ES2704449A1 - Máquina alternativa de doble efecto operando con adición y extracción de calor, y convención forzada y procedimiento de operación - Google Patents

Máquina alternativa de doble efecto operando con adición y extracción de calor, y convención forzada y procedimiento de operación Download PDF

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Abstract

La invención denominada "máquina alternativa de doble efecto operando con adición y extracción de calor, y convección forzada y procedimiento de operación", tiene por objetivo la conversión de energía térmica a mecánica y/o energía eléctrica vía energía mecánica, la cual opera con un ciclo térmico que realiza trabajo mecánico mediante la expansión adiabática debida a la adición de calor al fluido térmico de trabajo así como por compresión adiabática debida a la extracción de calor del fluido térmico de trabajo. Opera con helio como fluido térmico de trabajo el cual es calentado y enfriado alternativamente por convección forzada mediante un fluido de transferencia de calor entre las temperaturas alta y baja entre una fuente de calor y un sumidero: la fuente caliente que cede calor al ciclo y la fuente fría que absorbe calor del ciclo.

Description

DESCRIPCIÓN
Máquina alternativa de doble efecto operando con adición y extracción de calor, y convección forzada y procedimiento de operación.
Campo técnico de la invención
La presente invención pertenece al campo técnico de la conversión de energía térmica a mecánica y/o energía eléctrica vía energía mecánica por medio de un ciclo térmico que realiza trabajo mecánico mediante la adición y extracción de calor del fluido térmico de trabajo.
Objetivo de la invención
La invención denominada MÁQUINA ALTERNATIVA DE DOBLE EFECTO OPERANDO CON ADICIÓN Y EXTRACCIÓN DE CALOR, Y CONVECCIÓN FORZADA Y PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN , tiene por objetivo la conversión de energía térmica a mecánica y/o energía eléctrica vía energía mecánica mediante una máquina alternativa de doble efecto, que opera con helio entre dos fuentes de calor (la fuente térmica de alta temperatura o caliente que cede calor al fluido térmico de trabajo y la fuente fría que absorbe calor del fluido térmico de trabajo), trabajando por expansión adiabática y por compresión adiabática.
Antecedentes de la invención
Las máquinas térmicas conocidas hasta la actualidad tienen en común la limitación de la eficiencia térmica impuesta por el factor de Carnot. La máquina objeto del invento no se halla limitada por el factor de Carnot a consecuencia del ciclo térmico propuesto en el invento. El antecedente que más se aproxima al invento propuesto, está basado en la Patente Nacional con número de solicitud 201700181 denominada "MÁQUINA TÉRMICA ALTERNATIVA REGENERATIVA DE DOBLE EFECTO, DE PROCESOS CERRADOS Y ABIERTOS Y SU PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN”.
En consecuencia, en el estado actual de la tecnología no se conocen máquinas térmicas alternativas de doble efecto con ciclo similar ni parecido al de las características de este invento.
Descripción de la invención
El invento denominado MÁQUINA ALTERNATIVA DE DOBLE EFECTO OPERANDO CON ADICIÓN Y EXTRACCIÓN DE CALOR, Y CONVECCIÓN FORZADA Y PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN, consta de un ciclo térmico no convencional implementado mediante una máquina térmica alternativa de doble efecto, que opera con helio como fluido térmico de trabajo. Esta máquina térmica alternativa de doble efecto, utiliza energía térmica procedente de dos fuentes térmicas: fuente caliente y fuente fría, donde la fuente caliente o fuente de alta temperatura convierte energía térmica a trabajo en el cilindro tero-actuador mediante expansión adiabática según un proceso cerrado, mientras que la fuente fría o fuente de baja temperatura convierte energía térmica a trabajo mecánico en el cilindro tero-actuador mediante compresión adiabática (reducción del volumen ocupado por el fluido térmico de trabajo debido al efecto del enfriamiento), y donde ambas fuentes térmicas están constituidos por intercambiadores de calor (calentador y enfriador), y donde la fuente caliente consiste en al menos un intercambiador de calor, que transfieren calor desde un fluido térmico de transferencia de calor (vapor de agua, agua, aceite térmico, helio o hidrógeno) al fluido térmico de trabajo (helio), el cual acciona el cilindro termo-actuador, y donde el calor para calentar el fluido térmico de transferencia de calor procede de cualquier fuente térmica disponible incluyendo calor residual tal como calores de refrigeración de máquinas y motores térmicos, compresores, solar, geotérmica, termo-oceánica, residual nuclear, energía térmica de origen fósil y en general calor residual de alta, media e incluso de baja temperatura, y donde la fuente fría o sumidero de calor consiste en un intercambiador de calor, que transfieren calor desde el fluido térmico de trabajo (helio) el cual es el responsable de accionar el cilindro termo-actuador por compresión adiabática según un proceso térmico cerrado al fluido térmico frío de transferencia de calor (agua, helio o hidrógeno fríos), el cual es enfriado a su vez por un fluido refrigerante tal como aire o agua a temperatura ambiente, o la evacuación de un turbo-expansor a temperatura sub­ ambiental, así como una torre de enfriamiento convencional por aire o agua.
Descripción de las figuras
En esta sección se describen a modo ilustrativo y no limitativo, los componentes que constituyen la unidad de potencia de la MÁQUINA ALTERNATIVA DE DOBLE EFECTO OPERANDO CON ADICIÓN Y EXTRACCIÓN DE CALOR, Y CONVECCIÓN FORZADA Y PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN, para facilitar la comprensión de la invención, en donde se hace referencia a las siguientes figuras:
La figura 1 muestra la estructura de una unidad de potencia de la máquina térmica alternativa de doble efecto donde la soplante de convección forzada (6) del fluido térmico de trabajo frío es utilizada además de para circular el fluido térmico de trabajo frío, para transferir el fluido frío a los depósitos del fluido caliente cuyos componentes incluyen:
- cilindro termo-actuador de doble efecto (1)
- cámara izquierda (2) del cilindro termo-actuador de doble efecto (1)
- cámara derecha (3) del cilindro termo-actuador de doble efecto (1)
- enfriador del fluido térmico de trabajo (4)
- calentador del fluido térmico de trabajo (5)
- soplante de convección forzada (6) del fluido térmico de trabajo frío
- soplante de convección forzada (7) del fluido térmico de trabajo caliente
- depósito de fluido térmico de trabajo frío (8)
- depósito de fluido térmico de trabajo frío (9)
- depósito de fluido térmico de trabajo caliente (10)
- depósito de fluido térmico de trabajo caliente (11)
- válvula (12) de succión del fluido térmico de trabajo frío desde el depósito (8)
- válvula (13) de succión del fluido térmico de trabajo frío desde el depósito (9)
- válvula (14) de succión del fluido térmico de trabajo caliente desde el depósito (10)
- válvula (15) de succión del fluido térmico de trabajo caliente desde el depósito (11)
- válvula (16) de transferencia del fluido de trabajo frío a los depósitos del fluido de trabajo calientes (10) o (11)
- válvula (17) de bloqueo del fluido térmico de trabajo caliente del calentador (5) - válvula (18) de bloqueo del fluido térmico de trabajo frío al enfriador (4)
- válvula 2/3 (dos posiciones tres vías) (20) de comunicación de los depósitos (8) y (10) y la cámara (2) del cilindro termo-actuador (1)
- válvula 2/3 (21) de comunicación de los depósitos (9) y (11) y la cámara (3) del cilindro termoactuador (1)
- válvula 2/3 (23) de comunicación del enfriador del fluido térmico de trabajo y los depósitos (8) y (9)
- válvula 2/3 (24) de comunicación del calentador del fluido térmico de trabajo (5) y los depósitos (10) y (11)
La figura 2 muestra la estructura de una unidad de potencia de la máquina térmica alternativa de doble efecto donde la soplante de convección forzada (7) del fluido térmico de trabajo caliente es utilizada para transferir el fluido frío a los depósitos del fluido caliente cuyos componentes incluyen:
- cilindro termo-actuador de doble efecto (1)
- cámara izquierda (2) del cilindro termo-actuador de doble efecto (1)
- cámara derecha (3) del cilindro termo-actuador de doble efecto (1)
- enfriador del fluido térmico de trabajo (4)
- calentador del fluido térmico de trabajo (5)
- soplante de convección forzada (6) del fluido térmico de trabajo frío
- soplante de convección forzada (7) del fluido térmico de trabajo caliente
- depósito de fluido térmico de trabajo frío (8)
- depósito de fluido térmico de trabajo frío (9)
- depósito de fluido térmico de trabajo caliente (10)
- depósito de fluido térmico de trabajo caliente (11)
- válvula (12) de succión del fluido térmico de trabajo frío desde el depósito (8)
- válvula (13) de succión del fluido térmico de trabajo frío desde el depósito (9)
- válvula (14) de succión del fluido térmico de trabajo caliente desde el depósito (10)
- válvula (15) de succión del fluido térmico de trabajo caliente desde el depósito (11)
- válvula (17) de bloqueo del fluido térmico de trabajo caliente del calentador (5)
- válvula (19) de transferencia del fluido de trabajo frío a los depósitos del fluido de trabajo calientes (10) o (11)
- válvula (22) de transferencia del fluido de trabajo frío desde los depósitos (8) o (9) a los depósitos del fluido de trabajo calientes (10) o (11)
- válvula 2/3 (dos posiciones tres vías) (20) de comunicación de los depósitos (8) y (10) y la cámara (2) del cilindro termo-actuador (1)
- válvula 2/3 (21) de comunicación de los depósitos (9) y (11) y la cámara (3) del cilindro termoactuador (1)
- válvula 2/3 (23) de comunicación del enfriador del fluido térmico de trabajo y los depósitos (8) y (9)
- válvula 2/3 (24) de comunicación del calentador del fluido térmico de trabajo (5) y los depósitos (10) y (11)
La figura 3 muestra la estructura del conjunto formado por dos unidades de potencia de la máquina térmica alternativa de doble efecto acopladas en cascada con respecto a la alimentación del fluido caliente de transferencia de calor, que incluye los siguientes componentes:
- conducto de suministro (70) del fluido caliente de transferencia de calor al calentador (5) de la primera unidad de potencia, de donde pasa al calentador (5) de la segunda unidad de potencia, y saliendo por el conducto (71)
- conducto de salida (71) del fluido caliente de transferencia de calor del calentador (5)
- conducto de suministro (72) del fluido frío de transferencia de calor a los enfriadores (4) en paralelo de las dos unidades de potencia.
Descripción detallada de la invención
La invención denominada MÁQUINA ALTERNATIVA DE DOBLE EFECTO OPERANDO CON ADICIÓN Y EXTRACCIÓN DE CALOR, Y CONVECCIÓN FORZADA Y PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN, está caracterizada por realizar la conversión de energía térmica a mecánica y/o energía eléctrica vía energía mecánica, por medio de un ciclo térmico innovador implementado mediante una máquina térmica alternativa poli-cilíndrica de doble efecto, que opera con helio como fluido térmico de trabajo, la cual está dotada con dos focos térmicos, donde el foco de alta temperatura es una fuente térmica destinada a calentar el fluido térmico de trabajo y el foco de baja temperatura consiste en un sumidero de calor, el cual está destinado a extraer calor del fluido térmico de trabajo, y donde ambos focos térmicos (de alta y baja temperatura) están constituidos por intercambiadores de calor, (5) y (4) respectivamente.
Los fluidos térmicos de transferencia de calor necesarios para calentar y enfriar el fluido térmico de trabajo son fluidos convencionales utilizados para este fin en los procesos de transferencia térmica tales como agua o aceite térmico entre otros conocidos, y donde el calor necesario para calentar el fluido térmico de transferencia de calor procede de cualquier fuente disponible de calor tal como calor residual procedente de la refrigeración de diversas máquinas y de compresores, energía térmica de origen fósil, termosolar, geotérmica, y en general calor residual de alta, media e incluso de baja temperatura, y donde el sumidero de calor (4) transfiere calor desde un fluido térmico de trabajo (helio) del ciclo térmico implementado por el cilindro termo-actuador (1), al fluido térmico de transferencia de calor, por medio de un refrigerante que puede ser aire o agua a temperatura ambiente, o una máquina frigorífica de compresión de vapor, o la evacuación de un turbo-expansor a temperatura sub-ambiental, o una torre de enfriamiento convencional por aire o agua. La estructura de una unidad de potencia donde la soplante de convección forzada (6) del fluido térmico de trabajo frío es utilizada además de para circular el fluido térmico de trabajo frío, para transferir el fluido frío a los depósitos del fluido caliente incluyen los siguientes componentes, según la figura 1:
- cilindro termo-actuador de doble efecto (1)
- cámara izquierda (2) del cilindro termo-actuador de doble efecto (1)
- cámara derecha (3) del cilindro termo-actuador de doble efecto (1)
- enfriador del fluido térmico de trabajo (4)
- calentador del fluido térmico de trabajo (5)
- soplante de convección forzada (6) del fluido térmico de trabajo frío
- soplante de convección forzada (7) del fluido térmico de trabajo caliente
- depósito de fluido térmico de trabajo frío (8)
- depósito de fluido térmico de trabajo frío (9)
- depósito de fluido térmico de trabajo caliente (10)
- depósito de fluido térmico de trabajo caliente (11)
- válvula (12) de succión del fluido térmico de trabajo frío desde el depósito (8)
- válvula (13) de succión del fluido térmico de trabajo frío desde el depósito (9)
- válvula (14) de succión del fluido térmico de trabajo caliente desde el depósito (10)
- válvula (15) de succión del fluido térmico de trabajo caliente desde el depósito (11)
- válvula (16) de transferencia del fluido de trabajo frío a los depósitos del fluido de trabajo calientes (10) o (11)
- válvula (18) de bloqueo del fluido térmico de trabajo frío al enfriador (4)
- válvula 2/3 (dos posiciones tres vías) (20) de comunicación de los depósitos (8) y (10) y la cámara (2) del cilindro termo-actuador (1)
- válvula 2/3 (21) de comunicación de los depósitos (9) y (11) y la cámara (3) del cilindro termoactuador (1)
- válvula 2/3 (23) de comunicación del enfriador del fluido térmico de trabajo (4) y los depósitos (8) y (9)
- válvula 2/3 (24) de comunicación del calentador del fluido térmico de trabajo (5) y los depósitos (10) y (11)
La estructura de una unidad de potencia donde la soplante de convección forzada (7) del fluido térmico de trabajo caliente es utilizada además de para circular el fluido térmico de trabajo caliente, para transferir el fluido frío a los depósitos del fluido caliente incluyen los siguientes componentes, según la figura 2:
- cilindro termo-actuador de doble efecto (1)
- cámara izquierda (2) del cilindro termo-actuador de doble efecto (1)
- cámara derecha (3) del cilindro termo-actuador de doble efecto (1)
- enfriador del fluido térmico de trabajo (4)
- calentador del fluido térmico de trabajo (5)
- soplante de convección forzada (6) del fluido térmico de trabajo frío
- soplante de convección forzada (7) del fluido térmico de trabajo caliente
- depósito de fluido térmico de trabajo frío (8)
- depósito de fluido térmico de trabajo frío (9)
- depósito de fluido térmico de trabajo caliente (10)
- depósito de fluido térmico de trabajo caliente (11)
- válvula (12) de succión del fluido térmico de trabajo frío desde el depósito (8)
- válvula (13) de succión del fluido térmico de trabajo frío desde el depósito (9)
- válvula (14) de succión del fluido térmico de trabajo caliente desde el depósito (10)
- válvula (15) de succión del fluido térmico de trabajo caliente desde el depósito (11)
- válvula (17) de bloqueo del fluido térmico de trabajo caliente del calentador (5)
- válvula (19) de transferencia del fluido de trabajo frío a los depósitos del fluido de trabajo calientes (10) o (11)
- válvula (22) de transferencia del fluido de trabajo frío desde los depósitos (8) o (9) a los depósitos del fluido de trabajo calientes (10) o (11)
- válvula 2/3 (dos posiciones tres vías) (20) de comunicación de los depósitos (8) y (10) y la cámara (2) del cilindro termo-actuador (1)
- válvula 2/3 (21) de comunicación de los depósitos (9) y (11) y la cámara (3) del cilindro termoactuador (1)
- válvula 2/3 (23) de comunicación del enfriador del fluido térmico de trabajo (4) y los depósitos (8) y (9)
- válvula 2/3 (24) de comunicación del calentador del fluido térmico de trabajo (5) y los depósitos (10) y (11)
Con el objeto de aprovechar la energía térmica del fluido de transferencia de calor de alta temperatura, se propone la utilización del fluido térmico de transferencia de calor en cascada sobre dos o más unidades de potencia, de manera que la evacuación del fluido térmico de transferencia de calor de la primera unidad de potencia es aprovechado en la segunda unidad de potencia, según la estructura de la figura 3, la cual muestra la estructura del conjunto formado por dos unidades de potencia de la máquina térmica alternativa de doble efecto acopladas en cascada con respecto a la alimentación del fluido caliente de transferencia de calor, que incluye los siguientes componentes:
- conducto de suministro (70) del fluido caliente de transferencia de calor al calentador (5) de la primera unidad de potencia, de donde pasa al calentador (5) de la segunda unidad de potencia, y saliendo por el conducto (71)
- conducto de salida (71) del fluido caliente de transferencia de calor del calentador (5)
- conducto de suministro (72) del fluido frío de transferencia de calor a los enfriadores (4) en paralelo de las dos unidades de potencia.
El procedimiento de operación de una unidad de potencia en la cual la soplante de convección forzada (6) del fluido térmico de trabajo es utilizada además de para circular el fluido térmico de trabajo frío, para transferir el fluido frío desde uno de los depósitos de fluido frío (8) o (9) a los depósitos del fluido caliente (10) o (11), según la figura 1, es tal que partiendo de un estado inicial en el cual el émbolo del cilindro termo-actuador (1) se halla en la carrera de retroceso del émbolo con lo cual avanza hacia el punto muerto izquierdo (PMI), realizando trabajo mecánico por compresión adiabática conseguida por previo enfriamiento del fluido térmico de trabajo en el enfriador (4) durante una fase previa del ciclo, y donde la cámara (2) del cilindro termoactuador (1) se halla en comunicación con el depósito (8) por la válvula 2/3 (20), (válvula (20) dando paso de fluido del depósito (8) a la cámara (2) del cilindro, válvula (12) cerrada, válvula (13) abierta, válvula (23) dando paso a depósito (9) y válvula (21) incomunicando depósito (9)) y donde la soplante (6) impulsa el fluido frío de trabajo por el enfriador (4) a través de las válvulas (18), (23), depósito (9) y la válvula (13), (válvula (20) dando paso de fluido del depósito (8) a cámara (2) del cilindro, válvula (12) cerrada, válvula (13) abierta, válvula (23) dando paso a depósito (9) y válvula (21) incomunicando depósito (9)) y donde la cámara (3) del cilindro termo-actuador (1) se halla en comunicación con el depósito (11) por la válvula 2/3 (21), llevando a cabo la expansión adiabática con realización de trabajo mecánico, (válvula (21) dando paso de fluido del depósito (11) a cámara (3) del cilindro, válvula (15) cerrada, válvula (14) abierta, válvula (24) dando paso a depósito (10) y válvula (20) incomunicando depósito (10)) y donde la soplante (7) impulsa el fluido caliente de trabajo por el calentador (5) a través de las válvulas (17), 2/3 (24), depósito (10) y la válvula (14), (válvula (21) dando paso de fluido del depósito (11) a cámara (3) del cilindro, válvula (15) cerrada, válvula (14) abierta, válvula (24) dando paso a depósito (10) y válvula (20) incomunicando depósito (10)) y donde el émbolo alcanza el PMI de manera que en esta situación el fluido térmico de trabajo frío se halla a la mínima temperatura y presión posibles en el depósito (9), con lo cual se cierra la válvula (13) y se abre la válvula (12), mientras que el depósito caliente (10) se halla a la máxima presión y temperatura posibles, con lo cual se cierra la válvula (14) y se abre la (15).
Durante una corta fracción de tiempo se cierran las válvulas (17) y (18), y se abre la válvula (16) para transferir cierta cantidad de fluido de trabajo frío desde el depósito de fluido frío (8) al depósito de fluido caliente (11). Transcurrido un breve espacio de tiempo, se abren las válvulas (17) y (18), y se cierra la válvula (16).
Alternativamente, de acuerdo con la estructura adoptada en la figura 2, se procede al cierre de la válvula (17) y se abren las válvulas (22) y (19), cambiando a su posición original después de realizar la tarea de transferencia de fluido frío.
Para dar comienzo la carrera de avance del émbolo hacia el punto muerto derecho (PMD) se cambia el rol de las válvulas 2/3 (23) y (24) y (20) y (21) de manera que, la cámara (2) del cilindro termo-actuador (1) se halla en comunicación con el depósito (10) por la válvula 2/3 (20), (válvula (20) dando paso de fluido del depósito (10) a cámara (2) del cilindro, válvula (14) cerrada, válvula (15) abierta, válvula (24) dando paso a depósito (11) y válvula (21) incomunicando depósito (11)) y donde la soplante (6) impulsa el fluido frío de trabajo por el enfriador (4) a través de las válvulas (18), (23), depósito (8) y la válvula (12), (válvula (20) dando paso de fluido del depósito (10) a cámara (2) del cilindro, válvula (13) cerrada, válvula (12) abierta, válvula (23) dando paso a depósito (8) y válvula (20) incomunicando depósito (8)) y donde la cámara (3) del cilindro termo-actuador (1) se halla en comunicación con el depósito (9) por la válvula 2/3 (21), llevando a cabo la compresión adiabática con realización de trabajo mecánico, (válvula (21) dando paso de fluido del depósito (9) a cámara (3) del cilindro, válvula (14) cerrada, válvula (15) abierta, válvula (24) dando paso a depósito (11) y válvula (21) incomunicando depósito (11)) y donde la soplante (7) impulsa el fluido caliente de trabajo por el calentador (5) a través de las válvulas (17), 2/3 (24), depósito (11) y la válvula (15), (válvula (20) dando paso de fluido del depósito (10) a cámara (2) del cilindro, válvula (14) cerrada, válvula (15) abierta, válvula (24) dando paso a depósito (11) y válvula (21) incomunicando depósito (11)) y donde el émbolo alcanza el PMD de manera que en esta situación el fluido térmico de trabajo frío se halla a la mínima temperatura y presión posibles en el depósito (9), con lo cual se cierra la válvula (13) y se abre la válvula (12), mientras que el depósito caliente (11) se halla a la máxima presión y temperatura posibles, con lo cual se cierra la válvula (15) y se abre la (14).
Durante una corta fracción de tiempo se cierran las válvulas (17) y (18), y se abre la válvula (16) para transferir cierta cantidad de fluido de trabajo frío desde el depósito de fluido frío (9) al depósito de fluido caliente (10). Transcurrido un breve espacio de tiempo, se abren las válvulas (17) y (18), y se cierra la válvula (16).
Alternativamente, de acuerdo con la estructura adoptada en la figura 2, se procede al cierre de la válvula (17) y se abren las válvulas (22) y (19), cambiando a su posición original después de realizar la tarea de transferencia de fluido frío.
Para dar comienzo la carrera de retroceso del émbolo hacia el PMI se cambia el rol de las válvulas 2/3 (23) y (24) y (20) y (21) de manera que se repite el ciclo indefinidamente.
Descripción de realizaciones preferentes de la invención
La configuración preferente del MÁQUINA ALTERNATIVA DE DOBLE EFECTO OPERANDO CON ADICIÓN Y EXTRACCIÓN DE CALOR, Y CONVECCIÓN FORZADA Y PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN se halla representada en la figura 3, donde para utilizar la máxima energía térmica disponible en el fluido de transferencia de calor de alta temperatura, se propone la utilización del fluido térmico de transferencia de calor en cascada sobre las unidades de potencia disponibles, de manera que la evacuación del fluido térmico de transferencia de calor del calentador (5) de la primera unidad de potencia es aprovechado en el calentador (5) de la segunda unidad de potencia, según la estructura de la figura 3, la cual muestra el conjunto formado por dos unidades de potencia de la máquina térmica alternativa de doble efecto acopladas en cascada con respecto a la alimentación del fluido caliente de transferencia de calor, que incluye los siguientes componentes:
- conducto de suministro (70) del fluido caliente de transferencia de calor al calentador (5) de la primera unidad de potencia, de donde pasa al calentador (5) de la segunda unidad de potencia, y saliendo por el conducto (71)
- conducto de salida (71) del fluido caliente de transferencia de calor del calentador (5) - conducto de suministro (72) del fluido frío de transferencia de calor a los enfriadores (4) en paralelo de las dos unidades de potencia.

Claims (4)

REIVINDICACIONES
1. MÁQUINA ALTERNATIVA DE DOBLE EFECTO OPERANDO CON ADICIÓN Y EXTRACCIÓN DE CALOR, Y CONVECCIÓN FORZADA, caracterizada por realizar la conversión de energía térmica a mecánica y/o energía eléctrica vía energía mecánica, por medio de un ciclo térmico implementado mediante una máquina alternativa de doble efecto, que opera con helio como fluido térmico de trabajo, la cual está dotada dos focos térmicos, donde el foco de alta temperatura es una fuente térmica destinada a calentar el fluido térmico de trabajo y el foco de baja temperatura consiste en un sumidero de calor, el cual está destinado a extraer calor del fluido térmico de trabajo, y donde ambos focos térmicos (de alta y baja temperatura) están constituidos por intercambiadores de calor, (5) y (4) respectivamente y donde los fluidos térmicos de transferencia de calor necesarios para calentar y enfriar el fluido térmico de trabajo son fluidos convencionales utilizados para este fin en los procesos de transferencia térmica tales como agua o aceite térmico entre otros conocidos, y donde el calor necesario para calentar el fluido térmico de transferencia de calor procede de cualquier fuente disponible de calor tal como calor residual procedente de la refrigeración diversas máquinas y de compresores, energía térmica de origen fósil, termosolar, geotérmica, y en general calor residual de alta, media e incluso de baja temperatura, y donde el sumidero de calor (4) transfieren calor desde un fluido térmico de trabajo (helio) del ciclo térmico implementado por el cilindro termo-actuador (1), al fluido térmico de transferencia de calor, por medio de un refrigerante que puede ser aire o agua a temperatura ambiente, o una máquina frigorífica de compresión de vapor, o la evacuación de un turbo-expansor a temperatura sub-ambiental, o una torre de enfriamiento convencional por aire o agua. La estructura de una unidad de potencia donde la soplante de convección forzada (6) del fluido térmico de trabajo frío es utilizada además de para circular el fluido térmico de trabajo frío, para transferir el fluido frío a los depósitos del fluido caliente incluyen los siguientes componentes:
- cilindro termo-actuador de doble efecto (1)
- cámara izquierda (2) del cilindro termo-actuador de doble efecto (1)
- cámara derecha (3) del cilindro termo-actuador de doble efecto (1)
- enfriador del fluido térmico de trabajo (4)
- calentador del fluido térmico de trabajo (5)
- soplante de convección forzada (6) del fluido térmico de trabajo frío
- soplante de convección forzada (7) del fluido térmico de trabajo caliente
- depósito de fluido térmico de trabajo frío (8)
- depósito de fluido térmico de trabajo frío (9)
- depósito de fluido térmico de trabajo caliente (10)
- depósito de fluido térmico de trabajo caliente (11)
- válvula (12) de succión del fluido térmico de trabajo frío desde el depósito (8)
- válvula (13) de succión del fluido térmico de trabajo frío desde el depósito (9)
- válvula (14) de succión del fluido térmico de trabajo caliente desde el depósito (10)
- válvula (15) de succión del fluido térmico de trabajo caliente desde el depósito (11)
- válvula (16) de transferencia del fluido de trabajo frío a los depósitos del fluido de trabajo calientes (10) o (11)
- válvula (18) de bloqueo del fluido térmico de trabajo frío al enfriador (4)
- válvula 2/3 (dos posiciones tres vías) (20) de comunicación de los depósitos (8) y (10) y la cámara (2) del cilindro termo-actuador (1)
- válvula 2/3 (21) de comunicación de los depósitos (9) y (11) y la cámara (3) del cilindro termoactuador (1)
- válvula 2/3 (23) de comunicación del enfriador del fluido térmico de trabajo y los depósitos (8) y (9)
- válvula 2/3 (24) de comunicación del calentador del fluido térmico de trabajo (5) y los depósitos (10) y (11),
2. MÁQUINA ALTERNATIVA DE DOBLE EFECTO OPERANDO CON ADICIÓN Y EXTRACCIÓN DE CALOR, Y CONVECCIÓN FORZADA, según reivindicación primera, caracterizada por la estructura de una unidad de potencia donde la soplante de convección forzada (7) del fluido térmico de trabajo caliente es utilizada además de para circular el fluido térmico de trabajo caliente, para transferir el fluido frío a los depósitos del fluido caliente, la cual incluyen los siguientes componentes:
- cilindro termo-actuador de doble efecto (1)
- cámara izquierda (2) del cilindro termo-actuador de doble efecto (1)
- cámara derecha (3) del cilindro termo-actuador de doble efecto (1)
- enfriador del fluido térmico de trabajo (4)
- calentador del fluido térmico de trabajo (5)
- soplante de convección forzada (6) del fluido térmico de trabajo frío
- soplante de convección forzada (7) del fluido térmico de trabajo caliente
- depósito de fluido térmico de trabajo frío (8)
- depósito de fluido térmico de trabajo frío (9)
- depósito de fluido térmico de trabajo caliente (10)
- depósito de fluido térmico de trabajo caliente (11)
- válvula (12) de succión del fluido térmico de trabajo frío desde el depósito (8)
- válvula (13) de succión del fluido térmico de trabajo frío desde el depósito (9)
- válvula (14) de succión del fluido térmico de trabajo caliente desde el depósito (10)
- válvula (15) de succión del fluido térmico de trabajo caliente desde el depósito (11)
- válvula (16) de transferencia del fluido de trabajo frío a los depósitos del fluido de trabajo calientes (10) o (11)
- válvula (17) de bloqueo del fluido térmico de trabajo caliente del calentador (5)
- válvula (19) de transferencia del fluido de trabajo frío a los depósitos del fluido de trabajo calientes (10) o (11)
- válvula (22) de transferencia del fluido de trabajo frío desde los depósitos (8) o (9) a los depósitos del fluido de trabajo calientes (10) o (11)
- válvula 2/3 (dos posiciones tres vías) (20) de comunicación de los depósitos (8) y (10) y la cámara (2) del cilindro termo-actuador (1)
- válvula 2/3 (21) de comunicación de los depósitos (9) y (11) y la cámara (3) del cilindro termoactuador (1)
- válvula 2/3 (23) de comunicación del enfriador del fluido térmico de trabajo y los depósitos (8) y (9)
- válvula 2/3 (24) de comunicación del calentador del fluido térmico de trabajo (5) y los depósitos (10) y (11),
3. MÁQUINA ALTERNATIVA DE DOBLE EFECTO OPERANDO CON ADICIÓN Y EXTRACCIÓN DE CALOR Y CONVECCIÓN FORZADA, según reivindicación primera, caracterizada por estar constituida por una o más unidades de potencia acopladas en cascada con respecto a la alimentación del fluido de transferencia de calor, donde con objeto de aprovechar la energía térmica del fluido de transferencia de calor de alta temperatura, se propone la utilización del fluido térmico de transferencia de calor en cascada de dos o más unidades de potencia, de manera que la evacuación del fluido térmico de transferencia de calor de la primera unidad de potencia es aprovechado en la segunda unidad de potencia, que incluye los siguientes componentes:
- conducto de suministro (70) del fluido caliente de transferencia de calor al calentador (5) de la primera unidad de potencia, de donde pasa al calentador (5) de la segunda unidad de potencia, y retornando por el conducto (71)
- conducto de retomo (71) del fluido caliente de transferencia de calor del calentador (5)
- conducto de suministro (72) del fluido frío de transferencia de calor a los enfriadores (4) en paralelo de las dos unidades de potencia.
4. Procedimiento de operación de la MÁQUINA ALTERNATIVA DE DOBLE EFECTO OPERANDO CON ADICIÓN Y EXTRACCIÓN DE CALOR Y CONVECCIÓN FORZADA, según todas las reivindicaciones 1a y 2a, para una unidad de potencia en la cual la soplante de convección forzada (6) del fluido térmico de trabajo es utilizada además de para circular el fluido térmico de trabajo frío, para transferir el fluido frío desde uno de los depósitos de fluido frío (8) o (9) a los depósitos del fluido caliente (10) o (11), es tal que partiendo de un estado inicial en el cual el émbolo del cilindro termo-actuador (1) se halla en la carrera de retroceso del émbolo con lo cual avanza hacia el punto muerto izquierdo (PMI), realizando trabajo mecánico por compresión adiabática conseguida por previo enfriamiento del fluido térmico de trabajo en el enfriador (4) durante una fase previa del ciclo, y donde la cámara (2) del cilindro termo actuador (1) se halla en comunicación con el depósito (8) por la válvula 2/3 (20), y donde la soplante (6) impulsa el fluido frío de trabajo por el enfriador (4) a través de las válvulas (18), (23), depósito (9) y la válvula (13), y donde la cámara (3) del cilindro termo-actuador (1) se halla en comunicación con el depósito (11) por la válvula 2/3 (21), llevando a cabo la expansión adiabática con realización de trabajo mecánico, y donde la soplante (7) impulsa el fluido caliente de trabajo por el calentador (5) a través de las válvulas (17), 2/3 (24), depósito (10) y la válvula (14), y donde el émbolo alcanza el PMI de manera que en esta situación el fluido térmico de trabajo frío se halla a la mínima temperatura y presión posibles en el depósito (9), con lo cual se cierra la válvula (13) y se abre la válvula (12), mientras que el depósito caliente (10) se halla a la máxima presión y temperatura posibles, con lo cual se cierra la válvula (14) y se abre la (15)
Durante una corta fracción de tiempo se cierran las válvulas (17) y (18), y se abre la válvula (16) para transferir cierta cantidad de fluido de trabajo frío desde el depósito de fluido frío (8) al depósito de fluido caliente (11). Transcurrido un breve espacio de tiempo, se abren las válvulas (17) y (18), y se cierra la válvula (16).
Alternativamente, de acuerdo con la estructura adoptada en la figura 2, se procede al cierre de la válvula (17) y se abren las válvulas (22) y (19), cambiando a su posición original después de realizar la tarea de transferencia de fluido frío.
Para dar comienzo la carrera de avance del émbolo hacia el punto muerto derecho (PMD) se cambia el rol de las válvulas 2/3 (23) y (24) y (20) y (21) de manera que, la cámara (2) del cilindro termo-actuador (1) se halla en comunicación con el depósito (10) por la válvula 2/3 (20), y donde la soplante (6) impulsa el fluido frío de trabajo por el enfriador (4) a través de las válvulas (18), (23), depósito (9) y la válvula (13), y donde la cámara (3) del cilindro termoactuador (1) se halla en comunicación con el depósito (9) por la válvula 2/3 (21), llevando a cabo la compresión adiabática con realización de trabajo mecánico, y donde la soplante (7) impulsa el fluido caliente de trabajo por el calentador (5) a través de las válvulas (17), 2/3 (24), depósito (11) y la válvula (15), y donde el émbolo alcanza el PMD de manera que en esta situación el fluido térmico de trabajo frío se halla a la mínima temperatura y presión posibles en el depósito (9), con lo cual se cierra la válvula (13) y se abre la válvula (12), mientras que el depósito caliente (11) se halla a la máxima presión y temperatura posibles, con lo cual se cierra la válvula (15) y se abre la (14)
Durante una corta fracción de tiempo se cierran las válvulas (17) y (18), y se abre la válvula (16) para transferir cierta cantidad de fluido de trabajo frío desde el depósito de fluido frío (9) al depósito de fluido caliente (10). Transcurrido un breve espacio de tiempo, se abren las válvulas (17) y (18), y se cierra la válvula (16).
Alternativamente, de acuerdo con la estructura adoptada en la figura 2, se procede al cierre de la válvula (17) y se abren las válvulas (22) y (19), cambiando a su posición original después de realizar la tarea de transferencia de fluido frío.
Para dar comienzo la carrera de retroceso del émbolo hacia el PMI se cambia el rol de las válvulas 2/3 (23) y (24) y (20) y (21) de manera que se repite el ciclo indefinidamente.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2516593A1 (fr) * 1981-11-19 1983-05-20 Sorelec Moteur a conversion thermo-mecanique notamment moteur a fluide a basse temperature d'ebullition
DE19722249A1 (de) * 1997-05-28 1998-12-03 Andreas Foerster Wärmekraftmaschine mit geschlossenem Kreislauf
ES2571004A1 (es) * 2014-11-20 2016-05-23 Univ Coruna Planta térmica con ciclos de procesos cerrados acoplados en cascada

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ES2571004A1 (es) * 2014-11-20 2016-05-23 Univ Coruna Planta térmica con ciclos de procesos cerrados acoplados en cascada

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