ES2719708A1 - Gas turbine with at least one compression and expansion stage and associated method of cooling or intermediate heating by refrigerating machine (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Turbina de gas con al menos una etapa de compresión y expansión y método asociado de enfriamiento o calentamiento intermedio mediante máquina frigorífica.Gas turbine with at least one compression and expansion stage and associated method of cooling or intermediate heating by means of a refrigerating machine.
La presente invención se refiere a una turbina de gas que pudiera seguir el ciclo termodinámico de Brayton. Hace uso de una compresión partida en diferentes etapas, pudiendo ser su fluido de trabajo enfriado hasta temperaturas incluso menores a las de la propia admisión del difusor. Esto se consigue mediante el uso de una máquina frigorífica, accionada por el propio eje de la turbina, encargada de absorber parte del calor generado entre las diferentes etapas de compresión y/o admisión, logrando rendimientos sensiblemente mayores a los obtenidos sin este método, e incluso mayores a los obtenidos mediante el uso de los ya conocidos intercambiadores aire-aire, aire-líquido u otros sistemas que se mencionarán más adelante y que actualmente son conocidos en el estado de la técnica.The present invention relates to a gas turbine that could follow the Brayton thermodynamic cycle. It makes use of a split compression in different stages, and its working fluid can be cooled to temperatures even lower than those of the diffuser's own admission. This is achieved through the use of a refrigerating machine, driven by the turbine shaft itself, responsible for absorbing part of the heat generated between the different stages of compression and / or admission, achieving significantly higher yields than those obtained without this method, and even greater than those obtained by using the already known air-to-air, air-liquid exchangers or other systems that will be mentioned below and which are currently known in the state of the art.
El hecho de que los compresores sean incapaces de realizar procesos adiabáticos reversibles, dado que realizan su labor de compresión en un tiempo finito, les impide actuar como sistemas isentrópicos, por lo que a medida que se comprime el fluido de trabajo, éste gana temperatura en mayor medida a la que lo haría si el proceso fuera reversible.The fact that the compressors are unable to perform reversible adiabatic processes, since they perform their compression work in a finite time, prevents them from acting as isentropic systems, so that as the working fluid is compressed, it gains temperature in greater measure than it would if the process were reversible.
Esta ganancia térmica es la que motiva la necesidad de dividir la compresión del fluido de trabajo de las turbinas en varias etapas, para así poder bajar su temperatura entre las mismas, logrando necesitar de un menor trabajo para lograr la presión final deseada del que sería necesario si se empleara una única etapa de compresión sin refrigeración.This thermal gain is what motivates the need to divide the compression of the working fluid of the turbines in several stages, in order to lower their temperature between them, managing to need less work to achieve the desired final pressure that would be necessary if a single compression stage without refrigeration is used.
Del mismo modo, el sistema puede ceder el calor absorbido, y el generado por el trasiego del fluido de trabajo de la máquina frigorífica, antes de la cámara de combustión de la turbina o entre sus diferentes etapas de expansión, a modo de recalentamiento del fluido de trabajo de la turbina de gas, así como al medio ajeno y exterior a la propia turbina.In the same way, the system can yield the absorbed heat, and that generated by the transfer of the working fluid of the refrigerating machine, before the combustion chamber of the turbine or between its different expansion stages, as a way of overheating the fluid of working of the gas turbine, as well as to the foreign and external environment to the turbine itself.
De igual forma que los compresores, las turbinas, donde se realiza el proceso de expansión del fluido de trabajo de la turbina, son incapaces de realizar procesos adiabáticos reversibles, dado que realizan su labor en un tiempo finito, lo que les impide actuar como sistemas isentrópicos, por lo que a medida que se expande el fluido de trabajo, éste cede calor en mayor medida que a la que lo haría si el proceso fuera reversible, no pudiendo extraer del fluido la misma cantidad de trabajo mecánico.Like the compressors, the turbines, where the turbine's working fluid expansion process is carried out, are unable to perform reversible adiabatic processes, since they perform their work in a finite time, which prevents them from acting as systems isentropic, so as the working fluid expands, it yields heat to a greater extent than it would if the process were reversible, and the same amount of mechanical work cannot be extracted from the fluid.
Sector de la técnicaTechnical sector
La presente invención se halla encuadrada en el sector de la técnica perteneciente a la industria aeroespacial y a la de producción energética, es decir, los dos sectores donde mayoritariamente se hace uso de las turbinas de gas.The present invention is framed in the sector of the technique belonging to the aerospace industry and energy production, that is, the two sectors where gas turbines are mostly used.
Antecedentes a la invenciónBackground to the invention
Son conocidos diversos sistemas utilizados para lograr un enfriamiento del fluido de trabajo entre las diferentes etapas de compresión de las turbinas de gas. Los hay que se valen de intercambiadores de superficie y contacto indirecto que producen una cesión de calor entre el fluido presurizado en las etapas precedentes y algún fluido refrigerante, ya sea aire atmosférico, agua, etc. Su objetivo es tratar de acercar la temperatura del fluido presurizado a la temperatura que poseía previamente a su compresión, manteniendo constante su presión, con el fin de reducir el trabajo necesario para volver a incrementar su presión en las etapas posteriores. Various systems used to achieve a cooling of the working fluid between the different compression stages of the gas turbines are known. There are those that use surface exchangers and indirect contact that produce a heat transfer between the pressurized fluid in the preceding stages and some refrigerant fluid, be it atmospheric air, water, etc. Its objective is to try to bring the temperature of the pressurized fluid closer to the temperature it had prior to its compression, keeping its pressure constant, in order to reduce the work necessary to increase its pressure again in the later stages.
Se conocen a su vez diversos tipos de dispositivos para tratar de extraer el calor presente en el fluido de trabajo. Algunos de estos métodos serían los enfriadores evaporativos, que se basan en un filtro húmedo por el que se hace discurrir el fluido de trabajo, en nuestro caso aire, con el fin de que éste ceda calor al agua líquida para lograr un cambio de estado.Various types of devices are also known to try to extract the heat present in the working fluid. Some of these methods would be the evaporative coolers, which are based on a wet filter through which the working fluid is run, in our case air, so that it gives heat to the liquid water to achieve a change of state.
Se conoce también el uso de los sistemas de niebla, que se basan en el mismo principio que los enfriadores evaporativos, con la salvedad de que hacen uso de atomizadores de agua que rocían ésta sobre el fluido de trabajo.It is also known the use of fog systems, which are based on the same principle as evaporative coolers, with the exception that they make use of water sprayers that spray it on the working fluid.
Asimismo, los sistemas de compresión húmeda por refrigeración mecánica basan su principio de funcionamiento en la inyección de agua atomizada directamente al caudal de fluido de trabajo de la turbina de forma previa a su compresión, logrando temperaturas aparentemente tan bajas como se desee, con la salvedad de que el consumo energético suele hacer este sistema económicamente inviable, así como sus necesidades de espacio.Likewise, wet compression systems by mechanical cooling base their operating principle on the injection of atomized water directly to the flow of the turbine's working fluid prior to its compression, achieving temperatures apparently as low as desired, with the exception that energy consumption usually makes this system economically unfeasible, as well as its space needs.
No obstante, la capacidad de extracción térmica de estos métodos se ha demostrado considerablemente mejorable, dado de que en el mejor de los casos tan sólo logran bajar la temperatura del fluido de trabajo de la turbina unas decenas de grados, por lo que se ha ideado un nuevo método, cuyas características son el objeto de la presente invención.However, the thermal extraction capacity of these methods has been shown to be considerably improved, given that in the best case they only manage to lower the temperature of the working fluid of the turbine a few tens of degrees, so it has been devised a new method, whose characteristics are the object of the present invention.
También son conocidos sistemas de recalentamiento que permiten la cesión de calor al fluido de trabajo de la turbina de gas en sus etapas de expansión o antes de la propia etapa de combustión. No obstante, los sistemas conocidos se valen del reaprovechamiento de la temperatura de los gases de escape a su salida de la última etapa de expansión, sistema a priori inaplicable en una turbina destinada al uso aeroespacial.Also reheating systems are known that allow the heat transfer to the working fluid of the gas turbine in its expansion stages or before the combustion stage itself. However, the known systems use the reuse of the temperature of the exhaust gases at their exit from the last stage of expansion, a priori inapplicable system in a turbine destined for aerospace use.
A continuación, se procede a enumerar las diferentes patentes y solicitudes que, como precedentes en el estado de la técnica, han servido como base para la presente invención: DE 10231827 Al (ALSTOM SWITZERLAND LTD), EP 1873375 A2 (HITACHI LTD), WO 20090738 Al (DRESSER RAND CO ET AL.), CN 203822467U U (NO 703 RES INSTCHINA CSIC), US 2010058801 Al (MASANI KARL D ETAL.), ES 2017070102.The different patents and applications that, as precedents in the prior art, have served as the basis for the present invention are listed below: DE 10231827 Al (ALSTOM SWITZERLAND LTD), EP 1873375 A2 (HITACHI LTD), WO 20090738 Al (DRESSER RAND CO ET AL.), CN 203822467U U (NO 703 RES INSTCHINA CSIC), US 2010058801 Al (MASANI KARL D ETAL.), ES 2017070102.
Descripción de la invenciónDescription of the invention
La turbina de gas es del tipo de las que están constituidas por un sistema de compresión dividido en varias etapas, aplicándose una compresión teóricamente adiabática (según el ciclo Brayton) al fluido de trabajo, aire atmosférico en este caso.The gas turbine is of the type that consists of a compression system divided into several stages, theoretically adiabatic compression (according to the Brayton cycle) being applied to the working fluid, atmospheric air in this case.
No obstante y con ánimo de incrementar la eficiencia del ciclo, mediante la reducción del trabajo que es necesario realizar en las diferentes etapas para comprimir el fluido de trabajo hasta la presión deseada, se ha decidido reducir forzosamente la temperatura del mismo a la entrada de las distintas etapas de compresión hasta una temperatura incluso inferior a la que tendría de no sufrir ninguna cesión de calor.However, and with the aim of increasing the efficiency of the cycle, by reducing the work that is necessary to perform in the different stages to compress the working fluid to the desired pressure, it has been decided to necessarily reduce its temperature at the entrance of the different stages of compression to an even lower temperature than it would have if it did not suffer any heat transfer.
Para la realización de este trabajo, y que tenga sentido desde un punto de vista termodinámico, y por ende económico, se ha ideado la utilización de un ciclo frigorífico, siendo accionado mecánicamente el compresor que lo anima mediante el propio eje de la turbina, previa adecuación de su velocidad de giro mediante el uso de un sistema de transmisión.For the realization of this work, and that makes sense from a thermodynamic point of view, and therefore economic, the use of a refrigeration cycle has been devised, the compressor that animates it being mechanically driven by the turbine shaft itself, previous adaptation of its turning speed through the use of a transmission system.
Haciendo uso de los distintos elementos evaporadores de la máquina frigorífica, como un intercambiador construido en un material con un alto índice de conductividad térmica -para mejorar la conducción de calor entre el fluido de trabajo de la turbina y el fluido de trabajo de la máquina frigorífica- y aislado tanto como sea posible del exterior, con el fin de evitar la absorción de calor circundante, podemos lograr enfriar el aire hasta la temperatura deseada. Making use of the different evaporating elements of the refrigerating machine, such as an exchanger built in a material with a high index of thermal conductivity - to improve the heat conduction between the working fluid of the turbine and the working fluid of the refrigerating machine - and insulated as much as possible from the outside, in order to avoid the absorption of surrounding heat, we can cool the air to the desired temperature.
Sabiendo que la eficiencia de la máquina frigorífica depende del cociente entre el calor absorbido y la diferencia entre el calor cedido por la máquina y el absorbido, podemos deducir que cuanta más pequeña sea la diferencia entre el calor absorbido y el cedido, mayor será la eficiencia de la máquina, pudiendo sobrepasar holgadamente la unidad.Knowing that the efficiency of the refrigerating machine depends on the ratio between the heat absorbed and the difference between the heat ceded by the machine and the absorbed, we can deduce that the smaller the difference between the heat absorbed and the ceded, the greater the efficiency of the machine, being able to easily exceed the unit.
Aquí es donde cobra especial importancia el papel que realiza el sistema condensador de la máquina frigorífica. Éste debe tener una gran capacidad de cesión de calor, tanto por construcción como por situación, para lograr lo expuesto en el párrafo anterior, ya que cuanto mayor sea la eficiencia de la máquina, menor será el trabajo que tenga que realizar el compresor (ya que éste está accionado por la propia turbina), conllevando un mayor rendimiento de la turbina de gas, ya que éste depende del trabajo realizado por las etapas de expansión -tomado del fluido de trabajo-, el absorbido por los diferentes compresores, por el compresor de la máquina frigorífica y el calor -en forma de combustible- necesario para mantener en funcionamiento el sistema.This is where the role of the refrigerating machine's condensing system takes on special importance. This must have a great capacity for heat transfer, both by construction and by situation, to achieve the above in the previous paragraph, since the higher the efficiency of the machine, the less work the compressor has to do (already that this is powered by the turbine itself), leading to a higher performance of the gas turbine, since this depends on the work done by the expansion stages - taken from the working fluid -, the one absorbed by the different compressors, by the compressor of the refrigerating machine and the heat - in the form of fuel - necessary to keep the system running.
Asimismo, se contempla en la presente invención la posibilidad de ubicar el citado sistema de condensación después de la última etapa de compresión -y antes de la cámara de combustión, entre las diferentes etapas de expansión así como en un medio ajeno a la turbina de gas.Likewise, it is contemplated in the present invention the possibility of locating said condensation system after the last compression stage - and before the combustion chamber, between the different stages of expansion as well as in a medium outside the gas turbine .
Esto permitiría ceder calor al fluido de trabajo de la turbina de gas justo antes de la etapa de combustión, reduciendo el calor que sería necesario aportar externamente mediante la quema de combustible y por ende mejorando la eficiencia global del sistema. De igual manera, la cesión de calor entre las diferentes etapas de expansión permitiría elevar la temperatura del fluido de trabajo de la turbina de gas a modo de recalentamiento y con ello aumentar la cantidad de trabajo que sería posible extraer del mismo durante las sucesivas expansiones en la turbina.This would allow heat to be transferred to the working fluid of the gas turbine just before the combustion stage, reducing the heat that would be necessary to contribute externally by burning fuel and thereby improving the overall efficiency of the system. Similarly, the transfer of heat between the different stages of expansion would allow the temperature of the working fluid of the gas turbine to be raised as a reheat and thereby increase the amount of work that would be possible to extract from it during successive expansions in the turbine
Por último, el sistema incorpora una válvula inversora que posibilitaría invertir el sentido de circulación del fluido de trabajo de la máquina frigorífica, posibilitando la extracción de calor de un medio ajeno a la turbina -o incluso de su propio fluido de trabajo una vez desechado- y la posterior cesión antes de la etapa de combustión, así como otras combinaciones a priori no rentables desde un punto de vista energético.Finally, the system incorporates an inverting valve that would make it possible to reverse the direction of circulation of the working fluid of the refrigerating machine, making it possible to extract heat from a medium outside the turbine - or even its own working fluid once discarded - and the subsequent transfer before the combustion stage, as well as other a priori combinations not profitable from an energy point of view.
Breve descripción de los dibujosBrief description of the drawings
Para mejor compresión de cuanto queda descrito en la presente memoria, se acompaña de unos dibujos en los que, tan sólo a título ejemplificativo, se representan varios casos prácticos de realización de la turbina.For a better understanding of what is described herein, it is accompanied by drawings in which, by way of example only, several practical cases of the turbine are shown.
Tanto la FIG.1 como la FIG.2 muestran esquemáticamente el funcionamiento del sistema en sus dos configuraciones reivindicadas, donde la variación entre ellas se produce en función de la posición de la válvula inversora (12). Se puede observar la interacción entre la máquina frigorífica y la turbina de gas, siendo ésta última la que produce el trabajo necesario para accionar la máquina frigorífica y la primera la que puede absorber o ceder parte del calor generado en el proceso de compresión del fluido de trabajo de la turbina en las etapas precedentes a la combustión realizada en la cámara de combustión (16). Asimismo, es ésta, la máquina frigorífica, la encargada de ceder o absorber calor en las sucesivas etapas de expansión en la citada turbina o en un medio externo.Both FIG. 1 and FIG. 2 schematically show the operation of the system in its two claimed configurations, where the variation between them occurs depending on the position of the inverting valve (12). The interaction between the refrigerating machine and the gas turbine can be observed, the latter being the one that produces the work necessary to operate the refrigerating machine and the first one which can absorb or give up some of the heat generated in the compression process of the fluid work of the turbine in the stages preceding the combustion performed in the combustion chamber (16). Likewise, it is this, the refrigerating machine, which is responsible for assigning or absorbing heat in the successive stages of expansion in said turbine or in an external environment.
Enumeración de partes:Enumeration of parts:
- (1.1, 1.2, 1.3): Primera, segunda y tercera etapa de compresión- (1.1, 1.2, 1.3): First, second and third stage of compression
- (2.1, 2.2, 2.3): Tercera, segunda y primera etapa de expansión - (2.1, 2.2, 2.3): Third, second and first stage of expansion
- (3): Eje de la turbina y sus accesorios -línea de trazo discontinuo- (3): Turbine shaft and its accessories - dashed line
- (4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 4.5): Transmisiones, o cajas reductoras/multiplicadoras de velocidad de giro- (4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 4.5): Transmissions, or gearboxes / gearboxes
- (5): Ventilador- (5): Fan
- (6): Difusor/entrada de aire de la turbina -(7): Tobera/salida de gases de la turbina - (8): Conducciones para el fluido de trabajo de la turbina de gas, representadas por línea de trazo continuo- (6): Turbine air inlet / diffuser - (7): Turbine gas nozzle / outlet - (8): Gas turbine working fluid lines, represented by solid line
- (9a): Válvulas que permiten la entrada o salida del fluido de trabajo de la turbina de gas hacia los elementos intercambiadores- (9a): Valves that allow the inlet or outlet of the working fluid from the gas turbine to the exchangers
- (9b): Válvula baipás que permite la circunvalación de los elementos intercambiadores por parte del fluido de trabajo de la turbina de gas- (9b): Baipás valve that allows the bypass of the exchange elements by the working fluid of the gas turbine
- (9c): Válvula que permite la salida total o parcial de fluido de trabajo de la turbina de gas al medio ajeno a la misma- (9c): Valve that allows the total or partial output of working fluid from the gas turbine to the environment outside it
- (10): Etapa de compresión de la máquina frigorífica- (10): Refrigeration machine compression stage
- (11): Conducciones para el fluido de trabajo de la máquina frigorífica, representadas por línea de trazo continuo- (11): Conduits for the working fluid of the refrigerating machine, represented by solid line
- (12): Válvula que permite la inversión del sentido de circulación del fluido de trabajo de la máquina frigorífica. La válvula representada consiste en un sistema de cuatro vías y dos posiciones- (12): Valve that allows the reversal of the direction of circulation of the working fluid of the refrigerating machine. The valve represented consists of a four way and two position system
- (13a): Sistema de distribución del fluido de trabajo de la máquina frigorífica entre los elementos intercambiadores de la misma (14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 15)- (13a): Distribution system of the working fluid of the refrigerating machine between the exchangers thereof (14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 15)
- (13b): Sistema de distribución del fluido de trabajo de la máquina frigorífica entre los elementos intercambiadores de la misma (15,17.1, 17.2, 18.1, 18.2 y 18.3)- (13b): Distribution system of the working fluid of the refrigerating machine between the exchangers thereof (15,17.1, 17.2, 18.1, 18.2 and 18.3)
- (14.1, 14.2, 14.3, 14.4): Elementos que permiten el intercambio de calor - posible en ambos sentidos- entre el fluido de trabajo de la turbina de gas y el fluido de trabajo de la máquina frigorífica- (14.1, 14.2, 14.3, 14.4): Elements that allow heat exchange - possible in both directions - between the working fluid of the gas turbine and the working fluid of the refrigerating machine
- (15): Elemento que permite el intercambio de calor-posible en ambos sentidos- entre el fluido de trabajo de la turbina de gas y el fluido de trabajo de la máquina frigorífica - (16): Cámara de combustión de la turbina de gas- (15): Element that allows heat exchange - possible in both directions - between the working fluid of the gas turbine and the working fluid of the refrigerating machine - (16): Combustion chamber of the gas turbine
- (17.1, 17.2): Elementos que permiten el intercambio de calor - posible en ambos sentidos- entre el fluido de trabajo de la turbina de gas y el fluido de trabajo de la máquina frigorífica- (17.1, 17.2): Elements that allow heat exchange - possible in both directions - between the working fluid of the gas turbine and the working fluid of the refrigerating machine
- (18.1, 18.2, 18.3): Elementos que permiten el intercambio de calor- posible en ambos sentidos- entre el fluido de trabajo de la máquina frigorífica y un medio externo al mismo, ya sea el aire circundante o el fluido de trabajo de la turbina de gas una vez éste haya salido del sistema termodinámico. - (18.1, 18.2, 18.3): Elements that allow heat exchange - possible in both directions - between the working fluid of the refrigerating machine and a medium external to it, either the surrounding air or the working fluid of the gas turbine once it has left the thermodynamic system.
- (19): Depósito y/o elemento separador de las fases líquida y gaseosa del fluido de trabajo de la máquina frigorífica- (19): Deposit and / or separating element of the liquid and gaseous phases of the working fluid of the refrigerating machine
- (20): Etapa de expansión de la máquina frigorífica- (20): Refrigeration machine expansion stage
- (21): Válvulas que regulan el paso del fluido de trabajo de la máquina frigorífica a los diferentes elementos intercambiadores (14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 15, 17.1, 17.2, 18.1, 18.2, 18.3)- (21): Valves that regulate the passage of the working fluid of the refrigerating machine to the different exchangers (14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 15, 17.1, 17.2, 18.1, 18.2, 18.3)
Las FIG.3a y FIG.3b muestran dos disposiciones hipotéticas, en las cuales se aprecia un elemento (9) genérico, que corresponde a la unificación de los elementos (9a) y (9b) presentes en la FIG.1 y FIG.2 en un único cuerpo, una válvula con cuatro vías de paso para el fluido de trabajo de la máquina frigorífica y dos posiciones, una, la mostrada en la FIG.3a, donde permite el paso del fluido de trabajo de la turbina de gas entre un elemento y otro, obviando cualquier elemento intercambiador con la máquina frigorífica, así como una segunda posición, mostrada en la FIG.3b, donde permite el paso del fluido de trabajo de la turbina de gas a un elemento intercambiador genérico (18) -el cual podría representar cualquier elemento (14.1, 14.2, 14.3, 14.4 15, 17.1, 17.2, 18.1, 18.2, 18.3)- y de vuelta a un segundo elemento de la turbina de gas. FIG. 3a and FIG. 3b show two hypothetical arrangements, in which a generic element (9) is appreciated, corresponding to the unification of the elements (9a) and (9b) present in FIG. 1 and FIG. 2. in a single body, a valve with four passageways for the working fluid of the refrigerating machine and two positions, one, the one shown in FIG. 3a, where it allows the passage of the working fluid of the gas turbine between a element and another, bypassing any exchanger element with the refrigerating machine, as well as a second position, shown in FIG. 3b, where it allows the passage of the working fluid from the gas turbine to a generic exchange element (18) - which It could represent any element (14.1, 14.2, 14.3, 14.4 15, 17.1, 17.2, 18.1, 18.2, 18.3) - and back to a second element of the gas turbine.
Asimismo, las FIG.3a y FIG.3b muestran dos disposiciones hipotéticas, en las cuales se aprecia un elemento (21) genérico, que corresponde a la unificación de las parejas de elementos (21) presentes en la FIG.1 y FIG.2, cada conjunto de dos válvulas (21) que restringen el paso de caudal entre el fluido de trabajo de la máquina frigorífica y sendos intercambiadores. Corresponde a una válvula con cuatro vías de paso para el fluido de trabajo de la máquina frigorífica y dos posiciones, una, la mostrada en la FIG.3a, donde permite el paso del fluido de trabajo de la máquina frigorífica entre un elemento y otro, obviando cualquier elemento intercambiador con la turbina de gas, así como una segunda posición, mostrada en la FIG.3b, donde permite el paso del fluido de trabajo de la máquina frigorífica a un elemento intercambiador genérico (18) -el cual podría representar cualquier elemento (14.1, 14.2, 14.3.14.4 15,17.1,17.2,18.1,18.2,18.3)- y de vuelta a un segundo elemento de la máquina frigorífica.Likewise, FIG. 3a and FIG. 3b show two hypothetical arrangements, in which a generic element (21) can be seen, which corresponds to the unification of the pairs of elements (21) present in FIG. 1 and FIG. 2. , each set of two valves (21) that restrict the flow rate between the working fluid of the refrigerating machine and two exchangers. It corresponds to a valve with four passageways for the working fluid of the refrigerating machine and two positions, one, the one shown in FIG. 3a, where it allows the passage of the working fluid of the refrigerating machine between one element and another, obviating any exchanger element with the gas turbine, as well as a second position, shown in FIG. 3b, where it allows the passage of the working fluid of the refrigerating machine to a generic exchange element (18) - which could represent any element (14.1, 14.2, 14.3.14.4 15,17.1,17.2,18.1,18.2,18.3) - and back to a second element of the refrigerating machine.
Enumeración de partes en las FIG.3a y FIG.3b:Enumeration of parts in FIG. 3a and FIG. 3b:
- (8): Conducciones para el fluido de trabajo de la turbina de gas, representadas por línea de trazo continuo- (8): Conductions for the working fluid of the gas turbine, represented by solid line
- (9): Válvula de cuatro vías y dos posiciones- (9): Four way and two position valve
- (11): Conducciones para el fluido de trabajo de la máquina frigorífica, representadas por línea de trazo continuo- (11): Conduits for the working fluid of the refrigerating machine, represented by solid line
- (21): Válvula de cuatro vías y dos posiciones- (21): Four way and two position valve
- (18): Elemento intercambiador genérico- (18): Generic exchanger element
Por último, en la FIG.4 se representa un detalle común a las FIG.1 y FIG.2, donde se aprecia con más claridad la interacción entre los elementos distribuidores (13a, 13b), el elemento intercambiador (15) precedente a la cámara de combustión (16) y las diferentes válvulas (21) que regulan la circulación del fluido de trabajo de la máquina frigorífica.Finally, FIG. 4 shows a detail common to FIG. 1 and FIG. 2, where the interaction between the distributing elements (13a, 13b), the exchange element (15) preceding the combustion chamber (16) and the different valves (21) that regulate the circulation of the working fluid of the refrigerating machine.
Descripción de una realización preferida Description of a preferred embodiment
Atendiendo a la FIG.1 podemos observar cómo la turbina de gas consta de un difusor o admisión (6) por donde toma aire atmosférico que pudiera ser decelerado, incrementando su presión dinámica, al atravesar éste elemento. A continuación, éste, el fluido de trabajo de la turbina de gas, puede tomar dos caminos, uno a través de la válvula (9b) que le permite acceder directamente al ventilador (5) u otro, mediante las válvulas (9a) por donde atravesará un primer intercambiador (14.1) de contacto indirecto superficial. Cabe la posibilidad de que las tres válvulas puedan estar abiertas o cerradas parcialmente, permitiendo un flujo parcial del fluido de trabajo de la turbina de gas a través de cada uno de los dos caminos citados anteriormente.In accordance with FIG. 1 we can observe how the gas turbine consists of a diffuser or intake (6) through which it takes atmospheric air that could be decelerated, increasing its dynamic pressure, when passing through this element. Then, this, the working fluid of the gas turbine, can take two paths, one through the valve (9b) that allows you to directly access the fan (5) or the other, through the valves (9a) where it will pass through a first exchanger (14.1) of indirect surface contact. It is possible that the three valves may be partially open or closed, allowing a partial flow of the working fluid of the gas turbine through each of the two paths mentioned above.
Después del ventilador (5) el fluido de trabajo de la turbina de gas puede tomar dos caminos; El primero, donde parte del fluido de trabajo puede ser devuelto al medio externo mediante una válvula (9c). Y el segundo, en el cual parte o la totalidad del fluido es conducido a una primera etapa de compresión (1.1) siguiendo el mismo camino descrito con anterioridad, si bien mediante las válvulas (9a) donde circulará a través del intercambiador (14.2), si bien mediante la circunvalación de la etapa de intercambio (14.2) mediante la válvula (9b), o una combinación de ambas. Una vez acaecida la primera etapa de compresión, el fluido de trabajo puede o bien atravesar el conjunto de válvulas (9a) para circular a través del intercambiador (14.3) o bien puede dirigirse directamente a una segunda etapa de compresión (1.2) mediante el baipás que genera la válvula (9b). También puede ser conducido de forma parcial a través de ambos conjuntos de válvulas.After the fan (5) the working fluid of the gas turbine can take two paths; The first, where part of the working fluid can be returned to the external environment by means of a valve (9c). And the second, in which part or all of the fluid is conducted to a first compression stage (1.1) following the same path described above, although through the valves (9a) where it will circulate through the exchanger (14.2), although by the ring of the exchange stage (14.2) by the valve (9b), or a combination of both. Once the first compression stage has occurred, the working fluid can either pass through the valve assembly (9a) to circulate through the exchanger (14.3) or it can go directly to a second compression stage (1.2) by means of the pipe which generates the valve (9b). It can also be driven partially through both sets of valves.
Tras superar la segunda etapa de compresión (1.2) el fluido es conducido a una tercera etapa de compresión (1.3) siguiendo el mismo camino descrito con anterioridad. El fluido de trabajo puede o bien atravesar el conjunto de válvulas (9a) para circular a través del intercambiador (14.4) o bien puede dirigirse directamente a una tercera etapa de compresión (1.3) mediante el baipás que genera la válvula (9b). Asimismo, puede ser conducido de forma parcial por ambos recorridos.After passing the second compression stage (1.2) the fluid is conducted to a third compression stage (1.3) following the same path described above. The working fluid can either pass through the valve assembly (9a) to circulate through the exchanger (14.4) or it can be directed directly to a third compression stage (1.3) by means of the pipe that generates the valve (9b). It can also be driven partially by both routes.
Tras la tercera etapa de compresión (1.3) el fluido de trabajo de la turbina puede o bien atravesar el conjunto de válvulas (9a) para circular a través del intercambiador (15) o bien puede dirigirse directamente a la cámara de combustión (16) mediante el baipás que genera la válvula (9b). Es aquí, en la cámara de combustión (16) donde necesariamente se eleva la temperatura del fluido de trabajo de la turbina y con ello su entalpia.After the third compression stage (1.3) the working fluid of the turbine can either pass through the valve assembly (9a) to circulate through the exchanger (15) or it can be directly directed to the combustion chamber (16) by the baipás that generates the valve (9b). It is here, in the combustion chamber (16) where the temperature of the working fluid of the turbine is necessarily raised and with it its enthalpy.
Una vez elevada la temperatura del fluido de trabajo de la turbina de gas en la cámara de combustión (16), éste continúa su recorrido hacia una primera etapa de expansión (2.3). De nuevo, el fluido de trabajo puede o bien atravesar el conjunto de válvulas (9a) para circular a través del intercambiador (17.1) o bien puede dirigirse directamente a una segunda etapa de expansión (2.2) mediante el baipás que genera la válvula (9b). Asimismo, puede ser conducido de forma parcial por ambos recorridos.Once the temperature of the working fluid of the gas turbine in the combustion chamber (16) has risen, it continues its journey towards a first stage of expansion (2.3). Again, the working fluid can either pass through the valve assembly (9a) to circulate through the exchanger (17.1) or it can go directly to a second stage of expansion (2.2) by means of the pipe that generates the valve (9b) ). It can also be driven partially by both routes.
Seguidamente, el fluido de trabajo puede o bien atravesar el conjunto de válvulas (9a) para circular a través del intercambiador (17.2) o bien puede dirigirse directamente a una tercera etapa de expansión (2.3) mediante la circunvalación que genera la válvula (9b). Del mismo modo, puede ser conducido de forma parcial por ambos recorridos.Subsequently, the working fluid can either pass through the valve assembly (9a) to circulate through the exchanger (17.2) or it can be directed directly to a third expansion stage (2.3) by means of the bypass generated by the valve (9b) . In the same way, it can be driven partially by both routes.
Tras recorrer la última etapa de expansión (2.3), el fluido de trabajo se dirige a una tobera (7) o salida de gases de escape, donde es devuelto a la atmósfera, pudiendo generar un empuje en el caso de las turbinas de aplicación aeroespacial.After going through the last stage of expansion (2.3), the working fluid is directed to a nozzle (7) or exhaust gas outlet, where it is returned to the atmosphere, being able to generate a thrust in the case of aerospace application turbines .
En todo momento, el fluido de trabajo de la turbina de gas discurre entre las diferentes partes que constituyen el sistema por sus propias conducciones (8). El sistema comprendido por las diferentes etapas de compresión (1.1,1.2,1.3), el ventilador (5) y las etapas de expansión (2.3, 2.2, 2.1), así como la etapa de compresión de la máquina frigorífica (10) giran solidariamente gracias a uno o varios ejes (3) impulsados por las etapas de expansión (2.3, 2.2, 2.1), adecuándose las distintas velocidades de giro de cada uno de los elementos mediante el uso de transmisiones o cajas reductoras y/o multiplicadoras de velocidad (4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 4.5). At all times, the working fluid of the gas turbine runs between the different parts that constitute the system through its own pipes (8). The system comprised of the different compression stages (1.1,1.2,1.3), the fan (5) and the expansion stages (2.3, 2.2, 2.1), as well as the compression stage of the refrigerating machine (10) rotate in solidarity thanks to one or more axes (3) driven by the expansion stages (2.3, 2.2, 2.1), adapting the different rotational speeds of each of the elements through the use of transmissions or gearboxes and / or speed multipliers (4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 4.5).
Tanto en la configuración mostrada en la FIG.1 como en la FIG.2, la máquina frigorífica consta de un compresor (10), que eleva la presión del fluido de trabajo, en este caso cualquier fluido refrigerante conocido en el estado de la técnica, cuando éste se encuentra totalmente en fase gaseosa, discurriendo el mismo por unas líneas o conducciones (11). El compresor (10) es accionado mecánicamente por la turbina, transformando la velocidad de giro de su eje (3) en una más adecuada para el funcionamiento de la máquina frigorífica mediante el uso de una caja de velocidades (4.4).Both in the configuration shown in FIG. 1 and in FIG. 2, the refrigerating machine consists of a compressor (10), which raises the working fluid pressure, in this case any refrigerant fluid known in the state of the art. , when it is completely in the gas phase, running through some lines or pipes (11). The compressor (10) is mechanically driven by the turbine, transforming the speed of rotation of its axis (3) into a more suitable for the operation of the refrigerating machine by using a gearbox (4.4).
La diferencia entre ambas situaciones, las propuestas en las FIG.1 y FIG.2 radica en la válvula inversora (12) que permite la circulación del fluido de trabajo de la máquina frigorífica en dos sentidos distintos, lo que conlleva la posibilidad de poder invertir la situación de sus focos caliente y frío. Según la FIG.1, tras elevar su presión en el compresor (10), el fluido refrigerante viaja por las conducciones (11) hasta un primer elemento distribuidor (13b) donde puede hacerse circular, ya sea en serie -siguiendo consecutivamente la disposición de los intercambiadores- o en paralelo-accediendo a cada uno de los intercambiadores fluido de trabajo en idénticas condiciones- o en una combinación de éstas a los distintos intercambiadores, que, en este caso, actuarían como condensadores de la máquina frigorífica, cediendo calor a los diferentes medios con los que se hayan en contacto indirecto superficial. The difference between both situations, the proposals in FIG. 1 and FIG. 2 lies in the inverting valve (12) that allows the circulation of the working fluid of the refrigerating machine in two different directions, which implies the possibility of being able to reverse the situation of its hot and cold lights. According to FIG. 1, after raising its pressure in the compressor (10), the refrigerant fluid travels through the conduits (11) to a first distributor element (13b) where it can be circulated, either in series - consecutively following the arrangement of the exchangers- or in parallel- accessing each of the exchangers working fluid in identical conditions- or in a combination of these to the different exchangers, which, in this case, would act as condensers of the refrigerating machine, giving heat to the different means with which they have been in indirect surface contact.
El elemento intercambiador de contacto indirecto superficial (15) podría actuar tanto como condensador como evaporador de la máquina frigorífica, en función del distribuidor (13b, 13a) del que sea surtido de fluido de trabajo de la máquina frigorífica. En la disposición propuesta por la FIG.1, en el caso de funcionar como condensador, al ser provisto de fluido refrigerante por el elemento distribuidor (13b) a través de las diferentes válvulas (21) que regulan la circulación del fluido de trabajo de la máquina frigorífica, podría ceder calor al fluido de trabajo de la turbina, elevando la temperatura de éste antes de alcanzar la cámara de combustión (16). The indirect surface contact exchange element (15) could act as both a condenser and an evaporator of the refrigerating machine, depending on the distributor (13b, 13a) of which the working fluid of the refrigerating machine is supplied. In the arrangement proposed by FIG. 1, in the case of functioning as a condenser, as it is provided with refrigerant fluid by the distributor element (13b) through the different valves (21) that regulate the circulation of the working fluid of the refrigerating machine, could give heat to the working fluid of the turbine, raising its temperature before reaching the combustion chamber (16).
Los intercambiadores de contacto indirecto superficial situados entre fases de expansión (17.1, 17.2) funcionando como condensadores de la máquina frigorífica, en el caso de ser provistos del fluido de trabajo de la máquina frigorífica por parte del sistema de distribución (13b), podrían ceder calor entre las diferentes etapas de expansión (2.3, 2.2, 2.1) a modo de recalentamiento -elevando la temperatura del fluido de trabajo de la turbina-, como los demás sistemas ya conocidos en el estado de la técnica, consiguiendo una mayor eficiencia global del sistema al permitir una mayor extracción de trabajo mecánico por parte de las etapas de expansión.The indirect surface contact exchangers located between expansion phases (17.1, 17.2) operating as refrigeration machine condensers, in the case of being supplied with the working fluid of the refrigerating machine by the distribution system (13b), could yield heat between the different stages of expansion (2.3, 2.2, 2.1) by way of overheating - raising the temperature of the working fluid of the turbine -, like the other systems already known in the state of the art, achieving a greater overall efficiency of the system by allowing greater extraction of mechanical work by the expansion stages.
Por último, los intercambiadores superficiales ajenos a la turbina -también de contacto indirecto- (18.1, 18.2, 18.3) en el caso de ser provistos del fluido de trabajo de la máquina frigorífica por parte del sistema de distribución (13b), también podrían actuar como condensadores, cediendo calor a un medio indeterminado, que bien pudiera ser un medio ajeno a la turbina de gas, como una corriente de aire circundante a una aeronave -en el caso de una aplicación aeroespacial-, una corriente de cualquier fluido conocido en el estado de la técnica, o incluso el propio fluido de trabajo de la turbina de gas en cualquier disposición posible, hasta incluso después de haber sido evacuado este por la tobera (7).Finally, surface exchangers other than the turbine -also of indirect contact- (18.1, 18.2, 18.3) in the case of being supplied with the working fluid of the refrigerating machine by the distribution system (13b), could also act as condensers, giving heat to an undetermined medium, which could well be a medium outside the gas turbine, such as a stream of air surrounding an aircraft - in the case of an aerospace application - a stream of any fluid known in the prior art, or even the working fluid of the gas turbine in any possible arrangement, even after having been evacuated by the nozzle (7).
Tras haber pasado parcial o totalmente de fase gaseosa a líquida en cualquiera de las etapas de condensación posibles, el fluido de trabajo de la máquina frigorífica viaja a un elemento separador de fases (19) que bien pudiera hacer las veces de depósito. A continuación, el fluido de trabajo de la máquina frigorífica circula hasta una etapa de expansión (20) donde su presión decrece bruscamente, propiciando el cambio de fase -de líquida a gaseosa- que se dará posteriormente en el sistema evaporador. Una vez ya en el segundo elemento distribuidor (13a), el fluido de trabajo puede ser conducido según tres disposiciones posibles o una combinación de éstas, como se ha mencionado anteriormente, si bien siguiendo una redistribución en serie, en paralelo, o un compendio de éstas, actuando siempre como elementos evaporadores -debido a la configuración propiciada por la situación de la válvula inversora (12)-.After having passed partially or totally from gas to liquid phase in any of the possible condensation stages, the working fluid of the refrigerating machine travels to a phase separating element (19) that could well act as a deposit. Next, the working fluid of the refrigerating machine circulates to an expansion stage (20) where its pressure decreases sharply, leading to the change of phase - from liquid to gaseous - that will occur later in the evaporator system. Once in the second distributor element (13a), the working fluid can be conducted according to three possible arrangements or a combination of these, as mentioned above, although following a redistribution in series, in parallel, or a compendium of these, always acting as evaporator elements - due to the configuration caused by the situation of the inverting valve (12) -.
En el caso de ser reconducido al elemento intercambiador de contacto indirecto superficial (14.1) , el fluido de trabajo de la máquina frigorífica podría absorber calor del fluido de trabajo de la turbina de gas, propiciando una bajada de temperatura de éste entre las etapas de admisión (6) y compresión en el ventilador (5). Lo mismo sucedería en el caso de ser reconducido al resto de elementos intercambiadores (14.2, 14.3, 14.4, 15) donde éstos podrían absorber calor entre las diferentes etapas de compresión (1.1, 1.2, 1.3), en el caso de los intercambiadores (14.3, 14.4), o entre la etapa de compresión en el ventilador (5) y la primera etapa de compresión en el compresor (1.1), como sería el caso del segundo elemento intercambiador (14.2) . El caso del último intercambiador (15) sería el más desfavorable, pues absorbería calor antes de la etapa de combustión (16), lo cual a priori carece de utilidad práctica. En el resto de situaciones, al absorber calor -y por ende bajar la temperatura- del fluido de trabajo de la turbina de gas, se lograría una mayor eficiencia del sistema, debido a que el fluido de trabajo de la turbina es enfriado de forma politrópica, aproximadamente isobárica, al ceder calor en los intercambiadores al sistema evaporador de la máquina frigorífica. Una menor temperatura, conservando la presión, redunda en un menor trabajo de compresión en las diferentes etapas, debido a que la eficiencia isentrópica de las etapas de compresión no es ideal, pues se trata de máquinas reales y no de sistemas reversibles.In the case of being redirected to the surface indirect contact exchanger element (14.1), the working fluid of the refrigerating machine could absorb heat from the working fluid of the gas turbine, leading to a decrease in its temperature between the intake stages (6) and compression in the fan (5). The same would happen in the case of being redirected to the rest of the exchange elements (14.2, 14.3, 14.4, 15) where they could absorb heat between the different compression stages (1.1, 1.2, 1.3), in the case of the exchangers (14.3 , 14.4), or between the compression stage in the fan (5) and the first compression stage in the compressor (1.1), as would be the case with the second exchange element (14.2). The case of the last exchanger (15) would be the most unfavorable, since it would absorb heat before the combustion stage (16), which a priori lacks practical utility. In all other situations, by absorbing heat - and thus lowering the temperature - of the working fluid of the gas turbine, greater efficiency of the system would be achieved, because the working fluid of the turbine is cooled polytropically , approximately isobaric, by transferring heat in the exchangers to the evaporating system of the refrigerating machine. A lower temperature, conserving the pressure, results in a lower compression work in the different stages, because the isentropic efficiency of the compression stages is not ideal, since these are real machines and not reversible systems.
Una vez el fluido refrigerante abandona el segundo sistema distribuidor (13a), y con ello el sistema evaporador, viaja de nuevo al compresor (10), donde se le volverá a imprimir el trabajo necesario para completar de nuevo el ciclo termodinámico de la máquina frigorífica.Once the refrigerant fluid leaves the second distributor system (13a), and with it the evaporator system, it travels back to the compressor (10), where the necessary work will be reprinted to complete the thermodynamic cycle of the refrigerating machine again .
Pese a que los elementos distribuidores (13a, 13b) permitan la circulación de fluido de trabajo de la máquina frigorífica a lo largo de sus diferentes sistemas intercambiadores, dependerá de la posición de las válvulas reguladoras (9a, 9b y 9c) la circulación del fluido de trabajo de la turbina de gas a través de éstos, lo que determinará la posibilidad de intercambio indirecto superficial entre ambos fluidos de trabajo.Although the distributing elements (13a, 13b) allow the circulation of working fluid of the refrigerating machine along its different exchange systems, it will depend on the position of the regulating valves (9a, 9b and 9c) the circulation of the fluid of working of the gas turbine through these, which will determine the possibility of indirect surface exchange between both working fluids.
Atendiendo a la FIG.2 podemos observar como el sistema termodinámico formado por la turbina de gas permanece invariable, no así el constituido por la máquina frigorífica. La principal diferencia física radica en la posición adoptada por la válvula inversora (12). En este caso, el fluido de trabajo de la máquina frigorífica invierte su sentido de circulación a lo largo del circuito -y por ende el orden de paso a través de las diferentes etapas- redundando en una evidente diferencia operacional del sistema, ya que esta inversión implica una inversión en la situación de sus focos caliente y frío.In accordance with FIG. 2 we can observe how the thermodynamic system formed by the gas turbine remains unchanged, but not the one constituted by the refrigerating machine. The main physical difference lies in the position adopted by the reversing valve (12). In this case, the working fluid of the refrigerating machine reverses its sense of circulation along the circuit - and therefore the order of passage through the different stages - resulting in an obvious operational difference of the system, since this inversion It implies an investment in the situation of its hot and cold lights.
El ciclo termodinámico se inicia en la fase de compresión (10) que eleva la presión del fluido de trabajo de la máquina frigorífica, en este caso cualquier fluido refrigerante conocido en el estado de la técnica, cuando éste se encuentra mayoritariamente en fase gaseosa, discurriendo el mismo por unas líneas o conducciones (11), siendo el sistema compresor (10) accionado mecánicamente por la turbina, transformando la velocidad de giro de su eje (3) en una más adecuada para el funcionamiento de la máquina frigorífica mediante el uso de una caja de velocidades (4.4). Una vez elevada la presión del fluido refrigerante, aún en estado gaseoso, éste, mediante la válvula inversora (12) es conducido por sus líneas (11) hasta un primer elemento distribuidor (13a), donde toma parte la etapa de condensación. The thermodynamic cycle begins in the compression phase (10) that raises the pressure of the working fluid of the refrigerating machine, in this case any refrigerant fluid known in the state of the art, when it is mostly in the gas phase, running the same by lines or lines (11), the compressor system (10) being mechanically driven by the turbine, transforming the speed of rotation of its axis (3) into a more suitable for the operation of the refrigerating machine by using a gearbox (4.4). Once the pressure of the refrigerant fluid has been raised, even in a gaseous state, it, by means of the inverting valve (12), is taken along its lines (11) to a first distributor element (13a), where the condensation stage takes part.
Como en la disposición mostrada por la FIG.1., en función de la apertura de las diferentes válvulas reguladoras (21) y de la distribución realizada por el elemento distribuidor (13a), los distintos elementos intercambiadores (14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 15) pueden actuar como condensadores de la máquina frigorífica, cediendo calor al fluido de trabajo de la turbina de gas -en función de la apertura de las distintas válvulas (9a, 9b y 9c)- antes, entre y después de las distintas etapas de compresión. Esta situación, a priori, sólo cobra sentido en el caso del elemento intercambiador (15), pues al actuar como etapa de condensación, podría ceder calor al fluido de trabajo de la turbina de gas justo antes de la etapa de combustión producida en la cámara de combustión (16), incrementando la temperatura del mismo y propiciando una mejora en la eficiencia global del sistema.As in the arrangement shown in FIG. 1, depending on the opening of the different regulating valves (21) and the distribution made by the distributor element (13a), the different exchange elements (14.1, 14.2, 14.3, 14.4 , 15) they can act as condensers of the refrigerating machine, giving heat to the working fluid of the gas turbine - depending on the opening of the different valves (9a, 9b and 9c) - before, between and after the different stages Of compression. This situation, a priori, only makes sense in the case of the exchange element (15), since by acting as a condensation stage, it could give heat to the working fluid of the gas turbine just before the combustion stage produced in the chamber of combustion (16), increasing its temperature and promoting an improvement in the overall efficiency of the system.
Tras haber pasado parcial o totalmente de fase gaseosa a líquida en cualquiera de las etapas de condensación posibles, el fluido de trabajo de la máquina frigorífica circula hasta una etapa de expansión (20) donde su presión decrece bruscamente, propiciando el cambio de fase que se dará posteriormente en el sistema evaporador. A continuación, viaja a un elemento separador de fases (19) que bien pudiera hacer las veces de depósito. Tras abandonar este último elemento (19), el fluido de trabajo de la máquina frigorífica circula hasta el segundo elemento distribuidor (13b) donde, en función de la apertura de las diferentes válvulas reguladoras (21) y de la distribución realizada por el elemento distribuidor (13b), los distintos elementos intercambiadores (15,17.1,17.2) pueden actuar como evaporadores de la máquina frigorífica, absorbiendo calor del fluido de trabajo de la turbina de gas -en función de la apertura de las distintas válvulas (9a, 9b y 9c)- antes y entre las distintas etapas de expansión o de un medio externo o incluso ajeno al fluido de trabajo de la turbina de gas, como sería el caso de los elementos (18.1, 18.2, 18.3). Esta distribución carece de sentido en los elementos intercambiadores (15,17.1,17.2), pues absorber calor del fluido de trabajo de la turbina en esas etapas redundaría en una disminución de la eficiencia global del sistema. No obstante, en el caso de los elementos intercambiadores (18.1, 18.2, 18.3), absorber calor de un medio ajeno al sistema, como podría ser cualquier fluido conocido en el estado de la técnica, o incluso el propio fluido de trabajo de la turbina de gas tras ser expulsados por la tobera (7) sí que resultaría eficiente, si, como se ha mencionado con anterioridad, éste calor absorbido, más el impreso por el trabajo del elemento compresor (10), son distribuidos por el elemento distribuidor (13a) hasta el elemento intercambiador (15), donde cedería la citada suma de calores al fluido de trabajo de la turbina de gas antes de la etapa de combustión (16).After having passed partially or totally from gas to liquid phase in any of the possible condensation stages, the working fluid of the refrigerating machine circulates until an expansion stage (20) where its pressure decreases sharply, leading to the change of phase that is will subsequently give in the evaporator system. It then travels to a phase separator element (19) that could well act as a deposit. After leaving this last element (19), the working fluid of the refrigerating machine circulates to the second distributor element (13b) where, depending on the opening of the different regulating valves (21) and the distribution made by the distributor element (13b), the different exchangers (15,17.1,17.2) can act as evaporators of the refrigerating machine, absorbing heat from the working fluid of the gas turbine - depending on the opening of the different valves (9a, 9b and 9c) - before and between the different stages of expansion or of an external or even foreign medium to the working fluid of the gas turbine, as would be the case of the elements (18.1, 18.2, 18.3). This distribution is meaningless in the exchange elements (15,17.1,17.2), since absorbing heat from the working fluid of the turbine at these stages would result in a decrease in the overall efficiency of the system. However, in the case of the exchange elements (18.1, 18.2, 18.3), absorb heat from a medium outside the system, such as any fluid known in the state of the art, or even the turbine's working fluid itself of gas after being expelled by the nozzle (7) would be efficient, if, as mentioned above, this heat absorbed, plus that printed by the work of the compressor element (10), are distributed by the distributor element (13a ) to the exchange element (15), where the said sum of heats would yield to the working fluid of the gas turbine before the combustion stage (16).
Una vez el fluido de trabajo de la máquina frigorífica abandona el segundo sistema distribuidor (13b), y con ello el sistema evaporador, viaja de nuevo al compresor (10), donde se le volverá a imprimir el trabajo necesario para completar de nuevo el ciclo termodinámico de la máquina frigorífica.Once the working fluid of the refrigerating machine leaves the second distributor system (13b), and with it the evaporator system, it travels back to the compressor (10), where it will reprint the work necessary to complete the cycle again thermodynamic of the refrigerating machine.
Ahondando en la explicación termodinámica del sistema, las diferentes etapas de compresión, que pudieran ser graduales, en función de la disposición de los álabes, número de éstos y velocidad de giro relativa de cada una de las etapas -gracias a las diferentes relaciones de transmisión posibles entre ellas-, o ecuánimes, tratan de comprimir el fluido de trabajo de la turbina de gas de forma adiabática, cosa imposible en la práctica pues se trata de máquinas reales y no de sistemas reversibles, siendo pues su rendimiento isentrópico imperfecto.Delving into the thermodynamic explanation of the system, the different compression stages, which could be gradual, depending on the arrangement of the blades, their number and relative speed of rotation of each of the stages - thanks to the different transmission ratios possible among them-, or equanimous, they try to compress the working fluid of the gas turbine in an adiabatic way, which is impossible in practice because it is real machines and not reversible systems, thus being its imperfect isentropic performance.
Las etapas en la que cualesquiera de los intercambiadores pudieran actuar como condensadores, independientemente de si se tratara de la configuración mostrada en la FIG.1 o de la mostrada en la FIG.2, éstos, hablando de nuevo en un hipotético trabajo reversible, tratarían de enfriar isobáricamente el fluido de trabajo de la turbina de gas -o de un medio externo en el caso de los intercambiadores (18.1, 18.2, 18.3)-, al absorber calor del mismo, que sería asimilado por el sistema termodinámico formado por la máquina frigorífica. The stages in which any of the exchangers could act as condensers, regardless of whether it was the configuration shown in FIG. 1 or the one shown in FIG. 2, these, speaking again in a hypothetical reversible work, would deal with of isobarically cooling the working fluid of the gas turbine - or of an external medium in the case of heat exchangers (18.1, 18.2, 18.3) -, by absorbing heat from it, which would be assimilated by the thermodynamic system formed by the machine refrigerating
Por su parte, en las diferentes etapas de expansión, el fluido de trabajo de la turbina de gas experimenta una expansión adiabática en las mismas -hablando nuevamente de trabajos reversibles, no de la situación que se pudiera dar en la realidad, dependiente de innumerables factores-. Hasta ser devuelto al medio externo a la turbina de gas, tras pasar o no por un sistema de evacuación de gases, recuperando su presión inicial, la que tenía antes de ser absorbido y transformado por el sistema. Cabe mencionar que ésta expansión, la acaecida entre las diferentes etapas de expansión, es la única del ciclo que produce trabajo mecánico en lugar de consumirlo, por lo que todo sistema o método que pudiera facilitar una mayor extracción energética -cesión de calor antes de la etapa de combustión o entre las diferentes etapas de expansión-, una disminución del trabajo consumido por las etapas de compresión -reduciendo la temperatura del fluido de trabajo de la turbina de gas antes de las sucesivas etapas de compresión y entre las mismas-, o una disminución del trabajo consumido por la etapa de compresión de la máquina frigorífica, redundarían en una mayor eficiencia global del sistema termodinámico de la turbina de gas, que es el fin último de la presente invención.On the other hand, in the different stages of expansion, the working fluid of the gas turbine undergoes an adiabatic expansion in them - speaking again of reversible works, not of the situation that could occur in reality, dependent on innumerable factors -. Until it is returned to the external environment to the gas turbine, after passing through a gas evacuation system or not, recovering its initial pressure, which it had before being absorbed and transformed by the system. It is worth mentioning that this expansion, the one that occurred between the different stages of expansion, is the only one in the cycle that produces mechanical work instead of consuming it, so that any system or method that could facilitate a greater energy extraction - heat loss before combustion stage or between the different stages of expansion-, a decrease in the work consumed by the compression stages -reducing the temperature of the working fluid of the gas turbine before the successive stages of compression and between them-, or a decrease in the work consumed by the compression stage of the refrigerating machine would result in a greater overall efficiency of the thermodynamic system of the gas turbine, which is the ultimate goal of the present invention.
Como se puede observar, el sistema se muestra en su estado más elemental, básico. Puede ser mejorado considerablemente mediante la pertinente adición de las mejoras típicas tanto del ciclo frigorífico como del ciclo de turbina de gas, como los sistemas de recalentamiento o enfriamiento actualmente conocidos en el estado de la técnica en el caso de ésta última, por ejemplo. No obstante, se ha decidido omitir las posibles mejoras, ajenas a las formas más elementales de los sistemas conocidos en el estado de la técnica, para así reducir el sistema a su estado más primario, en aras de simplificar la redacción y comprensión de la presente invención. Se ha pasado por alto también la descripción de una hipotética asociación en paralelo de varias etapas en la compresión y expansión junto con más de una máquina frigorífica, por la redundancia que ello supone.As you can see, the system is shown in its most elementary, basic state. It can be considerably improved by the pertinent addition of the typical improvements of both the refrigeration cycle and the gas turbine cycle, such as the reheating or cooling systems currently known in the state of the art in the case of the latter, for example. However, it has been decided to omit the possible improvements, outside the most elementary forms of the systems known in the state of the art, in order to reduce the system to its most primary state, in order to simplify the drafting and understanding of the present invention. The description of a hypothetical parallel association of several stages in compression and expansion along with more than one refrigerating machine has also been overlooked, due to the redundancy that this entails.
Es evidente que la presente invención tendría un amplísimo campo de aplicación, tanto en la industria aeroespacial como en la de producción energética, pudiendo, en este último caso complementar a las centrales de ciclo combinado o a las de cogeneración en su búsqueda de la mayor eficiencia posible. Por su parte, en la industria aeroespacial tendría gran aplicación a la hora de crear motores más eficientes, con menores consumos y emisiones de gases nocivos que son emitidos directamente a la atmósfera. Redundaría a su vez en un aumento de la autonomía de servicio de las citadas aeronaves, abaratando el coste del transporte de mercancías o pasajeros. It is clear that the present invention would have a wide range of application, both in the aerospace and energy production industries, being able, in the latter case, to complement the combined cycle or cogeneration plants in their search for the highest possible efficiency . For its part, in the aerospace industry would have great application when creating more efficient engines, with lower consumption and emissions of harmful gases that are emitted directly into the atmosphere. It would in turn increase the service autonomy of the aforementioned aircraft, reducing the cost of transporting goods or passengers.
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2018
- 2018-01-12 ES ES201800017A patent/ES2719708A1/en active Pending
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