ES2635512T3 - Procedimiento para la conversión de energía térmica de baja temperatura en energía térmica a temperatura más alta por medio de energía mecánica y viceversa - Google Patents

Procedimiento para la conversión de energía térmica de baja temperatura en energía térmica a temperatura más alta por medio de energía mecánica y viceversa Download PDF

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ES2635512T3 ES08782795.2T ES08782795T ES2635512T3 ES 2635512 T3 ES2635512 T3 ES 2635512T3 ES 08782795 T ES08782795 T ES 08782795T ES 2635512 T3 ES2635512 T3 ES 2635512T3
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    • F25B3/00—Self-contained rotary compression machines, i.e. with compressor, condenser and evaporator rotating as a single unit

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Abstract

Procedimiento para la conversión de energía térmica de baja temperatura en energía térmica a temperatura más alta por medio de energía mecánica y a la inversa, con un medio de trabajo, que recorre un proceso de circuito cerrado termodinámico, en el que el proceso de circuito presenta las siguientes etapas de trabajo: - compresión adiabática del medio de trabajo, - disipación de calor isobárica del medio de trabajo, través de un medio de intercambio de calor, - distención adiabática del medio de trabajo, - alimentación de calor isobárica hacia el medio de trabajo, a través de un medio de intercambio de calor, en el que para la elevación o bien para la reducción de la presión del medio de trabajo durante la compresión o bien durante la expansión, se conduce el medio de trabajo con respecto a un eje de giro esencialmente radial hacia fuera o bien hacia dentro, con lo que se genera una elevación o bien una reducción de la fuerza centrífuga que actúa sobre el medio de trabajo, caracterizado porque el medio de trabajo se conduce durante el proceso de circuito cerrado así como los medios de intercambio de calor para la alimentación y disipación de calor alrededor del eje de giro, de manera que la energía de la circulación del medio de trabajo se mantiene esencialmente durante el proceso de circuito cerrado.

Description

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DESCRIPCION
Procedimiento para la conversion de ene^a termica de baja temperatura en ene^a termica a temperatura mas alta por medio de energfa mecanica y viceversa
La invencion se refiere a un procedimiento para la conversion de energfa termica de baja temperatura en energfa termica a temperatura mas alta por medio de energfa mecanica y a la inversa, es decir, a traves de la conversion de energfa termica de alta temperatura en energfa termica a temperatura mas baja con la cesion de energfa mecanica, con un medio de trabajo, que recorre un proceso de circuito cerrado termodinamico, en el que el proceso de circuito presenta las siguientes etapas de trabajo:
- compresion adiabatica reversible del medio de trabajo,
- disipacion de calor isobarica del medio de trabajo,
- distencion adiabatica reversible del medio de trabajo,
- alimentacion de calor isobarica hacia el medio de trabajo,
en el que para la elevacion o bien para la reduccion de la presion del medio de trabajo durante la compresion o bien durante la expansion, se conduce el medio de trabajo con respecto a un eje de giro esencialmente radial hacia fuera o bien hacia dentro, con lo que se genera una elevacion o bien una reduccion de la fuerza centnfuga que actua sobre el medio de trabajo.
Ademas, la invencion se refiere a un dispositivo para la realizacion de un procedimiento de acuerdo con la invencion con un compresor, una unidad de expansion y, respectivamente, un intercambiador de calor para la alimentacion de calor o bien la disipacion de calor, en el que el compresor y la unidad de expansion estan alojados de forma giratoria alrededor de un eje de giro y el compresor o bien la unidad de expansion estan configurados de tal manera que el medio de trabajo en el compresor se conduce con respecto al eje de giro esencialmente radial hacia fuera o bien en la unidad de expansion esencialmente radialmente hacia dentro, de manera que una elevacion de la presion o bien una reduccion de la presion se generan a traves de una elevacion o bien una reduccion de la fuerza centnfuga que actua sobre el medio de trabajo.
Se conocen a partir del estado de la tecnica diferentes dispositivos, llamados bombas de calor, en las que normalmente con la ayuda de un motor se calienta un medio de trabajo de temperatura mas baja a temperatura mas elevada a traves de la elevacion de la presion. En las bombas de calor conocida, se conduce el medio de trabajo en un proceso de circuito termodinamico, de manera que este proceso de circuito termodinamico comprende una evaporacion, compresion, licuacion y expansion en una bobina del medio de trabajo, es decir, que normalmente se modifica el estado de agregado del medio de trabajo.
En bombas de calor conocidas se emplea normalmente el refrigerante R134a o una mezcla, que esta constituida, entre otras cosas, por R134a, que no presenta, en efecto, ninguna accion perturbadora del ozono, pero presenta una formacion de invernadero 1300 veces mayor que la misma cantidad de CO2.
Tales procedimientos, que se realizan esencialmente segun el proceso-Camot, presentan un mdice de potencia teorico o COP (Coeficiente de Actuacion), es decir, una relacion entre el calor cedido y la energfa electrica empleada de aproximadamente 5,5 (durante el "bombeo" del medio de trabajo de 0 a 35°C). Sin embargo, en la practica, hasta ahora en el mejor de los casos se alcanza un mdice de potencia de 4,9, en general, las bombas de calor buenas actuales alcanzan un mdice de potencia de aproximadamente 4,7.
Se conoce a partir del documento DE 27 29 134 A1 un dispositivo con un rotor configurado de forma hueca, en el que aqrn estan previstos pasos de grna o bien palas de grna, que estan dispuestas en la periferia exterior del cuerpo del rotor y, por consiguiente, aparece una velocidad relativa alta entre los pasos de grna y el medio de trabajo. A traves de tales palas de grna se producen de la misma manera perdidas muy altas de la energfa de la circulacion, que conduce a un mdice de potencia relativamente bajo.
En el documento DE 30 18756 A1 se publica para la realizacion de un proceso de circuito termodinamico lo mas ideal posible, exponer un medio de trabajo en forma de gas a un campo de fuerza centnfuga fuerte. El procedimiento mostrado se basa en un proceso de circuito-Camot. Se consigue una expansion del gas porque el gas se conduce en contra de la direccion de la fuerza centnfuga, de manera similar se comprime el gas cuando el gas circula en la direccion de la fuerza centnfuga. La alimentacion de calor o bien la disipacion de calor se realiza a traves de intercambiadores de calor.
En el documento DE 22 27 189 A1 se describe otro procedimiento termodinamico, que aprovecha la fuerza centnfuga. Un rotor giratorio alrededor de un arbol presenta un canal de compresion o bien un canal de expansion asf como un canal de conexion, de manera que se realiza una compresion o bien una expansion de un medio de trabajo en forma de gas a traves de la accion centnfuga.
En el documento US 2 393 338 A se describe un llamado "procedimiento- Roebuck", que se basa en un proceso
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termodinamico configurado abierto.
Se conoce a partir del Artmulo "Modified Roebuck compression device for cryogenic refrigeration system of superconducting rotating machine" de Jeong et al. otro compresor, que aprovecha la accion centnfuga sobre un gas giratorio para la compresion o bien la expansion de un gas.
Se conoce a partir del documento WO 1998/30846 A1 un dispositivo, que se puede emplear como una maquina de fno o como motor, de manera que aqrn se emplea aire como medio de trabajo y este es aspirado por el medio ambiente y despues de una compresion o bien expansion se descarga de nuevo al medio ambiente. En un sistema abierto de este tipo, se forma de manera mas desfavorable un impulso de giro a la entrada del medio de trabajo en la maquina y se descargan impulsos de giro a la salida del medio de trabajo desde la maquina, de manera que se producen perdidas considerables de friccion.
Se conoce a partir del documento FR 2 749 070 A1 solamente una bomba de calor de otro tipo con un turbo compresor convencional o con un desplazador dentado.
Ademas, se conoce a partir del documento GB 1 217 882 A un dispositivo termodinamico, que aprovecha, en efecto, en principio, la fuerza centnfuga, estan previsto, sin embargo, tambien aqrn un lugar de estrangulamiento, de manera que se producen perdidas de friccion considerables.
Por otra parte, se conocen en el estado de la tecnica tambien numerosos procedimientos, en los que especialmente el calor de lfquido geotermico y vapor geotermico se convierte en energfa electrica. En el llamado proceso-KALINA, se cede el calor del agua a una mezcla de amomaco y agua, de manera que ya a temperaturas esencialmente mas bajas se produce calor, que se utiliza para el accionamiento de turbinas. Tal proceso-KALINA se describe, por ejemplo, en el documento US 4 489 563.
En los mas diferentes procedimientos de intercambio de calor, teoricamente es posible la consecucion de indices de potencia muy altos, pero los compresores y las unidades de expansion normalmente convencionales, en los que el medio de trabajo se comprime o bien se expande en la zona en forma de gas, tienen rendimiento relativamente malo.
Por consiguiente, el objetivo de la presente invencion es mejorar el rendimiento o bien el mdice de potencia durante la conversion de energfa termica de baja temperatura en energfa termica de temperatura mas alta por medio de energfa mecanica y a la inversa.
Esto se consigue de acuerdo con la invencion porque el medio de trabajo durante el proceso de ciclo cerrado asf como los medios de intercambio de calor para la alimentacion y disipacion de calor se conducen alrededor del eje de giro, de manera que la energfa de la circulacion del medio de trabajo se mantiene esencialmente durante el proceso de circuito cerrado. A traves del aprovechamiento de la aceleracion centnfuga y el mantenimiento de la energfa de la circulacion del medio de trabajo se consigue, frente a los compresores convencionales, en los que la alta velocidad del medio de trabajo en la periferia del compresor se convierte en presion y de este modo se consigue un rendimiento empeorado, un rendimiento claramente mas elevado. De la misma manera, se eleva el rendimiento durante la expansion cuando la reduccion de la presion del medio de trabajo se consigue a traves de una reduccion de la fuerza centnfuga. De esta manera, se mejora esencialmente el mdice de potencia o bien el rendimiento de todo el procedimiento.
Ademas, para la mejora del rendimiento es ventajoso que el medio de trabajo este en forma de aire durante todo el proceso de circuito, puesto que durante la expansion del medio de trabajo en forma de gas se puede recuperar energeticamente trabajo de manera conveniente, lo que no es energeticamente relevante en medios lfquidos. Ademas, la influencia sobre el rendimiento en la zona en forma de gas es mayor que en la zona de 2 fases.
Con respecto a una compresion alta con la ayuda de la aceleracion centnfuga es ventajoso que se empleen gases con capacidad termica espedfica baja a presion constante (cp) o bien con alta densidad. Por consiguiente, se emplea con preferencia como medio de trabajo un gas noble, en particular cripton, xenon, argon o radon o bien una mezcla de ellos. Ademas, se ha mostrado que es favorable que la presion en el proceso de circuito cerrado sea al menos superior a 50 bares, en particular superior a 70 bares, con preferencia esencialmente 100 bares, es decir, que la presion es comparativamente alta durante todo el procedimiento. En virtud de la presion comparativamente alta, se puede mantener reducida la perdida de presion en el intercambiador de calor, puesto que la transmision de calor es comparativamente alta a velocidades comparativamente reducidas de la circulacion.
Cuando el proceso de circuito de realiza en la proximidad del punto cntico del medio de trabajo en forma de gas, resulta otra mejora del rendimiento general o bien una elevacion del mdice de potencia, de manera que el punto cntico esta en funcion del medio de trabajo utilizado a diferente presion o bien temperatura. El mdice de potencia general o bien el rendimiento general se incrementa al maximo, siendo realizada la expansion en una zona de
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entropfa, que es posiblemente igual a la entropfa del punto cntico, respectivamente. Ademas, es ventajoso que la temperature inferior de expansion este lo mas ligeramente posible por encima del punto cntico. El punto cntico se puede adaptar a traves de mezclas de gases a la temperature deseada del proceso.
Se consigue una refrigeracion o bien un calentamiento sencillos en la construccion y eficientes cuando para la disipacion del calor y la alimentacion del calor se utiliza un medio de intercambio de calor con un exponente isentropico Kappa 1, es decir, aquellos, medios, en los que en el caso de una elevacion de la presion, la temperatura permanece esencialmente constante, en particular un medio lfquido de intercambio de calor.
En el dispositivo para la realizacion del procedimiento de acuerdo con la invencion, los intercambiadores de calor con el compresor y la unidad de expansion, en los que el medio de trabajo se conduce durante el proceso de circuito cerrado alrededor del eje de giro, estan configurados de manera que giran al mismo tiempo, de tal modo que la energfa de circulacion del medio de trabajo se mantiene 4esencialmente durante el proceso de circuito cerrado. De esta manera, como se ha descrito ya anteriormente en conexion con el procedimiento de acuerdo con la invencion, se consigue una mejora clara del rendimiento durante la compresion y expansion del medio de trabajo y de esta manera se mejoran claramente el mdice de potencia o bien el rendimiento del dispositivo de acuerdo con la invencion frente a dispositivos conocidos.
Con respecto a una configuracion sencilla en la construccion del intercambiador de calor es ventajoso que los intercambiadores de calor presenten, respectivamente, al menos un tubo que es atravesado por una corriente de medio lfquido de transmision de calor.
Con respecto a una transmision lo mas libre de friccion posible desde el compresor hasta la unidad de expansion, es decir, para mantener la energfa de la circulacion del medio de trabajo, es ventajoso que la unidad de expansion se conecte a traves de los intercambiadores de calor directamente en el compresor. Con respecto a una configuracion sencilla en la construccion del dispositivo, es ventajoso que las ruedas de rodadura del compresor y de la unidad de expansion esten alojadas sobre un arbol de giro comun.
De manera constructiva sencilla, se puede conseguir la elevacion de la presion del medio de trabajo a traves de una aceleracion centnfuga, cuando esta prevista una carcasa que gira al mismo tiempo que las ruedas de rodadura del compresor y de la unidad de expansion.
Para conseguir una refrigeracion eficiente del medio de trabajo comprimido, es ventajoso que en la carcasa este alojado un intercambiador de calor que gira al mismo tiempo. De manera mas ventajosa, el intercambiador de calor que gira al mismo tiempo esta dispuesto en el lado periferico exterior.
No obstante, en lugar de una carcasa que gira al mismo tiempo que las ruedas de rodadura, de la misma manera es concebible que las ruedas de rodadura esten rodeadas por una carcasa estacionaria. De esta manera, se puede reducir el gasto de construccion. No obstante, paran evitar perdidas de friccion del medio de trabajo en un tubo del intercambiador de calos conectado con la carcasa estacionaria, cuando en la carcasa esta alojado parcialmente el tubo del intercambiador de calor, estanco configurada lo mas lisa posible la superficie de la carcasa estacionaria, con la que entra en contacto el medio de trabajo.
Para evitar partes giratorias colocadas en el exterior, es favorable que este prevista una carcasa dispuesta fija contra giro rodeando el compresor y la unidad de expansion.
Para conseguir una alimentacion de calor eficiente hacia el medio de trabajo, es ventajoso que los dos intercambiadores de calor esten alojados en la carcasa.
Cuando al menos esta previsto un sistema de tubena alojado de forma giratoria, que conduce el medio de trabajo en el circuito, resulta un dispositivo con un peso total comparativamente reducido, puesto que el espesor de pared de los tubos que conducen el medio de trabajo se puede realizar mas reducido que el de carcasa que reciben el medio de trabajo.
Con respecto a la compresion del medio de trabajo en el sistema de tubena por medio de la fuerza centnfuga es favorable que el sistema de tubena presenta tubos de compresion que se extienden en direccion radial.
Para conducir el medio de trabajo de una manera fiable en el sistema de tubena en el circuito, es ventajoso que el sistema de tubena presente tubos de expansion curvados en sentido contrario al sentido de giro del arbol de giro. En este caso, los tubos de expansion pueden estar curvados en forma de arco circular con la finalidad de una configuracion constructiva sencilla en la seccion transversal. De manera alternativa, tambien es posible que los tubos de expansion presenten en la seccion transversal una curvatura con un radio que se reduce constantemente hacia el punto medio de giro. De esta manera se pueden reducir eventuales turbulencias en el sistema de tubena.
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De la misma manera, se garantiza de manera fable una circulacion del medio de trabajo en el sistema de tubena, cuando en el sistema de tubena esta alojada una rueda de paletas que gira con relacion al sistema de tubena. En este caso, la rueda de paletas, que esta realizada como compresor, turbina de expansion o rueda de gma, puede estar dispuesta fija estacionaria, de manera que en virtud de la disposicion fija estacionaria resulta un movimiento relativo con respecto al sistema de tubena giratorio. De la misma manera es concebible que, por ejemplo, a la rueda de paletas este asociado un motor para la generacion o para la utilizacion de un movimiento relativo con respecto al sistema de tubena o bien un generador, que convierte la potencia generada del arbol a traves del movimiento relativo de la rueda de aletas en energfa electrica.
Con respecto a la alimentacion y disipacion de calor sencillas y eficientes, es ventajoso que secciones del sistema de tubena que se extienden axialmente esten rodeadas por tubos dispuestos coaxialmente del intercambiador de calor.
Para alimentar la diferencia de la energfa necesaria a partir de la compresion y la energfa recuperada a partir de la expansion del dispositivo durante el funcionamiento como bomba de calor, es ventajoso que con el arbol giratorio o con el sistema de tubena este conectado un motor.
Para convertir la energfa mecanica obtenida a partir de diferentes niveles de temperatura en energfa electrica, es decir, cuando el dispositivo se utiliza como motor termico, es ventajoso que con el arbol giratorio este conectado un generador.
A continuacion se explica en detalle todavfa la invencion con la ayuda de ejemplos de realizacion preferidos representados en los dibujos, a los que, sin embargo, no debe limitarse la invencion. Evidentemente, tambien son posibles combinaciones de los ejemplos de realizacion representados. En particular, en el dibujo:
La figura 1 muestra de forma esquematica un diagrama de bloques del proceso del dispositivo de acuerdo con la invencion o bien del procedimiento de acuerdo con la invencion durante el funcionamiento como bomba de calor.
La figura 2 muestra una vista en seccion de un dispositivo de acuerdo con la invencion con una carcasa que gira al mismo tiempo.
La figura 3 muestra una vista en seccion de un dispositivo de acuerdo con la invencion con una carcasa estacionaria.
La figura 4 muestra una vista en seccion similar a la figura 3, pero con un motor alojado en el interior.
La figura 5 muestra una vista en seccion de otro ejemplo de realizacion con tubenas, en las que se conduce el medio de trabajo.
La figura 6 muestra una seccion segun la lmea VI-VI en la figura 5.
La figura 7 muestra una seccion segun la lmea VII-VU en la figura 5.
La figura 8 muestra una vista en seccion de otro ejemplo de realizacion con un sistema de tubena que recibe el medio de transporte.
La figura 9 muestra una vista en perspectiva del dispositivo segun la figura 8.
La figura 10 muestra una vista en seccion de un dispositivo similar a la figura 5, pero con una turbina estacionaria; y
La figura 11 muestra una vista en seccion similar a la figura 10, pero con una turbina giratoria con relacion al sistema
de tubenas.
En la figura 1 se muestra de forma esquematica un diagrama de bloques del proceso de un proceso de circuito termodinamico, como se conoce este, en principio, a partir del estado de la tecnica. En la utilizacion mostrada como bomba de calor se realiza en primer lugar a traves de un intercambiador de calor 2 una disipacion de calor isobara, de manera que la energfa termica es cedida con alta temperatura a traves de un circuito (con agua, agua / anticongelante y otros medios lfquidos de transmision de calor) a un circuito de calefaccion.
A continuacion se realiza en una unidad de expansion 3 configurada como turbina una expansion isentropica, con lo que se recupera energfa mecanica. A continuacion se realiza a traves de otro intercambiador de calor 4 una alimentacion de calor isobara, con lo que se alimenta energfa termica de baja temperatura a traves de un circuito (con agua, agua / anticongelante y otros medios lfquidos de transmision de calor) al sistema. Normalmente, se conduce en este caso energfa termica desde agua de pozo, desde las llamadas sondas de profundidad, en las que
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se extra el calor en un intercambiador de calor que se encuentra hasta 200 m en la tierra y se conduce a la bomba de calor o se extrae la energfa termica desde intercambiadores de calor (tubenas) de superficies grandes que se encuentran apenas por debajo de la tierra o desde el aire. Despues de la alimentacion de calor isobara se realiza de nuevo una compresion isentropica con la ayuda del compresor 1, como se ha descrito anteriormente.
Si el dispositivo de acuerdo con la invencion o bien el procedimiento de acuerdo con la invencion se emplean para la conversion de energfa termica de temperatura mas elevada en energfa termica de temperatura mas baja, se realiza el circuito descrito anteriormente en secuencia inversa. En el caso del funcionamiento como bomba de calor, esta previsto un motor 5 para el accionamiento de un arbol giratorio 5; durante el funcionamiento como motor termico, se sustituye el motor por un generador 5 o bien un motor-generador 5.
En la figura 2 se muestra un dispositivo de acuerdo con la invencion, en el que con la ayuda del motor 5 se acciona a traves del arbol giratorio 5' un compresor 1 con una carcasa 6 que gira al mismo tiempo. Con el arbol giratorio 5' accionado por el motor-E 5 se accionan, ademas, ruedas de rodadura 1' del compresor 1, de manera que el gas noble alojado en la carcasa 8 estacionaria cerrada, con preferencia cripton o xenon, se comprime sobre la base de la aceleracion centnfuga en la carcasa 6 que gira al mismo tiempo.
En la carcasa 6 que gira al mismo tiempo esta alojada una tubena 9 en forma de espiral del intercambiador de calor 2, en el que esta alojado un medio de intercambio de calor, por ejemplo agua. El agua comparativamente fna se introduce a traves de una entrada 10 en la direccion de la circulacion 10' en la tubena 9 en forma de espiral y esta dispuesta en la carcasa 6 que gira al mismo tiempo en el lado exterior de la periferia, para conseguir con la presion mas alta posible del medio de trabajo una disipacion isobara del calor desde el medio de trabajo, de manera que en la salida 11 se puede extraer un agua comparativamente caliente.
El medio de trabajo circula a continuacion sin perdidas esenciales de la circulacion hacia ruedas de rodadura 3' de la unidad de expansion 3, sobre la que se recupera energfa mecanica. A continuacion, se realiza a traves de una tubena 12 en espiral del otro intercambiador de calor 4 en la carcasa 8 estacionaria una alimentacion isobara de valor, antes de que se someta el medio de trabajo de nuevo a traves de las ruedas de rodadura 1' del compresor 1 a una compresion isentropica adiabatica.
No obstante, solo es esencial que la energfa del medio de trabajo, que esta alojada en el dispositivo que forma un sistema cerrado, mantenga su energfa de circulacion durante la compresion en el compresor 1 y/o durante la expansion en la unidad de expansion 3 y solamente a traves de una aceleracion centnfuga de las moleculas del gas del medio de trabajo se consigue una elevacion o bien una reduccion de la presion del medio de trabajo. De esta manera, se puede mejorar esencialmente el rendimiento o bien el mdice de potencia durante la conversion de energfa termica de baja temperatura en energfa termica de temperatura mas alta por medio de energfa electrica o bien mecanica y a la inversa.
En la figura 3 se muestra otro ejemplo de realizacion, estando prevista una carcasa interior estacionaria 6. De esta manera, se simplifica el gasto constructivo. Para mantener reducidas las perdidas de la circulacion del medio de trabajo en forma de gas o bien para mantener en la mayor medida posible la torsion del medio de trabajo, las superficies estacionarias, con las que esta conectado el medio de trabajo, estan configuradas lo mas lisas posible y no estan previstos tubos de transmision de calor que estan transversales a la circulacion, que incrementanan adicionalmente la perdida de presion. De esta manera, la tubena en forma de espiral 9 del intercambiador de calor 2 no esta alojada en voladizo, sino en la carcasa estacionaria 6' con una superficie lisa 2'. Para elevar el mdice de potencia o bien el rendimiento de todo el dispositivo, en el interior de la carcasa estacionaria 6' esta alojado un aislamiento 13.
En la figura 4 se muestra otro ejemplo de realizacion, que corresponde esencialmente al mostrado en la figura 3 y solamente es diferente la disposicion del motor 5. En este ejemplo de realizacion, en efecto, el motor 5 esta dispuesto dentro de la carcasa estacionaria 6.
Para alimentar el motor 5 con corriente estan previstas lmeas 14, que estan guiadas a traves de pasos de la corriente 15 estaticamente resistentes a la presion asf como un arbol de motor estacionario 16. El motor 5 esta conectado en este caso con el compresor 1 o bien con la unidad de expansion 3, de manera que estos giran al mismo tiempo. De esta manera, se pueden suprimir juntas de estanqueidad de manera mas ventajosa dinamicas (juntas de estanqueidad al gas asf como a lfquido), y de esta manera los trabajos de mantenimiento.
En las figuras 5 a 7 se muestra otro ejemplo de realizacion del dispositivo de acuerdo con la invencion, en el que todas las partes que estan bajo la presion del medio de trabajo estan configuradas como tubos o bien sistema de tubenas 17, con lo que se reduce el peso total del dispositivo y el espesor de la pared de los tubos 17 puede estar realizado mas reducido que el de la carcasa 6, 6' y 8 mostrada en las figuras 1 a 4.
En este caso, se comprime el medio de trabajo en primer lugar en los tubos de compresion 18 que se extienden
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radialmente del sistema de tubenas 17 de la unidad de compresor 1 en virtud de la aceleracion centnfuga. El intercambiador de calor 2 presenta en este caso tubos 19 dispuestos coaxiales a la seccion exterior de los tubos 17, que se extiende en direccion axial, los cuales rodean el tubo 17 respectivo, de manera que el calor del medio de trabajo comprimido se cede a contra corriente el medio lfquido de intercambio de calor del intercambiador de calor 2.
A continuacion se expande el medio de trabajo en los tubos de expansion 20 (de la unidad de expansion 3). Los tubos de expansion 20 estan curvados en este caso en contra del sentido de giro 21 del dispositivo, de manera que en virtud de la curvatura del tubo hacia atras (ver la figura 7) resulta de manera fiable un circuito del medio de trabajo.
Como se muestra especialmente en la figura 7, los tubos de expansion 20 pueden estar doblados de forma semicircular, de manera que estos se pueden fabricar de manera constructiva sencilla. A continuacion, el medio de trabajo circula en direccion axial en el sistema de tubena 17, de manera que aqrn el intercambiador de calor de baja presion 4 presenta de nuevo un tubo 19 dispuesto coaxial, de manera que a partir del medio lfquido de intercambio de calor se cede calor al medio de trabajo expandido fno.
Como se muestra especialmente en la figura 7, de esta manera resultan dos sistemas de tubenas 17 cerrados, esencialmente en forma de ocho bucles en la vista en planta superior para el medio de trabajo, que estan dispuestos desplazados entre sf alrededor de 90°. Evidentemente, el sistema de tubena 17 puede presentar tambien un numero mayor de conductos 20, solo la simetna de rotacion de la disposicion debe mantenerse en virtud del equilibrio mas sencillo.
Los tubos 19 de los intercambiadores de calor 2 y 4, dispuestos coaxiales a las secciones de los tubos 17 que se extienden axialmente estan conectados entre sf de forma conductores de lfquido por medio de los conductos 22, 23, 24, 25, de manera que este sistema de tubenas 22 a 25 esta conectado fijamente con el resto del dispositivo, de modo que los conductos 22 a 25 estan realizados de manera que giran al mismo tiempo. El medio lfquido de transmision de calor se conduce al sistema de tubena 17 a traves de una entrada 26' de un distribuidor estatico 26: a traves de un distribuidor 27 que gira al mismo tiempo se conduce el medio de intercambio de calor a continuacion a traves del conducto 22 hacia el intercambiador de calor 2, en el que se retorna caliente a traves del conducto 23 hasta el distribuidor 27 que gira al mismo tiempo. A traves del distribuidor estatico 26 o bien la salida 26" se conduce el medio de transmision de calor de calor caliente a continuacion hacia el circuito de calefaccion.
El medio de intercambio de calor fno del intercambiador de calor 4 se conduce a traves de una entada 28 de un distribuidor estatico 28, con otro distribuidor 29 que gira al mismo tiempo se transporta a este conducto 25 que gira al mismo tempo hacia el intercambiador de calor de baja presion 4, donde se disipa calor al medio de trabajo en forma de gas. A continuacion se conduce el medio de intercambio de calor a traves del conducto 25 que gira al mismo tiempo hacia el distribuidor 29 que gira al mismo tiempo, luego al distribuidor estatico, y abandona finalmente el dispositivo a traves de la salida 28".
Para el accionamiento del compresor 1, de los intercambiadores de calor 2, 4 y de la unidad de expansion 3 esta previsto de nuevo un motor 5.
En las figuras 8 y 9 se muestra un ejemplo de realizacion similar al de las figuras 5 a 7, de manera que aqrn, sin embargo, los tubos de expansion 20 no estan configurados en forma de arco circular en la seccion transversal, sino que presentan un radio que se va reduciendo continuamente hacia el punto medio del eje de giro 30. De esta manera, se consigue un movimiento retardado que cae monotonamente del medio de trabajo, con lo que se pueden reducir eventuales turbulencias. Ademas, en el ejemplo de realizacion mostrado en las figuras 8 y 9 se muestran dos sistemas de tubena 17 independientes uno del otro, desplazados entre sf 60°, de manera que tienen lugar por cada sistema de tubena 17 tres compresiones, expansiones, etc.
En la figura 10 se muestra otro ejemplo de realizacion, que corresponde en su mayor parte al mostrado en las figuras 5 a 7, pero el circuito del medio de trabajo no se consig7ue en virtud de tubos 20 curvados en contra del sentido de giro, sino con la ayuda de una rueda de paletas 31, que actua como compresor o bien como turbina. La rueda de paletas 31 esta dispuesta estacionaria, de manera que en virtud del movimiento giratorio relativo con respecto a los tubos 17 que rodean la rueda de paletas 31, se provoca una circulacion del medio de trabajo en los tubos 17.
En este caso, el medio de trabajo se expande en los tubos 17 de la unidad de expansion 3 y se conduce a la rueda de paletas 31, de manera que la rueda de paletas 31 es recibida en una carcasa de rueda de paletas 32, que esta cerrada por medio de una tapa 33. La rueda de paletas 31 esta alojada de forma giratoria sobre cojinetes 34, pero presenta imanes permanentes, que colaboran con imanes permanentes 36 dispuestos fijos contra giro fuera de la carcasa de rueda de paletas 32, de manera que la rueda de paletas 31 esta dispuesta fija contra giro. Los imanes 36 estan retenidas en reposo en este caso sobre un arbol estatico 37.
En la figura 11 se muestra un dispositivo configurado muy similar al ejemplo de realizacion mostrado en la figura 10, siendo generado, sin embargo, aqu el movimiento giratorio relativo de la rueda de paletas 31 con respecto a los tubos 17 de la unidad de compresor y de la unidad de expansion 1 y 3 con la ayuda de un motor 38. El motor 38 esta conectado fijo contra giro con el distribuidor 27 que gira al mismo tiempo. La alimentacion de corriente se realiza en 5 este caso a traves de lmeas 39, que estan alojadas en un arbol 40. Para la transmision de la corriente, el arbol 40 presenta contactos 41. El motor 5 aplica en esta forma de realizacion solo potencia para la superacion de la resistencia al aire del sistema giratorio.
Por lo tanto, este se puede suprimir a traves del empleo de turbinas en el circuito del medio lfquido de transmision de 10 calor, que extraen esta potencia de este circuito. La potencia necesaria para la superacion de la resistencia al aire es proporcionada entonces adicionalmente por las bombas, que accionan el circuito del medio lfquido de transmision de calor.
15

Claims (14)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    50
    55
    60
    REIVINDICACIONES
    1. - Procedimiento para la conversion de ene^a termica de baja temperatura en energfa termica a temperatura mas alta por medio de energfa mecanica y a la inversa, con un medio de trabajo, que recorre un proceso de circuito cerrado termodinamico, en el que el proceso de circuito presenta las siguientes etapas de trabajo:
    - compresion adiabatica del medio de trabajo,
    - disipacion de calor isobarica del medio de trabajo, traves de un medio de intercambio de calor,
    - distencion adiabatica del medio de trabajo,
    - alimentacion de calor isobarica hacia el medio de trabajo, a traves de un medio de intercambio de calor,
    en el que para la elevacion o bien para la reduccion de la presion del medio de trabajo durante la compresion o bien durante la expansion, se conduce el medio de trabajo con respecto a un eje de giro esencialmente radial hacia fuera o bien hacia dentro, con lo que se genera una elevacion o bien una reduccion de la fuerza centnfuga que actua sobre el medio de trabajo, caracterizado porque el medio de trabajo se conduce durante el proceso de circuito cerrado asf como los medios de intercambio de calor para la alimentacion y disipacion de calor alrededor del eje de giro, de manera que la energfa de la circulacion del medio de trabajo se mantiene esencialmente durante el proceso de circuito cerrado.
  2. 2. - Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque el medio de trabajo es con preferencia un ges noble, en particular cripton, xenon, argon, radon o bien una mezcla de ellos, durante todo el proceso de circuito.
  3. 3. - Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1 o 2, caracterizado porque la presion en el proceso de circuito cerrado esta al menos por encima de 50 bares, en particular, por encima de 70 bares, con preferente es esencialmente 100 bares.
  4. 4. - Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 2 o 3, caracterizado porque el proceso de circuito se realiza en la proximidad del punto cntico del medio de trabajo en forma de gas.
  5. 5. - Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la disipacion de calor y la alimentacion de calor se utilizan con un exponente isentropico Kappa 1, en particular un medio de intercambio de calor lfquido.
  6. 6. - Dispositivo para la realizacion de un procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5 con un compresor (1), una unidad de expansion (3) y, respectivamente, un intercambiador de calor (2, 4) para la alimentacion de calor o bien la disipacion de calor, en el que el compresor (1) y la unidad de expansion (3) estan alojados de forma giratoria alrededor de un eje de giro y el compresor (1) o bien la unidad de expansion (3) estan configurados de tal manera que el medio de trabajo en el compresor (1) se conduce con respecto al eje de compresor esencialmente radial hacia fuera o bien en la unidad de expansion (3) esencialmente radialmente hacia dentro, de manera que una elevacion de la presion o bien una reduccion de la presion se generan a traves de una elevacion o bien una reduccion de la fuerza centnfuga que actua sobre el medio de trabajo, caracterizado porque los intercambiadores de calor (2, 4) con el compresor (1) y la unidad de expansion (3), en los que se conduce el medio de trabajo durante el proceso de circuito cerrado alrededor del eje, estan configurados de manera que giran al mismo tiempo, de modo que la energfa de la circulacion del medio de trabajo se mantiene esencialmente durante el proceso de circuito cerrado.
  7. 7. - Dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 6, caracterizado porque los intercambiadores de calor (2, 4) presentan, respectivamente, al menos un tubo (9) que es atravesado por una corriente de medio lfquido de transmision de calor.
  8. 8. - Dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 6 o 7, caracterizado porque la unidad de expansion (3) se conecta a traves de los intercambiadores de calor (2, 4) directamente en el compresor (1).
  9. 9. - Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizado porque las ruedas de rodadura (1', 3') del compresor y de la unidad de expansion (1, 3) estan alojadas sobre un arbol de giro comun (5'), en el que esta prevista una carcasa (6) que gira al mismo tiempo que las ruedas de rodadura (1) del compresor (1', 3') y de la unidad de expansion (3).
  10. 10. - Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 5 a 9, caracterizado porque esta prevista una carcasa (8) dispuesta fija contra giro que rodea el compresor (1) y la unidad de expansion (3), en la que estan alojados los dos intercambiadores de calor (2, 4).
  11. 11. - Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 5 a 7, caracterizado porque esta previsto un sistema de tubena (17) alojado de forma giratoria, que conduce el medio de trabajo en el circuito, en el que el sistema de
    tubena (17) presenta tubos de compresion lineales (18) que se extienden en direccion radial y/o tubos de expansion (20) curvados en sentido contrario al sentido de giro del arbol de giro (5').
  12. 12. - Dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 11, caracterizado porque los tubos de expansion (20) estan 5 curvados en forma de arco circular en la seccion transversal, de manera que los tubos de expansion (20) presentan
    en la seccion transversal una curvatura con un radio que se estrecha constantemente hacia el punto medio de giro (30).
  13. 13. - Dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 11, caracterizado porque en el sistema de tubena (17) esta alojada 10 una rueda de aletas (31) giratoria con relacion al sistema de tubena (17).
  14. 14. - Dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 13, caracterizado porque la pala de aletas (31) esta dispuesta fija contra giro.
    15 15.- Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 8 a 14, caracterizado porque con el arbol de giro (5') o
    bien el sistema de tubena (17) esta conectado un motor electrico o generador (5).
    20
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