ES2779783A1 - THERMAL SYSTEM FOR THE GENERATION OF MECHANICAL ENERGY IN A SHAFT OF A TURBINE IN CLOSED CIRCUIT, WITH A COMPRESSOR AND WITH SUPPLY OF HEAT FROM AN EXTERNAL SOURCE, AND INTERNAL RECOVERY OF HEAT AND MECHANICAL ENERGY, FOR ELECTRICITY GENERATION, ACCORDING TO A PROCEDURE, AND PROCEDURE SELECTING THE STATE OF SYSTEM OPERATION (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents

THERMAL SYSTEM FOR THE GENERATION OF MECHANICAL ENERGY IN A SHAFT OF A TURBINE IN CLOSED CIRCUIT, WITH A COMPRESSOR AND WITH SUPPLY OF HEAT FROM AN EXTERNAL SOURCE, AND INTERNAL RECOVERY OF HEAT AND MECHANICAL ENERGY, FOR ELECTRICITY GENERATION, ACCORDING TO A PROCEDURE, AND PROCEDURE SELECTING THE STATE OF SYSTEM OPERATION (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) Download PDF

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ES2779783A1 ES201930997A ES201930997A ES2779783A1 ES 2779783 A1 ES2779783 A1 ES 2779783A1 ES 201930997 A ES201930997 A ES 201930997A ES 201930997 A ES201930997 A ES 201930997A ES 2779783 A1 ES2779783 A1 ES 2779783A1
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Penalosa Jose Maria Martinez-Val
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Universidad Politecnica de Madrid
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Universidad Politecnica de Madrid
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    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C1/00Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
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    • F02C1/10Closed cycles
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02C7/00Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
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Abstract

Thermal system for the generation of mechanical energy in a shaft of a turbine in a closed circuit, with a compressor and with input of heat from an external source, and internal recovery of heat and mechanical energy, for the generation of electricity, according to a procedure, and procedure of selection of system operation status. The system includes flared mechanical recuperators to transform dynamic pressure into static pressure at the compressor or turbine outlet, and several cycles can be chained into one, with increased performance. Additionally, the system establishes vertical circulation of the fluids in the heat exchangers, and provides a procedure for selecting the thermodynamic state to operate the system, depending on the availability of energy and temperature of the external heat source, for which it includes an auxiliary fluid supply system, to inject or extract fluid from the closed circuit, depending on whether it is desired to increase or decrease power. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Description

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

SISTEMA TÉRMICO DE GENERACIÓN DE ENERGÍA MECÁNICA EN UN EJE DE UNA TURBINA EN CIRCUITO CERRADO, CON COMPRESOR Y CON APORTACIÓN DE CALOR POR FUENTE EXTERIOR, Y RECUPERACIÓN INTERNA DE CALOR Y DE ENERGÍA MECÁNICA, PARA GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD, SEGÚN UN PROCEDIMIENTO, Y PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN DEL ESTADO DE OPERACIÓN DEL SISTEMATHERMAL SYSTEM FOR THE GENERATION OF MECHANICAL ENERGY IN A SHAFT OF A TURBINE IN CLOSED CIRCUIT, WITH A COMPRESSOR AND WITH SUPPLY OF HEAT FROM AN EXTERNAL SOURCE, AND INTERNAL RECOVERY OF HEAT AND MECHANICAL ENERGY, FOR GENERATION OF ELECTRICITY, ACCORDING TO A PROCEDURE, ACCORDING TO A PROCEDURE, SELECTING THE STATE OF SYSTEM OPERATION

SECTOR DE LA TÉCNICATECHNICAL SECTOR

La invención se encuadra en el campo de los ciclos termodinámicos que transforman energía térmica en energía cinética del eje de rotación de su máquina expansora o turbina, cuyo eje va acoplado al eje de un generador eléctrico.The invention falls within the field of thermodynamic cycles that transform thermal energy into kinetic energy of the axis of rotation of its expanding machine or turbine, whose axis is coupled to the axis of an electric generator.

PROBLEMA TÉCNICO A RESOLVER Y ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNTECHNICAL PROBLEM TO BE SOLVED AND BACKGROUND OF THE INVENTION

El problema consiste en aprovechar al máximo la energía de una fuente externa de calor, ideando un montaje termodinámico que use máquinas y equipos relativamente convencionales, pero interconectados de forma novedosa, explotando al máximo las cualidades termo-físicas del fluido real de trabajo, mediante recuperación interior de energía térmica y energía mecánica, obteniendo unos resultados que van más allá del estado el arte.The problem consists of making the most of the energy from an external heat source, devising a thermodynamic assembly that uses relatively conventional machines and equipment, but interconnected in a novel way, exploiting to the maximum the thermo-physical qualities of the real working fluid, through recovery internal thermal energy and mechanical energy, obtaining results that go beyond the state of the art.

Además la invención consiste en idear los requisitos técnicos adecuados del sistema termodinámico para fijar los valores superior e inferior de presión, entre las cuales trabaja el sistema, e idear así mismo los procedimientos de operación para variar la potencia generada por el sistema, en función de la potencia disponible en el foco caliente, y las condiciones de refrigeración del foco frío. Furthermore, the invention consists in devising the appropriate technical requirements of the thermodynamic system to set the upper and lower pressure values, between which the system works, and also devising the operating procedures to vary the power generated by the system, depending on the power available in the hot spot, and the cooling conditions of the cold spot.

Desde el punto de vista teórico y de análisis de propuestas, el estado del arte puede verse descrito en las solicitudes previas del inventor de la presente solicitud; en concreto la patente ES 2427648 B2 trata de un ciclo Brayton con refrigeración ambiental próxima a la isoterma crítica, siendo el segundo documento, con número de solicitud de patente española P 201731263, que describe un ciclo con punto de menor entalpía que tiene temperatura por debajo de la crítica, pero su presión está por encima de la presión crítica.From the theoretical point of view and analysis of proposals, the state of the art can be seen described in the previous applications of the inventor of the present application; Specifically, patent ES 2427648 B2 deals with a Brayton cycle with ambient cooling close to the critical isotherm, the second document, with Spanish patent application number P 201731263, which describes a cycle with a lower enthalpy point that has a temperature below of criticism, but his pressure is above critical pressure.

Es perfectamente conocido que el rendimiento termo-mecánico está limitado al rendimiento de Carnot, como máximo teórico. Adicionalmente, repercuten contra el rendimiento las irreversibilidades y rozamientos de todo tipo que se puedan dar a lo largo del ciclo, que por lo general se define suponiendo procesos reversibles. No obstante, habida cuenta la imposibilidad de reducir a cero las irreversibilidades, es muy importante que la novedad propuesta incluya los efectos de las irreversibilidades, lo cual se señalará al describir la invención. It is well known that the thermo-mechanical performance is limited to the Carnot performance, as a theoretical maximum. Additionally, they impact against performance, irreversibilities and friction of all kinds that may occur throughout the cycle, which is generally defined assuming reversible processes. However, given the impossibility of reducing irreversibilities to zero, it is very important that the proposed novelty includes the effects of irreversibilities, which will be pointed out when describing the invention.

Una parte importante del estado del arte es la formulación teórica del ciclo Brayton en sus diversas especificidades, lo cual se revisa sucintamente a continuación:An important part of the state of the art is the theoretical formulation of the Brayton cycle in its various specificities, which is briefly reviewed below:

Para un ciclo Brayton abierto, en el que la entrada de aire al compresor es a presión atmosférica, y lo mismo sucede con el escape de la turbina, el rendimiento con gas ideal esFor an open Brayton cycle, in which the air inlet to the compressor is at atmospheric pressure, and the same happens with the turbine exhaust, the ideal gas performance is

1one

£ = 1 ~^p£ = 1 ~ ^ p

donde p es el exponente térmico de una evolución isentrópica, siendo r la razón de compresión. Particularmente se aplica a la compresión isentrópica iniciada con presión P0 y temperatura T0; y llegando a presión P1 y temperatura T1, siendo el valor de éstawhere p is the thermal exponent of an isentropic evolution, where r is the compression ratio. It is particularly applicable to isentropic compression initiated with pressure P0 and temperature T0; and reaching pressure P1 and temperature T1, the value of which is

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siendo r la razón de compresión, igual a P1/P0. Para un gas ideal el valor de p corresponde a (y-1)/y; siendo y el coeficiente adiabático.where r is the compression ratio, equal to P1 / P0. For an ideal gas the value of p corresponds to (y-1) / y; where y is the adiabatic coefficient.

Propiamente hablando, el rendimiento antedicho se alcanza en el mejor de los casos de un Brayton abierto, que es cuando alcanzan el mismo valor las temperaturas de salida del compresor y de la turbina, por lo que el cociente de Carnot p (=Tm/T0) esProperly speaking, the aforementioned performance is achieved in the best case of an open Brayton, which is when the compressor and turbine outlet temperatures reach the same value, so the Carnot ratio p (= Tm / T0 ) it is

Figure imgf000003_0002
Figure imgf000003_0002

Nótese que los subíndices de la temperatura sonNote that the subscripts of temperature are

0= entrada en el compresor (que es la mínima del fluido en el ciclo) 0 = compressor inlet (which is the minimum fluid in the cycle)

C=salida del compresorC = compressor outlet

t=salida de la turbina t = turbine outlet

M= entrada en la turbina (que es la máxima temperatura del fluido en el ciclo). M = inlet into the turbine (which is the maximum fluid temperature in the cycle).

A primera vista extraña que el rendimiento no dependa del cociente de temperaturas extremas, p, pero en realidad sí depende, por la última ecuación, por lo que se puede reescribirAt first glance it is strange that the performance does not depend on the extreme temperature quotient, p, but in reality it does depend, by the last equation, so it can be rewritten

1one

£ 1 £ 1

VmVm

Este rendimiento siempre es peor que el de Carnot (1-p-1).This performance is always worse than Carnot's (1-p-1).

Es muy importante señalar que, en el ciclo abierto, el rendimiento aumenta tal como lo hace la razón de compresión.It is very important to note that, in the open cycle, the performance increases as does the compression ratio.

Esta tendencia cambia absolutamente en un ciclo cerrado regenerativo, que en el caso de gas ideal se rige porThis trend changes absolutely in a closed regenerative cycle, which in the ideal gas case is governed by

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donde WC es el trabajo específico absorbido por el eje del compresor, y WT es el entregado por el eje de la turbina.where WC is the specific work absorbed by the compressor shaft, and WT is that delivered by the turbine shaft.

Figure imgf000004_0002
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Y por tanto, en el ciclo ideal Brayton cerrado, con gas ideal se llega aAnd therefore, in the closed Brayton ideal cycle, with ideal gas we get to

rPrP

£ = 1 ----- £ = 1 -----

Se aprecia que el rendimiento aumenta según crece p, y según decrece r. Más aún, se tiene que el límite de este rendimiento, cuando r tiende a 1, es precisamente el rendimiento de Carnot; pero hablando con propiedad, ese límite no existe, pues no habría ciclo, porque coincidirían las isóbaras alta y baja. It is seen that the yield increases as p increases, and as r decreases . Furthermore, the limit of this yield, when r tends to 1, is precisely the Carnot yield; but properly speaking, that limit does not exist, as there would be no cycle, because the high and low isobars would coincide.

Nótese en este caso, que el cociente de Carnot tiene una expresión diferente a la anterior, pues incluye el efecto del intercambiador regenerativo; que exige que la temperatura de salida de la turbina sea mayor que la de salida del compresor. El cociente de Carnot se descompone ahora en:Note in this case that the Carnot quotient has a different expression than the previous one, since it includes the effect of the regenerative exchanger; which requires that the turbine outlet temperature be higher than that of the compressor outlet. The Carnot quotient is now decomposed into:

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donde m es el factor que caracteriza la regeneración. En la ecuación se ha indicado que, en los casos reales, los exponentes de expansión (P’) y de compresión (P) serán distintos, así como las razones de compresión respectivas, r y r’, siendo esta última menor que la primera, por razones de pérdida de carga en el circuito.where m is the factor that characterizes the regeneration. In the equation it has been indicated that, in real cases, the exponents of expansion (P ') and compression (P) will be different, as well as the respective compression ratios, r and r', the latter being less than the first , for reasons of loss of charge in the circuit.

En la ecuación anterior se resume que, en cada semiciclo, hay tres fases: compresión, regeneración y calentamiento exterior, en el semiciclo de subida en entalpia; y expansión, regeneración y enfriamiento exterior en el de bajada.In the previous equation it is summarized that, in each half cycle, there are three phases: compression, regeneration and external heating, in the half cycle of rising enthalpy; and expansion, regeneration and external cooling in the downstream.

El ciclo se cierra mediante el balance de entropía, teniendo en cuenta que tanto la compresión como la expansión las consideramos isentrópicas. Ello permite formular el balance simplemente, como que la entropía ganada desde el final de la compresión, hasta el comienzo de la expansión, por la isóbara alta, es igual, en valor absoluto, a la entropía perdida desde el final de la expansión, hasta el principio de la compresión, por la isóbara baja.The cycle is closed through the entropy balance, taking into account that both compression and expansion are considered isentropic. This allows the balance to be formulated simply, as the entropy gained from the end of the compression to the beginning of the expansion, by the high isobar, is equal, in absolute value, to the entropy lost from the end of the expansion, up to the principle of compression, by the low isobar.

Para cada una de las fases isóbaras, se puede escribir la variación de entropía y de entalpia en estos términos, en función del calor específico Cp y de las temperaturas de comienzo y final de fase, Txi y Txf.For each of the isobar phases, the entropy and enthalpy variation can be written in these terms, as a function of the specific heat Cp and the temperatures of the beginning and end of the phase, Txi and Txf.

Figure imgf000005_0002
Figure imgf000005_0002

r Txfr Txf

&Hx = I CP dT = Cx(Txf — TXi) & Hx = I CP dT = Cx ( Txf - TXi)

TT

A partir de ello se puede definir la temperatura Tx que caracteriza cada fase, y corresponde a From this, the temperature Tx that characterizes each phase can be defined, and corresponds to

T _ AHx _ cx -Txf - Txi) _ cT _ AHx _ cx -Txf - Txi) _ c

x ASx GxLn{Txf/Txi) %x X° x ASx GxLn {Txf / Txi) % x X °

Donde Tx0 es la temperatura que sería característica en un gas ideal en esas condiciones, pues en el gas ideal Cp es constante, y Cx =Gx.Where Tx0 is the temperature that would be characteristic in an ideal gas under these conditions, since Cp is constant in the ideal gas, and Cx = Gx.

El balance de entropía se pude escribir, usando a y b como identificadores de las isóbaras de alta y de baja presión; y correspondiendo el subíndice r al intercambiador regenerativo, el h al foco caliente, y el f al foco frío:The entropy balance can be written, using a and b as identifiers of the high and low pressure isobars; and corresponding the subscript r to the regenerative exchanger, the h to the hot source, and the f to the cold source:

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Para su definición precisa, hay que identificar la temperatura Ta en la que acabaFor its precise definition, it is necessary to identify the temperature Ta in which it ends

la regeneración de alta presión, y comienza el calentamiento externo. Dicha Ta debe ser menor que la temperatura de salida de la turbina Tt, pudiendo escribirhigh pressure regeneration, and external heating begins. Said Ta must be less than the turbine outlet temperature Tt, being able to write

Tt= Ta+AT, donde se ha introducido el valor AT como diferencia (prácticamente constante) entre el fluido caliente y el frío en el intercambiador regenerativo. ParaTt = Ta + AT, where the AT value has been entered as the difference (practically constant) between the hot and cold fluid in the regenerative exchanger. For

el caso absolutamente ideal, que requeriría un intercambiador de longitud infinita, y por ende imposible dicha diferencia entre ambas corrientes sería AT=0.the absolutely ideal case, which would require an exchanger of infinite length, and therefore impossible, said difference between both currents would be AT = 0.

Las definiciones quedan puesThe definitions are thus

ASra _ GraLn ( j- ) ASra _ GraLn ( j-)

A Sh _ G hLn(T-+ A Sh _ G hLn ( T- +

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Figure imgf000006_0002

ASr rbb _ Gr rb4Ln ( \Ttac 2 A ATT)) ASr rbb _ Gr rb4Ln ( \ T t a c 2 A ATT))

Es bien sabido que cuando los gases se acercan mucho a la campana bifásicaIt is well known that when gases get very close to the biphasic bell

líquido-vapor, es decir, a la curva de saturación por comienzo de condensación, el comportamiento del gas real se aleja bastante de gas ideal; y se aleja aún más cuando se acerca al punto crítico. liquid-vapor, that is to say, at the saturation curve by beginning of condensation, the behavior of the real gas is quite far from ideal gas; and it moves further away when it approaches the critical point.

Como ecuación de estado generalizada se emplea la de Gas Ideal con inclusión del llamado "factor de compresibilidad”, identificado por "z”, y que en cada punto es el que hace que se cumplaAs a generalized equation of state, the Ideal Gas is used, including the so-called "compressibility factor", identified by "z", and that at each point is what makes it true

P -V = z - R - TP -V = z - R - T

Es importante señalar que z es adimensional, pero no así R (que se mide en kJ/(kgK)).It is important to note that z is dimensionless, but not R (which is measured in kJ / (kgK)).

El factor de compresibilidad z vale 1 cuando la sustancia se comporta como gas ideal.The compressibility factor z is equal to 1 when the substance behaves as an ideal gas.

Existen una serie de propiedades termodinámicas que forman parte del estado del arte, y ayudan a formular la invención. Una propiedad indispensable es la expresión de la variación de la entalpia en un proceso isentrópico:There are a number of thermodynamic properties that are part of the state of the art, and help to formulate the invention. An indispensable property is the expression of the variation of enthalpy in an isentropic process:

Figure imgf000007_0001
Figure imgf000007_0001

Otro parámetro útil para caracterizar la ecuación de estado es fp, denominado "factor logarítmico de dilatación isóbara”, y corresponde aAnother useful parameter to characterize the equation of state is fp, called the "logarithmic factor of isobar dilation", and corresponds to

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Figure imgf000007_0002

Este factor logarítmico vale 0 para gases ideales.This logarithmic factor is 0 for ideal gases.

La variación de entalpia específica que se produce al pasar de P0 a P1 a lo largo de una isoterma de temperatura dada, Ti; lo cual se denota por AHi obedece aThe change in specific enthalpy that occurs when passing from P0 to P1 along a given temperature isotherm, Ti; which is denoted by AHi obeys

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Figure imgf000007_0003

donde se ha hecho uso del valor medio de V (VTi) y de fp (fpi). El signo menos se debe a que la entalpía específica decrece cuando se incrementa la presión a lo largo de una isoterma.where the mean value of V ( VTi) and fp ( fpi) have been used. The minus sign is due to the specific enthalpy decreasing when the pressure increases along an isotherm.

A su vez, el factor logarítmico de dilatación isóbara sirve para calcular con carácter general el exponente térmico de evolución de la temperatura en una compresión o expansión isentrópica real, que se ha denotado por p, que vale, según se demuestra a continuación,In turn, the logarithmic isobar expansion factor is used to generally calculate the thermal exponent of temperature evolution in a real isentropic compression or expansion, which has been denoted by p, which is, as shown below,

p = ^L> ( 1 2 fp) p = ^ L> (1 2 fp)

y el cual determina la citada evolución térmica, que arranca en un estado caracterizado por la presión P0 y la temperatura T0 y evoluciona hasta la presión Pi, cumpliéndose entonces que la temperatura final Ti esand which determines the aforementioned thermal evolution, which starts in a state characterized by the pressure P0 and the temperature T0 and evolves to the pressure Pi, then the final temperature Ti is

hh

h h © '© '

Para obtener la ecuación de p se parte de la siguiente ecuación de Maxwell:To obtain the equation of p, we start from the following Maxwell equation:

(\O -P +) < = Í \O -S +) ( \ O - P + ) < = Í \ O - S + )

en la que se aplican las igualdades siguientesin which the following equalities apply

Figure imgf000008_0001
Figure imgf000008_0001

Y combinando ambas derivadas se obtiene el valor previo de p:And combining both derivatives the previous value of p is obtained:

P( / OdT }\ P (/ OdT} \ f /dLnT\ } _ R \ ( fd L n z } ' f / dLnT \} _ R \ ( f d L nz} ' ¡ ^^

T \ d p ) s ~ \dLÜp)s ~ Z c p [\ d íñ T )P 1 = P T \ dp) s ~ \ dLÜp) s ~ Z cp [\ d íñ T) P 1 = P

Es importante recordar que la evolución isentrópica general, caracterizada por dS=0, parte de la definición de entropíaIt is important to remember that general isentropic evolution, characterized by dS = 0, part of the definition of entropy

dT OPdT OP

dS = Cvv -- t -- 2 (q^ t j )vvdV dS = Cvv - t - 2 ( - q ^ tj ) v vdV

En esta ecuación se incorpora la ecuación de estado real, con z dandoThe real equation of state is incorporated into this equation, with z giving

Q tdP\ v R f ( Oz Q tdP \ v R f (Oz >>

= = 7 = = 7 {{ t t Q vQ v 2 z2 z ))

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Figure imgf000008_0002

Al señalar una presión P0 junto a T0, se está eligiendo una isentrópica. Cuando se elija la presión de alta P1, habiendo ya fijado la temperatura máxima que se admite, TM, se obtendrá la isentrópica alta que cierra el ciclo.By pointing to a pressure P0 next to T0, you are choosing an isentropic one. When the high pressure P1 is chosen, having already set the maximum admissible temperature, TM, the high isentropic that closes the cycle will be obtained.

Al considerar los procesos de compresión y de regeneración, aparecen dos incrementos entálpicos, que no se pueden recuperar en la regeneración o recuperación térmica: When considering the compression and regeneration processes, two enthalpic increases appear, which cannot be recovered in regeneration or thermal recovery:

- Uno, el incremento en entalpia CpAT, siendo AT la diferencia entre las temperaturas caliente y fría en el intercambiador regenerativo.- One, the increase in enthalpy CpAT, with AT being the difference between hot and cold temperatures in the regenerative exchanger.

- Dos, el incremento de entalpía que se produce al bajar por la isoterma desde P1, Tc a P0, Tc. Esta última bajada no forma parte del ciclo material del fluido, pero pertenece al proceso de transferencia de calor regenerativo, pues es su límite, por el extremo de baja entalpía.- Two, the increase in enthalpy that occurs when going down the isotherm from P1, Tc to P0, Tc. This last drop is not part of the material cycle of the fluid, but it belongs to the regenerative heat transfer process, since it is its limit, due to the low enthalpy end.

Este último valor de incremento entálpico, denominado antes AHi, es lo mínimo que se pierde en la regeneración, por motivos de la ecuación de estado. A ello hay que sumar lo del punto primero, y así se puede definir la entalpía descompensada, o no recuperada, QA en el intercambio regenerativo, que se puede expresar porThis last value of enthalpy increase, previously called AHi, is the minimum that is lost in regeneration, for reasons of the equation of state. To this we must add the first point, and thus we can define the decompensated enthalpy, or not recovered, QA in the regenerative exchange, which can be expressed by

QA — í 1 Cpm^T QA - í 1 Cpm ^ T

donde Cpm es el valor medio del calor específico en la isóbara de baja en la regeneración. Esta cantidad no recuperable hay que minimizarla, y como el primer sumando vale -VTífpí{P1 - P0), resulta aconsejable minimizar f (que vale 0 para gas ideal). Es decir, se debe escoger un dominio del diagrama del gas empleado como fluido de trabajo, en el que se comporte como gas ideal. En ese diagrama, el valor de Cp será apreciablemente constante, no dependiendo significativamente de T ni de P.where Cpm is the average value of the specific heat in the regeneration low isobar. This non-recoverable quantity must be minimized, and since the first addition is equal to -VTífpí {P1 - P0), it is advisable to minimize f (which is equal to 0 for ideal gas). That is, a domain of the diagram of the gas used as the working fluid must be chosen, in which it behaves as an ideal gas. In that diagram, the value of Cp will be appreciably constant, not depending significantly on T or P.

Esta es una prescripción ya perfectamente conocida en el estado del arte, pero se incluye aquí porque la novedad de la invención se implanta con mejores resultados en este dominio de gas ideal.This is a prescription that is already well known in the state of the art, but it is included here because the novelty of the invention is implemented with better results in this ideal gas domain.

Si tenemos en cuenta el trabajo específico (entalpía específica) de la turbina WT, del compresor, WC y la entalpía descompensada QA el rendimiento puede escribirse comoIf we take into account the specific work (specific enthalpy) of the WT turbine, the compressor, WC and the decompensated enthalpy QA the performance can be written as

1 - WC/WT 1 - WC / WT

£ — 11 Q£ - 11 Q a to /W / W tt

Esta ecuación incluye, por QA, el efecto de la imposibilidad de regenerar estas instalaciones al 100%.This equation includes, by QA, the effect of the impossibility of regenerating these facilities to 100%.

Junto a este efecto, puramente termodinámico, hay que contabilizar otras dos fuentes de irreversibilidades de tipo mecánico: las debidas a las máquinas, turbina y compresor, que presentan flujos intersticiales y rozamientos; y el efecto de pérdida de carga manométrica en todas las conducciones.Along with this purely thermodynamic effect, two other sources of mechanical irreversibilities must be accounted for: those due to machines, turbine and compressor, which present interstitial flows and friction; and the effect of manometric head loss in all pipes.

Estas tres fuentes de irreversibilidad termodinámica, por las máquinas, por la pérdida de carga manométrica, y por la imposibilidad de recuperar al 100 % el calor de regeneración, son hechos fundamentales que deben tenerse en cuenta rigurosamente en la definición del ciclo real; pues si no se consideran apropiadamente, el resultado propuesto podría ser una entelequia, no una realidad construible.These three sources of thermodynamic irreversibility, due to machines, due to the loss of manometric head, and due to the impossibility of recovering 100% of the regeneration heat, are fundamental facts that must be strictly taken into account when defining the real cycle; for if they are not considered properly, the proposed result could be an entelechy, not a constructable reality.

Conviene ahondar para ello en la estructura de la ecuación del rendimiento del ciclo, que con ecuación de estado de un fluido real, sin incluir irreversibilidades todavía, podría escribirseIt is convenient to delve into the structure of the cycle performance equation, which with the equation of state of a real fluid, without including irreversibilities, could be written

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Donde se ha distinguido entre el exponente p de la compresión y el P’ de la expansión (que será muy próximo al de gas ideal, es decir R/Cp). De hecho, si el gas se comporta como ideal en todo el dominio del ciclo, ambos exponentes serán iguales y constantes, dados por:Where it has been distinguished between the exponent p of the compression and the P 'of the expansion (which will be very close to that of the ideal gas, that is, R / Cp). In fact, if the gas behaves as an ideal throughout the cycle domain, both exponents will be equal and constant, given by:

Figure imgf000010_0002
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siendo ybeing and

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la razón entre calores específicos, isóbaro e isócaro. Como referencia del estado del arte, se parte de un proceso cíclico que en su definición ideal o sin irreversibilidades, trabaja entre una isóbara de menor presión, o isóbara baja, que está a P0, y una isóbara alta, o de mayor presión, P1, existiendothe ratio between specific heats, isobar and isocar. As a reference to the state of the art, it starts from a cyclical process that in its ideal definition or without irreversibilities, works between an isobar of lower pressure, or low isobar, which is at P0, and a high isobar, or higher pressure, P1 , existing

- Una fase de compresión, en la que un compresor aspira el fluido en su punto de menor entalpía específica de todo el ciclo, a presión P0 y temperatura T0, y lo eleva de presión a lo largo de una evolución isentrópica, en el caso de ciclo ideal, hasta Pc, saliendo del compresor con una temperatura Tc, que está ligada a T0 a través de que su cociente (Tc/T0) es igual a rp, siendo r el cociente de presiones (Pc/P0) y p el exponente térmico de la compresión. (Se incluye al final del ciclo el efecto de los diversos rendimientos de fase en el rendimiento global).- A compression phase, in which a compressor draws in the fluid at its lowest specific enthalpy point of the entire cycle, at pressure P0 and temperature T0, and raises it in pressure throughout an isentropic evolution, in the case of ideal cycle, up to Pc, leaving the compressor with a temperature Tc, which is linked to T0 through its quotient (Tc / T0) is equal to rp, where r is the quotient of pressures (Pc / P0) and p is the thermal exponent of compression. (The effect of the various phase performances on the overall performance is included at the end of the cycle).

- Le sigue una fase de calentamiento en la cual actúan sucesivamente dos tipos de fuentes de calor, que son- It is followed by a heating phase in which two types of heat sources act successively, which are

o el propio fluido de trabajo, desde otra fase del ciclo, en la que está más caliente, que es a la salida de la turbina, llevándose a cabo por tanto una fase térmicamente regenerativa, que en esta fase de calentamiento llega hasta una temperatura Ta que está por debajo de la temperatura de salida de la turbina, Tt, en una cantidad que se denomina diferencia terminal superior de temperatura, Dtst, cuyo valor está entre 0,001 K y la diferencia de temperaturas entre la salida de la turbina y la salida del compresor, y como referencia de la invención se toma el valor de 20 K. or the working fluid itself, from another phase of the cycle, in which it is warmer, which is at the outlet of the turbine, thus carrying out a thermally regenerative phase, which in this heating phase reaches a temperature Ta that is below the turbine outlet temperature, Tt, by an amount called the upper terminal temperature difference, Dtst, whose value is between 0.001 K and the temperature difference between the turbine outlet and the outlet of the compressor, and as a reference of the invention the value of 20 K is taken.

o La fuente externa de aportación del calor al fluido de trabajo, con la que el fluido se calienta hasta TM, que es la temperatura máxima que alcanza el fluido de trabajo, seleccionando la procedencia de dicho calor entre la combustión de un combustible en una cámara de combustión exterior al circuito cerrado del fluido de trabajo, u otra fuente de calor como la solar térmica, transfiriendo el calor generado, o captado, al fluido de trabajo, a través de un intercambiador de calor denominado calentador. o The external source of heat input to the working fluid, with which the fluid is heated up to TM, which is the maximum temperature that the working fluid reaches, selecting the source of said heat from the combustion of a fuel in a chamber of combustion outside the closed circuit of the working fluid, or another heat source such as solar thermal, transferring the heat generated, or captured, to the working fluid, through a heat exchanger called a heater.

- Una fase de expansión, desde el punto de máxima entalpía específica del ciclo, en el cual el fluido de trabajo está a presión PM y temperatura TM, evolucionando, en el caso de ciclo ideal, isentrópicamente hasta la presión P0, saliendo de la turbina o máquina expansora, donde se realiza esta fase, con temperatura Tt; siendo Tt =TM/rp- An expansion phase, from the point of maximum specific enthalpy of the cycle, in which the working fluid is at pressure PM and temperature TM, evolving, in the case of the ideal cycle, isentropically up to the pressure P0, leaving the turbine or expanding machine, where this phase is carried out, with temperature Tt; where Tt = TM / rp

- La sigue una fase de enfriamiento regenerativo, en la que el fluido frío es el propio fluido de trabajo, en otra fase del ciclo en la que está más frío, que es a la salida del compresor. Esa transferencia de calor se realiza en un intercambiador de calor regenerativo, enfriándose el fluido hasta una temperatura Tb que está por encima de la temperatura Tc de salida del compresor, en una cantidad denominada diferencia terminal inferior de temperatura, representada por Dtit, cuyo valor está entre 0,001 K y la diferencia de temperaturas entre la salida de la turbina y la salida del compresor, y como referencia de la invención se toma el valor de 20 K.- It is followed by a regenerative cooling phase, in which the cold fluid is the working fluid itself, in another phase of the cycle in which it is colder, which is at the compressor outlet. This heat transfer is carried out in a regenerative heat exchanger, cooling the fluid to a temperature Tb that is above the Compressor outlet temperature Tc, in an amount called lower terminal temperature difference, represented by Dtit, whose value is between 0.001 K and the temperature difference between the turbine outlet and the compressor outlet, and as a reference of the invention the value of 20 K is taken.

- Y hay una última fase, que se produce en el sumidero exterior de refrigeración, que enfría el fluido hasta T0, que fue el punto tomado como inicial del ciclo.- And there is a last phase, which takes place in the external cooling sump, which cools the fluid to T0, which was the point taken as the start of the cycle.

Así pues, en el ciclo hay básicamente dos tipos de fases, que se describen en el diagrama termodinámico, con sus especificidades muy claras:Thus, in the cycle there are basically two types of phases, which are described in the thermodynamic diagram, with their very clear specificities:

- Fases isóbaras, que son las presentes en los calentamientos y enfriamientos.- Isobar phases, which are those present in heating and cooling.

- Fases isentrópicas, que son las que rigen los cambios de presión, y en los que se producen (idealmente) las transformaciones termomecánicas.- Isentropic phases, which are those that govern pressure changes, and in which thermomechanical transformations take place (ideally).

La evolución física de los estados del fluido a lo largo del ciclo, queda definida por 5 variables, que se han de conocer en cada punto, y que son: presión (P), temperatura (T), densidad (p), velocidad (c) y sección recta (S) del paso del fluido. En general, se supondrá que todos los conductos son de sección recta circular. Si no lo son, se podrán tratar como tales, usando el concepto de Diámetro hidráulico.The physical evolution of the fluid states throughout the cycle is defined by 5 variables, which must be known at each point, and which are: pressure (P), temperature (T), density (p), speed ( c) and straight section (S) of the fluid passage. In general, all ducts will be assumed to be circular cross section. If they are not, they can be treated as such, using the concept of Hydraulic Diameter.

Las cinco ecuaciones necesarias para determinar la evolución son las siguientes, perfectamente definidas. Se escriben en su forma integrada, entre el comienzo de una fase, denotado por el subíndice i, y su final, con el subíndice e, en ausencia de circunstancias exteriores que impliquen modificaciones sustanciales en el Formulario de los balances:The five equations necessary to determine evolution are as follows, perfectly defined. They are written in their integrated form, between the beginning of a phase, denoted by the subscript i, and its end, with the subscript e, in the absence of external circumstances that imply substantial modifications in the Balance Sheet Form:

- Ecuación de continuidad, o balance de masa (más exactamente, de gasto, o flujo másico, en- Equation of continuity, or mass balance (more exactly, of flow, or mass flow, in

w ) PíCíSí w e peceSe w) Pic Yes w e fish

- Balance de impulso lineal, o de presiones - Linear impulse balance, or pressures

1 1eleven

4 1 mPíC = pl MpeC 4 1 mPíC = pl MpeC

- Balance de energía (por unidad de masa) en condiciones de cuasi gas ideal - Energy balance (per unit mass) in quasi-ideal gas conditions

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- Ecuación de estado del fluido (de gas ideal; si acaso con una corrección menor, a través de z- Equation of state of the fluid (ideal gas; if anything with a minor correction, through z

44

- = zRT- = zRT

PP

- Ecuación de la transformación del fluido, contando esencialmente con las dos ya dichas: - Equation of the transformation of the fluid, essentially counting on the two already mentioned:

Isóbara: 4¿ = 4eIsóbara: 4¿ = 4e

Isentrópica: 4¿6)y = 4eVeyIsentropic: 4¿6) y = 4eVey

Para estas últimas transformaciones, que son esenciales para convertir apropiadamente la energía térmica en mecánica, es muy útil tener en cuenta que las evoluciones de P, T y p (o su inverso, el volumen específico, V) van entrelazadas, debido a la ecuación de estado y a la ecuación con el cociente adiabático Y- Esto se suele expresar introduciendo el número de Mach en las ecuaciones, como cociente entre la velocidad del fluido en un punto dado, c, y la velocidad del sonido en ese punto, cs, estando definida esta última porFor these last transformations, which are essential to properly convert thermal energy into mechanical energy, it is very useful to take into account that the evolutions of P, T and p (or their inverse, the specific volume, V) are entangled, due to the equation of state and the equation with the adiabatic quotient Y- This is usually expressed by introducing the Mach number in the equations, as the quotient between the speed of the fluid at a given point, c, and the speed of sound at that point, cs, being defined the latter for

cs = VHRTcs = VHRT

Manteniendo la nomenclatura anterior del estado inicial i; y del estado final o de escape, e, se obtiene que en las transformaciones isentrópicas (ideales) se cumplen las ecuaciones siguientes:Keeping the previous nomenclature of the initial state i; and from the final or escape state, e, it is obtained that in the isentropic (ideal) transformations the following equations are satisfied:

T | { 1 i l ^ — ± M M22) ) = T ,e | 1 H_ —_ 1 M q 22 'T | {1 il ^ - ± M M2 2)) = T, e | 1 H_ —_ 1 M q 2 2 '

2 " l ) e V 22 "l) e V 2

,y/(y-D ( V ~ 1 2 y/(y-D , y / (yD (V ~ 1 2 y / (yD

4) ' i ~~2~ Q ) ) = 4e |1 ““ 2 M) 4) 'i ~~ 2 ~ Q)) = 4e | 1 "" 2 M)

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Figure imgf000013_0002

Con estos precedentes extraídos del estado del arte y del conocimiento general termodinámico, se aborda la descripción de la invención, que requiere consideraciones previas sobre los mecanismos que generan pérdidas, térmicas o mecánicas, fundamentalmente los que proviene de rozamientos, como es la pérdida de carga manométrica, o el incremento de entropía en las máquinas del fluido. With these precedents taken from the state of the art and from general thermodynamic knowledge, the description of the invention is approached, which requires prior considerations on the mechanisms that generate thermal or mechanical losses, fundamentally those that come from friction, such as pressure loss manometric, or the entropy increase in fluid machines.

Además, se recuerda que el sistema térmico del estado de la técnica está formado por los siguientes componentes físicos, concatenados en circuito cerrado, que denominamos circuito principal:Furthermore, it is recalled that the thermal system of the state of the art is made up of the following physical components, concatenated in a closed circuit, which we call the main circuit:

- un compresor, con su plato de álabes y su difusor estático de salida, estando accionado el plato de álabes por un motor eléctrico;- a compressor, with its blade plate and its static outlet diffuser, the blade plate being driven by an electric motor;

- un recuperador de energía mecánica post compresor- a post compressor mechanical energy recuperator

- un intercambiador de calor regenerativo, con ramal de alta presión, que está conectado al recuperador anterior, y que en la forma seleccionada para materializar la invención está constituido por un haz cuadrangular regular de tubos, dentro de una carcasa prismática reforzada; fluyendo el gas a alta presión por dentro de los tubos, y el gas de baja presión por fuera de ellos, dentro de la carcasa;- a regenerative heat exchanger, with a high pressure branch, which is connected to the previous recuperator, and which in the way selected to materialize the invention is constituted by a regular quadrangular bundle of tubes, inside a reinforced prismatic casing; the high pressure gas flowing inside the tubes, and the low pressure gas flowing outside them, inside the shell;

- un foco caliente, que es un intercambiador, en el cual se aporta calor desde un fluido caliente exterior, al fluido de trabajo que se mueve en circuito cerrado, al final de su recorrido a alta presión;- a hot spot, which is an exchanger, in which heat is supplied from an external hot fluid, to the working fluid that moves in a closed circuit, at the end of its high pressure path;

- una turbina de expansión de gas, con dos partes en las que se suceden las dos fases por las que pasa el fluido en la turbina: la corona de toberas para creación de chorros de muy alta velocidad, sin alcanzar la velocidad del sonido; y los álabes cuyo plato de giro está unido a un eje de revolución, que está solidariamente unido a un generador eléctrico;- a gas expansion turbine, with two parts in which the two phases through which the fluid passes in the turbine occur: the crown of nozzles to create very high speed jets, without reaching the speed of sound; and the blades whose turning plate is connected to an axis of revolution, which is jointly connected to an electric generator;

- un recuperador de energía mecánica post turbina;- a post turbine mechanical energy recuperator;

- un foco frío, que consta de un colector de entrada y un intercambiador, en el cual se extrae calor desde el fluido de trabajo, al final de su recorrido a baja presión, a un fluido frío exterior, como puede ser aire de la atmósfera o agua de la hidrosfera, habiendo también un colector de salida del fluido de trabajo enfriado, que conduce a éste hasta la entrada del compresor.- a cold source, consisting of an inlet manifold and an exchanger, in which heat is extracted from the working fluid, at the end of its low pressure path, to a cold outside fluid, such as air from the atmosphere or water from the hydrosphere, also having an outlet collector for the cooled working fluid, which leads to the inlet of the compressor.

Se prescribe que el fluido de trabajo se comporta suficientemente como gas ideal en el dominio termodinámico en el que se va a desplegar el ciclo, entendiendo por esto que los valores reales de las variables de estado, no difieren de los valores de gas ideal en más de un 5 %.It is prescribed that the working fluid behaves sufficiently as an ideal gas in the thermodynamic domain in which the cycle will unfold, meaning that the real values of the state variables do not differ from the ideal gas values by more than 5%.

Como ha sido señalado, hay dos parámetros esenciales en la descripción del ciclo, que son la razón de presiones, r, en cada máquina, compresor y turbina, y el cociente adiabático, y, que es el cociente entre los calores específicos isóbaro e isócoro. Por simplificación de escritura, se empleará el coeficiente p, según ya fue comentadoAs has been pointed out, there are two essential parameters in the description of the cycle, which are the pressure ratio, r, in each machine, compressor and turbine, and the adiabatic quotient, and, which is the quotient between the isobar and isochor specific heats. For simplification of writing, the coefficient p will be used, as already commented

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Figure imgf000015_0001

Se denotará con el rendimiento del compresor, que se mide por el incremento ideal de entalpia en la isentrópica de compresión, dividido por el incremento real, correspondiente a la temperatura real de salida, Tc lo cual puede escribirseIt will be denoted with the compressor performance, which is measured by the ideal enthalpy increase in the compression isentropic, divided by the real increase, corresponding to the real outlet temperature, Tc which can be written

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Figure imgf000015_0002

Con esta denominación, el trabajo específico de compresión real, Wcr se expresa en función del teórico, Wc, siempre medidos en julios por kilogramos, al igual que la entalpía, que siempre es específica, esto es, por unidad de masa, y por tanto expresada en J/kg. Cuando estas magnitudes se multiplican por el flujo másico, en kg/s, se obtiene la potencia correspondiente.With this denomination, the specific real compression work, Wcr is expressed as a function of the theoretical one, Wc, always measured in joules per kilogram, as is the enthalpy, which is always specific, that is, per unit mass, and therefore expressed in J / kg. When these quantities are multiplied by the mass flow, in kg / s, the corresponding power is obtained.

Para el compresor se cumple la expresiónFor the compressor the expression

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Figure imgf000015_0003

Análogamente se define el rendimiento de la turbina, representado por qt, como el decremento real de entalpia, dividido por el decremento ideal, y se expresa en función de la temperatura real a su salida, Tt, respecto de la de entrada en la turbina, TM, y la teórica de salida, r"pTM,Similarly, the turbine performance, represented by qt, is defined as the real decrease in enthalpy, divided by the ideal decrease, and is expressed as a function of the real temperature at its outlet, Tt, with respect to that of the turbine inlet, TM, and the theoretical output, r "pTM,

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Figure imgf000015_0004

El rendimiento del ciclo ideal se definió comoThe ideal cycle performance was defined as

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donde p es el cociente de Carnot, TM/T0.where p is the Carnot quotient, TM / T0.

Si en la definición anterior se sustituyen los trabajos específicos teóricos del compresor y de la turbina, por los realistas, que incluyen los rendimientos de estas máquinas, se obtiene la siguiente expresión If in the previous definition, the theoretical specific tasks of the compressor and the turbine are replaced by the realistic ones, which include the performances of these machines, the following expression is obtained

Wcr r?Wcr r?

£r = 1 - 1¿ L = 1 ---------Wtr PRcRt£ r = 1 - 1¿ L = 1 --------- Wtr PRcRt

En esta expresión no están considerados los otros dos efectos de pérdida de eficiencia: la entalpia no recuperada en la regeneración; y el defecto producido por la pérdida de carga manométrica.In this expression the other two efficiency loss effects are not considered: enthalpy not recovered in regeneration; and the defect produced by the loss of manometric head.

El primero afecta a la totalidad de la ecuación, pues exige incrementar el calor total aportado, QA. Su efecto se contabiliza por tanto en el denominador de la ecuación del rendimiento, según ya fue expresadoThe first affects the entire equation, since it requires increasing the total heat input, QA. Its effect is therefore accounted for in the denominator of the yield equation, as already expressed

1 - WC/WT1 - WC / WT

£ = T T q j w T£ = T T q j w T

Si se denomina d al cociente QA/Wtr, el efecto negativo en el rendimiento realista, £r, se puede expresar comoIf the ratio QA / Wtr is called d, the negative effect on realistic performance, £ r, can be expressed as

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Figure imgf000016_0001

En cuanto a la pérdida de carga manométrica, va a tener como mayor efecto el hecho de que la razón de presiones en el compresor (o razón de compresión) incluido el efecto del recuperador mecánico post compresor a su salida, va a ser mayor que la razón de presiones en la turbina, incluyendo así mismo el efecto del recuperador mecánico post turbina a la salida de la turbina, para que el fluido vaya del compresor a la turbina, y vuelva.As for the manometric head loss, the main effect will be the fact that the pressure ratio in the compressor (or compression ratio), including the effect of the post-compressor mechanical recuperator at its outlet, will be greater than the pressure ratio in the turbine, including the effect of the post-turbine mechanical recuperator at the turbine outlet, so that the fluid goes from the compressor to the turbine, and back.

Si identificamos a las presiones P de los puntos significativos por los subíndices de dichos puntos, se puede igualar la razón de compresión, al producto de los sucesivos cocientes entre puntos sucesivos, tal como circula el fluido por el circuito que materializa el ciclo. Llamando rcr a la razón de presiones en el compresor, más su recuperador, y rtr la misma razón, pero en la turbina, incluyendo su recuperador a la salida, se tieneIf we identify the pressures P of the significant points by the subscripts of these points, the compression ratio can be equated to the product of the successive quotients between successive points, as the fluid circulates through the circuit that materializes the cycle. Calling rcr to the pressure ratio in the compressor, plus its recuperator, and rtr the same ratio, but in the turbine, including its recuperator at the outlet, we have

i p cr i 4 cr 14 M 14 tri p cr i 4 cr 14 M 14 tr

rcr = 4P0 = P ~M4~ PPtr P W0 = Urtrrcr = 4P0 = P ~ M4 ~ PPtr P W0 = Urtr

Donde el parámetro j, mayor que 1, esWhere the parameter j, greater than 1, is

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pcr P tr
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pcr P tr

Pcr, que es la presión a la salida del recuperador del compresor, ha de ser mayor que PM, la presión a la entrada de la turbina, en cantidad tal que equilibre la perdida de carga manométrica en la isóbara alta o superior. Lo mismo cabe decir de la isóbara baja o inferior, desde la salida del recuperador mecánico post turbina (Ptr) a la entrada del compresor (P0). Las pérdidas de carga tienen lugar, sobre todo, en los ramales, de alta y baja presión, del intercambiador regenerativo.Pcr, which is the pressure at the outlet of the compressor recuperator, must be greater than PM, the pressure at the turbine inlet, in such an amount as to balance the loss of manometric head in the high or higher isobar. The same can be said of the low or lower isobar, from the output of the post-turbine mechanical recuperator (Ptr) to the inlet of the compressor (P0). The head losses take place, above all, in the high and low pressure branches of the regenerative exchanger.

De cara a la formulación final del rendimiento realista, se debe tener en cuenta el cocienteFor the final formulation of the realistic performance, the quotient must be taken into account

Wcr T0 { jP r P — 1)Wcr T0 {jP r P - 1)

wtr TMr~P (rp — 1)RcVtwtr TMr ~ P (rp - 1) RcVt

donde r representa ahora la razón de presiones en la turbina, y j es el parámetro especificado, como producto de los cocientes de presiones en cada rama idealmente isobara, siendo el numerador de cada cociente la presión al comienzo de la rama, y siendo el denominador la presión al final de la misma. where r now represents the pressure ratio in the turbine, and j is the specified parameter, as a product of the pressure ratios in each branch, ideally isobar, the numerator of each ratio being the pressure at the beginning of the branch, and the denominator being the pressure at the end of it.

De esto se define el rendimiento equivalente por pérdida de carga manométrica, HjFrom this, the equivalent performance for manometric head loss, Hj

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Figure imgf000017_0001

Lo cual permite expresar definitivamente el rendimiento realista completo, £r , mediante la siguiente ecuaciónWhich allows to express definitively the complete realistic yield, £ r, by means of the following equation

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Figure imgf000017_0002

En la ecuación anterior, y en la que le precede, r representa la razón de presiones en la turbina, y su recuperador, siendo la del compresor jr. In the previous equation, and in the one that precedes it, r represents the pressure ratio in the turbine, and its recuperator, being that of the compressor jr.

De esta última ecuación se deduce que para obtener un rendimiento positivo en el ciclo real, el primer paréntesis ha de ser positivo, y por ende se ha de prescribir que la razón de temperaturas en la turbina (que es igual a r3) ha de ser menor que un determinado coeficiente que resulta de multiplicar el cociente de Carnot por los tres rendimientos termo-mecánicos: compresor, turbina y pérdida de carga manométrica, a lo cual se le puede denominar coeficiente de Carnot modificado:From this last equation it follows that to obtain a positive performance in the real cycle, the first parenthesis must be positive, and therefore it must be prescribed that the temperature ratio in the turbine (which is equal to r3) must be less than a certain coefficient that results from multiplying the Carnot quotient by the three thermo-mechanical performances: compressor, turbine and manometric pressure drop, which can be called modified Carnot coefficient:

r P < fflcVtVj r P <fflcVtVj

También debe existir una cota inferior, que en este caso está referida al segundo paréntesis de la ecuación del rendimiento realista, que se refiere a la otra causa de pérdida de eficiencia, que se da en la no recuperación total del calor de la regeneración. Para ello se define un rendimiento en la regeneración que es:There must also be a lower bound, which in this case refers to the second parenthesis of the realistic performance equation, which refers to the other cause of loss of efficiency, which occurs in the non-total recovery of heat from regeneration. For this, a regeneration performance is defined, which is:

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Figure imgf000018_0001

Tal como se ha establecido la prescripción exigiendo que el gas sea muy cercano a gas ideal, la no recuperación de entalpía en la regeneración, vendrá dada por la diferencia de temperaturas Dt entre el fluido caliente y el frío,As the prescription has been established requiring that the gas be very close to ideal gas, the non-recovery of enthalpy in regeneration will be given by the difference in temperatures Dt between the hot and cold fluid,

= Dt = Dt

é T m ( 1 - r~P )Rté T m ( 1 - r ~ P ) Rt

Y el rendimiento de regeneración quedaAnd the regeneration performance remains

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Figure imgf000018_0002

Por simplificar, se puede denominarFor simplicity, it can be called

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Figure imgf000018_0003

El rendimiento realista se puede formular por tanto, comoRealistic performance can therefore be formulated as

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Figure imgf000018_0004

dondewhere

r r P P - 1- one

RY [ r p - 1 R Y [r p - 1

El desarrollo anterior se resume inmediatamente en un requisito sobre el cociente de Carnot, y por tanto, un requisito sobre la temperatura máxima TM que debe alcanzar el fluido de trabajoThe previous development is immediately summarized in a requirement on the Carnot quotient, and therefore, a requirement on the maximum temperature TM that the working fluid must reach

_ Tm ^ _ Tm ^ RR g g 1one

P = TfT \P = TfT \

TT 0 0 RR g g - - r^ r ^ RR cc RR tt RR jj

Por otro lado, hay una restricción adicional en r, que proviene de la limitación de que la velocidad del fluido no alcance, en ninguna máquina ni conducto, el valor de la velocidad del sonido, pues se produciría el bloqueo sónico, que provocaría limitaciones de flujo e irreversibilidades importantes.On the other hand, there is an additional restriction on r, which comes from the limitation that the velocity of the fluid does not reach, in any machine or conduit, the value speed of sound, as the sonic block would occur, causing flow limitations and significant irreversibilities.

En la turbina, la conversión de energía térmica a mecánica se realiza en dos fases que se llevan a cabo en dos cuerpos diferentes: la tobera (o toberas, dispuestas circularmente) en las cuales el fluido pierde presión y temperatura isentrópicamente (en el ciclo ideal), disminuyendo la presión en un factor r, al tiempo que se acelera enormemente el paso del fluido de trabajo; y el rodete o corona de álabes, donde una parte significativa de la energía cinética del fluido pasa a energía cinética de rotación del eje del rodete, y del generador eléctrico acoplado a él; y en toda esa evolución no puede el fluido superar la velocidad del sonido en ningún punto, pues de alcanzarse el Mach =1, se produciría el bloqueo sónico, que aparte de ralentizar el fluido, provocaría grandes pérdidas energéticas. El paso por las toberas para producir la aceleración del fluido, consumiendo energía térmica, va acompañado de un incremento muy grande del número de Mach, desde Mm, que prácticamente es 0, a MX=1 (en la realidad, algo menor, pero pueden usarse los valores extremos 0 y 1 para la formulación teórica, en la que el subíndice X hace referencia a la salida de la tobera y entrada en el rodete o plato de álabes; del cual sale en condiciones que se denotan con el subíndice E de escape, siguiendo estos procesos las ecuaciones que subsiguen:In the turbine, the conversion of thermal to mechanical energy is carried out in two phases that are carried out in two different bodies: the nozzle (or nozzles, arranged circularly) in which the fluid loses pressure and temperature isentropically (in the ideal cycle ), reducing the pressure by a factor r, while greatly accelerating the flow of the working fluid; and the impeller or crown of blades, where a significant part of the kinetic energy of the fluid passes to kinetic energy of rotation of the impeller shaft, and of the electric generator coupled to it; and in all this evolution, the fluid cannot exceed the speed of sound at any point, because if Mach = 1 is reached, the sonic blockage would occur, which apart from slowing down the fluid, would cause great energy losses. The passage through the nozzles to produce the acceleration of the fluid, consuming thermal energy, is accompanied by a very large increase in the Mach number, from Mm, which is practically 0, to MX = 1 (in reality, somewhat lower, but they can Use the extreme values 0 and 1 for the theoretical formulation, in which the subscript X refers to the outlet of the nozzle and the entrance into the impeller or blade plate; from which it exits under conditions denoted by the exhaust subscript E , following these processes the equations that follow:

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Figure imgf000019_0001

Las relaciones anteriores son fundamentales en este sistema, y particularmente limitan la razón de presiones en una sola etapa, lo cual correspondería a PM/PX, que es función del coeficiente adiabático, y; y se calcula de manera inmediata, que el límite superior de r en una sola etapa, es 2,05 para el Ar; 1,893 para el N2, y 1,825 para el CO2.The previous relationships are fundamental in this system, and they particularly limit the pressure ratio in a single stage, which would correspond to PM / PX, which is a function of the adiabatic coefficient, and ; and it is immediately calculated that the upper limit of r in a single stage is 2.05 for Ar; 1,893 for N2, and 1,825 for CO2.

Para diseñar el dispositivo de acople entre la salida del rodete de la turbina y el ramal de baja presión del intercambiador regenerativo, se usarán los balances ya presentados, que repetimos aquí para facilitar la exposición. En este caso, i representa el escape de la turbina, y en la conexión al intercambiador regenerativoTo design the coupling device between the outlet of the turbine impeller and the low pressure branch of the regenerative exchanger, the balances will be used already presented, which we repeat here to facilitate the exposition. In this case, i represents the turbine exhaust, and in the connection to the regenerative exchanger

- Ecuación de continuidad de gasto, o flujo másico, m’- Flow continuity equation, or mass flow, m '

w ) pjCjS; w e peceSe w) pjCjS; w e p e c e S e

Balance de impulso lineal, o de presionesLinear impulse balance, or pressures

1 1eleven

P 1 M P) cf =Pe + M Pe C P 1 MP) cf = P e + M Pe C

- Balance de energía (por unidad de masa) en condiciones de cuasi gas ideal - Energy balance (per unit mass) in quasi-ideal gas conditions

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- Ecuación de estado del fluido (de gas ideal)- Fluid equation of state (ideal gas)

PP

- = RT- = RT

PP

- Ecuación de la transformación del fluido, en los casos dichos: - Equation of the transformation of the fluid, in the aforementioned cases:

Isentrópica: 4)6)y = PeVj Isentropic: 4) 6) y = PeVj

Las ecuaciones anteriores son esenciales para idear correctamente las especificaciones de funcionamiento.The above equations are essential to correctly devise the performance specifications.

En lo referente a los intercambiadores de calor, y fundamentalmente el regenerativo, su selección de base es que sea de tubos dispuestos en cuadrícula cuadrada, dentro de una carcasa prismática reforzada.With regard to heat exchangers, and fundamentally regenerative, their basic selection is that they be tubes arranged in a square grid, within a reinforced prismatic shell.

La ecuación fundamental es la igualdad de la potencia térmica, según el balance entálpico total de uno cualquiera de los dos fluidos, que en este caso se escoge el que se calienta, y según la ecuación de termo-transferencia, esto es:The fundamental equation is the equality of the thermal power, according to the total enthalpy balance of any one of the two fluids, which in this case the one that is heated is chosen, and according to the thermo-transfer equation, that is:

Q = m'CpAT = UN2nRLST Q = m'CpAT = UN2nRLST

Q= potencia térmica intercambiadaQ = thermal power exchanged

m’= gasto o flujo másicom ’= flow or mass flow

Cp= calor específico a presión constanteCp = specific heat at constant pressure

AT= incremento de temperatura en el calentamiento en el intercambiador AT = temperature increase during heating in the exchanger

U= coeficiente global de transmisión de calor. Para tubos de pared delgada, con el mismo coeficiente de película dentro y fuera, h, el valor de U=h/2 U = global heat transfer coefficient. For thin-walled tubes, with the same film coefficient inside and outside, h, the value of U = h / 2

N= número total de tubos, dispuestos en un haz cuadrangular nxnN = total number of tubes, arranged in a quadrangular bundle nxn

R= radio del tubo (de pared muy delgada, aunque la modificación es elemental si es de pared gruesa)R = radius of the tube (very thin-walled, although the modification is elementary if it is thick-walled)

L= longitud de los tubosL = length of tubes

5T= diferencia de temperatura entre el ramal caliente y el frío en el intercambiador regenerativo, que es prácticamente constante, pues el intercambiador funciona de modo equilibrado (el producto m’Cp es del mismo valor en ambos ramales)5T = temperature difference between the hot and cold branch in the regenerative exchanger, which is practically constant, since the exchanger works in a balanced way (the product m'Cp is the same value in both branches)

Y además hay que señalar que m’ se puede escribir comoAnd also it should be noted that m 'can be written as

m = pcNnR2m = pcNnR2

siendo c la velocidad. En realidad, tanto la velocidad como la densidad variarán a lo largo del calentamiento, pero no así m’, que se mantendrá, en condiciones estacionarias.where c is the speed. In fact, both the speed and the density will vary throughout the heating, but not m ', which will remain, under stationary conditions.

La cuestión esencial ahora es relacionar U con el régimen hidráulico. Caben aquí dos aproximaciones alternativas (cuya validez depende del número de Reynolds).The essential question now is to relate U to the hydraulic regime. Two alternative approximations fit here (whose validity depends on the Reynolds number).

En el régimen laminar, con Reynolds bajos o muy bajos (por debajo de 2000) el número de Nusselt se puede considerar constante, con valor entre 4 y 5 (que dependería de la configuración específica de la transferencia de calor; por lo que puede tomarse un valor medio, 4,5 en esta estimación. El valor del coeficiente de película es por tantoIn the laminar regime, with low or very low Reynolds (below 2000) the Nusselt number can be considered constant, with a value between 4 and 5 (which would depend on the specific configuration of the heat transfer; therefore, it can be taken an average value, 4.5 in this estimate. The value of the film coefficient is therefore

Figure imgf000021_0001
4,5 g
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4.5 g

Introduciendo U=h/2 en la igualdad anterior entre valores de Q, se puede encontrar la ecuación fundamental del factor geométrico (L/R) en este régimen, y utilizando el número de Prandtl además del de Reynolds, se llega aIntroducing U = h / 2 in the previous equality between values of Q, the fundamental equation of the geometric factor (L / R) in this regime can be found, and using the Prandtl number in addition to the Reynolds number, we arrive at

% AT Pr% AT Pr

R = sT4~5ReR = sT4 ~ 5Re

Esta expresión no es una ley física, sino el resultado semi-empírico de aplicar una correlación experimental a un modelo de transmisión de calor, muy comprobado. Los resultados son más fiables cuando el Reynolds está por debajo de 1.000. Por el contrario, al acercarse a 2.000, y entrar en la zona de transición a la turbulencia, la precisión empeora, si bien la tendencia de comportamiento se mantiene.This expression is not a physical law, but the semi-empirical result of applying an experimental correlation to a well-proven model of heat transmission. Results are most reliable when the Reynolds is below 1,000. On the contrary, as you approach 2,000, and enter the transition to turbulence, the precision worsens, although the behavior trend remains.

Para situaciones de turbulencia plenamente desarrollada, con Reynolds por encima de 10.000, se puede utilizar la correlación de Dittus Boelter, muy probada para propósitos generales, y que para gases como aire y N2 (con Prandlt de 0,7 aproximadamente) quedaFor fully developed turbulence situations, with Reynolds above 10,000, the Dittus Boelter correlation, well proven for general purposes, can be used, and for gases such as air and N2 (with Prandlt of about 0.7) it remains

gg

h = 0,02 fíe0'8 —h = 0.02 fie0'8 -

2R2R

siendo k la conductividad del gas. Con esta correlación, se llega a la relación siguiente para el factor de formawhere k is the conductivity of the gas. With this correlation, the following relationship is reached for the form factor

Figure imgf000022_0001
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Las dos ecuaciones dan el mismo valor cuando Re=880; pero eso no significa que por encima de ese valor, la correlación de Dittus Boelter sea mejor, sino que se entra en una zona de transición en la que conviene utilizar su propia correlación, si bien todas emergen de una situación de Nusselt constante, a otra en la que su valor depende de la velocidad del fluido, aunque esa dependencia no alcance nunca la proporcionalidad directa línea, sino con potencias de la velocidad menores que 1.The two equations give the same value when Re = 880; But that does not mean that above this value, the Dittus Boelter correlation is better, but rather that a transition zone is entered in which it is convenient to use its own correlation, although they all emerge from one constant Nusselt situation to another in which its value depends on the speed of the fluid, although this dependence never reaches direct line proportionality, but with powers of the speed lower than 1.

Para un Reynolds de 880, L/R=6.000 aproximadamente, con un valor de 50 en el cociente entre incremento y diferencia de temperaturas. Eso significa que si el radio de los tubos es 0,4 cm; la longitud del tubo será de 24 m.For a Reynolds of 880, L / R = 6,000 approximately, with a value of 50 in the quotient between increase and temperature difference. That means if the radius of the tubes is 0.4 cm; the length of the tube will be 24 m.

Para posibilitar el uso de tubos más cortos, se ha de acudir a régimen laminar de manera más notoria, es decir, con Reynolds del orden de 200 o menos.To make it possible to use shorter tubes, the laminar regime has to be used more notably, that is, with Reynolds on the order of 200 or less.

Nótese que en ningún régimen, sale la longitud dependiente de la potencia total. Esta se reparte entre tantos tubos como haga falta, pero las medidas de cada tubo dependen del modo en que se relaciona la tasa de transferencia de entalpía, con el ritmo de calentamiento o enfriamiento de cada ramal.Note that in no regime, the length depends on the total power. This is distributed among as many tubes as necessary, but the measurements of each tube depend on the way in which the enthalpy transfer rate is related to the rate of heating or cooling of each branch.

Además se ha de tener en cuenta la pérdida de carga manométrica, que se compone de 3 factores:In addition, the manometric pressure drop must be taken into account, which is made up of 3 factors:

- La presión dinámica, % pc2.- The dynamic pressure,% pc2.

- El factor de forma (L/2R) el cual hemos visto que crece al crecer el número de Reynolds. - The form factor (L / 2R) which we have seen grows as the Reynolds number grows.

- El factor adimensional de ajuste, que para el caso laminar puro vale 64/Reynolds; y para el turbulento se puede ajustar por la aproximación general de Blausius, que es 0,32/Re0,25.- The dimensionless adjustment factor, which for the pure laminar case is 64 / Reynolds; and for turbulent it can be adjusted by the general Blausius approximation, which is 0.32 / Re0.25.

Lo anterior es válido cuando se trabaja con presiones bajas o moderadas, por exigencias del compresor y la turbina, como es en la invención presentada, en la que la presión de la isóbara baja es del orden de la atmosférica, si bien dichas máquinas se pueden usar a presiones superiores, siempre que lo soporten mecánicamente tanto sus partes fijas, como las rotativas.The foregoing is valid when working with low or moderate pressures, due to the demands of the compressor and the turbine, as in the invention presented, in which the pressure of the low isobar is of the order of atmospheric, although said machines can use at higher pressures, as long as it is mechanically supported by both its fixed and rotating parts.

El mayor inconveniente de los flujos laminares horizontales es que son susceptibles de desarrollar estratificación de temperatura, lo cual redunda en empeoramiento de prestaciones en el intercambio de calor; lo cual se aborda en la propuesta de invención.The biggest drawback of horizontal laminar flows is that they are susceptible to developing temperature stratification, which results in a deterioration in heat exchange performance; which is addressed in the invention proposal.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓNEXPLANATION OF THE INVENTION

La invención consiste en un sistema que corresponde a un montaje del circuito cerrado del fluido de trabajo, que, en una primera realización incluye dos dispositivos novedosos para recuperación de la energía mecánica del fluido, que se acoplan, uno, en el escape de la turbina y se denomina recuperador de energía mecánica post turbina; y, el otro, en el escape del compresor, que se denomina recuperador de energía mecánica post compresor; entrando, a través de este dispositivo, el flujo procedente del compresor, en el ramal de alta presión del intercambiador del foco frio, con una velocidad que hace que el flujo sea laminar dentro de dicho ramal, tomando como velocidad de referencia 0,7 m/s; y entrando el flujo procedente de la turbina en el ramal de baja presión, con una velocidad que hace que el flujo sea laminar dentro de dicho ramal, tomando como velocidad de referencia 1 m/s; consistiendo cada dispositivo en una conducción de sección recta creciente, que va desde la salida de la correspondiente máquina, compresor o turbina, al colector de admisión del correspondiente ramal del intercambiador regenerativo; siendo la sección recta de paso de fluido no sólo un elemento de control para inducir mayor o menor velocidad a la circulación del fluido, sino para hacer efectiva la recuperación de la energía mecánica, transformando la presión dinámica en presión estática, y la energía cinética en entalpía.The invention consists of a system that corresponds to an assembly of the closed circuit of the working fluid, which, in a first embodiment includes two novel devices for recovering the mechanical energy of the fluid, which are coupled, one, in the exhaust of the turbine and it is called a post turbine mechanical energy recuperator; and, the other, in the compressor exhaust, which is called post-compressor mechanical energy recuperator; entering, through this device, the flow from the compressor, into the high pressure branch of the cold source exchanger, with a speed that makes the flow laminar within said branch, taking 0.7 m as a reference speed / s; and entering the flow from the turbine into the low pressure branch, with a speed that makes the flow laminar within said branch, taking 1 m / s as a reference speed; each device consisting of a pipe with an increasing straight section, which goes from the outlet of the corresponding machine, compressor or turbine, to the intake manifold of the corresponding branch of the regenerative exchanger; being the straight section of fluid passage not only a control element to induce greater or lesser speed to the circulation of the fluid, but also to make the recovery of mechanical energy effective, transforming dynamic pressure into static pressure, and kinetic energy into enthalpy.

En definitiva el sistema comprende los siguientes componentes físicos, concatenados en circuito cerrado que se denomina circuito principal: Ultimately, the system comprises the following physical components, concatenated in a closed circuit called the main circuit:

- un compresor centrífugo, dotado de un plato de álabes y de un difusor estático de salida, estando accionado el plato de álabes por un motor eléctrico;- a centrifugal compressor, equipped with a blade plate and a static outlet diffuser, the blade plate being driven by an electric motor;

- un recuperador de energía mecánica post compresor, con forma de bocina; que convierte la energía cinética excedente, en energía de presión estática- a post-compressor mechanical energy recuperator, shaped like a horn; which converts surplus kinetic energy into static pressure energy

- un intercambiador de calor regenerativo, con ramal de alta presión, que está conectado al recuperador de energía mecánica anterior; - un foco caliente, que es un intercambiador, en el cual se aporta calor desde un fluido caliente exterior, al fluido de trabajo que se mueve en circuito cerrado, al final de su recorrido a alta presión;- a regenerative heat exchanger, with a high pressure branch, which is connected to the previous mechanical energy recuperator; - a hot spot, which is an exchanger, in which heat is supplied from an external hot fluid, to the working fluid that moves in a closed circuit, at the end of its high pressure path;

- una turbina de expansión de gas centrípeta, con dos sub-etapas: una corona de toberas para creación de chorros de muy alta velocidad, sin alcanzar la velocidad del sonido; y un rodete de álabes, cuyo armazón de giro está unido a un eje de revolución, que está solidariamente unido a un generador eléctrico;- a centripetal gas expansion turbine, with two sub-stages: a crown of nozzles for creating very high speed jets, without reaching the speed of sound; and an impeller of blades, whose rotating frame is attached to an axis of revolution, which is integrally attached to an electric generator;

- un recuperador de energía mecánica post turbina, con forma de bocina, cuyo extremo de menor sección está unido al escape de la turbina; estando su otro extremo unido a la carcasa del intercambiador regenerativo;- a post-turbine mechanical energy recuperator, shaped like a horn, the end of which is smaller in section is connected to the turbine exhaust; its other end being attached to the casing of the regenerative exchanger;

- un foco frío, que es un intercambiador, en el cual se extrae calor desde el fluido de trabajo, al final de su recorrido a baja presión, a un fluido frío exterior, seleccionado entre aire de la atmósfera y agua de la hidrosfera;- a cold source, which is an exchanger, in which heat is extracted from the working fluid, at the end of its low pressure path, to a cold outside fluid, selected from air from the atmosphere and water from the hydrosphere;

Además la invención se refiere a un procedimiento de generación de electricidad mediante el sistema térmico, cuyo circuito cerrado está configurado para funcionar según las siguientes fases termodinámicas: Furthermore, the invention refers to a method of generating electricity by means of the thermal system, the closed circuit of which is configured to operate according to the following thermodynamic phases:

- aceleración isóbara del gas mediante el plato de álabes rotatorios del compresor centrífugo, movidos por el eje accionado por el motor eléctrico, con multiplicador de velocidad en caso de desajuste de giro con las prestaciones de origen;- isobar acceleration of the gas by means of the rotating blade plate of the centrifugal compressor, driven by the shaft driven by the electric motor, with a speed multiplier in the event of rotation mismatch with the original performance;

- deceleración del gas centrifugado, a su paso por el difusor del compresor, pasando presión dinámica a estática, a lo largo de una isentrópica, que en la realidad, por irreversibilidades, estará inclinada hacia incremento de entropía, antes de su evacuación desde el difusor del compresor;- deceleration of the centrifuged gas, as it passes through the compressor diffuser, changing dynamic pressure to static, along an isentropic, which in reality, due to irreversibilities, will be inclined towards an increase in entropy, before its evacuation from the compressor diffuser;

- deceleración isentrópica, realizada en un recuperador mecánico post compresor con forma de bocina de conexión entre la evacuación desde el difusor del compresor, y el ramal de alta presión del intercambiador regenerativo, siendo en esta bocina donde se efectúa la recuperación mecánica, con fuerte incremento de la presión estática y donde se amolda al flujo a adquirir régimen laminar; - calentamiento isobaro del fluido que circula por el ramal de alta presión del intercambiador de calor regenerativo; hasta alcanzar una temperatura que es Dt grados más baja que la temperatura de salida de un recuperador de energía mecánica post turbina previsto a la salida de la turbina;- isentropic deceleration, carried out in a post-compressor mechanical recuperator in the shape of a horn connecting the evacuation from the compressor diffuser, and the high pressure branch of the regenerative exchanger, being in this horn where mechanical recovery is carried out, with a strong increase of the static pressure and where it adapts to the flow to acquire laminar regime; - isobar heating of the fluid flowing through the high pressure branch of the regenerative heat exchanger; until reaching a temperature that is Dt degrees lower than the outlet temperature of a post-turbine mechanical energy recuperator provided at the turbine outlet;

- calentamiento isobaro hasta la más alta temperatura del ciclo, proviniendo el calor de una fuente externa;- isobar heating up to the highest temperature of the cycle, the heat coming from an external source;

- aceleración isentrópica del fluido emergente del calentamiento en el foco caliente; mediante las toberas de entrada en la turbina centrípeta, siempre en régimen subsónico, y con Mach cercano a 1 en las partes de mayor velocidad;- isentropic acceleration of the fluid emerging from heating in the hot spot; through the inlet nozzles in the centripetal turbine, always in subsonic regime, and with Mach close to 1 in the higher speed parts;

- deceleración isóbara en el rodete de la turbina de expansión, con transferencia de energía mecánica a su eje que está conectado mecánicamente con el generador eléctrico;- isobar deceleration in the impeller of the expansion turbine, with transfer of mechanical energy to its shaft which is mechanically connected to the electric generator;

- deceleración isentrópica en el dispositivo de recuperación de energía mecánica post turbina, cuya bocina conecta la salida de la turbina con el ramal de baja presión del intercambiador regenerativo;- isentropic deceleration in the post-turbine mechanical energy recovery device, the horn of which connects the turbine outlet with the low-pressure branch of the regenerative exchanger;

- enfriamiento isobárico en el ramal de baja presión del intercambiador regenerativo;- isobaric cooling in the low pressure branch of the regenerative exchanger;

- enfriamiento isobárico en el foco frío, que comprende un intercambiador de calor, donde el fluido frío, que refrigera al fluido de trabajo, proviene del medio ambiente.- isobaric cooling in the cold source, which comprises a heat exchanger, where the cold fluid, which cools the working fluid, comes from the environment.

Para hacer comprensible la física de esta innovación, es necesario exponer la dependencia del rendimiento global del sistema, respecto de las características de cada una de las fases del ciclo; incluyendo, cuando sea necesario, la subdivisión de alguna fase en dos sub-fases o etapas, para mejor evidenciar los beneficios obtenidos con la innovación fundamental, expuesta en lo precedente.To make the physics of this innovation understandable, it is necessary to expose the dependence of the overall performance of the system, with respect to the characteristics of each of the phases of the cycle; including, when necessary, the subdivision of some phase into two sub-phases or stages, for the better demonstrate the benefits obtained with the fundamental innovation, exposed in the foregoing.

Como complemento de la innovación, se prescribe que el fluido de trabajo se comporte suficientemente como gas ideal en el dominio termodinámico en el que se va a desplegar el ciclo; y eso se concreta con exigir que el factor logarítmico de dilatación isóbara, f, sea menor que la unidad a lo largo de todo el ciclo, siendo suficiente la comprobación de esta exigencia en el punto a la salida del compresor.As a complement to the innovation, it is prescribed that the working fluid behaves sufficiently as an ideal gas in the thermodynamic domain in which the cycle is going to unfold; and that is specified by requiring that the logarithmic isobar expansion factor, f, be less than unity throughout the entire cycle, the verification of this requirement at the point at the compressor outlet being sufficient.

Tal y como ya fue expuesto, el rendimiento realista se puede formular por tanto, comoAs already stated, realistic performance can therefore be formulated as

Figure imgf000026_0001
Figure imgf000026_0001

dondewhere

r P — 1r P - 1

Figure imgf000026_0002
[ r p — 1
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[rp - 1

Es imprescindible limitar por abajo el valor del rendimiento de regeneración, ry, por depender sr linealmente de él. Si denotamos con r a dicho límite de , que no será inferior a 0,50 para no dejar la instalación arruinada energéticamente, se podrá encontrar la cota inferior que se buscaba para la razón de presiones, r, o la razón isentrópica de temperaturas, rp.It must be limited below the value of the performance of regeneration, r, and it linearly dependent sr. If we denote with ra this limit of, which will not be less than 0.50 so as not to leave the installation energy ruined, the lower bound that was sought for the pressure ratio, r, or the isentropic temperature ratio, rp, can be found.

Se puede escribirIt can be written

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Figure imgf000026_0003

De la cual puede obtenerse el requisito de valor mínimo de la razón de presionesFrom which the minimum value requirement of the pressure ratio can be obtained

Figure imgf000026_0004
Figure imgf000026_0004

Asimismo se obtiene un requisito para el parámetro 9 (que es mayor que 1)Likewise, a requirement is obtained for parameter 9 (which is greater than 1)

1one

[ < r[<r

Cuanto mejor se desee que sea el sistema térmico, mayor r se seleccionará, y menor resultará 9 (pero siempre por encima de 1). Para cumplir esa exigencia, o se disminuye la diferencia de temperaturas entre las corrientes del intercambio de calor regenerativo (por debajo de 20, que es la referencia) o se aumenta el producto Tm Rt- The better you want the thermal system to be, the higher r will be selected, and the lower will be 9 (but always above 1). To meet this requirement, the temperature difference between the exchange currents is reduced regenerative heat (below 20, which is the reference) or the product Tm Rt-

Si en vez de la referencia de 20 K, usamos Dt para denotar la diferencia de temperaturas entre las dos corrientes en el intercambiador regenerativo, la última restricción puede escribirse con generalidad comoIf instead of the 20 K reference, we use Dt to denote the temperature difference between the two streams in the regenerative exchanger, the last restriction can be written generally as

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Figure imgf000027_0001

El análisis paramétrico que fundamenta la especificación del ciclo de este sistema térmico, se debe emplear también para acotar o establecer prescripciones a los valores relevantes, fundamentalmente el cociente de Carnot, p.The parametric analysis that bases the specification of the cycle of this thermal system must also be used to limit or establish prescriptions to the relevant values, fundamentally the Carnot quotient, p.

De la ecuación del rendimiento realista del sistema, se puede escribirFrom the realistic performance equation of the system, you can write

Figure imgf000027_0002
Figure imgf000027_0002

Y como la razón de presiones, r, debe ser superior a la unidad, se tiene, para el cociente (modificado) de CarnotAnd since the pressure ratio, r, must be greater than unity, we have, for the (modified) Carnot quotient

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Figure imgf000027_0003

Que se transforma inmediatamente en un requisito sobre el cociente de Carnot, y por tanto, un requisito sobre la temperatura máxima TM que debe alcanzar el fluido de trabajoWhich immediately becomes a requirement on the Carnot quotient, and therefore, a requirement on the maximum temperature TM that the working fluid must reach

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Esta especificación sobre las temperaturas máxima y mínima que alcanza el fluido de trabajo, complementa a la acotación sobre la razón de presiones en la turbina, que en conjunto esThis specification on the maximum and minimum temperatures reached by the working fluid, complements the limitation on the pressure ratio in the turbine, which together is

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Figure imgf000027_0005

siendo r el valor mínimo tolerable en el rendimiento de la regeneración, y por tanto un índice de referencia de la calidad técnica exigida, que debe ser mayor que 0,5 y menor que 1; y en la invención, como valor de referencia se toma 0,98, por compromiso entre los grandes volúmenes que se necesitan cuando este parámetro tiende asintóticamente a 1, y la mejoría que experimentan las prestaciones del sistema, cuando va acercándose ese valor a 1.where r is the minimum tolerable value for regeneration performance, and therefore a reference index of the required technical quality, which must be greater than 0.5 and less than 1; and in the invention, 0.98 is taken as a reference value, due to a compromise between the large volumes that are needed when this parameter tends asymptotically to 1, and the improvement experienced by the system's performance, when that value approaches 1.

Lo anterior pone en evidencia que la razón de presiones, r, está acotada a valores muy bajos. Téngase en cuenta que un número de Carnot, p, muy alto es 4 (en el caso de un foco frío a 300 K, y un foco caliente que lleve al fluido hasta 1.200 K); pero se le han de afectar los 3 rendimientos dichos, de turbina, compresor y pérdida de carga; y asumiendo un rendimiento para cada uno de ellos, de 0,85; 0,85; y 0,99; el resultado es que p queda reducido a 2,86. Si se desea tener un rendimiento del ciclo (sin contar la regeneración) del orden del 50%, el valor de r3 debe ser la mitad del último valor de p, es decir, 1,43. Si se utiliza como gas un diatómico, como se está suponiendo en algunos ejemplos, se encuentra que el valor de la razón de presiones es de 1,89. Si sobrepasa de este valor, el rendimiento del ciclo decae. Si se reduce este valor de r, aumenta el rendimiento.The above shows that the pressure ratio, r, is limited to very low values. Take into account that a very high Carnot number, p, is 4 (in the case of a cold focus at 300 K, and a hot focus that takes the fluid up to 1,200 K); but the 3 above mentioned performances, turbine, compressor and loss of load must be affected; and assuming a yield for each one of them, of 0.85; 0.85; and 0.99; the result is that p is reduced to 2.86. If it is desired to have a cycle performance (not counting regeneration) of the order of 50%, the value of r3 must be half of the last value of p, that is, 1.43. If a diatomic is used as the gas, as is being assumed in some examples, the value of the pressure ratio is found to be 1.89. If it exceeds this value, the cycle performance declines. Lowering this value of r increases performance.

No obstante, no se puede reducir indefinidamente ese valor, porque tal como se indica en la última ecuación, el rendimiento de regeneración depende fuertemente de r, y baja cuando baja éste, y de ahí que se constituya la cota inferior de r3. However, this value cannot be reduced indefinitely, because as indicated in the last equation, the regeneration performance depends strongly on r, and decreases when it falls, and hence the lower bound of r3 is constituted .

Por otro lado, hay un restricción adicional en r, que proviene de la limitación de que la velocidad del fluido no alcance, en ninguna máquina ni conducto, el valor de la velocidad del sonido, pues se produciría el bloqueo sónico, que provocaría limitaciones de flujo e irreversibilidades importantes; lo cual se verá en el apartado de Materialización de la Invención.On the other hand, there is an additional restriction in r , which comes from the limitation that the speed of the fluid does not reach, in any machine or conduit, the value of the speed of sound, since the sonic block would occur, which would cause limitations of significant flow and irreversibilities; which will be seen in the Materialization of the Invention section.

Esta acotación tan estrecha, impuesta al analizar las prescripciones que deben cumplir los parámetros de definición del ciclo, para obtener un buen rendimiento, supone aparentemente un revés para esta idea. Pero dicho revés será superado por un análisis más a fondo, evidenciando las diversas características que se van a aprovechar en las innovaciones; y en particular, la recuperación de la energía mecánica.This narrow constraint, imposed when analyzing the prescriptions that the cycle definition parameters must meet in order to obtain good performance, apparently represents a setback for this idea. But this setback will be overcome by a more in-depth analysis, showing the various characteristics that will be used in the innovations; and in particular, the recovery of mechanical energy.

Para iniciar este análisis ampliado, es preciso recordar que en los rendimientos de máquinas térmicas, tal como se miden o ensayan, existen dos formas de pérdidas energéticas que se deben considerar adecuadamente y por separado, aunque en las especificaciones de catálogo de estas máquinas, los rendimientos dados son en general conjuntos, es decir, tal como se han presentado en la explicación anterior. Pero una adecuada explicación de la invención requiere diferenciar entre dos tipos de pérdidas, en una máquina de este tipo;To begin this extended analysis, it must be remembered that in the performance of thermal machines, as measured or tested, there are two forms of energy losses that must be considered properly and separately, although in the catalog specifications of these machines, the The given returns are generally joint, that is, as they have been presented in the explanation above. But an adequate explanation of the invention requires differentiating between two types of losses, in a machine of this type;

- Las pérdidas térmicas en cualquier parte de la máquina, por rozamiento entre partes de la misma que llevan diferente velocidad. Estas pérdidas no son recuperables de ninguna manera, aunque se pueden reducir, tecnológicamente, mediante un buen sistema de lubricación. En una máquina bien diseñada y bien probada, este rendimiento debe ser superior a 0,95.- Thermal losses in any part of the machine, due to friction between parts of it that have different speeds. These losses are not recoverable in any way, although they can be reduced, technologically, through a good lubrication system. On a well-designed and well-tested machine, this performance should be greater than 0.95.

- Las pérdidas cinéticas en el escape, pues es imposible transferir toda la energía cinética del fluido, al eje de la máquina rotativa. Esta energía, por unidad de tiempo, puede ser el 15 o el 20% de la potencia térmica del fluido de trabajo. Para una turbina ensayada aislada, o insertada en un ciclo combinado, el rendimiento que se mide incluye el efecto de estas pérdidas cinéticas. Para la invención, es absolutamente esencial darles un tratamiento diferenciado de las anteriores, lo cual plantea la raíz de esta parte sustancial de la invención, que es el recuperador de energía mecánica a la salida del compresor; y el mismo dispositivo a la salida de la turbina. Este último dispositivo tiene su boca de salida en el comienzo del ramal de baja presión del intercambiador regenerativo. En cuanto al dispositivo a la salida del compresor, conecta éste con la entrada del ramal de alta presión, de dicho intercambiador regenerativo.- The kinetic losses in the exhaust, since it is impossible to transfer all the kinetic energy of the fluid to the axis of the rotating machine. This energy, per unit of time, can be 15 or 20% of the thermal power of the working fluid. For a turbine tested isolated, or inserted in a combined cycle, the performance that is measured includes the effect of these kinetic losses. For the invention, it is absolutely essential to give them a differentiated treatment from the previous ones, which raises the root of this substantial part of the invention, which is the mechanical energy recuperator at the compressor outlet; and the same device at the outlet of the turbine. This last device has its outlet at the beginning of the low pressure branch of the regenerative exchanger. As for the device at the compressor outlet, it connects it with the inlet of the high pressure branch of said regenerative exchanger.

Tal y como ya fue descrito, en el caso de la turbina, la conversión de energía térmica a mecánica se realiza, como es conocido, en dos fases que se llevan a cabo en dos cuerpos diferentes, que conducen sucesivamente el fluido: la tobera (o toberas, dispuestas circularmente) en las cuales el fluido pierde presión y temperatura isentrópicamente (en el ciclo ideal), disminuyendo la presión en un factor r, al tiempo que se acelera enormemente el paso del fluido de trabajo; y el rodete de álabes, donde una parte significativa de la energía cinética del fluido pasa a energía cinética de rotación del eje del rodete, y del generador eléctrico acoplado a él; y en toda esa evolución no puede el fluido superar la velocidad del sonido en ningún punto, pues de alcanzarse el Mach =1, se produciría el bloqueo sónico, que aparte de ralentizar el fluido, provocaría grandes pérdidas energéticas. El paso por las toberas para producir la aceleración del fluido, consumiendo energía térmica, va acompañado de un incremento muy grande del número de Mach, desde Mm, que prácticamente es 0, a MX=1 (en la realidad, algo menor, pero pueden usarse los valores extremos 0 y 1 para la formulación teórica, en la que el subíndice X hace referencia a la salida de la tobera y entrada en el rodete; del cual sale en condiciones que se denotan con el subíndice E de escape, siguiendo estos procesos las ecuaciones que subsiguen:As already described, in the case of the turbine, the conversion of thermal to mechanical energy is carried out, as is known, in two phases that are carried out in two different bodies, which successively conduct the fluid: the nozzle ( or nozzles, arranged circularly) in which the fluid loses pressure and temperature isentropically (in the ideal cycle), reducing the pressure by a factor r, while greatly accelerating the passage of the working fluid; and the impeller of blades, where a significant part of the kinetic energy of the fluid passes to kinetic energy of rotation of the axis of the impeller, and of the electrical generator coupled to it; and in all this evolution, the fluid cannot exceed the speed of sound at any point, because if Mach = 1 is reached, the sonic blockage would occur, which apart from slowing down the fluid, would cause great energy losses. The passage through the nozzles to produce the acceleration of the fluid, consuming thermal energy, is accompanied by a very large increase in the Mach number, from Mm, which is practically 0, to MX = 1 (in reality, somewhat lower, but the extreme values 0 and 1 can be used for the theoretical formulation, in which the subscript X refers to the output of the nozzle and entry into the impeller; from which it exits under conditions denoted by the exhaust subscript E, following these processes the equations that follow:

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Figure imgf000030_0001

Las relaciones anteriores son fundamentales en esta invención, y particularmente limitan la razón de presiones en una sola etapa, lo cual correspondería a PM/PX, que es función del coeficiente adiabático, y; y se calcula de manera inmediata que el límite superior de r en una sola etapa, es 2,05 para el Ar; 1,893 para el N2, y 1,825 para el CO2.The above relationships are fundamental in this invention, and they particularly limit the pressure ratio in a single stage, which would correspond to PM / PX, which is a function of the adiabatic coefficient, and; and it is immediately calculated that the upper limit of r in a single stage is 2.05 for Ar; 1,893 for N2, and 1,825 for CO2.

Lógicamente la velocidad en el punto denotado con X sería prácticamente la sónica:Logically, the speed at the point denoted by X would be practically the sonic:

Kx — csx — p yPTXKx - csx - p yPTX

La temperatura del punto intermedio, X, será en realidad más alta que la TX dada por la primera de las ecuaciones de este grupo, debido a las pérdidas térmicas en la tobera, caracterizadas por un rendimiento £txt que será muy cercano a 1, pues las toberas tienen un conformado suave para ir adaptando la sección recta de paso a las condiciones del fluido, especialmente medidas a través de la densidad, evitando que la aceleración del fluido se separe de la ideal. La temperatura real TXr seráThe temperature of the intermediate point, X, will actually be higher than the TX given by the first of the equations of this group, due to the thermal losses in the nozzle, characterized by a performance £ txt that will be very close to 1, since the nozzles have a smooth shaping to adapt the straight section of the passage to the fluid conditions, especially measured through density, preventing the acceleration of the fluid from separating from the ideal. The actual temperature TXr will be

TXr — TM ~ £tx t(TM ~ TX)TXr - TM ~ £ tx t (TM ~ TX)

Lo cual significa que el número de Mach será algo inferior a 1, y se puede aproximar porWhich means that the Mach number will be somewhat less than 1, and can be approximated by

QXr — VTXTTXr QXr - VTXTTXr

En la salida del rodete de la turbina, la velocidad no puede ser nula (ni muy pequeña) pues precisamente ha de estar conmensurada con el triángulo interior de velocidades, radial, tangencial y de arrastre, para evacuar adecuadamente al fluido.At the outlet of the turbine impeller, the speed cannot be zero (or very small) as it must precisely be commensurate with the inner triangle of speeds, radial, tangential and drag, to adequately evacuate the fluid.

La velocidad de escape cE está pues ligada con el rendimiento mecánico del rodete, £rm, puesThe escape velocity cE is therefore related to the mechanical performance of the impeller, £ rm, since

kE (1 ^rm)KXrkE (1 ^ rm) KXr

Esta velocidad se debe modificar a la baja por las pérdidas térmicas en el rodete, que se caracterizarían por el complementario del rendimiento isóbaro del rodete, £rtt (en esto estamos admitiendo que la turbina es 100% de acción, y toda la conversión de energía térmica a energía cinética se realiza en las toberas, y el rodete es isóbaro; pero podría ser parcialmente de reacción, en las cuales dicha conversión se realiza en parte en el propio rodete; aunque la explicación requiere un algebra más compleja, pero que no ayuda a la explicación de la invención en sí). En cuanto a la velocidad real, cEr , esta cumpleThis speed must be modified downwards by the thermal losses in the impeller, which would be characterized by the complement of the isobaric efficiency of the impeller, £ rtt (in this we are admitting that the turbine is 100% action, and all the energy conversion Thermal to kinetic energy is carried out in the nozzles, and the impeller is isobarous; but it could be partially reactive, in which said conversion is carried out in part in the impeller itself; although the explanation requires a more complex algebra, but that does not help to the explanation of the invention itself). As for the real speed, cEr, it complies

KEr = £rttcEKEr = £ rttcE

Es importante que la velocidad cE sea la que mejores resultados produce en la conversión de energía cinética del fluido a energía cinética de rotación del eje, y cuanto éste arrastra; pero téngase en cuenta que en todos los montajes de ciclo abierto, la energía cinética del fluido en el escape es una pérdida.It is important that the speed cE is the one that produces the best results in the conversion of kinetic energy of the fluid to kinetic energy of rotation of the shaft, and how much it drags; but note that in all open cycle assemblies, the kinetic energy of the fluid in the exhaust is a loss.

En el montaje de la innovación aquí presentada, esa pérdida no es tal, pues se recupera en forma de presión estática y entalpía, lo que hace que la presión de entrada al compresor, una vez circulado el fluido por el ramal de baja presión del intercambiador regenerativo, y del foco frío, sea más alta que la requerida, si no se recuperara esa energía mecánica, como se explica más adelante. Así pues, el trabajo específico hecho por el compresor para alcanzar una determinada presión estática de salida, será menor que el originalmente planteado, cuando la energía cinética del escape se consideraba una pérdida (y lo era, pues no se aprovechaba).In the assembly of the innovation presented here, this loss is not such, since it is recovered in the form of static pressure and enthalpy, which causes the inlet pressure to the compressor, once the fluid has circulated through the low pressure branch of the exchanger regenerative, and cold focus, is higher than required, if that mechanical energy is not recovered, as explained later. Thus, the specific work done by the compressor to reach a certain static outlet pressure will be less than originally proposed, when the kinetic energy of the exhaust was considered a loss (and it was, since it was not used).

Para diseñar el dispositivo de acople entre la salida del rodete de la turbina y el ramal de baja presión del intercambiador regenerativo, se usarán los balances ya presentados, que repetimos aquí para facilitar la exposición. En este caso, i representa el escape de la turbina, y e la conexión al intercambiador regenerativo.To design the coupling device between the outlet of the turbine impeller and the low pressure branch of the regenerative exchanger, the balances already presented will be used, which we repeat here to facilitate the exposition. In this case, i represents the turbine exhaust, and e the connection to the regenerative exchanger.

- Ecuación de continuidad de gasto, o flujo másico, m’- Flow continuity equation, or mass flow, m '

w ) pjCjS; w e peceSew) pjCjS; w e fish

Balance de impulso lineal, o de presionesLinear impulse balance, or pressures

1 1eleven

4) 1 M P) cf = P e M Pe C4) 1 M P) cf = P e M Pe C

- Balance de energía (por unidad de masa) en condiciones de cuasi gas ideal - Energy balance (per unit mass) in quasi-ideal gas conditions

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Figure imgf000032_0001

- Ecuación de estado del fluido (de gas ideal; si acaso con una corrección menor, a través de z- Equation of state of the fluid (ideal gas; if anything with a minor correction, through z

44

- = zRT- = zRT

PP

- Ecuación de la transformación del fluido, contando esencialmente con las dos ya dichas:- Equation of the transformation of the fluid, essentially counting on the two already mentioned:

Isentrópica: 4)6)y = 4e6eyIsentropic: 4) 6) y = 4e6ey

Téngase en cuenta que T¡=TEr y Te será la que corresponda al proceso de ralentización que se produce en el dispositivo de acoplamiento, en el cual la sección recta del conducto se va expandiendo hasta conseguir su objetivo, expresado en ce= 1 m/s. Take into account that T¡ = TEr and Te will be the one that corresponds to the slowdown process that occurs in the coupling device, in which the straight section of the duct expands until it achieves its objective, expressed in ce = 1 m / s.

Este último dato es consecuencia de la innovación de operar el intercambiador regenerativo en régimen laminar, que va a proporcionar una solución que ocupa más volumen que el de las opciones turbulentas, aunque aportará dos grandes ventajas, que son una muy baja presión dinámica y una relación más baja que la turbulenta, entre la longitud de los tubos del intercambiador, y su diámetro. Eso hace que la pérdida de carga de la opción laminar sea muy pequeña, y por tanto el índice j prácticamente 1, siendoThis last piece of information is the consequence of the innovation of operating the regenerative exchanger in a laminar regime, which will provide a solution that occupies more volume than the turbulent options, although it will provide two great advantages, which are a very low dynamic pressure and a lower than turbulent, between the length of the exchanger tubes, and their diameter. This means that the pressure drop of the laminar option is very small, and therefore the index j is practically 1, being

■ = _4l 4l■ = _4l 4l

J 4m 40J 4m 40

siendo Pc la presión a la salida del compresor, PM la presión a la entrada de la turbina, Pt la salida de la turbina, y P0 a la entrada del compresor, y por tanto el rendimiento equivalente por pérdida de carga manométrica, r es también muy cercano a 1.where Pc is the pressure at the compressor outlet, PM the pressure at the turbine inlet, Pt the turbine outlet, and P0 at the compressor inlet, and therefore the equivalent performance for gage pressure drop, r is also very close to 1.

Definida esa condición final del dispositivo de acoplamiento turbinaintercambiador regenerativo, y conocidas las condiciones completas de salida del rodete de la turbina, TEry cEr, quedan fijadas las condiciones de salida del dispositivo acoplador. En particularOnce this final condition of the regenerative turbine-exchanger coupling device is defined, and the complete output conditions of the turbine impeller, TEry cEr, known, the output conditions of the coupling device are set. In particular

CpTEr - c Er = CpTe - 1CpTEr - c Er = CpTe - 1

de lo cual se obtiene Te y por ende se pueden calcular MEry Me, lo que facilita la determinación de los demás valores, Pe y pe, mediantefrom which Te is obtained and therefore M Ery Me can be calculated , which facilitates the determination of the other values, Pe and pe, by means of

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Figure imgf000033_0001

i /(y- i ) . i /(y-Di / (y- i). i / (y-D

J l r ( 1 H—- MEr = Pe ( 1 y— - M iJ l r (1 H—- MEr = Pe (1 y— - M i

La cuestión fundamental es ir acomodando la sección recta de paso, S, desde la inicial SE a la final, Se. The fundamental question is to accommodate the straight section of passage, S, from the initial SE to the final, Se.

pErcEr^E ^ e pê epErcEr ^ E ^ e pê e

Nótese que ya se ha utilizado que la velocidad de entrada ce en el intercambiador, es igual a 1 m/s. De esta ecuación se obtiene Se, a partir de la cual se diseña el dispositivo de la invención.Note that it has already been used that the inlet velocity ce in the exchanger is equal to 1 m / s. Se is obtained from this equation, from which the device of the invention is designed.

Dicho dispositivo consiste en una bocina que parte de una boca pequeña, y multiplica el área de su sección recta por un factor algo inferior a la razón de velocidades entre la entrada en el dispositivo, y la salida, que como referencia se ha fijado en 1 m/s. Un ejemplo numérico se da en el apartado de materialización de la invención.Said device consists of a horn that starts from a small mouth, and multiplies the area of its straight section by a factor somewhat lower than the speed ratio between the input to the device and the output, which as a reference has been set at 1 m / s. A numerical example is given in the embodiment of the invention section.

La longitud del dispositivo está relacionada con la deceleración que se establece, para ir convirtiendo la presión dinámica en estática. Dicha deceleración corresponde en el caso de un fluido aThe length of the device is related to the deceleration that is established, to gradually convert the dynamic pressure into static. Said deceleration corresponds in the case of a fluid to

Figure imgf000033_0002
Figure imgf000033_0002

donde X es la longitud del dispositivo, que a su vez es el espacio de deceleración. Si se busca que esta sea constante, para repartir mejor los esfuerzos y evitar rozamientos entre corrientes muy diferentemente deceleradas, se llegaría awhere X is the length of the device, which in turn is the deceleration space. If you want this to be constant, to better distribute the efforts and avoid friction between currents very differently decelerated, it would reach

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Figure imgf000034_0001

El diseño de detalle tiene infinitas soluciones, pero la exigencia fundamental es que la bocina abra con poca inclinación de sus paredes, y a su vez se respete que la longitud X sea acorde con las dimensiones usuales en sistemas energéticos de potencia, si bien se da la condición de que la longitud no depende de la potencia total, sino de variables intensivas, bien sea la velocidad, bien la presión.The detailed design has infinite solutions, but the fundamental requirement is that the horn opens with little inclination of its walls, and at the same time it is respected that the length X is in accordance with the usual dimensions in power energy systems, although the condition that the length does not depend on the total power, but on intensive variables, either the speed or the pressure.

En este sentido, se fija como condición que el incremento del radio interior del dispositivo, dividido por el incremento de longitud del eje del dispositivo, no sea mayor de 0,2 radián.In this sense, it is set as a condition that the increase in the internal radius of the device, divided by the increase in the length of the axis of the device, is not greater than 0.2 radian.

Otra condición indispensable de cumplir por el dispositivo, es que esté fuertemente aislado, térmicamente, pues toda pérdida de calor ha de computarse como tal en el rendimiento térmico de la instalación.Another essential condition to be fulfilled by the device is that it be strongly insulated, thermally, since all heat loss must be counted as such in the thermal performance of the installation.

Una última cuestión a precisar es el tipo de máquinas que satisfacen las prescripciones de la invención, así como sus limitaciones, derivadas de la Física de los procesos involucrados. En particular, se ha señalado que la razón de presiones está limitada a un valor bajo, de aproximadamente 2, aunque la limitación depende del cociente adiabático, y. En principio, los resultados son mejores cuanto menor es y, suponiendo que los gases involucrados se comportan siempre como ideales; lo cual es tanto menos verdad, cuanto más compleja es la molécula, pues aparecen en tal caso más grados de libertad en las oscilaciones de los átomos, que hacen que su calor específico, Cp, varíe bastante con la temperatura. También se evidencia el peor comportamiento de las moléculas complejas, respecto de gas ideal, por la aparición de valores del parámetro f distintos de 0, en áreas del diagrama termodinámico donde moléculas monoatómicas, como las de argón, tienen valores nulos de f lo que evidencia que se comportan como gases ideales.A final question to be clarified is the type of machines that satisfy the prescriptions of the invention, as well as their limitations, derived from the Physics of the processes involved. In particular, it has been noted that the pressure ratio is limited to a low value, approximately 2, although the limitation depends on the adiabatic quotient, y. In principle, the results are better the smaller it is and, assuming that the gases involved always behave as ideal; which is so much less true, the more complex the molecule is, since in this case more degrees of freedom appear in the oscillations of the atoms, which cause their specific heat, Cp, to vary considerably with temperature. The worst behavior of complex molecules, with respect to ideal gas, is also evidenced by the appearance of values of the parameter f other than 0, in areas of the thermodynamic diagram where monatomic molecules, such as argon, have null values of f, which shows that behave like ideal gases.

Tras estas precisiones, un tanto de detalle, pero importantes, sobre el fluido de trabajo, conviene completar la definición del sistema presentado, señalando que el tipo de turbina que se puede seleccionar para esta invención, por cumplir las prescripciones realizadas, es la centrípeta, con entrada por toberas dispuestas radialmente, y salida por la zona próxima al eje, y de una sola etapa.After these details, somewhat detailed, but important, on the working fluid, it is convenient to complete the definition of the system presented, noting that the type of turbine that can be selected for this invention, to meet the requirements The prescriptions made are centripetal, with entry through radially arranged nozzles, and exit through the area near the axis, and with a single stage.

Y análoga, pero inversamente, el compresor que se selecciona en la invención como elección de referencia es el centrífugo de una etapa. La salida de estos compresores se realiza mediante difusor, de tal modo que una parte de la presión dinámica se convierte en estática en la propia máquina; pero en todo caso hay que interponer, entre la salida del compresor y la entrada en el ramal de alta presión, un dispositivo en todo igual al que se ha explicado en la conexión del escape de la turbina con el ramal de baja presión del intercambiador regenerativo.And analogously, but inversely, the compressor that is selected in the invention as the reference choice is the one-stage centrifuge. The output of these compressors is carried out by means of a diffuser, in such a way that a part of the dynamic pressure becomes static in the machine itself; but in any case, a device must be interposed between the compressor outlet and the inlet on the high pressure branch, in all respects the same as the one explained in the connection of the turbine exhaust with the low pressure branch of the regenerative exchanger .

Queda por explicar la invención en lo referente a los intercambiadores de calor, y fundamentalmente el regenerativo, cuya selección de base es que sea de tubos dispuestos en cuadrícula cuadrada, dentro de una carcasa prismática, que en la selección de base respecto del fluido de trabajo, en dicha carcasa estará a presión muy parecida, o igual, a la atmosférica circundante. Los tubos, pues, constituyen un haz que puede experimentar cambios de dirección o giros de los tubos, conservando el paralelismo entre ellos, lo cual es una gran ventaja cuando se han de manejar un gran número de tubos, del orden de 30 tubos delgados (del orden de 1 cm de diámetro) por kW de potencia térmica transferida.The invention remains to be explained with regard to heat exchangers, and fundamentally the regenerative one, whose basic selection is that of tubes arranged in a square grid, within a prismatic casing, which in the basic selection with respect to the working fluid , in said casing it will be at a pressure very similar, or equal, to the surrounding atmospheric one. The tubes, therefore, constitute a bundle that can undergo changes of direction or turns of the tubes, maintaining the parallelism between them, which is a great advantage when a large number of tubes have to be handled, on the order of 30 thin tubes ( of the order of 1 cm in diameter) per kW of thermal power transferred.

Para explicar adecuadamente la selección de esta innovación de trabajar en ambos ramales en régimen laminar, basta recordar lo expuesto de que en ese régimen se obtiene la mayor capacidad de refrigeración para un valor dado de pérdida de carga manométrica.To adequately explain the selection of this innovation to work on both branches in a laminar regime, it is enough to recall the above that in this regime the highest cooling capacity is obtained for a given value of manometric head loss.

Adicionalmente al sistema se le pueden agregar elementos auxiliares para propiciar variaciones del régimen de trabajo. En concreto, se colocan válvulas de regulación de caudal dentro de las bocinas de recuperación, y además debe incluirse una válvula de alivio, así como una válvula de aportación de fluido de trabajo, gas, antes de la entrada al compresor; por lo que se añade también un tanque de almacenamiento de gas.Additionally, auxiliary elements can be added to the system to promote variations in the work regime. Specifically, flow regulation valves are placed inside the recovery horns, and a relief valve must also be included, as well as a valve for supplying working fluid, gas, before entering the compressor; so a gas storage tank is also added.

Cuestión más importante es la de montar escalonadamente, los componentes de dos o más ciclos de esta clase, formando un solo ciclo, con los compresores en cascada y con enfriamiento intermedio, que se hace en sucursales del foco frío, desde los cuales pasa el fluido al compresor inmediato superior en presión, hasta llegar al compresor de mayor presión, desde el cual, a través de la bocina de su recuperador, se conecta con el ramal de alta presión del intercambiador regenerativo; y apilando las turbinas asimismo en cascada, cada una de ellas seguida de su recuperador mecánico post turbina, que salvo en el caso de la turbina de menor presión, se conectan con recalentamientos intermedios, que son sucursales del foco caliente, tras lo cual el fluido se expansiona hacia el nivel subsiguiente inferior en presión; estando el recuperador post turbina de la turbina de menor presión conectado con el ramal de baja presión del intercambiador regenerativo.The most important issue is that of staggered assembling the components of two or more cycles of this class, forming a single cycle, with the compressors in cascade and with intermediate cooling, which is done in branches of the cold source, from which the fluid passes to the compressor immediately higher in pressure, until reaching the compressor with the highest pressure, from which, through the horn of its recuperator, it is connected to the high pressure branch of the regenerative exchanger; and stacking the turbines also in cascade, each one followed by its post-turbine mechanical recuperator, which except in the case of the lower pressure turbine, are connected with intermediate superheatings, which are branches of the hot spot, after which the fluid expands to the subsequent lower level in pressure; the post turbine recuperator of the lower pressure turbine being connected to the low pressure branch of the regenerative exchanger.

Además, la invención comprende una mejora que se realiza en el circuito principal, y consiste en seleccionar la configuración y posición de cada uno de los tres intercambiadores, correspondientes al foco caliente, al foco frío y al intercambiador regenerativo, de modo que el desarrollo de los flujos de los fluidos sea en dirección vertical, ascendente el de los flujos que se calientan, y descendente los que se enfrían. Como configuración base de la mejora se selecciona la de los intercambiadores de tubo y carcasa, y se disponen los tubos en sentido vertical, e igualmente la carcasa.Furthermore, the invention comprises an improvement that is made in the main circuit, and consists of selecting the configuration and position of each of the three exchangers, corresponding to the hot source, the cold source and the regenerative exchanger, so that the development of the fluids flows in a vertical direction, ascending that of the flows that are heated, and descending those that are cooled. As the basic configuration of the improvement, that of the tube and shell exchangers is selected, and the tubes are arranged in a vertical direction, as well as the shell.

En este caso, la disposición de los tubos que se selecciona es la cuadrangular regular, por ser la de mayor flexibilidad para extraer o introducir haces de tubos en un receptáculo, particularmente la carcasa, donde se dispondrá en su interior un conjunto de nn tubos. Esto comporta el problema de que la carcasa debería ser, en principio, de forma prismática con sección recta cuadrada, lo cual no es aceptable, a poco que haya presión en su interior. Para solventar este problema, la invención incluye una modalidad caracterizada porque la pared de presión de la carcasa es cilindrica, con sección recta circular, y dentro va inscrito un prisma de base cuadrada, en cuyo interior se encuentra el haz de tubos, por cuyo interior circula el fluido cuando va a alta presión, y por cuyo exterior del haz de tubos y en el prisma de base cuadrada se canaliza el flujo de fluido de trabajo, cuando éste circula por el ramal de baja presión; y entre la cara exterior del prisma, y la pared de presión de la carcasa cilindrica, quedan cuatro volúmenes con forma de segmento circular, que se llenan de fluido a presión a través de unos agujeritos en las paredes del prisma, sin que esos agujeritos permitan el movimiento longitudinal del fluido, en los cuatro volúmenes indicados; pues dichos volúmenes están cerrados en sus extremos, siendo por tanto inútiles para el intercambio y la extracción de calor. In this case, the arrangement of the tubes that is selected is the regular quadrangular, as it is the one with the greatest flexibility to extract or introduce bundles of tubes into a receptacle, particularly the casing, where a set of nn tubes will be arranged inside. This involves the problem that the casing should, in principle, be prismatic in shape with a square straight section, which is not acceptable, as long as there is pressure inside. To solve this problem, the invention includes a method characterized in that the pressure wall of the casing is cylindrical, with a circular cross section, and inside a square-based prism is inscribed, inside which is the tube bundle, inside which The fluid circulates when it is at high pressure, and through the exterior of the tube bundle and in the square-based prism the flow of working fluid is channeled, when it circulates through the low-pressure branch; and between the outer face of the prism, and the pressure wall of the cylindrical housing, there are four volumes in the shape of a circular segment, which are filled with fluid under pressure through some holes in the walls of the prism, without these holes allowing the longitudinal movement of the fluid, in the four volumes indicated; since these volumes are closed at their ends, thus being useless for the exchange and extraction of heat.

Los dos recuperadores mecánicos, post turbina y post compresor, han de tener ajustadas sus secciones rectas de entrada y salida, cumpliendo que, en el recuperador post turbina, que la sección recta del escape de la turbina, coincide con la sección recta de entrada de flujo en el recuperador post turbina, y la sección recta de salida de éste, coincide, con la sección recta de la carcasa del intercambiador regenerativo, si bien el fluido de trabajo no puede entrar en los cuatro segmentos circulares exteriores al prisma, ni en los tubos que constituyen el ramal de alta presión de dicho intercambiador, canalizándose el flujo por el exterior de los tubos, dentro del prisma inscrito en la carcasa. Otra mejora de la invención es que el recuperador post turbina tiene una sección recta longitudinal con perfil exterior de tipo parabólico, descrito por la ecuaciónThe two mechanical recuperators, post turbine and post compressor, must have their straight inlet and outlet sections adjusted, fulfilling that, in the post turbine recuperator, that the straight section of the turbine exhaust coincides with the straight section of the inlet of flow in the post-turbine recuperator, and the straight section of the outlet, coincides with the straight section of the regenerative exchanger casing, although the working fluid cannot enter the four circular segments outside the prism, nor the tubes that constitute the high pressure branch of said exchanger, channeling the flow outside the tubes, inside the prism inscribed in the shell. Another improvement of the invention is that the post-turbine recuperator has a longitudinal straight section with an outer profile of the parabolic type, described by the equation

R(z) = 2mÍGzR (z) = 2mIGz

Siendo z la coordenada a lo largo del eje virtual del recuperador, que va desde ze en la entrada a zs en la salida, siendo el radio Re en la primera, y Rs en esta última, y siendo G una constante que depende de la longitud del recuperador, lo cual condiciona también la apertura geométrica del mismo, así como la máxima pendiente de crecimiento del radio del recuperador, según se avanza en su eje; y el valor de dicho G se determina por limitación de dicha máxima pendiente de apertura, que en general se expresa comoWhere z is the coordinate along the virtual axis of the recuperator, which goes from ze at the input to zs at the output, with the radius Re in the first, and Rs in the latter, and where G is a constant that depends on the length of the recuperator, which also conditions its geometric opening, as well as the maximum slope of growth of the radius of the recuperator, as it advances along its axis; and the value of said G is determined by limiting said maximum opening slope, which is generally expressed as

Figure imgf000037_0001
Figure imgf000037_0001

esta pendiente adquiere su máximo para ze, y se fija por diseño, teniendo en cuenta que, en general, cuanto mayor sea esa pendiente, más turbulencia se induce, y por tanto, mayores pérdidas; pero fijar un valor muy bajo de esa pendiente para el comienzo del recuperador, en la sección de entrada, conduce a recuperadores muy largos.this slope acquires its maximum for ze, and is set by design, taking into account that, in general, the greater the slope, the more turbulence is induced, and therefore, the greater losses; but setting a very low value of that slope for the beginning of the recuperator, in the input section, leads to very long recuperators.

Llamando m a dicha máxima pendiente, que es el valor de #R particularizado para ze, y conocidos los valores Re y Rs, que están condicionados por otros elementos del sistema, como son la salida de la turbina y el acoplamiento con la carcasa del intercambiador regenerativo, a partir de estos dos valores y del de m, se pueden determinar los tres valores que hacen falta para definir el perfil longitudinal del recuperador, es decir, G, ze y zs. Calling this maximum slope m , which is the value of #R particularized for ze, and knowing the values Re and Rs, which are conditioned by other elements of the system, such as the turbine outlet and the coupling with the exchanger casing. regenerative, from these two values and m, the three values that are needed to define the longitudinal profile of the recuperator can be determined, that is, G, ze and zs.

G = 2mRe G = 2mRe

Z Re_Z Re_

e 2 me 2 m

Figure imgf000038_0001
Figure imgf000038_0001

A partir de lo cual se obtiene asimismo la longitud del recuperador post turbina, que denotamos por HFrom which the length of the post-turbine recuperator is also obtained, which we denote by H

Figure imgf000038_0002
Figure imgf000038_0002

El recuperador post compresor une la salida del compresor a los tubos del intercambiador regenerativo, lo cual constituye las condiciones de contorno que permiten definir la forma del recuperador, que también es de tipo parabólico, como se ha dicho, y que obedece a la misma formulación geométrica vista para el recuperador post turbina, cambiando el significado de las variables a las definiciones siguientesThe post-compressor recuperator joins the compressor outlet to the tubes of the regenerative exchanger, which constitutes the boundary conditions that allow defining the shape of the recuperator, which is also of the parabolic type, as has been said, and obeys the same formulation geometric view for the post turbine recuperator, changing the meaning of the variables to the following definitions

Re= radio de la sección recta del colector de salida del compresor, que es la entrada en el recuperador post compresor Re = radius of the straight section of the compressor outlet manifold, which is the inlet in the post-compressor recuperator

Rs= radio de la sección recta del colector del que salen los tubos del intercambiador regenerativo, que es la salida del recuperador post compresor Rs = radius of the straight section of the collector from which the regenerative exchanger tubes exit, which is the output of the post-compressor recuperator

ze= valor de la coordenada del eje virtual de revolución del recuperador post compresor, en la entrada de éste,ze = value of the coordinate of the virtual axis of revolution of the post-compressor recuperator, at its input,

zs= valor de la coordenada del eje virtual de revolución del recuperador post compresor, en la salida del recuperador,zs = value of the coordinate of the virtual axis of revolution of the post-compressor recuperator, at the recuperator output,

m = valor de #R particularizado para ze del recuperador post compresor m = value of #R particularized for ze of the post compressor recuperator

G = parámetro geométrico que caracteriza el perfil del recuperador post compresor, siendo su valor G = geometric parameter that characterizes the profile of the post-compressor recuperator, its value being

G = 2mReG = 2mRe

y siendo dicho perfiland being said profile

R(z) = ÍG zR (z) = ÍG z

el cual relaciona el radio de la sección recta del recuperador con la coordenada z del eje virtual de revolución, cumpliéndose además which relates the radius of the straight section of the recuperator with the z coordinate of the virtual axis of revolution, also fulfilling

Figure imgf000039_0001
Figure imgf000039_0001

Figure imgf000039_0002
Figure imgf000039_0002

lo cual proporciona el valor de la longitud del recuperador post compresor, H,which provides the value of the length of the post compressor recuperator, H ,

que esWhat is it

Figure imgf000039_0003
Figure imgf000039_0003

Para seleccionar esta forma, se ha seguido el teorema de Liouville, queTo select this form, we have followed Liouville's theorem, which

establece que la emitancia de un haz cualquiera de partículas, y en este caso esstates that the emittance of any beam of particles, and in this case is

un haz de moléculas del fluido de trabajo, no puede decrecer a lo largo dela beam of molecules of the working fluid, cannot decrease along the

tiempo, sino como mínimo, permanecer constante. La emitancia es la integral, atime, but at a minimum, remain constant. The emittance is the integral, a

lo largo de una sección recta del haz, de una función que es el producto de laalong a straight section of the beam, of a function that is the product of the

distancia de la partícula, o su volumen asociado, al eje del haz, multiplicada pordistance of the particle, or its associated volume, from the beam axis, multiplied by

la pendiente que lleva esa partícula en su trayectoria, lo cual se mide comothe slope that the particle takes on its path, which is measured as

(dr/dz). Aplicado este teorema a la globalidad del flujo comprendido en el( dr / dz). Applied this theorem to the globality of the flow included in the

recuperador mecánico, se obtiene la forma parabólica que se ha utilizado demechanical recuperator, the parabolic shape that has been used from

partida.departure.

Un problema adicional en los recuperadores es la alta turbulencia que puedeAn additional problem in recuperators is the high turbulence that can

desencadenarse, como consecuencia de un frenazo tan súbito en una cámaratriggered, as a result of such a sudden stop in a chamber

vacía, aunque con un gradiente de presión y una colimación de velocidades muyempty, although with a pressure gradient and collimation of very

coincidentes. No obstante, para evitar pérdidas de energía mecánica, quematching. However, to avoid losses of mechanical energy, which

degenere a energía térmica, los recuperadores post turbina y post compresordegenerate to thermal energy, post turbine and post compressor recuperators

incluyen en su interior unos separadores longitudinales, planos, desarrolladosinclude inside some longitudinal, flat spacers, developed

asimismo en sentido radial, aunque sin llegar al eje virtual, quedando sujetosalso in a radial direction, although without reaching the virtual axis, being subject

firmemente a la pared del recuperador. La zona central, alrededor del eje virtualfirmly to the wall of the recuperator. The central zone, around the virtual axis

de revolución del recuperador, queda exenta de separadores, porque generaríanof revolution of the recuperator, it is exempt from separators, because they would generate

canalillos angostos de gran fricción al paso del fluido.Narrow channels of great friction when the fluid passes.

Una variante de separación es el separador alabeado, que se enroscaA variant of spacing is the warped spacer, which is screwed

parcialmente alrededor del eje virtual del recuperador, y cuya arista exterior separtially around the virtual axis of the recuperator, and whose outer edge is

fija en la cara interior de la pared del recuperador. Esto se traduce en un guiadofixed on the inside face of the recuperator wall. This results in a guided

de tipo ciclónico del fluido de trabajo en su enfrenamiento, que en general ofrececyclonic type of the working fluid in its braking, which generally offers

muy buenas condiciones de estabilización del flujo. very good flow stabilization conditions.

En cuanto a la selección del estado termodinámico de trabajo, éste depende especialmente de los niveles de presión que se escojan, que pueden depender de varias condiciones, como es la potencia térmica disponible en la fuente externa de calor del foco caliente, y el rango de temperaturas en el que se suministra dicho calor, al fluido de trabajo.Regarding the selection of the thermodynamic state of work, it depends especially on the pressure levels chosen, which may depend on several conditions, such as the thermal power available in the external heat source of the hot bulb, and the range of temperatures at which said heat is supplied to the working fluid.

Dicho rango de presiones tendrá un límite superior, por los efectos mecánicos y de resistencia de materiales, que comportan los cambios de presión; y resulta fundamental señalar que la innovación contiene un instrumento, simple de aplicar y muy fiable, para variar los niveles de presión en el estado de funcionamiento, y es la variación del contenido total de fluido que se inyecta en el circuito cerrado de la invención.Said range of pressures will have an upper limit, due to the mechanical effects and resistance of materials, which the pressure changes entail; It is essential to point out that the innovation contains an instrument, simple to apply and very reliable, to vary the pressure levels in the operating state, and it is the variation of the total fluid content that is injected into the closed circuit of the invention.

Para ello hay que tener en cuenta qué efectos induce dicha variación de contenido, lo cual requiere analizar las ecuaciones fundamentales de las variables relevantes. En ello se supondrá que el fluido de trabajo se comporta como gas ideal, esto es, que el producto PV no difiere de RT en más de un 5 %, arriba o abajo.For this, it is necessary to take into account what effects this content variation induces, which requires analyzing the fundamental equations of the relevant variables. In this it will be assumed that the working fluid behaves as an ideal gas, that is, that the product PV does not differ from RT by more than 5%, up or down.

También se supone que el mapa de temperaturas del fluido de trabajo no cambia, aunque varíe la potencia, o cambia muy poco (menos de un 5% en los valores de T, para un incremento de la potencia de 100%).It is also assumed that the temperature map of the working fluid does not change, although the power varies, or changes very little (less than 5% in the values of T, for an increase in power of 100%).

El trabajo específico de una máquina, compresora o de expansión (turbina), no cambia al variar PThe specific work of a machine, compressor or expansion (turbine), does not change when changing P

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Figure imgf000040_0001

Sin embargo, el flujo másico, sí cambiaHowever, the mass flow does change

cScS

m = pcS = — Pm = pcS = - P

RTRT

pues la sección recta es la misma, al ser el circuito el mismo, y el mapa de velocidades "c” no puede variar, si no lo hace el de temperaturas, dado que el valor del número de Mach en los diversos puntos hay que respetarlo, sobre todo en la entrada y escape de las máquinas.since the straight section is the same, as the circuit is the same, and the speed map "c" cannot vary, if the temperature map does not, since the value of the Mach number at the various points must be respected , especially in the entrance and exit of the machines.

Esto significa algo muy importante, suponiendo que los rendimientos de las máquinas y de la fricción no varían apreciablemente (menos de un 5%): la potencia de cualquier máquina, o la potencia térmica intercambiada en un intercambiador, en este sistema depende linealmente de la presión. Eso significa que, en caso de querer subir potencia, por supuesto habrá que disponer de ella en el foco caliente, pero además habrá que aumentar la presión, inyectando fluido adicional en el circuito cerrado, merced al sistema de carga con que cuenta.This means something very important, assuming that the performances of the machines and of the friction do not vary appreciably (less than 5%): the power of any machine, or the thermal power exchanged in a exchanger, in this system it depends linearly on the pressure. This means that, in case of wanting to increase power, of course it will be necessary to have it available in the hot bulb, but also the pressure will have to be increased, injecting additional fluid into the closed circuit, thanks to the charging system it has.

Es de señalar que el número de Reynolds también varía linealmente con P, lo cual tiene efectos a señalar. El Reynolds quedaIt should be noted that the Reynolds number also varies linearly with P, which has noteworthy effects. The Reynolds is

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Figure imgf000041_0001

En el miembro de la derecha de esta ecuación del Reynolds, todo permanece constante, excepto P.In the right-hand side of this Reynolds equation, everything remains constant except P.

La fuerza ejercida sobre los álabes de las máquinas es también proporcional a la presión. Esto puede demostrarse teniendo en cuenta que la potencia mecánica es el producto de la fuerza por la velocidad; y el mapa de velocidades se mantiene, al mantenerse el mapa de temperaturas. Por tanto, la fuerza (o el par, si se mide en geometría de revolución) es proporcional a la presión. Esto hace que la deformación de los álabes se acentúe con la presión, y éste es un criterio fundamental para fijar la máxima presión de operación. Concretamente se puede limitar la presión para que la deformación no lleve al álabe más allá del campo elástico de tensiones y deformaciones. Para ello, el desplazamiento de la punta del álabe se limita de tal modo que la tensión de tracción en la base encastrada del álabe no alcance el límite elástico, a la temperatura de funcionamiento; lo cual se formula teniendo en cuenta que una placa delgada, con solicitaciones mecánicas unidimensionales, que está deformada con un radio de curvatura Rc, y cuyo material tiene un módulo de Young E, y tiene una sección recta con un momento de inercia I, está sometida en esa zona a un momento flector M que esThe force exerted on the blades of the machines is also proportional to the pressure. This can be demonstrated taking into account that mechanical power is the product of force and speed; and the velocity map is maintained, as the temperature map is maintained. Therefore, force (or torque, if measured in geometry of revolution) is proportional to pressure. This causes the deformation of the blades to accentuate with pressure, and this is a fundamental criterion for setting the maximum operating pressure. Specifically, the pressure can be limited so that the deformation does not take the blade beyond the elastic field of stresses and deformations. For this, the movement of the blade tip is limited in such a way that the tensile stress on the embedded base of the blade does not reach the elastic limit, at operating temperature; which is formulated taking into account that a thin plate, with one-dimensional mechanical stresses, which is deformed with a radius of curvature Rc, and whose material has a Young's modulus E, and has a straight section with a moment of inertia I, is subjected in that area to a bending moment M which is

Figure imgf000041_0002
Figure imgf000041_0002

Y a su vez el momento M, para una placa de comportamiento unidimensional y sección recta constante, esAnd in turn, the moment M, for a plate of one-dimensional behavior and constant cross section, is

a lto him

M = ~aM = ~ a

2 two

donde o es la tensión máxima (que se da en la cara de la placa que se elonga) y "a” es el grosor de la placa. Si a su vez expresamos la altura del álabe como múltiplo de dicho grosor, siendo A el coeficiente de proporcionalidad, es decir where o is the maximum stress (which occurs on the face of the plate that is elongated) and "a" is the thickness of the plate. If in turn we express the height of the blade as a multiple of said thickness, A being the coefficient proportionality, that is

altura del álabe= A ablade height = A a

y en tal caso, que es suficientemente representativo de álabes en general, se tieneand in such a case, which is sufficiently representative of blades in general, we have

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Figure imgf000042_0001

que se puede reescribirthat can be rewritten

2o a2nd to

T = YCT = YC

El límite elástico típicamente se encuentra para valores de o/E de 1/1.000; lo cual lleva a encontrar que el desplazamiento transversal máximo permitido de la punta de un álabe, que denotamos con w, esThe yield point is typically found for o / E values of 1/1000; which leads to find that the maximum permissible transverse displacement of the tip of a blade, which we denote with w, is

Figure imgf000042_0002
Figure imgf000042_0002

Por ejemplo, para un álabe de una máquina de potencia media, con a=2 mm; y 6 cm de altura (A=30) el desplazamiento w permitido es igual prácticamente al grosor.For example, for a blade of a medium power machine, with a = 2 mm; and 6 cm high (A = 30) the allowed displacement w is practically equal to the thickness.

La anterior restricción es muy difícil de llevar a la práctica, pues las fuerzas actuantes sobre los álabes dependen del mapa detallado de velocidades internas, que es realmente difícil de determinar. De hecho, aunque se pretenda mantener el mapa de velocidades, como directamente unido al mapa de temperaturas, a través de la velocidad sónica y el número de Mach, el rendimiento de cualquier máquina térmica varía al variar la presión, y la densidad a la que trabaja. (Recuérdese que el paso del fluido a través de la máquina es prácticamente isóbaro; pero la presión de esa isóbara depende linealmente de la carga de fluido que haya en el circuito cerrado).The previous restriction is very difficult to put into practice, since the forces acting on the blades depend on the detailed map of internal speeds, which is really difficult to determine. In fact, although it is intended to maintain the velocity map, as directly linked to the temperature map, through the sonic velocity and the Mach number, the performance of any heat engine varies by varying the pressure, and the density at which works. (Remember that the passage of fluid through the machine is practically isobar; but the pressure of this isobar depends linearly on the fluid load in the closed circuit).

Así pues, como especificación fundamental para la elección de la presión de trabajo, y atendiendo a la ecuación del rendimiento termo-mecánico del sistema, como presión de operación se debe escoger aquella para la cual el producto de los rendimientos del compresor y la turbina, alcanza su valor máximo, siempre que sea compatible con la permanencia de los componentes mecánicos en el régimen elástico de resistencia de materiales, que es el expuesto anteriormente del desplazamiento de deformación de la punta del álabe con mayores tensiones.Thus, as a fundamental specification for the choice of the working pressure, and taking into account the equation of the thermo-mechanical performance of the system, the operating pressure must be chosen for which the product of the performance of the compressor and the turbine, reaches its maximum value, provided it is compatible with the permanence of the mechanical components in the elastic regime of resistance of materials, which is the one previously exposed of the deformation displacement of the blade tip with higher stresses.

El otro rendimiento a tener en cuenta es el asociado a la pérdida de carga, cuyas características dependen del régimen fluido del gas de trabajo.The other performance to take into account is that associated with the pressure drop, whose characteristics depend on the fluid regime of the working gas.

En el caso del régimen laminar (desarrollado verticalmente, según se expuso) se tiene, según la expresión de Darcy,In the case of the laminar regime (developed vertically, as stated), according to Darcy's expression,

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Figure imgf000043_0001

Lo cual no depende de P, pues se cancela este efecto, que se produce a través del número de Reynolds.Which does not depend on P, since this effect is canceled, which occurs through the Reynolds number.

En el régimen turbulento, se puede usar la ecuación de Blausius como representativaIn the turbulent regime, the Blausius equation can be used as representative

AP = 0,32 Re~0,25-D-- R e— = 0,16LucD~2Re0,75 = constante ■ P0,752 D ' I a- AP = 0.32 Re ~ 0.25- D - R e— = 0.16LucD ~ 2Re0.75 = constant ■ P0.75 2 D 'I a-

De ella se deduce que la pérdida de carga en régimen turbulento, aumenta con la presión, pero menos que linealmente.From it it follows that the pressure drop in turbulent regime increases with pressure, but less than linearly.

Se aprecia que la opción seleccionada, de régimen laminar en los intercambiadores, no sólo produce menor pérdida de carga, sino que el valor de ésta no varía cuando varía la presión.It can be seen that the option selected, with a laminar regime in the exchangers, not only produces less pressure drop, but that its value does not vary when the pressure varies.

Queda por verificar como queda afectada la potencia térmica de los intercambiadores funcionando en régimen laminar, en los cuales se cumple It remains to be verified how the thermal power of the heat exchangers operating in a laminar regime is affected, in which the

Q = mCpAT = UN2nRLSTQ = mCpAT = UN2nRLST

El miembro de la izquierda varía linealmente con P, a través de m’, y ello obliga a que también haya de variar igualmente el miembro de la derecha, en el cual todos los parámetros son constantes, salvo 5T, que queda obligado a depender linealmente de P. Esto significa que, por ejemplo, si la potencia térmica a intercambiar se duplica, la diferencia de temperatura entre el fluido caliente y el frío, que es lo que representa 5T, se duplica también.The member on the left varies linearly with P, through m ', and this forces the member on the right, in which all the parameters are constant, except 5T, which is forced to depend linearly of P. This means that, for example, if the thermal power to be exchanged doubles, the temperature difference between the hot and cold fluid, which is what 5T represents, doubles as well.

Esta prescripción vale para el intercambiador del foco caliente, para el del foco frío, y para el intercambiador regenerativo. En el foco caliente, está claro que deben darse cambio de condiciones exteriores, que no son de la invención en sí, pues el foco caliente debe generar mayor potencia térmica, y hacerlo a una temperatura ligeramente superior.This prescription is valid for the hot bulb exchanger, for the cold bulb exchanger, and for the regenerative exchanger. In the hot spot, it is clear that there must be change of external conditions, which are not of the invention itself, since the hot bulb must generate greater thermal power, and do so at a slightly higher temperature.

En el foco frío se ha de tener asimismo capacidad suficiente para extraer ese aumento de potencia a disipar, que será algo más del doble de la extraída anteriormente, si seguimos con el ejemplo de la duplicación. Esto último se debe a que en el intercambiador regenerativo, la duplicación de 5T se concreta en que se duplica Dt, lo cual hace variar el rendimiento regenerativoIn the cold focus, it must also have sufficient capacity to extract that increase in power to dissipate, which will be slightly more than double that extracted previously, if we continue with the example of duplication. The latter is due to the fact that in the regenerative exchanger, the doubling of 5T results in the doubling of Dt, which makes the regenerative performance vary.

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Figure imgf000044_0001

dado que el parámetro 9 variará, según la ecuaciónsince parameter 9 will vary, according to the equation

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Figure imgf000044_0002

Véase que para TM= 1000K, por ejemplo, y un rendimiento de turbina de 0,9; el valor de 9 es 1,022 con Dt=20 K; y pasa a 1,044 al duplicarse este último parámetro, Dt. Esto repercute en el rendimiento de regeneración, que en el caso base, con aire como fluido, y r=1,7 da un rendimiento ng de 0,86; que disminuye a 0,76 cuando se duplica la potencia. Esta fuerte disminución hace que éste sea un aspecto del sistema muy a tener en cuenta. Recuérdese que el rendimiento realista corresponde aSee that for TM = 1000K, for example, and a turbine efficiency of 0.9; the value of 9 is 1.022 with Dt = 20 K; and it goes to 1.044 when doubling this last parameter, Dt. This affects the regeneration performance, which in the base case, with air as fluid, and r = 1.7 gives a performance ng of 0.86; which decreases to 0.76 when the power is doubled. This strong decrease makes this an aspect of the system that must be taken into account. Remember that realistic performance corresponds to

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Figure imgf000044_0003

Queda por describir el procedimiento por el cual el sistema puede adecuarse a la potencia disponible en el foco caliente. Precisamente, algunas fuentes de energía renovable, y en particular la energía termosolar de concentración, fluctúan considerablemente a lo largo de un día, por interferencias de nubes, fundamentalmente, y es pertinente disponer de un ciclo termodinámico que sea rápido y adaptable, para aprovechar la energía que se capte en toda circunstancia. También es aplicable esto a la recuperación del calor residual emitido por motores térmicos.The procedure by which the system can be adapted to the power available in the hot spot remains to be described. Precisely, some renewable energy sources, and in particular concentrated solar thermal energy, fluctuate considerably throughout a day, mainly due to interference from clouds, and it is pertinent to have a thermodynamic cycle that is fast and adaptable, to take advantage of the energy that is captured in all circumstances. This also applies to the recovery of waste heat emitted by heat engines.

Al sistema ya descrito, se añade un sistema de selección del estado termodinámico de funcionamiento, que puede variar el contenido total de fluido de trabajo en el circuito principal, y que de manera sucinta se denomina sistema auxiliar de aporte de fluido, y consta de: To the system already described, a system for selecting the thermodynamic state of operation is added, which can vary the total content of working fluid in the main circuit, and which is succinctly called auxiliary fluid supply system, and consists of:

- un tanque, exterior al circuito cerrado, de almacenamiento de fluido de trabajo a baja presión;- a tank, outside the closed circuit, for storing the working fluid at low pressure;

- conectado, a través de un conducto, al colector de entrada del fluido de trabajo en el foco frío,- connected, through a conduit, to the working fluid inlet manifold at the cold source,

- provisto dicho conducto de una válvula que controla, o corta, el paso de fluido de trabajo desde el circuito al tanque, o del tanque al circuito, según las presiones relativas;- said conduit provided with a valve that controls, or cuts off, the passage of working fluid from the circuit to the tank, or from the tank to the circuit, according to the relative pressures;

- estando a su vez dicho tanque conectado a una válvula de 3 vías, que puede poner el tanque en conexión fluida con la salida de un compresor de aporte de fluido, que presuriza el fluido aportado hasta el nivel que sea solicitado;- said tank being in turn connected to a 3-way valve, which can put the tank in fluid connection with the outlet of a fluid supply compressor, which pressurizes the supplied fluid to the level that is requested;

- existiendo además un tanque exterior de almacenamiento en alta presión, provisto de un elemento calefactor auxiliar;- there is also an external high pressure storage tank, provided with an auxiliary heating element;

- y dicho tanque en alta presión comunica mediante un conducto, con el colector de entrada del fluido de trabajo en el foco caliente, en el cual se aporta entalpía desde el exterior, a través de un intercambiador de calor, en el que hay una diferencia de temperatura logarítmica media de valor 5Tlmfc definida por las temperaturas de entrada y salida del fluido de trabajo en dicho intercambiador, respectivamente Tefc y Tsfc, y las de entrada y salida del fluido exterior del foco, que es la fuente de entalpía, denominadas Teec y Tsec, definiéndose- and said high pressure tank communicates through a conduit, with the working fluid inlet collector in the hot spot, in which enthalpy is provided from the outside, through a heat exchanger, in which there is a difference logarithmic mean temperature of value 5Tlmfc defined by the inlet and outlet temperatures of the working fluid in said exchanger, respectively Tefc and Tsfc, and the inlet and outlet temperatures of the fluid outside the focus, which is the enthalpy source, called Teec and Tsec, defining itself

(Teec ~ Tsfc) ~ (Tsec ~ Tef c)(Teec ~ Tsfc) ~ (Tsec ~ Tef c)

ST,ImfcST, Imfc

~n((Teec ~ Tsfc )/(Tsec ~ Tefc))~ n ((Teec ~ Tsfc) / (Tsec ~ Tefc))

- estando este conducto provisto de una válvula que controla, o corta, el paso de fluido de trabajo desde el ramal de alta del circuito principal al tanque, o del tanque al ramal , según las presiones relativas;- This conduit being provided with a valve that controls, or cuts, the flow of working fluid from the discharge branch of the main circuit to the tank, or from the tank to the branch, according to the relative pressures;

- y existiendo en este tanque de alta presión una válvula de alivio de la presión, que según los casos puede aliviar el fluido al aire libre, o a un recinto cerrado de dimensiones apropiadas;- and existing in this high pressure tank a pressure relief valve, which depending on the case can relieve the fluid in the open air, or in a closed space of appropriate dimensions;

- estando dicho tanque de alta presión conectado además a la válvula de 3 vías que está en la salida del compresor de aporte de fluido. - said high pressure tank being also connected to the 3-way valve that is at the outlet of the fluid supply compressor.

En cuanto al procedimiento de selección de dicho estado de operación del ciclo, las pautas a seguir son: Regarding the procedure for selecting said operating state of the cycle, the guidelines to follow are:

- en el caso de aumentar la potencia térmica, dicho procedimiento comprende aumentar la entalpía aportada desde el exterior al foco caliente, representada por un valor positivo de la derivada logarítmica de la entalpía aportada, Q, respecto del tiempo, estando definida dicha derivada por la función (1/Q)(dQ/dt), lo cual se acompaña con un valor idéntico de la derivada logarítmica de la diferencia logarítmica media de temperaturas, 5Tlmfc respecto del tiempo, definida por las temperaturas de entrada Tefc y salida Tsfc del fluido de trabajo en el intercambiador que constituye el foco caliente, y por las temperaturas de entrada y salida del fluido exterior que aporta la entalpía, estando definida esta última derivada logarítmica por la función (1/5Tlmfc)(d5Tlmfc/dt) manteniendo al mismo tiempo constantes las temperaturas Tefc y Tsfc del fluido de trabajo, y produciendo una aportación de fluido de trabajo al colector del foco caliente, en el circuito cerrado, de tal modo que el flujo másico m’fc de entrada al foco caliente, presente un valor de su derivada logarítmica respecto del tiempo, que sea también igual al valor de la derivada logarítmica de la entalpía Q respecto del tiempo, expresado por la ecuación (1/m’fc) • (dm’fc/dt)= (1/Q)-(dQ/dt)- in the case of increasing the thermal power, said procedure comprises increasing the enthalpy contributed from the outside to the hot spot, represented by a positive value of the logarithmic derivative of the supplied enthalpy, Q, with respect to time, said derivative being defined by the function (1 / Q) (dQ / dt), which is accompanied by an identical value of the logarithmic derivative of the mean logarithmic temperature difference, 5Tlmfc with respect to time, defined by the inlet temperatures Tefc and outlet Tsfc of the fluid work in the exchanger that constitutes the hot spot, and by the inlet and outlet temperatures of the external fluid that contributes the enthalpy, the latter logarithmic derivative being defined by the function (1 / 5Tlmfc) (d5Tlmfc / dt) while keeping constant the temperatures Tefc and Tsfc of the working fluid, and producing a contribution of working fluid to the collector of the hot spot, in the closed circuit, in such a way that the mass flow or m'fc of input to the hot spot, present a value of its logarithmic derivative with respect to time, which is also equal to the value of the logarithmic derivative of the enthalpy Q with respect to time, expressed by the equation (1 / m'fc) • (dm'fc / dt) = (1 / Q) - (dQ / dt)

- donde para mantener esta igualdad, se emplea un compresor de aporte de fluido, y un tanque exterior de alta presión, que cuando no tiene suficiente presión, y en caso de que le falte temperatura en el fluido de trabajo almacenado, se activa un calefactor auxiliar incluido en dicho tanque exterior de alta presión; y además la presión de salida del compresor del circuito principal se aumenta, incrementando la potencia de su motor eléctrico , de tal manera que, dicha presión de salida del compresor del circuito principal, aumenta la potencia térmica gestionada por el ciclo térmico con un valor de su derivada logarítmica igual al dado para el flujo másico m’fc.- where to maintain this equality, a fluid supply compressor is used, and a high pressure external tank, which when it does not have enough pressure, and in case of a lack of temperature in the stored working fluid, a heater is activated auxiliary included in said high pressure outdoor tank; Furthermore, the outlet pressure of the main circuit compressor is increased, increasing the power of its electric motor, in such a way that said outlet pressure of the main circuit compressor increases the thermal power managed by the thermal cycle with a value of its logarithmic derivative equal to that given for the mass flow m'fc.

- para reducir potencia, el procedimiento es simplemente el opuesto, es decir, con valores negativos de las derivadas logarítmicas que intervienen. Para ello, se debe extraer del colector de entrada al foco caliente, la cantidad de fluido de trabajo, por unidad de tiempo, tal que, dividido por el flujo másico en cada momento, de un valor absoluto igual al de valor absoluto de la derivada logarítmica de la entalpía aportada desde el exterior, al foco caliente; y en caso de que la presión en el tanque exterior de alta sea excesiva y no permita la extracción de fluido, se abre la válvula de alivio de presión que tiene ese tanque. Y la potencia del motor eléctrico del compresor del ciclo termodinámico se reduce para obtener una presión de salida cuya derivada logarítmica (negativa) sea igual a la del flujo másico m’fc. Para rellenar el circuito desde condición de parada en vacío, o incrementar el contenido total de fluido en el circuito principal y en sus elementos auxiliares, se usa el tanque exterior de baja, y se inyecta fluido a través del conducto que lo conecta con la entrada en el foco frío. En caso de necesidad, se usa el compresor de aporte de fluido, seleccionando la posición de la válvula de 3 vías que hay en su salida, para descargar hacia el tanque de baja presión.- to reduce power, the procedure is simply the opposite, that is, with negative values of the logarithmic derivatives involved. To do this, the amount of working fluid must be extracted from the inlet collector to the hot spot, per unit of time, such that, divided by the mass flow at each moment, an absolute value equal to the absolute value of the derivative logarithmic of the enthalpy contributed from the outside, to the hot spot; and in case the pressure in the external high tank is excessive and does not allow the extraction of fluid, the pressure relief valve that has that tank opens. And the power of the electric motor of the thermodynamic cycle compressor is reduced to obtain an outlet pressure whose logarithmic (negative) derivative is equal to that of the mass flow m'fc. To fill the circuit from the idle shutdown condition, or increase the total fluid content in the main circuit and in its auxiliary elements, the external low tank is used, and fluid is injected through the conduit that connects it to the inlet. in the cold focus. If necessary, the fluid supply compressor is used, selecting the position of the 3-way valve at its outlet, to discharge to the low pressure tank.

EXPLICACIÓN DE LAS FIGURASEXPLANATION OF THE FIGURES

La figura 1 muestra las líneas de los procesos y los puntos termodinámicos principales de un ciclo convencional, representativo del estado del arte de ciclos cerrados de gas, con calor aportado desde el exterior, sin incorporación de la innovación aquí presentada. Se usa un grafo termodinámico (entalpía, log P). Figure 1 shows the lines of the processes and the main thermodynamic points of a conventional cycle, representative of the state of the art of closed gas cycles, with heat supplied from the outside, without incorporating the innovation presented here. A thermodynamic graph (enthalpy, log P) is used.

La figura 2 muestra las líneas de los procesos y los puntos termodinámicos principales de un ciclo cerrado de gas, que incorpora la innovación aquí presentada. Se usa un grafo termodinámico (entalpía, log P).Figure 2 shows the process lines and the main thermodynamic points of a closed gas cycle, which incorporates the innovation presented here. A thermodynamic graph (enthalpy, log P) is used.

La figura 3 muestra un esquema de un montaje para materializar la invención. Figure 3 shows a diagram of an assembly to embody the invention.

La figura 4 representa un ciclo termodinámico de la invención, con escalonamiento de etapas de compresión y de expansión, con enfriamiento intermedio entre dos compresiones sucesivas, y con recalentamiento entre dos expansiones sucesivas. Se usa un grafo termodinámico (entalpía, log P).Figure 4 represents a thermodynamic cycle of the invention, with staging of compression and expansion stages, with intermediate cooling between two successive compressions, and with reheating between two successive expansions. A thermodynamic graph (enthalpy, log P) is used.

La figura 5 muestra un esquema de un montaje para materializar la invención en su versión en cascada de compresiones y de expansiones, expuesta en la figura 4.Figure 5 shows a diagram of an assembly to materialize the invention in its cascade version of compressions and expansions, shown in Figure 4.

La figura 6 muestra un esquema de una realización del sistema de la invención que comprende el circuito principal y el sistema auxiliar de aporte de fluido.Figure 6 shows a diagram of an embodiment of the system of the invention comprising the main circuit and the auxiliary fluid supply system.

La figura 7 muestra las líneas de los procesos y los puntos termodinámicos principales de un ciclo cerrado de gas, que corresponde a la innovación de la figura anterior, e incluye datos numéricos de los mencionados puntos. Se usa un grafo termodinámico (temperatura, log P).Figure 7 shows the lines of the processes and the main thermodynamic points of a closed gas cycle, which corresponds to the innovation of the previous figure, and includes numerical data of the mentioned points. A thermodynamic graph (temperature, log P) is used.

La figura 8 muestra una disposición geométrica y funcional de los componentes del ciclo termodinámico que permite trabajar a los fluidos de los tres intercambiadores en régimen laminar, con flujos verticales.Figure 8 shows a geometric and functional arrangement of the components of the thermodynamic cycle that allows the fluids of the three exchangers to work in a laminar regime, with vertical flows.

La figura 9 presenta la sección recta de un intercambiador, bien sea regenerativo, o de foco caliente, o de foco frio, con estructura de tubos y carcasa, con disposición cuadrangular regular, incluyendo los volúmenes inútiles para la transmisión de calor, pero que mantienen la misma presión que el fluido de trabajo en el interior del prisma que aloja el haz de tubos.Figure 9 presents the straight section of an exchanger, either regenerative, or with a hot focus, or a cold focus, with a tube and shell structure, with a regular quadrangular arrangement, including the volumes that are useless for heat transmission, but which maintain the same pressure as the working fluid inside the prism that houses the tube bundle.

La figura 10 se compone de dos, la 10a, que muestra la sección recta longitudinal de un recuperador de energía mecánica post turbina y post compresor, y la 10b, que muestra la sección recta perpendicular al eje de revolución de los recuperadores anteriores.Figure 10 is made up of two, 10a, which shows the longitudinal straight section of a post-turbine and post-compressor mechanical energy recuperator, and 10b, which shows the straight section perpendicular to the axis of revolution of the previous recuperators.

La figura 11 es análoga a la 10, e incluye dos dibujos, 11a y 11b, que muestran las mismas proyecciones, pero de un caso con separadores alabeados en el recuperador.Figure 11 is analogous to 10, and includes two drawings, 11a and 11b, showing the same projections, but of a case with warped spacers in the recuperator.

Para mejorar la comprensión de la explicación de las figuras se enumeran a continuación los elementos que componen la invención:To improve understanding of the explanation of the figures, the elements that make up the invention are listed below:

1. Turbina (de expansión).1. Turbine (expansion).

2. Escape de la turbina, que consiste en un recuperador de energía mecánica post turbina, pasando a presión estática la mayor parte de la presión dinámica del fluido, y a entalpía la mayor parte de la energía cinética residual de la expansión.2. Turbine exhaust, which consists of a post-turbine mechanical energy recuperator, passing most of the dynamic pressure of the fluid to static pressure, and most of the residual kinetic energy of the expansion to enthalpy.

3. Ramal de baja presión del intercambiador regenerativo, con el fluido circulando por la carcasa, proveniente del escape 2.3. Low pressure branch of the regenerative exchanger, with the fluid circulating through the casing, coming from the exhaust 2.

4. Intercambiador regenerativo4. Regenerative exchanger

5. Salida del ramal de baja presión del intercambiador regenerativo 6. Foco frío o sumidero de calor5. Output of the low pressure branch of the regenerative exchanger 6. Cold source or heat sink

7. Entrada, al sumidero de calor, del fluido que realiza la acción refrigerante de foco frío.7. Inlet, to the heat sink, of the fluid that performs the cooling action of cold focus.

8. Salida del fluido de trabajo del sumidero de calor, y conexión a la entrada del compresor 8. Outlet of the working fluid from the heat sink, and connection to the compressor inlet

Conducto de carga y descarga del fluido de trabajo, de control del contenido total de fluido de trabajo en el circuito principal del ciclo termodinámico.Conduit for loading and unloading the working fluid, controlling the total content of working fluid in the main circuit of the thermodynamic cycle.

Salida del refrigerante exterior del sumidero de calorOutside refrigerant outlet from heat sink

Compresor del circuito principalMain circuit compressor

Salida del compresor (11)Compressor outlet (11)

Motor eléctrico de accionamiento del compresor (11)Compressor Drive Electric Motor (11)

Generador eléctrico activado por el eje de la turbina (1)Electric generator activated by the turbine shaft (1)

Ramal hecho de un haz de tubos, para paso del fluido de trabajo en la rama fría, de alta presión, en el intercambiador regenerativo.Branch made of a bundle of tubes, to pass the working fluid in the cold, high-pressure branch in the regenerative exchanger.

Salida del ramal de alta presión del intercambiador regenerativo y colector de conexión con el foco calienteExit of the high pressure branch of the regenerative exchanger and connection manifold with the hot bulb

Foco caliente, que es un intercambiador a contracorriente con un fluido exterior de muy alta temperatura, que puede provenir de fuentes energéticas diversasHot spot, which is a countercurrent exchanger with a very high temperature external fluid, which can come from various energy sources

Salida, desde el foco caliente, del fluido a alta presión y a la más alta temperatura, para entrada en la turbinaExit, from the hot spot, of the fluid at high pressure and at the highest temperature, for entry into the turbine

Entrada del fluido exterior de muy alta temperatura, en el foco caliente Salida del fluido exterior del foco calienteInlet of the external fluid of very high temperature, in the hot spot Output of the outer fluid of the hot spot

Voluta de conducción del gas caliente procedente del escape de la turbina (1), estando traspasada la voluta por el haz de tubos (15) Aislamiento térmico de todo el conjunto de componentesVolute for conducting the hot gas from the turbine exhaust (1), the volute being passed through the bundle of tubes (15) Thermal insulation of the entire set of components

Eje motor-compresor (11)Motor-compressor shaft (11)

Eje turbina-generador (14)Turbine-generator shaft (14)

Recuperador de energía mecánica post compresor, consistente en una bocina de recuperación de energía mecánica en la impulsión del compresor (11).Post-compressor mechanical energy recuperator, consisting of a mechanical energy recovery horn in the compressor drive (11).

Válvula (generalmente cerrada) para carga o descarga de fluido de trabajo a la salida del foco frío. Existe una válvula 26b, de similar función, pero en la salida del foco calienteValve (generally closed) for loading or unloading of working fluid at the outlet of the cold source. There is a valve 26b, with a similar function, but at the outlet of the hot bulb

Válvula de alivioRelief valve

Tanque de almacenamiento de fluido de trabajo para su trasiego con la salida del foco frío.Storage tank of working fluid for its transfer with the outlet of the cold source.

Punto termodinámico de mínima entalpía y presión en el ciclo Punto termodinámico de máxima entalpía y presión del ciclo Punto termodinámico de escape de la turbina, en ciclo del estado del arteThermodynamic point of minimum enthalpy and pressure in the cycle Thermodynamic point of maximum enthalpy and pressure of the cycle Thermodynamic point of turbine exhaust, in state of the art cycle

Punto termodinámico de salida del ramal de alta presión del intercambiador regenerativo.Thermodynamic outlet point of the high pressure branch of the regenerative exchanger.

Punto termodinámico de entrada al ramal de alta presión del intercambiador regenerativo, desde la salida del compresor, en montaje del estado del arteThermodynamic entry point to the high pressure branch of the regenerative exchanger, from the compressor outlet, in state of the art assembly

Punto termodinámico de salida del ramal de baja presión del intercambiador regenerativo, en montaje del estado del arte Punto termodinámico de salida del compresor, según compresión isentrópica ideal, en el montaje de la invención. Existe un punto homólogo 35b en el montaje de dos ciclos en cascada (figura 4) Punto final del calentamiento sufrido, desde el punto 35, por el fluido comprimido, como consecuencia de rozamientos (en realidad, esta fase va embebida en la que transcurre desde 29 a 35, pero se pintan consecutivas para clarificar la explicación). Existe un punto homólogo 36b en el montaje de dos ciclos en cascada (figura 4)Thermodynamic outlet point of the low pressure branch of the regenerative exchanger, in assembly of the state of the art Thermodynamic outlet point of the compressor, according to ideal isentropic compression, in assembly of the invention. There is a homologous point 35b in the assembly of two cycles in cascade (figure 4) End point of the heating suffered, from point 35, by the compressed fluid, as a consequence of friction (in reality, this phase is embedded in the one that passes from 29 to 35, but they are painted consecutively to clarify the explanation). There is a homologous point 36b in the assembly of two cycles in cascade (figure 4)

Punto final de la recuperación mecánica isentrópica experimentada por el fluido de trabajo antes de entrar en el ramal de alta presión del intercambiador regenerativo. Existe un punto homólogo 37b en el montaje de dos ciclos en cascada (figura4).End point of the isentropic mechanical recovery experienced by the working fluid before entering the high pressure branch of the regenerative exchanger. There is a homologous point 37b in the assembly of two cascaded cycles (figure 4).

Punto final de la expansión isentrópica ideal del gas en la turbina. Existe un punto homólogo 38b en el montaje de dos ciclos en cascada (figura 4)End point of the ideal isentropic expansion of the gas in the turbine. There is a homologous point 38b in the assembly of two cycles in cascade (figure 4)

Punto final del calentamiento sufrido, desde el punto 38, por el fluido comprimido, como consecuencia de rozamientos (en realidad, esta fase va embebida en la que transcurre desde 30 a 38, pero se pintan consecutivas para clarificar la explicación). Existe un punto homólogo 39b en el montaje de dos ciclos en cascada (figura 4)End point of the heating suffered, from point 38, by the compressed fluid, as a consequence of friction (in reality, this phase is embedded in the one that runs from 30 to 38, but they are painted consecutively to clarify the explanation). There is a homologous point 39b in the assembly of two cycles in cascade (figure 4)

Punto final de la recuperación mecánica isentrópica experimentada por el fluido de trabajo procedente de la expansión en la turbina, antes de entrar en el ramal de baja presión del intercambiador regenerativo. Existe un punto homólogo 40b en el montaje de dos ciclos en cascada.End point of the isentropic mechanical recovery experienced by the working fluid from the expansion in the turbine, before entering the low-pressure branch of the regenerative exchanger. There is a homologous point 40b in the assembly of two cascaded cycles.

Punto termodinámico de salida del ramal de baja presión del intercambiador regenerativo, en el montaje de la invención Thermodynamic outlet point of the low pressure branch of the regenerative exchanger, in the assembly of the invention

42. Punto termodinámico de salida del ramal de alta presión del intercambiador regenerativo, en el montaje de la invención42. Thermodynamic outlet point of the high pressure branch of the regenerative exchanger, in the assembly of the invention

43. Punto final de la refrigeración intermedia entre dos compresiones, en el montaje en cascada43. End point of intermediate cooling between two compressions, in cascade assembly

44. Punto final del calentamiento intermedio entre dos expansiones, en el montaje en cascada44. End point of intermediate heating between two expansions, in cascade assembly

45. Conector entre etapas sucesivas, en el montaje en cascada, señalado como 45c si es la cascada de compresores, o como 45t, si es en la de turbinas.45. Connector between successive stages, in cascade assembly, indicated as 45c if it is the compressor cascade, or as 45t, if it is in the turbine cascade.

En la figura 5 existen varias etiquetas que tienen una a o una b como sufijo, después de un guarismo. Este último conserva el significado dado en la tabla anterior; y a significa que es de la etapa de alta presión, y b que es de la de baja. In figure 5 there are several labels that have an a or a b as a suffix, after a figure. The latter preserves the meaning given in the previous table; and a means that it is from the high pressure stage, and b that it is from the low pressure stage.

En los diagramas de las figuras 1, 2 y 4, aparecen diversas líneas definidas por una propiedad: el eje de abscisas está señalado por H, entalpía específica; y el eje de ordenadas por Log P, que significa presión, en escala logarítmica. La marca LPi de la figura 1, señala la línea en la cual la presión es constante y corresponde a la presión inferior. LPs es la isóbara alta.In the diagrams of Figures 1, 2 and 4, there are several lines defined by a property: the abscissa axis is indicated by H, specific enthalpy; and the axis of ordinate by Log P, which means pressure, in logarithmic scale. The mark LPi in figure 1 indicates the line in which the pressure is constant and corresponds to the lower pressure. LPs is the high isobar.

En cambio en el diagrama de la figura 7 aparecen diversas líneas definidas por una propiedad: el eje de abscisas está señalado por T, temperatura en escala lineal; y el eje de ordenadas por Log P, que significa presión, en escala logarítmica. En este grafo se usan temperaturas por ser más intuitivas y comprensibles que la entalpía; ocurriendo además que la entalpía en un gas ideal, es linealmente proporcional a la temperatura, a lo largo de una transformación isóbara.On the other hand, in the diagram of figure 7 there are several lines defined by a property: the abscissa axis is indicated by T, temperature on a linear scale; and the axis of ordinate by Log P, which means pressure, in logarithmic scale. In this graph, temperatures are used because they are more intuitive and understandable than enthalpy; also happening that the enthalpy in an ideal gas is linearly proportional to the temperature, along an isobar transformation.

T0 es la temperatura del punto de mínima entalpía del ciclo (29), y TM el de máxima entalpía (30).T0 is the temperature of the point of minimum enthalpy of the cycle (29), and TM that of maximum enthalpy (30).

LSc es la isentrópica de compresión.LSc is the isentropic compression.

LSt es la isentrópica de expansión en la turbina.LSt is the isentropic expansion in the turbine.

Lri representa las condiciones del intercambiador regenerativo en la cara inferior (de entalpía o de temperatura) y Lrs las condiciones de la cara superior del mismo.Lri represents the conditions of the regenerative exchanger on the lower face (enthalpy or temperature) and Lrs the conditions of the upper face.

Obviamente, los puntos de los diagramas termodinámicos se corresponden con puntos del montaje físico del circuito principal, que son donde se dan las condiciones de presión y temperatura previstas en el diagrama. En este sentido, los puntos del ciclo de la figura 2 pueden situarse en las figuras 3 y 6. En concreto son representativas las siguientes correspondencias:Obviously, the points of the thermodynamic diagrams correspond to points of the physical assembly of the main circuit, which are where the pressure and temperature conditions predicted in the diagram. In this sense, the points of the cycle in Figure 2 can be located in Figures 3 and 6. Specifically, the following correspondences are representative:

Punto 29 = colector de entrada al compresor 8 de las figuras 3 y 6.Point 29 = inlet manifold to compressor 8 of figures 3 and 6.

Línea 36-37 = recuperador mecánico 25Line 36-37 = mechanical recuperator 25

Punto 30 = colector 18 de salida del foco caliente, que es donde se alcanza la temperatura máxima del fluido TM (que a su vez es Tsfc)Point 30 = outlet collector 18 of the hot spot, which is where the maximum temperature of the TM fluid is reached (which in turn is Tsfc)

Línea 39-40 = recuperador mecánico 2Line 39-40 = mechanical recuperator 2

Punto 41 = colector de entrada, 5, al foco fríoPoint 41 = inlet manifold, 5, to cold bulb

Punto 42 = colector de entrada, 16, al foco caliente, que es donde se tiene la temperatura TefcPoint 42 = inlet manifold, 16, to the hot spot, which is where you have the Tefc temperature

Otros elementos de relevancia para el funcionamiento de la invención, en relación con la realización de la figura 6 y 8, son:Other elements of relevance for the operation of the invention, in relation to the embodiment of figures 6 and 8, are:

100. Válvula para permitir el trasiego de fluido de trabajo desde el ramal de baja presión del circuito principal, antes de la entrada en el foco frío, al tanque exterior de almacenamiento de baja presión (101), de dicho fluido; o viceversa del tanque al ramal, con ayuda de otros elementos que subsiguen.100. Valve to allow the transfer of working fluid from the low-pressure branch of the main circuit, before entering the cold source, to the external low-pressure storage tank (101), of said fluid; or vice versa from the tank to the branch, with the help of other elements that follow.

101. Tanque exterior de almacenamiento, a baja presión, del fluido de trabajo, para su inyección, o extracción, antes de la entrada en el foco frío.101. External storage tank, at low pressure, of the working fluid, for its injection, or extraction, before entering the cold source.

102. Tanque exterior de almacenamiento, a alta presión, del fluido de trabajo. 102. External storage tank, at high pressure, of the working fluid.

103. Conducto de conexión del colector de entrada en el foco caliente con el tanque exterior de alta (102).103. Connection duct of the inlet manifold in the hot spot with the external high tank (102).

104. Válvula para permitir el trasiego de fluido de trabajo desde el ramal de alta presión del circuito principal al tanque exterior de almacenamiento de alta presión (102), de dicho fluido; o viceversa del tanque al ramal.104. Valve to allow the transfer of working fluid from the high pressure branch of the main circuit to the external high pressure storage tank (102), of said fluid; or vice versa from tank to branch.

105. Válvula y conducto de alivio de la presión del tanque exterior de alta (102) para enviar fluido de trabajo, excedente, al exterior, o a otro tanque de almacenamiento.105. High external tank pressure relief valve and conduit (102) to send working fluid, surplus, to the outside, or to another storage tank.

106. Válvula de 3 vías, para canalizar el fluido aportado por el compresor de aporte de fluido (107) bien al tanque exterior de baja, bien al de alta.106. 3-way valve, to channel the fluid supplied by the fluid supply compressor (107) either to the outer low tank or to the high tank.

107. Compresor del sistema auxiliar de aporte de fluido de trabajo. 107. Compressor for the auxiliary working fluid supply system.

108. Conducto de aporte de fluido de trabajo, desde un sistema general de almacenamiento exterior, a la instalación.108. Supply conduit for working fluid, from a general external storage system, to the installation.

109. Calefactor auxiliar del tanque exterior de alta presión.109. High pressure outdoor tank auxiliary heater.

Además en la figura 8 se usan las siguientes etiquetas numéricas, que son homólogas de las de la figura 6, pero añadiendo 1000, para identificar que corresponden al montaje específico de ubicar los intercambiadores con flujos en dirección vertical (por lo que corresponde al fluido de trabajo,).In addition, in figure 8 the following numerical labels are used, which are homologous to those in figure 6, but adding 1000, to identify that they correspond to the specific assembly of locating the exchangers with flows in a vertical direction (so they correspond to the fluid of job,).

1001. Turbina centrípeta (de expansión).1001. Centripetal (expansion) turbine.

1002. Recuperador de energía mecánica post turbina.1002. Post turbine mechanical energy recuperator.

1003. Ramal de baja presión del intercambiador regenerativo, con el fluido circulando por la carcasa1003. Low pressure branch of the regenerative exchanger, with the fluid circulating through the casing

1004. Intercambiador regenerativo1004. Regenerative exchanger

1005. Salida del ramal de baja presión del intercambiador regenerativo 1006. Foco frío o sumidero de calor1005. Outlet of the low pressure branch of the regenerative exchanger 1006. Cold source or heat sink

1007. Entrada, al sumidero de calor, del fluido que realiza la acción refrigerante de foco frío.1007. Inlet, to the heat sink, of the fluid that performs the cooling action of cold focus.

1008. Salida del fluido de trabajo del sumidero de calor, y conexión a la entrada del compresor1008. Outlet of the working fluid from the heat sink, and connection to the compressor inlet

1009. (no se usa).1009. (not used).

1010. Salida del refrigerante exterior del sumidero de calor1010. Heat sink exterior refrigerant outlet

1011. Compresor centrífugo del circuito principal.1011. Centrifugal compressor of the main circuit.

1012. Salida del compresor.1012. Compressor outlet.

1013. (no se usa)1013. (not used)

1014. (no se usa)1014. (not used)

1015. Ramal hecho de un haz de tubos, para paso del fluido de trabajo en la rama fría, de alta presión, en el intercambiador regenerativo.1015. Branch made of a bundle of tubes, for the passage of the working fluid in the cold, high pressure branch in the regenerative exchanger.

1016. Salida del ramal de alta presión del intercambiador regenerativo y colector de conexión con el foco caliente1016. Outlet of the high pressure branch of the regenerative exchanger and connection manifold with the hot bulb

1017. Foco caliente, que es un intercambiador a contracorriente con un fluido exterior de muy alta temperatura, que puede provenir de fuentes energéticas diversas1017. Hot spot, which is a countercurrent exchanger with an external fluid of very high temperature, which can come from various energy sources

1018. Salida, desde el foco caliente, del fluido a alta presión y a la más alta temperatura, para entrada en la turbina1018. Outlet, from the hot spot, of the fluid at high pressure and at the highest temperature, for entry into the turbine

1019. Entrada del fluido exterior de muy alta temperatura, en el foco caliente 1019. Entry of the external fluid of very high temperature, in the hot spot

1020. Salida del fluido exterior del foco caliente1020. Outlet of the external fluid of the hot bulb

1021. (no se usa)1021. (not used)

1022. (no se usa)1022. (not used)

1023. (no se usa)1023. (not used)

1024. (no se usa)1024. (not used)

1025. Recuperador mecánico post compresor (11)1025. Post compressor mechanical recuperator (11)

1026. Colector del que salen los tubos del intercambiador regenerativo 1026. Manifold from which the regenerative exchanger tubes exit

Para las figuras 9, 10 y 11, se usan las etiquetas siguientesFor Figures 9, 10 and 11, the following labels are used

2001. Carcasa del intercambiador regenerativo, de cuerpo cilíndrico.2001. Regenerative exchanger housing, cylindrical body.

2002. Conducción prismática del fluido de trabajo, para mantener una disposición de tubos cuadrangular regular.2002. Prismatic conduction of the working fluid, to maintain a regular quadrangular tube arrangement.

2003. Volúmenes de fluido de trabajo estancado, con la misma presión que en el interior del prisma, aunque sin desplazamiento longitudinal de fluido.2003. Stagnant working fluid volumes, with the same pressure as inside the prism, although without longitudinal fluid displacement.

2004. Tubos por dentro de los cuales va el fluido a alta presión.2004. Tubes inside which the high pressure fluid goes.

2005. Espacios entre tubos, que constituyen las celdas elementales de paso del fluido a baja presión.2005. Spaces between tubes, which constitute the elementary cells for the passage of the fluid at low pressure.

2006. Cuerpo de un recuperador mecánico, para convertir energía cinética del flujo en energía de presión.2006. Body of a mechanical recuperator, to convert kinetic energy of the flow into pressure energy.

2007. Boca de entrada en el recuperador.2007. Inlet in the recuperator.

2008. Boca de salida del recuperador.2008. Recovery outlet mouth.

2009. Separadores longitudinales de flujo.2009. Longitudinal flow separators.

2010. Eje virtual de revolución del recuperador.2010. Virtual axis of revolution of the recuperator.

2011. Separadores alabeados del flujo de fluido.2011. Warped fluid flow separators.

MODO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓNMODE OF EMBODIMENT OF THE INVENTION

El sistema se materializa integrando apropiadamente los dos elementos físicos que le componen: el fluido de trabajo, y el equipamiento termo-mecánico en el que se dan los procesos que componen el ciclo. Dicho equipamiento consta de un circuito principal que comprende:The system is materialized by appropriately integrating the two physical elements that compose it: the working fluid, and the thermo-mechanical equipment in which the processes that make up the cycle take place. Said equipment consists of a main circuit that includes:

- un compresor (11), con su plato de álabes y su difusor estático de salida, estando accionado el plato de álabes por un motor eléctrico (13); - a compressor (11), with its blade plate and its static outlet diffuser, the blade plate being driven by an electric motor (13);

- un recuperador de energía mecánica post compresor (25), con forma de bocina ;- a post-compressor mechanical energy recuperator (25), shaped like a horn;

- un intercambiador de calor regenerativo (4), con ramal de alta presión, que está conectado al recuperador anterior (25), fluyendo el gas a alta presión por dentro de los tubos, y el gas de baja presión por fuera de ellos, dentro de la carcasa (3), procediendo dicho gas de baja presión, del recuperador mecánico (2) conectado a la salida de la turbina (1);- A regenerative heat exchanger (4), with a high-pressure branch, which is connected to the previous recuperator (25), the high-pressure gas flowing inside the tubes, and the low-pressure gas outside them, inside from the casing (3), said low pressure gas coming from the mechanical recuperator (2) connected to the outlet of the turbine (1);

- un foco caliente, que es un intercambiador (17), en el cual se aporta calor desde un fluido caliente exterior (19), al fluido de trabajo que se mueve en circuito cerrado, al final de su recorrido a alta presión;- a hot spot, which is an exchanger (17), in which heat is supplied from an external hot fluid (19), to the working fluid that moves in a closed circuit, at the end of its high pressure path;

- una turbina (1) de expansión de gas, con dos sub-etapas internas: la corona de toberas para creación de chorros de muy alta velocidad, sin alcanzar la velocidad del sonido; y los álabes cuyo rodete de giro está unido a un eje de revolución (24), que está solidariamente unido a un generador eléctrico (14);- a gas expansion turbine (1), with two internal sub-stages: the crown of nozzles for creating very high speed jets, without reaching the speed of sound; and the blades whose turning impeller is attached to an axis of revolution (24), which is integrally attached to an electric generator (14);

- un recuperador de energía mecánica post turbina (2), con forma de bocina, cuyo extremo de menor sección, o boca, está unido al escape de la turbina (1); estando su otro extremo unido a la carcasa del intercambiador regenerativo (4);- a post-turbine mechanical energy recuperator (2), shaped like a horn, the end of which is smaller section, or mouth, is attached to the turbine exhaust (1); its other end being attached to the casing of the regenerative exchanger (4);

- un foco frío, que es un intercambiador (6), en el cual se extrae calor desde el fluido de trabajo, al final de su recorrido a baja presión, a un fluido frío exterior (7,10), como puede ser aire de la atmósfera o agua de la hidrosfera.- a cold source, which is an exchanger (6), in which heat is extracted from the working fluid, at the end of its path at low pressure, to an external cold fluid (7,10), such as air from the atmosphere or water of the hydrosphere.

Para la materialización de la invención se selecciona un fluido de trabajo entre sustancia pura o mezcla de sustancias, que se comporte como gas ideal en el dominio termodinámico en el que se desarrolla el ciclo. Para ello se verifica que su parámetro fp sea menor que 1 en el punto de salida del compresor. En la selección se ha de contar también con la estabilidad química del gas, de que no se descomponga con los sucesivos aumentos de temperatura.For the realization of the invention, a working fluid is selected from a pure substance or a mixture of substances, which behaves as an ideal gas in the thermodynamic domain in which the cycle develops. To do this, it is verified that its parameter fp is less than 1 at the compressor output point. In the selection, the chemical stability of the gas must also be taken into account, so that it does not decompose with successive increases in temperature.

Los gases candidatos más inmediatos pueden ser monoatómicos, como el argón; diatómicos, como el nitrógeno; o triatómicos, como el CO2.The most immediate candidate gases can be monatomic, such as argon; diatomic, such as nitrogen; or triatomic, like CO2.

Para valorarlos, se usa la razón o cociente de temperaturas, t, en una isentrópica, que es To value them, the ratio or quotient of temperatures, t, is used in an isentropic, which is

€ = r P€ = r P

Esto permite expresar el rendimiento realista comoThis allows realistic performance to be expressed as

Figure imgf000056_0001
Figure imgf000056_0001

Esta expresión es muy importante, pues explica que, para tener el mismo rendimiento con los mismos rendimientos de máquinas, etcétera, los fluidos han de tener el mismo valor de rp, lo cual quiere decir que los fluidos que tengan menor valor de p, necesitarán mayores valores de r. Sin embargo, esto está en contradicción con las compresiones y las expansiones isentrópicas, si se quiere evitar el bloqueo sónico, pues de no hacerlo, el rendimiento de las máquinas caerá mucho. Si PM es la presión máxima, y PX la del final de una expansión con fluido de velocidad igual a la del sonido, teóricamente, se tieneThis expression is very important, since it explains that, to have the same performance with the same machine performance, etc., the fluids must have the same rp value, which means that the fluids that have a lower p value will need higher values of r. However, this is in contradiction to isentropic compressions and expansions, if you want to avoid sonic blocking, otherwise the performance of the machines will drop a lot. If PM is the maximum pressure, and PX that of the end of an expansion with fluid velocity equal to that of sound, theoretically, we have

Figure imgf000056_0002
Figure imgf000056_0002

Y por tanto, para un solo salto isentrópico, la razón de presiones máxima es rM que valeAnd therefore, for a single isentropic jump, the maximum pressure ratio is rM which is equal to

Figure imgf000056_0003
Figure imgf000056_0003

Esta razón vale 2,05 para el Ar, 1,893 para el N2 y 1,825 para el CO2.This ratio is worth 2.05 for Ar, 1.893 for N2 and 1.825 for CO2.

Es también muy importante la máxima razón de temperaturas que puede darse en una expansión sin bloqueo sónico, que es precisamente (1+y)/2; y respectivamente corresponde, para los tres fluidos dichos, a 1,333; 1,20 y 1,143. Este último valor es la t de la ecuación del rendimiento, lo que significa que, a igualdad de todos los parámetros de la instalación (p, 0, y los rendimientos q) el fluido que tiene menor valor de t, el CO2 en este caso, es el que mejor rendimiento total £r tendrá. Ahora bien, debido a su alta temperatura crítica (31°C), el CO2 es el que peor se comporta como gas ideal, y su parámetro 0 es casi el doble que los valores para Ar y N2.The maximum temperature ratio that can occur in an expansion without sonic block is also very important, which is precisely (1+ y ) / 2; and respectively corresponds, for the three said fluids, to 1,333; 1.20 and 1.143. This last value is the t of the performance equation, which means that, equal to all the installation parameters (p, 0, and the performances q) the fluid with the lowest value of t, in this case CO2 , is the one with the best total return £ r. However, due to its high critical temperature (31 ° C), CO2 is the one that behaves the worst as an ideal gas, and its parameter 0 is almost double that of the values for Ar and N2.

Por hallarse en el medio de las dos tendencias, alto y bajo valor de y, será este último, N2, el que se escoja para dar ejemplos concretos de valores de T, P y rendimiento del ciclo propuesto.Because it is in the middle of the two trends, high and low value of y , it will be the latter, N2, which is chosen to give concrete examples of values of T, P and performance of the proposed cycle.

Téngase en cuenta, además, que el rendimiento £ no lo es todo. También importa el trabajo específico de la turbina, Wt, (J/kg) pues la potencia real, N, (J/s) dada por la turbina en el eje, es función del trabajo específico y el gasto m’ (kg/s):Also note that £ performance is not everything. The specific work of the turbine, Wt, (J / kg) also matters since the real power, N, (J / s) given by the turbine on the shaft, is a function of the specific work and the flow m ' (kg / s):

a = m'Wt a = m'Wt

Y Wt se puede aproximar muy bien, por ser gas ideal con Calor específico a presión constante, Cp, en función de la temperatura de entrada TM y de salida, TX de la turbinaAnd Wt can be approximated very well, as it is an ideal gas with specific heat at constant pressure, Cp, as a function of the inlet temperature TM and outlet temperature, TX of the turbine.

W = Cp{Tm - Tx) W = Cp {Tm - Tx)

Dado que TM= t Tx; el CO2 es el de más bajo trabajo específico, y por tanto, el que necesita mayor flujo másico o gasto (m’).Since TM = t Tx; CO2 is the one with the lowest specific work, and therefore, the one that needs the highest mass flow or expense (m ').

Este gasto en fijo una vez puesto el sistema en condiciones de operación. Se puede necesitar, como se prevé en la figura 3, un circuito auxiliar de carga y descarga del fluido de trabajo, pero el régimen de funcionamiento nominal no necesita inyecciones ni extracciones de fluido. En este circuito auxiliar son convencionales las válvulas (26 y 26 b) y el tanque (28). Asimismo se cuenta con una válvula de alivio (27).This expense is fixed once the system is in operating condition. An auxiliary circuit for charging and discharging the working fluid may be required, as envisaged in figure 3, but the nominal operating regime does not require injections or extractions of fluid. In this auxiliary circuit, the valves (26 and 26 b) and the tank (28) are conventional. It also has a relief valve (27).

Para valorar el ciclo propuesto, sobre lo existente en el estado del arte, se puede escribir la expresión paramétrica del rendimiento del motor, como:To assess the proposed cycle, based on what exists in the state of the art, the parametric expression of engine performance can be written, such as:

Figure imgf000057_0001
Figure imgf000057_0001

siendo t la razón (teórica o ideal) de temperaturas en la turbinawhere t is the ratio (theoretical or ideal) of temperatures in the turbine

Figure imgf000057_0002
Figure imgf000057_0002

Y p’ el cociente de Carnot, modificado por los rendimientos mecánicosAnd p ’is the Carnot quotient, modified by the mechanical performances

¿ = McRtRj¿= McRtRj

Siendo el parámetro del rendimiento de regeneración térmicaBeing the parameter of thermal regeneration performance

Figure imgf000057_0003
Figure imgf000057_0003

Puede apreciarse que el efecto de los rendimientos mecánicos es igual a reducir el valor de la máxima temperatura del gas de trabajo, en la misma proporción, respecto de la temperatura mínima del gas, T0. Ello indica claramente la importancia de mejorar esos rendimientos. It can be seen that the effect of the mechanical performances is equal to reducing the value of the maximum temperature of the working gas, in the same proportion, with respect to the minimum temperature of the gas, T0. This clearly indicates the importance of improving these returns.

Para valorar el ciclo propuesto, se supondrá un rendimiento del compresor del To assess the proposed cycle, a compressor performance of the

85% y el de la turbina del 75% y el rendimiento por pérdida de carga se puede 85% and that of the turbine 75% and the performance by loss of load can be

expresar en función de r y j express in terms of r and j

■ = Í L 4 l■ = Í L 4 l

J PMP0J PMP0

siendo Pc la presión a la salida del compresor, PM la presión a la entrada de la where Pc is the pressure at the compressor outlet, PM the pressure at the

turbina, Pt la salida de la turbina, y P0 a la entrada del compresor.turbine, Pt at the turbine outlet, and P0 at the compressor inlet.

Este rendimiento cabe estimarlo de antemano, aunque depende de las This performance can be estimated in advance, although it depends on the

propiedades de funcionamiento del sistema en su conjunto (al contrario que los operating properties of the system as a whole (as opposed to

rendimientos del compresor y de la turbina, que se pueden determinar compressor and turbine performances, which can be determined

experimentalmente antes, con notoria precisión).experimentally before, with remarkable precision).

El valor de qj en función de j y de r (para el N2, como hemos dicho) se da en la The value of qj as a function of j and r (for N2, as we have said) is given in

tabla siguiente:following table:

j r =1,1 r=1,2 r=1,4 r=1,6 r=1,8 r=2 1,001 0,9895 0,9944 0,9969 0,9977 0,9982 0,9984 1,01 0,9042 0,9469 0,9699 0,9778 0,9819 0,9844 1,015 0,8630 0,9225 0,9556 0,9672 0,9732 0,9768 1,02 0,8256 0,8995 0,9417 0,9568 0,9646 0,9694 1,025 0,7914 0,8776 0,9283 0,9467 0,9562 0,9621 1,03 0,7600 0,8568 0,9153 0,9368 0,9480 0,9549 1,035 0,7312 0,8371 0,9027 0,9271 0,9399 0,9479 1,04 0,7045 0,8183 0,8905 0,9177 0,9321 0,9410 1,045 0,6798 0,8004 0,8787 0,9085 0,9243 0,9342 1,05 0,6568 0,7834 0,8672 0,8995 0,9167 0,9275 1,06 0,6154 0,7515 0,8452 0,8821 0,9020 0,9145 1,07 0,5792 0,7222 0,8244 0,8655 0,8879 0,9020jr = 1.1 r = 1.2 r = 1.4 r = 1.6 r = 1.8 r = 2 1.001 0.9895 0.9944 0.9969 0.9977 0.9982 0.9984 1.01 0.9042 0.9469 0.9699 0.9778 0.9819 0.9844 1.015 0.8630 0.9225 0.9556 0.9672 0.9732 0.9768 1.02 0.8256 0.8995 0.9417 0 .9568 0.9646 0.9694 1.025 0.7914 0.8776 0.9283 0.9467 0.9562 0.9621 1.03 0.7600 0.8568 0.9153 0.9368 0.9480 0.9549 1.035 0 .7312 0.8371 0.9027 0.9271 0.9399 0.9479 1.04 0.7045 0.8183 0.8905 0.9177 0.9321 0.9410 1.045 0.6798 0.8004 0.8787 0, 9085 0.9243 0.9342 1.05 0.6568 0.7834 0.8672 0.8995 0.9167 0.9275 1.06 0.6154 0.7515 0.8452 0.8821 0.9020 0.9145 1 .07 0.5792 0.7222 0.8244 0.8655 0.8879 0.9020

En la tabla inmediatamente precedente, se aprecia que el rendimiento baja In the immediately preceding table, it can be seen that the performance drops

mucho para valores bajos de r, especialmente para valores altos de j. La tabla a lot for low values of r, especially for high values of j. The board

indica que no se debe bajar de un valor de 1,6 para r; no se debe subir de 1,025 indicates that you should not go below a value of 1.6 for r; it should not rise above 1,025

para j. Esto último requerirá intercambiadores de calor de alto número de to J. The latter will require high-number heat exchangers

conductos en paralelo, de longitud pequeña o moderada, lo cual coincide con la parallel ducts of short or moderate length, which is consistent with the

selección hecha de flujo laminar para los intercambiadores, especialmente el selection made of laminar flow for the exchangers, especially the

regenerativo. regenerative.

Eso significa que a pesar de lo ya conocido, de que el rendimiento del ciclo teórico crece al decrecer r, hay que tener en cuenta que la parte realista del movimiento del gas, que se concreta en pérdida de carga manométrica, presenta el comportamiento contrario: su rendimiento empeora cuando bajamos r.This means that despite what is already known, that the performance of the theoretical cycle increases as r decreases, it must be taken into account that the realistic part of the gas movement, which is specified in manometric head loss, presents the opposite behavior: its performance worsens when we lower r.

Algo análogo sucede con la regeneración. Una parte de la entalpía no recuperada en esa fase, la que depende de la ecuación de estado del gas, disminuye al reducirse r; pero la correspondiente a mantener una diferencia Dt (20 K, como referencia) entre las corrientes caliente y fría de la regeneración, va a ser relativamente más gravosa para el rendimiento cuando disminuya r, pues disminuye también el decremento entálpico de la turbina. Esto se aprecia en la tabla siguiente, que presenta el cálculo del rendimiento de la regeneración, usando N2 como gas de trabajoSomething analogous happens with regeneration. A part of the enthalpy not recovered in this phase, which depends on the gas equation of state, decreases as r decreases; but the one corresponding to maintaining a difference Dt (20 K, as a reference) between the hot and cold currents of the regeneration, will be relatively more burdensome for the performance when r decreases, since the enthalpy decrease of the turbine also decreases. This can be seen in the following table, which presents the calculation of the regeneration performance, using N2 as the working gas.

r [=1,01 [=1,02 [=1,025r [= 1.01 [= 1.02 [= 1.025

1.1 0,72892784 0,57347479 0,518216671.1 0.72892784 0.57347479 0.51821667

1.2 0,8355474 0,71754522 0,67021861.2 0.8355474 0.71754522 0.6702186

1.3 0,87847867 0,78329198 0,743036491.3 0.87847867 0.78329198 0.74303649

1.4 0,90171591 0,82102247 0,785859661.4 0.90171591 0.82102247 0.78585966

1.5 0,91631228 0,84555012 0,814115131.5 0.91631228 0.84555012 0.81411513

1.6 0,92635042 0,86280518 0,834193421.6 0.92635042 0.86280518 0.83419342

1.7 0,93368932 0,87562596 0,849220711.7 0.93368932 0.87562596 0.84922071

1.8 0,93929704 0,88554201 0,860907571.8 0.93929704 0.88554201 0.86090757

Obviamente las muy bajas r no tienen sentido práctico, pero es que tampoco son admisibles por los bajísimos resultados del rendimiento de la fase de regeneración del calor. Como complemento informativo, hay que señalar que Dt es igual a la potencia térmica total a regenerar, dividida por el producto del área de termo-transferencia por el coeficiente global de transmisión de calor a través de dicha área, y como rango de referencia de su valor, éste se puede acotar entre 5 y 20 °C.Obviously the very low r's do not make practical sense, but they are not admissible either due to the very low performance results of the heat regeneration phase. As an informative complement, it should be noted that Dt is equal to the total thermal power to be regenerated, divided by the product of the heat transfer area by the global heat transfer coefficient through said area, and as a reference range of its value, it can be limited between 5 and 20 ° C.

Es obligado señalar que la materialización de esta invención exige disponer consecutivamente los elementos o componentes de ingeniería térmica en los que se desarrolla cada fase del ciclo, para cuya comprensión es importante ponerlo en concordancia con la figura 2, lo que asocia cada componente, anteriormente citados del circuito principal, a una determinada evolución del fluido, según se indica a continuación: It is necessary to point out that the realization of this invention requires consecutively arranging the elements or components of thermal engineering in which each phase of the cycle takes place, for whose understanding it is important to put it in accordance with figure 2, which associates each component, previously mentioned of the main circuit, to a certain evolution of the fluid, as indicated below:

- compresor (11) con su motor (13); gracias al compresor, el fluido evoluciona por la isentrópica LSc; al final de esa fase, se representa, entre los puntos 35 y 36, un calentamiento de origen interno, pues es el de las irreversibilidades durante la compresión, que se han agrupado así, para evidenciarlo mejor, pero se podría dibujar directamente la línea de la compresión desde el punto 29 al 36 directamente;- compressor (11) with its motor (13); thanks to the compressor, the fluid evolves through the isentropic LSc; At the end of this phase, a heating of internal origin is represented between points 35 and 36, since it is that of the irreversibilities during compression, which have been grouped in this way, to better demonstrate it, but the line of compression from point 29 to 36 directly;

- recuperador mecánico abocinado (25) a la salida del compresor (11) pasando el fluido del punto 36 al 37, con lo cual se incrementa la presión estática del fluido, y se reduce su velocidad, ajustándola al régimen laminar buscado;- flared mechanical recuperator (25) at the compressor outlet (11) passing the fluid from point 36 to 37, thereby increasing the static pressure of the fluid, and reducing its speed, adjusting it to the laminar regime sought;

- ramal de alta presión, por dentro de los tubos en haz cuadrangular (15), que conforman el cuerpo principal del intercambiador regenerativo (4); y de ellos emerge el fluido en el punto 42 de la figura 2;- High pressure branch, inside the quadrangular bundle tubes (15), which make up the main body of the regenerative exchanger (4); and from them emerges the fluid at point 42 of figure 2;

- conducto de sección constante que une la salida del haz de tubos (15) con el foco caliente (17) en el ramal de alta presión;- constant section conduit that connects the outlet of the tube bundle (15) with the hot spot (17) in the high pressure branch;

- foco caliente (17) que esencialmente es un intercambiador donde el fluido caliente procede de una fuente térmica exterior, entrando por el conducto 19 y saliendo por el 20, fluyendo a contracorriente del fluido de trabajo, el cual se calienta hasta el punto (30) de máxima entalpía en el ciclo;- hot spot (17) which is essentially an exchanger where the hot fluid comes from an external heat source, entering through conduit 19 and exiting through 20, flowing countercurrent to the working fluid, which heats up to the point (30 ) of maximum enthalpy in the cycle;

- conducto colector (18) de entrada a la turbina (1)- collector duct (18) inlet to the turbine (1)

- más la propia turbina (1) que acciona el generador eléctrico (14);- plus the turbine itself (1) that drives the electric generator (14);

experimentando el fluido de trabajo una expansión isentrópica a lo largo de la línea LSt, llegando, como resultado final teórico al punto 38, tras el que se añade en la figura 2 un tramo isóbaro de calentamiento, hasta el punto 39, siendo dicho calor el aportado por irreversibilidades;the working fluid experiencing an isentropic expansion along the line LSt, arriving, as a final theoretical result at point 38, after which an isobar heating section is added in figure 2, up to point 39, said heat being the contributed by irreversibilities;

- existiendo como componente tras el escape de la turbina (1), el recuperador mecánico post turbina (2), que corresponde a una conexión abocinada en el que se recupera mecánicamente el fluido de trabajo, que pierde velocidad, y por ende presión dinámica, y gana presión estática, y conduce al fluido hasta la entrada en el ramal de baja presión del intercambiador regenerativo (4); - Existing as a component after the turbine exhaust (1), the post-turbine mechanical recuperator (2), which corresponds to a flared connection in which the working fluid is mechanically recovered, which loses speed, and therefore dynamic pressure, and it gains static pressure, and leads the fluid to the entrance in the low pressure branch of the regenerative exchanger (4);

- saliendo el fluido de dicho ramal de baja por el colector (5), que lo introduce en el foco frío (6)- the fluid exiting said downstream branch through the collector (5), which introduces it into the cold source (6)

- siendo el foco frío (6) un intercambiador a contracorriente, refrigerado por un fluido frío que procede de un reservorio exterior de baja temperatura, y entra por el conducto (7) y sale por el (10)- the cold source (6) being a countercurrent exchanger, cooled by a cold fluid that comes from an external low-temperature reservoir, and enters through the conduit (7) and exits through the (10)

- pasando el fluido de trabajo desde el foco frío (6) al compresor (11) por un conducto (8).- passing the working fluid from the cold source (6) to the compressor (11) through a conduit (8).

La materialización incluye como cuestión esencial fijar los niveles de las variables relevantes en la definición del ciclo, cumpliendo las prescripciones ya expresadas; en particular, no llegar al bloqueo sónico, al acelerarse en una corona de toberas, lo cual obliga a que el cociente entre la presión superior en el escalón, Psup y la inferior, Pinf, r, cumplaThe materialization includes as an essential question to fix the levels of the relevant variables in the definition of the cycle, fulfilling the prescriptions already expressed; in particular, not reaching the sonic block, when accelerating in a nozzle crown, which forces the quotient between the upper pressure in the step, Psup and the lower pressure, Pinf, r, to comply

Figure imgf000061_0001
Figure imgf000061_0001

Y a su vez r ha de ser mayor que el valor que proporciona un rendimiento de regeneración que no sea menor que el producto de los rendimientos, por irreversibilidades térmicas, del compresor y la turbina.And in turn r must be greater than the value that provides a regeneration performance that is not less than the product of the performance, due to thermal irreversibilities, of the compressor and the turbine.

En el caso que se va a adoptar para valorar el ciclo, los rendimientos en cuestión se toman, ambos dos, turbina y compresor, de 0,95; lo que da como límite de rendimiento de regeneración 0,914;lo cual exige, según la tabla anteriormente dada para este rendimiento, que r sea mayor que 1,4 y que la diferencia de temperaturas en el intercambiador regenerativo sea menor que el 1% de la temperatura absoluta máxima que alcanza el fluido, multiplicada por el rendimiento termo-mecánico de la turbina, que incluye como pérdida la energía cinética del fluido a la salida de la turbina.In the case to be adopted to assess the cycle, the yields in question are taken, both, turbine and compressor, of 0.95; which gives 0.914 as the regeneration performance limit; which requires, according to the table given above for this performance, that r be greater than 1.4 and that the temperature difference in the regenerative exchanger be less than 1% of the maximum absolute temperature that the fluid reaches, multiplied by the thermo-mechanical performance of the turbine, which includes the kinetic energy of the fluid at the outlet of the turbine as a loss.

Para valorar el ciclo propuesto, se supondrá un rendimiento termo-mecánico del compresor del 85% y el de la turbina del 75%. El parámetro 0, que mide el rendimiento de regeneración, se puede estimar en 0,05 (una pérdida de 20 K en 400 K de regeneración) y el rendimiento por pérdida de carga se puede suponer igual a 1, si se escoge bien el punto de funcionamiento, como así se ha hecho, al imponer flujo laminar, en los intercambiadores, lo que comporta una presión dinámica despreciable. To assess the proposed cycle, a thermo-mechanical efficiency of the compressor of 85% and that of the turbine of 75% will be assumed. Parameter 0, which measures the regeneration performance, can be estimated at 0.05 (a loss of 20 K in 400 K of regeneration) and the performance due to pressure loss can be assumed equal to 1, if the point is chosen well operating, as has been done, by imposing laminar flow on the exchangers, which entails a negligible dynamic pressure.

La figura 1 muestra un ciclo de estado del arte, en el cual se va a partir de los puntos termodinámicos de mínima y máxima entalpia, que son los puntos 29 y 30Figure 1 shows a cycle of the state of the art, which starts from the thermodynamic points of minimum and maximum enthalpy, which are points 29 and 30

La tabla siguiente muestra P y T para cada punto señalado.The table below shows P and T for each marked point.

Figure imgf000062_0001
Figure imgf000062_0001

El rendimiento termo-mecánico de este ciclo se puede expresar como la potencia útil (que es la de la turbina, menos la del compresor) dividida por la potencia aportada al foco caliente.The thermo-mechanical efficiency of this cycle can be expressed as the useful power (which is that of the turbine, minus that of the compressor) divided by the power supplied to the hot bulb.

Se considera que el Cp es constante (y de hecho lo es, el del N2, en ese dominio, y su valor se puede redondear a 1.000 J/kgK).The Cp is considered to be constant (and indeed it is, that of N2, in that domain, and its value can be rounded to 1,000 J / kgK).

La formulación del rendimiento antedicho, se reescribe pues como diferencia de temperaturas, mayor menos menor, de cada fase, lo que produceThe formulation of the aforementioned performance is therefore rewritten as a temperature difference, greater less less, of each phase, which produces

(1200 - 1055) - (368 - 300)(1200 - 1055) - (368 - 300)

£ = ------------------------------------= 0,467£ = ------------------------------------ = 0.467

12 00 - 103512 00 - 1035

Para el ciclo novedoso de la figura 2, las temperaturas de sus puntos termodinámicos extremos, 29 y 30, son las mismas que antes, pero varían notablemente los valores de los otros puntos, incluyendo los nuevos puntos que aparecen en la recuperación de energía mecánica tras la compresión y la expansión. En este caso hay que diferenciar, en los rendimientos asignados al compresor y a la turbina, lo que corresponde a pérdidas de tipo térmico, que esencialmente van a calentar el fluido de trabajo emergente (sin incrementar su presión) y las pérdidas de tipo mecánico, por alta velocidad de salida, lo cual se puede convertir en aumento de presión (y de temperatura, de forma isentrópica) en los recuperadores mecánicos. For the novel cycle of Figure 2, the temperatures of its extreme thermodynamic points, 29 and 30, are the same as before, but the values of the other points vary considerably, including the new points that appear in the recovery of mechanical energy after compression and expansion. In this case, it is necessary to differentiate, in the efficiencies assigned to the compressor and the turbine, what corresponds to thermal losses, which essentially will heat the emerging working fluid (without increasing its pressure), and mechanical losses, for high outlet velocity, which can be converted into pressure (and temperature, isentropic) increase in mechanical recuperators.

En concreto, para el compresor, con 0,85 de rendimiento, asumimos que de los 0,15 de pérdidas, 0,05 son de tipo térmico y 0,10 mecánico; y en la turbina, con 0,75 de rendimiento, las pérdidas se reparten entre 0,05 de tipo térmico y 0,20 mecánico. Como las pérdidas mecánicas se recuperan, se verá que el salto de presiones dado en el compresor es menor que el dado en la turbina. De hecho, el análisis del ciclo se ha de empezar por la turbina, porque al ser el salto mayor, es donde se le aplica la limitación de no llegar al bloqueo sónico. Así pues, la r de la turbina es 1,85; y la del compresor saldrá de los resultados de las recuperaciones mecánicas.Specifically, for the compressor, with 0.85 performance, we assume that of the 0.15 losses, 0.05 are thermal and 0.10 mechanical; and in the turbine, with 0.75 performance, the losses are distributed between 0.05 thermal and 0.20 mechanical. As the mechanical losses recover, it will be seen that the pressure drop given in the compressor is less than that given in the turbine. In fact, the analysis of the cycle has to start with the turbine, because as it is the largest jump, it is where the limitation of not reaching the sonic block is applied. Thus, the r of the turbine is 1.85; and that of the compressor will come from the results of mechanical recoveries.

Con el valor dado de r se deduce que la T de salida de la expansión isentrópica completa es 1007 K (bajo una temperatura de entrada de 1200 K). A partir de ahí se añade el efecto de la irreversibilidad térmica y de la recuperación mecánica post turbina; y de manera auto-consistente, por haber supuesto un rendimiento de compresión, se encuentran los valores de los puntos post compresión.With the given value of r it follows that the exit T of the complete isentropic expansion is 1007 K (under an inlet temperature of 1200 K). From there, the effect of thermal irreversibility and post-turbine mechanical recovery is added; and in a self-consistent way, having assumed a compression performance, the values of the post compression points are found.

Todo ello se resume en la siguiente tabla. Se repite la advertencia de que el dibujo no está exactamente a escala, pues en ese caso habría efectos que no se apreciarían. Desde el punto de vista de la precisión, sólo son válidas las tablas.All of this is summarized in the following table. The warning is repeated that the drawing is not exactly to scale, as in that case there would be effects that would not be appreciated. From the point of view of precision, only tables are valid.

Figure imgf000063_0001
Figure imgf000063_0001

El rendimiento se obtiene por la misma formulación del caso anterior, pero ahora contamos con que el trabajo específico de la turbina e s 0,75 (1200-1007), lo que da 145 kJ/kg.The performance is obtained by the same formulation of the previous case, but now we have that the specific work of the turbine is 0.75 (1200-1007), which gives 145 kJ / kg.

El del compresor e s el total de subir desde el punto 29 al 37, y por tanto 47,5 kJ/kg.That of the compressor is the total to rise from point 29 to 37, and therefore 47.5 kJ / kg.

En el foco caliente se ha de transferir al fluido una entalpía específica igual al Cp multiplicado por la diferencia de temperaturas entre el punto 30 y el 42 (1200 -1034 =166). El rendimiento queda:In the hot spot, a specific enthalpy equal to Cp multiplied by the temperature difference between point 30 and point 42 (1200 -1034 = 166) must be transferred to the fluid. The performance remains:

e = 1451~6647,5=0,587 e = 1451 ~ 6647.5 = 0.587

Estos datos ponen de manifiesto que el sistem a tiene muy buenas características para alcanzar eficiencias no comunes en el estado del arte, gracias a la recuperación mecánica que se realiza. Esto se acentúa si se utilizan ciclos en cascada, como el expuesto en el diagrama termodinámico de la figura 4. En este caso se parte de las mismas temperaturas extremas, en los puntos 29 y 30, y la mínima presión, de 0,1 MPa se alcanza en el final de la expansión de la turbina de baja; siendo los saltos de presión en cada turbina de r=1,85.These data show that the system has very good characteristics to achieve efficiencies not common in the state of the art, thanks to the mechanical recovery that is carried out. This is accentuated if cascade cycles are used, such as the one shown in the thermodynamic diagram of figure 4. In this case, the starting point is the same extreme temperatures, at points 29 and 30, and the minimum pressure, 0.1 MPa it is reached at the end of the low turbine expansion; being the pressure jumps in each turbine of r = 1.85.

Los datos del ciclo, siempre con N2, sonThe cycle data, always with N2, are

Figure imgf000064_0001
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El rendimiento de la cascada de la figura 5 e s parecido en formulación al caso de un sólo nivel, pues tanto el trabajo de la turbina como el del compresor, se duplican. Sin embargo, el denominador no se duplica, pues en el primer calentamiento en el foco caliente, se va desde el punto 42 al 30, lo que representa Dt grados Celsius m ás que en en el segundo calentamiento, que va desde el punto 40b al 44, de modo que en el caso de la tabla anterior se tiene The performance of the cascade of figure 5 is similar in formulation to the case of a single level, since both the work of the turbine and that of the compressor are doubled. However, the denominator is not doubled, because in the first heating in the hot spot, it goes from point 42 to 30, which represents Dt degrees Celsius more than in the second heating, which goes from point 40b to 44, so that in the case of the previous table we have

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Figure imgf000065_0001

Para un número muy alto de etapas, el tercer y siguiente calentamiento intermedio entre dos turbinas de presión decreciente, tendrían el mismo incremento entálpico que el segundo, lo cual haría que el rendimiento global de dicho ciclo con numerosos escalones se acercara a a 97,5 dividido por 150, lo cual da 0,65.For a very high number of stages, the third and subsequent intermediate heating between two decreasing pressure turbines would have the same enthalpy increase as the second, which would bring the overall performance of said cycle with numerous steps closer to 97.5 divided times 150, which is 0.65.

El rendimiento de Carnot con las mencionadas temperaturas extremas sería de 0,75.The Carnot yield with the mentioned extreme temperatures would be 0.75.

Otra cuestión esencial e s la materialización física de los diversos componentes, y la determinación de su s dimensiones. En el caso de los intercambiadores de calor, y especialmente el regenerativo, en el cual se requiere un alto rendimiento de recuperación del calor, se ha optado por una transmisión en régimen laminar, con velocidades del fluido del orden de 1 m/S y conducciones de 1 cm de diámetro, que incluso con la densidad máxima que va a haber (de 1 kg/m3) y una viscosidad representativa (33 m icroPascalessegundo) da un Reynolds de 300, que proporciona una razón de aspecto (L/R) en el tubo intercambiador de 2800, por lo cual el tubo habría de tener 14 m de largo (puede estar en U), todo ello según la ecuación Another essential question is the physical materialization of the various components, and the determination of their dimensions. In the case of heat exchangers, and especially the regenerative one, in which a high heat recovery performance is required, a transmission in laminar regime has been chosen, with fluid velocities of the order of 1 m / S and pipes of 1 cm in diameter, which even with the maximum density that will exist (of 1 kg / m3) and a representative viscosity (33 microPascalsecond) gives a Reynolds of 300, which provides an aspect ratio (L / R) in the 2800 exchanger tube, so the tube would have to be 14 m long (it can be in a U), all according to the equation

L AT PrL AT Pr

— = ---------Re- = --------- Re

R ST 2,25R ST 2.25

En ella se ha considerado que el cociente entre el incremento de temperatura (entre entrada y salida; por ejemplo, 600°C) y la diferencia de temperaturas entre el fluido caliente y el frío (20°C) e s de 30, y el Prandtl vale 0,7.In it, it has been considered that the quotient between the increase in temperature (between inlet and outlet; for example, 600 ° C) and the difference in temperature between the hot and cold fluid (20 ° C) is 30, and the Prandtl is worth 0.7.

Si se hubiera escogido por diseño un caso bien turbulento, con velocidad de 10 m/s y 10 cm de diámetro, su Reynolds habría sido de 30.000, y de acuerdo con la ecuación correspondienteIf a well turbulent case had been chosen by design, with a velocity of 10 m / s and 10 cm in diameter, its Reynolds would have been 30,000, and according to the corresponding equation

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se tendría un L/R de 8200, por lo que la longitud del tubo sería de 41 m, lo cual sería desproporcionado, y muy malo por conllevar mucha pérdida de carga. De hecho, en el caso laminar la pérdida de carga en el tubo característico que se ha expuesto, e s de 150 Pa; mientras que en el caso turbulento e s de 5.100, treinta y cuatro veces más. Hay que señalar adem ás que la presión dinámica del caso turbulento e s 100 veces superior a la del laminar.it would have an L / R of 8200, so the length of the tube would be 41 m, which would be disproportionate, and very bad because it entails a lot of pressure drop. In fact, in the laminar case the pressure drop in the characteristic tube that has been exposed, is 150 Pa; while in the turbulent case it is 5,100, thirty-four times more. It should also be noted that the dynamic pressure of the turbulent case is 100 times higher than that of the laminar one.

Ciertamente este último requiere mayor número de tubos, pues por los del caso laminar circulan 78 cm3/s, y en el turbulento 0,078 m3/s; e s decir mil veces más; y en gasto 78 mg/s y 78 g/s.Certainly the latter requires a greater number of tubes, since 78 cm3 / s circulate through those of the laminar case, and in the turbulent 0.078 m3 / s; e s say a thousand times more; and in output 78 mg / s and 78 g / s.

Conviene recordar que en el ciclo novedoso simple (una sola etapa) el trabajo específico neto era 97,5 kJ/kg. Si se quisiera disponer de una potencia neta de 1MW, haría falta un gasto de 10,25 kg/s; lo cual significaría 130.000 tubos en el caso laminar, y 130 en el turbulento, lo que encajaría en una red de 361x360 tubitos, y de 11x12, respectivamente, que encajarían en un prisma de 5x5 metros, y 14 metros de largo, en el primer caso, y de 1,5X1,5, y 41 de largo en el segundo. En volumen serían 350 m3 en el intercambiador regenerativo laminar, y 92 en el turbulento. En cuanto a las m asas totales de metal (acero, típicamente) empleado para el intercambiador regenerativo, la ecuación a la que se llega, siendo k una constanteIt should be remembered that in the simple novel cycle (single stage) the net specific work was 97.5 kJ / kg. If you wanted to have a net power of 1MW, you would need an expense of 10.25 kg / s; which would mean 130,000 tubes in the laminar case, and 130 in the turbulent one, which would fit in a network of 361x360 tubes, and 11x12, respectively, that would fit in a prism of 5x5 meters, and 14 meters long, in the first case, and 1.5X1.5, and 41 long in the second. In volume it would be 350 m3 in the laminar regenerative exchanger, and 92 in the turbulent one. Regarding the total masses of metal (steel, typically) used for the regenerative exchanger, the equation reached, where k is a constant

M asa

Figure imgf000066_0002
Mass
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Lo cual hace que la m asa de acero del laminar e s 2,8 veces mayor que la del caso turbulento. Esto e s caro, pero se com pensa con creces gracias a tener una pérdida de carga 34 veces menor, lo que e s muy beneficioso para las prestaciones del sistema.Which makes the steel mass of the laminar is 2.8 times greater than that of the turbulent case. This is expensive, but is more than compensated for by having a 34 times less pressure drop, which is very beneficial for system performance.

Pero el sistem a exige adem ás el correcto acoplamiento entre las salidas de las máquinas, compresor y turbina, y el correspondiente ramal, de alta o baja presión respectivamente, en el intercambiador regenerativo, lo cual se hace mediante las bocinas recuperadoras de energía mecánica post turbina y post compresor (pasando de energía cinética, o presión dinámica, a entalpía, o presión estática).But the system also requires the correct coupling between the outputs of the machines, compressor and turbine, and the corresponding branch, of high or low pressure respectively, in the regenerative exchanger, which is done by means of post mechanical energy recovery horns. turbine and post compressor (going from kinetic energy, or dynamic pressure, to enthalpy, or static pressure).

En la turbina, que e s el componente donde se alcanzan mayores velocidades, en la tobera de entrada se alcanzará una velocidad próxima a 680 m/s; y a la salida la energía cinética representará 20% de la inicial, lo que representará un Mach de 0,44 y por ende una velocidad en salida de 300 m/s.In the turbine, which is the component where higher speeds are reached, in the inlet nozzle a speed close to 680 m / s will be reached; and at the exit the kinetic energy will represent 20% of the initial one, which will represent a Mach of 0.44 and therefore an exit speed of 300 m / s.

Este valor hay que reducirlo en la bocina hasta 1 m/s, en una deceleración isentrópica, en la que la densidad inicial y final se relacionan porThis value must be reduced in the horn to 1 m / s, in an isentropic deceleration, in which the initial and final density are related by

Figure imgf000067_0001
Figure imgf000067_0001

que implica un aumento de la densidad por un factor 1,1; teniendo en cuenta que el valor del número de Mach en la sección 2, que e s el final de la bocina y entrada en el ramal de baja del intercambiador regenerativo, e s despreciable. which implies an increase in density by a factor 1.1; taking into account that the value of the Mach number in section 2, which is the end of the horn and entry into the downstream branch of the regenerative exchanger, is negligible.

La ecuación fundamental a cumplir e s la continuidad de m asa,The fundamental equation to fulfill is the continuity of mass,

p1V1$1 = p2V2$2p1V1 $ 1 = p2V2 $ 2

Con los datos supuestos, se llega a S 2=275 S 1.With the assumed data, we arrive at S 2 = 275 S 1.

La sección recta de salida de la turbina, S 1 , será función de las condiciones que se den en ella, pero se puede suponer una densidad de 0,4 kg/m3, y con la velocidad ya dicha y el gasto másico de 10,5 kg/s, se obtiene una sección recta inicial en la bocina de 0,0875 m2, y la de final de la bocina y entrada en el ramal sería de 24 m2.The straight section of the turbine outlet, S 1 , will be a function of the conditions that occur in it, but a density of 0.4 kg / m3 can be assumed, and with the speed already mentioned and the mass flow rate of 10, 5 kg / s, an initial straight section at the horn of 0.0875 m2 is obtained, and the one at the end of the horn and entry into the branch would be 24 m2.

La razón entre radios de am bas secciones e s de 16,6. La tangente del ángulo de la bocina, supuestamente hecha de pendiente de apertura constante, seríaThe ratio between the radii of both sections is 16.6. The tangent of the horn angle, supposedly made of constant aperture slope, would be

Figure imgf000067_0002
Figure imgf000067_0002

Donde r=2,75 m es el radio en la sección 2, y l la longitud de la bocina. Para 10° de apertura constante (ángulo w) la longitud sería de 14,75 m. E stas medidas, considerablemente proporcionadas, se deben a la mejora introducida en la invención, sobre la forma y propiedades geométricas de los recuperadores mecánicos.Where r = 2.75 m is the radius in section 2, and l is the length of the horn. For 10 ° of constant aperture (angle w) the length would be 14.75 m. These measures, considerably proportionate, are due to the improvement introduced in the invention, on the shape and geometric properties of the mechanical recuperators.

En el estudio del intercambiador regenerativo, se estimó que este tendría una sección recta de 5x5m, pero no se había considerado realmente el ramal de baja, por el exterior de los tubos, sino que se había estimado algo proporcional al ramal de alta, donde los 131.000 tubitos suman una sección recta de 10,3 m2. Sum ado a los 24 m2 para dimensionar el ramal de baja, el intercambiador regenerativo sería un prisma de 34,3 m2 de sección recta, que son 5,8x5,8 metros, lo cual no varía apreciablemente las hipótesis del cálculo realizado, con el que se demuestra la factibilidad de la materialización.In the study of the regenerative exchanger, it was estimated that it would have a straight section of 5x5m, but the lower branch had not really been considered, outside the tubes, but rather something proportional to the upper branch had been estimated, where the 131,000 tubes have a straight section of 10.3 m2. Added to the 24 m2 to size the downstream branch, the regenerative exchanger would be a prism of 34.3 m2 of straight section, which is 5.8x5.8 meters, which does not appreciably vary the hypotheses of the calculation carried out, with the that the feasibility of the materialization is demonstrated.

Seguidamente se describe una mejora de la realización de las figuras 1 a 4, con ayuda de las figuras 6 a 11 en la que se emplea un sistem a auxiliar de aporte de fluido de trabajo conectado al circuito principal.An improvement of the embodiment of Figures 1 to 4 is described below, with the aid of Figures 6 to 11 in which an auxiliary system for supplying the working fluid connected to the main circuit is used.

En este caso, el sistem a completo de la invención se materializa integrando apropiadamente los componentes identificados anteriormente; unos pertenecientes al circuito principal, en el cual se desarrolla el ciclo termodinámico, en circuito cerrado con contenido constante de fluido de trabajo, una vez seleccionada la potencia de operación, y otros pertenecientes al sistem a auxiliar de carga o descarga, o aporte de fluido, con objeto de fijar el contenido del fluido en el valor deseado, lo cual tendrá ante todo implicaciones en los valores de la presión del circuito principal.In this case, the complete system of the invention is materialized by appropriately integrating the components identified above; some belonging to the main circuit, in which the thermodynamic cycle takes place, in a closed circuit with constant content of working fluid, once the operating power has been selected, and others belonging to the auxiliary system for loading or unloading, or fluid supply , in order to fix the fluid content at the desired value, which will first of all have implications for the pressure values of the main circuit.

En las descripciones hechas del circuito principal y del sistem a auxiliar, no se ha detallado la instrumentación, que fundamentalmente e s de medida de temperatura, de presión y de caudal, por ser convencional. Tampoco se ha detallado ningún sistem a de variación de potencia, particularmente de los motores eléctricos de los compresores, pues son elementos estándar.In the descriptions made of the main circuit and the auxiliary system, the instrumentation has not been detailed, which is mainly for measuring temperature, pressure and flow, as it is conventional. Neither has any power variation system been detailed, particularly for the electric motors of the compressors, as they are standard elements.

Es muy importante adem ás señalar que la materialización de la invención puede y debe estar guiada por la optimización del rendimiento, siguiendo precisamente las pautas deducidas de la teoría que sustenta la invención. Por descontado, la utilización de máquinas, turbina y compresor, de mejor rendimiento, comporta la mejora del rendimiento global; y un valor superior del cociente de Carnot (T máxima/ T mínima del fluido en el ciclo) también mejora el rendimiento global del ciclo; pero de lo que aquí se trata e s de la optimización del rendimiento global, en función de los parámetros libres de diseño, y muy señaladamente, de la razón de presiones (r); pues tanto el cociente de Carnot como los rendimientos de las máquinas, vendrán dados como condiciones de contorno del diseño, pero precisamente la invención ha de incorporar una prescripción para guiar la optimización, en función de "r”, según los valores que dispongamos de dichas condiciones.It is also very important to point out that the realization of the invention can and should be guided by the optimization of performance, precisely following the guidelines derived from the theory that supports the invention. Of course, the use of machines, turbine and compressor, with better performance, entails the improvement of overall performance; and a higher value of the Carnot quotient (maximum T / minimum T of the fluid in the cycle) also improves the overall performance of the cycle; But what is involved here is the optimization of the overall performance, based on the free design parameters, and very notably, on the pressure ratio (r); since both the Carnot quotient and the machine performances will be given as design boundary conditions, but precisely the invention must incorporate a prescription to guide the optimization, as a function of "r", according to the values that we have of said terms.

A continuación, se dan dos tablas, útiles a e so s efectos. La primera da el rendimiento del ciclo, según el cociente de Carnot, suponiendo que los rendimientos de turbina y compresor son 0,8.Two tables are given below, useful for that purpose. The first gives the cycle efficiency, according to the Carnot quotient, assuming that the turbine and compressor efficiencies are 0.8.

Tmax/Tmin r= 1,2 r= 1,4 r= 1,6 r= 1,8Tmax / Tmin r = 1.2 r = 1.4 r = 1.6 r = 1.8

2 0,09274715 0,0915778 0,07281658 0,050356812 0.09274715 0.0915778 0.07281658 0.05035681

2,2 0,1529928 0,16014409 0,14616867 0,127351672.2 0.1529928 0.16014409 0.14616867 0.12735167

2.4 0,20573551 0,21908624 0,20876546 0,192797762.4 0.20573551 0.21908624 0.20876546 0.19279776

2,6 0,25229475 0,27029768 0,26281088 0,249112162.6 0.25229475 0.27029768 0.26281088 0.24911216

2,8 0,2936977 0,31520571 0,3099452 0,298081452.8 0.2936977 0.31520571 0.3099452 0.29808145

3 0,33075598 0,35490665 0,35141439 0,341054693 0.33075598 0.35490665 0.35141439 0.34105469

3,2 0,36411938 0,39025652 0,38818192 0,379069633.2 0.36411938 0.39025652 0.38818192 0.37906963

3.4 0,39431425 0,42193346 0,42100446 0,412937613.4 0.39431425 0.42193346 0.42100446 0.41293761

La segunda tabla da el rendimiento, según se a el rendimiento de las máquinas turbina y compresor (se suponen iguales) con un cociente de Carnot de 2,5.The second table gives the performance, according to the performance of the turbine and compressor machines (assumed equal) with a Carnot quotient of 2.5.

rendi maq r= 1,2 r= 1,4 r= 1,6 r= 1,8yield maq r = 1.2 r = 1.4 r = 1.6 r = 1.8

0,7 0,06662526 0,05997838 0,03797298 0,01313620.7 0.06662526 0.05997838 0.03797298 0.0131362

0,75 0,15483397 0,16098612 0,146433 0,127244290.75 0.15483397 0.16098612 0.146433 0.12724429

0,8 0,22971805 0,24556002 0,2367437 0,221972650.8 0.22971805 0.24556002 0.2367437 0.22197265

0,85 0,2939213 0,31714104 0,31278673 0,301513420.85 0.2939213 0.31714104 0.31278673 0.30151342

0,9 0,34945239 0,37830762 0,37745356 0,368979150.9 0.34945239 0.37830762 0.37745356 0.36897915

0,95 0,39786132 0,43102383 0,43293469 0,426720720.95 0.39786132 0.43102383 0.43293469 0.42672072

S e aprecia que para valores bajos del cociente de Carnot o de los rendimientos de las máquinas, e s recomendable escoger valores bajos de la razón de presiones, descendiendo incluso a r=1,2. Sin embargo, ello comporta la desventaja de tener que reciclar mucho el calor a través de la regeneración; y por ende el intercambiador regenerativo resulta muy voluminoso, y también se incrementa la pérdida de carga, por el incremento del flujo másico recirculado en la regeneración.It is appreciated that for low values of the Carnot quotient or of the machine performances, it is advisable to choose low values of the pressure ratio, even decreasing to r = 1.2. However, this has the disadvantage of having to recycle a lot of heat through regeneration; and therefore, the regenerative exchanger is very bulky, and the pressure drop also increases, due to the increase in recirculated mass flow in regeneration.

Esto había quedado ya expuesto en una inecuación derivada del rendimiento del ciclo, que e sThis had already been exposed in an inequality derived from the performance of the cycle, which is

r ? < W rftljr? <W rftlj

Pero si el cociente de Carnot e s muy bajo, o lo son los rendimientos de las máquinas, o todos ellos, el rendimiento total conseguido también e s muy bajo, y habría que cuestionarse e se aprovechamiento energético.But if the Carnot quotient is very low, or the performance of the machines, or all of them, the total performance achieved is also very low, and it would be necessary to question the use of energy.

Por el contrario, cuando e so s valores aumentan, lo hace también el rendimiento total, y cabe aumentar la razón de presiones, r, casi hasta su tope superior, ya mencionado, y que e s 1,89 para el N2.On the contrary, when these values increase, so does the total efficiency, and it is possible to increase the pressure ratio, r, almost to its upper limit, already mentioned, and that is 1.89 for N2.

Nótese también que al descender r, las máquinas giran m ás despacio, pues disminuye la velocidad lineal, y al ser el radio de giro el mismo, cae la velocidad angular, según la siguiente tabla ilustrativa.Note also that when r descends, the machines rotate more slowly, since the linear speed decreases, and since the radius of gyration is the same, the angular velocity falls, according to the following illustrative table.

r T Machr T Mach

1,4 1,102 0,71451.4 1.102 0.7145

1,6 1,145 0,8531.6 1.145 0.853

1,8 1,185 0,961.8 1.185 0.96

Si el mapa de temperaturas se mantiene, también se mantiene la velocidad sónica, y por ende, las velocidades, pues se mantienen los números de Mach en cada punto del circuito.If the temperature map is maintained, the sonic speed is also maintained, and therefore the speeds, since the Mach numbers are maintained at each point of the circuit.

El primer paso en el diseño de este sistem a es la configuración del ciclo termodinámico, en la cual se fijan los valores de las variables esenciales, intensivas, como son la presión, P y la temperatura, T, m ás la entalpía específica, dada en kJ/kg.The first step in the design of this system is the configuration of the thermodynamic cycle, in which the values of the essential, intensive variables are set, such as pressure, P and temperature, T, plus the specific enthalpy, given in kJ / kg.

Los valores reales de la potencia intercambiada o transferida, en un determinado componente (en kJ/s, esto es, kW) es igual al producto de variación de la entalpía específica (en kJ/kg) por el gasto másico (en kg/s) de fluido de trabajo. The real values of the power exchanged or transferred, in a given component (in kJ / s, that is, kW) is equal to the product of variation of the specific enthalpy (in kJ / kg) by the mass flow (in kg / s ) of working fluid.

En la tabla que subsigue se dan los valores de P, T y entalpia específica, y corresponden, con mayor precisión que la del gráfico, al ciclo presentado en la figura 7.In the table that follows, the values of P, T and specific enthalpy are given, and they correspond, with greater precision than that of the graph, to the cycle presented in figure 7.

Figure imgf000071_0002
Figure imgf000071_0002

La configuración del ciclo permite calcular su rendimiento, y otras características intrínsecas. Para el cálculo de las potencias brutas en cada componente, hace falta fijar el gasto (kg/s) de fluido de trabajo, lo cual e s adem ás imprescindible para calcular las dimensiones adecuadas de los diversos equipos, y asegurarse que cumplen las especificaciones apropiadas, por ejemplo, de acotación de las tensiones m ecánicas que se inducen en cada componente sólido.The configuration of the cycle allows to calculate its performance, and other intrinsic characteristics. For the calculation of the gross powers in each component, it is necessary to set the flow rate (kg / s) of working fluid, which is also essential to calculate the appropriate dimensions of the various equipment, and ensure that they meet the appropriate specifications. for example, of bounding the mechanical stresses that are induced in each solid component.

En cuanto al rendimiento, podría definirse de diversa manera, pero la forma m ás directa e s el rendimiento bruto, como la unidad menos el cociente de dividir la potencia cedida en el foco frío, partida por la potencia absorbida por el foco caliente, lo cual se expresa con las entalpías de los puntos involucrados en una y otra fase :Regarding performance, it could be defined in different ways, but the most direct way is gross performance, as the unit minus the quotient of dividing the power transferred in the cold bulb, divided by the power absorbed by the hot bulb, which It is expressed with the enthalpies of the points involved in both phases:

Figure imgf000071_0001
Figure imgf000071_0001

Aunque e s un valor bruto, y habría que descontar fricciones en los e jes y alguna otra contingencia real no fácilmente plasmable en ecuaciones, por ser esencialmente fenomenológicas, el valor obtenido e s muy alto, y eso se debe a dos propiedades del ciclo, que redundan en ello: Although it is a gross value, and friction in the axes and some other real contingency not easily reflected in equations should be discounted, since it is essentially phenomenological, the value obtained is very high, and this is due to two properties of the cycle, which result On it:

- La recuperación mecánica de la energía cinética de la salida de la turbina, hace que el compresor tenga que trabajar con niveles de presión mucho m ás próximos entre sí que los de la turbina, reduciendo así su consumo de potencia (en el eje, accionado por un motor eléctrico normalmente).- The mechanical recovery of the kinetic energy from the turbine outlet, makes the compressor have to work with pressure levels much closer to each other than those of the turbine, thus reducing its power consumption (on the shaft, driven by an electric motor normally).

- La regeneración térmica, que permite hacer la alimentación térmica del foco caliente a muy alta temperatura; y esto redunda (como establece Carnot) en la mejoría del rendimiento. Pero esto tiene un coste, lógicamente, y e s el intercambiador de calor regenerativo, que tiene adem ás unas dimensiones no pequeñas (de hecho, e s el componente m ás voluminoso y pesado, de toda la instalación que se ha de montar para materializar la invención. Nótese que la entalpía específica transferida en el foco frío e s de 48 kJ/kg; y la del foco caliente, 113; mientras que la transferida en el intercambiador regenerativo e s de 550 kJ/kg. Es decir, 4,87 veces mayor que la potencia del foco caliente, y 8,46 veces la potencia térmica neta, de 65 kJ/kg.- Thermal regeneration, which allows the thermal power supply of the hot bulb at a very high temperature; and this results (as Carnot establishes) in the improvement of performance. But this has a cost, logically, and the regenerative heat exchanger, which also has not small dimensions (in fact, it is the largest and heaviest component of the entire installation that has to be assembled to materialize the invention. Note that the specific enthalpy transferred in the cold source is 48 kJ / kg; and that of the hot source, 113; while that transferred in the regenerative exchanger is 550 kJ / kg. That is, 4.87 times greater than the power of the hot bulb, and 8.46 times the net thermal power, of 65 kJ / kg.

S e ha de indicar también que la potencia neta eléctrica tendría que venir afectada por los rendimientos del motor del compresor, y del generador de la turbina. Si admitimos un valor de 0,97 para ambos, que e s del orden del actual estado del arte, el rendimiento seríaIt should also be noted that the net electrical power would have to be affected by the performance of the compressor motor and the turbine generator. If we admit a value of 0.97 for both, which is of the order of the current state of the art, the yield would be

Figure imgf000072_0001
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Y la potencia eléctrica neta sería el producto de 65 kJ/kg por el gasto. Por ejemplo, para un gasto de 1,8 kg/s de circulación de fluido de trabajo, la generación eléctrica neta sería de 108 kW.And the net electrical power would be the product of 65 kJ / kg by the expense. For example, for a flow rate of 1.8 kg / s of working fluid circulation, the net electricity generation would be 108 kW.

Nótese que se ha montado el circuito cerrado con el mínimo nivel de presiones, pues la parte m ás baja manométricamente está a 1 atmósfera (0,1 MPa). Si se eleva proporcionalmente la presión, sin variar el mapa de temperatura, se aumenta proporcionalmente la potencia, admitiendo que los componentes soportan las solicitaciones térmicas (gradientes de temperaturas, dilataciones) y mecánicas. Note that the closed circuit has been mounted with the minimum pressure level, since the lowest part manometrically is at 1 atmosphere (0.1 MPa). If the pressure is raised proportionally, without varying the temperature map, the power is increased proportionally, admitting that the components support thermal stresses (temperature gradients, expansions) and mechanical stress.

De hecho, una de las dificultades de montaje del circuito cerrado e s el dimensionamiento de la turbina y el compresor. Con el nivel de presiones escogido, que e s el mínimo, se pueden usar los aparatos que usualmente se emplean en los turbo-cargadores para sobrealimentar los motores diésel, particularmente los marinos; si bien hay que anotar una diferencia importante: los sobre cargadores actúan en circuito abierto, pues arrojan a la atmósfera el escap e de la turbina, y toman de la atmósfera el aire a comprimir e inyectar en los cilindros del diésel; y sin embargo en esta invención, trabajan en circuito cerrado. Pero la razón de presiones en uno y otro caso e s prácticamente la misma, y funcionan con números de Mach similares, en puntos homólogos.In fact, one of the difficulties in assembling the closed circuit is the sizing of the turbine and the compressor. With the pressure level chosen, which is the minimum, the devices that are usually used in turbochargers can be used to supercharge diesel engines, particularly marine ones; Although it is necessary to note an important difference: the overloaders act in an open circuit, since they throw the turbine exhaust into the atmosphere, and take from the atmosphere the air to be compressed and injected into the diesel cylinders; and yet in this invention, they work in a closed circuit. But the pressure ratio in both cases is practically the same, and they work with similar Mach numbers, at homologous points.

Si consideramos una expansión en la turbina de 1,7 de razón de presiones, el número de Mach de salida de la tobera de entrada en el plato de álabes de la turbina, será 0,9. Con una temperatura de salida de la tobera, de 800 K, la velocidad será de 522 m/s (que corresponde a 580 x 0,9). La densidad estará determinada por la presión y la temperatura, y será aproximadamente 0,5 kg/m3, lo que dará una densidad de flujo de 260 kg/m2 s. Para trasegar el valor de gasto que tiene asignado, de 1,8 kg/s, será necesaria una sección recta de 70 cm2, e s decir, un paso algo menor de 10 cm de diámetro (muy acorde con las dimensiones de los sobre-cargadores de diésel; bien conocidos).If we consider an expansion in the turbine of 1.7 pressure ratio, the Mach number of the exit of the inlet nozzle at the turbine blade plate will be 0.9. With a nozzle outlet temperature of 800 K, the velocity will be 522 m / s (which corresponds to 580 x 0.9). The density will be determined by pressure and temperature, and will be approximately 0.5 kg / m3, which will give a flux density of 260 kg / m2 s. In order to transfer the value of expenditure that it has assigned, of 1.8 kg / s, a straight section of 70 cm2 will be necessary, that is, a passage slightly less than 10 cm in diameter (very in line with the dimensions of the overloaders diesel; well known).

Otros componentes que necesitan ser dimensionados, son los recuperadores mecánicos post turbina y post compresor, que han de acoplar condiciones de flujo muy distintas entre sí, desde la boca de entrada a la salida. S e ha señalado que en la tobera de entrada en la turbina, el fluido se acelera por expansión isentrópica (o cercana a ella) y alcanza valores de 0,9 Mach (pero no mayores, para evitar el bloqueo sónico), y transfiere al eje cierta cantidad (por ejemplo, 60%) de su energía cinética, saliendo el resto (por ejemplo, 30%) con la energía cinética del escap e (yendo el otro 10% a calentamiento del propio fluido por irreversibilidades). El citado 30% se ha de recuperar como presión estática, en el recuperador post turbina.Other components that need to be dimensioned are the post-turbine and post-compressor mechanical recuperators, which have to couple very different flow conditions, from the inlet to the outlet. It has been pointed out that at the inlet nozzle in the turbine, the fluid is accelerated by isentropic expansion (or close to it) and reaches values of 0.9 Mach (but not higher, to avoid sonic blockage), and transfers to the axis a certain amount (for example, 60%) of its kinetic energy, leaving the rest (for example, 30%) with the kinetic energy of the exhaust (the other 10% going to heating of the fluid itself due to irreversibilities). The aforementioned 30% has to be recovered as static pressure, in the post-turbine recuperator.

Para ello se ha de tener en cuenta que el número de Mach al cuadrado, a la salida del plato de alabes, ha de ser 30% del de entrada, que era de 0,81. Ello lleva a un Mach de salida de 0,5 aproximadamente, con una velocidad sónica de 580 m/s (correspondiente a 806 K) lo que significa que el fluido irá a 290 m/s en la boca de entrada del recuperador post turbina (que e s el punto termodinámico 39, en la tabla anterior del ciclo). Con las condiciones de P y T existentes en e se punto, la densidad sale 0,42 kg/m3, y la ecuación de continuidad del flujo másico conduce a una sección recta de entrada de 148 cm2.For this, it must be taken into account that the Mach number squared, at the exit of the plate of blades, has to be 30% of the entrance, which was 0.81. This leads to an output Mach of approximately 0.5, with a sonic velocity of 580 m / s (corresponding to 806 K), which means that the fluid will go to 290 m / s at the inlet mouth of the post-turbine recuperator ( what is the thermodynamic point 39, in the previous table of the cycle). With the P and T conditions existing at this point, the density leaves 0.42 kg / m3, and the mass flow continuity equation leads to a straight input section of 148 cm2.

La conexión termodinámica entre entrada y salida del recuperador post turbina, se basará en que el Mach del fluido de salida será despreciable, por lo que se podrá escribirThe thermodynamic connection between the inlet and outlet of the post-turbine recuperator will be based on the fact that the Mach of the outlet fluid will be negligible, so it can be written

Te ( l ^ M |) = T S @ 1 1 ^ M |) = Ts ( l 1 0)Te (l ^ M |) = T S @ 1 1 ^ M |) = Ts (l 1 0)

Figure imgf000074_0001
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que en el caso en estudio, Me=0,5, conduce a Ps=0,1186 MPa. A su vez la densidad que encontramos a la salida e s de 0,47 kg/m3, pues la temperatura de salida sube a 840 K (realmente a 845,5 K, por los efectos de la irreversibilidad). that in the case under study, Me = 0.5, leads to Ps = 0.1186 MPa. In turn, the density that we find at the outlet is 0.47 kg / m3, since the outlet temperature rises to 840 K (actually to 845.5 K, due to the effects of irreversibility).

E sta salida se tiene que acoplar al ramal de baja del intercambiador regenerativo, cuya sección recta dependerá de la velocidad que se seleccione. Por ejemplo, con 1 m/s, la sección recta de salida sería de 3,8 m2; que se reduciría obviamente a la mitad si la velocidad se duplicara. Son números cercanos a los que a continuación se obtendrán para el mencionado intercambiador.This outlet must be coupled to the downstream branch of the regenerative exchanger, the straight section of which will depend on the speed selected. For example, with 1 m / s, the output straight section would be 3.8 m2; which would obviously be cut in half if the speed were to double. They are numbers close to those that will be obtained below for the mentioned exchanger.

Si se elige una velocidad de 2 m/s, y por tanto 1,9 m2 de sección, se pasaría de 6,9cm de radio a 77,7 cm; lo cual exigiría 4,4 m de longitud, si se toma el valor de 1, como pendiente máxima de expansión del recuperador post turbina, en su boca de entrada.If a speed of 2 m / s is chosen, and therefore 1.9 m2 of section, the radius would go from 6.9 cm to 77.7 cm; which would require 4.4 m in length, if the value of 1 is taken as the maximum expansion slope of the post-turbine recuperator at its inlet.

En cuanto a los intercambiadores de calor, el que presenta mayores exigencias e s el intercambiador regenerativo, como ya se ha visto. Su análisis resulta muy instructivo, a la luz sobre todo, del montaje en vertical que se propone en la figura 8. Ello sirve para subrayar la importancia de la gestión de la energía térmica en esta invención, cuyo ciclo termodinámico incluye un intercambiador de calor, de volumen y peso muy superior al del resto de la instalación en su conjunto.Regarding heat exchangers, the one with the greatest demands is the regenerative exchanger, as has already been seen. Their analysis is very instructive, especially in light of the vertical mounting proposed in figure 8. This serves to underline the importance of thermal energy management in this invention, whose thermodynamic cycle includes a heat exchanger, volume and weight much higher than the rest of the installation as a whole.

A continuación, se dan resultados del diseño de e se intercambiador, para efectuar una transferencia térmica de 1 MW, en números redondos, que sería la potencia necesaria para hacer funcionar un circuito como el indicado en la tabla inmediata precedente, donde se expusieron los valores de la presión, temperatura y entalpía, del montaje para dar una generación eléctrica de 108 kW.Next, results of the design of the exchanger are given, to effect a thermal transfer of 1 MW, in round numbers, which would be the power necessary to operate a circuit like the one indicated in the table immediately preceding, where the values of the pressure, temperature and enthalpy, of the assembly were exposed to give an electrical generation of 108 kW.

El fluido de trabajo empleado e s nitrógeno, N2, del cual conviene recordar que su número de Prandtl permanece siempre cercano a 0,7; y para el rango de funcionamiento previsto, la conductividad e s 0,045 W/mK, y la viscosidad 30 m icropascalessegundo.The working fluid used is nitrogen, N2, of which it should be remembered that its Prandtl number always remains close to 0.7; and for the intended operating range, the conductivity is 0.045 W / mK, and the viscosity is 30 micropascals.

La configuración adoptada e s de carcasa y tubos, como ya se explicó, y como se recoge en la figura 8, de manera esquemática, y en la 9.The configuration adopted is of shell and tubes, as already explained, and as shown in figure 8, schematically, and in figure 9.

Como variables de diseño se emplean el gasto por unidad de sección recta, que e s el producto de la densidad por la velocidad, dentro de los tubos, y el radio de los tubos. En este ejemplo, se emplean valores medios de las variables relevantes, pues e s suficiente para la demostración de la idea, sin necesidad de complicarla con cálculos pormenorizados.As design variables, the flow rate per unit of straight section is used, which is the product of the density and the speed, inside the tubes, and the radius of the tubes. In this example, mean values of the relevant variables are used, since it is sufficient to demonstrate the idea, without the need to complicate it with detailed calculations.

Conviene señalar que, por las relaciones entre variables, el área de termotransferencia, el volumen total ocupado por los tubos, y la densidad de potencia dentro de dichos tubos (que constituyen el ramal de alta presión del intercambiador) sólo depende del radio de dichos tubos, pero no del gasto por unidad de sección recta.It should be noted that, due to the relationships between variables, the heat transfer area, the total volume occupied by the tubes, and the power density within said tubes (which constitute the high pressure branch of the exchanger) only depends on the radius of said tubes. , but not the expense per unit of straight section.

Por el contrario, la sección recta de los tubos sólo depende de del gasto por unidad de sección recta, pero no del radio.On the contrary, the straight section of the tubes only depends on the flow rate per unit of straight section, but not on the radius.

Las ventanas de diseño que se derivan de toda la información expuesta a continuación, e s fruto de la mejora introducida en la invención, relativa a la constitución y régimen de trabajo de los intercambiadores,The design windows that derive from all the information set out below, are the result of the improvement introduced in the invention, relative to the constitution and working regime of the exchangers,

En el bloque de tablas que subsiguen, todas tienen la misma estructura: las columnas corresponden a los valores indicados del diámetro de los tubos, salvo la primera columna, que indica el gasto por unidad de sección recta, para cada fila. Y la primera fila, indica el diámetro D, de cada columna, todo ello empleando siempre el sistem a SI de unidades. In the block of tables that follow, they all have the same structure: the columns correspond to the indicated values of the diameter of the tubes, except for the first column, which indicates the cost per unit of straight section, for each row. And the first row indicates the diameter D of each column, all of this always using the SI unit system.

Esta prim era tab la ex p o n e los v a lo re s del núm ero de Reynolds para This first tab the ex p o n e v a lo re s of Reynolds' number for

cad a c a so (q u e corresp o n d e a un nodo m atricial):cad a c a so (which corresponds to a matrix node):

ReynoldsReynolds

kg/s-m2 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01kg / s-m2 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01

1 66,6 133,2 199,8 266,4 3331 66.6 133.2 199.8 266.4 333

2 133,2 266,4 399,6 532,8 6662 133.2 266.4 399.6 532.8 666

3 199,8 399,6 599,4 799,2 9993 199.8 399.6 599.4 799.2 999

4 266,4 532,8 799,2 1065,6 13324 266.4 532.8 799.2 1065.6 1332

5 333 666 999 1332 16655 333 666 999 1332 1665

La se g u n d a tab la de e s te bloque da la longitud (en m etro s) de los The following table of this block gives the length (in m eters) of the

tu b o s del in tercam biador regen erativo (q u e en el m o n ta je de la figura tu b o s of the regen erative exchanger (which in the m o n taje of the figure

3, son a ltu ra s) :3, are above):

L laminarL laminar

rho*v # D= 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01rho * v # D = 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01

1 0,517815 2,07126 4,660335 8,28504 12,9453751 0.517815 2.07126 4.660335 8.28504 12.945375

2 1,03563 4,14252 9,32067 16,57008 25,890752 1.03563 4.14252 9.32067 16.57008 25.89075

3 1,553445 6,21378 13,981005 24,85512 38,8361253 1.553445 6.21378 13.981005 24.85512 38.836125

4 2,07126 8,28504 18,64134 33,14016 51,78154 2.07126 8.28504 18.64134 33.14016 51.7815

5 2,589075 10,3563 23,301675 41,4252 64,7268755 2.589075 10.3563 23.301675 41.4252 64.726875

Otra variab le fun dam en tal e s el núm ero de tu b o s qu e d eb e te n er el Another variab fun dam in such is the number of your b o s that should have the

in tercam biador regen erativo . (Son tu b o s sim p le s, no a le te a d o s ; y regen erative exchanger. (They are your b o s sim p le s, not a le te a d o s; and

c iertam en te se pueden b u scar con figuracion es m ás co m p a c ta s y c iertam en te can be searched with figuration is more common and

e fic ien tes, pero los tu b o s s im p le s, en disposición cu ad ran gu lar , tienen efficient, but the tu b o s s im p le s, in quadruple disposition, have

la v e n ta ja de o frecer una explicación m uy e lem ental de se g u ir , en the advantage of o offer a very e lem ent explanation of following, in

cuan to a la term o-transferencia, y claramente indicativa de tamaño, etc.).as to the term-transfer, and clearly indicative of size, etc.).

N n° tubosNo. of tubes

rho*v #rho * v #

D= 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01D = 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01

1 572956,4553 143239,114 63661,8284 35809,7785 22918,2582 2 286478,2277 71619,5569 31830,9142 17904,8892 11459,1291 3 190985,4851 47746,3713 21220,6095 11936,5928 7639,4194 4 143239,1138 35809,7785 15915,4571 8952,44461 5729,56455 5 114591,2911 28647,8228 12732,3657 7161,95569 4583,65164 1 572956.4553 143239,114 63661.8284 35809.7785 22918.2582 2 286478.2277 71619.5569 31830.9142 17904.8892 11459.1291 3 190985.4851 47746.3713 21220.6095 11936.5928 7639.4194 4 143 239 , 1138 35809.7785 15915.4571 8952.44461 5729.56455 5 114591.2911 28647.8228 12732.3657 7161.95569 4583.65164

Aparentemente e s un número muy alto de tubos, pero son elementos de muy Apparently it is a very high number of tubes, but they are elements of very

sencilla mecanización, manejo y montaje, incluyendo rejillas espaciadoras para easy machining, handling and assembly, including spacer grids for

mantenimiento de la geometría, incluyendo formas y codos para absorber geometry maintenance, including shapes and elbows to absorb

dilataciones (V éase figura 8). dilations (See figure 8).

A continuación, se dan las tablas correspondientes a Sección Recta Total de Next, the tables corresponding to Total Straight Section of

paso (por dentro de los tubos, en m2), Volumen total ocupado por los tubos (en step (inside the tubes, in m2), Total volume occupied by the tubes (in

m3), Densidad de Potencia (en MW/m3) transferida, Área de transferencia (m2), y m3), Power Density (in MW / m3) transferred, Transfer area (m2), and

M asa de los tubos (kg).Mass of tubes (kg).

Sección recta total de paso, 1° (dentro deTotal straight section through pitch, 1 ° (within

tubos)tubes)

rho*v #rho * v #

D= 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01D = 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01

1 1,8 1,8 1,8 1,8 1,81 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8

2 0,9 0,9 0,9 0,9 0,92 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9

3 0,6 0,6 0,6 0,6 0,63 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6

4 0,45 0,45 0,45 0,45 0,454 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45

5 0,36 0,36 0,36 0,36 0,365 0.36 0.36 0.36 0.36 0.36

Volumen total del 1° LAMINARTotal volume of 1st LAMINAR

rho*v #rho * v #

D= 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01D = 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01

1 0,932067 3.728268 8.388603 14.913072 23.3016751 0.932067 3.728268 8.388603 14.913072 23.301675

2 0,932067 3.728268 8.388603 14.913072 23.3016752 0.932067 3.728268 8.388603 14.913072 23.301675

3 0,932067 3.728268 8.388603 14.913072 23.3016753 0.932067 3.728268 8.388603 14.913072 23.301675

4 0,932067 3.728268 8.388603 14.913072 23.3016754 0.932067 3.728268 8.388603 14.913072 23.301675

5 0,932067 3.728268 8.388603 14.913072 23.3016755 0.932067 3.728268 8.388603 14.913072 23.301675

LAMINAR Densidad de potencia (MW/m3) rho*v #LAMINAR Power density (MW / m3) rho * v #

D= 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01D = 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01

1 1.072884245 0,26822106 0,11920936 0,06705527 0,04291537 2 1.072884245 0,26822106 0,11920936 0,06705527 0,04291537 3 1.072884245 0,26822106 0,11920936 0,06705527 0,04291537 4 1.072884245 0,26822106 0,11920936 0,06705527 0,04291537 5 1.072884245 0,26822106 0,11920936 0,06705527 0,042915371 1.072884245 0.26822106 0.11920936 0.06705527 0.04291537 2 1.072884245 0.26822106 0.11920936 0.06705527 0.04291537 3 1.072884245 0.26822106 0.11920936 0.06705527 0.04291537 4 1.072884245 0.2682236106 0.11920920936 0.06705527 0.04291537 5 1.072884245 0.26822106 0.11920936 0.06705527 0.04291537

Área de termo-transferenciaThermo-transfer area

rho*v #rho * v #

D= 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01D = 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01

1 1864,134 3728,268 5592,402 7456,536 9320,671 1864.134 3728.268 5592.402 7456.536 9320.67

2 1864,134 3728,268 5592,402 7456,536 9320,672 1864.134 3728.268 5592.402 7456.536 9320.67

3 1864,134 3728,268 5592,402 7456,536 9320,673 1864.134 3728.268 5592.402 7456.536 9320.67

4 1864,134 3728,268 5592,402 7456,536 9320,674 1864.134 3728.268 5592.402 7456.536 9320.67

5 1864,134 3728,268 5592,402 7456,536 9320,675 1864.134 3728.268 5592.402 7456.536 9320.67

M asa (kg) de los tubosMass (kg) of tubes

rho*v #rho * v #

D= 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01D = 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01

1 1454,02452 6397,70789 13086,2207 23264,3923 36350,613 2 1454,02452 6397,70789 13086,2207 23264,3923 36350,6131 1454.02452 6397.70789 13086.2207 23264.3923 36350.613 2 1454.02452 6397.70789 13086.2207 23264.3923 36350.613

3 1454,02452 6397,70789 13086,2207 23264,3923 36350,6133 1454.02452 6397.70789 13086.2207 23264.3923 36350.613

4 1454,02452 6397,70789 13086,2207 23264,3923 36350,6134 1454.02452 6397.70789 13086.2207 23264.3923 36350.613

5 1454,02452 6397,70789 13086,2207 23264,3923 36350,6135 1454.02452 6397.70789 13086.2207 23264.3923 36350.613

Una vez se cuenta con todos los elementos o componentes señalados en lo precedente, el procedimiento de selección del estado termodinámico de operación de este sistem a e s muy directo, y se basa en adecuar el contenido total de fluido en el circuito cerrado, para que el mapa de presiones corresponda a los niveles barométricos d eseados. En realidad, basta cotejar esencialmente la presión de 3 puntos (del gráfico termodinámico de la figura 7: el punto 29, que e s la entrada al compresor, el punto 30, que e s la entrada a la turbina, y el punto 39, que e s la salida de la turbina.Once all the elements or components indicated in the foregoing are available, the procedure for selecting the thermodynamic state of operation of this system is very direct, and is based on adapting the total fluid content in the closed circuit, so that the map pressure corresponds to the barometric levels given. Actually, it is enough to essentially check the 3-point pressure (from the thermodynamic graph in figure 7: point 29, which is the inlet to the compressor, point 30, which is the inlet to the turbine, and point 39, which is the turbine outlet.

Para aumentar el contenido de fluido de trabajo, o reducirlo, se cuenta con el sistem a auxiliar de aporte de fluido, que permite trasiegos entre este último y el circuito principal, en un sentido o el opuesto.To increase or reduce the content of working fluid, there is an auxiliary fluid supply system, which allows transfers between the latter and the main circuit, in one direction or the opposite.

Por lo que corresponde a absorber en el sistem a las variaciones de potencia térmica, lo fundamental e s el cumplimiento de la prescripción de que sean iguales las derivadas logarítmicas indicadas; lo cual se puede hacer manualmente, o automáticamente. En ello no hay especiales requisitos.For what corresponds to absorbing in the system to the variations of thermal power, the fundamental thing is the fulfillment of the prescription that the indicated logarithmic derivatives are equal; which can be done manually, or automatically. There are no special requirements in this.

Por último, cabe señalar que, en el procedimiento de selección del estado termodinámico de operación de este sistem a térmico, pueden usarse como modalidades alternativas, o complementarias, la siguiente:Finally, it should be noted that, in the procedure for selecting the thermodynamic state of operation of this thermal system, the following can be used as alternative or complementary modalities:

- aumentar la velocidad de giro del compresor (11), para proporcionar un mayor flujo másico, y un mayor valor de la razón de presiones, r; permitiendo que el fluido de trabajo extraiga m ás energía del foco caliente (17), siempre que disponga de ella, y provocando una mayor caída de presión en la turbina (1), para aumentar su trabajo específico, y la potencia generada en el eje de la turbina; y- increase the rotation speed of the compressor (11), to provide a greater mass flow, and a greater value of the pressure ratio, r; allowing the working fluid to extract more energy from the hot spot (17), provided it has it, and causing a greater pressure drop in the turbine (1), to increase its specific work, and the power generated in the shaft of the turbine; and

-disminuir la velocidad de giro del compresor, para proporcionar un menor flujo másico, y un menor valor de la razón de presiones, r; permitiendo que el fluido de trabajo introduzca energía el foco caliente (17), y provoque una menor caída de presión en la turbina 1, que disminuye su trabajo específico, y la potencia generada en el eje de la turbina. -decrease the rotation speed of the compressor, to provide a lower mass flow, and a lower value of the pressure ratio, r; allowing the working fluid to introduce energy into the hot spot (17), and cause a lower pressure drop in turbine 1, which decreases its specific work, and the power generated in the turbine shaft.

Claims (1)

r e iv in d ic a c io n e sr e iv in d ic a tio n s 1 - Sistema térmico de generación de energía mecánica en un eje de una turbina en circuito cerrado, con compresor y con aportación de calor por fuente exterior, y recuperación interna de calor y de energía mecánica, para generación de electricidad, caracterizado por que comprende un circuito principal dotado de los siguientes componentes físicos, concatenados en circuito cerrado:1 - Thermal system for the generation of mechanical energy in a shaft of a turbine in a closed circuit, with a compressor and with input of heat from an external source, and internal recovery of heat and mechanical energy, for the generation of electricity, characterized in that it comprises a main circuit equipped with the following physical components, concatenated in a closed circuit: - un compresor (11) centrífugo, dotado de un plato de álabes y de un difusor estático de salida, estando accionado el plato de álabes por un motor eléctrico (13);- a centrifugal compressor (11), equipped with a blade plate and a static outlet diffuser, the blade plate being driven by an electric motor (13); - un recuperador de energía mecánica post compresor (25), con forma de bocina ;- a post-compressor mechanical energy recuperator (25), shaped like a horn; - un intercambiador de calor regenerativo (4), con ramal de alta presión, que está conectado al recuperador de energía mecánica post compresor;- a regenerative heat exchanger (4), with a high pressure branch, which is connected to the post-compressor mechanical energy recovery unit; - un foco caliente (17), que es un intercambiador, en el cual se aporta calor desde un fluido caliente exterior, al fluido de trabajo que se mueve en circuito cerrado, al final de su recorrido a alta presión;- a hot source (17), which is an exchanger, in which heat is supplied from an external hot fluid, to the working fluid that moves in a closed circuit, at the end of its high pressure path; - una turbina de expansión de gas (1) centrípeta, con dos sub-etapas:- a centripetal gas expansion turbine (1), with two sub-stages: una corona de toberas para creación de chorros de muy alta velocidad, sin alcanzar la velocidad del sonido; y un rodete de álabes, cuyo armazón de giro está unido a un eje de revolución (24), que está solidariamente unido a un generador eléctrico (14);a crown of nozzles for creating very high speed jets, without reaching the speed of sound; and a blade impeller, whose rotating frame is attached to an axis of revolution (24), which is integrally attached to an electric generator (14); - un recuperador de energía mecánica post turbina (2), con forma de bocina, cuyo extremo de menor sección está unido al escape de la turbina (1); estando su otro extremo unido a la carcasa del intercambiador regenerativo (4);- a post-turbine mechanical energy recuperator (2), in the shape of a horn, whose end with a smaller section is connected to the turbine exhaust (1); its other end being attached to the casing of the regenerative exchanger (4); - un foco frío (6), que es un intercambiador, en el cual se extrae calor desde el fluido de trabajo, al final de su recorrido a baja presión, a un fluido frío exterior, seleccionado entre aire de la atmósfera y agua de la hidrosfera;- a cold source (6), which is an exchanger, in which heat is extracted from the working fluid, at the end of its path at low pressure, to an external cold fluid, selected from air from the atmosphere and water from the hydrosphere; 2 - Sistema, según reivindicación 1, caracterizado por que comprende al menos dos compresores conectados en cascada y con enfriamiento intermedio, materializado mediante la interposición de sucursales del foco frío, donde tras cada enfriamiento intermedio, pasa el fluido a ser succionado por el compresor inmediato superior en presión, hasta el compresor de mayor presión, desde el cual, a través de la bocina de su recuperador mecánico post compresor, se conecta con el ramal de alta presión del intercambiador regenerativo; y comprende al menos dos turbinas conectadas en cascada, cada una de ellas seguida de su recuperador mecánico post turbina, que salvo en el caso de la turbina de menor presión, se conectan con recalentamientos intermedios, materializados mediante sucursales del foco caliente, y en cada turbina el fluido se expansiona hacia el nivel subsiguiente inferior en presión; estando el recuperador post turbina de la turbina de menor presión conectado con el ramal de baja presión del intercambiador regenerativo (4).2 - System, according to claim 1, characterized in that it comprises at least two compressors connected in cascade and with intermediate cooling, materialized by the interposition of branches of the cold focus, where after each intermediate cooling, the fluid to be sucked by the compressor passes immediately higher in pressure, up to the highest pressure compressor, from which, through the horn of its post-compressor mechanical recuperator, it is connected to the high pressure branch of the regenerative exchanger; and comprises at least two turbines connected in cascade, each one followed by its post-turbine mechanical recuperator, which except in the case of the lower pressure turbine, are connected with intermediate overheating, materialized through branches of the hot spot, and in each turbine fluid expands to the subsequent lower level in pressure; the post turbine recuperator of the lower pressure turbine being connected to the low pressure branch of the regenerative exchanger (4). 3 - Sistema, según reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que el fluido de trabajo satisface que el factor logarítmico de dilatación isóbara es menor que la unidad en el punto termodinámico de la salida del compresor, estando definido dicho factor fp por3 - System, according to claims 1 or 2, characterized in that the working fluid satisfies that the logarithmic factor of isobar expansion is less than the unit at the thermodynamic point of the compressor outlet, said factor fp being defined by
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siendo z el factor de compresibilidad, igual a PV/(RT), siendo P la presión, V el volumen específico, T la temperatura absoluta, y r la constante de gas ideal particularizada para el fluido de trabajo, en las unidades empleadas en las tres magnitudes previas.where z is the compressibility factor, equal to PV / (RT), where P is the pressure, V is the specific volume, T is the absolute temperature, and r is the ideal gas constant specified for the working fluid, in the units used in the three previous magnitudes. 4 - Sistema, según reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que en un paso por turbina, el cociente r entre la presión superior, de entrada, Psup y la inferior, Pinf, cumple4 - System, according to claims 1 or 2, characterized in that in a turbine step, the quotient r between the upper pressure, inlet, Psup and the lower pressure, Pinf, meets
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donde y es el cociente entre el calor específico a presión constante y el calor específico a volumen constante, y a su vez la razón de presiones r satisface el requisito definido porwhere y is the quotient between the specific heat at constant pressure and the specific heat at constant volume, and in turn the pressure ratio r satisfies the requirement defined by
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siendo r un parámetro, que representa el menor valor que se admite para el rendimiento de regeneración térmica, y siendo p un exponente igual a where r is a parameter, which represents the lowest value that is allowed for thermal regeneration performance, and where p is an exponent equal to
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; y siendo 9 un parámetro definido por; and where 9 is a parameter defined by
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donde Dt es la diferencia de temperaturas entre la corriente caliente y fría del intercambiador de calor donde se efectúa la regeneración, TM la temperatura a la entrada de la turbina, y Rt el rendimiento de la turbina.where Dt is the temperature difference between the hot and cold stream of the heat exchanger where regeneration takes place, TM the temperature at the turbine inlet, and Rt the turbine performance. 5 - Sistema, según reivindicación 1, caracterizado por que el intercambiador de calor regenerativo está constituido por un haz cuadrangular regular de tubos (15), dentro de una carcasa prismática; por el que fluye gas a alta presión por dentro de los tubos, y gas de baja presión por fuera de ellos, dentro de la carcasa, en disposición cuadrangular regular, con un diámetro hidráulico equivalente igual a un valor entre un tercio y tres veces el diámetro interno de los tubos.5 - System according to claim 1, characterized in that the regenerative heat exchanger consists of a regular quadrangular bundle of tubes (15), inside a prismatic casing; through which high pressure gas flows inside the tubes, and low pressure gas outside them, inside the casing, in a regular quadrangular arrangement, with an equivalent hydraulic diameter equal to a value between one third and three times the internal diameter of the tubes. 6 - Sistema, según reivindicación 4, caracterizado por que Dt es igual a la potencia térmica total a regenerar, dividida por el producto del área de termotransferencia por el coeficiente global de transmisión de calor a través de dicha área, y está comprendido entre 5 y 20 °C.6 - System, according to claim 4, characterized in that Dt is equal to the total thermal power to regenerate, divided by the product of the heat transfer area by the global heat transfer coefficient through said area, and is between 5 and 20 ° C. 7 - Sistema, según reivindicación 1, caracterizado por que dispone de válvulas de regulación de caudal dentro de las bocinas de recuperación mecánica, y una válvula de alivio, así como una válvula de aportación de fluido de trabajo, gas, antes de la entrada al compresor; y consta además de un tanque de almacenamiento de gas.7 - System, according to claim 1, characterized in that it has flow regulation valves inside the mechanical recovery horns, and a relief valve, as well as a valve for supplying working fluid, gas, before entering the compressor; and it also consists of a gas storage tank. 8 - Sistema, según reivindicación 1, caracterizado por que comprende un sistema auxiliar de aporte de fluido para fijar el contenido total de fluido de trabajo en el circuito cerrado del circuito principal, comprendiendo dicho sistema auxiliar de aporte de fluido:8 - System according to claim 1, characterized in that it comprises an auxiliary fluid supply system to set the total content of working fluid in the closed circuit of the main circuit, said auxiliary fluid supply system comprising: - un tanque, exterior al circuito cerrado, de almacenamiento de fluido de trabajo a baja presión (101);- a low pressure working fluid storage tank, outside the closed circuit (101); - conectado, a través de un conducto (9), al colector de entrada del fluido de trabajo en el foco frío (6), - connected, through a conduit (9), to the working fluid inlet manifold in the cold source (6), - estando provisto dicho conducto (9) de una válvula (100) para permitir el paso de fluido de trabajo desde el circuito cerrado al tanque a baja presión (101), o desde dicho tanque al circuito cerrado, en función de la presión del tanque respecto de la presión de dicho circuito cerrado en el foco frío (6); y- said conduit (9) being provided with a valve (100) to allow the passage of working fluid from the closed circuit to the low pressure tank (101), or from said tank to the closed circuit, depending on the pressure of the tank with respect to the pressure of said closed circuit in the cold source (6); and - estando a su vez dicho tanque de baja presión conectado a una válvula de 3 vías (106), que según un parámetro previamente seleccionado permite la conexión fluida del tanque de baja presión con la salida de un compresor de aporte de fluido (107) del sistema auxiliar de aporte de fluido, para presurizar el fluido aportado (108) hasta un nivel previamente seleccionado;- said low pressure tank being in turn connected to a 3-way valve (106), which according to a previously selected parameter allows the fluid connection of the low pressure tank with the outlet of a fluid supply compressor (107) of the auxiliary fluid supply system, to pressurize the supplied fluid (108) to a previously selected level; - un tanque, exterior al circuito cerrado, de almacenamiento en alta presión (102), provisto de un elemento calefactor auxiliar (109);- a high pressure storage tank, external to the closed circuit (102), provided with an auxiliary heating element (109); - un conducto (103), que comunica dicho tanque en alta presión (102) con el colector (16) de entrada del fluido de trabajo en el foco caliente (17), en el cual se aporta entalpía desde el exterior (19), a través de un intercambiador de calor, en el que hay una diferencia de temperatura logarítmica media de valor 5Tlmfc definida por las temperaturas de entrada y salida, en dicho intercambiador, del fluido de trabajo, respectivamente Tefc y Tsfc , y las de entrada (19) y salida (20) del fluido exterior, denominadas Teec y Tsec , siendo este flujo desde el exterior el que aporta la entalpía, , definiéndose- a conduit (103), which communicates said high pressure tank (102) with the working fluid inlet manifold (16) in the hot spot (17), in which enthalpy is provided from the outside (19), through a heat exchanger, in which there is a mean logarithmic temperature difference of 5Tlmfc value defined by the inlet and outlet temperatures, in said exchanger, of the working fluid, respectively Tefc and Tsfc, and the inlet temperatures (19 ) and outlet (20) of the external fluid, called Teec and Tsec, being this flow from the outside the one that contributes the enthalpy, defining ST , (Teec ~ Tsfc) ~ (Tsec ~ Tef c ) ST, (Teec ~ Tsfc) ~ (Tsec ~ Tef c) Im fcIm fc ~n((Teec ~ Tsfc) / (Tsec ~ Tefc))~ n ((Teec ~ Tsfc) / (Tsec ~ Tefc)) - estando dicho conducto (103) provisto de una válvula (104) que permite el paso de fluido de trabajo desde el ramal de alta del circuito cerrado al tanque en alta presión, o desde el tanque en alta presión al ramal del circuito cerrado, en función de las presiones relativas entre ellos; y- said conduit (103) being provided with a valve (104) that allows the passage of working fluid from the high-pressure branch of the closed circuit to the high-pressure tank, or from the high-pressure tank to the branch of the closed circuit, in function of the relative pressures between them; and - una válvula de alivio (105) de la presión, prevista en el tanque de alta presión que posibilita reducir la presión de dicho tanque y la del fluido del foco caliente (17);- a pressure relief valve (105), provided in the high pressure tank that makes it possible to reduce the pressure in said tank and that of the fluid in the hot spot (17); donde dicho tanque de alta presión está conectado además a la válvula de 3 vías (106) existente en la salida del compresor de aporte de fluido (107). where said high pressure tank is also connected to the 3-way valve (106) existing at the outlet of the fluid supply compressor (107). 9 - Sistema, según reivindicación 8, caracterizado por que los tres intercambiadores, correspondientes al foco caliente, al foco frío y al intercambiador regenerativo, están configurados para que los flujos de los fluidos circulen en dirección vertical, ascendente el de los flujos que se calientan, y descendente los que se enfrían.9 - System, according to claim 8, characterized in that the three exchangers, corresponding to the hot focus, the cold focus and the regenerative exchanger, are configured so that the fluids flows in a vertical direction, upwards that of the heated flows , and descending those that cool down. 10 - Sistema, según la reivindicación 9, caracterizado por que los intercambiadores son del tipo denominado de tubo y carcasa, en los que los tubos y la carcasa se disponen en sentido vertical; donde los tubos se disponen en el interior de la carcasa según una configuración cuadrangular regular de nxn tubos, y donde , la pared de presión de la carcasa (2001) es cilíndrica , con sección recta circular, y dentro de la cual, va inscrito un prisma de base cuadrada (2002), en cuyo interior se encuentran el haz de los tubos (2004), por cuyo interior circula el fluido cuando va a alta presión, y por cuyo exterior (2005) del haz de tubos y en el interior del prisma de base cuadrada, se canaliza el flujo de fluido de trabajo, cuando éste circula por el ramal de baja presión; y donde entre la cara exterior del prisma, y la pared de presión de la carcasa cilíndrica, quedan cuatro volúmenes con forma de segmento circular (2003), que se llenan de fluido a presión a través de unos agujeritos en las paredes del prisma, quedando dichos volúmenes cerrados en sus extremos, siendo por tanto inútiles para el intercambio y la extracción de calor.10 - System according to claim 9, characterized in that the exchangers are of the so-called tube and shell type, in which the tubes and shell are arranged vertically; where the tubes are arranged inside the casing according to a regular quadrangular configuration of nxn tubes, and where the pressure wall of the casing (2001) is cylindrical, with a circular cross section, and inside which, a square-based prism (2002), inside which are the bundle of tubes (2004), through which the fluid circulates when it is at high pressure, and through whose outside (2005) the bundle of tubes and inside the square-based prism, the working fluid flow is channeled, when it circulates through the low pressure branch; and where between the outer face of the prism and the pressure wall of the cylindrical housing, there are four volumes in the shape of a circular segment (2003), which are filled with fluid under pressure through some holes in the walls of the prism, leaving said volumes closed at their ends, being therefore useless for the exchange and extraction of heat. 11 - Sistema térmico de generación de energía mecánica en un eje, según reivindicación 10, caracterizado por que los recuperadores de energía mecánica post turbina y post compresor, tienen ajustadas sus secciones rectas de entrada (2007) y salida (2008), cumpliendo que, en el recuperador post turbina, la sección recta del escape, coincide con la sección recta de entrada de flujo en dicho recuperador post turbina, y su sección recta de salida, coincide con la sección recta de la carcasa del intercambiador del intercambiador regenerativo, donde se canaliza el flujo por el exterior (2005) de los tubos (2004), y por dentro del prisma (2002) inscrito en la carcasa (2001); y teniendo el recuperador post turbina (2006) una sección recta longitudinal con perfil exterior de tipo parabólico, descrito por la ecuación11 - Thermal system for the generation of mechanical energy on a shaft, according to claim 10, characterized in that the post-turbine and post-compressor mechanical energy recuperators have their straight inlet (2007) and outlet (2008) sections adjusted, fulfilling that, In the post-turbine recuperator, the straight section of the exhaust coincides with the straight section of flow inlet in said post-turbine recuperator, and its straight outlet section, coincides with the straight section of the casing of the regenerative exchanger exchanger, where it channels the flow outside (2005) of the tubes (2004), and inside the prism (2002) inscribed in the casing (2001); and the post-turbine recuperator (2006) having a longitudinal straight section with an external profile of the parabolic type, described by the equation R , z - = \ÍG z R, z - = \ ÍG z siendo z la coordenada a lo largo del eje virtual (2010) del recuperador post turbina, que va desde ze en la entrada a zs en la salida, siendo el radio Re en la primera, y Rs en esta última, y siendo G una constante que depende de la longitud del recuperador post turbina, cuyo valor G se determina por limitación de dicha máxima pendiente de apertura, que se expresa comowhere z is the coordinate along the virtual axis (2010) of the post-turbine recuperator, which goes from ze at the input to zs at the output, with the radius Re in the former, and Rs in the latter, and G being a constant which depends on the length of the post-turbine recuperator, whose G value is determined by limiting said maximum opening slope, which is expressed as
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donde la pendiente adquiere su máximo para ze, y se fija por diseño, teniendo en cuenta que, cuanto mayor sea esa pendiente, más turbulencia se induce, y por tanto, mayores pérdidas; y si se fija un valor muy bajo de esa pendiente para el comienzo del recuperador post turbina, en la sección de entrada, conduce a recuperadores post turbina muy largos; por lo que, llamando m a dicha máxima pendiente, y conocidos los valores Re y Rs, que están condicionados por otros elementos del sistema, como son la salida de la turbina (1) y el acoplamiento con la carcasa del intercambiador regenerativo (4), a partir de estos dos valores y del de m, se determinan los tres valores que hacen falta para definir el perfil longitudinal del recuperador post turbina, es decir, G, ze y zs.where the slope acquires its maximum for ze, and is set by design, taking into account that, the greater the slope, the more turbulence is induced, and therefore, the greater losses; and if a very low value of that slope is set for the beginning of the post-turbine recuperator, in the inlet section, it leads to very long post-turbine recuperators; Therefore, calling said maximum slope m , and knowing the Re and Rs values , which are conditioned by other elements of the system, such as the turbine output (1) and the coupling with the regenerative exchanger casing (4) From these two values and that of m , the three values that are needed to define the longitudinal profile of the post-turbine recuperator are determined, that is, G, ze and zs. G = 2 m R eG = 2 m R e
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y se obtiene asimismo la longitud del recuperador post turbina, que denotamos por Hand the length of the post-turbine recuperator is also obtained, which we denote by H
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y, donde el recuperador post compresor va desde la salida del compresor al colector desde el que salen los tubos del intercambiador regenerativo, que constituyen las condiciones de contorno que permiten definir la forma del recuperador post compresor, que también es de tipo parabólico, según la misma formulación geométrica especificada para el recuperador post turbina, cambiando el significado de las variables a las definiciones siguientes and, where the post-compressor recuperator goes from the compressor outlet to the collector from which the regenerative exchanger tubes come out, which constitute the boundary conditions that allow defining the shape of the post-compressor recuperator, which is also of the parabolic type, according to the same geometric formulation specified for the post turbine recuperator, changing the meaning of the variables to the following definitions Re= radio de la sección recta del colector de salida del compresor, que es la entrada en el recuperador (1025) post compresor Re = radius of the straight section of the compressor outlet manifold, which is the inlet to the post-compressor recuperator (1025) Rs= radio de la sección recta del colector (1026) del que salen los tubos del intercambiador regenerativo, que es la salida del recuperador post compresor Rs = radius of the straight section of the collector (1026) from which the regenerative exchanger tubes exit, which is the output of the post-compressor recuperator ze= valor de la coordenada del eje de revolución del recuperador post compresor, en la entrada de éste,ze = value of the coordinate of the axis of revolution of the post-compressor recuperator, at its input, zs= valor de la coordenada del eje de revolución del recuperador post compresor, en la salida del recuperador,zs = value of the coordinate of the axis of revolution of the post-compressor recuperator, at the recuperator output, m = valor de #R particularizado para zedel recuperador post compresor m = value of #R particularized for zedel post compressor recuperator G = parámetro geométrico que caracteriza el perfil del recuperador post compresor, siendo su valor G = geometric parameter that characterizes the profile of the post-compressor recuperator, its value being G = 2 m R eG = 2 m R e y siendo dicho perfiland being said profile R(z) = VGZR (z) = VGZ el cual relaciona el radio de la sección recta del recuperador post compresor con la coordenada z del eje de revolución, cumpliéndose ademáswhich relates the radius of the straight section of the post compressor recuperator with the z coordinate of the axis of revolution, also fulfilling
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lo cual proporciona el valor de la longitud del recuperador post compresor, H, que eswhich provides the value of the length of the post compressor recuperator, H , which is p2 _ p2p2 _ p2 H = z s - Ze Rs Re H = zs - Ze Rs Re 2mRe2mRe 12
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- Sistema térmico de generación de energía mecánica en un eje, según reivindicación 11, caracterizado por que los recuperadores post turbina y post compresor incluyen en su interior unos separadores longitudinales, planos, desarrollados en sentido radial, sin llegar al eje virtual, quedando sujetos firmemente a la pared del recuperador; y la zona central, alrededor del eje virtual de revolución del recuperador, queda exenta de separadores.
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- Thermal system for the generation of mechanical energy in a shaft, according to claim 11, characterized in that the post-turbine and post-compressor recuperators include in their interior some longitudinal, flat spacers, developed in a radial direction, without reaching the virtual axis, being subject firmly to the wall of the recuperator; and the central zone, around the virtual axis of revolution of the recuperator, is free of spacers.
13 - Sistema térmico de generación de energía mecánica en un eje, según reivindicación 11, caracterizado porque los recuperadores post turbina y post compresor incluyen en su interior unos separadores longitudinales alabeados, que se enroscan parcialmente alrededor del eje virtual del recuperador, quedando fijos, por su arista exterior, en la cara interior de la pared del recuperador.13 - Thermal system for generating mechanical energy on an axis, according to claim 11, characterized in that the post-turbine and post-compressor recuperators include inside them some warped longitudinal spacers, which are partially screwed around the virtual axis of the recuperator, remaining fixed, by its outer edge, on the inner face of the recuperator wall. 14 - Procedimiento de generación de electricidad en un sistema térmico de generación de energía mecánica en un eje de una turbina de expansión de gas en circuito cerrado, con compresor y con aportación de calor por fuente exterior y recuperación interna de calor y de energía mecánica, caracterizado por que el circuito principal está configurado para funcionar según las siguientes fases termodinámicas:14 - Procedure for generating electricity in a thermal system for generating mechanical energy on a shaft of a gas expansion turbine in a closed circuit, with a compressor and with input of heat from an external source and internal recovery of heat and mechanical energy, characterized in that the main circuit is configured to function according to the following thermodynamic phases: - aceleración isóbara del gas mediante un plato de álabes rotatorios de un compresor centrífugo (11), movidos por un eje accionado por un motor eléctrico, con multiplicador de velocidad en caso de desajuste de giro con las prestaciones de origen;- isobar acceleration of the gas by means of a plate of rotating blades of a centrifugal compressor (11), driven by a shaft driven by an electric motor, with a speed multiplier in the event of rotation mismatch with the original performance; - deceleración del gas centrifugado, a su paso por un difusor del compreso (11), pasando presión dinámica a estática, a lo largo de una isentrópica que, por irreversibilidades, está inclinada hacia incremento de entropía, antes de su evacuación desde el difusor del compresor;- deceleration of the centrifuged gas, as it passes through a compressor diffuser (11), passing dynamic pressure to static, along an isentropic that, due to irreversibilities, is inclined towards an increase in entropy, before its evacuation from the diffuser of the compressor; - deceleración isentrópica, realizada en un recuperador de energía mecánica post compresor (25) constituido por una bocina de conexión entre la evacuación desde el difusor del compresor, y un ramal de alta presión de un intercambiador regenerativo (4), siendo en esta bocina donde se efectúa recuperación mecánica, con incremento de la presión estática y donde además se amolda al flujo a adquirir un régimen laminar;- isentropic deceleration, carried out in a post-compressor mechanical energy recuperator (25) constituted by a connection horn between the evacuation from the compressor diffuser, and a high-pressure branch of a regenerative exchanger (4), being in this horn where mechanical recovery is carried out, with an increase in static pressure and where it also adapts to the flow to acquire a laminar regime; - calentamiento isobaro del fluido que circula por el ramal de alta presión del intercambiador de calor regenerativo (4); hasta alcanzar una temperatura que es Dt grados más baja que la temperatura de salida de un recuperador de energía mecánica post turbina (2), constituido por una bocina prevista en la salida de la turbina;- isobar heating of the fluid flowing through the high pressure branch of the regenerative heat exchanger (4); until reaching a temperature that is Dt degrees lower than the outlet temperature of a post-turbine mechanical energy recuperator (2), constituted by a horn provided at the turbine outlet; - calentamiento isobaro hasta la más alta temperatura del ciclo, proviniendo el calor de una fuente externa (18, 19);- isobar heating up to the highest temperature of the cycle, the heat coming from an external source (18, 19); - aceleración isentrópica del fluido emergente del calentamiento en un foco caliente (17); mediante las toberas de entrada en la turbina centrípeta (1), siempre en régimen subsónico, y con Mach cercano a 1 en las partes de mayor velocidad;- isentropic acceleration of the fluid emerging from heating in a hot spot (17); by means of the inlet nozzles in the centripetal turbine (1), always in subsonic regime, and with Mach close to 1 in the higher speed parts; - deceleración isóbara en el rodete de la turbina de expansión, con transferencia de energía mecánica a su eje, que está conectado mecánicamente con un generador eléctrico (14);- isobar deceleration in the impeller of the expansion turbine, with transfer of mechanical energy to its shaft, which is mechanically connected to an electrical generator (14); - deceleración isentrópica en el dispositivo de recuperación de energía mecánica post turbina, (2) que conecta la salida de la turbina con un ramal de baja presión del intercambiador regenerativo;- isentropic deceleration in the post-turbine mechanical energy recovery device, (2) that connects the turbine outlet with a low-pressure branch of the regenerative exchanger; - enfriamiento isobárico en el ramal de baja presión del intercambiador regenerativo (4);- isobaric cooling in the low pressure branch of the regenerative exchanger (4); - enfriamiento isobárico en un foco frío, que comprende un intercambiador de calor (6), donde el fluido frío (7), que refrigera al fluido de trabajo, proviene del medio ambiente.- isobaric cooling in a cold focus, comprising a heat exchanger (6), where the cold fluid (7), which cools the working fluid, comes from the environment. 15 - Procedimiento de selección del estado termodinámico de operación de un sistema térmico, según reivindicación 14, caracterizado por que comprende establecer como presión de operación del circuito cerrado un valor en el que se alcanza el valor máximo del producto de los rendimientos del compresor (11) y de la turbina (1), siempre que dicho valor sea compatible con la permanencia de los componentes mecánicos en el régimen elástico de resistencia de materiales del compresor y turbina.15 - Procedure for selecting the thermodynamic state of operation of a thermal system, according to claim 14, characterized in that it comprises establishing as the operating pressure of the closed circuit a value at which the maximum value of the product of the performance of the compressor is reached (11 ) and of the turbine (1), provided that said value is compatible with the permanence of the mechanical components in the elastic regime of resistance of the compressor and turbine materials. 16 - Procedimiento de selección del estado termodinámico de operación, según reivindicación 15 caracterizado por que cuando los componentes mecánicos de la turbina y compresor son álabes encastrados en la base y libres en la punta, el desplazamiento transversal máximo permitido en la punta del álabe, w, es16 - Procedure for selecting the thermodynamic state of operation, according to claim 15, characterized in that when the mechanical components of the turbine and compressor are blades embedded in the base and free at the tip, the maximum transverse displacement allowed at the tip of the blade, w , it is
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donde a es el espesor del álabe, y A es la longitud del álabe medido en términos de su espesor, lo que puede expresarse como que dicha longitud es A veces a.where a is the thickness of the blade, and A is the length of the blade measured in terms of its thickness, which can be expressed as that length is Sometimes a. 17 - Procedimiento de selección del estado termodinámico de operación, según reivindicación 15, caracterizado por que:17 - Procedure for selecting the thermodynamic state of operation, according to claim 15, characterized in that: - para aumentar la potencia térmica, dicho procedimiento comprende aumentar la entalpía aportada desde el exterior al intercambiador del foco caliente (17), representada por un valor positivo de la derivada logarítmica de la entalpía aportada, Q, respecto del tiempo, estando definida dicha derivada por la función (1/Q)(dQ/dt), lo cual se acompaña con un valor idéntico de la derivada logarítmica de la diferencia logarítmica media de temperaturas, 5Tlmfc respecto del tiempo, definida por las temperaturas de entrada Tefc y salida Tsfc del fluido de trabajo en el intercambiador del foco caliente (17), y por las temperaturas de entrada (19) y salida (20) del fluido exterior que aporta la entalpía, estando definida esta última derivada logarítmica por la función (1/5Tlmfc)(d5T lmfc/dt) manteniendo al mismo tiempo constantes las temperaturas Tefc y Tsfc del fluido de trabajo, y produciendo una aportación de fluido de trabajo al colector del intercambiador del foco caliente (16), de tal modo que el flujo másico m’fc de entrada al foco caliente, presente un valor de su derivada logarítmica respecto del tiempo, que sea también igual al valor de la derivada logarítmica de la entalpía Q respecto del tiempo, expresado por la ecuación- to increase the thermal power, said procedure comprises increasing the enthalpy supplied from the outside to the exchanger of the hot spot (17), represented by a positive value of the logarithmic derivative of the supplied enthalpy, Q, with respect to time, said derivative being defined by the function (1 / Q) (dQ / dt), which is accompanied by an identical value of the logarithmic derivative of the mean logarithmic temperature difference, 5T lmfc with respect to time, defined by the inlet and outlet temperatures T efc T sfc of the working fluid in the heat exchanger of the hot spot (17), and by the inlet (19) and outlet (20) temperatures of the external fluid that contributes the enthalpy, the latter logarithmic derivative being defined by the function (1 / 5T LMFC) (D5T LMFC / dt) keeping the same constant time temperatures T efc and T sfc of the working fluid and producing a supply of working fluid to the collector of the exchanger the hot source (16), RT l so that the mass flow m ' fc entering the hot spot has a value of its logarithmic derivative with respect to time, which is also equal to the value of the logarithmic derivative of the enthalpy Q with respect to time, expressed by the equation (1/m’fc) • (dm’fc/dt)= (1/Q) (dQ/dt)(1 / m ' fc ) • (dm' fc / dt) = (1 / Q) (dQ / dt) donde para mantener esta igualdad, se emplea un compresor de aporte de fluido (107), y un tanque exterior de alta presión (102), que cuando no tiene suficiente presión, y en caso de que le falte temperatura en el fluido de trabajo almacenado, se activa un calefactor auxiliar (109) incluido en dicho tanque exterior de alta presión (102); y además la presión de salida del compresor (11) se aumenta, incrementando la potencia de su motor eléctrico (13), de tal manera que dicha presión de salida del compresor (11) aumenta la potencia térmica gestionada por el ciclo térmico con un valor de su derivada logarítmica igual al dado para el flujo másico m’fc ; y where to maintain this equality, a fluid supply compressor (107) is used, and an external high pressure tank (102), which when it does not have enough pressure, and in case it lacks temperature in the stored working fluid , an auxiliary heater (109) included in said high pressure outdoor tank (102) is activated; and furthermore the outlet pressure of the compressor (11) is increased, increasing the power of its electric motor (13), in such a way that said outlet pressure of the compressor (11) increases the thermal power managed by the thermal cycle with a value of its logarithmic derivative equal to that given for the mass flow m 'fc; and - para reducir la potencia, el procedimiento es el opuesto y comprende extraer del colector (16) de entrada al compresor del foco caliente (17), una cantidad de fluido de trabajo, por unidad de tiempo, tal que, dividido por el flujo másico en cada momento, de un valor absoluto igual al de valor absoluto de la derivada logarítmica de la entalpía aportada desde el exterior, al foco caliente (17); donde en caso de que la presión en el tanque exterior de alta presión (102) sea excesiva y no permita la extracción de fluido, comprende abrir una válvula de alivio de presión (105) prevista en dicho tanque de alta presión; y reducir la potencia del motor eléctrico (13) del compresor (11) para obtener una presión en su salida cuya derivada logarítmica (negativa) sea igual a la del flujo másico m’fc, de tal manera que reduce la potencia térmica gestionada por el ciclo térmico, con valores negativos de las derivadas logarítmicas que intervienen.- to reduce power, the procedure is the opposite and comprises extracting from the inlet manifold (16) to the compressor of the hot spot (17), an amount of working fluid, per unit of time, such that, divided by the mass flow at each moment, of an absolute value equal to the absolute value of the logarithmic derivative of the enthalpy supplied from the outside, to the hot spot (17); where in case the pressure in the external high pressure tank (102) is excessive and does not allow the extraction of fluid, it comprises opening a pressure relief valve (105) provided in said high pressure tank; and reducing the power of the electric motor (13) of the compressor (11) to obtain a pressure at its outlet whose logarithmic (negative) derivative is equal to that of the mass flow m'fc, in such a way as to reduce the thermal power managed by the thermal cycle, with negative values of the logarithmic derivatives involved. 18 - Procedimiento de selección del estado termodinámico de operación, según reivindicación 14, caracterizado por que comprende una fase seleccionada entre:18 - Procedure for selecting the thermodynamic state of operation, according to claim 14, characterized in that it comprises a phase selected from: - aumentar la velocidad de giro del compresor (11), para proporcionar un mayor flujo másico, y un mayor valor de la razón de presiones, r; permitiendo que el fluido de trabajo extraiga más energía del foco caliente (17), siempre que disponga de ella, y provocando una mayor caída de presión en la turbina (1), para aumentar su trabajo específico, y la potencia generada en el eje de la turbina; y- increase the rotation speed of the compressor (11), to provide a greater mass flow, and a greater value of the pressure ratio, r; allowing the working fluid to extract more energy from the hot bulb (17), provided it has it, and causing a greater pressure drop in the turbine (1), to increase its specific work, and the power generated in the shaft of the turbine; and -disminuir la velocidad de giro del compresor, para proporcionar un menor flujo másico, y un menor valor de la razón de presiones, r; permitiendo que el fluido de trabajo introduzca energía el foco caliente (17), y provoque una menor caída de presión en la turbina (1), que disminuye su trabajo específico, y la potencia generada en el eje de la turbina. -decrease the rotation speed of the compressor, to provide a lower mass flow, and a lower value of the pressure ratio, r; allowing the working fluid to introduce energy to the hot spot (17), and cause a lower pressure drop in the turbine (1), which reduces its specific work, and the power generated in the turbine shaft.
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