ES2703809A1 - Exothermic hot air motor (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
MOTOR EXOTERMICO DE AIRE CALIENTEHOT AIR EXOTERMIC ENGINE
Campo de la técnicaField of technique
Son varios los avances logrados en el campo de las energías renovables aprovechando el calor. Las bombas de calor aprovechan el calor del aire para climatización, la energía maremotérmica aprovecha la diferencia de temperatura entre la superficie del agua y el fondo marino, el motor Stirling se utiliza para producir electricidad con concentradores solares o generadores térmicos de biomasa u otros, etc.There are several advances made in the field of renewable energy taking advantage of the heat. The heat pumps take advantage of the heat of the air for air conditioning, the maremothermic energy takes advantage of the temperature difference between the surface of the water and the seabed, the Stirling engine is used to produce electricity with solar concentrators or thermal generators of biomass or others, etc. .
La presente invención pretende dar un paso más en el aprovechamiento de los recursos renovables, independientemente de su utilidad en procesos no renovables. Esta invención se fundamenta en la obtención de energía a partir de dos fuentes térmicas a distintas temperaturas en lo que se denomina un ciclo termodinámico, dónde el foco frío es el aire a temperatura ambiente, o inferior (aire procedente del evaporador de una bomba de calor), y el foco caliente se obtendrá a partir de un proceso térmico de cualquier fuente (cámaras de combustión, generadores de calor, concentrador solar, calor de procesos, gases de combustión, etc.).The present invention aims to take a further step in the use of renewable resources, regardless of their usefulness in non-renewable processes. This invention is based on obtaining energy from two thermal sources at different temperatures in what is called a thermodynamic cycle, where the cold focus is air at room temperature, or lower (air from the evaporator of a heat pump ), and the hot focus will be obtained from a thermal process from any source (combustion chambers, heat generators, solar concentrator, process heat, combustion gases, etc.).
Antecedentes de la invenciónBACKGROUND OF THE INVENTION
Los motores térmicos transforman el calor en trabajo mecánico aprovechando el gradiente de temperatura entre el foco frío y el foco caliente describiendo un ciclo termodinámico. Aparte del conocido ciclo de Carnot, existen varios ciclos termodinámicos que rigen el comportamiento de los diversos tipos de motores térmicos, siguiendo todos ellos el mismo principio: El foco a temperatura más elevada absorbe una cantidad de calor y parte de él lo convierte en trabajo cediendo el resto al foco de menor temperatura, siendo al contrario en los ciclos reversibles.The thermal motors transform the heat into mechanical work taking advantage of the temperature gradient between the cold focus and the hot focus describing a thermodynamic cycle. Apart from the well-known Carnot cycle, there are several thermodynamic cycles that govern the behavior of the various types of thermal engines, all following the same principle: The focus at higher temperature absorbs a quantity of heat and part of it turns it into work yielding the rest to the focus of lower temperature, being on the contrary in the reversible cycles.
Estos ciclos los cumplen dos tipos de motores, los endotérmicos, dónde la combustión se realiza en el interior del motor y los exotérmicos, dónde esta combustión se realiza fuera, aunque no siempre sea exigióle (como veremos en el ejemplo de realización preferente), un proceso de combustión previo. Los motores exotérmicos se dividen a la vez en dos tipos; motores de fluido condensable, como la máquina de vapor y la turbina de vapor y en motores de fluido no condensable como la turbina de gas de ciclo cerrado y el motor Stirling, también de ciclo cerrado.These cycles are fulfilled by two types of engines, the endothermic, where the combustion takes place inside the engine and the exotherms, where this combustion takes place outside, although it is not always demanded (as we will see in the preferred embodiment), a pre-combustion process. Exothermic engines are divided into two types at the same time; condensable fluid motors, such as the steam engine and the steam turbine and in non-condensable fluid motors such as the closed cycle gas turbine and the Stirling engine, also closed cycle.
El motor Stirling es un motor alternativo, como el que se propone en esta invención, capaz de trabajar con un rendimiento cercano al máximo teórico fijado por el rendimiento de Carnot. Además puede trabajar con una amplia gama de fuentes de calor: nuclear, solar, combustibles fósiles, calor de procesos, etc. Tiene la contrapartida principal de su alto coste y de que los fluidos de trabajo viables son el hidrógeno y el helio por sus buenas cualidades termodinámicas, pero presentan problemas de confinamiento y en el caso del hidrógeno, de explosión. Además, si el diferencial de temperatura entre el foco frío y el caliente es bajo, el tamaño del motor es muy grande debido al dimensionado de los intercambiadores. Deben además trabajar en aplicaciones que requieran una velocidad constante, ya que el ajuste del funcionamiento de un motor Stirling es complejo y requiere un diseño cuidadoso.The Stirling engine is an alternative engine, such as the one proposed in this invention, capable of working with a performance close to the theoretical maximum set by the performance of Carnot. It can also work with a wide range of heat sources: nuclear, solar, fossil fuels, process heat, etc. It has the main counterpart of its high cost and that the viable working fluids are hydrogen and helium because of their good thermodynamic qualities, but they present problems of confinement and in the case of hydrogen, explosion. In addition, if the temperature differential between the cold and hot focus is low, the size of the motor is very large due to the size of the exchangers. They must also work in applications that require a constant speed, since the adjustment of the operation of a Stirling engine is complex and requires careful design.
Por definición, un ciclo termodinámico abierto es aquél que intercambia materia con el exterior. Esto ocurre cuando los gases calientes de escape procedentes del motor una vez realizado el trabajo, son evacuados a la atmósfera. En el caso de ciclo termodinámico abierto, se sugiere su aprovechamiento para incorporarlos a un proceso térmico, como sería reconducirlos a la entrada de un proceso de combustión de un generador térmico, aprovecharlos para precalentar circuitos que utilizan calor ó usarlos para mejorar el COP de una bomba de calor. El ciclo termodinámico cerrado es el que no intercambia materia con el exterior.By definition, an open thermodynamic cycle is one that exchanges matter with the outside. This occurs when the hot exhaust gases from the engine, once the work is done, are evacuated to the atmosphere. In the case of an open thermodynamic cycle, it is suggested that they be used to incorporate them into a thermal process, such as bringing them back to the input of a thermal generator combustion process, taking advantage of them to preheat circuits that use heat or use them to improve the COP of a heat pump. The closed thermodynamic cycle is the one that does not exchange matter with the outside.
El motor exotérmico de aire caliente consiste en un dispositivo que, aprovechando el diferencial de temperatura entre un foco caliente y un foco frío realiza un trabajo mecánico. El principio de funcionamiento de este motor se basa en el aumento de presión o de volumen que sufre un gas al aumentar su temperatura. The exothermic hot air motor consists of a device that makes a mechanical work, taking advantage of the temperature differential between a hot bulb and a cold bulb. The operating principle of this engine is based on the increase in pressure or volume that a gas undergoes when its temperature increases.
A principios de 1800, Gay-Lussac estableció la relación entre la temperatura y la presión de un gas cuando el volumen es constante, estableciendo que la presión de un gas es directamente proporcional a su temperatura: P 1 /T 1 = P 2 /T 2 . Asimismo establece que cuando el gas puede expansionarse, el aumento de volumen también es proporcional a la temperatura: V 1 /T 1 = V 2 /T 2 In the early 1800s, Gay-Lussac established the relationship between temperature and pressure of a gas when the volume is constant, establishing that the pressure of a gas is directly proportional to its temperature: P 1 / T 1 = P 2 / T 2 It also states that when the gas can expand, the volume increase is also proportional to the temperature: V 1 / T 1 = V 2 / T 2
Exposición de la invenciónExhibition of the invention
El motor exotérmico de aire caliente, objeto de esta invención, utiliza también un foco frío y un foco caliente. Como foco caliente, se puede utilizar prácticamente cualquier foco emisor de calor como se ha mencionado anteriormente, y se puede configurar para realizar tanto un ciclo termodinámico abierto como uno cerrado.The exothermic hot air motor, object of this invention, also uses a cold bulb and a hot bulb. As a hot focus, virtually any heat emitting source can be used as mentioned above, and can be configured to perform both an open and a closed thermodynamic cycle.
En esta invención el gas utilizado es aire, inicialmente a presión atmosférica y a temperatura ambiente al que llamaremos foco frío. Este aire procedente del foco frío es comprimido por un pistón y depositado en un circuito calefactor situado en el foco caliente.In this invention, the gas used is air, initially at atmospheric pressure and at room temperature, which we will call cold focus. This air from the cold bulb is compressed by a piston and deposited in a heating circuit located in the hot bulb.
Vamos a exponer la invención por partes haciendo referencia a:We are going to expose the invention in parts referring to:
I.- El circuito calefactor puede ser diseñado para funcionar a:I.- The heating circuit can be designed to work at:
A.- Volumen constante ó aA.- Constant volume or a
B.- Presión constante.B.- Constant pressure.
A.- Funcionamiento del motor con circuito calefactor a volumen constante:A.- Engine operation with constant volume heating circuit:
El circuito calefactor a volumen constante, consiste en un intercambiador situado en el foco caliente, de un volumen tal, que una vez depositado en él el aire procedente de los cilindros de compresión a una presión P1, y debido al calentamiento sufrido en la cámara, se alcanzará una presión P2, determinada por la temperatura del foco caliente.The heating circuit at constant volume consists of an exchanger located in the hot focus, of such a volume that once the air coming from the compression cylinders is deposited therein at a pressure P1, and due to the heating suffered in the chamber, a pressure P2 will be reached, determined by the temperature of the hot bulb.
Una vez alcanzado el valor P2, el aire es inyectado en el cilindro de expansión en el momento que éste alcanza el PMS (Punto Muerto Superior). Como veremos posteriormente en el apartado de cálculos, al ser mayor el trabajo positivo realizado en el ciclo de trabajo de expansión que en el ciclo de trabajo de compresión, el trabajo neto es positivo. Es fácilmente deducible por las anteriores fórmulas, que cuanto mayor sea el diferencial de temperatura entre el foco frío y el foco caliente, mayor será el valor de la presión final y por ende, el trabajo neto del ciclo.Once the P2 value has been reached, the air is injected into the expansion cylinder at the moment it reaches the PMS (Top Dead Center). As we will see later in the calculations section, since the work is greater positive in the expansion work cycle that in the compression work cycle, the net work is positive. It is easily deductible by the above formulas, that the higher the temperature differential between the cold focus and the hot focus, the higher the value of the final pressure and hence the net work of the cycle.
B.- Funcionamiento del motor con circuito calefactor a presión constante:B.- Operation of the motor with constant pressure heating circuit:
En este caso, el circuito calefactor consiste en un intercambiador de volumen suficiente para permitir la expansión del aire sin que el valor de la presión se modifique. Para conseguir que la presión en el circuito calefactor permanezca constante, a parte de dotarlo de suficiente volumen de acumulación, deberemos extraer del intercambiador el mismo volumen de aire que introducimos. Cuando introducimos en el intercambiador un determinado volumen V1 de aire procedente del foco frío, éste aumentará su volumen hasta V2 en función de la temperatura del foco caliente. Si cada vez que introducimos un volumen de aire V1, extraemos del circuito calefactor un volumen V2, la presión permanecerá constante.In this case, the heating circuit consists of a sufficient volume exchanger to allow air expansion without the pressure value being modified. To ensure that the pressure in the heating circuit remains constant, in addition to providing it with a sufficient volume of accumulation, we must extract the same volume of air from the exchanger that we introduce. When we introduce into the exchanger a certain volume V1 of air from the cold bulb, it will increase its volume to V2 depending on the temperature of the hot bulb. If every time we introduce a volume of air V1, we extract a volume V2 from the heating circuit, the pressure will remain constant.
II. - Los cilindros, configuración de los cilindros del motor.II. - The cylinders, configuration of the cylinders of the engine.
El motor exotérmico de aire caliente se puede configurar para que las fases de funcionamiento la realicen dos cilindros (Uno para de admisión y compresión y otro para expansión y escape), o bien para que un único cilindro realice todas las fases. A continuación definimos ambas posibilidades:The exothermic hot air motor can be configured so that the operating phases are carried out by two cylinders (one for intake and compression and another for expansion and exhaust), or for a single cylinder to carry out all the phases. Next we define both possibilities:
III. - Fases de funcionamiento del motor:III. - Phases of operation of the engine:
A - Fases del motor con dos cilindros:A - Phases of the engine with two cylinders:
a) En la exposición de esta invención, la fase de compresión del aire la realiza un cilindro de compresión (Ce), el cuál realizaría dos ciclos; el de admisión y el de compresión de aire procedente del foco frío. Para ello, cuando el pistón del cilindro de compresión se encuentra en el PMS (Punto Muerto Superior), se abre su válvula de admisión, permitiendo la entrada de aire frío en el cilindro de compresión (Ce), hasta que su pistón llega al PMI (Punto Muerto Inferior), momento en que se cierra su válvula de admisión. Durante la carrera ascendente del cilindro de compresión, el aire en su interior se comprime hasta alcanzar una presión igual o superior a la del aire contenido en el circuito calefactor, momento en el que se abre su válvula de salida, permitiendo el paso del aire comprimido por el pistón hacia el circuito calefactor, Cuando el pistón llega al PMS, se inicia un nuevo ciclo de compresióna) In the exposition of this invention, the compression phase of the air is carried out by a compression cylinder (Ce), which would perform two cycles; the intake and compression air from the cold bulb. For this, when the piston of the compression cylinder is in the PMS (Top Dead Center), its intake valve is opened, allowing cold air to enter the compression cylinder (Ce), until its piston reaches the PMI. (Bottom Dead Center), when your intake valve closes. During the upward stroke of the compression cylinder, the air inside is compressed to reach a pressure equal to or higher than the air contained in the heating circuit, at which time its outlet valve opens, allowing the passage of compressed air through the piston to the heating circuit. When the piston reaches the PMS, it starts a new compression cycle
b) La fase de expansión la realiza un cilindro de expansión (Ce), que realizaría otros dos ciclos; el de expansión y el de escape del aire procedente del foco caliente del siguiente modo: Cuando el pistón del cilindro de expansión (Ce) se encuentra en el PMS, se abre su válvula de inyección permitiendo el paso del aire contenido en el circuito calefactor hacia el interior del cilindro de expansión (Ce). Por efecto de la presión del aire contenido en el circuito calefactor, el pistón inicia su descenso y en un punto de su recorrido descendente, (que se explica en el ejemplo de realización preferente) se cierra la válvula de inyección mientras el cilindro continúa su recorrido hasta llegar al PMI. Llegado a este punto, se abre su válvula de escape, permitiendo la evacuación del aire contenido en el cilindro (Ce) durante el recorrido del pistón desde el PMI al PMS, llegado al cuál se inicia un nuevo ciclo de expansión. Ambos cilindros se encuentran rígidamente unidos mediante un cigüeñal, estando constituido el motor por un número “n" de parejas de cilindros (Ce y Ce).b) The expansion phase is carried out by an expansion cylinder (C e ), which would perform two more cycles; the expansion and exhaust air from the hot bulb as follows: When the piston of the expansion cylinder (C e ) is in the PMS, opens its injection valve allowing the passage of air contained in the heating circuit into the interior of the expansion cylinder (C e ). As a result of the pressure of the air contained in the heating circuit, the piston starts its descent and at a point of its descending path (explained in the preferred embodiment) the injection valve is closed while the cylinder continues its course until reaching the PMI. At this point, its exhaust valve opens, allowing the air contained in the cylinder (C e ) to escape during the piston travel from the PMI to the PMS, at which point a new expansion cycle begins. Both cylinders are rigidly connected by a crankshaft, the engine consisting of an "n" number of pairs of cylinders (Ce and C e ).
B.- Fases del motor con un cilindro:B.- Phases of the engine with a cylinder:
El motor exotérmico de aire caliente, objeto de la presente invención, también podría configurarse para que con un solo cilindro se realizaran todos los ciclos. En este caso, el motor exotérmico de aire caliente funcionaría de forma similar a un motor de cuatro tiempos y los ciclos serían los siguientes:The exothermic hot air motor, object of the present invention, could also be configured so that all the cycles were carried out with a single cylinder. In this case, the exothermic hot air motor would work in a similar way to a four-stroke engine and the cycles would be the following:
Primer ciclo: El descenso del pistón abre la válvula de admisión y el cilindro se llena de aíre hasta llegar al PMI.First cycle: The descent of the piston opens the intake valve and the cylinder fills with air until it reaches the PMI.
Segundo ciclo: El pistón inicia su ascenso desde el PMI comprimiendo el aire a lo largo de su carrera. Cuando la presión en la cámara del cilindro es igual o superior a la del circuito calefactor, se abre la válvula de salida vaciando el aire del cilindro en el circuito calefactor.Second cycle: The piston starts its ascent from the PMI compressing the air throughout its stroke. When the pressure in the cylinder chamber is equal to or greater than that of the heating circuit, the outlet valve is opened by emptying the cylinder air in the heating circuit.
Tercer ciclo: Cuando se ha cerrado la válvula de salida y el pistón está en el PMS, se abre la válvula de inyección durante un tiempo preestablecido y el aire proveniente del circuito calefactor se expande en el cilindro impulsando el pistón hacia abajo, aportando trabajo al ciclo.Third cycle: When the outlet valve has been closed and the piston is in the PMS, the injection valve is opened for a pre-set time and the air from the heating circuit expands in the cylinder driving the piston downwards, providing work to the cycle.
Cuarto ciclo: Cuando el pistón llega al PMI, ya se ha cerrado la válvula de inyección y se abre la válvula de escape. Al llegar el pistón al PMS se Inicia de nuevo el ciclo.Fourth Cycle: When the piston reaches the PMI, the injection valve has already been closed and the exhaust valve is opened. When the piston reaches the PMS, the cycle starts again.
Descripción detallada de un ejemplo de realizaciónDetailed description of an embodiment
A continuación mediante los dibujos se explica la disposición de los distintos componentes que conforman el motor exotérmico objeto de esta patente, basándonos para su explicación, en la configuración del motor con cilindro de compresión (CC) y cilindro de expansión (CE), sirviendo para describir el principio de funcionamiento del mismo, así como el ejemplo preferente, pero en ningún caso limitante de la invención.The drawings below explain the arrangement of the different components that make up the exothermic engine object of this patent, based on the configuration of the motor with compression cylinder (CC) and expansion cylinder (CE), serving to explain it. describe the principle of operation thereof, as well as the preferred example, but in no case limiting the invention.
Las anteriores y otras características y ventajas, se comprenderán más plenamente a partir de la siguiente descripción detallada de un ejemplo de realización con referencia a los dibujos adjuntos.The foregoing and other features and advantages will be more fully understood from the following detailed description of an exemplary embodiment with reference to the accompanying drawings.
La figura 1 muestra la disposición básica del cilindro de expansión (Ce), en el que se pueden observar sus distintos elementos. Se observa que tanto la válvula de inyección como la válvula de escape se han diseñado de corredera, de forma que podamos disminuir el espacio muerto y aprovechar la práctica totalidad de la cámara para expansionar el aire.Figure 1 shows the basic arrangement of the expansion cylinder (C e ), in which its different elements can be observed. It is observed that both the injection valve and the exhaust valve have been designed as a slide, so that we can reduce the dead space and take advantage of almost all the chamber to expand the air.
La figura 2. muestra los elementos que componen el cilindro de compresión (Ce). Este cilindro funciona prácticamente igual que un compresor, aunque se diseñará para que el espacio muerto sea el menor posible y podamos transferir el mayor volumen de aire posible al circuito calefactor.Figure 2 shows the elements that make up the compression cylinder (Ce). This cylinder works practically the same as a compressor, although it will be designed so that the dead space is as small as possible and we can transfer as much air as possible to the heating circuit.
La figura 3. nos muestra el diseño básico del motor de ciclo abierto que servirá de ejemplo para la descripción de la primera realización preferente, en dónde se observa un cilindro de expansión (Ce) y un cilindro de compresión (Ce), los cuáles se encuentran unidos por el cigüeñal (8c-10e). Se ha incorporado además un turbocompresor (11) que está unido a la cámara del cilindro de expansión (Ce) a través del tubo de salida de escape (9e) y la válvula de escape (5e), el cuál aprovecha la presión residual y el caudal de aire de los gases de escape, antes de la salida de gases de escape (22), provenientes del cilindro de expansión (Ce) para inyectar aire a temperatura ambiente en el cilindro de compresión (Ce) a través del tubo de admisión (6c) y la válvula de admisión (4c) con el fin de mejorar el nivel de llenado del mismo. En serie el circuito de aire a temperatura ambiente, que entrando por la entrada de aire (21), es comprimido por el turbocompresor (11), se incorpora un enfriador (intercooler) (12), cuya misión es la de enfriar el aire procedente del turbocompresor (11) para restablecer las condiciones iniciales del aire y conseguir un mejor nivel de llenado.Figure 3 shows the basic design of the open cycle engine that will serve as an example for the description of the first preferred embodiment, where an expansion cylinder (C e ) and a compression cylinder (Ce) are observed, which they are joined by the crankshaft (8c-10e). A turbocharger (11) that is attached to the expansion cylinder chamber (C e ) through the exhaust outlet pipe (9e) and the exhaust valve has also been incorporated. (5e), which takes advantage of the residual pressure and the air flow of the exhaust gases, before the exit of exhaust gases (22), from the expansion cylinder (C e ) to inject air at room temperature in the compression cylinder (Ce) through the intake pipe (6c) and the intake valve (4c) in order to improve the filling level thereof. In series the air circuit at room temperature, which entering through the air inlet (21), is compressed by the turbocharger (11), a cooler (intercooler) (12) is incorporated, whose mission is to cool the air from of the turbocharger (11) to restore the initial air conditions and achieve a better level of filling.
Observamos en esta figura, que la válvula de escape (5c) del cilindro de compresión (Ce), comunica mediante el tubo de salida (7c) con el circuito calefactor (13), que se encuentra en el interior de la cámara de calentamiento como fuente de calor (14) disponiendo como fuente de calor cualquier emisor térmico.We observe in this figure, that the exhaust valve (5c) of the compression cylinder (Ce), communicates through the outlet tube (7c) with the heating circuit (13), which is inside the heating chamber as source of heat (14) providing as a heat source any thermal emitter.
En la exposición de esta invención, la fase de compresión del aire la realiza un cilindro de compresión (Ce), el cuál realizaría dos ciclos; el de admisión y el de compresión. La fase de expansión la realiza un cilindro de expansión (Ce), que realizaría otros dos ciclos; el de expansión y el de escape. Ambos cilindros son independientes, pero están unidos mediante un cigüeñal que sincroniza sus movimientos.In the exposition of this invention, the compression phase of the air is carried out by a compression cylinder (Ce), which would perform two cycles; the admission and compression. The expansion phase is carried out by an expansion cylinder (C e ), which would perform two more cycles; the expansion and escape. Both cylinders are independent, but are joined by a crankshaft that synchronizes their movements.
La figura 4. nos muestra el diseño básico del motor de ciclo abierto que servirá de ejemplo para la descripción de la segunda realización preferente, en dónde se observa un cilindro de expansión (Ce) y un cilindro de compresión (Ce), los cuáles se encuentran unidos por el cigüeñal (8c-10e). Se ha incorporado además un turbocompresor (11) que está unido a la cámara del cilindro de expansión (Ce) a través del tubo de salida de escape (9e) y la válvula de escape (5e), el cuál aprovecha la presión residual y el caudal de aire de los gases de escape provenientes del cilindro de expansión (Ce) para inyectar aire a temperatura ambiente en el cilindro de compresión (Ce) a través del tubo de admisión (6c) y la válvula de admisión (4c) con el fin de mejorar el nivel de llenado del mismo. En serie el circuito de aire a temperatura ambiente comprimido por el turbocompresor (11), se incorpora un enfriador (íntercooler) (12), cuya misión es la de enfriar el aire procedente del turbocompresor (11) para restablecer las condiciones iniciales del aire y conseguir un mejor nivel de llenado.Figure 4. shows the basic design of the open cycle engine that will serve as an example for the description of the second preferred embodiment, where an expansion cylinder (C e ) and a compression cylinder (Ce) are observed, which they are joined by the crankshaft (8c-10e). A turbocharger (11) is also incorporated which is connected to the chamber of the expansion cylinder (C e ) through the exhaust outlet pipe (9e) and the exhaust valve (5e), which takes advantage of the residual pressure and the air flow of the exhaust gases from the expansion cylinder (C e ) to inject air at room temperature into the compression cylinder (Ce) through the intake pipe (6c) and the intake valve (4c) with In order to improve the level of filling it. In series the air circuit at room temperature compressed by the turbocharger (11), a cooler (intercooler) (12) is incorporated, whose mission is to cool the air from the turbocharger (11) to restore the initial air conditions and get a better level of filling.
Observamos en esta figura, que la válvula de escape (5c) del cilindro de compresión (Ce), comunica mediante el tubo de salida (7c) con el circuito calefactor (13) disponiendo como fuente de calor el condensador (15) de una bomba de calor (17), y el aire de admisión del cilindro de compresión (Ce) se enfría con el evaporador (16) de la bomba de calor (17).We observe in this figure, that the exhaust valve (5c) of the compression cylinder (Ce), communicates through the outlet tube (7c) with the heating circuit (13) providing as a heat source the condenser (15) of a pump of heat (17), and the intake air of the compression cylinder (Ce) is cooled with the evaporator (16) of the heat pump (17).
En la exposición de esta invención, la fase de compresión del aire la realiza un cilindro de compresión (CC), el cuál realizaría dos ciclos; el de admisión y el de compresión. La fase de expansión la realiza un cilindro de expansión (CE), que realizaría otros dos ciclos; el de expansión y el de escape. Ambos cilindros son independientes, pero están unidos mediante un cigüeñal que sincroniza sus movimientos.In the exposition of this invention, the air compression phase is performed by a compression cylinder (CC), which would perform two cycles; the admission and compression. The expansion phase is carried out by an expansion cylinder (CE), which would perform two more cycles; the expansion and escape. Both cylinders are independent, but are joined by a crankshaft that synchronizes their movements.
La figura 5. El motor exotérmico de aire caliente, también podría configurarse para que con un solo cilindro se realizaran todos los ciclos. Esta figura muestra la disposición del motor para funcionar conforme al primer ejemplo de realización preferente de ciclo abierto. En este caso, el motor exotérmico de aire caliente funcionaría de forma similar a un motor de cuatro tiempos, disponiendo de un modo combinado y controlado: una válvula de admisión de aire (4b), otra válvula de admisión de aire caliente (3b), en combinación con la válvula de salida de aire comprimido (6b) y la válvula de escape (5b).Figure 5. The exothermic hot air motor could also be configured so that all the cycles were carried out with a single cylinder. This figure shows the arrangement of the motor to operate according to the first preferred embodiment of open cycle. In this case, the exothermic hot air motor would work in a similar way to a four-stroke engine, having a combined and controlled mode: an air intake valve (4b), another hot air intake valve (3b), in combination with the compressed air outlet valve (6b) and the exhaust valve (5b).
La figura 6. Esta figura muestra el motor exotérmico de aire caliente de un único cilindro que realiza todos los ciclos, configurado para funcionar conforme al segundo ejemplo de realización preferente, de ciclo abierto.Figure 6. This figure shows the exothermic hot air motor of a single cylinder that performs all cycles, configured to operate according to the second preferred embodiment, open cycle.
La figura 7, muestra un ejemplo de realización de las válvulas de corredera (18) integradas en la culata del motor (19), con el objetivo de minimizar el espacio muerto entre el PMS del pistón y la culata del motor. Figure 7 shows an example of realization of the slide valves (18) integrated in the engine head (19), with the aim of minimizing the dead space between the PMS of the piston and the cylinder head of the engine.
La Figura 8, observa también pistón (2e) dónde se utiliza un segmento de grafito (20). Figure 8 also notes piston (2e) where a segment of graphite ( 20 ) is used.
La Figura 9. muestra la realización del motor de doble cilindro en ciclo cerrado. La Figura 10. muestra la realización del motor de doble cilindro en ciclo cerrado en combinación con una bomba de calor.Figure 9. shows the embodiment of the double cylinder motor in closed cycle. Figure 10. shows the realization of the double cylinder motor in closed cycle in combination with a heat pump.
La figura 11. muestra la realización del motor con un único cilindro que realiza los cuatro ciclos, funcionando en ciclo cerrado.Figure 11. shows the realization of the engine with a single cylinder that performs the four cycles, operating in a closed cycle.
La figura 12, muestra la realización del motor con un único cilindro que realiza los cuatro ciclos, funcionando en ciclo cerrado en combinación con una bomba de calor.Figure 12 shows the embodiment of the engine with a single cylinder that performs all four cycles, operating in a closed cycle in combination with a heat pump.
Descripción de los diferentes elementos de la invenciónDescription of the different elements of the invention
1b - Cilindro de cuatro tiempos.1b - Four-stroke cylinder.
2b - Pistón del cilindro de cuatro tiempos2b - Four-stroke cylinder piston
3b - Válvula de inyección de aire caliente en el cilindro de cuatro tiempos.3b - Hot air injection valve on the four-stroke cylinder.
4b - Válvula de admisión de aire en el cilindro de cuatro tiempos.4b - Air intake valve in the four-stroke cylinder.
5b - Válvula de escape en el cilindro de cuatro tiempos.5b - Exhaust valve in the four-stroke cylinder.
6b - Válvula de salida de aire comprimido en el cilindro de cuatro tiempos.6b - Compressed air outlet valve in the four-stroke cylinder.
7b - Circuito calefactor de aplicación en el cilindro de cuatro tiempos.7b - Application heating circuit in the four-stroke cylinder.
8b - Cámara de calentamiento.8b - Heating chamber.
9b - T urbocompresor.9b - T urbocompressor.
10b - Enfriador de aire (Intercooler).10b - Air Cooler (Intercooler).
Ce-Cilindro de compresión.Ce-Compression cylinder.
1c - Camisa del cilindro de compresión.1c - Compression cylinder shirt.
2c - Pistón del cilindro de compresión.2c - Compression cylinder piston.
3c - Biela del cilindro de compresión. 3c - Compression cylinder connecting rod.
4c - Válvula de admisión del cilindro de compresión.4c - Inlet valve of the compression cylinder.
5c - Válvula de salida del cilindro de compresión.5c - Compression cylinder outlet valve.
6c - Tubo de entrada de aire de admisión.6c - Inlet air intake tube.
7c - Tubo de salida de aire comprimido.7c - Compressed air outlet tube.
8c - Cigüeñal al que se une la biela (3c) del cilindro de compresión.8c - Crankshaft to which the connecting rod (3c) of the compression cylinder is attached.
Ce-C ilindro de expansión.C e - Illusion of expansion.
1e - Camisa del cilindro de expansión.1e - Expansion cylinder shirt.
2e - Pistón del cilindro de expansión.2e - Expansion cylinder piston.
3e - Biela del cilindro de expansión.3e - Expansion cylinder connecting rod.
4e - Válvula de inyección del cilindro de expansión.4e - Expansion cylinder injection valve.
5e - Válvula de escape del cilindro de expansión.5e - Exhaust cylinder expansion valve.
6e - Leva de la válvula de inyección del cilindro de expansión.6e - Cam of the injection valve of the expansion cylinder.
7e - Leva de la válvula de escape del cilindro de expansión.7e - Cam of the expansion valve of the expansion cylinder.
8e - Tubo entrada de inyección al cilindro de expansión.8e - Inlet tube of injection to the expansion cylinder.
9e - Tubo salida de escape del cilindro de expansión.9e - Exhaust pipe of the expansion cylinder.
10e - Cigüeñal al que se une la biela (3e) del cilindro de expansión.10e - Crankshaft to which the connecting rod (3e) of the expansion cylinder is attached.
11 - Turbocompresor que se encuentra unido al cilindro de expansión a través del tubo de salida de escape (9e)11 - Turbocharger that is attached to the expansion cylinder through the exhaust outlet pipe (9e)
12 - Enfriador (intercooler)12 - Cooler (intercooler)
13 - Calefactor que dispone del circuito calefactor conectado con el tubo de salida de aire comprimido del cilindro de compresión (7c) por un lado y con el tubo de entrada de inyección (8e) al cilindro de expansión por el otro.13 - Heater having the heating circuit connected to the compressed air outlet pipe of the compression cylinder (7c) on one side and the injection inlet pipe (8e) to the expansion cylinder on the other.
14 - Cámara de calentamiento como fuente de calor.14 - Heating chamber as a heat source.
15 - Condensador.15 - Capacitor.
16 - Evaporador.16 - Evaporator.
17 - Bomba de calor. 17 - Heat pump.
18 - Válvulas correderas del cilindro de expansión.18 - Expansion cylinder sliding valves.
19 - Culata del motor.19 - Engine head.
20 - Segmento de grafito dei pistón (2e).20 - Plunger graphite segment (2e).
21 - Entrada del aire21 - Air intake
22 - Salida de gases de escape.22 - Exhaust gas outlet.
Descripción detallada de un ejemplo de la realización preferenteDetailed description of an example of the preferred embodiment
Basándonos en las explicaciones precedentes, construimos el motor exotérmico de aire caliente objeto de esta patente, sirviendo para describir el principio de funcionamiento así como el ejemplo preferente, pero en ningún caso limitante de la invención.Based on the preceding explanations, we build the exothermic hot air motor object of this patent, serving to describe the principle of operation as well as the preferred example, but in no way limiting the invention.
Las anteriores y otras características y ventajas, se comprenderán más plenamente a partir de la siguiente descripción detallada de un ejemplo de realización y conforme a lo descrito en las Figuras adjuntas.The foregoing and other features and advantages will be more fully understood from the following detailed description of an exemplary embodiment and according to what is described in the attached Figures.
Para describir claramente la patente, creemos necesaria la explicación de dos ejemplos, que aunque funcionan con el mismo criterio, cumplen dos objetivos claramente diferentes.To clearly describe the patent, we believe it is necessary to explain two examples, which, although they work with the same criteria, fulfill two clearly different objectives.
A) En el primer ejemplo de realización preferente, (Figura 3) usaremos como foco frío, aire a 20°C de temperatura y como foco caliente, la salida de humos de una caldera de biomasa, cuya temperatura establecemos en 120°C., aunque en realidad la temperatura de salida de humos es muy superior (150—190°C), pero pretendemos ser conservadores para dar certeza a los resultados obtenidos. Con esta realización preferente, el calor que utilizamos es calor residual del proceso y la energía obtenida será totalmente renovable.A) In the first preferred embodiment, (Figure 3) we use as a cold focus, air at 20 ° C temperature and as a hot focus, the smoke output of a biomass boiler, whose temperature we set at 120 ° C., although in reality the temperature of smoke output is much higher (150-190 ° C), but we intend to be conservative to give certainty to the results obtained. With this preferred embodiment, the heat that we use is the residual heat of the process and the energy obtained will be completely renewable.
El diseño del motor lo realizaremos utilizando un cilindro de expansión (Ce) y un cilindro de compresión (Ce). Definiremos a continuación los criterios básicos de diseño del motor exotérmico de aire caliente, objeto de esta realización preferente: We will design the engine using an expansion cylinder (Ce) and a compression cylinder (Ce). We will now define the basic design criteria of the hot air exothermic motor, object of this preferred embodiment:
Diseño de cilindros v culata: Espacio muerto:Design of cylinders v cylinder head: Dead space:
El espacio muerto o volumen nocivo corresponde al volumen residual entre el pistón, el fondo del cilindro y las lumbreras de las válvulas, cuando el pistón está en su PMS, estimándose en el caso de compresores de pistón, entre un 3% - 10% de la carrera. Su efecto es doble en razón a que si por un lado disminuye el volumen de aspiración, por otro ahorra energía, ya que la expansión produce un efecto motor sobre el pistón, pero en esencia implica que no todo el aire que se comprime pasa al intercambiador, quedando un volumen residual sin transferir.The dead space or harmful volume corresponds to the residual volume between the piston, the bottom of the cylinder and the ports of the valves, when the piston is at its PMS, estimated in the case of piston compressors, between 3% - 10% of the race. Its effect is double because, on the one hand, it reduces the volume of aspiration, on the other it saves energy, since the expansion produces an engine effect on the piston, but in essence it means that not all the air that is compressed passes to the exchanger , leaving a residual volume without transferring.
En nuestro caso, para un correcto funcionamiento del motor objeto de esta patente, deberemos eliminar en la medida de lo posible ese espacio muerto, ya que incidirá de manera directa en el rendimiento del motor. Intentaremos reducir la distancia entre el final del pistón y la culata al valor mínimo aceptable por fabricantes de 0,6mm y trataremos de anular los volúmenes nocivos entre pistón y válvulas. Para ello, en el cilindro de expansión (Ce) proponemos un diseño similar al de la Figura 6, en dónde se observa en la culata el alojamiento de las válvulas de corredera de inyección (4e) y Escape (5e). En el pistón (2e) se han sustituido los típicos segmentos de acero por uno continuo de grafito (20) para minimizar la fricción y conseguir un mejor cierre con la camisa del cilindro.In our case, for a correct operation of the engine object of this patent, we must eliminate as far as possible that dead space, since it will directly affect the performance of the engine. We will try to reduce the distance between the end of the piston and the cylinder head to the minimum acceptable value by manufacturers of 0.6mm and we will try to cancel the harmful volumes between piston and valves. To do this, in the expansion cylinder (C e ) we propose a design similar to that of Figure 6, where the housing of the injection slider valves (4e) and Escape (5e) is seen in the cylinder head. In the piston (2e) the typical steel segments have been replaced by a continuous graphite (20) to minimize friction and achieve a better closure with the cylinder liner.
Las válvulas del cilindro de compresión (Ce) se diseñan de asiento plano, como se indica en la figura 2, de forma que cuando se encuentran cerradas no presenten ningún volumen nocivo que se sume al espacio de 0,6mm de separación entre el pistón (2c) y la culata del cilindro de compresión (Ce).The compression cylinder valves (Ce) are designed with a flat seat, as indicated in figure 2, so that when they are closed they do not present any harmful volume that adds to the space of 0.6mm between the piston ( 2c) and the compression cylinder head (Ce).
Intercambiador de calentamiento del aire:Air heating exchanger:
El intercambiador tendrá gran superficie de intercambio con el fin de poder transmitir el calor de forma rápida y eficaz. Se ubicará en la parte trasera de la caldera en el cajón de salida de humos, El intercambiador estará constituido internamente por múltiples conductos de pequeña sección con el fin de aumentar la velocidad del flujo a la vez que el área de contacto, ya que cuanto más rápido es el movimiento del fluido, mayor es la transferencia de calor por convección.The exchanger will have a large exchange surface in order to be able to transmit the heat quickly and efficiently. It will be located in the back of the boiler in the smoke outlet box. The exchanger will be internally constituted by multiple small section ducts in order to increase the speed of the flow at the same time as the contact area, since the faster the movement of the fluid, the greater the heat transfer by convection.
Turbocompresor e intercooler:Turbocharger and intercooler:
Con el fin de aprovechar la presión residual presente en el ciclo de escape de los gases del cilindro, colocaremos un turbocompresor (11) en la salida de escapes (21). Esto nos ayudará a mejorar la eficiencia de llenado de aire del cilindro en el ciclo de admisión. Añadiremos un intercooler (12) para enfriar el aire de admisión y conseguir un mejor llenado.In order to take advantage of the residual pressure present in the exhaust cycle of the cylinder gases, we will place a turbocharger (11) in the exhaust outlet (21). This will help us improve the efficiency of cylinder air filling in the intake cycle. We will add an intercooler (12) to cool the intake air and get a better filling.
Pérdidas por fricción en el motorFriction losses in the engine
Debido a los continuos avances en materiales antifricción, hoy en día existen materiales cuyo coeficiente de fricción es extremadamente reducido. Aunque ese tipo de materiales no se implementan en motores de combustión actuales debido a los altos requerimientos térmicos solicitados, serán ¡dóneos para los ejemplos de realización preferente que describimos, ya que los condicionantes térmicos del motor exotérmico de aire caliente objeto de esta realización preferente son perfectamente asumióles por estos materiales. Hablamos especialmente del grafito.Due to the continuous advances in antifriction materials, today there are materials whose coefficient of friction is extremely low. Although these types of materials are not implemented in current combustion engines due to the high thermal requirements, they will be useful for the preferred embodiment examples that we describe, since the thermal conditions of the hot air exothermic engine object of this preferred embodiment are perfectly assumed by these materials. We talk especially about graphite.
Pero incluso si usáramos un motor convencional, veremos como también serían asumióles las pérdidas por fricción del motor, tal y como señala en su Tesis Doctoral “Contribución al estudio experimental de la fricción pistón-camisa en un motor de combustión interna", la Ingeniera Mecánica por la Universidad Politécnica de Madrid, año 2008, Viviana Aguirre Montoya.But even if we used a conventional engine, we will see how the friction losses of the engine would also be assumed, as stated in his Doctoral Thesis "Contribution to the experimental study of piston-sleeve friction in an internal combustion engine", the Mechanical Engineer by the Polytechnic University of Madrid, year 2008, Viviana Aguirre Montoya.
Menciona en su tesis que las pérdidas por fricción en un motor, se deben al movimiento relativo entre las partes móviles del motor, reduciendo su potencia efectiva. En un motor convencional las pérdidas por fricción se sitúan entre un 4% y un 15% de la potencia del motor. En su tesis destaca la fricción entre el pistón y los segmentos con el cilindro, los cojinetes y el sistema de distribución que en nuestro caso, moverá las levas (6e) y (7e) que actúan las válvulas de escape (5e) e inyección (4e). En su estudio determina que durante cada revolución, la velocidad de deslizamiento del pistón pasa de 0 m/s (lubricación límite) en los puntos muertos y (dependiendo del motor) hasta una velocidad de 10 m/s (lubricación hidrodinámica) siendo el coeficiente de fricción respectivamente de 0,001 y 0,08 (motor trabajando a 3000 rpm). El coeficiente de fricción de los cojinetes lo ha establecido en 0,001. Para nuestros cálculos, el sistema de distribución lo realizaremos con una válvula de corredera con cierre y asientos de grafito y retroceso por muelle. Este tipo de válvula de corredera, aparte de tener unas pérdidas por fricción muy reducidas, necesita muy poca presión en el palpador de leva para efectuar su desplazamiento, debido a que la presión del aire se ejerce de forma axial al desplazamiento de la corredera. La fuerza máxima aplicada para su desplazamiento es inferior a 7 N (datos del fabricante).He mentions in his thesis that friction losses in an engine are due to the relative movement between the moving parts of the engine, reducing its effective power. In a conventional engine friction losses are between 4% and 15% of engine power. In his thesis stresses the friction between the piston and the segments with the cylinder, the bearings and the distribution system that in our case, will move the cams (6e) and (7e) that actuate the exhaust (5e) and injection ( 4e). In his study he determines that during each revolution, the sliding speed of the piston passes from 0 m / s (lubrication limit) in the dead centers and (depending on the engine) up to a speed of 10 m / s (hydrodynamic lubrication) with the coefficient of friction being respectively 0.001 and 0.08 (engine working at 3000 rpm). The coefficient of friction of the bearings has set it to 0.001. For our calculations, the distribution system will be done with a slide valve with closing and graphite seats and spring return. This type of slide valve, apart from having very low friction losses, requires very little pressure on the cam follower to effect its displacement, because the air pressure is exerted axially on the displacement of the slide. The maximum force applied for its displacement is less than 7 N (manufacturer's data).
Además, en su tesis, la Ingeniera Viviana Aguirre, introduce la posibilidad de utilizar pistones de grafito por su capacidad de autolubricación y baja fricción, evitando segmentos y aumentando la estanqueidad de la cámara del cilindro. In addition, in her thesis, Engineer Viviana Aguirre, introduces the possibility of using graphite pistons for their capacity of self-lubrication and low friction, avoiding segments and increasing the tightness of the cylinder chamber.
Justificación energética del primer ejemplo de realización preferente:Energy justification of the first preferred embodiment example:
Dimensiones de los cilindros y espacio muerto.Dimensions of the cylinders and dead space.
Los cilindros de expansión (Ce) y de compresión (Ce) tienen las mismas dimensiones:The expansion (C e ) and compression (Ce) cylinders have the same dimensions:
Diámetro = 10,0 cm.Diameter = 10.0 cm.
Carrera = 30,0 cm.Race = 30.0 cm.
Sección = 78,54 cm2.Section = 78.54 cm2.
Volumen = 2.356,2 cm3.Volume = 2,356.2 cm3.
El volumen muerto del cilindro de expansión (Ce) viene determinado por la separación de 0,6mm entre la cabeza del pistón (2e) y la geometría de los conductos del aire en la culata que aloja las válvulas de corredera de escape (5e) e inyección (4e). Realizados los correspondientes cálculos, el volumen muerto resultante en el cilindro de expansión es deThe dead volume of the expansion cylinder (C e ) is determined by the separation of 0.6 mm between the piston head (2e) and the geometry of the air ducts in the cylinder head that houses the exhaust valves (5e) and injection (4e). Once the corresponding calculations have been made, the resulting dead volume in the expansion cylinder is
vmP = 5,2 cm3 vmP = 5.2 cm3
El volumen muerto de los cilindros de compresión (Ce) es:The dead volume of the compression cylinders (Ce) is:
VmC = 78,54 cm2 • 0,06 cm = 4,7 cm3VmC = 78.54 cm2 • 0.06 cm = 4.7 cm3
Volumen transferido por los cilindros de compresión (Ce) al circuito de calentamiento.Volume transferred by the compression cylinders (Ce) to the heating circuit.
Aumento de volumen del aire. Para el cálculo del aumento del volumen de aire, consideramos que la presión atmosférica es 1 bar y la presión de trabajo es de 15 bares. Los cilindros de compresión (Ce), cuyo volumen es de 2.356,2 cm3, durante su ascenso comprimen el aire hasta que su presión es igual o superior a la del circuito calefactor (13), momento en que se abre la válvula de salida (5c) permitiendo el paso del aire.Increase in air volume. To calculate the increase in air volume, we consider that the atmospheric pressure is 1 bar and the working pressure is 15 bar. The compression cylinders (Ce), whose volume is 2,356.2 cm3, during their ascent compress the air until its pressure is equal to or greater than that of the heating circuit (13), at which time the outlet valve is opened ( 5c) allowing the passage of air.
Aplicando la ley de los gases a temperatura constante, calculamos el volumen que tendrá el aire dentro del cilindro de compresión (Ce) cuando se alcance la presión de 15 bares, teniendo en cuenta que al volumen del cilindro tendremos que sumarle el volumen muerto del cilindro de compresión (Ce) = 4,7 cm3:Applying the law of gases at constant temperature, we calculate the volume that will have the air inside the compression cylinder (Ce) when the pressure of 15 bars is reached, taking into account that the volume of the cylinder will have to add the dead volume of the cylinder compression (Ce) = 4.7 cm3:
V V j - P í - V aV V j - P í - V a
1 bar- (2.356,2 cm3 -f 4,7 cm3) = 15 bar- V, -» V , = 157,39 cm31 bar- (2,356.2 cm3 -f 4.7 cm3) = 15 bar- V, - »V, = 157.39 cm3
El volumen que vamos a transferir al circuito calefactor (13) será el total menos el volumen muerto, o sea:The volume that we are going to transfer to the heating circuit (13) will be the total minus the dead volume, that is:
VT = 157,39 cm* — 4,7 cm3 = 152,69 cmJVT = 157.39 cm * - 4.7 cm3 = 152.69 cmJ
Trabajo realizado en la compresión.Work done in compression.
Para calcular el trabajo realizado por el cilindro de compresión (Ce), primero calculamos el recorrido efectuado por el cilindro para aumentar la presión de 1 bar a 15 bares:To calculate the work done by the compression cylinder (Ce), first calculate the stroke made by the cylinder to increase the pressure from 1 bar to 15 bars:
Cuando la carrera del cilindro es 30cm, su volumen es 2.356,2 cm3. Debemos calcular la carrera realizada cuando el volumen restante es 152.69cm3. When the stroke of the cylinder is 30cm, its volume is 2,356.2 cm3. We must calculate the race performed when the remaining volume is 152.69cm3.
Calculamos el trabajo realizado en LicWe calculate the work done in Lic
Calculamos el trabajo en l_2c: We calculate the work in l_2c:
El trabajo total en compresión es: The total work in compression is:
Wc = 418,61j -(- 213,75j = 632,36jWc = 418.61j - (- 213,75j = 632,36j
Trabajo realizado en la expansión.Work done in the expansion.
Para calcular el aumento de volumen que sufre el aire en el circuito calefactor (13) cuya temperatura es de 120 °C, aplicamos la ley de Gay-Lussac, en la que:To calculate the increase in volume that the air suffers in the heating circuit (13) whose temperature is 120 ° C, we apply the Gay-Lussac law, in which:
Siendo:Being:
Vi = Volumen de aire que entra en la cámara de calentamiento a la temperatura del foco frío (20 °C) =152.69cm3Vi = Volume of air entering the heating chamber at the temperature of the cold bulb (20 ° C) = 152.69cm3
Ti= Temperatura del foco frío = 293 °K. (273 °C 20 °C)Ti = Cold focus temperature = 293 ° K. (273 ° C 20 ° C)
V 2 = Volumen de aire a la temperatura T 2 V 2 = Volume of air at temperature T 2
T 2 = Temperatura del foco caliente = 3930 K. (273 °C 120 °C)T 2 = Hot bulb temperature = 3930 K. (273 ° C 120 ° C)
Luego, V 2 = 204,8 cm3Then, V 2 = 204.8 cm3
Inyectamos en el cilindro de potencia un volumen de aire de 204,8 cm3 a 15 bares de presión. Inicialmente hay un volumen muerto de 5,2 cm3 a 1 bar. El volumen con el que vamos a desplazar el cilindro We injected into the power cylinder an air volume of 204.8 cm3 at 15 bar pressure. Initially there is a dead volume of 5.2 cm3 at 1 bar. The volume with which we are going to move the cylinder
es: 204,8 cm3 - 5,2 cm3 = 199,6 cm3 = 199,6 • 10"6 m3is: 204.8 cm3 - 5.2 cm3 = 199.6 cm3 = 199.6 • 10 "6 m3
Este volumen corresponde a un recorrido del cilindro de:This volume corresponds to a cylinder stroke of:
L1E = 2,541 cm = 2,541 * 10-2mL1E = 2,541 cm = 2,541 * 10-2m
Por lo tanto L:e = 30 cm - 2,54 cm = 27,459 cm = 27,459 • 10_z mTherefore L: e = 30 cm - 2.54 cm = 27.459 cm = 27.459 • 10_z m
P„ = 15 • 105 PaP "= 15 • 105 Pa
V0 = 204,8 • 10_6m3V0 = 204.8 • 10_6m3
El trabajo realizado en L-ie es: The work done in L- ie is:
El trabajo realizado en l_2E es:The work done in l_2E is:
Si el motor que disponemos es de seis cilindros (tres de compresión y tres de potencia), y el ciclo corresponde a un motor de dos tiempos, en cada revolución, los tres cilindros realizan trabajo. Si el motor gira a 1500 rpm, la potencia sería:If the engine we have is six cylinders (three compression and three power), and the cycle corresponds to a two-stroke engine, in each revolution, the three cylinders perform work. If the engine turns at 1500 rpm, the power would be:
B) El segundo ejemplo (figura 4) explica el funcionamiento del motor exotérmico de aire caliente a baja temperatura. El foco frío lo establecemos en 10°C y el foco caliente en 75°C. Los focos frío y caliente los obtendremos de una bomba de calor de alta temperatura.B) The second example (figure 4) explains the operation of the exothermic motor of hot air at low temperature. The cold focus is set at 10 ° C and the hot focus at 75 ° C. The hot and cold bulbs will be obtained from a high temperature heat pump.
Justificación energética del segundo ejemplo de realización preferente:Energy justification of the second preferred embodiment:
Lo único que modificamos en este segundo ejemplo de realización preferente es la temperatura del foco frío y la del foco caliente, siendo iguales las dimensiones del cilindro y la presión de trabajoThe only thing we modified in this second preferred embodiment is the temperature of the cold bulb and the hot bulb, the cylinder dimensions and the working pressure being equal
El trabajo realizado en la compresión será el mismo, por lo cuál aplicaremos los resultados obtenidos en los cálculos de trabajo de compresión precedentes. The work done in the compression will be the same, so we will apply the results obtained in the previous compression work calculations.
Wc = 632,36 jWc = 632.36 j
Trabajo realizado en la expansión.Work done in the expansion.
Para calcular el aumento de volumen que sufre el aire en el circuito calefactor (13) cuya temperatura es de 75°C, aplicamos la ley de Gay-Lussac, en la que:To calculate the increase in volume of the air in the heating circuit (13) whose temperature is 75 ° C, we apply the law of Gay-Lussac, in which:
Siendo:Being:
Vi = Volumen de aire que entra en la cámara de calentamiento a la temperatura del foco frío (10°C) =142,86cm3Vi = Volume of air entering the heating chamber at the temperature of the cold bulb (10 ° C) = 142,86cm3
Ti= Temperatura del foco frío = 283°K. (273°C 10°C)Ti = Cold focus temperature = 283 ° K. (273 ° C 10 ° C)
V 2 = Volumen de aire a la temperatura T 2 V 2 = Volume of air at temperature T 2
T 2 = Temperatura del foco caliente = 3480 K. (273°C 75°C)T 2 = Hot bulb temperature = 3480 K. (273 ° C 75 ° C)
Luego, V 2 = 175,67 cm3Then, V 2 = 175.67 cm3
Inyectamos en el cilindro de potencia un volumen de aire de 175,67 cm3a 15 bares de presión. Inicialmente hay un volumen muerto de 5,2 cm3 a 1 bar. El volumen que desplazaremos con el cilindro es: 175,67 cm3 - 5,2 cm3 = 170,47 cm3 We injected into the power cylinder an air volume of 175.67 cm3 at 15 bar pressure. Initially there is a dead volume of 5.2 cm3 at 1 bar. The volume that we will displace with the cylinder is: 175.67 cm3 - 5.2 cm3 = 170.47 cm3
Este volumen corresponde a un recorrido del cilindro de:This volume corresponds to a cylinder stroke of:
L1e = 2,17 cm = 2,17 ■ 10-2 mL1e = 2.17 cm = 2.17 ■ 10-2 m
Por lo tanto L2E = 30cm - 2,17 cm = 27,83 cm. Therefore L 2E = 30cm - 2.17 cm = 27.83 cm.
El trabajo realizado en Lie es:The work done in L ie is:
W1E = ( PINT - PEXT) • S • L1E = (15 - 103 - 1 ■ 105) ■ 7.853 ■ 10-3 ■ 2,17 10": = 238.57 j W 1E = (P INT - P EXT ) • S • L 1E = (15 - 103 - 1 ■ 105) ■ 7.853 ■ 10-3 ■ 2.17 10 ": = 238.57 j
El trabajo realizado en L 2 E es: The work done in L 2 E is:
Las condiciones de trabajo de este segundo ejemplo de realización preferente van a ser las condiciones de una bomba de calor comercial de las siguientes características:The working conditions of this second preferred embodiment will be the conditions of a commercial heat pump of the following characteristics:
La ficha técnica de la bomba de calor elegida (DAIKIN Mod. ALTHERMA HT) indica lo siguiente:The data sheet of the chosen heat pump ( DAIKIN Mod. ALTHERMA HT) indicates the following:
Temperatura evaporador: 7°CEvaporator temperature: 7 ° C
Temperatura agua impulsión: 80°CWater flow temperature: 80 ° C
Temperatura agua retorno: 70°CWater temperature return: 70 ° C
Potencia Nominal = 11.000 Wats.Nominal Power = 11,000 Wats.
Consumo eléctrico= 4.400 Wats.Electricity consumption = 4,400 Wats.
COP= 2,5COP = 2.5
Para calcular el calor cedido por el agua para calentar el aire, aplicamos la siguiente expresión:To calculate the heat given by the water to heat the air, we apply the following expression:
Q - m ' C - S - (AT)Q - m 'C - S - (AT)
Dónde: Where:
Q= Potencia térmica en Wats.Q = Thermal power in Wats.
m= Flujo de aire en Kg/s.m = Air flow in Kg / s.
C= calor específico del aire (1006 J/Kg° C a 10°C) C = specific heat of air (1006 J / Kg ° C at 10 ° C)
5 = Densidad del aire (temperatura foco frío) (1,246 Kg/m3 a 10°C) 5 = Density of the air (cold focus temperature) (1,246 Kg / m3 at 10 ° C)
AT= AT = Incremento de temperatura del flujo de aire.Increase in temperature of the air flow.
Calculamos el flujo de aire, teniendo en cuenta que en una revolución cada cilindro aspira una vez el volumen de 2,3562 litros. Establecemos el número de revoluciones del motor en 1.100 rpm.We calculate the air flow, taking into account that in one revolution each cylinder aspirates once the volume of 2.3562 liters. We set the number of revolutions of the engine at 1,100 rpm.
El calor cedido para calentar el aire es:The heat given to heat the air is:
Aplicando COP 2,5, la potencia eléctrica de la bomba de calor es:Applying COP 2.5, the electrical power of the heat pump is:
Si el motor que disponemos es de seis cilindros (tres de compresión y tres de potencia), y el ciclo corresponde a un motor de dos tiempos, en cada revolución, los tres cilindros realizan trabajo. Si el motor gira a 1100 rpm, la potencia sería:If the engine we have is six cylinders (three compression and three power), and the cycle corresponds to a two-stroke engine, in each revolution, the three cylinders perform work. If the engine turns at 1100 rpm, the power would be:
Con la potencia generada por el motor, podemos alimentar la bomba de calor y dispondríamos de un excedente de potencia de:With the power generated by the motor, we can feed the heat pump and we would have a power surplus of:
Potencia neta = 5.549,17 — 4.224,2 = 1.324,97 Watios Net power = 5,549.17 - 4,224.2 = 1,324.97 Watts
Otra realización preferente se puede corresponder con la de un motor en ciclo cerrado, en cuyo caso tal y como se muestra en la figura 9, que encontrándose constituido por un cilindro de expansión (Ce) y un cilindro de compresión (Ce), los cuales se encuentran unidos por el cigüeñal (10e-8c), se dispone de un enfriador (intercooler) (12), cuya misión es proporcionar el aire frió al cilindro de compresión (Ce) mediante el tubo de (6c) y la válvula de admisión (4c); la válvula de escape (5c) del cilindro de compresión (Ce) mediante el tubo de salida (7c) con el circuito calefactor (13) contenido en la cámara de calentamiento como fuente de calor (14); estando el circuito calefactor (13) conectado con el cilindro de expansión (Ce) mediante el tubo de entrada de inyección (8e) y la válvula de inyección (4e); y la salida del Cilindro de expansión (Ce) cierra el circuito de nuevo a través de su válvula de salida (5e) y su tubo (9e) que se comunica con el enfriador (12), realizando un motor de ciclo cerrado.Another preferred embodiment can correspond to that of a motor in closed cycle, in which case as shown in Figure 9, which is constituted by an expansion cylinder (Ce) and a compression cylinder (Ce), which They are joined by the crankshaft (10e-8c), there is a cooler (intercooler) (12), whose mission is to provide the cold air to the compression cylinder (Ce) through the tube (6c) and the intake valve (4c); the exhaust valve (5c) of the compression cylinder (Ce) through the outlet pipe (7c) with the heating circuit (13) contained in the heating chamber as a heat source (14); the heating circuit (13) being connected to the expansion cylinder (Ce) by the injection inlet pipe (8e) and the injection valve (4e); and the output of the expansion cylinder (Ce) closes the circuit again through its outlet valve (5e) and its tube (9e) communicating with the cooler (12), performing a closed-cycle engine.
Otra realización del motor en ciclo cerrado, corresponde con la figura 10, dónde los focos frío y caliente se obtienen con el condensador (15) y evaporador (16) respectivamente de una bomba de calor (17).Another embodiment of the motor in closed cycle, corresponds with Figure 10, where the hot and cold bulbs are obtained with the condenser (15) and evaporator (16) respectively of a heat pump (17).
La Configuración del motor en ciclo cerrado con un único cilindro que realiza los cuatro ciclos de funcionamiento, se observan el las figuras 11 y 12 The configuration of the motor in closed cycle with a single cylinder that performs the four cycles of operation, can be seen in figures 11 and 12
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3932987A (en) * | 1969-12-23 | 1976-01-20 | Muenzinger Friedrich | Method of operating a combustion piston engine with external combustion |
| DE3607495A1 (en) * | 1986-03-07 | 1988-02-11 | Heinz Schuemann | Slide valves in the cylinder head on spark ignition and diesel engines |
| JPH04159A (en) * | 1990-04-16 | 1992-01-06 | Nichirei Corp | Refrigerating system |
| US20070199299A1 (en) * | 2005-08-29 | 2007-08-30 | Kashmerick Gerald E | Combustion Engine |
| US20110303185A1 (en) * | 2010-06-10 | 2011-12-15 | John Zajac | Split Cycle Engine and Method with Increased Power Density |
| US20130160726A1 (en) * | 2009-06-16 | 2013-06-27 | John Zajac | Valve Assembly and Method for High Temperature Engines |
| US20160153317A1 (en) * | 2010-07-20 | 2016-06-02 | Behr Gmbh & Co. Kg | System for using the waste heat of an internal combustion engine |
-
2017
- 2017-09-12 ES ES201700717A patent/ES2703809A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3932987A (en) * | 1969-12-23 | 1976-01-20 | Muenzinger Friedrich | Method of operating a combustion piston engine with external combustion |
| DE3607495A1 (en) * | 1986-03-07 | 1988-02-11 | Heinz Schuemann | Slide valves in the cylinder head on spark ignition and diesel engines |
| JPH04159A (en) * | 1990-04-16 | 1992-01-06 | Nichirei Corp | Refrigerating system |
| US20070199299A1 (en) * | 2005-08-29 | 2007-08-30 | Kashmerick Gerald E | Combustion Engine |
| US20130160726A1 (en) * | 2009-06-16 | 2013-06-27 | John Zajac | Valve Assembly and Method for High Temperature Engines |
| US20110303185A1 (en) * | 2010-06-10 | 2011-12-15 | John Zajac | Split Cycle Engine and Method with Increased Power Density |
| US20160153317A1 (en) * | 2010-07-20 | 2016-06-02 | Behr Gmbh & Co. Kg | System for using the waste heat of an internal combustion engine |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| BA2A | Patent application published |
Ref document number: 2703809 Country of ref document: ES Kind code of ref document: A1 Effective date: 20190312 |
|
| FA2A | Application withdrawn |
Effective date: 20190702 |