra en el campo de los ciclos termodinámicos para la producción de potencia mecánica, a su vez convertible en energía eléctrica. The invention falls within the field of thermodynamic cycles for the production of mechanical power, in turn convertible into electrical energy.

Por la evolución del fluido de trabajo y por los componentes empleados, el ciclo propuesto se considera como un híbrido entre los ciclos tipo Brayton y los ciclos tipo Rankine. Su uso resulta de interés relevante en la industria energética, particularmente cuando el foco calorífico es de temperaturas reducidas respecto de lo habitual en las centrales de combustión química. Ello hace que sea especialmente aplicable a la energía termosolar o a la geotérmica. También puede ser aplicable como ciclo de baja temperatura que recoja el calor excedente de un ciclo de alta temperatura. Due to the evolution of the working fluid and the components used, the proposed cycle is considered as a hybrid between the Brayton type cycles and the Rankine type cycles. Its use is of relevant interest in the energy industry, particularly when the calorific focus is of reduced temperatures compared to usual in chemical combustion plants. This makes it especially applicable to solar thermal or geothermal energy. It may also be applicable as a low temperature cycle that collects excess heat from a high temperature cycle.

Problema técnico a resolver y Antecedentes de la invención Technical problem to be solved and Background of the invention

Uno de los objetivos de la Termodinámica ha sido, desde su inicio, el estudio de las máquinas para la producción de energía mecánica a partir de energía térmica. No en vano, las primeras bases termodinámicas se establecieron con el estudio de las máquinas de vapor, que constituyeron los primeros motores térmicos de éxito empleados a nivel industrial. One of the objectives of Thermodynamics has been, since its inception, the study of machines for the production of mechanical energy from thermal energy. Not surprisingly, the first thermodynamic bases were established with the study of steam engines, which constituted the first successful thermal engines used at the industrial level.

Desde entonces y hasta la actualidad se han propuesto numerosos ciclos termodinámicos que han sido el núcleo de los distintos motores térmicos que se conocen. Todos ellos tienen en común las siguientes características: se hace evolucionar cíclicamente un volumen fluido por uno o varios equipos mecánicos, sufriendo así el fluido de trabajo diversos procesos termodinámicos entre los que se encuentran, ineludiblemente, al menos un proceso de aporte de calor desde una fuente térmica y al menos un proceso de cesión de calor hacia un sumidero térmico, que suele ser en último fin el ambiente. Since then and until now, numerous thermodynamic cycles have been proposed that have been the core of the various thermal engines that are known. All of them have in common the following characteristics: a fluid volume is evolved cyclically by one or more mechanical equipment, thus the working fluid undergoes various thermodynamic processes among which, inevitably, at least one heat input process is found from a thermal source and at least one process of heat transfer to a thermal sink, which is usually ultimately the environment.

Los campos de aplicación de los motores térmicos más comunes son la propulsión de vehículos y la generación de energía eléctrica. Aunque hay ciclos predominantes en cada aplicación, para ambas han sido empleados con gran éxito dispositivos o motores que materializan ciclos de tipo Otto, Diesel, Joule/Brayton y Rankine. Minoritariamente se han empleado otros dispositivos que siguen otros tipos de ciclos, como los Stirling, Ericsson y Kalina entre otros. The fields of application of the most common thermal motors are the propulsion of vehicles and the generation of electrical energy. Although there are predominant cycles in each application, devices or engines that materialize Otto, Diesel, Joule / Brayton and Rankine cycles have been used with great success. Minority other devices have been used that follow other types of cycles, such as Stirling, Ericsson and Kalina among others.

En el caso de la generación eléctrica es muy frecuente el empleo de instalaciones de ciclo combinado que, efectivamente, combinan dos ciclos, uno de alta temperatura de tipo Brayton que trabaja con aire y otro de baja temperatura de tipo Rankine que trabaja con agua. Por tanto, se trata de dos ciclos distintos trabajando con fluidos de trabajo diferentes y acoplados térmicamente, por una caldera de recuperación de calor. In the case of electricity generation, the use of combined cycle facilities is very frequent, which effectively combine two cycles, one of high temperature Brayton type that works with air and another of low temperature Rankine type that works with water. Therefore, these are two different cycles working with different working fluids and thermally coupled, by a heat recovery boiler.

Uno de los principales factores para medir la prestación de un ciclo es el rendimiento termodinámico, que es el cociente entre la energía mecánica producida dividido por la energía térmica suministrada desde la fuente de calor. One of the main factors to measure the performance of a cycle is thermodynamic performance, which is the ratio between the mechanical energy produced divided by the thermal energy supplied from the heat source.

Es sobradamente conocido que el rendimiento térmico máximo alcanzable por un ciclo termodinámico de potencia es limitado. Este rendimiento máximo alcanzable depende de las temperaturas del foco caliente y frío, y coincide con el rendimiento de un ciclo de Carnot, absolutamente teórico, trabajando entre dichas temperaturas de foco caliente o máxima (Tmax) y de foco frío o mínima (Tmin), según la expresión: It is well known that the maximum thermal efficiency attainable by a thermodynamic power cycle is limited. This maximum achievable performance depends on the hot and cold focus temperatures, and coincides with the performance of an absolutely theoretical Carnot cycle, working between said hot or maximum focus (Tmax) and cold or minimum focus (Tmin) temperatures, according to the expression:

siendo: being:

--
ηCN el rendimiento del ciclo de Carnot; ηCN the Carnot cycle performance;

--
Qf y Qc el calor cedido al sumidero térmico y el recibido de la fuente térmica respectivamente; Qf and Qc the heat ceded to the thermal sink and that received from the thermal source respectively;

--
Tf y Tc las temperaturas absolutas del sumidero y de la fuente, que son la mínima y la máxima alcanzables en el ciclo; Tf and Tc the absolute temperatures of the sump and source, which are the minimum and maximum attainable in the cycle;

--
Δsf y Δsc los valores absolutos de las variaciones de entropía durante la cesión y el aporte de calor; Δsf and Δsc the absolute values of the entropy variations during the transfer and the heat input;

--
y CN el cociente entre las temperaturas máxima y mínima, en adelante factor de Carnot. and CN the ratio between the maximum and minimum temperatures, hereinafter Carnot factor.

La dependencia del rendimiento máximo alcanzable con el cociente de temperaturas máxima y mínima también la siguen los rendimientos de los ciclos materializados con máquinas reales. Esta es la razón por la que, en las diversas aplicaciones, se han buscado históricamente las mayores temperaturas de trabajo admisibles mecánicamente por los materiales para el aporte de calor y las menores temperaturas de cesión de calor, limitadas por la temperatura ambiental o del medio refrigerante. The dependence of the maximum yield achievable with the ratio of maximum and minimum temperatures is also followed by the yields of the cycles materialized with real machines. This is the reason why, in various applications, historically the highest mechanically permissible working temperatures have been sought by materials for heat input and lower heat transfer temperatures, limited by ambient or cooling medium temperature .

La aplicación natural de la invención es la generación de energía mecánica para la producción de electricidad. En dicho campo, son absolutos dominadores a día de hoy los ciclos Brayton, gracias a las turbinas de gas, y los ciclos Rankine basados en turbinas de vapor. The natural application of the invention is the generation of mechanical energy for the production of electricity. In this field, Brayton cycles are absolute dominant today, thanks to gas turbines, and Rankine cycles based on steam turbines.

Los ciclos tipo Brayton alcanzan una temperatura máxima muy elevada, superior a 1700 K, aunque la temperatura media es menor porque el aporte de calor comienza desde la finalización de la compresión. La temperatura mínima es muy baja, ya que toman aire del ambiente, pero ceden calor también a una temperatura media alta debido a que los gases de escape se expulsan en tomo a 800 o 900 K. Con esta tecnología se obtienen rendimientos mayores del 40%. Brayton-type cycles reach a very high maximum temperature, exceeding 1700 K, although the average temperature is lower because the heat input starts from the end of compression. The minimum temperature is very low, since they take ambient air, but they also give heat to a medium high temperature because the exhaust gases are expelled in volume at 800 or 900 K. With this technology yields greater than 40% are obtained .

Los ciclos de tipo Rankine alcanzan temperaturas máximas más moderadas, de hasta 850 K, pero ceden calor a una temperatura media muy próxima a la ambiental ya que la condensación se produce a temperatura constante muy baja. En este caso los rendimientos pueden rebasar en algunos casos el 50%. El éxito de los ciclos combinados de turbinas de gas y de vapor, que son ciclos individuales con fluidos diferentes pero acoplados térmicamente, reside en que se aprovecha la cesión de calor del ciclo Brayton para alimentar térmicamente al ciclo de Rankine, de forma que se hace uso de la alta temperatura de aporte de calor de los ciclos Brayton y de la baja temperatura de cesión de calor del ciclo de Rankine, aumentando el factor de Carnot. El rendimiento de los ciclos combinados puede rebasar el 60%. The Rankine type cycles reach more moderate maximum temperatures, up to 850 K, but yield heat at an average temperature very close to the ambient temperature since condensation occurs at a very low constant temperature. In this case, the yields may exceed 50% in some cases. The success of the combined cycles of gas and steam turbines, which are individual cycles with different fluids but thermally coupled, is that the heat transfer of the Brayton cycle is used to thermally feed the Rankine cycle, so that it is done use of the high heat input temperature of the Brayton cycles and the low heat transfer temperature of the Rankine cycle, increasing the Carnot factor. The combined cycle performance may exceed 60%.

No obstante, el factor de Carnot no es el único factor determinante ni limitante del rendimiento alcanzado por un ciclo termodinámico. Mediante el desarrollo de la expresión anterior se puede llegar a la siguiente: However, the Carnot factor is not the only determining or limiting factor of the performance achieved by a thermodynamic cycle. By developing the previous expression you can reach the following:

donde queda de manifiesto que existen varios motivos por los que no se puede alcanzar el rendimiento de Carnot: cuando la temperatura media de aporte de calor no es la máxima o la de cesión la mínima; o cuando existen irreversibilidades o generación de entropía en alguno de los procesos, que hace que el valor absoluto de la variación de entropía en la cesión de calor (numerador) sea mayor que durante el aporte de calor (denominador). Además del cociente entre temperaturas máxima y mínima o factor de Carnot, se pueden definir tres coeficientes que se pueden llamar respectivamente factor de temperatura media de aporte de calor (Fmc), factor de temperatura media de cesión de calor (Fmf) y factor de irreversibilidades (FΔS), que miden el efecto de no poder estar siempre trabajando en temperaturas extremas y el efecto de las irreversibilidades. Los tres tienen un valor menor a la unidad en general y unitario para un ciclo de Carnot. where it is clear that there are several reasons why Carnot's performance cannot be achieved: when the average heat input temperature is not the maximum or the minimum assignment temperature; or when there are irreversibilities or entropy generation in any of the processes, which makes the absolute value of the entropy variation in the heat transfer (numerator) greater than during the heat input (denominator). In addition to the ratio between maximum and minimum temperatures or Carnot factor, three coefficients can be defined that can be called respectively average heat input temperature factor (Fmc), average heat transfer temperature factor (Fmf) and irreversibility factor (FΔS), which measure the effect of not being able to always be working in extreme temperatures and the effect of irreversibilities. All three have a lower value than the unit in general and unit for a Carnot cycle.

En la actualidad, debido principalmente al deseo de emplear fuentes renovables de energía como la solar o la geotérmica, hay aplicaciones en las que se dispone de moderada temperatura de aporte de calor, dado que es difícil alcanzar las temperaturas habituales tras un proceso de combustión. En estos casos, el factor de Carnot se merma notablemente y los rendimientos alcanzables son mucho menores a los anteriormente expuestos. Por ejemplo, con ciclos Rankine regenerativos con fluidos orgánicos es difícil superar el 25-27% para un factor de Carnot menor que At present, mainly due to the desire to use renewable sources of energy such as solar or geothermal, there are applications where there is a moderate heat input temperature, since it is difficult to reach the usual temperatures after a combustion process. In these cases, the Carnot factor is significantly reduced and the achievable yields are much lower than those previously exposed. For example, with regenerative Rankine cycles with organic fluids it is difficult to exceed 25-27% for a Carnot factor less than

2. 2.

El bajo rendimiento, efectivamente, se debe esencialmente al bajo factor de Carnot. Pero, por ello, son los demás factores los que cobran importancia a la hora de tratar de mejorar el rendimiento de los ciclos y de los motores térmicos alimentados con baja temperatura. The low performance, indeed, is essentially due to the low Carnot factor. But, for this reason, it is the other factors that are important when trying to improve the performance of cycles and thermal motors fed at low temperatures.

En concreto, los ciclos tipo Brayton adolecen de una baja temperatura media de aporte de calor - en comparación con la máxima - y de una alta temperatura media de cesión de calor - en comparación con la mínima -, puesto que el aporte y la cesión de calor se hacen a presión constante y por calor sensible, por lo que la temperatura varía casi proporcionalmente con la cesión y aporte de calor. Specifically, Brayton-type cycles suffer from a low average heat input temperature - compared to the maximum - and a high average heat transfer temperature - compared to the minimum -, since the contribution and transfer of heat Heat is made at constant pressure and by sensible heat, so the temperature varies almost proportionally with the transfer and contribution of heat.

Este problema se puede paliar parcialmente si se introduce un intercambiador regenerativo, que aprovecha parte del calor de escape para precalentar el fluido antes del aporte de calor principal con la fuente térmica. Esta solución mejora los factores de temperaturas medias de aporte y cesión de calor, y el rendimiento aumenta. Otra solución, que se puede combinar con la anterior, es la inclusión de compresiones escalonadas con refrigeración intermedia y expansión escalonada con recalentamiento intermedio, que mejoran aún más esos factores y permiten, además, una mayor regeneración. Esta solución es cercana al ciclo Ericsson regenerativo, que teóricamente alcanza el rendimiento de Carnot. No obstante, los factores de temperatura media siguen lejos de la unidad al ser el aporte y la cesión de energía térmica por calor sensible. Además, si el calor de regeneración es muy alto, el factor de irreversibilidades empieza a cobrar relevancia. This problem can be partially alleviated if a regenerative exchanger is introduced, which uses part of the exhaust heat to preheat the fluid before the main heat supply with the thermal source. This solution improves the average temperature and heat transfer factors, and the performance increases. Another solution, which can be combined with the previous one, is the inclusion of stepped compressions with intermediate cooling and stepped expansion with intermediate reheating, which further improve these factors and allow, in addition, greater regeneration. This solution is close to the regenerative Ericsson cycle, which theoretically achieves Carnot's performance. However, the average temperature factors remain far from the unit as the contribution and transfer of thermal energy by sensible heat. In addition, if the heat of regeneration is very high, the irreversibility factor begins to gain relevance.

El rendimiento de los ciclos Brayton alimentados con fuente térmica de baja temperatura es usualmente muy bajo. Se han planteado soluciones como la descrita en la solicitud de patente española, P20120034, cuyos solicitantes son los mismos de la presente; la patente ES 0390877 A1 que describe mejoras para la refrigeración de la compresión y para la fase de regeneración; o las patentes US 7401475 B2 y WO 0006876 A1, con las que se proponen compresiones y expansiones casi isotermas. The performance of Brayton cycles fed with low temperature thermal source is usually very low. Solutions have been proposed such as the one described in the Spanish patent application, P20120034, whose applicants are the same as the present one; ES 0390877 A1 which describes improvements for compression cooling and for the regeneration phase; or US 7401475 B2 and WO 0006876 A1, with which almost isothermal compressions and expansions are proposed.

Los ciclos de tipo Rankine emplean fluidos condensables, entendiendo por esto que hacen uso del cambio de fase en sus procesos. De esta forma, la cesión de calor al sumidero se hace a temperatura muy baja y constante, por el cambio de fase, y el factor de temperatura media de cesión de calor resulta muy cercano a uno. En el aporte de calor también hay cambio de fase, por lo que durante parte del calentamiento puede haber temperatura constante (si la presión es inferior a la del punto crítico), aunque suele estar alejada de la máxima. Por este motivo y debido a que gran parte de la energía se obtiene por calor sensible (antes y después de la ebullición en caso de que exista y siempre si la presión es supercrítica), el factor de temperatura media de aporte de calor es menor que la unidad. Rankine type cycles employ condensable fluids, meaning that they make use of the phase change in their processes. In this way, the heat transfer to the sump is done at a very low and constant temperature, due to the phase change, and the average heat transfer temperature factor is very close to one. In the heat input there is also a phase change, so during part of the heating there may be a constant temperature (if the pressure is lower than the critical point), although it is usually far from the maximum. For this reason and because much of the energy is obtained by sensible heat (before and after boiling if it exists and always if the pressure is supercritical), the average heat input temperature factor is less than unit.

Para incrementar la temperatura media de aporte de calor el ciclo se hace, también en este caso, regenerativo. La forma de regenerar depende del tipo de fluido. En este sentido, es posible clasificar los fluidos según tres tipos: To increase the average heat input temperature, the cycle is also regenerative in this case. The way to regenerate depends on the type of fluid. In this sense, it is possible to classify fluids according to three types:

--
negativos o húmedos: entendiendo como tales a aquellos fluidos para los que la entropía del vapor saturado siempre decrece con la presión de saturación; negative or humid: understanding as such those fluids for which the entropy of saturated steam always decreases with saturation pressure;

--
isentrópicos: entendido como tales en el estado actual del arte a aquellos cuya entropía de vapor saturado prácticamente no varía con la presión excepto en las cercanías del punto crítico y excepto a presiones varios órdenes de magnitud por debajo de la del punto crítico, que decrece; isentropics: understood as such in the current state of the art to those whose saturated steam entropy practically does not vary with pressure except in the vicinity of the critical point and except at pressures several orders of magnitude below that of the critical point, which decreases;

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positivos o secos: entendiendo como tales a aquellos cuya entropía de vapor saturado crece con la presión excepto en las cercanías del punto crítico y excepto a presiones varios órdenes de magnitud por debajo de la del punto crítico, que decrece. positive or dry: understanding as such those whose entropy of saturated steam grows with pressure except in the vicinity of the critical point and except at pressures several orders of magnitude below that of the critical point, which decreases.

El crecimiento o decrecimiento de la entropía del vapor saturado de los distintos fluidos está muy directamente relacionado con el valor del cociente R/Cp del gas, siendo R la constante característica del gas y Cp el calor específico a presión constante en condiciones de gas ideal, comportamiento alcanzable a muy baja presión y preferentemente alta temperatura, por lo que a estos efectos se puede tomar el Cp del fluido a una milésima parte de su presión crítica y dos veces su temperatura crítica. Caracterizando los fluidos según este parámetro, se halla la equivalencia de que son fluidos negativos aquellos cuyo valor de R/Cp es mayor que 1/12 en la condición antedicha; aproximadamente isentrópicos cuando el valor de R/Cp queda comprendido entre 1/16 y 1/12 en la condición antedicha; y positivos cuando el parámetro R/Cp es menor que 1/16. The growth or decrease of the entropy of saturated steam of the different fluids is very directly related to the value of the R / Cp ratio of the gas, R being the constant characteristic of the gas and Cp the specific heat at constant pressure under ideal gas conditions, behavior achievable at very low pressure and preferably high temperature, so that for this purpose the Cp of the fluid can be taken at one thousandth of its critical pressure and twice its critical temperature. Characterizing the fluids according to this parameter, there is the equivalence that those whose R / Cp value is greater than 1/12 in the above condition are negative fluids; approximately isentropic when the R / Cp value is between 1/16 and 1/12 in the above condition; and positive when the R / Cp parameter is less than 1/16.

Para fluidos negativos, el estado termodinámico del fluido a la salida de la turbina o del expansor es vapor húmedo. Al ser la temperatura muy baja, exactamente la mínima, la regeneración no se puede realizar con este estado térmico y se materializa, por tanto, con una extracción parcial en la turbina o el expansor, a mayor temperatura, y tiene como misión precalentar el líquido antes de su evaporación. For negative fluids, the thermodynamic state of the fluid at the outlet of the turbine or the expander is wet steam. As the temperature is very low, exactly the minimum, the regeneration cannot be carried out with this thermal state and is therefore materialized with a partial extraction in the turbine or the expander, at a higher temperature, and its mission is to preheat the liquid before evaporation.

Para fluidos isentrópicos o positivos, el estado termodinámico del fluido a la salida de la turbina o del expansor es vapor seco, a mayor temperatura que la mínima. La regeneración se efectúa de forma similar a los ciclos Brayton, aprovechando el calor sensible del vapor de salida del expansor. El objetivo es precalentar el líquido antes del cambio de fase. For isentropic or positive fluids, the thermodynamic state of the fluid at the outlet of the turbine or the expander is dry steam, at a higher temperature than the minimum. The regeneration is carried out in a similar way to the Brayton cycles, taking advantage of the sensible heat of the steam exiting the expander. The objective is to preheat the liquid before the phase change.

Los ciclos Rankine regenerativos, subcríticos o supercríticos, han sido muy estudiados y se están empleando con frecuencia en aplicaciones de baja temperatura. Por ejemplo, la patente EP 1801364 A1 propone un dispositivo para materializar ciclos transcríticos; la ES 237 487 4 T3 describe un dispositivo para el aprovechamiento del calor de desecho mediante ciclos de Rankine de fluidos orgánicos (ORC). Por otro lado, Chen et al. en "A review of thermodynamic cycles and working fluids for the conversion of low-grade heat" (Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14 (2010), pp. 3059-3067, Elsevier) hace una revisión de ciclos Rankine, subcríticos y supercríticos, con distintos fluidos de trabajo orgánicos. The regenerative Rankine cycles, subcritical or supercritical, have been very studied and are being used frequently in low temperature applications. For example, EP 1801364 A1 proposes a device for materializing transcritical cycles; ES 237 487 4 T3 describes a device for the use of waste heat by means of Rankine cycles of organic fluids (ORC). On the other hand, Chen et al. in "A review of thermodynamic cycles and working fluids for the conversion of low-grade heat" (Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14 (2010), pp. 3059-3067, Elsevier) review Rankine, subcritical and supercritical cycles, with different organic work fluids.

Ya se regenere de una u otra forma, con la regeneración se mejora el factor de temperatura media de aporte de calor y mejora el rendimiento. Sin embargo el factor de irreversibilidades empeora notablemente debido a las altas irreversibilidades en la regeneración, mayores que en Jos ciclos Brayton. En efecto, si la regeneración se materializa con un intercambiador de mezcla el proceso es altamente irreversible por la mezcla. Si es con un intercambiador de contacto existen dos posibilidades: la condensación de cierta fracción de vapor extraída de la turbina o del expansor para calentar el líquido (para fluidos negativos) o bien la pérdida de calor sensible del vapor para calentar el líquido (para fluidos isentrópicos o positivos). En ambos casos, existen altas diferencias de temperatura entre las dos corrientes, caliente y fría, que causan la irreversibilidad. En un caso debido a la condensación a temperatura constante de una de las corrientes y en el otro debido al desequilibrado térmico del regenerador al ser el Cp del vapor notablemente menor que el del líquido. Already regenerate in one way or another, with regeneration the average heat input temperature factor is improved and performance improves. However, the irreversibility factor worsens markedly due to the high irreversibilities in regeneration, which are greater than in Brayton cycles. In fact, if the regeneration is carried out with a mixing exchanger, the process is highly irreversible due to the mixing. If it is with a contact exchanger there are two possibilities: the condensation of a certain fraction of steam extracted from the turbine or the expander to heat the liquid (for negative fluids) or the loss of sensible heat of the steam to heat the liquid (for fluids isentropic or positive). In both cases, there are high temperature differences between the two currents, hot and cold, that cause irreversibility. In one case due to the constant temperature condensation of one of the currents and in the other due to the thermal imbalance of the regenerator as the Cp of the steam is significantly lower than that of the liquid.

Los rendimientos que se alcanzan son mayores que con los ciclos Brayton pero quedan alejados de valores satisfactorios. The yields achieved are higher than with the Brayton cycles but are far from satisfactory values.

Resumiendo, se puede comprobar que no existe en el estado actual de la técnica ningún ciclo que presente simultáneamente los tres factores cercanos a uno, de irreversibilidades (FΔS). de temperaturas medias de aporte de calor (FTf) y de cesión de calor (FTc). Este hecho, unido a que las aplicaciones con fuentes de baja temperatura implican un bajo factor de Carnot, deriva en rendimientos térmicos bajos. In summary, it can be verified that there is no cycle in the current state of the art that simultaneously presents the three factors close to one, of irreversibilities (FΔS). of average heat input (FTf) and heat transfer (FTc) temperatures. This fact, together with the fact that applications with low temperature sources imply a low Carnot factor, results in low thermal efficiency.

El objeto de la invención es, por tanto, mejorar conjuntamente los factores de irreversibilidades y de temperaturas medias, para obtener rendimientos térmicos satisfactorios a pesar del bajo factor de Carnot. El objetivo se consigue mediante un dispositivo que híbrida dos ciclos termodinámicos Rankine y Brayton, compartiendo fluido y de una forma que nunca se ha propuesto. A este respecto son de ayuda los documentos WO 2009125103 A1 y US 8006496 B2, en los que se efectúa una interesante revisión de la literatura de propiedad industrial acerca de los ciclos termodinámicos y los dispositivos para materializarlos. También se puede destacar la patente WO 2007037599 A2 en la que se propone un dispositivo para trabajar indistintamente según ciclos Brayton, Rankine The object of the invention is, therefore, to jointly improve the irreversibility and average temperature factors, in order to obtain satisfactory thermal yields despite the low Carnot factor. The goal is achieved through a device that hybridizes two Rankine and Brayton thermodynamic cycles, sharing fluid and in a way that has never been proposed. In this regard, documents WO 2009125103 A1 and US 8006496 B2 are helpful, in which an interesting review of the industrial property literature about thermodynamic cycles and the devices for materializing them is carried out. It is also possible to highlight patent WO 2007037599 A2 in which a device is proposed to work interchangeably according to Brayton, Rankine cycles

o Stirling, pero de forma independiente y no conjunta o hibridada, y con objetivos diferentes a los de la presente invención. Por último, la patente US 6880344 combina un ciclo Brayton con uno Rankine ORC pero trabajando con fluidos distintos, a modo de un ciclo combinado convencional, completamente distinto al dispositivo ahora propuesto. or Stirling, but independently and not jointly or hybridized, and for purposes other than those of the present invention. Finally, US 6880344 combines a Brayton cycle with a Rankine ORC but working with different fluids, as a conventional combined cycle, completely different from the device now proposed.

Descripción de la invención Description of the invention

Como se acaba de mencionar, el objetivo de la invención es mejorar conjuntamente los factores de irreversibilidades y de temperaturas medias con el fin de obtener rendimientos térmicos satisfactorios. As just mentioned, the objective of the invention is to jointly improve the irreversibility and average temperature factors in order to obtain satisfactory thermal yields.

El valor del factor de temperatura media de cesión de calor se deja cercano a la unidad mediante la cesión de calor al foco frío con un fluido condensable. La solución adoptada para mejorar el factor de temperatura media de aporte de calor es introducir la regeneración del fluido y, opcionalmente, la expansión en dos etapas con recalentamiento intermedio. Por último, para mejorar el factor de irreversibilidades, aún empleando regeneración, el regenerador será de contacto y no de mezcla. Asimismo y por el mismo motivo, se diseña el ciclo para que el regenerador esté equilibrado térmicamente y que tanto la cesión de calor como el aporte sean por calor sensible. Como el Cp del vapor subcrítico es menor que el del líquido, necesariamente el flujo másico de vapor habrá de ser mayor que el del líquido. The value of the average heat transfer temperature factor is left close to the unit by heat transfer to the cold source with a condensable fluid. The solution adopted to improve the average heat input temperature factor is to introduce the regeneration of the fluid and, optionally, the two-stage expansion with intermediate reheating. Finally, to improve the irreversibility factor, even using regeneration, the regenerator will be contact and not mixing. Likewise and for the same reason, the cycle is designed so that the regenerator is thermally balanced and that both the heat transfer and the contribution are by sensible heat. Since the Cp of the subcritical vapor is less than that of the liquid, the mass flow of steam must necessarily be greater than that of the liquid.

Para conseguir los anteriores objetivos se implementa una instalación que comprende: To achieve the above objectives, an installation is implemented that includes:

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un fluido de trabajo condensable, para el que se define el punto pseudo-crítico de una isóbara supercrítica como el punto de mayor calor específico a presión constante, Cp, de la isóbara, siendo este valor de Cp infinito en el punto crítico, y descendiendo su valor conforme aumenta la presión; a condensable working fluid, for which the pseudo-critical point of a supercritical isobar is defined as the point of highest specific heat at constant pressure, Cp, of the isobar, this value of Cp being infinite at the critical point, and descending its value as the pressure increases;

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una máquina de expansión del fluido de trabajo en fase gaseosa; a gas phase work fluid expansion machine;

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un intercambiador de calor, tipo regenerador, con dos circuitos, el primario que recibe calor y el secundario que lo cede; a heat exchanger, regenerative type, with two circuits, the primary one that receives heat and the secondary one that yields it;

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un elemento de división de caudal que divide el flujo total de entrada en dos caudales o corrientes, denominados flujo principal y flujo equilibrador; a flow division element that divides the total inflow into two flows or streams, called main flow and balancing flow;

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una máquina para la compresión del fluido en fase gaseosa cuyo eje puede estar unido mecánicamente o solidariamente a la máquina expansora o no; a machine for compression of the gas phase fluid whose axis can be mechanically or jointly attached to the expansion machine or not;

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un condensador para la condensación del fluido, refrigerado por un fluido refrigerante como puede ser aire, agua o cualquier otro, cuya temperatura a la entrada del equipo está marcada por el ambiente y se denomina Tamb; a condenser for the condensation of the fluid, cooled by a cooling fluid such as air, water or any other, whose temperature at the entrance of the equipment is marked by the environment and is called Tamb;

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una bomba de impulsión para circular y presurizar el fluido en fase líquida que sale del condensador; a drive pump to circulate and pressurize the fluid in the liquid phase leaving the condenser;

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un equipo de aporte de calor principal al fluido alimentado térmicamente por un fluido calorífero que proviene de una fuente térmica; a main heat input device to the fluid thermally fed by a heating fluid that comes from a thermal source;

- -
un elemento de unión de caudales; an element of union of flows;

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y un elemento transmisor o transformador de la potencia mecánica producida como puede ser un eje o un generador eléctrico, entre otros. and a transmitter or transformer element of the mechanical power produced such as an axis or an electric generator, among others.

Los componentes anteriores se conectan de la siguiente forma: The previous components are connected as follows:

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el conducto o colector de salida del equipo de aporte de calor principal está conectado a la entrada de la máquina de expansión; the duct or outlet manifold of the main heat input equipment is connected to the inlet of the expansion machine;

- -
la salida de la máquina de expansión está conectada al regenerador por la entrada de su circuito secundario; the output of the expansion machine is connected to the regenerator by the input of its secondary circuit;

- -
la salida del circuito secundario del regenerador está conectada al elemento de división de caudal, que divide el caudal en dos: el flujo principal y el equilibrador; The output of the secondary circuit of the regenerator is connected to the flow division element, which divides the flow into two: the main flow and the balancer;

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la salida de flujo principal del elemento de división de caudales está conectada con la entrada del condensador; the main flow outlet of the flow division element is connected to the condenser inlet;

- -
la salida del condensador está conectada con la entrada a la bomba de impulsión; the output of the condenser is connected to the input to the drive pump;

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la salida de la bomba de impulsión está conectada con el regenerador por la entrada de su circuito primario; the outlet of the impulse pump is connected to the regenerator by the input of its primary circuit;

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la salida del flujo equilibrador del elemento de división de caudales está conectada con la entrada de la máquina de compresión; the outflow of the balancing flow of the flow dividing element is connected to the input of the compression machine;

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la salida de la máquina de compresión está unida con la salida del circuito primario del regenerador en el elemento de unión de caudales; the output of the compression machine is connected to the output of the primary circuit of the regenerator in the flow joint element;

- -
la salida del elemento de unión de caudales está conectada con la entrada o colector de entrada del equipo de aporte de calor principal. The output of the flow joint element is connected to the input or input manifold of the main heat input equipment.

Quedan configurados dos circuitos termohidráulicos que hacen evolucionar el fluido de trabajo según un ciclo termodinámico denominado ciclo híbrido Rankine-Brayton regenerativo y equilibrado, en el que tienen lugar los siguientes procesos: There are two thermohydraulic circuits that make the working fluid evolve according to a thermodynamic cycle called the regenerative and balanced Rankine-Brayton hybrid cycle, in which the following processes take place:

--
el fluido de trabajo se calienta en fase gaseosa y a presión supercrítica en el equipo de aporte de calor principal hasta la temperatura denominada Tmax, desde la salida del elemento de unión de caudales de los flujos principal y equilibrador; the working fluid is heated in the gas phase and at supercritical pressure in the main heat supply equipment up to the temperature called Tmax, from the outlet of the flow joint element of the main and balancer flows;

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inmediatamente a continuación se expande en la máquina de expansión, en la cual realiza el trabajo mecánico sobre el exterior; immediately afterwards it expands in the expansion machine, in which it performs the mechanical work on the outside;

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después cede calor circulando por el circuito secundario del regenerador y consecuentemente se enfría; then it gives heat circulating through the secondary circuit of the regenerator and consequently cools;

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y a la salida del circuito secundario del regenerador, el flujo se divide en dos caudales, el principal y el equilibrador. and at the output of the secondary circuit of the regenerator, the flow is divided into two flows, the main and the balancer.

El caudal equilibrador se dirige a la máquina de compresión, que se conecta a su salida con el equipo de aporte de calor principal, cerrando así un ciclo Brayton, aunque no de caudal constante a lo largo del mismo. The balancing flow is directed to the compression machine, which is connected at its outlet with the main heat input equipment, thus closing a Brayton cycle, although not of constant flow along it.

El caudal principal se dirige al condensador, donde se condensa a temperatura de consigna Tmin, cediendo calor al entorno, bombeándose posteriormente el líquido condensado en la bomba de impulsión. Posteriormente se calienta regenerativamente en el circuito primario del regenerador hasta la temperatura de regeneración, Treg, con el calor cedido por la totalidad del gas que se enfría en el circuito secundario de dicho regenerador, y finalmente llega al elemento de unión con el flujo equilibrador, configurando un ciclo Rankine, aunque no de caudal constante. The main flow is directed to the condenser, where it condenses at setpoint temperature Tmin, giving heat to the environment, the condensed liquid being subsequently pumped into the discharge pump. Subsequently, it is regeneratively heated in the regenerator's primary circuit to the regeneration temperature, Treg, with the heat given by all the gas that is cooled in the secondary circuit of said regenerator, and finally reaches the junction element with the equilibrium flow, configuring a Rankine cycle, although not constant flow.

En dicho elemento de unión se une dicho caudal principal con el caudal equilibrador que se ha comprimido en fase gaseosa, entrando ambos como un solo flujo en el equipo de aporte de calor principal. In said connecting element said main flow is joined with the equilibrium flow that has been compressed in the gas phase, both entering as a single flow in the main heat supply equipment.

Las especificaciones termodinámicas esenciales de la invención son: The essential thermodynamic specifications of the invention are:

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la temperatura de condensación Tmin es la correspondiente a un estado de saturación con una presión Pmin inferior a la presión crítica del fluido y cuyos valores de entropía específica de líquido y vapor saturado se denominan sliq y svap respectivamente y las entalpías específicas de líquido y vapor saturado hliq y hvap respectivamente, siendo dicha temperatura Tmin mayor que la temperatura del refrigerante exterior del condensador o sumidero de calor ambiental Tamb; the condensation temperature Tmin corresponds to a saturation state with a pressure Pmin lower than the critical pressure of the fluid and whose specific entropy values of liquid and saturated steam are called sliq and svap respectively and the specific enthalpies of liquid and saturated steam hliq and hvap respectively, said temperature Tmin being greater than the temperature of the external refrigerant of the condenser or ambient heat sink Tamb;

- -
la presión absoluta en la impulsión de la bomba, Pimp, es supercrítica y es mayor que la presión de la isóbara cuyo punto pseudo-crítico presenta un valor del Cp tres veces mayor que el Cp del líquido medido en condiciones de salida de la bomba; the absolute pressure in the pump drive, Pimp, is supercritical and is greater than the pressure of the isobar whose pseudo-critical point has a value of Cp three times greater than the Cp of the liquid measured under pump output conditions;

- -
la temperatura absoluta del fluido principal a la salida circuito primario de regeneración, Treg, es igual o superior hasta en un 10% a la temperatura absoluta correspondiente al estado termodinámico con presión Pimp y entropía específica svap; the absolute temperature of the main fluid at the primary regeneration circuit outlet, Treg, is equal to or greater than 10% at the absolute temperature corresponding to the thermodynamic state with Pimp pressure and svap specific entropy;

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en el regenerador la tasa de paso de capacidad calorífica, o producto del calor específico medio por el caudal másico, de cada una de las dos corrientes iguales entre sí, por lo que está equilibrado, especificándose que la proporción de caudal másico equilibrador se prescribe por in the regenerator the rate of passage of heat capacity, or product of the specific average heat per mass flow rate, of each of the two currents equal to each other, so that it is balanced, specifying that the proportion of balancing mass flow rate is prescribed by

mequilibrador / mtolal = (1 - cp, secundario / cp, primario) mequilibrador / mtolal = (1 - cp, secondary / cp, primary)

siendo mequilibrador el caudal másico equilibrador, mtotal el caudal másico total, cp, secundario el valor medio del calor específico a presión constante durante el enfriamiento de caudal total y cp, primario el calor específico a presión constante medio durante el calentamiento del caudal principal en el circuito primario, ambos en el regenerador, quedando determinado el caudal principal con la ecuación the balancing mass flow being mechalancing, total total mass flow, cp, secondary the average value of the specific heat at constant pressure during the total flow cooling and cp, primary the specific heat at medium constant pressure during the heating of the main flow in the primary circuit, both in the regenerator, the main flow being determined with the equation

mprincipal = mtotal - mequilibrador mprincipal = mtotal - mequilibrador

siendo mprincipal el caudal másico principal;  the main mass flow being primary;

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se establece la diferencia terminal de temperaturas entre las corrientes del secundario y primario del regenerador en un valor mayor que 0 K y menor que 35 K. Al estar definida la temperatura de salida del flujo primario, Treg, la diferencia terminal de temperaturas en el regenerador determina la temperatura del gas del circuito secundario a la salida de la máquina expansora y entrada al secundario del regenerador, siendo esta temperatura la suma de Treg más la diferencia terminal seleccionada. La entropía correspondiente a ese estado termodinámico se denomina smax por ser la máxima de la instalación, y la generación de entropía en la expansión se denomina Δs. La diferencia srnax -Δs es la entropía del vapor a la entrada a la turbina o expansor, siendo la presión en este punto igual a la de impulsión de la bomba menos las pérdidas de carga en el circuito termohidráulico. Ambas magnitudes, entropía y presión, determinan unívocamente la temperatura Tmax de entrada a la turbina, que se selecciona en el equipo principal de aportación de calor. the terminal temperature difference between the secondary and primary currents of the regenerator is set to a value greater than 0 K and less than 35 K. When the primary flow outlet temperature, Treg, the terminal temperature difference in the regenerator is defined It determines the temperature of the gas in the secondary circuit at the outlet of the expansion machine and the secondary input of the regenerator, this temperature being the sum of Treg plus the selected terminal difference. The entropy corresponding to that thermodynamic state is called smax because it is the maximum of the installation, and the entropy generation in the expansion is called Δs. The srnax -Δs difference is the entropy of the steam at the entrance to the turbine or expander, the pressure at this point being equal to that of the pump drive minus the pressure losses in the thermohydraulic circuit. Both magnitudes, entropy and pressure, uniquely determine the Tmax turbine inlet temperature, which is selected in the main heat input equipment.

De esa forma quedan determinados, con todas las anteriores prescripciones, los estados termodinámicos de todos los puntos de entrada y salida de los equipos y, consecuentemente, las entalpías correspondientes a cada uno de ellos. In this way, with all the previous prescriptions, the thermodynamic states of all the entry and exit points of the equipment and, consequently, the enthalpies corresponding to each of them are determined.

Como variante de montaje, cuando el fluido de trabajo presenta un valor de R/Cp mayor que 1/16, siendo R la constante característica del gas y Cp el calor específico a presión constante medido a dos veces la temperatura absoluta crítica del fluido y a una milésima parte de su presión absoluta crítica, el elemento divisor de caudal se integra en el propio condensador, que se dispone con tres vías por tener: As a mounting variant, when the working fluid has a value of R / Cp greater than 1/16, R being the characteristic constant of the gas and Cp the specific heat at constant pressure measured at twice the critical absolute temperature of the fluid and at a thousandth of its critical absolute pressure, the flow dividing element is integrated in the condenser itself, which has three ways to have:

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una boca o colector de entrada de vapor previo al propio cambiador de calor del condensador, a steam inlet or manifold prior to the condenser's own heat exchanger,

--
un sistema de recogida o aspiración de vapor en la parte superior, a steam collection or aspiration system at the top,

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y el sistema clásico de recogida de condensado en la parte inferior que colecta dicho condensado o caudal principal y lo dirige a la bomba de impulsión. and the conventional condensate collection system at the bottom that collects said condensate or main flow and directs it to the discharge pump.

Para cualquiera de las variantes, también se prescribe que las entalpías específicas del caudal equilibrador a la salida del compresor y del caudal principal a la salida del circuito primario del regenerador difieren en menos de un 2% respecto del valor dado por el producto de R y la temperatura crítica en valor absoluto en unidades físicas coherentes. For any of the variants, it is also prescribed that the specific enthalpies of the equilibrium flow at the outlet of the compressor and the main flow at the output of the primary circuit of the regenerator differ by less than 2% from the value given by the product of R and the critical temperature in absolute value in coherent physical units.

Como variante de montaje, la instalación incorpora una válvula de laminación a la salida del circuito primario del regenerador, que reduce la presión del caudal principal de fluido tras la regeneración y antes de que se mezcle con el caudal equilibrador, para lo que se conecta la salida del circuito primario con la entrada de dicha válvula de laminación y la salida de la válvula de laminación con la entrada de fluido primario del elemento de unión de corrientes. De esa forma la presión de impulsión, Pimp, y la presión de aporte de calor principal, ahora denominada Pq, son independientes. El grado de libertad generado se restringe porque se prescribe que la presión de aporte de calor principal, Pq, es menor que la presión de impulsión, Pimp, y mayor que la media geométrica de Pimp y Pmin. As a mounting variant, the installation incorporates a rolling valve at the outlet of the primary regenerator circuit, which reduces the pressure of the main fluid flow after regeneration and before it is mixed with the balancing flow, for which the output of the primary circuit with the inlet of said rolling valve and the output of the rolling valve with the primary fluid inlet of the current joining element. Thus, the discharge pressure, Pimp, and the main heat input pressure, now called Pq, are independent. The degree of freedom generated is restricted because it is prescribed that the main heat input pressure, Pq, is less than the discharge pressure, Pimp, and greater than the geometric average of Pimp and Pmin.

Por último, el aporte de calor principal es por calor sensible. Esto implica que la temperatura media de aporte de calor es prácticamente la media aritmética entre la temperatura de entrada al equipo de aporte de calor y la de salida. Esto, a semejanza de los ciclos Brayton, se puede mejorar haciendo la expansión escalonada con recalentamiento intermedio. De esta forma la temperatura de salida del equipo expansor es mayor y la capacidad de regeneración es mayor. Finally, the main heat input is by sensible heat. This implies that the average heat input temperature is practically the arithmetic average between the temperature of the heat input and the output temperature. This, similar to the Brayton cycles, can be improved by making the stepwise expansion with intermediate reheating. In this way the output temperature of the expander equipment is higher and the regeneration capacity is higher.

Para ello se prescribe que la expansión se realiza como variante de montaje en dos etapas, con un recalentamiento intermedio hasta la misma Tmax a una presión intermedia pmed, para lo cual: For this, it is prescribed that the expansion is carried out as a two-stage mounting variant, with an intermediate reheating up to the same Tmax at a pmed intermediate pressure, for which:

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la máquina de expansión incluye dos cuerpos de expansión del vapor y además hay un segundo circuito de calentamiento en el equipo de aporte de calor principal;  The expansion machine includes two steam expansion bodies and there is also a second heating circuit in the main heat input equipment;

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se conecta la salida del primer circuito de calentamiento principal a la entrada del primer cuerpo expansor, la salida del primer cuerpo expansor a la entrada del segundo circuito de calentamiento principal, la salida de este segundo circuito a la entrada del segundo cuerpo expansor, y la salida de este último a la entrada del circuito secundario del regenerador;  the output of the first main heating circuit is connected to the input of the first expander body, the output of the first expander body to the input of the second main heating circuit, the output of this second circuit to the input of the second expander body, and the output of the latter to the input of the secondary circuit of the regenerator;

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se selecciona la presión intermedia pmed de forma que las potencias que proporcionan ambos cuerpos del elemento expansor no difieren en más de un 20% entre sí.  the intermediate pressure pmed is selected so that the powers provided by both bodies of the expander element do not differ by more than 20% from each other.

Con todo ello, tanto la instalación como el ciclo, con cualquiera de las variaciones propuestas, quedan completamente definidos. La aplicación está también caracterizada por el tipo de fuente térmica. El calor aportado en equipo de aporte de calor principal procede de alguna de las siguientes fuentes: With all this, both the installation and the cycle, with any of the proposed variations, are completely defined. The application is also characterized by the type of thermal source. The heat provided in main heat input equipment comes from one of the following sources:

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una instalación de captación de energía termosolar, a solar thermal energy collection facility,

- -
de origen geotérmico, of geothermal origin,

- -
de cualquier tipo de combustión, of any type of combustion,

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de reacciones y radiaciones nucleares, of nuclear reactions and radiation,

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del calor cedido de un ciclo Brayton de temperatura más alta, en su rama fría, que la temperatura de aporte de calor principal de este ciclo. of the heat yielded from a higher temperature Brayton cycle, in its cold branch, than the main heat input temperature of this cycle.
Breve descripción de las figuras Brief description of the figures

La figura 1 muestra un ejemplo de materialización del ciclo híbrido Brayton-Rankine indicando los componentes requeridos, mientras que las figuras 2 y 3 presentan los diagramas termodinámicos temperatura-entropía específica y presión-entalpía específica de una definición termodinámica del ciclo usando isobutano como fluido de trabajo. Figure 1 shows an example of the realization of the Brayton-Rankine hybrid cycle indicating the required components, while Figures 2 and 3 present the thermodynamic temperature-specific entropy and pressure-enthalpy diagrams specific to a thermodynamic definition of the cycle using isobutane as the flow fluid. job.

La figura 4 muestra una configuración con variante en el diseño del condensador de tres vías que permite acceder al vapor saturado. Figure 4 shows a configuration with variant in the design of the three-way condenser that allows access to saturated steam.

La figura 5 muestra una configuración que introduce una válvula de laminación que permite introducir un nuevo grado de libertad al diseño termodinámico del ciclo. La figura 6 muestra el diagrama presión-entalpía asociado a esta variante de materialización. Figure 5 shows a configuration that introduces a rolling valve that allows a new degree of freedom to be introduced into the thermodynamic design of the cycle. Figure 6 shows the pressure-enthalpy diagram associated with this materialization variant.

Por último, la figura 7 muestra otra configuración que permite incrementar la temperatura media de aporte de calor. La figura 8 muestra el diagrama temperatura-entropía asociado a la variante. Finally, Figure 7 shows another configuration that allows to increase the average heat input temperature. Figure 8 shows the temperature-entropy diagram associated with the variant.

Para facilitar la comprensión de las figuras y de las materializaciones preferentes de la invención, a continuación se relacionan los elementos relevantes de la misma, que aparecen en las figuras, y los puntos termodinámicos característicos: To facilitate the understanding of the figures and of the preferred embodiments of the invention, the relevant elements thereof, which appear in the figures, and the characteristic thermodynamic points are listed below:

1. one.
Máquina expansora, que puede ser una turbina. Expander machine, which can be a turbine.

2. 2.
Intercambiador de calor regenerativo o regenerador. Regenerative heat exchanger or regenerator.

3. 3.
Circuito primario del regenerador (2). Primary regenerator circuit (2).

4. Four.
Circuito secundario del regenerador (2). Secondary regenerator circuit (2).

5. 5.
Elemento divisor de caudales, que divide el caudal total de fluido en dos, el principal y el equilibrador. Flow dividing element, which divides the total flow of fluid into two, the main and the balancer.

6. 6.
Compresor o máquina compresora. Compressor or compressor machine.

7. 7.
Elemento de unión de caudales, que mezcla los caudales principal y equilibrador para obtener el total. Flow joint element, which mixes the main and balancer flows to obtain the total.

8. 8.
Equipo de aporte de calor principal al fluido alimentado térmicamente por un fluido calorífero que proviene de una fuente térmica y que puede ser el propio fluido de trabajo del ciclo. Main heat input equipment to the fluid thermally fed by a heating fluid that comes from a thermal source and which can be the cycle's own working fluid.

9. 9.
Circuito de aporte de calor del equipo de aporte de calor principal (8), en el que se calienta el fluido de trabajo gracias a la energía térmica aportada bien por un fluido calorífero en el circuito secundario (10), que proviene de una fuente térmica, o bien por la propia fuente térmica en caso de que el fluido calorífero coincida con el fluido de trabajo. Heat input circuit of the main heat input equipment (8), in which the working fluid is heated thanks to the thermal energy supplied by a heating fluid in the secondary circuit (10), which comes from a thermal source , or by the thermal source itself in case the heating fluid coincides with the working fluid.

10. 10.
Circuito secundario del equipo de aporte de calor principal (8), que transfiere la energía térmica de la fuente térmica al fluido de trabajo. Secondary circuit of the main heat input equipment (8), which transfers the thermal energy from the thermal source to the working fluid.

11. eleven.
Condensador, refrigerado por un fluido refrigerante como puede ser aire, agua o cualquier otro, cuya temperatura a la entrada del equipo está marcada por el ambiente y se denomina Tamb· Condenser, cooled by a cooling fluid such as air, water or any other, whose temperature at the entrance of the equipment is marked by the environment and is also called Tamb ·

12. 12.
Circuito primario del condensador (11), donde se produce la condensación del fluido de trabajo. Primary condenser circuit (11), where condensation of the working fluid occurs.

13. 13.
Circuito secundario del condensador (11), por el que circula el refrigerante que absorbe el calor de la condensación. Secondary condenser circuit (11), through which the refrigerant that absorbs the heat of the condensation circulates.

14. 14.
Bomba de impulsión que circula y presuriza el fluido de trabajo en fase líquida. Drive pump that circulates and pressurizes the working fluid in liquid phase.

15. fifteen.
Eje del compresor, del expansor y del generador eléctrico (16). Shaft of compressor, expander and electric generator (16).

16. 16.
Generador eléctrico. Electric generator.

17. 17.
Variante del condensador de forma que el divisor de caudal queda integrado en el propio condensador configurando un condensador de tres vías. Condenser variant so that the flow divider is integrated into the condenser itself by configuring a three-way condenser.

18. 18.
Sistema de recogida de condensado. Condensate collection system.

19. 19.
Sistema de recogida de vapor saturado. Saturated steam collection system.

20. twenty.
Válvula de laminación a la salida del circuito primario (3) del regenerador (2) que reduce la presión del caudal principal de fluido tras la regeneración y antes de que se mezcle con el caudal equilibrador. Rolling valve at the outlet of the primary circuit (3) of the regenerator (2) that reduces the pressure of the main flow of fluid after regeneration and before it is mixed with the equilibrium flow.

21. twenty-one.
Primer cuerpo expansor de la máquina expansora. First expander body of the expander machine.

22. 22
Segundo cuerpo expansor de la máquina expansora. Second expander body of the expander machine.

23. 2. 3.
Segundo circuito de aporte de calor principal del equipo de aporte de calor principal (8). Second main heat input circuit of the main heat input equipment (8).

Además de los identificadores anteriores, que hacen referencia a elementos físicos del circuito para ejecutar el ciclo, y de sus sistemas auxiliares, en los dibujos se utilizan las siguientes etiquetas alfabético-numéricas para identificar a distintos estados termodinámicos del fluido de trabajo: In addition to the previous identifiers, which refer to physical elements of the circuit to execute the cycle, and their auxiliary systems, the following alphabetic-numerical labels are used in the drawings to identify different thermodynamic states of the working fluid:

f1. Estado termodinámico del fluido de trabajo a la salida del equipo de aporte de calor principal (8) y entrada al expansor (1). f1. Thermodynamic state of the working fluid at the exit of the main heat input equipment (8) and input to the expander (1).

f2. Estado termodinámico del fluido de trabajo a la salida del expansor (1) y entrada al regenerador (2) por su circuito secundario (4). f2. Thermodynamic state of the working fluid at the outlet of the expander (1) and input to the regenerator (2) by its secondary circuit (4).

f3. Estado termodinámico del fluido de trabajo a la salida del circuito secundario (4) del regenerador (2). Se denomina f3' al punto de entrada al equipo compresor. f3. Thermodynamic state of the working fluid at the output of the secondary circuit (4) of the regenerator (2). The entry point to the compressor equipment is called f3 '.

f4. Estado termodinámico del fluido de trabajo a la salida del compresor (6) y entrada al elemento de unión de caudales (7). f4. Thermodynamic state of the working fluid at the outlet of the compressor (6) and input to the flow joint element (7).

f5. Estado termodinámico del fluido de trabajo correspondiente al líquido saturado condensado que sale del equipo condensador (11) y que entra en la bomba de impulsión (14). f5. Thermodynamic state of the working fluid corresponding to the saturated condensed liquid leaving the condensing equipment (11) and entering the discharge pump (14).

f6. Estado termodinámico del fluido de trabajo a la salida de la bomba de impulsión (14) y entrada al regenerador f6. Thermodynamic state of the working fluid at the outlet of the discharge pump (14) and input to the regenerator

(2) por su circuito primario (3). (2) by its primary circuit (3).

f7. Estado termodinámico del fluido de trabajo a la salida del circuito primario (3) del regenerador (2) y entrada bien al elemento de unión de caudales (7) o bien a la válvula de laminación (20). f7. Thermodynamic state of the working fluid at the outlet of the primary circuit (3) of the regenerator (2) and input either to the flow joint element (7) or to the rolling valve (20).

f8. Estado termodinámico del fluido de trabajo a la salida del elemento de unión de caudales (7) y entrada al equipo de aporte de calor principal (8). f8. Thermodynamic state of the working fluid at the outlet of the flow joint element (7) and input to the main heat input equipment (8).

f9. Estado termodinámico del fluido de trabajo a la salida de la válvula de laminación (20) y entrada al elemento de unión de caudales (7). f9. Thermodynamic state of the working fluid at the outlet of the rolling valve (20) and inlet to the flow joint element (7).

f10. Estado termodinámico del fluido de trabajo a la salida del primer cuerpo expansor (21) y entrada al segundo circuito de aporte de calor principal (23) cuando la expansión es escalonada con aporte intermedio de calor. f10. Thermodynamic state of the working fluid at the exit of the first expander body (21) and input to the second main heat input circuit (23) when the expansion is staggered with intermediate heat input.

f11. Estado termodinámico del fluido de trabajo a la salida del segundo circuito de aporte de calor principal (23) y entrada al segundo cuerpo expansor (22) cuando la expansión es escalonada con aporte intermedio de calor. f11. Thermodynamic state of the working fluid at the exit of the second main heat input circuit (23) and input to the second expander body (22) when the expansion is staggered with intermediate heat input.

Cada uno de los puntos anteriores queda completamente definido si se especifican dos de sus variables termodinámicas (de entre la temperatura, entropía, entalpía, presión y volumen específico) excepto el punto f5 para el que es solamente necesario especificar la temperatura o la presión de condensación. Each of the above points is completely defined if two of its thermodynamic variables are specified (between temperature, entropy, enthalpy, pressure and specific volume) except point f5 for which it is only necessary to specify the temperature or the condensation pressure .

Descripción de una forma de realización de la invención Description of an embodiment of the invention

La invención requiere identificar fluidos que cumplan satisfactoriamente con los requisitos establecidos en las prescripciones de la invención. Si bien las prescripciones permiten el uso de cualquier fluido, tanto negativos como isentrópicos o positivos, los muy positivos, con valores de R/Cp (medidos a una milésima parte de la presión absoluta crítica y a dos veces la temperatura absoluta crítica) menores a 1/20 no son aconsejables, puesto que la compresión implica una licuefacción del fluido. A elegir entre los negativos y los isentrópicos, siendo ambos válidos, son preferibles los isentrópicos, puesto que la diferencia entre el valor del Cp en estado líquido y en estado gaseoso es menor, lo que permite un menor caudal equilibrador y un menor consumo por parte de equipo de compresión. Para aplicaciones solares con temperaturas máximas en tomo a 400ºC son los más aconsejables, pero no limitativos: The invention requires identifying fluids that satisfactorily meet the requirements set forth in the prescriptions of the invention. Although the prescriptions allow the use of any fluid, both negative and isentropic or positive, the very positive ones, with R / Cp values (measured at one thousandth of the critical absolute pressure and twice the critical absolute temperature) less than 1 / 20 are not advisable, since compression implies a liquefaction of the fluid. To choose between the negative and the isentropic, both being valid, the isentropic are preferable, since the difference between the value of the Cp in the liquid state and in the gaseous state is smaller, which allows a lower equilibrium flow rate and a lower consumption per part. of compression equipment. For solar applications with maximum temperatures in volume at 400ºC they are the most advisable, but not limiting:

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isopropanol; isopropanol;

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acetona; acetone;

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y R141b. and R141b.

También son aconsejables, aunque se prestan peor, el isobutano y el hexafluoruro de azufre, entre otros. They are also advisable, although they are worse, isobutane and sulfur hexafluoride, among others.

Se describe a continuación una realización preferida de la invención, aunque no única o limitativa, y posteriormente se introducen ligeras variantes que permiten introducir las diferentes opciones antedichas, tampoco limitativas. A preferred embodiment of the invention is described below, although not unique or limiting, and then slight variations are introduced that allow the different options mentioned above to be introduced, neither limiting.

Para conseguir materializar la invención descrita y los objetivos propuestos se implementa el siguiente ciclo (figuras 1 a 3): In order to achieve the described invention and the proposed objectives, the following cycle is implemented (Figures 1 to 3):

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el fluido de trabajo se calienta en fase gaseosa en el equipo de aporte de calor principal (8); the working fluid is heated in the gas phase in the main heat supply equipment (8);

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el vapor a la salida del aporte principal de calor se expande en la máquina expansora (1); the steam at the outlet of the main heat input expands in the expander machine (1);

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el vapor a la salida de la máquina expansora (1) se introduce en el regenerador (2) donde cede calor circulando por circuito secundario (4) y consecuentemente se enfría; the steam at the exit of the expander machine (1) is introduced into the regenerator (2) where heat is circulating circulating through the secondary circuit (4) and consequently it is cooled;

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a la salida del circuito secundario (4) del regenerador (3) el flujo se divide en dos caudales, el principal y el equilibrador; at the output of the secondary circuit (4) of the regenerator (3) the flow is divided into two flows, the main and the balancer;

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el caudal equilibrador se dirige al compresor (6), que se conecta a su salida con el equipo de aporte de calor principal (8) para cerrar un ciclo Brayton, aunque no de caudal constante a lo largo del mismo; the equilibrium flow is directed to the compressor (6), which is connected at its outlet with the main heat input equipment (8) to close a Brayton cycle, although not constant flow along it;

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el caudal principal se dirige al condensador (11) donde se condensa a temperatura constante cediendo calor al entorno; the main flow is directed to the condenser (11) where it condenses at a constant temperature giving heat to the environment;

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posteriormente se bombea el líquido condensado en la bomba de impulsión (14), tras lo cual se precalienta o regenera en el circuito primario (3) del regenerador (2) y finalmente llega al elemento de unión (7) con el flujo equilibrador, con el que se dirige al equipo de aporte de calor (8) principal, configurando un ciclo Rankine, aunque no de caudal constante. subsequently the condensed liquid is pumped into the discharge pump (14), after which it is preheated or regenerated in the primary circuit (3) of the regenerator (2) and finally reaches the junction element (7) with the equilibrium flow, with which is directed to the main heat input equipment (8), configuring a Rankine cycle, although not constant flow.

El caudal principal es el propio del ciclo Rankine y el que se regenera. El caudal equilibrador es el propio del ciclo Brayton y tiene la misión de ser el caudal másico extra que, unido al principal, cede calor en el regenerador para aumentar la capacidad calorífica del fluido caliente, de Cp menor que el líquido. Ambos caudales reciben el aporte principal de calor proveniente de la fuente térmica (10) simultáneamente, y comparten asimismo expansor o turbina (1). The main flow is that of the Rankine cycle and that is regenerated. The equilibrium flow rate is that of the Brayton cycle and has the mission of being the extra mass flow which, together with the main one, yields heat in the regenerator to increase the heat capacity of the hot fluid, of Cp less than the liquid. Both flows receive the main heat input from the thermal source (10) simultaneously, and also share an expander or turbine (1).

La figura 1 presenta un esquema mecánico de la invención. Las figuras 1 y 2 completan el ejemplo mostrando los diagramas termodinámicos temperatura-entropía específica y presión-entalpía específica del ciclo. Ambos son ejemplarizados con isobutano, fluido prácticamente isentrópico o ligeramente positivo con un factor R/Cp aproximadamente igual a 1/15 medido en las condiciones antedichas. Figure 1 presents a mechanical scheme of the invention. Figures 1 and 2 complete the example showing the thermodynamic diagrams specific temperature-entropy and pressure-specific enthalpy of the cycle. Both are exemplified with isobutane, practically isentropic or slightly positive fluid with an R / Cp factor approximately equal to 1/15 measured in the above conditions.

A partir de esta configuración inicial se deben matizar una serie de aspectos. En primer lugar, el inicio de la compresión según el esquema de la figura 1 tiene lugar tras la salida del vapor del regenerador. Sin embargo, el punto inicial de la compresión puede ser la condición de vapor saturado, accesible desde la parte superior del condensador de tres vías (19) si éste cuenta con un depósito o calderín separador de fases tras el intercambiador de calor. Esto es aconsejable dado que la compresión consume menor trabajo si se efectúa a menor temperatura. Esta variante, que ya se ha introducido en las figuras 2 y 3, es posible si el fluido es isentrópico o negativo, pero no cuando es marcadamente positivo puesto que la compresión implicaría una licuefacción con una enorme variación de volumen. From this initial configuration a series of aspects must be qualified. In the first place, the commencement of compression according to the scheme in Figure 1 takes place after the steam comes out of the regenerator. However, the initial point of compression may be the condition of saturated steam, accessible from the top of the three-way condenser (19) if it has a tank or boiler phase separator after the heat exchanger. This is advisable since compression consumes less work if it is done at a lower temperature. This variant, which has already been introduced in Figures 2 and 3, is possible if the fluid is isentropic or negative, but not when it is markedly positive since compression would involve liquefaction with a huge variation in volume.

Por otro lado, la regeneración del líquido es por calor sensible, sin evaporación y hasta una temperatura alta. La presión absoluta de trabajo es muy alta, al menos dos veces la crítica, para evitar no solo que no se produzca evaporación a temperatura constante, sino que el valor del Cp del líquido apenas varíe durante el proceso de regeneración y cumplir, además, la prescripción de que el Cp del punto pseudo-crítico de la isóbara sea como máximo el triple que el Cp del líquido a la salida de la bomba. A presiones subcríticas, el Cp de líquido es casi constante pero se hace infinito durante la evaporación y en el punto crítico. Como se ha dicho, con la invención se evita el cambio de fase en una transferencia interna de calor, ya que implica altas diferencias de temperaturas entre las corrientes. Si la presión es moderadamente supercrítica, no hay discontinuidad en el cambio de fase pero el Cp crece muy rápidamente en la zona cercana al punto crítico y alcanza un máximo en el llamado punto pseudo-crítico, para luego descender, por lo que el comportamiento respecto de las irreversibilidades es similar al caso de una evaporación, aunque algo menos desfavorable. A muy alta presión, sin embargo, cada vez el Cp en el punto pseudo-crítico es menor. Lo que busca la invención es hacer uso de esa propiedad, consiguiendo un precalentamiento prácticamente con Cp constante en el líquido (y también en el vapor que cede calor). El cambio de fase, muy continuo, tiene lugar durante el aporte principal de calor. La variación del Cp en ese proceso de cambio de fase es muy suave, y consiste más en una transición desde el valor del Cp de líquido, mayor, al valor del Cp del vapor, menor, sin pasar por un máximo intermedio muy marcado. Este comportamiento se comprueba observando las isóbaras del isobutano en la figura 2 correspondientes a 40 y 100 bar, moderadamente supercrítica y muy supercrítica respectivamente. La isóbara de 40 bar varía su pendiente hasta que casi es nula (máximo Cp), mientras que la de alta presión es prácticamente una línea recta sin transición marcada entre líquido y vapor. On the other hand, the regeneration of the liquid is by sensible heat, without evaporation and up to a high temperature. The absolute working pressure is very high, at least twice the criticism, to avoid not only that evaporation does not occur at a constant temperature, but that the Cp value of the liquid hardly varies during the regeneration process and also comply with the prescription that the Cp of the pseudo-critical point of the isobar is at most three times the Cp of the liquid at the pump outlet. At subcritical pressures, the liquid Cp is almost constant but becomes infinite during evaporation and at the critical point. As mentioned, with the invention the phase change in an internal heat transfer is avoided, since it implies high temperature differences between the currents. If the pressure is moderately supercritical, there is no discontinuity in the phase change but the Cp grows very rapidly in the area near the critical point and reaches a maximum in the so-called pseudo-critical point, then descends, so that the behavior regarding of irreversibilities is similar to the case of evaporation, although somewhat less unfavorable. At very high pressure, however, each time the Cp at the pseudo-critical point is lower. What the invention seeks is to make use of that property, achieving a preheating practically with constant Cp in the liquid (and also in the steam that yields heat). The phase change, very continuous, takes place during the main heat input. The variation of the Cp in that phase change process is very smooth, and consists more of a transition from the value of the liquid Cp, greater, to the value of the vapor Cp, smaller, without going through a very marked intermediate maximum. This behavior is checked by observing the isobutane isobars in Figure 2 corresponding to 40 and 100 bar, moderately supercritical and very supercritical respectively. The isobar of 40 bar varies its slope until it is almost zero (maximum Cp), while the high pressure is practically a straight line with no marked transition between liquid and steam.

Otra cuestión importante tiene relación con la mezcla de los fluidos principal (que proviene del regenerador) y equilibrador (que procede del equipo compresor). Para evitar las irreversibilidades, ambas corrientes deben mezclarse con el mismo estado termodinámico, o muy aproximado. Esta característica también se prescribe. Another important issue is related to the mixture of the main fluids (which comes from the regenerator) and balancer (which comes from the compressor equipment). To avoid irreversibilities, both currents must be mixed with the same thermodynamic state, or very approximate. This feature is also prescribed.

Al incorporarse todas las anteriores restricciones, el ciclo queda muy constreñido, sin apenas grados de libertad. Por ese motivo se introduce una variante que incorpora una válvula para desligar la presión de impulsión y de precalentamiento en el regenerador de la presión de calentamiento principal por la fuente térmica. By incorporating all the previous restrictions, the cycle is very constrained, with hardly any degrees of freedom. For this reason, a variant is introduced that incorporates a valve to release the supply and preheating pressure in the regenerator of the main heating pressure by the thermal source.

Por último, el aporte de calor principal es por calor sensible. Esto implica que la temperatura media de aporte de calor es prácticamente la media aritmética entre la temperatura de entrada al equipo de aporte de calor y la de salida. Esto, a semejanza de los ciclos Brayton, se puede mejorar haciendo la expansión escalonada con recalentamiento intermedio. De esta forma la temperatura de salida del equipo expansor es mayor y la capacidad de regeneración es mayor. Esta característica, opcional, también se prescribe. Finally, the main heat input is by sensible heat. This implies that the average heat input temperature is practically the arithmetic average between the temperature of the heat input and the output temperature. This, similar to the Brayton cycles, can be improved by making the stepwise expansion with intermediate reheating. In this way the output temperature of the expander equipment is higher and the regeneration capacity is higher. This feature, optional, is also prescribed.

Con todo ello, se pueden definir los procesos y las principales variables del diseño que trabaja en la zona óptima de forma idealizada y aproximada: With all this, you can define the processes and the main variables of the design that works in the optimal area in an idealized and approximate way:

1. one.
Se selecciona un fluido con curva de vapor saturado prácticamente isentrópica. Para aplicaciones solares de hasta 400ºC son adecuados el isopropanol, la acetona y el R141b. También pueden serlo el isobutano y el hexafluoruro de azufre. A fluid with a virtually isentropic saturated vapor curve is selected. For solar applications up to 400 ° C, isopropanol, acetone and R141b are suitable. So can isobutane and sulfur hexafluoride.

2. 2.
Se parte de un condensado que trabaja a una temperatura de saturación Tmin del que se puede extraer líquido saturado y vapor saturado. En una aplicación solar Tmin tomaría valores en tomo a 350 K para que fuera refrigerado por aire. It is based on a condensate that works at a saturation temperature Tmin from which saturated liquid and saturated steam can be extracted. In a solar application Tmin would take values in volume at 350 K to be cooled by air.

3. 3.
Se recoge una fracción de líquido saturado (la mayor parte) a la presión de condensación y se bombea de forma casi isentrópica hasta una presión de trabajo supercrítica, en tomo al doble de la presión absoluta crítica. A fraction of saturated liquid (most of it) is collected at the condensation pressure and pumped almost isentropically to a supercritical working pressure, taking twice the critical absolute pressure.

4. Four.
Se recoge cierta fracción de vapor saturado (una fracción menor) que se comprime hasta la presión de trabajo supercrítica anterior. A certain fraction of saturated steam (a smaller fraction) is collected and compressed to the previous supercritical working pressure.

5. 5.
El líquido comprimido se precalienta en el regenerador con un Cp prácticamente constante hasta que su entropía alcanza el valor del vapor comprimido. En ese momento se tiene una temperatura Treg· The compressed liquid is preheated in the regenerator with a practically constant Cp until its entropy reaches the value of compressed steam. At that time you have a temperature Treg ·

6. 6.
Tras la regeneración, se mezcla con la salida del compresor y se procede al calentamiento principal hasta la temperatura de consigna Tmax (unos 670 K en aplicaciones solares). After regeneration, it is mixed with the compressor outlet and the main heating is carried out until the setpoint temperature Tmax (about 670 K in solar applications).

7. 7.
El vapor se expande hasta la presión de condensación. La temperatura de salida de la turbina será ligeramente mayor a Treg para poder efectuar la regeneración. The steam expands to the condensation pressure. The turbine outlet temperature will be slightly higher than Treg in order to be able to regenerate.

8. 8.
El vapor se dirige al regenerador para precalentar el líquido procedente de la bomba. El caudal másico del fluido que se calienta es menor que el del que se enfría de tal manera que la capacidad calorífica de ambas corrientes (m·Cp) sea la misma. The steam is directed to the regenerator to preheat the liquid from the pump. The mass flow rate of the fluid that is heated is less than that of the one that is cooled in such a way that the heat capacity of both streams (m · Cp) is the same.

9. 9.
El vapor que se enfría, a la salida del regenerador, se dirige al condensador, donde se enfría. The steam that cools, at the outlet of the regenerator, goes to the condenser, where it cools.

Para que se cumpla que, efectivamente, la temperatura de salida del compresor y de salida de la turbina es la misma, se ha de cumplir orientativamente que Treg2 =Tmax·Tmin. Si bien la igualdad no se satisface debido a que el gamma del vapor no es el mismo durante la compresión que durante la expansión. Asimismo, la relación de presiones ha de cumplir aproximadamente que Tmax/Treg = (pmax/pmin)^(R/Cp). In order for it to be fulfilled that, in fact, the temperature of the compressor's output and the turbine's output is the same, it must be adhered to that Treg2 = Tmax · Tmin. While equality is not satisfied because the steam gamma is not the same during compression than during expansion. Likewise, the pressure ratio must comply approximately with Tmax / Treg = (pmax / pmin) ^ (R / Cp).

La estimación aproximada del rendimiento máximo suponiendo todos los procesos sin irreversibilidades se puede calcular considerando la temperaturas medias de cesión de calor igual a Tmin y la temperatura media de aporte de calor como la media aritmética de Treg y Tmax· De esta forma: The approximate estimate of the maximum performance assuming all processes without irreversibility can be calculated considering the average heat transfer temperatures equal to Tmin and the average heat input temperature such as the arithmetic mean of Treg and Tmax · Thus:

que para el caso de un factor de Carnot de 1,92 toma un valor del 39,5%, mientras que el rendimiento de Carnot sería de 47,9% y el de otros ciclos convencionales no supera el 28%. Este valor del 39,5% debe ser minorado por el factor de irreversibilidades, que se ha tomado como la unidad al ser todos los procesos ideales. Con un valor de FΔs en tomo al 90% se puede superar el 35% operando entre 400ºC y 75ºC, notablemente mejores a los actuales ciclos. that in the case of a Carnot factor of 1.92 it takes a value of 39.5%, while the Carnot yield would be 47.9% and that of other conventional cycles does not exceed 28%. This value of 39.5% must be reduced by the irreversibility factor, which has been taken as the unit as all the ideal processes. With a value of FΔs in volume of 90%, 35% can be exceeded operating between 400ºC and 75ºC, notably better than the current cycles.

Claims (8)

REIVINDICACIONES 1. Dispositivo para generación de energía mecánica según un ciclo híbrido Brayton-Rankine regenerativo y equilibrado que comprende: 1. Device for generating mechanical energy according to a regenerative and balanced Brayton-Rankine hybrid cycle comprising:
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un fluido de trabajo condensable, para el que se define el punto pseudo-crítico de una isóbara supercrítica como el punto de mayor calor específico a presión constante, Cp, de la isóbara, siendo este valor de Cp infinito en el punto crítico, y descendiendo su valor conforme aumenta la presión; a condensable working fluid, for which the pseudo-critical point of a supercritical isobar is defined as the point of highest specific heat at constant pressure, Cp, of the isobar, this value of Cp being infinite at the critical point, and descending its value as the pressure increases;
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un equipo de expansión (1) del fluido de trabajo en fase gaseosa; an expansion unit (1) of the working fluid in the gas phase;
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un intercambiador de calor, tipo regenerador (2), con dos circuitos, el primario (3) que recibe calor y el secundario (4) que lo cede; a heat exchanger, regenerator type (2), with two circuits, the primary (3) that receives heat and the secondary (4) that yields it;
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un elemento de división de caudal (5) que divide el flujo total de entrada en dos, denominados flujo principal y flujo equilibrador; a flow division element (5) that divides the total inlet flow into two, called main flow and equilibrium flow;
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un equipo para la compresión (6) del fluido en fase gaseosa cuyo eje (15) puede estar unido mecánicamente o solidariamente al equipo expansor (1) o no; an equipment for compression (6) of the gas phase fluid whose axis (15) can be mechanically or jointly attached to the expander equipment (1) or not;
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un equipo para la condensación (11) del fluido, refrigerado por un fluido refrigerante como puede ser aire, agua a device for the condensation (11) of the fluid, cooled by a cooling fluid such as air, water
o cualquier otro, cuya temperatura a la entrada del equipo está marcada por el ambiente y se denomina Tamb; or any other, whose temperature at the entrance of the equipment is marked by the environment and is called Tamb;
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una bomba de impulsión (14) para circular y presurizar el fluido en fase líquida; a drive pump (14) to circulate and pressurize the fluid in liquid phase;
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un equipo de aporte de calor principal (8) al fluido alimentado térmicamente por un fluido calorífero que proviene de una fuente térmica y que puede ser el propio fluido de trabajo del ciclo; a main heat input equipment (8) to the fluid thermally fed by a heating fluid that comes from a thermal source and which can be the cycle's own working fluid;
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un elemento de unión de caudales (7); a flow joint element (7);
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y un elemento transmisor o transformador de la potencia mecánica producida como puede ser un eje o un generador eléctrico (16), entre otros; and a transmitter or transformer element of the mechanical power produced such as an axis or an electric generator (16), among others;
y en el que se conectan los componentes anteriores de la siguiente forma: and in which the previous components are connected as follows:
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el conducto o colector de salida del equipo de aporte de calor principal (8) se conecta a la entrada del equipo de expansión (1); the duct or outlet manifold of the main heat input equipment (8) is connected to the input of the expansion equipment (1);
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la salida del equipo de expansión (1) se conecta al regenerador (2) por la entrada de su circuito secundario (4); the output of the expansion equipment (1) is connected to the regenerator (2) by the input of its secondary circuit (4);
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la salida del equipo de condensación (11) se conecta con la entrada a la bomba de impulsión (14); the output of the condensing equipment (11) is connected to the input to the impulsion pump (14);
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la salida de la bomba de impulsión (14) se conecta con el regenerador (2) por la entrada de su circuito primario (3); the outlet of the impulse pump (14) is connected to the regenerator (2) by the input of its primary circuit (3);
caracterizado por que:  characterized by:
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la salida del circuito secundario (4) del regenerador (2) se conecta al elemento de división de caudal (5), que divide el caudal en dos: el flujo principal y el equilibrador; The output of the secondary circuit (4) of the regenerator (2) is connected to the flow division element (5), which divides the flow into two: the main flow and the balancer;
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y la salida de flujo principal del elemento de división de caudales se conecta con el equipo de condensación (11); and the main flow outlet of the flow splitting element is connected to the condensing equipment (11);
- y la salida del flujo equilibrador del elemento de división de caudales (5) se conecta con la entrada del equipo de compresión (6); - and the output of the balancing flow of the flow division element (5) is connected to the input of the compression equipment (6);
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y la salida del equipo de compresión (6) se conecta con la salida del circuito primario (3) del regenerador (2) a través del elemento de unión de caudales (7); and the output of the compression equipment (6) is connected to the output of the primary circuit (3) of the regenerator (2) through the flow joint element (7);
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y la salida del elemento de unión de caudales (7) se conecta con la entrada o colector de entrada del elemento de aporte de calor principal (8); and the output of the flow joint element (7) is connected to the input or inlet manifold of the main heat input element (8);
2. Procedimiento de uso del dispositivo para generación de energía mecánica según un ciclo híbrido Brayton-Rankine regenerativo y equilibrado, caracterizado por que las especificaciones termodinámicas a las que se ajusta su operación son que: 2. Procedure for using the device for generating mechanical energy according to a regenerative and balanced Brayton-Rankine hybrid cycle, characterized in that the thermodynamic specifications to which its operation conforms are that:
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la temperatura de condensación de consigna Tmin es la correspondiente a un estado de saturación con una presión Pmin inferior a la presión crítica del fluido y cuyos valores de entropía específica de líquido y vapor saturado se denominan sliq y svap respectivamente y las entalpías específicas de líquido y vapor saturado hliq y hvap respectivamente y se selecciona de forma que la temperatura Tmin es mayor a la temperatura del refrigerante exterior del condensador, marcada por el ambiente Tamb; the setpoint condensation temperature Tmin is that corresponding to a saturation state with a pressure Pmin lower than the critical pressure of the fluid and whose specific entropy values of liquid and saturated steam are called sliq and svap respectively and the specific enthalpies of liquid and saturated steam hliq and hvap respectively and is selected such that the temperature Tmin is higher than the temperature of the condenser outer refrigerant, marked by the environment Tamb;
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la presión absoluta en la impulsión de la bomba, Pimp, es supercrítica y es mayor que la presión de la isóbara cuyo punto pseudo-crítico presenta un valor del Cp tres veces mayor que el Cp del líquido medido en condiciones de salida de la bomba, definiéndose el punto pseudo-crítico de una isóbara supercrítica como el punto de mayor Cp de la isóbara; the absolute pressure in the pump drive, Pimp, is supercritical and is greater than the pressure of the isobar whose pseudo-critical point has a value of Cp three times greater than the Cp of the liquid measured under pump output conditions, the pseudo-critical point of a supercritical isóbara being defined as the point of greatest Cp of the isóbara;
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la temperatura absoluta del fluido principal a la salida circuito primario de regeneración, Treg, es igual o superior hasta en un 10% a la temperatura absoluta correspondiente al estado termodinámico con presión Pimp y entropía específica svap; the absolute temperature of the main fluid at the primary regeneration circuit outlet, Treg, is equal to or greater than 10% at the absolute temperature corresponding to the thermodynamic state with Pimp pressure and svap specific entropy;
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en el regenerador la tasa de paso de capacidad calorífica, o producto del calor específico medio por el caudal másico de cada una de las dos corrientes, son iguales entre sí, por lo que está equilibrado, especificándose que la proporción de caudal másico equilibrador se prescribe por in the regenerator the rate of passage of heat capacity, or product of the average specific heat by the mass flow rate of each of the two currents, is equal to each other, so that it is balanced, specifying that the proportion of mass flow balancing is prescribed by
mequilibrador / mtotal = (1 - cp, secundario / cp, primario) mequilibrador / mtotal = (1 - cp, secondary / cp, primary) siendo mequilibrador el caudal másico equilibrador, mtotal el caudal másico total, cp, secundario el calor específico a presión constante medio durante el enfriamiento de caudal total y cp, primario el calor específico a presión constante medio durante el calentamiento del caudal principal en el circuito primario, ambos en el regenerador, quedando determinado el caudal principal con la ecuación the balancing mass flow being a balancing device, total total flow rate, cp, secondary specific heat at medium constant pressure during total flow cooling and cp, primary specific heat at medium constant pressure during heating of main flow in the primary circuit , both in the regenerator, being determined the main flow with the equation mprincipal = mtotal - mequilibrador mprincipal = mtotal - mequilibrador siendo mprincipal el caudal másico principal;  the main mass flow being primary;
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estableciéndose la diferencia terminal de temperaturas en el regenerador en un valor mayor que 0 K y menor que 35 K, lo que determina la temperatura del gas a la salida del equipo expansor (1) y entrada al secundario establishing the terminal temperature difference in the regenerator at a value greater than 0 K and less than 35 K, which determines the temperature of the gas at the exit of the expander equipment (1) and input to the secondary
(4) del regenerador (2), siendo la temperatura del fluido en ese punto el valor de Treg más la diferencia terminal seleccionada, y cuya entropía, correspondiente a ese estado termodinámico, se denomina smax, y la generación de entropía en la expansión se denomina Δs, siendo la diferencia smax -Δs la entropía del vapor a la entrada a la turbina y siendo la presión en este punto de entrada a la turbina igual a la de impulsión de la bomba menos las pérdidas de carga en el circuito termohidráulico, por lo que ambas magnitudes, entropía y presión, determinan unívocamente la temperatura de entrada a la turbina, Tmax. que se selecciona en el equipo principal de aportación de calor; (4) of the regenerator (2), the temperature of the fluid at that point being the Treg value plus the selected terminal difference, and whose entropy, corresponding to that thermodynamic state, is called smax, and the entropy generation in the expansion is denominated Δs, the difference being smax -Δs being the entropy of the steam at the entrance to the turbine and the pressure at this point of entry to the turbine being equal to that of the pump drive minus the pressure losses in the thermohydraulic circuit, for what both magnitudes, entropy and pressure, uniquely determine the turbine inlet temperature, Tmax. which is selected in the main heat input equipment;
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y quedando determinados, con todas las anteriores prescnpc1ones, los estados termodinámicos de todos los puntos de entrada y salida de los equipos y, consecuentemente, las entalpías correspondientes a cada uno de ellos. and being determined, with all the previous prescnpc1ones, the thermodynamic states of all the entry and exit points of the equipment and, consequently, the enthalpies corresponding to each of them.
3. Dispositivo para generación de energía mecánica según un ciclo híbrido Brayton-Rankine regenerativo y equilibrado según reivindicación primera y cuyo fluido de trabajo presenta un valor de R/Cp mayor que 1/16, siendo R la constante característica del gas y Cp el calor específico a presión constante medido a dos veces la temperatura absoluta crítica del fluido y a una milésima parte de su presión absoluta crítica, caracterizado por que el elemento divisor de caudal se integra en el propio condensador, que se dispone con tres vías (17) por tener: 3. Device for generating mechanical energy according to a regenerative and balanced Brayton-Rankine hybrid cycle according to claim one and whose working fluid has a value of R / Cp greater than 1/16, R being the constant characteristic of gas and Cp heat specific at constant pressure measured at twice the critical absolute temperature of the fluid and one thousandth of its critical absolute pressure, characterized in that the flow divider element is integrated in the condenser itself, which is arranged with three ways (17) for having :
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una boca o colector de entrada de vapor previo al propio cambiador de calor del condensador, a steam inlet or manifold prior to the condenser's own heat exchanger,
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un sistema de recogida o aspiración de vapor (19) en la parte superior, a steam collection or aspiration system (19) at the top,
--
el sistema clásico de recogida de condensado (18) en la parte inferior que colecta dicho condensado o caudal principal y lo dirige a la bomba de impulsión (14). the conventional condensate collection system (18) in the lower part that collects said condensate or main flow and directs it to the discharge pump (14).
4.Four.
Procedimiento de uso del dispositivo para generación de energía mecánica según un ciclo híbrido Brayton-Rankine regenerativo y equilibrado según reivindicación segunda y con elemento divisor de caudal integrado o no  Method of using the device for generating mechanical energy according to a regenerative and balanced Brayton-Rankine hybrid cycle according to claim two and with integrated or non-integrated flow divider element
integrado en el condensador, caracterizado por que las entalpías específicas del caudal equilibrador a la salida del compresor (6) y del caudal principal a la salida del circuito primario (3) del regenerador difieren en menos de un 2% respecto del valor dado por el producto de R y la temperatura crítica en valor absoluto en unidades físicas coherentes. integrated in the condenser, characterized in that the specific enthalpies of the balancing flow at the outlet of the compressor (6) and of the main flow at the output of the primary circuit (3) of the regenerator differ by less than 2% from the value given by the product of R and the critical temperature in absolute value in coherent physical units.
5.5.
Dispositivo para generación de energía mecánica según un ciclo híbrido Brayton-Rankine regenerativo y equilibrado según reivindicaciones primera o tercera, caracterizado por que en una variante de montaje se incorpora una válvula de laminación (20) a la salida del circuito primario (3) del regenerador (2) que reduce la presión del caudal principal de fluido tras la regeneración y antes de que se mezcle con el caudal equilibrador, para lo que se conecta la salida del circuito primario (3) con la entrada de la válvula de laminación (20) y la salida de la válvula de laminación (20) con la entrada de fluido primario del elemento de unión de corrientes (7).  Device for generating mechanical energy according to a regenerative and balanced Brayton-Rankine hybrid cycle according to first or third claims, characterized in that in a mounting variant a rolling valve (20) is incorporated at the output of the primary circuit (3) of the regenerator (2) which reduces the pressure of the main fluid flow after regeneration and before it is mixed with the balancing flow, for which the primary circuit outlet (3) is connected with the inlet of the rolling valve (20) and the outlet of the rolling valve (20) with the primary fluid inlet of the current connection element (7).
6.6.
Procedimiento de uso del dispositivo para generación de energía mecánica según un ciclo híbrido Brayton-Rankine regenerativo y equilibrado según reivindicación segunda o cuarta, y que incorpora una válvula de laminación a la salida del circuito primario del regenerador, caracterizado por que la presión de aporte de calor principal, ahora denominada Pq, menor que la presión de impulsión, Pimp, y mayor que la media geométrica de Pimp y Pmin·  Procedure for using the device for generating mechanical energy according to a regenerative and balanced Brayton-Rankine hybrid cycle according to claim two or four, and incorporating a rolling valve at the outlet of the primary circuit of the regenerator, characterized in that the supply pressure of main heat, now called Pq, less than the discharge pressure, Pimp, and greater than the geometric mean of Pimp and Pmin ·
7.7.
Dispositivo para generación de energía mecánica según un ciclo híbrido Brayton-Rankine regenerativo y equilibrado según reivindicaciones primera, tercera o quinta caracterizado por que, en una variante de montaje, la expansión se realiza en dos etapas, con un recalentamiento intermedio hasta la misma Tmax a una presión intermedia pmed, para lo cual:  Device for generating mechanical energy according to a regenerative and balanced Brayton-Rankine hybrid cycle according to first, third or fifth claims characterized in that, in a mounting variant, the expansion is carried out in two stages, with an intermediate reheating up to the same Tmax at an intermediate pressure pmed, for which:
--
el equipo de expansión incluye dos cuerpos de expansión (21 y 22) del vapor y un segundo circuito de calentamiento (23) en el equipo de aporte de calor principal (8);  the expansion equipment includes two expansion bodies (21 and 22) of the steam and a second heating circuit (23) in the main heat input equipment (8);
--
se conecta la salida del primer circuito de calentamiento principal (9) a la entrada del primer cuerpo expansor (21), la salida del primer cuerpo expansor (21) a la entrada del segundo circuito de calentamiento principal (23), la salida de este segundo circuito (23) a la entrada del segundo cuerpo expansor (22), y la salida de este último a la entrada del circuito secundario (4) del regenerador (2).  the output of the first main heating circuit (9) is connected to the input of the first expander body (21), the output of the first expander body (21) to the input of the second main heating circuit (23), the output of this second circuit (23) at the input of the second expander body (22), and the latter's output at the input of the secondary circuit (4) of the regenerator (2).
8. Procedimiento de uso del dispositivo para generación de energía mecánica según un ciclo híbrido Brayton-Rankine regenerativo y equilibrado según reivindicaciones segunda, cuarta o sexta, y con expansión en dos etapas con calentamiento intermedio caracterizado por que se selecciona la presión intermedia pmed de forma que la potencia que proporcionan ambos cuerpos del elemento expansor no difiera en más de un 20%. 8. Method of using the device for generating mechanical energy according to a regenerative and balanced Brayton-Rankine hybrid cycle according to claims second, fourth or sixth, and with two-stage expansion with intermediate heating characterized in that the intermediate pressure pmed is selected so that the power provided by both bodies of the expander element does not differ by more than 20%.
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