ES2821746A1 - CLOSED CYCLE THERMODYNAMIC SYSTEM TO TRANSFORM THERMAL ENERGY INTO MECHANICAL ENERGY (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents

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ES2821746A1 ES202031077A ES202031077A ES2821746A1 ES 2821746 A1 ES2821746 A1 ES 2821746A1 ES 202031077 A ES202031077 A ES 202031077A ES 202031077 A ES202031077 A ES 202031077A ES 2821746 A1 ES2821746 A1 ES 2821746A1
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Abstract

Closed-loop thermodynamic system to transform thermal energy into mechanical energy. Thermodynamic system with a closed working fluid circuit (15) comprising a hot-focus exchanger (2) that heats the fluid (15), a set of turbines (6, 7; 8, 9; 10, 11) where it expands the fluid (15), a cold focus exchanger (14) that cools working fluid (15), a set of compressors (16, 17; 20, 21) that successively compress the fluid (15) and a branch (27b) connected to an outer casing (5) of the turbine assembly; so that a regeneration portion of the working fluid (15) leaves the branch (27b), cools the set of turbines and returns to the first exchanger (2). (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Description

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

SISTEMA TERMODINÁMICO DE CICLO CERRADO PARA TRANSFORMAR CLOSED CYCLE THERMODYNAMIC SYSTEM TO TRANSFORM

ENERGÍA TÉRMICA EN ENERGÍA MECÁNICATHERMAL ENERGY IN MECHANICAL ENERGY

SECTOR DE LA TÉCNICATECHNICAL SECTOR

La presente invención pertenece al campo técnico de la energía y se puede utilizar, por ejemplo, en el sector de la industria energética.The present invention belongs to the technical field of energy and can be used, for example, in the energy industry sector.

Más particularmente, la presente invención se refiere a sistemas termodinámicos para transformar energía térmica en energía cinética.More particularly, the present invention relates to thermodynamic systems for transforming thermal energy into kinetic energy.

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

En el estado de la técnica se conocen diversos sistemas que emplean máquinas térmicas, tanto de compresión como de expansión, para generar energía mecánica útil en la forma de una rotación del eje de una o varias turbinas o máquinas expansoras.In the state of the art, various systems are known that use thermal machines, both compression and expansion, to generate useful mechanical energy in the form of a rotation of the shaft of one or more turbines or expansion machines.

Para ello, se emplea como fuente energética de partida un flujo de fluido exterior, por ejemplo, procedente de combustión, que tiene una temperatura muy por encima de la del medio ambiente, y que transfiere gran parte de su energía térmica a un fluido de trabajo, que se somete a un ciclo termodinámico, por medio del cual una parte de su energía térmica se transforma en energía mecánica. Dicho fluido de trabajo se mantiene en todo el ciclo en estado de gas. En tal sentido, cabe clasificarlo como un ciclo Brayton-Joule (no es un ciclo Rankine, por lo cual no hay ni caldera de ebullición, ni condensador).For this, an external fluid flow is used as the starting energy source, for example, from combustion, which has a temperature well above that of the environment, and which transfers a large part of its thermal energy to a working fluid. , which undergoes a thermodynamic cycle, by means of which a part of its thermal energy is transformed into mechanical energy. Said working fluid is kept in the gas state throughout the cycle. In this sense, it can be classified as a Brayton-Joule cycle (it is not a Rankine cycle, so there is neither a boiling kettle nor a condenser).

Algunos de dichos sistemas termodinámicos se divulgan, por ejemplo, en la solicitud de patente española n° ES 2.776.024 A1, en la que se muestra un sistema termodinámico provisto de un circuito cerrado por el que circula un fluido de trabajo.Some of said thermodynamic systems are disclosed, for example, in Spanish patent application No. ES 2,776,024 A1, which shows a thermodynamic system provided with a closed circuit through which a working fluid circulates.

La figura 1 de la presente memoria descriptiva corresponde, precisamente, a un sistema termodinámico según el documento ES 2.776.024 A1. En él, el fluido de trabajo, a alta presión, accede a un primer intercambiador de calor (llamado intercambiador de foco caliente) donde se calienta al recibir energía térmica de un fluido externo al circuito que tiene una temperatura muy elevada. A consecuencia de ello, el fluido de trabajo incrementa considerablemente su entalpía específica, a presión constante.Figure 1 of the present specification corresponds precisely to a thermodynamic system according to document ES 2,776,024 A1. In it, the fluid of At high pressure, work accesses a first heat exchanger (called a hot-focus exchanger) where it is heated by receiving thermal energy from a fluid external to the circuit that has a very high temperature. As a consequence, the working fluid increases its specific enthalpy considerably, at constant pressure.

A continuación, el fluido de trabajo atraviesa tres turbinas diferentes dispuestas en serie entre sí. Al tener mucha entalpía específica, el fluido de trabajo se expande en el interior de cada turbina, moviendo los álabes e induciendo una rotación del eje de de cada una de ellas. Esto implica que una parte de la energía térmica adquirida por el fluido de trabajo en el foco caliente, se convierta en energía mecánica.The working fluid then passes through three different turbines arranged in series with each other. By having a lot of specific enthalpy, the working fluid expands inside each turbine, moving the blades and inducing a rotation of the axis of each one of them. This implies that a part of the thermal energy acquired by the working fluid in the hot spot is converted into mechanical energy.

Posteriormente, el fluido de trabajo pasa por un segundo intercambiador de calor (llamado intercambiador de foco frío) donde se enfría al ceder energía térmica a un fluido externo al circuito que tiene una temperatura próxima a la del medio ambiente. A consecuencia de ello, el fluido de trabajo experimenta un enfriamiento a presión constante.Subsequently, the working fluid passes through a second heat exchanger (called a cold-focus exchanger) where it is cooled by transferring thermal energy to a fluid external to the circuit that has a temperature close to that of the environment. As a result, the working fluid undergoes constant pressure cooling.

Finalmente, el fluido de trabajo completa una vuelta completa al circuito cerrado tras atravesar tres compresores dispuestos en serie, por medio de los cuales aumenta sucesivamente su presión. Con objeto de mejorar las prestaciones de la compresión, el fluido de trabajo se somete a refrigeración intermedia entre dos etapas de compresión consecutivas; siendo esta refrigeraciones intermedias similares, en la escala de temperaturas, a la refrigeración proporcionada por el foco frío..Finally, the working fluid completes a complete turn to the closed circuit after passing through three compressors arranged in series, by means of which its pressure increases successively. In order to improve compression performance, the working fluid is intercooled between two consecutive compression stages; this intermediate cooling being similar, in the temperature scale, to the cooling provided by the cold focus.

Asimismo, en los sistemas termodinámicos divulgados por la solicitud de patente española n° ES 2.776.024 A1 se contempla, además, inyectar un fluido termorreparador externo, en el primario del intercambiador del foco caliente.Likewise, in the thermodynamic systems disclosed by Spanish patent application no. ES 2,776,024 A1, it is also contemplated to inject an external heat-repairing fluid into the primary of the heat exchanger.

A pesar de que el uso de un fluido termorreparador planteado por dicho documento supone un avance con respecto a otros sistemas del estado de la técnica, en el sector todavía persiste la necesidad de idear sistemas y métodos que utilicen máquinas térmicas de compresión y de expansión, para generar energía mecánica, en los que se minimicen las pérdidas por irreversibilidades. Despite the fact that the use of a heat-repairing fluid proposed by said document represents an advance with respect to other systems of the state of the art, in the sector there is still a need to devise systems and methods that use thermal compression and expansion machines, to generate mechanical energy, in which irreversibility losses are minimized.

Mejorar el rendimiento del sistema reduciendo al máximo las pérdidas energéticas dentro del circuito es -precisamente- el principal objetivo de la presente invención, cuya diferencia fundamental con lo divulgado en la solicitud ES 2.776.024 A1 es que, en dicho documento, el fluido termorreparador puede ser cualquiera que sea compatible con el fluido de aporte de calor al foco caliente, y se aporta en el foco, en su circuito caliente. Por el contrario en la presente invención, el fluido de la termorreparación es el propio fluido de trabajo, y su flujo se crea como una derivación extraída a la salida de la fase de compresión; y tras producir la refrigeración regenerativa en la fase expansora, en la cual esta fracción se calienta, se inyecta dicha fracción en la corriente principal del fluido de trabajo, antes de la etapa expansora.Improving the performance of the system by minimizing energy losses within the circuit is precisely the main objective of the present invention, whose fundamental difference with what is disclosed in the application ES 2,776,024 A1 is that, in said document, the heat-repairing fluid It can be any that is compatible with the heat supply fluid to the hot spot, and it is provided at the spot, in its hot circuit. On the contrary, in the present invention, the heat repair fluid is the working fluid itself, and its flow is created as a bypass extracted at the exit of the compression phase; and after producing regenerative cooling in the expansion phase, in which this fraction is heated, said fraction is injected into the main stream of the working fluid, before the expansion stage.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF THE INVENTION

Un objeto de la invención se refiere a un sistema termodinámico de ciclo cerrado para transformar energía térmica en energía mecánica, estando dicho sistema provisto de un circuito cerrado por el que circula un fluido de trabajo y que comprende:An object of the invention refers to a closed cycle thermodynamic system for transforming thermal energy into mechanical energy, said system being provided with a closed circuit through which a working fluid circulates and comprising:

• al menos un primer intercambiador de calor (o intercambiador de foco caliente), provisto de un conducto primario y un conducto secundario, estando el conducto primario alimentado por un fluido exterior que aporta calor a un flujo de fluido de trabajo que circula por el conducto secundario hacia una tobera de entrada de una turbina;• at least one first heat exchanger (or hot-focus exchanger), provided with a primary duct and a secondary duct, the primary duct being fed by an external fluid that supplies heat to a flow of working fluid that circulates through the duct secondary to an inlet nozzle of a turbine;

• una turbina de expansión, o alternativamente un conjunto de turbinas de expansión dispuestas en serie entre sí, y en cuyo interior se expande el flujo del fluido de trabajo que abandona la última turbina a través de un conducto de salida hacia un segundo intercambiador de calor, estando recubierta la turbina o conjunto de turbinas, por una carcasa externa que constituye un canal de refrigeración alrededor de las turbinas;• an expansion turbine, or alternatively a set of expansion turbines arranged in series with each other, and inside which the flow of the working fluid that leaves the last turbine expands through an outlet conduit towards a second heat exchanger , the turbine or set of turbines being covered by an external casing that constitutes a cooling channel around the turbines;

• al menos un segundo intercambiador de calor, (o intercambiador de foco frio), provisto de un conducto primario y un conducto secundario, estando el conducto secundario alimentado por un fluido exterior a temperatura ambiente, el cual refrigera el flujo de fluido de trabajo, que circula por el conducto primario hacia un compresor; • at least one second heat exchanger, (or cold focus exchanger), provided with a primary conduit and a secondary conduit, the secondary conduit being fed by an external fluid at room temperature, which cools the working fluid flow, circulating through the primary conduit to a compressor;

• un compresor, o alternativamente un conjunto de compresores, dispuestos en serie entre sí y configurados para comprimir sucesivamente el flujo del fluido de trabajo, que circula por el interior de los compresores y sale a través de un conducto de salida;• a compressor, or alternatively a set of compressors, arranged in series with each other and configured to successively compress the flow of the working fluid, which circulates inside the compressors and exits through an outlet conduit;

estando caracterizado el sistema termodinámico por que:the thermodynamic system being characterized by:

el conducto de salida del compresor o conjunto de compresores está provisto de dos ramas diferentes, una primera rama conectada al conducto secundario del primer intercambiador de calor y una segunda rama conectada al canal de refrigeración de la carcasa externa de la turbina o conjunto de turbinas; de tal forma que una primera porción (o flujo principal) del flujo de fluido retorna directamente al primer intercambiador de calor, del foco caliente, a través de la primera rama y una segunda porción (o flujo de regeneración/termorreparación) del flujo de fluido de trabajo accede, por una segunda rama, al canal de refrigeración constituido en el interior de la carcasa exterior de la turbina o conjunto de turbinas, y circula por el interior y a lo largo de dicha carcasa refrigerando las turbinas, tras lo cual se inyecta en el conducto secundario del primer intercambiador de calor a través de un conducto de retorno, de forma que el flujo total de trabajo, que es la suma del flujo principal más el flujo de termorreparación, entra en la tobera de la primera turbina.the outlet duct of the compressor or set of compressors is provided with two different branches, a first branch connected to the secondary duct of the first heat exchanger and a second branch connected to the cooling channel of the external casing of the turbine or set of turbines; such that a first portion (or main flow) of the fluid flow returns directly to the first heat exchanger, from the hot spot, through the first branch and a second portion (or regeneration / heat repair flow) of the fluid flow through a second branch, accesses the cooling channel formed inside the outer casing of the turbine or set of turbines, and circulates inside and along said casing cooling the turbines, after which it is injected into the secondary duct of the first heat exchanger through a return duct, so that the total working flow, which is the sum of the main flow plus the heat-repairing flow, enters the nozzle of the first turbine.

El conjunto de turbinas del sistema termodinámico de ciclo cerrado según la presente invención está preferiblemente provisto de tres turbinas dispuestas en serie entre sí.The set of turbines of the closed-loop thermodynamic system according to the present invention is preferably provided with three turbines arranged in series with each other.

Por otro lado, el conjunto de compresores del sistema termodinámico de ciclo cerrado según la presente invención está preferiblemente provisto de tres compresores dispuestos en serie entre sí.On the other hand, the set of compressors of the closed-cycle thermodynamic system according to the present invention is preferably provided with three compressors arranged in series with each other.

En una realización preferida de la invención, el conjunto de compresores está provisto de al menos un refrigerador por el que circula fluido a temperatura ambiente que refrigera el flujo de fluido de trabajo. In a preferred embodiment of the invention, the compressor assembly is provided with at least one cooler through which fluid circulates at room temperature that cools the working fluid flow.

El sistema termodinámico de ciclo cerrado según la presente invención está configurado para llevar a cabo un ciclo termodinámico cerrado con cuatro fases diferenciadas, que secuencialmente son de calentamiento, expansión, refrigeración y compresión, existiendo de manera superpuesta a estos elementos convencionales, otros componentes, que canalizan una fracción del fluido de trabajo, que refrigera regenerativamente la fase de expansión, actuando a contracorriente, reduciendo así el efecto de la entropía generada por irreversibilidades en las máquinas expansoras; y estando compuesto el sistema por los componentes aquí mencionados, en los cuales tienen lugar las evoluciones termodinámicas que se indican:The closed cycle thermodynamic system according to the present invention is configured to carry out a closed thermodynamic cycle with four differentiated phases, which are sequentially of heating, expansion, cooling and compression, existing superimposed on these conventional elements, other components, which they channel a fraction of the working fluid, which regeneratively cools the expansion phase, acting countercurrently, thus reducing the effect of the entropy generated by irreversibilities in the expansion machines; and the system being composed of the components mentioned here, in which the thermodynamic evolutions that are indicated take place:

• existiendo al menos un primer intercambiador de calor, de foco caliente, donde cada intercambiador de calor comprende un conducto primario, alimentado por un fluido caliente exterior que aporta calor al flujo principal del fluido de trabajo, que circula por el conducto secundario del intercambiador; y al final del circuito secundario entra, por el ramal lateral de regeneración, una fracción del flujo total del fluido de trabajo, la cual corresponde al flujo de regeneración, y siendo el flujo total la suma del flujo principal y el flujo de regeneración;• there being at least one first heat exchanger, with a hot focus, where each heat exchanger comprises a primary conduit, fed by an external hot fluid that contributes heat to the main flow of the working fluid, which circulates through the secondary conduit of the exchanger; and at the end of the secondary circuit, a fraction of the total flow of the working fluid enters, through the lateral branch of regeneration, which corresponds to the regeneration flow, and the total flow being the sum of the main flow and the regeneration flow;

• coincidiendo el final de dicho conducto secundario con el comienzo de la primera tobera de expansión, con fuerte aceleración del fluido de trabajo, y entrada en el rodete de la primera turbina, estando refrigerada dicha tobera y dicho rodete, para extraer el calor generado por las irreversibilidades termodinámicas, siendo el flujo refrigerante una fracción del fluido de trabajo, llamada fracción de regeneración, viajando a contracorriente por dentro de su carcasa correspondiente, y por fuera de la tobera y el rodete;• the end of said secondary conduit coinciding with the beginning of the first expansion nozzle, with strong acceleration of the working fluid, and entry into the impeller of the first turbine, said nozzle and said impeller being cooled, to extract the heat generated by thermodynamic irreversibilities, the refrigerant flow being a fraction of the working fluid, called the regeneration fraction, traveling countercurrently inside its corresponding casing, and outside the nozzle and impeller;

• emergiendo el fluido de dicha refrigeración por un conducto que lo aporta al flujo principal del fluido de trabajo, al final del circuito secundario del intercambiador del foco caliente, ya dicho;• the fluid emerging from said refrigeration through a conduit that supplies it to the main flow of the working fluid, at the end of the secondary circuit of the exchanger of the hot spot, already mentioned;

• y la suma del flujo principal y de la fracción de regeneración del fluido de trabajo, que es el flujo total, realiza la fase de expansión, cuyo final conecta con el foco frío;• and the sum of the main flow and the regeneration fraction of the working fluid, which is the total flow, performs the expansion phase, the end of which connects with the cold source;

• estando constituido el foco frio por un intercambiador de calor por cuyo primario circula el fluido de trabajo, y por el secundario el fluido ambiente que lo refrigera; • the cold focus being constituted by a heat exchanger through whose primary the working fluid circulates, and through the secondary the ambient fluid that cools it;

• tras lo cual entra el fluido de trabajo en el primer compresor que se refrigera a contracorriente, por un fluido ambiental, para extraer el calor generado por las irreversibilidades termodinámicas;• after which the working fluid enters the first compressor which is cooled countercurrently, by an ambient fluid, to extract the heat generated by thermodynamic irreversibilities;

• saliendo el flujo total desde el difusor de la última etapa de compresión, dividiéndose en dos corrientes: un flujo principal, que entra en el circuito secundario del intercambiador del foco caliente, y una fracción restante de fluido de trabajo, que se inyecta en la carcasa que envuelve a la turbina o turbinas en serie de la fase expansora, para efectuar su refrigeración regenerativa;• the total flow exiting from the diffuser of the last compression stage, dividing into two streams: a main flow, which enters the secondary circuit of the hot bulb exchanger, and a remaining fraction of working fluid, which is injected into the casing that surrounds the turbine or turbines in series of the expansion phase, to effect its regenerative cooling;

quedando así configurados los elementos antedichos, que establecen un ciclo termodinámico cerrado con las siguientes fases:thus being configured the aforementioned elements, which establish a closed thermodynamic cycle with the following phases:

- calentamiento del flujo principal del fluido de trabajo, que se realiza en el intercambiador de calor, donde el fluido de trabajo alcanza su máxima temperatura;- heating of the main flow of the working fluid, which takes place in the heat exchanger, where the working fluid reaches its maximum temperature;

- expansión del flujo total del fluido de trabajo, en la turbina o turbinas concatenadas en serie, donde el flujo de refrigeración a contracorriente extrae el calor generado por las irreversibilidades de la fase expansora, conectándose dicho flujo a la parte final del conducto secundario del intercambiador de calor del foco caliente;- expansion of the total flow of the working fluid, in the turbine or turbines concatenated in series, where the countercurrent cooling flow extracts the heat generated by the irreversibilities of the expansion phase, connecting said flow to the final part of the secondary pipe of the exchanger heat from the hot bulb;

- y desde la última turbina, el fluido de trabajo entra en el foco frío, previo al primer compresor;- and from the last turbine, the working fluid enters the cold source, prior to the first compressor;

- ocurriendo a continuación, integradamente, las fases de enfriamiento y compresión, pues se intercalan alternadamente el elemento enfriador con el compresor, con repetición de esta secuencia enfriamiento-compresión, quedando configurado un foco frío como el conjunto de las refrigeraciones previas a los compresores.- The cooling and compression phases then occur in an integrated manner, since the cooling element is alternately interleaved with the compressor, with repetition of this cooling-compression sequence, a cold focus being configured as the set of refrigerations prior to the compressors.

Dichas actuaciones refrigerantes a contracorriente conforman lo que puede denominarse un ciclo termorreparador, aplicado tanto a los compresores, particularmente a sus difusores de salida, como a las turbinas, particularmente a sus toberas de entrada; estando los compresores refrigerados externamente por un fluido ambiental, y estando las turbinas refrigeradas por una fracción del fluido de trabajo, teniendo esta refrigeración una finalidad termodinámica regenerativa, pues el calor extraído de la refrigeración de las turbinas, se recupera en una alta fracción, como calor de alta presión del fluido de trabajo, dado que se inyecta en el flujo principal del fluido de trabajo, en el tramo final del conducto secundario del intercambiador del foco caliente, desde el cual inicia la fase expansora.Said countercurrent cooling actions make up what can be called a heat-repairing cycle, applied both to compressors, particularly their outlet diffusers, and to turbines, particularly their inlet nozzles; the compressors being externally cooled by an ambient fluid, and the turbines being cooled by a fraction of the working fluid, this cooling having a regenerative thermodynamic purpose, since the heat extracted from the cooling of the turbines is recovered in a high fraction, as high pressure heat from the working fluid, as it is injected into the main flow of the working fluid, in the final section of the secondary conduit of the hot spot exchanger, from which the expansion phase begins.

BREVE EXPLICACIÓN DE LAS FIGURASBRIEF EXPLANATION OF THE FIGURES

La figura 1 muestra una representación esquemática de un sistema termodinámico de ciclo cerrado según el documento del estado de la técnica ES 2776024 A1, con tres compresores y tres turbinas, estando el fluido termorreparador suministrado desde fuera, e inyectado al final en el primario del intercambiador del foco caliente.Figure 1 shows a schematic representation of a closed cycle thermodynamic system according to the document of the state of the art ES 2776024 A1, with three compressors and three turbines, the heat-repairing fluid being supplied from outside, and injected at the end in the primary of the exchanger of the hot bulb.

La figura 2 muestra un esquema similar al anterior, pero representando la presente invención, donde se aprecia que el fluido termorreparador, que va por el canal de refrigeración provisto en el interior de la carcasa de envuelta de los elementos de la fase expansora (i.e., el conjunto de turbinas), es una fracción del fluido de trabajo, que termina unido al flujo principal de éste en el tramo final del circuito secundario del intercambiador de calor del foco caliente.Figure 2 shows a scheme similar to the previous one, but representing the present invention, where it can be seen that the heat-repairing fluid, which goes through the cooling channel provided inside the shell housing the elements of the expander phase (ie, the set of turbines), is a fraction of the working fluid, which ends up joined to its main flow in the final section of the secondary circuit of the hot spot heat exchanger.

La figura 3 presenta un diagrama termodinámico en el que se dibujan tres tipos de ciclo: uno ideal; otro realista, con irreversibilidades, correspondiendo a rendimientos isentrópicos de 0,85 tanto en la compresión como en la expansión, existiendo una cascada de 4 escalones de presión, cada uno con una razón de presiones de 2. En la compresión, se produce una refrigeración intermedia entre escalones sucesivos. El diagrama viene dado con la temperatura en abscisas, en escala lineal, y con la presión en ordenadas, en escala logarítmica.Figure 3 presents a thermodynamic diagram in which three types of cycles are drawn: an ideal one; another realistic one, with irreversibilities, corresponding to isentropic yields of 0.85 in both compression and expansion, with a cascade of 4 pressure steps, each with a pressure ratio of 2. In compression, cooling occurs intermediate between successive steps. The diagram is given with the temperature on the abscissa, on a linear scale, and with the pressure on the ordinate, on a logarithmic scale.

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. Flujo de fluido que aporta calor desde el exterior del circuito, y entra en el primer conducto del intercambiador del foco caliente.1. Fluid flow that provides heat from outside the circuit, and enters the first conduit of the hot bulb exchanger.

2. Primer intercambiador de calor (intercambiador del foco caliente). 2a. Conducto primario del primer intercambiador de calor.2. First heat exchanger (hot spot exchanger). 2nd. Primary duct of the first heat exchanger.

2b. Conducto secundario del primer intercambiador de calor. 2b. Secondary duct of the first heat exchanger.

. Inyección, en la alimentación del circuito primario del intercambiador (2) del flujo de fluido termorreparador que sale de la carcasa de regeneración (5). Forma parte de un sistema de la técnica anterior. . Conducto de fluido termorreparador, desde la carcasa (5) a la inyección (3). Forma parte de un sistema de la técnica anterior.. Injection, in the supply of the primary circuit of the exchanger (2) of the heat-repairing fluid flow that leaves the regeneration casing (5). It is part of a prior art system. . Heat-repairing fluid conduit, from the casing (5) to the injection (3). It is part of a prior art system.

. Carcasa externa del conjunto de turbinas.. External casing of the turbine assembly.

a. Canal de refrigeración, para conducir la porción de regeneración del flujo de fluido de trabajo alrededor de las turbinas.to. Cooling channel, to drive the regeneration portion of the working fluid flow around the turbines.

. Tobera de entrada en la turbina de más alta presión.. Inlet nozzle on the highest pressure turbine.

. Rodete de la turbina de más alta presión.. Impeller of the highest pressure turbine.

. Tobera de entrada en la turbina de presión intermedia.. Inlet nozzle in the intermediate pressure turbine.

. Rodete de la turbina de presión intermedia.. Impeller of the intermediate pressure turbine.

0. Tobera de entrada en la turbina de más baja presión.0. Lowest pressure turbine inlet nozzle.

1. Rodete de la turbina de más baja presión.1. Lowest pressure turbine impeller.

2. Entrada en la carcasa (5) del fluido exterior termorreparador. Forma parte de un sistema de la técnica anterior.2. Entry into the casing (5) of the external heat-repairing fluid. It is part of a prior art system.

3. Flujo de fluido frío medioambiental.3. Environmental cold fluid flow.

4. Segundo Intercambiador de calor (intercambiador del foco frío).4. Second heat exchanger (cold bulb exchanger).

4a. Conducto primario del segundo intercambiador de calor.4th. Primary duct of the second heat exchanger.

4b. Conducto secundario del segundo intercambiador de calor.4b. Secondary duct of the second heat exchanger.

5. Fluido de trabajo.5. Work flow.

6. Corona de álabes del compresor de más baja presión.6. Lowest pressure compressor blade crown.

7. Difusor del compresor de más baja presión.7. Lower pressure compressor diffuser.

8. Flujo de fluido frío medioambiental.8. Environmental cold fluid flow.

9. Primer refrigerador del conjunto de compresores.9. First cooler in the compressor set.

0. Corona de álabes del compresor de presión intermedia.0. Crown of blades of the intermediate pressure compressor.

1. Difusor del compresor de presión intermedia.1. Intermediate pressure compressor diffuser.

2. Flujo de fluido frío medioambiental.2. Environmental cold fluid flow.

3. Segundo refrigerador del conjunto de compresores.3. Second refrigerator of the compressor set.

4. Corona de álabes del compresor de más alta presión.4. Higher pressure compressor blade crown.

5. Difusor del compresor de más alta presión.5. Higher pressure compressor diffuser.

6. Válvula de regulación del caudal del fluido de trabajo, que se usa para la termorreparación.6. Valve for regulating the flow rate of the working fluid, which is used for thermo-repair.

7. Conducto de salida final de la fase de compresión.7. Final outlet duct of the compression phase.

7a.Rama principal del conducto de salida (27) por donde circula el flujo principal del fluido de trabajo. 7a.Main branch of the outlet conduit (27) through which the main flow of the working fluid circulates.

27b.Rama del conducto de salida (27) por la que se deriva el flujo de termorreparación.27b. Branch of the outlet conduit (27) through which the heat repair flow is derived.

28. Conexión de la rama (27b) con la carcasa (5) que canaliza el fluido de trabajo, que se usa para la termorreparación.28. Connection of the branch (27b) with the casing (5) that channels the working fluid, which is used for heat repair.

29. Salida (a alta temperatura) del fluido de trabajo, que se usa para la termorreparación.29. Outlet (at high temperature) of the working fluid, which is used for heat repair.

30. Punto termodinámico donde el fluido de trabajo adquiere su mínimo valor de presión y temperatura en el ciclo.30. Thermodynamic point where the working fluid acquires its minimum value of pressure and temperature in the cycle.

31. Punto final de la fase de compresión ideal. El punto 31r es el del final de la fase de compresión realista. En el correspondiente de ellos, según sea el ciclo ideal o real, se inicia la fase de calentamiento en foco caliente.31. End point of the ideal compression phase. Point 31r is that of the end of the realistic compression phase. In the corresponding one, depending on the ideal or real cycle, the heating phase in a hot spot begins.

32. Punto final de calentamiento del ciclo ideal. El 32r marca el fin del calentamiento realista.32. End point of heating of the ideal cycle. The 32r marks the end of realistic warm-up.

33. Punto final de la expansión del ciclo ideal. El 33r marca el fin de la expansión realista; y el 33c es el final del ciclo corregido con la invención, es decir, con refrigeración regenerativa.33. End point of the expansion of the ideal cycle. The 33rd marks the end of the realistic expansion; and 33c is the end of the cycle corrected with the invention, that is, with regenerative cooling.

34. Línea de enfriamiento, en el foco frío.34. Cooling line, in the cold focus.

35. Línea de refrigeración intermedia, (particularmente tras la segunda etapa compresora, en la figura 3). Todas las líneas similares son del mismo tipo.35. Intermediate refrigeration line, (particularly after the second compressor stage, in figure 3). All similar lines are of the same type.

36. Línea de compresión ideal isentrópica, concretamente en la última etapa compresora. Acaba en el punto 31. La línea 36r representa la última etapa de la compresión realista, que acaba en el punto 31r.36. Isentropic ideal compression line, specifically in the last compression stage. It ends at point 31. Line 36r represents the last stage of realistic compression, which ends at point 31r.

37. Línea de calentamiento (isóbaro) en el foco caliente.37. Heating line (isobar) in the hot spot.

38. Línea de expansión ideal isentrópica.38. Isentropic ideal expansion line.

39. Línea de expansión del ciclo realista.39. Realistic cycle expansion line.

40. Línea de expansión del ciclo realista, corregida con la refrigeración regenerativa de la invención.40. Realistic cycle expansion line, corrected with the regenerative refrigeration of the invention.

MODO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓNMODE OF EMBODIMENT OF THE INVENTION

La invención se materializa agrupando en un circuito los componentes sucesivos que se han prescrito en la invención, empleando materiales adecuados a los niveles de temperatura y presión que hay en cada caso. Por ejemplo, para los intercambiadores del foco frío, que tienen temperaturas moderadamente por encima de la ambiental, cabe usar aluminio o cobre, por su conductividad térmica mucho más alta que el acero al carbono, a su vez superior a la del acero inoxidable. Otro aspecto importante en la selección del material es su resistencia a la corrosión, aunque usando un gas noble, como argón, como fluido de trabajo, interiormente la corrosión estaría inhibida (incluso con la intrusión de vapor de agua). Sin embargo, de usarse CO2 como fluido de trabajo, la intrusión de vapor de agua generaría ácido carbónico, que podría atacar a materiales no protegidos electroquímicamente.The invention is materialized by grouping in a circuit the successive components that have been prescribed in the invention, using suitable materials at the temperature and pressure levels that exist in each case. For example, for the heat exchangers of the cold source, which have temperatures moderately by On top of the environmental one, it is possible to use aluminum or copper, due to their much higher thermal conductivity than carbon steel, in turn superior to stainless steel. Another important aspect in the selection of the material is its resistance to corrosion, although using a noble gas, such as argon, as a working fluid, internally the corrosion would be inhibited (even with the intrusion of water vapor). However, if CO2 is used as the working fluid, the intrusion of water vapor would generate carbonic acid, which could attack non-electrochemically protected materials.

Lo más específico de esta invención es la determinación de la fracción de fluido de trabajo que se deriva hacia el circuito de termorreparación, que está constituido esencialmente por una tubería de derivación (rama 27b) provista de una válvula de regulación de caudal (26), llegando dicha derivación hasta el interior de la carcasa (5) a través de la conexión (28). Allí habrá de extraer el calor en exceso, funcionando bajo el criterio técnico de ajustar la temperatura en cada nivel de las máquinas expansoras, al valor de la presión en dicho nivel si hubiera habido una expansión isentrópica, para que parte del calor de las irreversibilidades se recupere regenerativamente. Para ello, el fluido termorreparador, que es una fracción del fluido de trabajo, procede del punto de más alta presión de todo el circuito, que es de donde sale la rama (27b) de modo que puede superar la pérdida de carga manométrica que le exija pasar a lo largo de la carcasa (5), y volver a inyectarse al flujo principal del fluido de trabajo por el conducto (29) desde el cual irá hacia la fase de expansión.The most specific aspect of this invention is the determination of the fraction of the working fluid that is diverted to the heat repair circuit, which is essentially made up of a bypass pipe (branch 27b) provided with a flow regulation valve (26), said derivation reaching the interior of the casing (5) through the connection (28). There it will have to extract the excess heat, operating under the technical criteria of adjusting the temperature at each level of the expander machines, to the value of the pressure at said level if there had been an isentropic expansion, so that part of the heat from irreversibilities is regeneratively recover. For this, the heat-repairing fluid, which is a fraction of the working fluid, comes from the point of highest pressure in the entire circuit, which is where the branch (27b) leaves, so that it can overcome the loss of manometric head that It requires it to pass along the casing (5), and to be injected back into the main flow of the working fluid through the conduit (29) from which it will go towards the expansion phase.

La determinación de dicha fracción va en paralelo con el cálculo de la mejoría que puede experimentar el ciclo base, al añadirle la regeneración del calor procedente de las irreversibilidades. Si ese calor no se regenera, se pierde, pues cuando llega el fluido de trabajo al mínimo nivel de presión del circuito, todo el calor en exceso para cerrar el ciclo, se tiene que evacuar por el foco frío. En el caso de la invención no es así, pues una fracción del fluido de trabajo se lleva dicho calor, estando dicha fracción a presión tan alta, que se le puede inyectar aguas arriba de la fase de expansión.The determination of this fraction goes in parallel with the calculation of the improvement that the base cycle can experience, when adding the regeneration of heat from irreversibilities. If that heat is not regenerated, it is lost, because when the working fluid reaches the minimum pressure level of the circuit, all the excess heat to close the cycle has to be evacuated through the cold source. In the case of the invention, this is not the case, since a fraction of the working fluid carries away said heat, said fraction being at such high pressure that it can be injected upstream of the expansion phase.

Para hacer los cálculos pertinentes se definen las siguientes magnitudes y parámetros del problema, para lo que supondremos que el fluido de trabajo es un gas ideal, concretamente argón, pues simplifica las cosas el hecho de que su calor específico a presión constante sea a su vez constante. Eso hace que los incrementos de entalpía sean siempre proporcionales a los incrementos de temperatura, y por tanto los rendimientos se pueden expresar en función de éstas.To make the pertinent calculations, the following magnitudes and parameters of the problem are defined, for which we will assume that the working fluid is an ideal gas, specifically argon, since it simplifies things the fact that its specific heat at constant pressure is in turn constant. This means that the enthalpy increments are always proportional to the temperature increments, and therefore the yields can be expressed as a function of these.

Son relevantes los siguientes rendimientos y parámetros:The following performances and parameters are relevant:

prendimiento isentrópico de la expansión (habría que definir otro similar para las máquinas compresoras; pero por razones de sencillez expositiva, se va a suponer que en el ciclo realista, el rendimiento de ambos tipos de máquinas es el mismo)Isentropic startup of the expansion (it would be necessary to define a similar one for compression machines; but for reasons of exposition simplicity, it will be assumed that in the realistic cycle, the performance of both types of machines is the same)

£=rendimiento de recuperación del calor de las irreversibilidades£ = heat recovery performance from irreversibilities

(prendimiento relativo de la expansión del calor regenerado, respecto del rendimiento del calor principal(relative performance of the regenerated heat expansion, with respect to the main heat performance

AT= incremento de temperatura en el foco caliente (1250-412=838 K en el ejemplo)AT = temperature increase in the hot spot (1250-412 = 838 K in the example)

AT’= incremento de temperatura en la regeneración (como máximo puede ser igual a AT; cabe definir un rendimiento de temperatura, t como cociente AT’/ AT).AT '= temperature increase in regeneration (at most it can be equal to AT; a temperature performance can be defined, t as AT' / AT ratio).

En realidad, la aplicación de la invención sólo puede justificarse sí los rendimientos específicos que comporta, £, cp, y t, son muy próximos a 1 (y desde luego mucho mayores que p).In reality, the application of the invention can only be justified if the specific returns that it entails, £, cp, and t , are very close to 1 (and of course much greater than p).

La potencia mecánica de la parte expansora, W, se define porThe mechanical power of the expander part, W, is defined by

W W = = p(mAT (pm AT p ( mAT ( pm AT ))

y la de compresiónand compression

Figure imgf000012_0001
Figure imgf000012_0001

Y el balance energético de la regeneración, esAnd the energy balance of regeneration is

mATmAT

(mAT m AT )(1 p) ( mAT m AT ) (1 - p)

eand

De donde se obtieneWhere is it obtained from?

AT AT /?/?

m = m m = m

A T ' l - pA T 'l - p

siendo /? = e (l - p) being /? = e (l - p)

La potencia de expansión se puede expresar comoThe expansion power can be expressed as

<pf3<pf3

W = p m A T ( l - ^ ) W = pm AT ( l - ^)

Debe señalarse que cuando los rendimientos de recuperación del calor de la regeneración, £, y el del turbinado, cp, se aproximan a 1, el resultado de W, independientemente del valor de p, es el máximo posible, esto es, el que se entrega en el foco caliente, es decirIt should be noted that when the heat recovery yields of regeneration, £, and that of turbinate, cp, are close to 1, the result of W, regardless of the value of p, is the maximum possible, that is, the one that is delivery in hot spot, i.e.

W = mAT = QW = mAT = Q

Recuérdese, a efectos de rigor en unidades, que en estas ecuaciones se ha omitido el calor específico isóbaro del fluido, pues el objetivo es determinar los rendimientos de cada tipo de ciclo, y eso cabe hacerlo con las temperaturas (en el caso de gas ideal).Remember, for the purposes of rigor in units, that in these equations the isobaric specific heat of the fluid has been omitted, since the objective is to determine the yields of each type of cycle, and this can be done with temperatures (in the case of ideal gas ).

En la figura 3 se presenta un diagrama termodinámico en el que se dibujan tres tipos de ciclo: uno ideal (sin irreversibilidades); otro realista, con irreversibilidades, correspondiendo a rendimientos isentrópicos de 0,85 tanto en la compresión como en la expansión, existiendo una cascada de 4 escalones de presión, cada uno con una razón de presiones de 2. En la compresión, se produce una refrigeración intermedia entre escalones sucesivos. Se proporcionan también los valores de la temperatura en los diversos puntos representativos, con los cuales se pueden determinar los rendimientos de cada tipo de caso.Figure 3 shows a thermodynamic diagram in which three types of cycles are drawn: an ideal one (without irreversibilities); another realistic one, with irreversibilities, corresponding to isentropic yields of 0.85 in both compression and expansion, with a cascade of 4 pressure steps, each with a pressure ratio of 2. In compression, cooling occurs intermediate between successive steps. The temperature values at the various representative points are also provided, with which the performances of each type of case can be determined.

Ahora bien, la inclusión de la invención provoca:Now, the inclusion of the invention causes:

-un aumento del gasto másico en la compresión (línea 36r) y en la expansión (línea 40) respecto del gasto másico en el foco caliente. A este último gasto se le denomina m, y al de la fracción de fluido para la regeneración, m’. Tanto en la compresión como en la expansión el gasto másico M será la suma de ambos, es decir M=m+m’-An increase in the mass flow rate in compression (line 36r) and in expansion (line 40) with respect to the mass flow rate in the hot spot. This last expense is called m, and that of the fraction of fluid for regeneration, m '. In both compression and expansion, the mass flow M will be the sum of both, that is, M = m + m '

-un aumento del trabajo generado en la parte expansora, pues hay mayor caudal. (Para poder comparar, los mapas de presión y temperatura no cambian del caso realista sin invención, al caso con invención, salvo en la línea de expansión, que cambia, obviamente);-An increase in the work generated in the expander part, as there is a greater flow. (To be able to compare, the pressure and temperature maps do not change from the realistic case without invention, to the case with invention, except in the expansion line, which obviously changes);

-un aumento de potencia consumida en la fase compresora, igualmente por incremento de gasto másico (pues sin la invención sería m, y con la invención pasa a M).- an increase in power consumed in the compression phase, also due to an increase in mass flow rate (since without the invention it would be m, and with the invention it goes to M).

Para hacer un ejemplo ilustrativo, se toman los siguiente valores de presión y temperatura en los puntos más relevantes:To make an illustrative example, the following pressure and temperature values are taken at the most relevant points:

-mínima presión, 0,1 MPa -minimum pressure, 0.1 MPa

-máxima presión, 1,6 MPa-max pressure, 1.6 MPa

-mínima temperatura, 300 K-minimum temperature, 300 K

Téngase en cuenta que en las transformaciones isentrópicas del argón, el cociente entre calores específicos isóbaro e isócoro, vale 5/3; por lo cual, si se llama r a la razón de presiones entre final y principio de una evolución isentrópica, la razón de temperaturas esNote that in the isentropic transformations of argon, the quotient between isobaric and isochoric specific heats is 5/3; Therefore, if the pressure ratio between the end and the beginning of an isentropic evolution is called r, the temperature ratio is

Figure imgf000014_0001
Figure imgf000014_0001

En el ciclo ideal se tieneIn the ideal cycle we have

-temperatura al final de la compresión, coincidente con el final de la expansión, y el comienzo del foco caliente = 396 K-temperature at the end of compression, coinciding with the end of expansion, and the beginning of the hot spot = 396 K

-temperatura de salida del foco caliente = 1200 K- hot spot outlet temperature = 1200 K

El rendimiento del ciclo se define porCycle performance is defined by

Figure imgf000014_0002
Figure imgf000014_0002

Donde Q es el calor aportado en el foco caliente. Como en esta caso el gasto másico es igual para las 3 magnitudes, se puede obviar, y se obtieneWhere Q is the heat contributed to the hot spot. Since in this case the mass flow is the same for the 3 magnitudes, it can be ignored, and we obtain

(1200 (1200 - - 396 396 ) - ) - 4(396 4 (396 - - 300 300 ))

(ú = = 0,522 ( ú = = 0.522

1200 - 396 1200 - 396

En lo cual se ha tenido en cuenta que hay 4 escalones en la compresión Por su parte, el ciclo realista (sin invención aplicada de momento) con el 85% de rendimiento en las máquinas, arroja los resultados siguientesIn which it has been taken into account that there are 4 steps in compression For its part, the realistic cycle (without invention applied at the moment) with 85% performance in the machines, yields the following results

-temperatura al final de la compresión, coincidente con el comienzo del foco caliente = 412 K-temperature at the end of compression, coinciding with the beginning of the hot spot = 412 K

-temperatura de salida del foco caliente = 1250 K-heat bulb outlet temperature = 1250 K

-temperatura del final de la expansión, 538 K-temperature of the end of expansion, 538 K

Y se obtieneAnd you get

( 1250 - 538 ) - 4 ( 412 - 300 ) 712 - 448(1250 - 538) - 4 (412 - 300) 712 - 448

a) to) = ________ _______ttt:------------ = ----- rrr:---- = 0,3151200 -412 838 = ________ _______ ttt : ------------ = ----- rrr: ---- = 0.315 1200 -412 838

Se aprecia que el efecto de las irreversibilidades es muy acentuado, mayor incluso que el producto de rendimientos de compresión y expansión (que da 0,7225 en este caso, mientras que el cociente entre 0,315 y 0,522 es 0,603). Por último, hay que computar el efecto de la invención sobre el caso realista. Al aplicar la invención, se extrae de la expansión (línea 39), de manera continuada, el calor en exceso respecto de la isentrópica (línea 40), y dicho calor se recicla; y para extraerlo hace falta un flujo (una fracción del gasto másico) lo que hace que tanto por la expansión como por la compresión, circule más gasto. Este añadido esIt can be seen that the effect of irreversibilities is very pronounced, even greater than the product of compression and expansion performances (which gives 0.7225 in this case, while the quotient between 0.315 and 0.522 is 0.603). Finally, the effect of the invention must be computed on the realistic case. When applying the invention, the heat in excess with respect to the isentropic (line 40) is continuously extracted from the expansion (line 39), and said heat is recycled; and to extract it, a flow (a fraction of the mass flow) is required, which means that for both expansion and compression, circulate more expense. This addition is

A T p A T p

m = m m = m

A T ' l - pA T 'l - p

Que para la hipótesis de que los rendimientos £, cp y t sean casi iguales a 1, quedaThat for the hypothesis that the returns £, cp and t are almost equal to 1, it remains

, 1 - p , 1 - p

m = m ------- m = m -------

PP

Y para los rendimientos previstos en las máquinas, queda m-0,176m.And for the expected yields on the machines, it remains m-0.176m.

Se aprecia que se cumpleIt is appreciated that it is fulfilled

, , mm

M M = = m m m m = —= -

PP

Con lo que se llega a que el trabajo realizado en la expansión pasa aWith which it is arrived at that the work carried out in the expansion happens to

W = p Q - = QW = p Q - = Q

Y análogamente se multiplica por (1/p) el trabajo de compresión, por lo que el rendimiento quedaAnd similarly, the compression work is multiplied by (1 / p), so the performance remains

Wr 448 Wr 448 / / 0,850.85

Cú = 1 ----- - = l = 0,37 Cú = 1 ----- - = l = 0.37

Q 838 Q 838

Con la invención se obtiene un incremento de rendimiento desde 0,315 a 0,37, lo que significa un 17,5% mayor.With the invention, a yield increase from 0.315 to 0.37 is obtained, which means 17.5% higher.

Indudablemente, los componentes añadidos no serán perfectos, por lo que resulta útil rehacer los cálculos anteriores con rendimientos por debajo de 1. Por ejemplo, £=0,95; t=0,97 y cp=0,99, acordes con lo que significan. El valor de p se reduce ligeramente a 0,1425 (desde 0,15). Eso modifica el incremento de flujo en la compresión y la expansión, obteniéndose M=1,1713m (que es ligeramente superior al del caso anterior). Ello lleva a los siguientes valoresThe added components will certainly not be perfect, so it is useful to redo the above calculations with returns below 1. For example, £ = 0.95; t = 0.97 and cp = 0.99, consistent with what they mean. The p-value drops slightly to 0.1425 (from 0.15). This modifies the increase in flow in compression and expansion, obtaining M = 1.1713m (which is slightly higher than in the previous case). This leads to the following values

Q= 838 (no varía)Q = 838 (does not vary)

W= 830 (disminuye desde 838)W = 830 (decreases from 838)

Wc= 448 1,1713=515Wc = 448 1.1713 = 515

Y el rendimiento del ciclo queda (830-515)/838 = 0,364, ligeramente menor que el de la termorreparación con todos sus rendimientos iguales a 1 (0,37).And the yield of the cycle remains (830-515) / 838 = 0.364, slightly less than that of the thermo-repair with all its yields equal to 1 (0.37).

Como resumen de la invención, se puede decir que consiste en aprovechar dos fuentes de calor: la exterior, que es la que verdaderamente se paga, (línea 37 en el diagrama de la figura 3) y la interior, que no se paga, pues el calor está generado por las irreversibilidades (y procede de refrigerar el sistema de modo que la línea 39 pase a la línea 40, en la expansión del flujo total, suma del principal y el de regeneración).As a summary of the invention, it can be said that it consists of taking advantage of two sources of heat: the exterior, which is the one that is really paid for, (line 37 in the diagram in figure 3) and the interior, which is not paid, since the heat is generated by irreversibilities (and comes from cooling the system so that line 39 passes to line 40, in the expansion of the total flow, sum of the main and the regeneration).

El calor exterior (1) se transfiere en el foco caliente (2) al flujo principal, que una vez calentado entra en la zona de expansión, constituida por una sucesión alternada de toberas (6, 8, 10) y rodetes (7, 9, 11). Estos componentes se refrigeran con el flujo de regeneración, que va canalizado dentro de una carcasa (5) que constituye un segundo foco calorífico, generado interiormente. De ahí que emerja por el conducto (29) para juntarse con el flujo principal y entrar en la zona de expansión. Transcurrida ésta, el flujo total pasa al foco frío (13,14), al que subsigue la fase de compresión, a través de las coronas de álabes (16, 20, 24) y los difusores (17, 21, 25), con los cuales se intercalan los intercambiadores de refrigeración (19, 23). Del flujo completo ya comprimido, se extrae (por el conducto 27b, y según la regulación de la válvula (26)) la fracción de flujo que se emplea para obtener el calor del segundo foco caliente, que se genera interiormente. Este foco pone en valor termodinámico lo que inicialmente es sólo una pérdida, debida a las irreversibilidades.The external heat (1) is transferred in the hot spot (2) to the main flow, which once heated enters the expansion zone, made up of an alternate succession of nozzles (6, 8, 10) and impellers (7, 9 , eleven). These components are cooled by the regeneration flow, which is channeled inside a casing (5) that constitutes a second heat source, generated internally. Hence, it emerges through the conduit (29) to join the main flow and enter the expansion zone. After this, the total flow passes to the cold focus (13,14), which is followed by the compression phase, through the blade crowns (16, 20, 24) and the diffusers (17, 21, 25), with which are intercalated the refrigeration exchangers (19, 23). From the complete flow already compressed, the fraction of flow used to obtain the heat from the second hot spot, which is generated internally, is extracted (through conduit 27b, and according to the regulation of valve (26)). This focus puts in thermodynamic value what initially is only a loss, due to irreversibilities.

La presente invención no está limitada, en modo alguno, a las realizaciones aquí divulgadas. Para la persona experta en la técnica serán evidentes otras posibles realizaciones diferentes de esta invención, a la vista de la presente descripción. En consecuencia, el alcance de protección de la presente invención está definido, exclusivamente, por las reivindicaciones que siguen a continuación. The present invention is by no means limited to the embodiments disclosed herein. Different possible embodiments of this invention will be apparent to the person skilled in the art in light of the present disclosure. Consequently, the scope of protection of the present invention is defined exclusively by the claims that follow.

Claims (4)

REIVINDICACIONES 1.- Sistema termodinámico para transformar energía térmica en energía mecánica, provisto de un circuito cerrado por el que circula un fluido de trabajo (15) y que comprende:1.- Thermodynamic system to transform thermal energy into mechanical energy, provided with a closed circuit through which a working fluid circulates (15) and comprising: • al menos un primer intercambiador de calor (2) provisto de un conducto primario (2a) y un conducto secundario (2b), estando el conducto primario alimentado por un fluido exterior (1) que aporta calor a un flujo principal de fluido de trabajo que circula por el conducto secundario (2b) hacia una tobera de entrada (6) de una turbina (6, 7);• at least one first heat exchanger (2) provided with a primary conduit (2a) and a secondary conduit (2b), the primary conduit being fed by an external fluid (1) that supplies heat to a main flow of working fluid circulating through the secondary conduit (2b) towards an inlet nozzle (6) of a turbine (6, 7); • una turbina, o alternativamente un conjunto de turbinas (6, 7; 8, 9; 10, 11) dispuestas en serie entre sí y en cuyo interior se expande el flujo total del fluido de trabajo que abandona el conjunto de turbinas (6, 7; 8, 9; 10, 11) a través de un conducto de salida hacia un segundo intercambiador (14) de calor, estando recubierto el conjunto de turbinas por una carcasa externa (5) que proporciona un canal de refrigeración (5a);• a turbine, or alternatively a set of turbines (6, 7; 8, 9; 10, 11) arranged in series with each other and inside which the total flow of the working fluid that leaves the set of turbines (6, 7; 8, 9; 10, 11) through an outlet conduit to a second heat exchanger (14), the set of turbines being covered by an external casing (5) that provides a cooling channel (5a); • al menos un segundo intercambiador de calor (14) provisto de un conducto primario (14a) y un conducto secundario (14b), estando el conducto secundario (14b) alimentado por un fluido exterior (13) a temperatura ambiente, que refrigera el flujo total de fluido de trabajo que circula por el conducto primario (14a) hacia un primer compresor (16, 17);• at least one second heat exchanger (14) provided with a primary conduit (14a) and a secondary conduit (14b), the secondary conduit (14b) being fed by an external fluid (13) at room temperature, which cools the flow total working fluid circulating through the primary conduit (14a) towards a first compressor (16, 17); • un compresor, o alternativamente un conjunto de compresores (16, 17;• a compressor, or alternatively a set of compressors (16, 17; 20, 21; 24, 25), dispuestos en serie entre sí y configurados para comprimir sucesivamente el flujo total del fluido de trabajo, que sale de dicho compresor o conjunto de compresores (16, 17; 20, 21; 24, 25) a través de un conducto de salida;20, 21; 24, 25), arranged in series with each other and configured to successively compress the total flow of the working fluid, leaving said compressor or set of compressors (16, 17; 20, 21; 24, 25) through a conduit output; estando caracterizado el sistema termodinámico por que:the thermodynamic system being characterized by: - el conducto de salida (27) del compresor o conjunto de compresores está provisto de dos ramas diferentes, una primera rama (27a) conectada al conducto secundario del primer intercambiador de calor, y una segunda rama (27b) conectada a través de un conducto (28) al canal de refrigeración (5a) de la carcasa externa (5) del conjunto de turbinas; de tal forma que una primera porción del flujo de fluido, denominada flujo principal, va directamente al primer intercambiador (2) de calor a través de la primera rama, y una segunda porción del flujo de fluido de trabajo, denominada flujo de termorreparación, accede a la carcasa exterior (5) del conjunto de turbinas a través de la segunda rama (27b), y circula a lo largo de dicha carcasa, por su canal interior (5a), refrigerando el conjunto de turbinas, y se incorpora al final del conducto secundario (2b) del primer intercambiador de calor a través de un conducto de retorno (29), a partir de lo cual, el flujo total de trabajo, que es la suma del flujo principal más el flujo de termorreparación, entra en la tobera de la primera turbina (6).- the outlet duct (27) of the compressor or set of compressors is provided with two different branches, a first branch (27a) connected to the secondary duct of the first heat exchanger, and a second branch (27b) connected through a duct (28) to the cooling channel (5a) of the outer casing (5) of the set of turbines; from such that a first portion of the fluid flow, called the main flow, goes directly to the first heat exchanger (2) through the first branch, and a second portion of the working fluid flow, called the heat-repair flow, accesses the outer casing (5) of the set of turbines through the second branch (27b), and circulates along said casing, through its inner channel (5a), cooling the set of turbines, and is incorporated at the end of the duct secondary (2b) of the first heat exchanger through a return duct (29), from which the total work flow, which is the sum of the main flow plus the heat-repair flow, enters the nozzle the first turbine (6). 2.- Sistema termodinámico según la reivindicación 1, en el que el conjunto de turbinas (6, 7; 8, 9; 10, 11) está provisto de tres turbinas dispuestas en serie entre sí.2. Thermodynamic system according to claim 1, in which the set of turbines (6, 7; 8, 9; 10, 11) is provided with three turbines arranged in series with each other. 3. - Sistema termodinámico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el conjunto de compresores (16, 17; 20, 21; 24, 25) está provisto de tres compresores dispuestos en serie entre sí.3. - Thermodynamic system according to any of the preceding claims, in which the set of compressors (16, 17; 20, 21; 24, 25) is provided with three compressors arranged in series with each other. 4. - Sistema termodinámico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el conjunto de compresores (16, 17; 20, 21; 24, 25) está provisto al menos de un refrigerador (19, 23) por el que circula fluido (18, 22) a temperatura ambiente y que refrigera el flujo total de fluido de trabajo (15). 4. - Thermodynamic system according to any of the preceding claims, in which the set of compressors (16, 17; 20, 21; 24, 25) is provided with at least one refrigerator (19, 23) through which fluid circulates ( 18, 22) at room temperature and cooling the total flow of working fluid (15).
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