ES2659999B1 - Máquina y ciclo térmico de procesos politrópicos y adiabáticos - Google Patents
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Description
DESCRIPCI ÓN
MÁQUINA Y CICLO TÉRMICO DE PROCESOS POLITRÓPICOS Y ADIABATICOS
CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN
La presente invención pertenece al campo técnico de la conversión de energía térmica a energía eléctrica vía energía mecánica por medio de máquinas térmicas capaces de aprovechar el calor transferido a un fluido de trabajo mediante intercambiadores de calor para convertir calor en trabajo por calentamiento y enfriamiento.
OBJETIVO DE LA INVENCIÓN
La presente invención denominada “MÁQUINA Y CICLO TÉRMICO DE PROCESOS POLITRÓPICOS Y ADIABATICOS”, tiene por objeto ia conversión eficiente de la energía térmica a energía mecánica mediante una máquina alternativa constituida por varios cilindros termo-actuadores de doble efecto con ciclo térmico de procesos cerrados formado por dos procesos politrópicos y dos adiabáticos, caracterizada por realizar trabajo mecánico tanto por calentamiento como por enfriamiento, donde los procesos de calentamiento y de enfriamiento son llevados a cabo por medio de intercambiadores de calor ubicados dentro de cada cilindro termo-actuador.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Existen los ciclos térmicos convencionales que operan parcial o totalmente con procesos cerrados tales como Otto, Diesel o procesos isotérmicos tales como Stirling así como otras modificaciones derivadas de los mismos, algunos de los cuales operan con combustibles de origen fósil y otros con calor indirecto.
El ciclo térmico constituido por dos procesos politrópicos y dos procesos adiabáticos, así como la máquina capaz de llevar a cabo el citado ciclo se diferencia esencialmente de los ciclos convencionales (Stirling, Otto, Diesel y modificaciones de los mismos) en que:
- el calor transferido y extraído según ambos procesos politrópicos al fluido de trabajo es proporcionado mediante intercambiadores de calor ubicados dentro del cilindro termo-actuador de doble efecto, contrariamente a lo que ocurre en los ciclos
convencionales donde los procesos politrópicos de calentamiento son llevados a cabo en máquinas de combustión donde el calor se desarrolla por combustión, generando el propio fluido de trabajo, (gases de combustión a alta temperatura y presión) generalmente de un combustible de origen fósil.
- el proceso de extracción de calor (enfriamiento del fluido de trabajo) es utilizado para producir trabajo mecánico.
En el estado actual de la tecnología no se conocen ciclos térmicos de estas características, ni máquinas capaces de implementarlos.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El invento denominado MÁQUINA Y CICLO TÉRMICO DE PROCESOS POLITRÓPICOS Y ADIABATICOS, consta de al menos un cilindro termo-actuador de doble efecto, donde cada uno de los cuales opera con un fluido térmico de trabajo tal como helio o hidrógeno, calentado y enfriado alternativamente para realizar trabajo mecánico al avanzar y retroceder el pistón de cada cilindro termo-actuador siguiendo un ciclo térmico formado por dos procesos cerrados politrópicos y dos procesos cerrados adiabáticos siguiendo la secuencia siguiente:
- proceso de calentamiento según un proceso politrópico cerrado con realización de trabajo mecánico,
- proceso de expansión adiabática con realización de trabajo mecánico,
- proceso de enfriamiento según un proceso politrópico cerrado con realización de trabajo mecánico, y
- proceso de compresión adiabática con realización de trabajo mecánico
Ambas cámaras de cada cilindro termo-actuador disponen de un intercambiador de calor destinado al calentamiento y enfriamiento del fluido de trabajo donde las alternativas a escoger sólo uno entre diferentes fluidos de trabajo (que tiene que ser el mismo para las dos cámaras del cilindro), son: el agua, aire, nitrógeno helio e hidrógeno
de manera que mientras una de las cámaras termo-actuadoras contribuye al retroceso del émbolo por enfriamiento del fluido de trabajo, la cámara complementaria o adyacente contribuye al avance del pistón por calentamiento del fluido de trabajo.
El calentamiento del fluido de trabajo es llevado a cabo en un intercambiador de calor que opera con un fluido térmico calefactor, mientras que el enfriamiento del fluido de trabajo es llevado a cabo mediante un fluido térmico enfriador.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
En esta sección se describen a modo ilustrativo y no limitativo, los componentes que constituyen la MÁQUINA Y CICLO TÉRMICO DE PROCESOS POLITRÓPICOS Y ADIABATICOS para facilitar la comprensión de la invención en donde de modo no limitativo se hace referencia a las siguientes figuras:
La figura 1 muestra esquemáticamente ia instalación de la máquina térmica objeto del invento, dotada de un cilindro termo-actuador de doble efecto accionado
alternativamente por calentamiento y enfriamiento del fluido térmico de trabajo, asi como la instalación del sistema de suministro y extracción de calor dotado de las correspondientes válvulas de control de los fluidos calefactor y enfriador.
1 cilindro termo-actuador de doble efecto
2 pistón del cilindro termo-actuador de doble efecto
3 vastago del cilindro termo-actuador de doble efecto
4 intercambiador de calor de la cámara izquierda del cilindro termo-actuador de doble efecto
5 intercambiador de calor de la cámara derecha del cilindro termo-actuador de doble efecto
8 válvula de 2/3 (dos posiciones y tres vías) de entrada de los fluidos de calentamiento y enfriamiento a la cámara izquierda del cilindro termo-actuador de doble efecto 9 válvula de 2/3 de entrada de los fluidos de calentamiento y enfriamiento a la cámara derecha del cilindro termo-actuador de doble efecto
10 válvula de 2/3 de salida de los fluidos de calentamiento y enfriamiento a la cámara izquierda del cilindro termo-actuador de doble efecto
11 válvula de 2/3 de salida de los fluidos de calentamiento y enfriamiento a la cámara derecha del cilindro termo-actuador de doble efecto
12 conducto de suministro del fluido térmico calefactor
13 conducto de suministro del fluido térmico enfriador
14 conducto de retorno del fluido térmico calefactor
15 conducto de retorno del fluido térmico enfriador
La figura 2 muestra el diagrama T-s (temperatura-entropía) correspondiente al ciclo térmico objeto de! invento, referido a la cámara izquierda del pistón, el cual es idéntico al de la cámara derecha del pistón, diferenciándose solamente en que el segundo va desfasado 1800 con respecto al primero, representando las temperaturas en el eje de ordenadas, y las entropías en el eje de abscisas. De acuerdo con la secuencia del ciclo,
- la rama 1-2 del ciclo corresponde a la adición de calor según un proceso politrópico (calentamiento del fluido de trabajo por medio del fluido térmico calefactor con desarrollo de trabajo mecánico) siguiendo una función politrópica;
- la rama 2-3 corresponde a la expansión adiabática con desarrollo de trabajo;
- la rama 3-4 corresponde a la extracción de calor según un proceso politrópico (enfriamiento del fluido de trabajo por medio del fluido térmico enfriador con desarrollo de trabajo mecánico), y
- la rama 4-1 corresponde a la expansión adiabática con desarrollo de trabajo mecánico,
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
La MÁQUINA Y CICLO TÉRMICO DE PROCESOS POLITRÓPICOS Y ADIABATICOS, consta de al menos un cilindro termo-actuador de doble efecto, donde cada uno de los cuales opera con un fluido térmico de trabajo (que puede ser alternativamente helio o hidrógeno entre otros y tiene que ser el mismo para ambas cámaras del cilindro termo-actuador), tal como helio o hidrógeno, calentado y enfriado alternativamente para realizar trabajo mecánico al avanzar y retroceder el pistón de cada cilindro termo-actuador operando según un ciclo térmico formado por dos procesos cerrados politróplcos y dos procesos cerrados adiabáticos, donde cada cilindro termo-actuador comprende:
- cilindro termo-actuador de doble efecto (1) dotado de pistón (2) y vástago (3)
- pistón del cilindro termo-actuador de doble efecto (2)
- vástago del cilindro termo-actuador de doble efecto (3)
- intercambiador de calor de la cámara izquierda del cilindro termo-actuador de doble efecto (4) destinada a calentar y enfriar alternativamente la cámara izquierda del cilindro.
- intercambiador de calor de la cámara derecha del cilindro termo-actuador de doble efecto (5) destinada a calentar y enfriar alternativamente la cámara derecha del cilindro.
- válvula de 2/3 (dos posiciones y tres vías) de entrada de los fluidos de calentamiento y enfriamiento a la cámara Izquierda del cilindro termo-actuador de doble efecto (8) - válvula de 2/3 de entrada de los fluidos de calentamiento y enfriamiento a la cámara derecha del cilindro termo-actuador de doble efecto (9)
- válvula de 2/3 de salida de los fluidos térmicos de calentamiento y enfriamiento a la cámara izquierda del cilindro termo-actuador de doble efecto (10)
- válvula de 2/3 de salida de los fluidos térmicos de calentamiento y enfriamiento a la cámara derecha del cilindro termo-actuador de doble efecto (11 )
- conducto de suministro del fluido térmico calefactor (12)
- conducto de suministro del fluido térmico enfriador (13)
- conducto de retorno del fluido térmico calefactor (14)
- conducto de retorno del fluido térmico enfriador (15)
El procedimiento de operación de la MÁQUINA Y CICLO TÉRMICO DE PROCESOS POLITRÓPICOS Y ADIABATICOS se halla representado por el diagrama T-s mostrado en la figura 2 , según la cual, en la cámara izquierda de cada cilindro termoactuador de doble efecto mostrado en la figura 1, comienza el ciclo realizando el proceso polltrópico de calentamiento 1-2 mostrado en el diagrama T-s de la figura 2, hasta alcanzar la presión p2 correspondiente a la temperatura T2, para lo cual se halla abierta la válvula de 2/3 (8) comunicando el conducto (12) con el intercamblador de calor de la cámara Izquierda del cilindro termo-actuador de doble efecto (4), saliendo por la válvula de 2/3 (10) hacia el conducto de salida de la línea (12), donde este proceso da lugar a la realización de trabajo mecánico debido al desplazamiento del pistón (2) de izquierda a derecha.
Cuando se han alcanzado las condiciones de presión y temperatura del punto 2, comienza el proceso 2-3 de expansión adiabática con realización de trabajo, hasta alcanzar el final de su carrera en el punto 3, donde se alcanza la presión inicia! pv3. Para conseguir el retroceso del pistón (2) con realización de trabajo mecánico, da comienzo un proceso politrópico de enfriamiento 3-4 hasta alcanzar la presión p4 correspondiente a la temperatura T4, para lo cual se halla abierta la válvula de 2/3 (8) comunicando el conducto (13) con el intercamblador de calor de la cámara izquierda del cilindro termo-actuador de doble efecto (4), saliendo por la válvula de 2/3 (10) hacia el conducto de salida de la línea (13), donde este proceso da lugar la realización de trabajo mecánico debido al desplazamiento del pistón (2) de derecha a izquierda. Cuando se han alcanzado las condiciones de presión y temperatura del punto 4, comienza el proceso 4-1 de compresión adiabática, hasta alcanzar el final de su carrera en el punto 1, donde se alcanza de nuevo la presión inicial P1.3 y temperatura T1t origen del ciclo correspondiente a la cámara izquierda del cilindro termo-actuador de doble efecto (1 ).
La cámara derecha del cilindro termo-actuador (1) de doble efecto opera de igual modo que la cámara izquierda solo que lo hace desfasado en 180 grados con respecto a la cámara izquierda, accionando de igual modo las válvulas de 2/3 (9) para permitir el calentamiento o el enfriamiento del fluido de trabajo en el intercambiador de calor (5) alimentado por el conducto de suministro del fluido térmico calefactor (12) o el conducto de suministro del fluido térmico enfriador (11 ), dando lugar la realización de
trabajo mecánico debido al desplazamiento del pistón (2) de derecha a izquierda y de izquierda a derecha.
DESCRIPCIÓN DE REALIZACIONES PREFERENTES DE LA INVENCIÓN
La configuración preferente de la MÁQUINA Y CICLO TÉRMICO DE PROCESOS POLITRÓPICOS Y ADIABATICOS, está constituida por al menos un cilindro termoactuador de doble efecto que opera con un fluido térmico de trabajo tal como helio o hidrógeno, (que tiene que ser el mismo para ambas cámaras del cilindro termoactuador), calentado y enfriado alternativamente para realizar trabajo mecánico al avanzar y retroceder el pistón de cada cilindro termo-actuador operando según un ciclo térmico formado por dos procesos cerrados politrópicos y dos procesos cerrados adiabáticos, donde cada cilindro termo-actuador comprende:
- cilindro termo-actuador de doble efecto (1) dotado de pistón (2) y vástago (3)
- pistón del cilindro termo-actuador de doble efecto (2)
- vástago del cilindro termo-actuador de doble efecto (3)
- intercamblador de calor de ¡a cámara izquierda del cilindro termo-actuador de doble efecto (4) destinada a calentar y enfriar alternativamente la cámara izquierda del cilindro.
- intercambiador de calor de la cámara derecha del cilindro termo-actuador de doble efecto (5) destinada a calentar y enfriar alternativamente la cámara derecha del cilindro.
- válvula de 2/3 (dos posiciones y tres vías) de entrada de los fluidos de calentamiento y enfriamiento a la cámara izquierda del cilindro termo-actuador de doble efecto (8) - válvula de 2/3 de entrada de los fluidos de calentamiento y enfriamiento a la cámara derecha del cilindro termo-actuador de doble efecto (9)
- válvula de 2/3 de salida de los fluidos térmicos de calentamiento y enfriamiento a la cámara izquierda del cilindro termo-actuador de doble efecto (10)
- válvula de 2/3 de salida de los fluidos térmicos de calentamiento y enfriamiento a la cámara derecha del cilindro termo-actuador de doble efecto (11 )
- conducto de suministro del fluido térmico calefactor (12 )
- conducto de suministro del fluido térmico enfriador (13)
- conducto de retorno del fluido térmico calefactor (14)
- conducto de retorno del fluido térmico enfriador (15)
Las alternativas a escoger sólo uno entre diferentes fluidos de trabajo (que tiene que ser el mismo para las dos cámaras del cilindro), son: el agua, aire, nitrógeno helio e hidrógeno.
Las alternativas a escoger sólo uno entre diferentes fluidos térmicos calefactores son el agua, helio, hidrógeno, o aceite térmico de alto calor específico.
Las alternativas a escoger sólo uno entre diferentes fluidos térmico enfriadores son agua, aire, helio o hidrógeno.
Claims (2)
1a. MÁQUINA Y CICLO TÉRMICO DE PROCESOS POLITRÓPICOS Y ADIABATICOS, caracterizada por estar constituida por uno o más cilindros termoactuadores de doble efecto, donde cada uno de los cuales opera con un fluido térmico de trabajo tal como helio o hidrógeno, (que puede ser alternativamente helio o hidrógeno y tiene que ser el mismo para ambas cámaras del cilindro termo-actuador), calentado y enfriado alternativamente para realizar trabajo mecánico al avanzar y retroceder el pistón de cada cilindro termo-actuador operando según un ciclo térmico formado por dos procesos cerrados politrópicos y dos procesos cerrados adiabáticos, donde cada cilindro termo-actuador comprende:
- cilindro termo-actuador de doble efecto (1) dotado de pistón (2) y vástago (3)
- pistón del cilindro termo-actuador de doble efecto (2)
- vástago del cilindro termo-actuador de doble efecto (3)
- intercambiador de calor de la cámara izquierda del cilindro termo-actuador de doble efecto (4) destinada a calentar y enfriar alternativamente la cámara izquierda del cilindro.
- intercambiador de calor de la cámara derecha del cilindro termo-actuador de doble efecto (5) destinada a calentar y enfriar alternativamente la cámara derecha del cilindro.
- válvula de 2/3 (dos posiciones y tres vías) de entrada de los fluidos de calentamiento y enfriamiento a la cámara izquierda del cilindro termo-actuador de doble efecto (8) - válvula de 2/3 de entrada de los fluidos de calentamiento y enfriamiento a la cámara derecha del cilindro termo-actuador de doble efecto (9)
- válvula de 2/3 de salida de los fluidos térmicos de calentamiento y enfriamiento a la cámara izquierda del cilindro termo-actuador de doble efecto (10)
- válvula de 2/3 de salida de los fluidos térmicos de calentamiento y enfriamiento a la cámara derecha del cilindro termo-actuador de doble efecto (11 )
- conducto de suministro del fluido térmico calefactor (12 )
- conducto de suministro del fluido térmico enfriador (13)
- conducto de retorno del fluido térmico calefactor (14)
- conducto de retorno del fluido térmico enfriador (15)
2a. Procedimiento de operación de la MÁQUINA Y CICLO TÉRMICO DE PROCESOS POLITRÓPICOS Y ADIABATICOS según reivindicación 1a, caracterizado por el ciclo
térmico, según el cual, en la cámara izquierda de cada cilindro termo-actuador de doble efecto (1 ), comienza el ciclo realizando el proceso politrópico de calentamiento 1-2, hasta alcanzar la presión p2 correspondiente a la temperatura T2, para lo cual se halla abierta la válvula de 2/3 (8) comunicando el conducto (12) con el intercambiador de calor de la cámara izquierda del cilindro termo-actuador de doble efecto (4), saliendo por la válvula de 2/3 (10) hacia el conducto de salida de la linea (12), donde este proceso da lugar a la realización de trabajo mecánico debido al desplazamiento del pistón (2) de izquierda a derecha.
Cuando se han alcanzado las condiciones de presión y temperatura del punto 2, comienza el proceso 2-3 de expansión adiabática con realización de trabajo, hasta alcanzar el final de su carrera en el punto 3, donde se alcanza la presión inicial p ^ . Para conseguir el retroceso del pistón (2) con realización de trabajo mecánico, da comienzo un proceso politrópico de enfriamiento 3-4 hasta alcanzar la presión pA correspondiente a la temperatura T4, para lo cual se halla abierta la válvula de 2/3 (8) comunicando el conducto (13) con el intercambiador de calor de la cámara izquierda del cilindro termo-actuador de doble efecto (4), saliendo por la válvula de 2/3 (10) hacia el conducto de salida de la linea (13), donde este proceso da lugar la realización de trabajo mecánico debido al desplazamiento del pistón (2) de derecha a izquierda. Cuando se han alcanzado las condiciones de presión y temperatura del punto 4, comienza el proceso 4-1 de compresión adiabática, hasta alcanzar el fina! de su carrera en el punto 1, donde se alcanza de nuevo la presión inicial p ^ y temperatura Tt, origen del ciclo correspondiente a la cámara izquierda del cilindro termo-actuador de doble efecto (1).
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