ES2660206A1 - Máquina térmica con ciclo de dos procesos politrópicos y dos isotérmicos - Google Patents
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Abstract
La máquina térmica con ciclo de dos procesos politrópicos y dos isotérmicos, convierte eficientemente la energía térmica a energía mecánica mediante una máquina alternativa constituida por varios cilindros actuadores de doble efecto con ciclo térmico de procesos cerrados formado por dos procesos politrópicos y dos isotérmicos, 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.
Description
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MÁQUINA TÉRMICA CON CICLO DE DOS PROCESOS POLITRÓPICOS Y DOS
ISOTÉRMICOS
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 tanto por calentamiento como por enfriamiento.
OBJETIVO DE LA INVENCIÓN
La presente invención denominada “MÁQUINA TÉRMICA CON CICLO DE DOS PROCESOS POLITRÓPICOS Y DOS ISOTÉRMICOS”, tiene por objeto la conversión eficiente de la energía térmica a energía mecánica mediante una máquina alternativa constituida por varios cilindros actuadores de doble efecto con ciclo térmico de procesos cerrados formado por dos procesos politrópicos y dos isotérmicos, caracterizada por realizar trabajo mecánico tanto por calentamiento como por enfriamiento, donde los procesos de calentamiento y de enfriamiento so llevados a cabo por medio de intercambiadores de calor.
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 isotérmicos, 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 según un proceso politrópico al fluido de trabajo es proporcionado mediante intercambiadores de calor, contrariamente a lo que ocurre en los ciclos
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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 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 TÉRMICA CON CICLO DE DOS PROCESOS POLITRÓPICOS Y DOS ISOTÉRMICOS, consta de al menos un cilindro termo- actuador de doble efecto, donde cada uno de los cuales opera con fluido térmico calentado y enfriado alternativamente para hacer avanzar y retroceder el pistón de cada cilindro actuador siguiendo un ciclo térmico formado por dos pares de procesos cerrados: un par de procesos politrópico-isotérmico con adición de calor y realización de trabajo mecánico, y un par de procesos politrópico-isotérmico con extracción de calor y realización de trabajo mecánico.
Cada una de las dos cámaras del cilindro termo-actuador dispone de al menos un intercambiador de calor destinado al calentamiento y enfriamiento del fluido de trabajo, 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 TÉRMICA CON CICLO DE DOS PROCESOS POLITRÓPICOS Y DOS ISOTÉRMICOS para facilitar la comprensión de la invención en donde de modo no limitativo se hace referencia a las siguientes figuras:
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La figura 1 muestra esquemáticamente la 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, así 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 vástago 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
6 válvula de modulación del flujo de calor a la cámara izquierda del cilindro termo- actuador de doble efecto
7 válvula de modulación del flujo de calor a 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 del invento, el cual representa el ciclo térmico que se realiza en una sola de las cámaras del cilindro termo-actuador, (la cámara izquierda), cuyo fluido térmico de trabajo es el mismo que el de la cámara derecha, mostrando en el eje ordenadas las temperaturas, y en el eje de abscisas las entropías. La rama 1-2 del ciclo corresponde a la adición de calor (calentamiento del fluido de
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trabajo por medio del fluido térmico calefactor con desarrollo de trabajo mecánico) siguiendo una función politrópica; la rama 2-3 corresponde a la adición de calor (calentamiento de! fluido de trabajo por medio del fluido térmico calefactor con desarrollo de trabajo mecánico) siguiendo una función isotérmica; la rama 3-4 corresponde a la extracción de calor (enfriamiento del fluido de trabajo por medio del fluido térmico enfriador con desarrollo de trabajo mecánico) siguiendo una función politrópica, y la rama 4-1 corresponde a la extracción de calor (enfriamiento de! fluido de trabajo por medio del fluido térmico enfriador con desarrollo de trabajo mecánico) siguiendo una función isotérmica, la cual termina en las mismas condiciones termodinámicas del comienzo del ciclo.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
La MÁQUINA TÉRMICA CON CICLO DE DOS PROCESOS POLITRÓPICOS Y DOS ISOTÉRMICOS, está constituida por uno o más cilindros termo-actuadores de doble efecto que operan bajo un ciclo térmico no convencional 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 modulación del flujo de calor a la cámara izquierda del cilindro termo- actuador de doble efecto (6) destinada a modular el flujo de calor transferido al fluido de trabajo para mantener el proceso isotérmico del ciclo a temperatura constante, tanto para actuación por calentamiento como para actuación por enfriamiento
- válvula de modulación del flujo de calor a la cámara derecha del cilindro termo- actuador de doble efecto (7) destinada a modular el flujo de calor transferido al fluido de trabajo para mantener el proceso isotérmico del ciclo a temperatura constante, tanto para actuación por calentamiento como para actuación por enfriamiento.
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- 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 TÉRMICA CON CICLO DE DOS PROCESOS POLITRÓPICOS Y DOS ISOTÉRMICOS para una sola cámara del cilindro termo-actuador (cámara izquierda), se halla representado por el diagrama T-s mostrado en la figura 2, según la cual, en la cámara izquierda de cada cilindro termo- actuador de doble efecto (1), comienza el ciclo térmico por medio del proceso politrópico de calentamiento 1-2, hasta alcanzar la presión p2 correspondiente a la temperatura T2l para lo cual se hallan abiertas la válvula de 2/3 (8) comunicando el conducto (12) y la válvula de modulación del flujo de calor (6) para permitir el calentamiento del fluido de trabajo en el intercambiador de calor (4) alimentado por el conducto de suministro del fluido térmico calefactor (12), el cual sale por la válvula de 2/3 (10) hacia el conducto de salida de la línea (12), donde este proceso da lugar 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 de calentamiento isotérmico 2-3, para lo cual la válvula de modulación del flujo de calor (6) restringe el flujo de calor lo necesario para mantener la temperatura constante a lo largo de la carrera del pistón, hasta alcanzar el final de su carrera en el punto 3, donde se alcanza la presión inicial pi.
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 T^ para lo cual se hallan abiertas la válvula de 2/3 (8) comunicando el conducto (13) y la válvula de modulación del flujo de calor (6) para
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permitir el enfriamiento del fluido de trabajo en el intercambiador de calor (4) alimentado por el conducto de suministro del fluido térmico enfriador (13), el cual sale 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 de enfriamiento isotérmico 4-1, para lo cual la válvula de modulación del flujo de calor (6) restringe el flujo de calor lo necesario para mantener la temperatura constante a lo largo de la carrera del pistón, hasta alcanzar el final de su carrera en el punto 1, donde se alcanza de nuevo la presión inicial p! y temperatura T1t origen del ciclo correspondiente a la cámara izquierda del cilindro termo-actuador de doble efecto (1).
Las alternativas a escoger sólo uno entre diferentes fluidos de trabajo (que tiene que ser el mismo para las dos cámaras del cilindro), son: 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.
DESCRIPCIÓN DE REALIZACIONES PREFERENTES DE LA INVENCIÓN
La configuración preferente de la MÁQUINA TÉRMICA CON CICLO DE DOS PROCESOS POLITRÓPICOS Y DOS ISOTÉRMICOS, está constituida por uno o más cilindros termo-actuadores de doble efecto que operan bajo un ciclo térmico no convencional 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)
- ¡ntercambiador 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.
- ¡ntercambiador 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.
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- válvula de modulación del flujo de calor a la cámara izquierda del cilindro termo- actuador de doble efecto (6) destinada a modular el flujo de calor transferido al fluido de trabajo para mantener el proceso isotérmico del ciclo a temperatura constante, tanto para actuación por calentamiento como para actuación por enfriamiento
- válvula de modulación del flujo de calor a la cámara derecha del cilindro termo- actuador de doble efecto (7) destinada a modular el flujo de calor transferido al fluido de trabajo para mantener el proceso isotérmico del ciclo a temperatura constante, tanto para actuación por calentamiento como para actuación por enfriamiento.
- 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: 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 térmicos enfriadores son agua, aire, helio o hidrógeno.
Claims (1)
- 51015202530351a. MÁQUINA TÉRMICA CON CICLO DE DOS PROCESOS POLITRÓPICOS Y DOS ISOTÉRMICOS, caracterizada por estar constituida por uno o más cilindros termo- actuadores de doble efecto que operan bajo un ciclo térmico no convencional 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 modulación del flujo de calor a la cámara izquierda del cilindro termo- actuador de doble efecto (6) destinada a modular el flujo de calor transferido al fluido de trabajo para mantener el proceso isotérmico del ciclo a temperatura constante, tanto para actuación por calentamiento como para actuación por enfriamiento- válvula de modulación del flujo de calor a la cámara derecha del cilindro termo- actuador de doble efecto (7) destinada a modular el flujo de calor transferido al fluido de trabajo para mantener el proceso isotérmico del ciclo a temperatura constante, tanto para actuación por calentamiento como para actuación por enfriamiento.- válvula de 2/3 (dos posiciones y tres vias) 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)51015202530352a. Procedimiento de operación de la MÁQUINA TÉRMICA CON CICLO DE DOS PROCESOS POLITRÓPICOS Y DOS ISOTÉRMICOS 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 térmico por medio del proceso politrópico de calentamiento 1-2, hasta alcanzar la presión p2 correspondiente a la temperatura T2, para lo cual se hallan abiertas la válvula de 2/3 (8) comunicando el conducto (12) y la válvula de modulación del flujo de calor (6) para permitir el calentamiento del fluido de trabajo en el intercambiador de calor (4) alimentado por el conducto de suministro del fluido térmico calefactor (12), el cual sale por la válvula de 2/3 (10) hacia el conducto de salida de la línea (12), donde este proceso da lugar 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 de calentamiento isotérmico 2-3, para lo cual la válvula de modulación del flujo de calor (6) restringe el flujo de calor lo necesario para mantener la temperatura constante a lo largo de la carrera del pistón, 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 p4 correspondiente a la temperatura T1t para lo cual se hallan abiertas la válvula de 2/3 (8) comunicando el conducto (13) y la válvula de modulación del flujo de calor (6) para permitir el enfriamiento del fluido de trabajo en el ¡ntercambiador de calor (4) alimentado por el conducto de suministro del fluido térmico enfriador (13), el cual sale 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 de enfriamiento isotérmico 4-1, para lo cual la válvula de modulación del flujo de calor (6) restringe el flujo de calor lo necesario para mantener la temperatura constante a lo largo de la carrera del pistón, hasta alcanzar el final de su carrera en el punto 1, donde se alcanza de nuevo la presión inicial p, y temperatura Ti, origen del ciclo correspondiente a la cámara izquierda del cilindro termo-actuador de doble efecto (1).3a. MÁQUINA TÉRMICA CON CICLO DE DOS PROCESOS POLITRÓPICOS Y DOS ISOTÉRMICOS, según reivindicación 1a y 2a, caracterizada por operar con uno de entre diversos fluidos de trabajo, (que tiene que ser el mismo para las dos cámaras del cilindro), son helio e hidrógeno.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES201600783A ES2660206B1 (es) | 2016-09-20 | 2016-09-20 | Máquina térmica con ciclo de dos procesos politrópicos y dos isotérmicos |
Applications Claiming Priority (1)
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| ES201600783A ES2660206B1 (es) | 2016-09-20 | 2016-09-20 | Máquina térmica con ciclo de dos procesos politrópicos y dos isotérmicos |
Publications (2)
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|---|---|
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|---|---|
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-
2016
- 2016-09-20 ES ES201600783A patent/ES2660206B1/es active Active
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Michael J. Moran y Howard N. Saphiro. LOS CICLOS ERICCSON Y STIRLING. Septiembre 2005, Páginas 484-485 [en línea][recuperado el 07/09/2017]. Recuperado de Internet (URL:https://es.slideshare.net/fdc300/termodinmica-moran-shapiro), 84-291-4313-0, páginas 484 - 485; figura 9 25, * |
| Ramon Ferreiro Garcia, Beatriz Ferreiro Sanz y Cristina Ferreiro Sanz. PRELIMINARY STUDY OF AN EFFICIENT OTEC USING A THERMAL CYCLE WITH CLOSED THERMODYNAMIC TRANSFORMATIONS. 17/04/2014, Vol. 4, Páginas 3840-3855 [en línea][recuperado el 07/09/2017]. Recuperado de Internet (URL:http://www.journalrepository.org/media/journals/BJAST_5/2014/Jul/Garcia4262014BJAST11152_1.pdf), 2231-0843, (DOI: 10.9743/BJAST/2014/11152) todo el documento. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2660206B1 (es) | 2019-01-14 |
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Legal Events
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