ES2836748T3 - Máquina térmica configurada para realizar ciclos de calor y procedimiento para realizar ciclos de calor por medio de dicha máquina térmica - Google Patents

Máquina térmica configurada para realizar ciclos de calor y procedimiento para realizar ciclos de calor por medio de dicha máquina térmica Download PDF

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ES2836748T3 ES18740646T ES18740646T ES2836748T3 ES 2836748 T3 ES2836748 T3 ES 2836748T3 ES 18740646 T ES18740646 T ES 18740646T ES 18740646 T ES18740646 T ES 18740646T ES 2836748 T3 ES2836748 T3 ES 2836748T3
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Abstract

Una maquina termica (121) para realizar un ciclo de calor, funcionando la maquina termica con un fluido termico y configurada para funcionar con un ciclo de calor combinado que usa aire caliente y vapor acuoso, presentando movimiento continuo unidireccional del fluido termico, comprendiendo la maquina termica: - una unidad de accionamiento (1) que comprende: - una carcasa (2) que delimita en ella una camara anular (12) y que tiene aperturas de entrada o descarga dimensionadas (15', 16', 15", 16", 15"', 16"') en comunicacion fluida con conductos externos a la camara anular (12), en donde cada abertura de entrada o descarga (15', 16', 15", 16", 15"', 16"') esta espaciada angularmente desde las aberturas de entrada y descarga adyacentes para definir un trayecto de expansion/compresion para un fluido de trabajo en la camara anular (12); - un primer rotor (4) y un segundo rotor (5) instalados giratoriamente en dicha carcasa (2); en donde cada uno de los dos rotores (4, 5) tiene tres pistones (7a, 7b, 7c; 9a, 9b, 9c) que se pueden deslizar en una camara anular (12), en donde los pistones (7a, 7b, 7c) de uno de los rotores (4,5) estan alternos angularmente con los pistones (9a, 9b, 9c) del otro rotor ((5); en donde los pistones adyacentes angularmente (7a, 9a, 7b, 9b, 7c; 9c) delimitan seis camaras de volumen variable (13', 13", 13"'; 14', 14", 14"`). - un eje primario (17) operativamente conectado a dicho primer y segundo rotor (4,5); - una transmision (18) que esta interpuesta operativamente entre dichos primer y segundo rotor (4,5) y el eje primario (17) y configurado para convertir el movimiento rotacional con las correspondientes velocidades angulares periodicamente variables primera y segunda (ω1, ω2) de dichos primer y segundo rotor (4, 5) que estan desplazados uno con respecto al otro en un movimiento rotatorio que tiene una velocidad angular constante del eje primario (17); en donde la transmision (18) esta configurada para conferir, en la velocidad angular periodicamente variable (ω1, ω2) de cada uno de los rotores (4,5), seis periodos de variacion para cada revolucion completa del eje primario (17); en donde dicha unidad de accionamiento es un expansor volumetrico rotatorio que funciona con dicho fluido termico; - una primera seccion de la unidad de accionamiento (1), en la que siguiendo el movimiento de dos pistones (9c, 7c) alejandose uno de otro, el fluido termico, que pasa a traves de la abertura de entrada (15"') es aspirado hacia la camara (13"'); - una segunda seccion de dicha unidad de accionamiento (1), en la que, tras el movimiento de los dos pistones (7c, 9a) uno hacia el otro, se comprime el fluido previamente aspirado en la camara (14"') y despues, al pasar a traves de la abertura de descarga (16"'), un tubo (44') y una valvula de retencion (44a), es transportado a un tanque de compensacion (44); - un tanque de compensacion (44) configurado para acumular el fluido termico comprimido para hacer que este disponible, a traves de tubos especificos (44", 42') y la valvula de retencion (44b), para su uso posterior, en un modo continuo; - un regenerador (42), en comunicacion fluida a traves de tubos especificos (42'-97') con dicha unidad de accionamiento (1) y configurado para precalentar el fluido termico antes de su entrada en un calentador (41); - un calentador (41) configurado para supercalentar el fluido termico que circula en una serpentina, utilizando la energia termica producida por un quemador (40); - un quemador (40) con una camara de combustion (40A) unida al mismo, siendo apto dicho quemador (40) para funcionar con varios tipos de combustible y siendo capaz de suministrar la energia termica necesaria al calentador (41); - una tercera seccion de dicha unidad de accionamiento (1), en comunicacion fluida con dicho calentador (41), a traves de tubos especificos (41', 41", 41"'), y capaz de recibir, a traves de las aberturas de entrada (15', 15"), el fluido termico calentado a alta temperatura bajo presion en el calentador (41) para que se expanda en las camaras (13', 13"), que estan delimitadas por los pistones (9a, 7a-9b- 7b), respectivamente, con el fin de hacer que dichos pistones giren y produzcan trabajo; - una cuarta seccion de dicha unidad de accionamiento (1), en comunicacion fluida con el regenerador (42) a traves de las aberturas de descarga (16', 16") y tubos especificos (45', 45", 46); y en donde debido a la reduccion del volumen de las dos camaras (14', 14") provocado por el movimiento de los dos pares de pistones (7a, 9b-7b, 9c) uno hacia otro, se expulsa forzadamente el fluido termico agotado; - en donde dicho regenerador (42), en comunicacion fluida con dicha unidad de accionamiento (1), esta configurado ademas para adquirir energia termica del fluido termico agotado y para usarlo para precalentar el fluido termico para su envio al calentador (41).

Description

DESCRIPCIÓN
Máquina térmica configurada para realizar ciclos de calor y procedimiento para realizar ciclos de calor por medio de dicha máquina térmica
Campo de la invención
La presente invención se refiere a una “máquina térmica" que comprende una “unidad de accionamiento rotatorio" provista de un sistema de transmisión de movimiento y algunas configuraciones funcionales específicas del mismo, y que, a pesar de tener los ciclos de calor Joule-Ericsson como referencia original, los complementa y mejora, consiguiendo un innovador ciclo de calor combinado, operando con una mezcla de aire y vapor acuoso, para obtener una mayor potencia de la unidad, un aumento considerable en la eficiencia general y una lubricación eficiente del cilindro en el que giran los pistones. La presente invención se refiere asimismo a un procedimiento para realizar ciclos de calor.
En particular, la presente invención puede tener aplicación en la producción de energía eléctrica a partir de fuentes renovables, en el campo de la generación combinada de energía eléctrica y calor, en el campo del transporte y en el sector de automoción en general.
Antecedentes de la invención
En la descripción de la solicitud de patente publicada con el número WO2015/114602A1 a nombre del mismo solicitante se han expuesto ya algunas consideraciones históricas en relación con los ciclos termodinámicos, por lo que se considera útil mencionar a continuación únicamente las partes más importantes ligadas a la materia objeto de la presente invención y en lo que respecta al uso como máquina térmica caracterizada por un nuevo “ciclo de calor pulsante", cuyo origen se basa en los ciclos de Joule-Ericsson.
Notas históricas sobre el motor Ericsson
El primer diseño y la producción del motor de “aire caliente" Ericsson tuvieron lugar en 1826, inicialmente sin regeneración y con una modesta eficiencia en general.
En 1833, se construyó un nuevo motor Ericsson provisto de válvulas y un recuperador de calor y se obtuvo un considerable aumento en la eficiencia general.
En 1853 se construyó un motor de “aire caliente" Ericsson, que se utilizó en un barco; fue capaz de generar 220 kW de potencia con una eficiencia general del 13,3 %.
En años posteriores, se produjeron y utilizaron varios miles de motores Ericsson en barcos, así como en laboratorios industriales en los Estados Unidos.
Entre 1855 y 1860 se construyeron casi 3.000 motores Ericsson de baja potencia (600 W). Fueron vendidos y utilizados en los Estados Unidos, Alemania, Francia y Suecia.
Estos motores poseían una alta fiabilidad y robustez, hasta el punto de que un motor instalado en un faro permaneció en funcionamiento durante más de 30 años después de su puesta en servicio.
Por razones que aún no se han aclarado del todo, el motor Ericsson fue reemplazado primero por máquinas de vapor convencionales y después por motores de combustión interna, más potentes y de tamaño compacto.
Representación esquemática del ciclo Ericsson de circuito cerrado
En la figura 4 se representa esquemáticamente el ciclo Ericsson, caracterizado por el uso de un motor de movimiento reciprocante que funciona en un circuito cerrado, y está compuesto por los siguientes componentes principales: E_ cilindro de expansión;
E1-E2_ válvulas de descarga - entrada del cilindro de expansión;
R_ intercambiador de calor/recuperador;
K_ intercambiador de calor/sumidero;
C_ cilindro de compresión;
C1-C2_Válvulas de descarga-entrada del cilindro de compresión;
H_ calentador de “fluido térmico".
Haciendo referencia a dicha figura 4, el motor Ericsson funciona de la siguiente manera:
_en el cilindro C, como resultado del movimiento hacia abajo del pistón, es aspirado primero el fluido térmico (a la temperatura T1), que pasa a través de la válvula C1, y después, como resultado del movimiento hacia arriba del pistón, se comprime hasta alcanzar el valor máximo correspondiente a la relación predeterminada;
_el fluido térmico comprimido pasa entonces a través de la válvula C2 y sale del cilindro C (a la temperatura T2); _el fluido térmico pasa después al recuperador R, en el que recibe calor y se calienta (hasta la temperatura T2'); _el fluido térmico pasa después al calentador H, en el que recibe calor y se calienta más (a la temperatura T3); _el fluido térmico después pasa a través de la válvula E1 y entra en el cilindro E en el que, al expandirse, provoca el movimiento hacia abajo del pistón, produciendo un trabajo útil.
_el fluido térmico ya expandido, como resultado del movimiento ascendente del pistón, se descarga del cilindro y (a una temperatura reducida T4) pasa a través de la válvula E2;
_el fluido térmico pasa después a través del recuperador R, en el que entrega calor (hasta alcanzar una temperatura reducida T4');
_el fluido térmico después pasa a través del sumidero K, en el que entrega más calor (hasta alcanzar la temperatura T1) y desde el que puede comenzar un nuevo ciclo, perfectamente idéntico al anterior.
Representación esquemática del ciclo cerrado de Joule
En la figura 5 se representa esquemáticamente el ciclo de Joule, caracterizado por el uso de una turbo-máquina con movimiento rotatorio continuo, que opera en un circuito cerrado, y se compone de los siguientes componentes principales:
E_ turbina de expansión;
R_ intercambiador de calor/recuperador;
K_ intercambiador de calor/sumidero;
C_turbina de compresión;
H_ calentador de “fluido térmico".
Haciendo referencia a dicha figura 5, la turbo-máquina de Joule funciona de la siguiente manera:
_como resultado del rápido movimiento rotatorio de la turbina C, es aspirado y se comprime el fluido térmico (a la temperatura T1) al valor predeterminado máximo;
_el fluido térmico comprimido sale entonces de la turbina C (a la temperatura T2);
_el fluido térmico pasa después al recuperador R, en el que recibe calor y se calienta (hasta la temperatura T2'); _el fluido térmico pasa después al calentador H, en el que recibe calor y se calienta más (a la temperatura T3); _el fluido térmico entra después en la turbina E, en la que, al expandirse, provoca el movimiento rotatorio de la propia turbina, produciendo un trabajo útil.
_el fluido térmico ya expandido se descarga entonces de la turbina E y (a una temperatura reducida T4);
_el fluido térmico pasa entonces a través del recuperador R, en el que entrega calor (hasta alcanzar una temperatura reducida T4');
_el fluido térmico después pasa a través del sumidero K, en el que entrega más calor (hasta alcanzar la temperatura T1), concluyendo el ciclo.
Consideraciones generales
En general, se han desarrollado varias máquinas térmicas que funcionan con ciclos termodinámicos diversificados y otras todavía están en una etapa experimental.
Sin embargo, el solicitante ha observado que incluso las soluciones ya industrializadas tienen muchas limitaciones. Esto se aplica en particular a los motores utilizados para impulsar generadores eléctricos autónomos de pequeña y mediana potencia (por debajo de 50 KWh).
Hoy en día, en la práctica, se utilizan habitualmente las siguientes unidades de accionamiento para impulsar generadores eléctricos:
_motores de combustión interna reciprocantes, que son mecánicamente complicados, ruidosos, son particularmente contaminantes y requieren mucho mantenimiento;
_motores Stirling, que, aunque son menos contaminantes, deben funcionar a baja velocidad (limitación impuesta por el uso de un regenerador de flujo alternativo) para tener una buena eficiencia en general y, por lo tanto, son muy pesados y engorrosos.
_turbinas de gas, que además de ser particularmente contaminantes, no son económicamente competitivas en aplicaciones a pequeña escala.
_expansores en los que se emplea el ciclo Rankine o Rankine-Hirn, que, dada la necesidad de utilizar un generador de vapor de cierto tamaño, pueden ser muy competitivos solo en aplicaciones de cogeneración fija y requieren innovaciones tecnológicas adicionales para ser utilizados de manera rentable también aplicaciones móviles a pequeña escala.
En general, todas las soluciones de la técnica anterior, además de los problemas de contaminación, baja eficiencia, complejidad mecánica y altos costes de mantenimiento, se caracterizan también por una relación coste-beneficio que no es particularmente satisfactoria, lo cual ha limitado en gran medida la diseminación de cogeneración en el mercado de edificios de ocupación múltiple y viviendas residenciales.
El solicitante también ha observado que si se desea extender el uso de dichas máquinas térmicas a vehículos y micro cogeneración en una situación sanitaria, la compacidad y la eficiencia general son fundamentales.
Solución innovadora propuesta por el solicitante
En este contexto, el solicitante ha establecido el objetivo de proponer una nueva “máquina térmica" capaz de operar con un innovador ciclo de calor combinado utilizando aire caliente y vapor acuoso, con lo cual es posible explotar una mayor energía recuperándola durante las etapas del propio ciclo, con un considerable aumento en la potencia de la unidad y la eficiencia general, resolviendo también el gran problema de lubricar el cilindro en el que se deslizan los pistones de la unidad de accionamiento conocida.
En particular, en comparación con los ciclos de Ericsson y Joule, las innovaciones introducidas con la presente invención se pueden identificar en tres posibles configuraciones operativas diferentes del ciclo de calor.
En la primera configuración, que comprende únicamente la inyección de agua aguas abajo de la regeneración, se obtienen los siguientes resultados:
_lubricación del cilindro de la unidad de accionamiento, con una reducción de la fricción y el desgaste y el consiguiente aumento de la eficiencia mecánica;
_aumento de la potencia de la unidad, debido al aumento en la caudal y el peso molecular del fluido térmico que se expande en el cilindro;
_no aumenta el trabajo de compresión negativa, ya que el agua introducida se condensa y se separa del aire antes ser aspirada;
_leve disminución de la eficiencia general, ya que la cantidad de calor absorbido por la evaporación es muy alta por unidad de masa.
En la segunda configuración, que comprende la inyección de vapor saturado obtenido con una recuperación de energía aguas abajo de la regeneración, se obtienen los siguientes resultados:
_lubricación del cilindro de la unidad de accionamiento, con una reducción de la fricción y el desgaste y el consiguiente aumento de la eficiencia mecánica;
_aumento de la potencia de la unidad, debido al aumento en la caudal y el peso molecular del fluido térmico que se expande en el cilindro;
_no aumenta el trabajo de compresión negativa, ya que el agua introducida se condensa y se separa del aire antes ser aspirada;
_aumento de la eficiencia global, ya que la cantidad de calor absorbido por la evaporación se compensa con la recuperación de energía conseguida con el evaporador.
En la tercera configuración, que comprende la inyección de vapor supercalentado obtenido con una recuperación de energía aguas abajo de la regeneración y la recuperación de energía de los humos de combustión, se obtienen los siguientes resultados:
_lubricación del cilindro de la unidad de accionamiento, con una reducción de la fricción y el desgaste y el consiguiente aumento de la eficiencia mecánica;
_mayor aumento de la potencia de la unidad, debido al aumento en el caudal, el peso molecular y la entalpía del fluido térmico que se expande en el cilindro;
_no aumenta el trabajo de compresión negativa, ya que el agua introducida se condensa y se separa del aire antes de ser aspirada;
_mayor aumento en la eficiencia general, ya que la cantidad de calor absorbido por la evaporación se compensa con la recuperación de energía conseguida con el evaporador y el aumento de la entalpía obtenida con el supercalentamiento.
Por lo tanto, el objetivo en la base de la presente invención, en los diversos aspectos y/o realizaciones de la misma, es remediar uno o más de los inconvenientes de las soluciones de la técnica anterior proporcionando una nueva “máquina térmica" capaz de usar múltiples fuentes de calor y capaz de generar una gran cantidad de energía mecánica (trabajo), que se puede utilizar en cualquier lugar y para cualquier fin, pero preferentemente para la producción de energía eléctrica.
Un objeto adicional de la presente invención es proporcionar una nueva “máquina térmica" caracterizada por una alta eficiencia termodinámica y una excelente relación potencia/peso.
Un objeto más de la presente invención es proponer una nueva “máquina térmica" provista de una “unidad de accionamiento" caracterizada por una estructura mecánica que es simple y que se puede construir fácilmente.
Un objeto más de la presente invención es poder producir una nueva “máquina térmica" caracterizada por un coste de producción reducido.
Estos objetos, y cualquier otro que se hará más evidente en el curso de la siguiente descripción, se consiguen sustancialmente mediante una nueva “máquina térmica" que se basa en una “unidad de accionamiento" caracterizada por una serie de aspectos particulares.
En un aspecto, la presente invención se refiere a una máquina térmica para realizar un ciclo de calor, funcionando la máquina térmica con un fluido térmico y que comprende:
- una unidad de accionamiento que comprende:
- una carcasa que delimita en ella una cámara anular y que tiene aberturas de entrada o descarga dimensionadas apropiadamente en comunicación fluida con conductos externos a la cámara anular, en la que cada abertura de entrada o descarga está angularmente separada de las aberturas de entrada y descarga adyacentes para definir un trayecto de expansión/ compresión para un fluido de trabajo en la cámara anular;
- un primer rotor y un segundo rotor instalados de modo que pueden girar en dicha carcasa; en los que cada uno de los dos rotores tiene tres pistones que se pueden deslizar en la cámara anular; en los que los pistones de uno de los rotores se alternan angularmente con los pistones del otro rotor; en los que los pistones angularmente adyacentes delimitan seis cámaras de volumen variable;
- un eje primario conectado operativamente con dicho primer y segundo rotor;
- una transmisión que está interpuesta operativamente entre dicho primer y segundo rotor y el eje primario y configurada para convertir el movimiento rotatorio con las correspondientes velocidades angulares periódicamente variables primera y segunda de dicho primer y segundo rotor que están desplazadas entre sí en un movimiento rotatorio teniendo una velocidad angular constante del eje primario; en la que la transmisión está configurada para conferir, a la velocidad angular periódicamente variable de cada uno de los rotores, seis períodos de variación para cada revolución completa del eje primario.
En un aspecto, dicha unidad de accionamiento es un expansor volumétrico rotatorio que funciona con dicho fluido térmico.
En un aspecto, la máquina térmica comprende una primera sección de la unidad de accionamiento en la que, después del movimiento de los dos pistones alejándose uno de otro, el fluido térmico que pasa a través de la abertura de entrada es aspirado hacia la cámara.
En un aspecto, la máquina térmica comprende una segunda sección de dicha unidad de accionamiento, en la que, siguiendo el movimiento de los dos pistones uno hacia el otro, el fluido térmico previamente aspirado se comprime en la cámara y después, al pasar a través de la abertura de descarga, un tubo y una válvula de retención, se transporta a un tanque de compensación.
En un aspecto, la máquina térmica comprende dicho tanque de compensación, configurado para acumular el fluido térmico comprimido para que esté disponible, a través de tubos específicos y la válvula de retención, para su uso posterior, en un modo continuo.
En un aspecto, la máquina térmica comprende un regenerador, en comunicación fluida a través de tubos específicos y configurados para precalentar el fluido térmico antes de su entrada en un calentador.
En un aspecto, la máquina térmica comprende dicho calentador, configurado para supercalentar el fluido térmico que circula en la serpentina (es decir, en el tubo situado alrededor de la cámara de combustión y que define el calentador), utilizando la energía térmica producida por un quemador.
En un aspecto, la máquina térmica comprende dicho quemador con una cámara de combustión unida al mismo, estando configurado dicho quemador para funcionar con varios tipos de combustible y ser capaz de suministrar la energía térmica necesaria al calentador.
En un aspecto, la máquina térmica comprende una tercera sección de dicha unidad de accionamiento, en comunicación fluida con dicho calentador, a través de tubos específicos, y configurada para recibir, a través de las aberturas de entrada, el fluido térmico calentado a alta temperatura bajo presión en el calentador para que se expanda en las cámaras, que están delimitadas por los pistones, respectivamente, con el fin de hacer que dichos pistones giren y produzcan trabajo.
En un aspecto, la máquina térmica comprende una cuarta sección de dicha unidad de accionamiento, en comunicación fluida con el regenerador a través de las aberturas de descarga y tubos específicos, y en la que, debido a la reducción en el volumen de las dos cámaras provocada por el movimiento del dos pares de pistones uno hacia el otro, el fluido térmico agotado se expulsa a la fuerza.
En un aspecto, dicho regenerador en comunicación fluida con dicha unidad de accionamiento está configurado para adquirir energía térmica del fluido térmico agotado y usarlo para precalentar el fluido térmico que se enviará al calentador.
En un aspecto (véase la representación esquemática en la figura 6), la primera sección de la unidad de accionamiento está en conexión fluida con el entorno externo a través de un tubo específico, de modo que el aire del entorno puede ser aspirado hacia la cámara.
En un aspecto (véase la representación esquemática en la figura 6), la máquina térmica comprende una bomba dosificadora en conexión fluida con un tanque de agua destilada y dispuesta para permitir que se inyecte una cantidad predefinida de agua destilada en el circuito de aire por medio de un inyector, pudiendo aumentar dicha cantidad predefinida la potencia de la unidad de la unidad de accionamiento y asegurar la lubricación del cilindro.
En un aspecto (véase la representación esquemática en la figura 7), la máquina térmica comprende un refrigerador interpuesto operativamente entre la salida de baja temperatura del regenerador y la entrada del calentador.
En un aspecto (véase la representación esquemática en la figura 7), el fluido térmico, que sale del refrigerador a la temperatura T1, pasa a un tubo específico, pasa a través de una trampilla de condensado, en la que se condensa el agua en el fluido térmico y se separa del aire, pasa hacia un tubo específico adicional a la temperatura T, pasa a través de la abertura de aspiración y después del movimiento de los dos pistones alejándose uno del otro, es aspirado hacia la cámara de dicha primera sección.
En un aspecto (véase la representación esquemática en la figura 7), empujada por una bomba de alta presión, el agua condensada previamente extraída del aire por la trampilla se desplaza a través de tubos específicos y llega a un inyector dispuesto para inyectar en el circuito de aire una cantidad predefinida de agua condensada, que puede aumentar la potencia de la unidad de accionamiento y garantizar la lubricación del cilindro.
En un aspecto (véase la representación esquemática en la figura 8), la máquina térmica comprende un refrigerador que está operativamente interpuesto entre la salida de baja temperatura del regenerador y la entrada del calentador, y el fluido térmico, que sale del refrigerador a la temperatura T1, pasa a un tubo, pasa a través de una trampilla de condensado, en la que el agua en el fluido térmico se condensa y se separa del aire, pasa a otro tubo a la temperatura T1', pasa a través de la abertura de aspiración y sigue el movimiento de los dos pistones alejándose uno del otro, es aspirado hacia la cámara de dicha primera sección y empujado por una bomba de alta presión, el agua condensada previamente extraída del aire a través de la trampilla se desplaza a través de tubos específicos y llega a un evaporador que está configurado para calentar y vaporizar el agua condensada y enviarla a un inyector dispuesto para inyectar, en el circuito de aire, una cantidad predefinida de agua condensada vaporizada, que puede aumentar la potencia de la unidad de la unidad de accionamiento y de asegurar la lubricación del cilindro.
En un aspecto (véase la representación esquemática en la figura 8), el evaporador está operativamente interpuesto, con su lado de alta temperatura, entre dicha bomba de alta presión y dicho inyector, y el evaporador está configurado para recibir como fluido entrante, en su lado de baja temperatura, el fluido térmico agotado expulsado de la salida de la unidad de accionamiento, para adquirir energía térmica residual de este fluido térmico agotado y utilizarlo para precalentar el fluido térmico para su envío al calentador.
En un aspecto (véase la representación esquemática en la figura 11), la máquina térmica comprende un refrigerador, que está operativamente interpuesto entre la salida de baja temperatura del regenerador y la entrada del calentador, y el fluido térmico, que sale del refrigerador a temperatura T1, pasa a un tubo, pasa a través de una trampilla de condensado, en la que se condensa el agua en el fluido térmico y se separa del aire, pasa a un tubo a la temperatura T 1', pasa a través de la abertura de aspiración y, siguiendo el movimiento de los dos pistones alejándose entre sí, es aspirado hacia la cámara de dicha primera sección y, empujado por una bomba de alta presión, el agua condensada previamente extraída del aire a través de la trampilla se desplaza a través de los tubos y llega a un evaporador, configurado para calentar y vaporizar el agua condensada y enviarla a un supercalentador, que, al extraer energía de los humos de combustión calientes aguas abajo del quemador, se configura para supercalentar el vapor saturado que sale del evaporador, para suministrar energía al mismo.
En un aspecto (véase la representación esquemática en la figura 11), el supercalentador está configurado para enviar el agua condensada vaporizada y supercalentada a un inyector, que está dispuesto para permitir la inyección, en el circuito de aire, de una cantidad predefinida de dicha agua condensada supercalentada y vaporizada, que puede aumentar aún más la potencia de la unidad de accionamiento y de asegurar la lubricación del cilindro.
En un aspecto (véase la representación esquemática en la figura 11), el evaporador está operativamente interpuesto, con su lado de alta temperatura, entre dicha bomba de alta presión y dicho supercalentador, y el evaporador está configurado para recibir como fluido entrante, en su lado de baja temperatura, el fluido térmico agotado expulsado de la salida de la unidad de accionamiento, para adquirir energía térmica residual de este fluido térmico agotado y utilizarlo para precalentar el fluido térmico para su envío al calentador.
En un aspecto (véase la representación esquemática en la figura 12), la máquina térmica está provista de un circuito de refrigeración que comprende:
- un primer recuperador, situado aguas arriba del quemador, en el que se extrae el aire de combustión del entorno; - una unidad de refrigeración (o espacio intermedio) asociada a la unidad de accionamiento;
- un segundo recuperador, situado aguas abajo del quemador y del calentador, y preferentemente aguas abajo de dicho supercalentador, a lo largo del trayecto de salida de los humos de combustión calientes;
- una pluralidad de tubos de refrigeración que conectan en serie dicho primer recuperador, dicha unidad de refrigeración y dicho segundo recuperador, para formar un trayecto circular y que soportan una cantidad de fluido de refrigeración (preferentemente agua);
- una bomba de refrigeración, situada en dicho circuito y que está operativamente activa en un tubo de dicha pluralidad de tubos de refrigeración para provocar la circulación de dicho fluido de refrigeración en el circuito de refrigeración.
En un aspecto (véase la representación esquemática en la figura 12), el primer recuperador está configurado para enfriar dicho fluido de refrigeración entregando la energía térmica a dicho aire de combustión, la unidad de refrigeración está configurada para enfriar la unidad de accionamiento mediante la transferencia de energía térmica desde la unidad de accionamiento al fluido de refrigeración, que experimenta un aumento de temperatura, y el segundo recuperador está configurado para calentar dicho fluido de refrigeración al adquirir energía térmica de los humos de combustión calientes.
En un aspecto (véase las representaciones esquemáticas en las figuras 6, 7, 8, 11, 12), la máquina térmica comprende un circuito hidráulico auxiliar. En un aspecto, el circuito hidráulico auxiliar comprende:
- un recuperador auxiliar, situado aguas abajo del quemador y del calentador y, preferentemente, aguas abajo del supercalentador, a lo largo del trayecto de salida de los humos de combustión calientes;
- una pluralidad de tubos auxiliares configurados para pasar a través de dicho recuperador auxiliar y para conectarse con uno o más usos auxiliares, preferentemente, dispositivos para calefacción de espacios y/o unidades de producción para agua caliente sanitaria;
- una bomba auxiliar, situada en dicho circuito y que está operativamente activa en un tubo de dicha pluralidad de tubos auxiliares para provocar la circulación en dicho circuito auxiliar.
En un aspecto, el recuperador auxiliar está configurado para recuperar tanta energía como sea posible de los humos de combustión y transmitirla al fluido en circulación en dicho circuito auxiliar, estando disponible dicha energía para dichos usos auxiliares.
En un aspecto, la máquina térmica comprende un ventilador aguas arriba del quemador y está configurada para extraer aire de combustión del entorno y enviarlo de manera forzada a dicho quemador para alimentar el proceso de combustión.
En un aspecto, la máquina térmica comprende uno o más válvulas de retención, situadas a lo largo de los tubos de la máquina térmica, y configuradas para facilitar la circulación del fluido térmico de manera unidireccional y evitar el flujo de salida del fluido térmico en la dirección opuesta.
En un aspecto independiente de la misma, la presente invención se refiere a un procedimiento para realizar un ciclo de calor, el procedimiento que funciona con un fluido térmico y que comprende las etapas de:
- disponer una máquina térmica;
- llevar a cabo una pluralidad de etapas
En un aspecto, dicha pluralidad de etapas comprende:
- poner en movimiento el eje primario y la transmisión de la unidad de accionamiento, poner en movimiento los seis pistones;
- activar el quemador y poner en marcha el proceso de combustión;
- cuando el fluido térmico que circula en la máquina térmica ha alcanzado un estado operativo mínimo preestablecido, la unidad de accionamiento produce el trabajo necesario para poder girar independientemente; - después del movimiento de los dos pistones alejándose uno del otro, el fluido térmico es aspirado hacia la cámara a través de la abertura de aspiración;
- tras el movimiento de los dos pistones uno hacia el otro, el fluido térmico previamente aspirado se comprime en la cámara, experimenta un aumento de temperatura de T1' a T2, pasa a través de la abertura de descarga y llega al tanque de compensación;
- con la intermitencia determinada por la rotación de los pistones y la apertura/cierre resultante de las aberturas de entrada, el fluido térmico sale del tanque y pasa a través del regenerador, en el que experimenta un aumento de temperatura de T2 a T2';
- el fluido térmico pasa a través del calentador, en el que recibe energía térmica y aumenta la temperatura de T2” a T3;
- con la rotación en el cilindro anular, cuando los pistones abren las aberturas de entrada, el fluido térmico supercalentado es admitido en las cámaras de expansión en las que se expande, con una disminución de su temperatura de T3 a T4 y, al hacer girar los pistones, produce trabajo útil.
En un aspecto, en dicha etapa de disponer una máquina térmica, dicha máquina térmica está de acuerdo con una combinación de uno o más de los aspectos presentes y/o una o más de las reivindicaciones adjuntas.
En un aspecto (véase la representación esquemática en la figura 6), siguiendo el movimiento de los pistones uno hacia el otro, las cámaras disminuyen en volumen, el fluido térmico agotado es expulsado de la unidad de accionamiento, pasa a través de las aberturas de descarga y pasa a través regenerador, en el que entrega parte de la energía térmica aún poseída y experimenta una disminución de la temperatura de T4 a T4'.
En un aspecto (véase la representación esquemática en la figura 6), en la etapa de aspirar el fluido térmico hacia la cámara, dicho fluido térmico es aire aspirado del entorno a temperatura T1'.
En un aspecto (véase la representación esquemática en la figura 6), el procedimiento comprende las etapas de:
- extracción de agua destilada del tanque;
- activación de la bomba dosificadora e introducción de una cantidad dada de agua destilada en el circuito por medio del inyector, provocando así una disminución de la temperatura del fluido térmico resultante de T2'a T2”;
- siguiendo la etapa de pasar a través del regenerador, el fluido térmico agotado se descarga a la atmósfera.
En un aspecto (véase la representación esquemática en la figura 7), el procedimiento comprende además las siguientes etapas:
- el fluido térmico, que sale del refrigerador a la temperatura T 1, pasa a un tubo, pasa a través de una trampilla de condensado, en la que se condensa el agua en el fluido térmico y se separa del aire, pasa a un tubo a la temperatura T1', pasa a través de la abertura de aspiración y, siguiendo el movimiento de los dos pistones alejándose uno del otro, es aspirado hacia la cámara de dicha primera sección;
- empujado por una bomba de alta presión, el agua condensada previamente extraída del aire a través de la trampilla se desplaza a través de los tubos y llega a un inyector dispuesto para permitir la inyección, en el circuito de aire, de una cantidad predefinida de agua condensada, que puede aumentar la potencia de la unidad y asegurar la lubricación del cilindro.
En un aspecto (véase la representación esquemática en la figura 8), el procedimiento comprende además las siguientes etapas:
- el fluido térmico que sale del refrigerador a la temperatura T1, pasa a un tubo, pasa a través de una trampilla de condensado, en la que se condensa el agua en el fluido térmico y se separa del aire, pasa a un tubo a la temperatura T1', pasa a través de la abertura de aspiración y, siguiendo el movimiento de los dos pistones alejándose uno del otro, es aspirado hacia la cámara de dicha primera sección;
- empujado por una bomba de alta presión, el agua condensada previamente extraída del aire a través de la trampilla se desplaza a través de los tubos y llega a un evaporador, configurado para calentar y vaporizar el agua condensada y enviarla a un inyector dispuesto para permitir la inyección, en el circuito de aire, de una cantidad predefinida de agua condensada, que puede aumentar la potencia de la unidad y asegurar la lubricación del cilindro;
en el que dicho evaporador está configurado para recibir como fluido entrante, en su lado de baja temperatura, el fluido térmico agotado expulsado de la salida de la unidad de accionamiento, para adquirir energía térmica residual de este fluido térmico agotado y usarlo para precalentar el fluido térmico para su envío al calentador.
En un aspecto (véase la representación esquemática en la figura 11), el procedimiento comprende además las siguientes etapas:
- el fluido térmico, que sale del refrigerador a la temperatura T 1, pasa a un tubo, pasa a través de una trampilla de condensado, en la que se condensa el agua en el fluido térmico y se separa del aire, pasa a un tubo a la temperatura T1', pasa a través de la abertura de aspiración y, siguiendo el movimiento de los dos pistones alejándose uno del otro, es aspirado hacia la cámara de dicha primera sección;
- empujado por una bomba de alta presión, el agua condensada previamente extraída del aire por la trampilla se desplaza a través de los tubos y llega a un evaporador que está configurado para calentar y vaporizar el agua condensada y enviarla a un supercalentador, que, al extraer energía desde los humos de combustión calientes aguas abajo del quemador, está configurado para supercalentar el vapor saturado que sale del evaporador, para suministrar energía al mismo;
en el que dicho supercalentador está configurado para enviar el agua condensada supercalentada y vaporizada a un inyector, que está dispuesto para permitir la inyección, en el circuito de aire, de una cantidad predefinida de dicha agua condensada supercalentada y vaporizada, que puede aumentar aún más la unidad de potencia de la unidad de accionamiento, de aumentar la eficiencia global y de asegurar la lubricación del cilindro,
y en el que dicho evaporador está configurado para recibir como fluido entrante, en su lado de baja temperatura, el fluido térmico agotado expulsado de la salida de la unidad de accionamiento, a fin de adquirir energía térmica residual de este fluido térmico agotado y usarlo para precalentar el fluido térmico que se enviará al calentador.
En un aspecto (véase la representación esquemática en la figura 12), el procedimiento comprende además las siguientes etapas:
- disponer un circuito de refrigeración que comprende:
- un primer recuperador, aguas arriba del quemador, en el que se extrae el aire de combustión del entorno; - una unidad de refrigeración (o espacio intermedio) asociada a la unidad de accionamiento;
- un segundo recuperador, situado aguas abajo del quemador y del calentador y, preferentemente, aguas abajo de dicho supercalentador, a lo largo del trayecto de salida de los humos de combustión calientes;
- una pluralidad de tubos de refrigeración que conectan en serie dicho primer recuperador, dicha unidad de refrigeración (o espacio intermedio) y dicho segundo recuperador, para formar un trayecto circular, y que soportan una cantidad de fluido de refrigeración (preferentemente, agua);
- una bomba de refrigeración, situada en dicho circuito y que está operativamente activa en un tubo de dicha pluralidad de tubos de refrigeración para provocar la circulación de dicho fluido de refrigeración en el circuito de refrigeración;
- Llevar a cabo las siguientes etapas:
- enfriar el fluido de refrigeración por medio de dicho primer recuperador cediendo energía térmica a dicho aire de combustión;
- enfriar, por medio de dicha unidad de refrigeración, la unidad de accionamiento por transferencia de energía térmica desde la unidad de accionamiento al fluido de refrigeración, que experimenta un aumento de temperatura;
- calentar, por medio de dicho segundo recuperador, dicho fluido de refrigeración mediante la adquisición de energía térmica de los humos de combustión calientes.
En un aspecto (véase las representaciones esquemáticas en las figuras 6, 7, 8, 11, 12), el procedimiento comprende además las siguientes etapas:
- disponer un circuito hidráulico auxiliar que comprende:
- un recuperador auxiliar, situado aguas abajo del quemador y del calentador y, preferentemente, aguas abajo de dicho supercalentador, a lo largo del trayecto de salida de los humos de combustión calientes;
- una pluralidad de tubos auxiliares configurados para pasar a través de dicho recuperador auxiliar y para conectarse con uno o más usos auxiliares, preferentemente dispositivos para calefacción de espacios y/o unidades de producción para agua caliente sanitaria;
- una bomba auxiliar, situada en dicho circuito y que está operativamente activa en un tubo de dicha pluralidad de tubos auxiliares para provocar la circulación en dicho circuito auxiliar;
- Llevar a cabo las siguientes etapas:
- recuperar tanta energía como sea posible de los humos de combustión, por medio de dicho recuperador auxiliar;
- transmitir dicha energía al fluido que circula en dicho circuito auxiliar;
- proporcionar dicha energía para usos auxiliares.
En un aspecto, la unidad de accionamiento está sustancialmente compuesta de:
- un bloque de motor formado por una carcasa provista de una cavidad interna que define un cilindro toroidal (o cilindro anular);
- dos tríadas de pistones alojadas rotativamente dentro del cilindro toroidal (o cilindro anular), estando cada tríada conectada al rotor de accionamiento correspondiente, alternándose los pistones de las dos tríadas entre sí; - una transmisión de tres ejes a con un tren de cuatro engranajes de tres lóbulos alojados en una caja específica, configurada y diseñada para transmitir movimiento desde y/o hacia las dos tríadas de pistones, comprendiendo la transmisión un eje primario (o eje de transmisión), un primer eje secundario y un segundo eje secundario, estando conectado cada eje secundario a través de rotores de accionamiento a la correspondiente tríada de pistón; - un primer rotor y un segundo rotor conectados respectivamente a un primer y un segundo eje auxiliar e instalados giratoriamente en la carcasa; en el que cada uno de los dos rotores está integrado mecánicamente con tres pistones que están desplazados angularmente entre sí 120 ° y es deslizable en la cámara anular; en la que se alternan angularmente los pistones de uno de los rotores con los pistones del otro rotor de manera que los pistones angularmente adyacentes forman y delimitan cada una de las seis cámaras de volumen variable que se crean. En un aspecto, la cámara anular tiene una sección transversal rectangular o cuadrada y los pistones, que tienen forma de acoplamiento, son respectivamente rectangulares o cuadrados.
En un aspecto, la cámara anular tiene una sección transversal circular (que se extiende toroidalmente) y los pistones, que tienen forma de acoplamiento, tienen una sección transversal circular (que se extiende toroidalmente).
En un aspecto, el cilindro toroidal (o cilindro anular) está provisto de una serie de aberturas de entrada mutuamente distintas para la entrada de un fluido térmico a alta temperatura en el cilindro y una serie de aberturas de descarga mutuamente distintas para evacuar el fluido térmico agotado.
En un aspecto, cada una de las seis cámaras se expande tres veces y se contrae tres veces por cada revolución completa (360 °) del eje primario.
En un aspecto, todas las aberturas de entrada/descarga, utilizadas para la etapa del fluido térmico, están configuradas en la carcasa del cilindro toroidal (o anular).
En un aspecto, el cilindro toroidal (o cilindro anular) está provisto de una o más aberturas de entrada para la entrada del fluido térmico enfriado en el cilindro y una o más aberturas de descarga para evacuar el fluido térmico comprimido en el tanque de compensación.
En un aspecto, mediante una rotación angular manual o automática de la caja que contiene la transmisión, en relación con las aberturas de entrada/descarga, es posible cronometrar las fases del ciclo de calor antes o después para optimizar la eficiencia termodinámica.
En un aspecto, por medio de una rotación angular manual o automática de la caja que contiene la transmisión, en relación con las aberturas de entrada/descarga, es posible cronometrar las fases del ciclo de calor antes o después para permitir un arranque autónomo del aparato motor.
En un aspecto, la primera tríada de pistones forma parte integral de un primer rotor y la segunda tríada de pistones es una parte integral de un segundo rotor.
En un aspecto, los tres pistones de cada uno de los dos rotores están angularmente equidistantes entre sí.
En un aspecto, los tres pistones de cada uno de los rotores están rígidamente conectados entre sí para rotar integralmente entre sí.
En un aspecto, el primer eje secundario es sólido y está unido de forma integrada en un extremo con un primer engranaje de tres lóbulos y en el extremo opuesto con el primer rotor.
En un aspecto, el segundo eje secundario es hueco y está unido de forma integrada en un extremo con un segundo engranaje de tres lóbulos correspondiente y en el extremo opuesto con el segundo rotor.
En un aspecto, el eje primario (o eje de transmisión) está unido de forma integrada con un primer y un segundo engranaje de tres lóbulos, colocado a 60 ° uno del otro.
En un aspecto, la transmisión de la unidad de accionamiento comprende:
- un primer eje auxiliar en el que está montado el primer rotor;
- un segundo eje auxiliar en el que está montado el segundo rotor;
- un primer engranaje de tres lóbulos y un segundo engranaje de tres lóbulos encajado en el eje primario y desplazados angularmente entre sí en un ángulo de 60 °;
- un tercer engranaje de tres lóbulos, encajado en el primer eje auxiliar;
- un cuarto
engranaje de tres lóbulos, encajado en el segundo eje auxiliar;
en el que el primer engranaje de tres lóbulos es funcionalmente operativo con el tercer engranaje de tres lóbulos y el segundo engranaje de tres lóbulos es funcionalmente operativo con el cuarto engranaje de tres lóbulos.
En un aspecto, el primer eje auxiliar se inserta coaxialmente en el segundo eje auxiliar o viceversa.
En un aspecto, el eje geométrico del eje primario es paralelo y está apropiadamente distanciado del eje geométrico del primer eje y del segundo eje.
En un aspecto, cada engranaje de tres lóbulos tiene porciones de conexión cóncavas y/o planas y/o convexas entre sus lóbulos.
En un aspecto, cada engranaje de tres lóbulos, como se puede deducir de la definición del mismo, tiene un perfil sustancialmente triangular.
En todos los aspectos, una rotación que tiene una velocidad angular constante del eje primario (o eje de transmisión) produce una variación periódica en la velocidad angular de rotación de los dos ejes secundarios.
En todos los aspectos, el eje primario (o eje de transmisión) produce una variación cíclica periódica de la velocidad angular del primer y segundo eje secundario y de las correspondientes triadas de pistones que giran dentro del cilindro toroidal (o cilindro anular), permitiendo la creación de seis cámaras rotatorias distintas con un volumen y relación variables.
En un aspecto, la transmisión de movimiento entre los pistones y el eje primario (o eje de transmisión) se obtiene con el tren de engranajes de tres lóbulos que conecta el primer y el segundo eje secundario al eje primario, caracterizado por que el eje primario (o eje de transmisión) gira con una velocidad angular constante, los dos ejes secundarios giran con una velocidad angular que es periódicamente mayor, igual o menor que el eje primario.
En un aspecto, sin perjuicio de la idea de la invención, la unidad de accionamiento puede estar provista de cualquier sistema para transmitir movimiento entre las dos tríadas de pistones y el eje primario (como, por ejemplo, el que se reivindica en las patentes US5147191, EP0554227A1 y TW1296023B), siendo posible adoptar cualquier mecanismo capaz de transformar el movimiento rotatorio del eje primario, que tiene una velocidad angular constante, en un movimiento rotatorio con una velocidad angular periódicamente variable de los dos ejes secundarios, funcionalmente conectado a las dos tríadas de pistones.
En todos los aspectos, la unidad de accionamiento puede configurarse, por medio de conductos de transporte de fluido térmico adecuados, de tal manera que los diversos componentes y las diversas secciones puedan conectarse operativamente con las aberturas de entrada/descarga correspondientes de la unidad de accionamiento.
En un aspecto, la unidad de accionamiento está completamente desprovista de válvulas de entrada/descarga y los mecanismos asociados, ya que las tríadas de pistones, al moverse en el cilindro toroidal (o cilindro anular), provocan la apertura y el cierre de las aberturas de entrada/descarga para el fluido térmico.
En un aspecto, la máquina térmica que utiliza la unidad de accionamiento puede estar provista de válvulas de retención situadas apropiadamente en los conductos de transporte de fluido térmico, de tal manera que se optimice el ciclo de calor ayudando al trabajo de los pistones en la función de apertura-cierre de las aberturas de entrada/descarga.
En un aspecto, la máquina térmica que utiliza la unidad de accionamiento puede comprender uno o más calentadores y/o recuperadores de fluido térmico configurados de tal manera que puedan proporcionar toda la energía máxima que sirve para producir el trabajo útil, mientras se recupera tanta cantidad como sea posible de toda la energía que de otro modo se perdería.
En un aspecto, la unidad de accionamiento está conectada a un generador capaz de producir energía eléctrica utilizable para cualquier fin.
En un aspecto, la unidad de accionamiento es capaz de producir energía mecánica utilizable para cualquier fin.
En un aspecto, la máquina térmica que utiliza la unidad de accionamiento comprende un sistema de regulación de energía térmica, configurado para regular la presión y/o temperatura de suministro del fluido térmico en las diversas etapas del proceso.
En un aspecto, la unidad de accionamiento puede configurarse para funcionar con un ciclo operativo original de Joule-Ericsson, ya que la unidad de accionamiento puede realizar funciones de compresión y expansión del fluido térmico.
En un aspecto, la “máquina térmica" que utiliza la unidad de accionamiento está configurada para funcionar con un nuevo “ciclo de calor pulsante" utilizando aire caliente y vapor acuoso, que caracteriza el movimiento continuo unidireccional del fluido térmico.
En un aspecto, la unidad de accionamiento es adecuada para ser empleada como un aparato capaz de producir energía mecánica usando flujos de fluido térmico calentado con cualquier fuente de calor.
En un aspecto, el calentamiento del fluido térmico en circulación se puede conseguir utilizando un quemador de combustible (por ejemplo, un quemador de gas) o cualquier otra fuente externa de calor, como, por ejemplo: energía solar, biomasa, combustible sin refinar, residuos industriales a alta temperatura u otra fuente adecuada para calentar el fluido térmico a la temperatura mínima necesaria.
Las características adicionales se harán más evidentes a partir de la siguiente descripción detallada de la máquina térmica de la presente invención y de algunas realizaciones preferentes del uso de la misma, en lo que se refiere respectivamente a:
_una primera configuración funcional (véase figura 6) con respecto al nuevo ciclo operativo “abierto", en la que el fluido térmico (normalmente aire) se complementa con una inyección de agua destilada no reciclable cuyo fin principal es la lubricación del cilindro en el que se deslizan los pistones y un aumento en la potencia de la unidad de la unidad de accionamiento;
_una segunda configuración funcional (véase figura 7) con respecto al nuevo ciclo operativo “cerrado", en la que el fluido térmico (normalmente aire) se complementa con una inyección de agua condensada, cuyo fin principal es la lubricación del cilindro en el que se deslizan los pistones y un aumento en la unidad de potencia de la unidad de accionamiento;
_una tercera configuración funcional (véase figura 8) con respecto al nuevo ciclo operativo “cerrado", en la que el fluido térmico (normalmente aire) se complementa con una inyección de vapor acuoso saturado, que, además de la lubricación del cilindro en el que se deslizan los pistones y un aumento en la potencia de la unidad de la unidad de accionamiento, también permite una mejora en la eficiencia global del ciclo de calor;
_una cuarta configuración funcional (véase figura 11) con respecto al nuevo ciclo operativo “cerrado", en la que el fluido térmico (normalmente aire) se complementa con una inyección de vapor acuoso supercalentado, que, además de la lubricación del cilindro en el que se deslizan los pistones y un aumento significativo en la potencia de la unidad de accionamiento, también permite una mejora importante en la eficiencia global del ciclo de calor; _una quinta configuración funcional (véase figura 12) con respecto al nuevo ciclo de operación “cerrado", en la que el fluido térmico (normalmente aire) se complementa con una inyección de vapor acuoso supercalentado que, además de la lubricación del cilindro en el que se deslizan los pistones y un aumento significativo de la potencia de la unidad de accionamiento, permite una mejora importante en la eficiencia global del ciclo de calor y también permite la recuperación completa de la energía térmica de los fluidos en circulación.
Debe señalarse en primer lugar que el gas usado preferentemente como fluido térmico es “aire" común; sin embargo y sin perjuicio de la idea de la invención, se puede utilizar cualquier otro gas que sea más adecuado y más compatible con el vapor acuoso, tal como se presenta y describe a continuación.
También es útil señalar que, en las condiciones de “reposo", los fluidos térmicos utilizados (normalmente, aire y agua) están a la misma temperatura que el entorno circundante y que en soluciones de circuito cerrado, dentro del cilindro y los tubos, también podría seleccionarse una presión distinta de la presión atmosférica cuando sea apropiado.
En su totalidad, el nuevo ciclo de calor se lleva a cabo, en un modo continuo, en una serie de etapas de variación termodinámica del fluido: introducción, compresión, calentamiento, vaporización, supercalentamiento, expansión (que produce trabajo útil), expulsión y condensación, tal como se describe a continuación para las cinco configuraciones principales de la máquina térmica de acuerdo con la presente invención, que se proporcionan como ejemplos no exhaustivos.
La configuración funcional más completa de la máquina térmica, representada en la figura 12, se refiere a una máquina térmica (121), que comprende una unidad de accionamiento (1) de acuerdo con uno o más de los aspectos mencionados, configurados para realizar un nuevo ciclo termodinámico, convencionalmente definido como un “ciclo de calor pulsante", caracterizado por el uso de un fluido térmico, preferentemente compuesto de aire y agua destilada, adecuadamente calentado, vaporizado y supercalentado antes de su expansión en la unidad de accionamiento 1, para obtener un aumento considerable en la potencia de la unidad, un aumento considerable en la eficiencia global y una lubricación eficiente del sistema cilindro/pistón con vapor acuoso.
En esta configuración, en la que el inicio del ciclo se hace coincidir con la aspiración de aire refrigerado, la máquina térmica comprende:
- un “refrigerador” (43), adaptado para extraer calor del fluido térmico en circulación, para enfriarlo y aumentar la masa de aire que después se aspirará/comprimirá en la unidad (1);
- una “unidad de accionamiento" (1) de cuatro o seis pistones, que tiene las funciones de “comprimir” y “expandir” el fluido térmico en circulación;
- un “tanque de compensación" (44) provisto de válvulas de retención adecuadas, adoptadas para optimizar la circulación “pulsante" del fluido térmico comprimido;
- un “regenerador” (42), adaptado para extraer calor del fluido térmico agotado que se expulsa de la unidad (1) para precalentar el fluido térmico, que después se calentará;
- un “evaporador” (95), adaptado para transformar el agua condensada en vapor, extrayendo más energía del fluido térmico agotado que ya ha pasado a través del regenerador (42);
_un “supercalentador” (96) que, al extraer energía de los humos de combustión calientes, es capaz de supercalentar el vapor saturado que sale del “evaporador” (95) para proporcionarle energía, con una ventaja considerable para el calor ciclo;
- un “calentador" (41), que tiene el fin de calentar el fluido térmico en circulación para proporcionarle la energía térmica necesaria para la siguiente etapa de expansión activa, que produce trabajo;
- un descargador/separador (93), adaptado para condensar el vapor acuoso en circulación, para poder reutilizarlo en un modo continuo;
- una bomba de alta presión (94), adaptada para hacer recircular el agua condensada;
- un “inyector” (97), adaptado para producir las mejores condiciones para la introducción del vapor supercalentado en el circuito;
_un “intercambiador” (98), una bomba (99), un primer “recuperador”” (100), un segundo recuperador (101), adaptado para mantener la unidad de accionamiento (1) a una temperatura operativa ideal y recuperar más energía de los humos de combustión, antes de su descarga a la atmósfera.
En particular, el movimiento del fluido en circulación en la máquina térmica está condicionado por el movimiento rotatorio de los pistones que, al provocar la apertura/cierre de las aberturas de entrada/descarga, generan el efecto “pulsante” de alta frecuencia muy particular que caracteriza este nuevo ciclo de calor. Por ejemplo, una velocidad de rotación de 1.000 rpm del eje primario corresponde a exactamente 100 pulsos por segundo del fluido térmico en circulación).
Descripción de los diagramas y dibujos
Haciendo referencia a los diagramas y dibujos adjuntos, se observa que los mismos se proporcionan únicamente a modo de ilustración y no a modo de limitación; en ellos:
■ la figura 1 muestra una vista frontal esquemática de una unidad de accionamiento utilizable en la presente invención;
■ la figura 2a ilustra una vista en sección lateral del cuerpo central de la unidad de accionamiento de la figura 1;
■ la figura 2b es una vista en sección lateral de una variante del cuerpo central de la unidad de accionamiento de la figura 1, con una sección del sistema de transmisión de movimiento;
■ la figura 3 ilustra una vista frontal del tren de engranajes de tres lóbulos que forman parte del sistema de transmisión de movimiento de la unidad de accionamiento de la figura 1;
■ la figura 4 ilustra el diagrama operativo del ciclo Ericsson de circuito cerrado realizado con un motor provisto de pistones con movimiento alternativo;
■ la figura 5 ilustra el diagrama de funcionamiento de una máquina térmica con un ciclo Joule de circuito cerrado realizado con una turbina de eje único;
■ la figura 6 ilustra esquemáticamente una primera posible realización de una máquina térmica de acuerdo con la presente invención en una configuración de “circuito abierto” caracterizada por el uso de un fluido térmico compuesto de aire con la inyección de agua;
■ la figura 7 ilustra esquemáticamente una segunda posible realización de una máquina térmica de acuerdo con la presente invención, en una configuración de “circuito cerrado”, caracterizada por el uso de un fluido térmico compuesto de aire con la inyección de condensado de vapor acuoso;
■ la figura 8 ilustra esquemáticamente una tercera realización posible de una máquina térmica de acuerdo con la presente invención, en una configuración de “circuito cerrado”, caracterizada por el uso de un fluido térmico compuesto de aire con la inyección de vapor acuoso saturado;
■ la figura 9 ilustra un diagrama funcional que muestra la recuperación de energía que se puede obtener a través de la vaporización de agua condensada;
■ la figura 10 ilustra un diagrama funcional que muestra el aumento de energía que se puede obtener a través de la vaporización de agua condensada y con el uso de vapor acuoso supercalentado en el ciclo;
■ la figura 11 ilustra esquemáticamente una cuarta realización posible de una máquina térmica de acuerdo con la presente invención, en una configuración de “circuito cerrado”, caracterizada por el uso de un fluido térmico compuesto de aire con la inyección de vapor acuoso supercalentado;
■ la figura 12 ilustra esquemáticamente una quinta realización posible de una máquina térmica de acuerdo con la presente invención, en una configuración de “circuito cerrado”, caracterizada por el uso de un fluido térmico compuesto de aire con la inyección de vapor acuoso supercalentado y provisto de un sistema de recuperación de energía con estabilización térmica de la unidad de accionamiento;
■ la figura 13 muestra una ampliación de una porción de la máquina térmica de acuerdo con la presente invención; esta porción es idéntica para las configuraciones que se muestran en las figuras 6, 7, 8, 11 y 12.
Descripción detallada de la unidad de accionamiento empleada en la máquina térmica
Haciendo referencia a las figuras 1, 2a, 2b, 3, (1) representa en su totalidad la “unidad de accionamiento” empleada como “compresor/expansor” en un nuevo “ciclo de calor pulsante” que funciona preferentemente con aire caliente y vapor acuoso.
La unidad de accionamiento 1 comprende una carcasa 2 que delimita internamente un asiento 3.
En la realización no limitativa ilustrada, la carcasa 2 está formada por dos medias partes 2a, 2b unidas entre sí.
Alojado en el asiento 3 hay un primer rotor 4 y un segundo rotor 5, que giran alrededor de un mismo eje “X-X”.
El primer rotor 4 tiene un primer cuerpo cilindrico 6 y tres primeros elementos 7a, 7b, 7c que se extienden radialmente desde el primer cuerpo cilíndrico 6 y están conectados rígidamente o forman parte integral del mismo.
El segundo rotor 5 tiene un segundo cuerpo cilíndrico 8 y tres segundos elementos 9a, 9b, 9c que se extienden radialmente desde el segundo cuerpo cilíndrico 8 y están rígidamente conectados o integrados en el mismo.
Los elementos 7a, 7b, 7c del rotor 4 son angularmente equidistantes entre sí, es decir, cada elemento está separado del elemento adyacente en promedio por un ángulo "a" de 120 ° (medido entre los planos de simetría de cada elemento).
Los elementos 9a, 9b, 9c del rotor 5 son angularmente equidistantes entre sí, es decir, cada elemento está separado del elemento adyacente en promedio por un ángulo "a" de 120 ° (medido entre los planos de simetría de cada elemento).
Los cuerpos cilíndricos primero y segundo 6, 8 se colocan uno al lado del otro en las correspondientes bases 10, 11 y son coaxiales.
Los tres primeros elementos 7a, 7b, 7c del primer rotor 4 se extienden además a lo largo de una dirección axial y tienen una porción saliente dispuesta en una posición que es radialmente externa al segundo cuerpo cilíndrico 8 del segundo rotor 5.
Los tres segundos elementos 9a, 9b, 9c del segundo rotor 5 se extienden además a lo largo de una dirección axial y tienen una porción saliente dispuesta en una posición que es radialmente externa al primer cuerpo cilíndrico 6 del primer rotor 4.
Los tres primeros elementos 7a, 7b, 7c se alternan con los tres segundos elementos 9a, 9b, 9c a lo largo de la extensión circunferencial de la cámara anular 12.
Cada uno de los elementos primero y segundo 7a, 7b, 7c, 9a, 9b, 9c tiene, en una sección radial (figura 1), un perfil sustancialmente trapezoidal que converge hacia el eje geométrico de rotación “XX" y, en una sección axial (figura 2a, 2b), un perfil sustancialmente circular o rectangular.
Cada uno de los elementos primero y segundo 7a, 7b, 7c, 9a, 9b, 9c tiene un tamaño angular, dado únicamente por aproximación y no por limitación, de aproximadamente 38 °.
Las superficies periféricas que son radialmente externas al primer y segundo cuerpo cilíndrico 6, 8 delimitan, junto con una superficie interior del asiento 3, una cámara anular 12.
La cámara anular 12 se divide, por lo tanto, en “cámaras rotatorias" de volumen variable 13', 13", 13"', 14', 14", 14"' por los elementos primero y segundo 7a, 7b, 7c, 9a, 9b, 9c. En particular, cada “cámara giratoria" de volumen variable está delimitada (además de por la superficie radialmente interna de la carcasa 2 y la superficie radialmente externa de los cuerpos cilíndricos 6, 8) por uno de los primeros elementos 7a, 7b, 7c y uno de los segundos elementos 9a, 9b, 9c.
En la primera figura 2a, cada uno de los elementos primero y segundo 7a, 7b, 7c, 9a, 9b, 9c tiene, en una sección axial del mismo, un perfil sustancialmente circular y la cámara anular 12 tiene igualmente una sección transversal circular definida como “toroidal".
En la variante de la figura 2b, cada uno de los elementos primero y segundo 7a, 7b, 7c, 9a, 9b, 9c tiene en una sección axial del mismo un perfil rectangular (o cuadrado) y la cámara anular 12 tiene igualmente una sección transversal rectangular (o cuadrada).
Entre las paredes internas de la cámara anular 12 y cada uno de los elementos primero y segundo mencionados anteriormente 7a, 7b, 7c, 9a, 9b, 9c, queda un espacio intermedio que permite el movimiento rotatorio de los pistones 4, 5 y el deslizamiento de los elementos. 7a, 7b, 7c, 9a, 9b, 9c en la propia cámara 12.
Los elementos primero y segundo 7a, 7b, 7c, 9a, 9b, 9c son los pistones de la unidad de accionamiento 1 ilustrada y las cámaras giratorias de volumen variable 13', 13", 13"', 14', 14", 14"' son las cámaras para la compresión y/o expansión del fluido de trabajo de dicha unidad de accionamiento 1.
Las aberturas de entrada o descarga 15', 16', 15", 16", 15"', 16"' (de tamaño y forma adecuados) están formadas en una pared radialmente externa a la carcasa 2; se abren en la cámara anular 12 y están en comunicación fluida con conductos externos a la cámara anular 12, que se ilustran más adelante.
Cada abertura de entrada o descarga 15', 16', 15", 16", 15"', 16"' está espaciada angularmente de manera apropiada para adaptarse a los requisitos de cada configuración funcional individual diferente de la unidad de accionamiento 1.
La unidad de accionamiento 1 comprende además un eje primario 17 paralelo y distanciado del eje geométrico de rotación “X-X” y montado de forma giratoria en la carcasa 2 y una transmisión 18 interpuesta mecánicamente entre el eje primario 17 y los rotores 4, 5.
La transmisión 18 comprende un primer eje auxiliar 19 sobre el que se enchaveta el primer rotor 4 y un segundo eje auxiliar 20 en el que se enchaveta el segundo rotor 5. Los ejes auxiliares primero y segundo 19, 20 son coaxiales con el eje de rotación “XX”. El segundo eje auxiliar 20 es tubular y aloja dentro de él una porción del primer eje auxiliar 19. El primer eje auxiliar 19 puede girar en el segundo eje auxiliar 20 y el segundo eje auxiliar 20 puede girar en la carcasa 2.
Un primer engranaje de tres lóbulos 23 está enchavetado en el eje primario 17. Un segundo engranaje de tres lóbulos 24 está enchavetado en el eje primario 17 al lado del primero. El segundo engranaje de tres lóbulos 24 está montado en el eje primario 17 desplazado angularmente con respecto al primer engranaje de tres lóbulos 23 en un ángulo “A” de 60 °. Los dos engranajes de tres lóbulos 23 y 24 giran juntos conjuntamente con el eje primario 17.
Un tercer engranaje 25 de tres lóbulos está enchavado en el primer eje auxiliar 19 (para girar integralmente con el mismo) y sus dientes se engranan con precisión con los dientes del primer engranaje 23 de tres lóbulos.
Un cuarto engranaje de tres lóbulos 26 está enchavetado sobre el segundo eje auxiliar 20 (para rotar integralmente con el mismo) y los dientes del mismo se engranan con precisión con los dientes del segundo engranaje de tres lóbulos 24.
Cada uno de los engranajes de tres lóbulos 23, 24, 25, 26 mencionados tiene aproximadamente el perfil de un triángulo equilátero con vértices redondeados 27 y porciones de conexión 28, interpuestas entre los vértices 27, que pueden ser cóncavas, planas o convexas.
Cambiar la forma de los vértices 27 y las porciones de conexión 28 de los engranajes permite preestablecer el valor del movimiento angular periódico de los ejes auxiliares 19, 20 durante su movimiento rotatorio.
La estructura de la transmisión 18 es tal que durante una revolución completa del eje primario 17, los dos rotores 4, 5 también llevan a cabo una revolución completa, pero con velocidades angulares variables periódicamente, compensadas entre sí, que inducen los pistones adyacentes 7a, 9a; 7b, 9b; 7c, 9c para alejarse y acercarse entre sí tres veces durante una revolución completa de 360 °. Por lo tanto, cada una de las seis cámaras de volumen variable 13', 13”, 13”', 14', 14”, 14”' se expande tres veces y se contrae tres veces en cada revolución completa del eje primario 17.
Es decir, pares de pistones adyacentes de los seis pistones 7a, 7b, 7c; 9a, 9b, 9c son móviles, durante su rotación a una velocidad angular periódicamente variable en la cámara anular 12, entre una primera posición, en la que las dos caras de los pistones adyacentes se sitúan sustancialmente una al lado de la otra, y una segunda posición, en que las mismas caras están separadas angularmente por el máximo permitido. Meramente como ejemplo, en la primera posición, las dos caras de los pistones adyacentes están separadas angularmente entre sí aproximadamente 1 °, mientras que, en la segunda posición, las dos caras están separadas angularmente entre sí aproximadamente 81 °.
Las seis cámaras de volumen variable 13', 13”, 13”', 14', 14”, 14”' se componen de un primer grupo de tres cámaras 13', 13”, 13”' y un segundo grupo de tres cámaras 14', 14”, 14”'. Cuando las tres cámaras 13', 13”, 13”' del primer grupo tienen el volumen mínimo (pistones uno al lado del otro en la distancia recíproca mínima), las otras tres cámaras 14', 14”, 14”' (del segundo grupo) tienen el volumen máximo (pistones a la distancia recíproca máxima).
Con el fin de aclarar y destacar mejor los aspectos innovadores de la presente invención, se describirán a continuación las cinco configuraciones funcionales principales de manera precisa y detallada.
Para describir el funcionamiento de la nueva máquina térmica (121), configurada para funcionar con un “ciclo de calor pulsante” de acuerdo con la presente invención, es necesario comenzar señalando que en la unidad de accionamiento (1), en cada una de las seis cámaras de volumen variable periódicamente (13', 13”, 13”', 14', 14”, 14”'), cada una delimitada por los dos pistones adyacentes entre sí y girando dentro del cilindro anular, la aspiración diversificada, las funciones de compresión, expansión y expulsión se realizan periódicamente.
La figura 13 muestra una ampliación de una parte de la máquina térmica de acuerdo con la presente invención; dicha parte se refiere a la unidad de accionamiento empleada, de manera idéntica, en las cinco configuraciones que se muestran en las figuras 6, 7, 8, 11 y 12, y son la materia objeto de las siguientes cinco descripciones (A, B, C, D, E ) Los números de referencia incluidos en la figura 13, utilizados para identificar los elementos de la unidad de accionamiento 1 y su conexión a los componentes de la máquina térmica 121 son aplicables a los elementos correspondientes que se muestran en las figuras 6, 7, 8, 11 y 12.
Para mayor sencillez, en las siguientes cinco descripciones (A, B, C, D, E), se explicará el trayecto seguido por el fluido térmico en las diferentes secciones del motor térmico (121) como si se tratara de un solo ciclo de calor completo. En realidad, por cada revolución del eje de transmisión (que corresponde a un ángulo de revolución de 360 °) se llevan a cabo no menos de seis ciclos de calor completos.
A. Descripción detallada de la máquina térmica 121 que funciona de acuerdo con la configuración funcional representada en la figura 6.
En comparación con los ciclos Joule-Ericsson por sí mismos y la única “unidad de accionamiento", la novedad introducida con esta configuración se refiere a la realización de un ciclo operativo “combinado", en el que el fluido térmico es una mezcla de aire y agua (transformada en vapor); esto asegura la lubricación del cilindro (en el que se deslizan los pistones) y permite obtener una mayor potencia de la unidad, aunque con una ligera disminución en la eficiencia general.
Haciendo referencia a la figura 6, en la posición en la que están situados los pistones, se pueden identificar las siguientes etapas principales del ciclo:
A1_ Puesta en movimiento.
En primer lugar se debe señalar que todos los dispositivos de control y regulación se alimentan a través de una línea eléctrica auxiliar específica (no representada), el arranque de la máquina térmica 121 se realiza de la siguiente manera: _se ponen en rotación el eje primario 17 (visible en la figura 2b) y todo el sistema de transmisión que mueve los seis pistones 7a, 7b, 7c, 9a, 9b, 9c a través del motor de arranque, creando así las condiciones preliminares para el arranque del ciclo;
_se activa la bomba dosificadora para medir el agua destilada 97b;
_se activa el ventilador 92;
_se activa el quemador actuando sobre la válvula de regulación 91 (que controla la inyección de combustible F) 40 y se inicia el proceso de combustión;
_cuando el fluido térmico en circulación ha alcanzado las condiciones de funcionamiento mínimas predeterminadas, la unidad de accionamiento 1 será capaz de producir el trabajo necesario para poder funcionar de forma autónoma.
A2_Inicio del ciclo, a partir de la etapa de aspiración del aire del entorno
El aire aspirado del entorno a la temperatura T1', pasa al tubo 93, pasa a través de la abertura de aspiración 15"' y, siguiendo el movimiento de los dos pistones 9c-7c separados, es aspirado hacia la cámara 13"'.
A3_Etapa de compresión y recuperación del aire aspirado
Después del movimiento de los dos pistones 7c-9a uno hacia el otro, el aire previamente aspirado se comprime en la cámara 14"' (hasta el límite, que normalmente está preestablecido con una relación mínima de 1:4 y una relación máxima de 1:20), experimenta un aumento de temperatura de T1' a T2, pasa a través de la abertura de descarga 16"', el tubo 44' y la válvula de retención 44a y termina en el tanque de compensación 44, en el que permanece disponible para uso inmediato.
A4_Etapa de precalentamiento del fluido térmico comprimido
Con la intermitencia determinada por la rotación de los pistones y la apertura/cierre resultante de las aberturas de entrada 15', 15", el aire sale del tanque 44, pasa a través del tubo 44" y la válvula de retención 44b, se desplaza a través del tubo 44"' y pasa al regenerador 42 (en el que experimenta un aumento de temperatura de T2 a T2').
A5_Etapa de inyección de agua destilada en el conducto de aire
El aire, que sale del regenerador 42, se desplaza a través del tubo 42', pasa a través de la válvula de retención 42a y pasa al tubo 42"'.
El agua destilada se extrae del tanque 97a, se desplaza a través del tubo 97", se lleva a alta presión en la bomba dosificadora 97b y, a la temperatura Tc, se transporta al tubo 97"' y, por medio del inyector 97, se introduce en el tubo 42"' en el que, como resultado del mezclado, la mezcla así formada experimenta una disminución de la temperatura de T2' a T2".
A6_Etapa de supercalentamiento del fluido térmico en circulación
El fluido térmico mixto se desplaza a través del tubo 97', pasa a través del calentador 41 (adyacente a la cámara de combustión 40A y provisto del quemador multicombustible 40), en el que recibe energía térmica y aumenta la temperatura de T2” a T3.
A7_Etapa de expansión del fluido térmico supercalentado y producción de trabajo útil
Cuando los pistones 7a-7b, al girar en el cilindro anular en la dirección de movimiento indicada por las flechas, abren las aberturas de entrada 15'-15”, el fluido térmico supercalentado fluye a través de los tubos 41'-41” -41”' se introduce en las cámaras de expansión 13'y 13”, en las que se expande (disminuyendo la temperatura de T3 a T4) y, al hacer girar los pistones, produce trabajo útil.
A8_Etapa de expulsión y de recuperación de energía desde el fluido térmico agotado.
Después del movimiento de los pistones 7a-9b y 7b-9c uno hacia el otro, las cámaras 14' y 14” disminuyen en volumen, el fluido térmico agotado (ya expandido en el ciclo anterior) es expulsado de la unidad de accionamiento 1, pasa a través de las dos aberturas de descarga 16'-16”, fluye a través de los tubos 45'-45”-45”', pasa a través del regenerador 42 (en el que entrega parte de la energía térmica que aún posee y experimenta una disminución de la temperatura de T4 a T4') y después, al pasar a través del tubo 42”, se descarga a la atmósfera, concluyendo así el ciclo de calor.
A9_Recuperación de energía con reducción de la temperatura de los humos de combustión.
Dado que la función prevista para la máquina térmica también es proporcionar energía térmica destinada a usos auxiliares (calefacción de espacios y/o producción de agua caliente sanitaria, etc.), antes de que los humos calientes se descarguen a la atmósfera (a través del conducto 102), se recupera toda su energía residual reduciendo su temperatura tanto como sea posible (también es posible recuperar más energía a través de su posible condensación). Para conseguir este fin, se utiliza un circuito hidráulico específico, en el que se adopta el siguiente modo de transporte: el fluido térmico entrante (normalmente agua) del auxiliar emplea pasos 103 hacia el tubo 103' y es empujado por la bomba de circulación 104, pasa al tubo 104', llega al recuperador 101 a baja temperatura Tf y después, al pasar a través de ella, gracias a la reducción de la temperatura de los humos S de Th7 a Th2, adquiere energía térmica y se calienta a mayor temperatura Tg, de modo que queda disponible a través del tubo 101' para usos auxiliares 130 y para el fin pretendido.
B. Descripción detallada de la máquina térmica 121 que funciona de acuerdo con la configuración funcional representada en la figura 7
En comparación con los ciclos Joule-Ericsson por sí mismos y la única “unidad de accionamiento”, la novedad introducida con esta configuración se refiere a la realización de un ciclo operativo “combinado”, en el que el fluido térmico es una mezcla de aire y agua (transformada en vapor); esto asegura la lubricación del cilindro (en el que se deslizan los pistones) y permite obtener una mayor potencia de la unidad, aunque con una ligera disminución en la eficiencia global.
Haciendo referencia a la figura 7, en la posición en la que están situados los pistones, se pueden identificar las siguientes etapas principales del ciclo:
B1_Puesta en movimiento la máquina térmica 121
Observando en primer lugar que todos los dispositivos de control y regulación se alimentan a través de una línea eléctrica auxiliar específica (no representada), el arranque de la máquina térmica 121 tiene lugar de la siguiente manera:
_el eje primario 17 (visible en la figura 2b) y todo el sistema de transmisión en su conjunto que mueve los seis pistones 7a, 7b, 7c, 9a, 9b, 9c se ponen en rotación a través del motor de arranque, creando así las condiciones preliminares para el arranque del ciclo;
_se activa la bomba de agua condensada 94;
_se activa el ventilador 92;
_se activa el quemador 40 actuando sobre la válvula de regulación 91 (que controla la inyección de combustible F) y se inicia el proceso de combustión;
_cuando el fluido térmico en circulación ha alcanzado las condiciones de funcionamiento mínimas predeterminadas, la unidad de accionamiento 1 será capaz de producir el trabajo necesario para marchar de forma autónoma.
B2_Inicio del ciclo, comenzando desde la etapa de aspiración del fluido térmico enfriado
El fluido térmico, que sale del refrigerador 43 a la temperatura T1, pasa al tubo 43', pasa a través de la trampilla de condensado 93 (en la que se condensa el agua en el fluido térmico y se separa del aire), pasa al tubo 93' a la temperatura T, pasa a través de la abertura de aspiración 15”' y, tras el movimiento de los dos pistones 9c-7c separados entre sí, es aspirado hacia la cámara 13”'.
B3_Etapa de compresión y recuperación del fluido térmico aspirado
Después del movimiento de los dos pistones 7c-9a uno hacia el otro, el aire previamente aspirado se comprime en la cámara 14"' (hasta el límite, que normalmente está preestablecido con una relación mínima de 1:4 y una relación máxima de 1:20), experimenta un aumento de temperatura de T1' a T2, pasa a través de la abertura de descarga 16"', el tubo 44' y la válvula de retención 44a y termina en el tanque de compensación 44, en el que permanece disponible para su uso inmediato.
B4_Etapa de precalentamiento del fluido térmico comprimido
Con la intermitencia determinada por la rotación de los pistones y la apertura/cierre resultante de las aberturas de entrada 15', 15", el aire sale del tanque 44, pasa a través del tubo 44" y la válvula de retención 44b, se desplaza a través del tubo 44"', y pasa al regenerador 42 (en el que experimenta un aumento de temperatura de T2 a T2'). B5_Etapa de extracción de agua condensada
Empujado por la bomba de alta presión 94, el agua condensada previamente extraída del aire por la trampilla 93, fluye a través de los tubos 93" y 94' (a la temperatura T1”).
B6_Etapa de inyección del agua condensada en el conducto de aire
El aire que sale del regenerador 42 se desplaza a través del tubo 42', pasa a través de la válvula de retención 42a y pasa al tubo 42"' en el que, a través del inyector 97, se introduce el agua condensada. Como resultado de la mezcla del aire con el agua condensada, la mezcla experimenta una disminución de la temperatura de T2'a T2".
B7_Etapa de supercalentamiento del fluido térmico en circulación
El fluido térmico mixto se desplaza a través del tubo 97', pasa a través del calentador 41 (adyacente a la cámara de combustión 40A y provisto del quemador multicombustible 40), en el que recibe energía térmica y aumenta la temperatura de T2" a T3.
B8_Etapa de expansión del fluido térmico supercalentado y producción de trabajo útil
Cuando los pistones 7a-7b, al girar en el cilindro anular en la dirección de movimiento indicada por las flechas, abren las aberturas de entrada 15-15", el fluido térmico supercalentado fluye a través de los tubos 41'-41”-41”' se introduce en las cámaras de expansión 13'y 13", en las que se expande (disminuyendo la temperatura de T3 a T4) y, al hacer girar los pistones, produce trabajo útil.
B9_Etapa de expulsión y de recuperación de energía del fluido térmico agotado
Después del movimiento de los pistones 7a-9b y 7b-9c uno hacia el otro, las cámaras 14' y 14" disminuyen en volumen, el fluido térmico agotado (ya expandido en el ciclo anterior) es expulsado de la unidad de accionamiento 1, pasa a través de las dos aberturas de descarga 16'-16", fluye a través de los tubos 45-45M 5 ’” , pasa a través del regenerador 42 (en el que entrega parte de la energía térmica que aún posee y experimenta una primera disminución de temperatura desde T4 a T4').
B10_Conclusión del ciclo con refrigeración adicional del fluido térmico agotado
El fluido térmico pasa al tubo 42" y llega al refrigerador 43, desde el que se puede continuar el ciclo y repetirse en modo continuo.
B11_Recuperación de energía con la optimización del proceso de precalentamiento del aire de combustión El aire de combustión extraído del entorno es empujado por el ventilador 92 y pasa al refrigerador 43, en el que adquiere energía y aumenta la temperatura de Th1 a Th3, facilitando así el proceso de combustión.
B12_Recuperación de energía con reducción de la temperatura de los humos de combustión
Dado que la función prevista para la máquina térmica también es proporcionar energía térmica destinada a usos auxiliares (calefacción de espacios y/o producción de agua caliente sanitaria, etc.), antes de que los humos calientes se descarguen a la atmósfera (a través del conducto 102), toda su energía residual se recupera reduciendo su temperatura tanto como sea posible (también es posible recuperar más energía a través de su posible condensación). Para conseguir este fin, se utiliza un circuito hidráulico específico, en el que se adopta el siguiente modo de transporte: el fluido térmico entrante (normalmente agua) del auxiliar utiliza 103 pases al tubo 103'y es empujado por la bomba de circulación 104, pasa al tubo 104', alcanza el recuperador 101 a la baja temperatura Tf y después, al pasar a través de ella, gracias a la reducción de la temperatura de los humos S de Th7 y Th2, adquiere energía térmica y se calienta a mayor temperatura Tg, de modo que queda disponible a través del tubo 101' para usos auxiliares 130 y para el fin pretendido.
C. Descripción detallada de la máquina térmica 121 que funciona de acuerdo con la configuración funcional representada en la figura 8
En comparación con los ciclos Joule-Ericsson por sí mismos y la única “unidad de accionamiento", la novedad introducida con esta configuración se refiere a la realización de un ciclo operativo “combinado", en el que el fluido térmico es una mezcla de aire y agua (transformada en vapor); esto asegura la lubricación del cilindro (en el que se deslizan los pistones) y permite obtener una mayor potencia de la unidad y una mejora en la eficiencia general. Haciendo referencia a la figura 8, en la posición en la que están situados los pistones, se pueden identificar las siguientes etapas principales del ciclo:
C1_ Puesta en marcha la máquina térmica 121
En primer lugar se señala que todos los dispositivos de control y regulación se alimentan a través de una línea eléctrica auxiliar específica (no representada), el arranque de la máquina térmica 121 se realiza de la siguiente manera: _el eje primario 17 (visible en la figura 2b) y todo el sistema de transmisión que mueve los seis pistones 7a, 7b, 7c, 9a, 9b, 9c se ponen en rotación a través del motor de arranque, creando así las condiciones preliminares para el arranque del ciclo;
_se activa la bomba de agua condensada 94;
_se activa el ventilador 92;
_se activa el quemador 40 actuando sobre la válvula de regulación 91 (que controla la inyección de combustible F) y se inicia el proceso de combustión;
_cuando el fluido térmico en circulación ha alcanzado las condiciones de funcionamiento mínimas predeterminadas, la unidad de accionamiento 1 será capaz de producir el trabajo necesario para poder funcionar de forma autónoma.
C2_Inicio del ciclo, a partir de la etapa de aspiración del fluido térmico enfriado
El fluido térmico que sale del refrigerador 43 a la temperatura T1 pasa al tubo 43', pasa a través de la trampilla de condensado 93 (en la que se condensa el agua en el fluido térmico y se separa del aire), pasa al tubo 93' a la temperatura T1', pasa a través de la abertura de aspiración 15"' y, tras el movimiento de los dos pistones 9c-7c separados uno de otro, es aspirado hacia la cámara 13"‘.
C3_Etapa de compresión y recuperación del fluido térmico aspirado
Después del movimiento de los dos pistones 7c-9a uno hacia el otro, el aire previamente aspirado se comprime en la cámara 14"' (hasta el límite, que normalmente está preestablecido con una relación mínima de 1:4 y una relación máxima de 1:20), experimenta un aumento de temperatura de T1' a T2, pasa a través de la abertura de descarga 16"', el tubo 44' y la válvula de retención 44a y termina en el tanque de compensación 44, en el que permanece disponible para su uso inmediato.
C4_Etapa de precalentamiento del fluido térmico comprimido
Con la intermitencia determinada por la rotación de los pistones y la apertura/cierre resultante de las aberturas de entrada 15', 15", el aire sale del tanque 44, pasa a través del tubo 44" y la válvula de retención 44b, se desplaza a través del tubo 44"' y pasa al regenerador 42 (en el que experimenta un aumento de temperatura de T2 a T2').
C5_Etapa de vaporízación/supercalentamiento del agua condensada
Empujado por la bomba de alta presión 94, el agua condensada previamente extraída del aire por la trampilla 93, fluye a través de los tubos 93" y 94', pasa a través del evaporador 95, en el que se calienta/vaporiza (cambiando de estado de líquido a vapor, con un aumento de temperatura de T1" a Ta).
C6_Etapa de inyección del vapor saturado en el conducto de aire
El aire, que sale del regenerador 42, se desplaza a través del tubo 42', pasa a través de la válvula de retención 42a y pasa al tubo 42"' en el que, a través del inyector 97, se introduce el vapor saturado transportado en el tubo 95'. Como resultado de la mezcla del aire con el vapor saturado, el fluido térmico experimenta un aumento de masa y una disminución de la temperatura de T2'a T2".
C7_Etapa de supercalentamiento del fluido térmico en circulación
El fluido térmico mixto se desplaza a través del tubo 97', pasa a través del calentador 41 (adyacente a la cámara de combustión 40A y provisto del quemador multicombustible 40), en el que recibe energía térmica y aumenta la temperatura de t 2” a T3.
C8_Etapa de expansión del fluido térmico supercalentado y producción de un trabajo útil
Cuando los pistones 7a-7b, al girar en el cilindro anular en la dirección de movimiento indicada por las flechas, abren las aberturas de entrada 15'-15”, el fluido térmico supercalentado fluye a través de los tubos 41'-41”-41”' se introduce en las cámaras de expansión 13' y 13”, en las que se expande (disminuyendo la temperatura de T3 a T4) y, al hacer girar los pistones, produce trabajo útil.
C9_Etapa de expulsión y de recuperación de energía del fluido térmico agotado
Después del movimiento de los pistones 7a-9b y 7b-9c uno hacia el otro, las cámaras 14'y 14” disminuyen en volumen, el fluido térmico agotado (ya expandido en el ciclo anterior) es expulsado de la unidad de accionamiento 1, pasa a través de las dos aberturas de descarga 16'-16”, fluye a través de los tubos 45'-45”-45”‘, pasa a través del regenerador 42 (en el que entrega parte de la energía térmica que aún posee y experimenta una primera disminución de la temperatura de T4 a T4'), después pasa al tubo 42”, pasa a través del evaporador 95, en el que nuevamente entrega parte de la energía térmica que posee y experimenta una segunda disminución de la temperatura de T4'a T4”, permitiendo la recuperación de energía útil, que se representa esquemáticamente en el área Q95 en la figura 9.
C10_Conclusión del ciclo con refrigeración adicional del fluido térmico agotado
El fluido térmico pasa al tubo 95” y llega al refrigerador 43, desde el que puede continuar el ciclo y repetirse en modo continuo.
C11_Recuperación de energía con la optimización del proceso de precalentamiento del aire de combustión
El aire de combustión extraído del entorno es empujado por el ventilador 92 y pasa al refrigerador 43, en el que adquiere energía y aumenta la temperatura de Th1 a Th3, facilitando así el proceso de combustión.
C12_Recuperación de energía con una reducción en la temperatura de los humos de combustión
Dado que la función prevista para la máquina térmica también es proporcionar energía térmica destinada a usos auxiliares (calefacción de espacios y/o producción de agua caliente sanitaria, etc.), antes de que los humos calientes se descarguen a la atmósfera (a través del conducto 102), toda su energía residual se recupera reduciendo su temperatura tanto como sea posible (también es posible recuperar más energía a través de su posible condensación). Para conseguir este fin, se utiliza un circuito hidráulico específico, en el que se adopta el siguiente modo de transporte: el fluido térmico entrante (normalmente agua) del auxiliar utiliza pases 103 al tubo 103' y es empujado por la bomba de circulación 104, pasa al tubo 104', llega al recuperador 101 a la baja temperatura Tf y después, al pasar a través de ella, gracias a la reducción de la temperatura de los humos S Th7 a Th2 adquiere energía térmica y calienta a la temperatura superior Tg, de manera que queda disponible a través del tubo 101' para usos auxiliares 130 y para el fin pretendido.
D. Descripción detallada de la máquina térmica 121 que funciona de acuerdo con la configuración funcional representada en la figura 11.
En comparación con los ciclos Joule-Ericsson por sí mismos y la única “unidad de accionamiento”, la novedad introducida con esta configuración se refiere a la realización de un ciclo operativo “combinado”, en el que el fluido térmico es una mezcla de aire y agua (transformada en vapor supercalentado); esto asegura la lubricación del cilindro (en el que se deslizan los pistones) y permite obtener una mayor potencia de la unidad y una mejora en la eficiencia general.
Haciendo referencia a la figura 11, en la posición en la que se encuentran los pistones, se pueden identificar las siguientes etapas principales del ciclo:
D1_Puesta en movimiento la máquina térmica 121
Se señala en primer lugar que todos los dispositivos de control y regulación se alimentan a través de una línea eléctrica auxiliar específica (no representada), el arranque de la máquina térmica 121 tiene lugar de la siguiente manera:
_el eje primario 17 (visible en la figura 2b) y todo el sistema de transmisión que mueve los seis pistones 7a, 7b, 7c, 9a, 9b, 9c se ponen en rotación a través del motor de arranque, creando así las condiciones preliminares para el arranque del ciclo;
_se activa la bomba de agua condensada 94;
_se activa el ventilador 92;
_se activa el quemador 40 actuando sobre la válvula de regulación 91 (que controla la inyección de combustible F) y se inicia el proceso de combustión;
_cuando el fluido térmico en circulación ha alcanzado las condiciones de funcionamiento mínimas predeterminadas, la unidad de accionamiento 1 será capaz de producir el trabajo necesario para poder funcionar de forma autónoma.
D2_Inicio del ciclo, comenzando por la etapa de aspiración del fluido térmico enfriado
El fluido térmico, que sale del refrigerador 43 a la temperatura T1, pasa al tubo 43', pasa a través de la trampilla de condensado 93 (en la que se condensa el agua en el fluido térmico y se separa del aire), pasa al tubo 93' a la temperatura T1', pasa a través de la abertura de aspiración 15"' y, tras el movimiento de los dos pistones 9c-7c separados, es aspirado hacia la cámara 13"'.
D3_Etapa de compresión y recuperación del fluido térmico aspirado
Después del movimiento de los dos pistones 7c-9a uno hacia el otro, el aire previamente aspirado se comprime en la cámara 14"' (hasta el límite, que normalmente está preestablecido con una relación mínima de 1:4 y una relación máxima de 1:20), experimenta un aumento de temperatura de T1' a T2, pasa a través de la abertura de descarga 16"', el tubo 44' y la válvula de retención 44a y termina en el tanque de compensación 44, en el que permanece disponible para uso inmediato.
D4_Etapa de precalentamiento del fluido térmico comprimido
Con la intermitencia determinada por la rotación de los pistones y la apertura/cierre resultante de las aberturas de entrada 15', 15", el aire sale del tanque 44, pasa a través del tubo 44" y la válvula de retención 44b, se desplaza a través del tubo 44"', y pasa al regenerador 42 (en el que experimenta un aumento de temperatura de T2 a T2').
D5_Etapa de vaporización/supercalentamiento del agua condensada
Empujado por la bomba de alta presión 94, el agua condensada previamente extraída del aire por la trampilla 93, fluye a través de los tubos 93”y 94', pasa a través del evaporador 95, en el que se calienta/vaporiza (cambiando de estado de líquido a vapor, con un aumento de temperatura de T1" a Ta), se desplaza a través del tubo 95', pasa a través del supercalentador 96 (en el que adquiere más energía y aumenta la temperatura de Ta a Tb).
D6_Etapa de inyección del vapor supercalentado en el conducto de aire
El aire, que sale del regenerador 42, se desplaza a través del tubo 42', pasa a través de la válvula de retención 42a y pasa al tubo 42"' en el que, a través del inyector 97, se introduce el vapor supercalentado transportado en el tubo 96'. Como resultado de la mezcla del aire con el vapor supercalentado, el fluido térmico experimenta un aumento de energía y aumenta la temperatura de T2' a T2", permitiendo la recuperación de energía útil, que se representa esquemáticamente en el área Q96 en la figura 10.
D7_Etapa de supercalentamiento del fluido térmico en circulación
El fluido térmico mixto se desplaza a través del tubo 97', pasa a través del calentador 41 (adyacente a la cámara de combustión 40A y provisto del quemador multicombustible 40), en el que recibe energía térmica y aumenta la temperatura de t 2" a T3.
D8_Etapa de expansión del fluido térmico supercalentado y producción un trabajo útil
Cuando los pistones 7a-7b, al girar en el cilindro anular en la dirección de movimiento indicada por las flechas, abren las aberturas de entrada 15-15", el fluido térmico supercalentado fluye a través de los tubos 41'-41”-41”' se introduce en las cámaras de expansión 13'y 13", en las que se expande (disminuyendo la temperatura de T3 a T4) y, al hacer girar los pistones, produce trabajo útil.
D9_Etapa de expulsión y de recuperación de energía del fluido térmico agotado
Después del movimiento de los pistones 7a-9b y 7b-9c uno hacia el otro, las cámaras 14' y 14" disminuyen en volumen, el fluido térmico agotado (ya expandido en el ciclo anterior) es expulsado de la unidad de accionamiento 1, pasa a través de las dos aberturas de descarga 16'-16", fluye a través de los tubos 45-45M 5 ’” , pasa a través del regenerador 42 (en el que entrega parte de la energía térmica que aún posee y experimenta una primera disminución de temperatura desde T4 a T4'), después pasa al tubo 42", pasa a través del evaporador 95, en el que vuelve a entregar parte de la energía térmica que posee y experimenta una segunda disminución de la temperatura de T4' a T4", permitiendo la recuperación de energía útil, lo cual está representado esquemáticamente en el área A95 de la figura 10.
D10_Conclusión del ciclo con refrigeración adicional del fluido térmico agotado
El fluido térmico pasa al tubo 95" y llega al refrigerador 43, desde el que el ciclo puede continuar y repetirse en modo continuo.
D11_Recuperación de energía con la optimización del proceso de precalentamiento del aire de combustión
El aire de combustión extraído del entorno es empujado por el ventilador 92 y pasa al refrigerador 43, en el que adquiere energía y aumenta la temperatura de Th1 a Th3, facilitando así el proceso de combustión.
D12_Recuperación de energía con una reducción en la temperatura de los humos de combustión
Dado que la función prevista para la máquina térmica también es proporcionar energía térmica destinada a usos auxiliares (calefacción de espacios y/o producción de agua caliente sanitaria, etc.), antes de que los humos calientes se descarguen a la atmósfera (a través del conducto 102), primero se hace pasar por el supercalentador 96 (en el que su temperatura se reduce de Th7 a Th6) y después se recupera toda su energía residual reduciendo su temperatura tanto como sea posible (también es posible recuperar más energía a través de su posible condensación). Para conseguir este fin, se utiliza un circuito hidráulico específico, en el que se adopta el siguiente modo de transporte: el fluido térmico entrante (normalmente agua) del auxiliar usa pasos 103 al tubo 103'y es empujado por la bomba de circulación 104, pasa al tubo 104', alcanza el recuperador 101 a temperatura baja Tf y después, al pasar a través suyo, gracias a la reducción del a temperatura de los humos S desde Th6 a Th2, adquiere energía térmica y se calienta a una mayor temperatura Tg, de modo que queda disponible a través del tubo 101', para usos auxiliares 130 y para el fin pretendido.
E. Descripción detallada de la máquina térmica 121 que funciona de acuerdo con la configuración funcional más completa, representada en la figura 12
En comparación con los ciclos Joule-Ericsson por sí mismos y la única “unidad de accionamiento", la novedad introducida con esta configuración se refiere a la realización de un ciclo operativo “combinado", en el que el fluido térmico es una mezcla de aire y agua (transformada en vapor supercalentado); esto asegura la lubricación del cilindro (en el que se deslizan los pistones) y permite obtener una mayor potencia de la unidad y una mejora considerable en la eficiencia general.
Haciendo referencia a la figura 12, en la posición en la que se encuentran los pistones, se pueden identificar las siguientes etapas principales del ciclo: E1_Puesta en movimiento la máquina térmica 121
Se señala en primer lugar que todos los dispositivos de control y regulación se alimentan a través de una línea eléctrica auxiliar específica (no representada), el arranque de la máquina térmica 121 tiene lugar de la siguiente manera:
_el eje primario 17 (visible en la figura 2b) y todo el sistema de transmisión que mueve los seis pistones 7a, 7b, 7c, 9a, 9b, 9c se ponen en rotación a través del motor de arranque, creando así las condiciones preliminares para el arranque del ciclo;
_se activa la bomba de agua condensada 94;
_se alimenta eléctricamente la bomba de agua 99;
_se activa el ventilador 92;
_se activa el quemador 40 actuando sobre la válvula de regulación 91 (que controla la inyección de combustible F) y se inicia el proceso de combustión;
_cuando el fluido térmico en circulación ha alcanzado las condiciones de funcionamiento mínimas predeterminadas, la unidad de accionamiento 1 será capaz de producir el trabajo necesario para poder funcionar de forma autónoma.
E2_Inicio del ciclo, comenzando por la etapa de aspiración del fluido térmico enfriado
El fluido térmico, que sale del refrigerador 43 (a temperatura T1), pasa al tubo 43', pasa a través de la trampilla de condensado 93 (en la que se condensa el agua en el fluido térmico y se separa del aire), pasa al tubo 93' a la temperatura T, pasa a través de la abertura de aspiración 15"' y, tras el movimiento de los dos pistones 9c-7c separados entre sí, es aspirado hacia la cámara 13"‘.
E3_Etapa de compresión y recuperación del fluido térmico aspirado
Después del movimiento de los dos pistones 7c-9a uno hacia el otro, el aire previamente aspirado se comprime en la cámara 14"' (hasta el límite, que normalmente está preestablecido con una relación mínima de 1:4 y una relación máxima de 1:20), experimenta un aumento de temperatura de T1' a T2, pasa a través de la abertura de descarga 16"', el tubo 44' y la válvula de retención 44a y termina en el tanque de compensación 44, en el que permanece disponible para uso inmediato.
E4_Etapa de precalentamiento del fluido térmico comprimido
Con la intermitencia determinada por la rotación de los pistones y la apertura/cierre resultante de las aberturas de entrada 15', 15", el aire sale del tanque 44, pasa a través del tubo 44" y la válvula de retención 44b, se desplaza a través del tubo 44"', y pasa al regenerador 42 (en el que experimenta un aumento de temperatura de T2 a T2').
E5_Etapa de vaporización/supercalentamiento del agua condensada
Empujado por la bomba de alta presión 94, el agua condensada previamente extraída del aire por la trampilla 93, fluye a través de los tubos 93”y 94' a la temperatura T1”, pasa a través del evaporador 95, en el que se calienta/vaporiza (cambiando el estado de líquido a vapor, con un aumento de temperatura de T1” a Ta), se desplaza a través del tubo 95”, pasa a través del supercalentador 96 (en el que adquiere más energía y experimenta un aumento de temperatura de Ta a Tb).
E6_Etapa de inyección del vapor supercalentado en el conducto de aire
El aire, que sale del regenerador 42, se desplaza a través del tubo 42', pasa a través de la válvula de retención 42a y pasa al tubo 42”' en el que, a través del inyector 97, se introduce el vapor supercalentado transportado en el tubo 96'. Como resultado de la mezcla del aire con el vapor supercalentado, el fluido térmico experimenta un aumento de energía y su temperatura aumenta de T2' a T2”, permitiendo la recuperación de energía útil, lo cual se representa esquemáticamente en el área Q96 en la figura 10.
E7_Etapa de supercalentamiento del fluido térmico en circulación
El fluido térmico mixto se desplaza a través del tubo 97', pasa a través del calentador 41 (adyacente a la cámara de combustión 40A, provista con el quemador multicombustible 40), en el que recibe energía térmica y aumenta la temperatura de T2” a T3.
E8_Etapa de expansión del fluido térmico supercalentado y producción de trabajo útil
Cuando los pistones 7a-7b, al girar en el cilindro anular en la dirección de movimiento indicada por las flechas, abren las aberturas de entrada 15'-15”, el fluido térmico supercalentado fluye a través de los tubos 41'-41”-41”' se introduce en las cámaras de expansión 13'y 13”, en las que se expande (disminuyendo la temperatura de T3 a T4) y, al hacer girar los pistones, produce trabajo útil.
E9_Etapa de expulsión y de recuperación de energía del fluido térmico agotado
Después del movimiento de los pistones 7a-9b y 7b-9c uno hacia el otro, las cámaras 14'y 14” disminuyen en volumen, el fluido térmico agotado (ya expandido en el ciclo anterior) es expulsado de la unidad de accionamiento 1, pasa a través de las dos aberturas de descarga 16'-16”, fluye a través de los tubos 45'-45” -45”', pasa a través del regenerador 42 (en el que entrega parte de la energía térmica que aún posee y experimenta una primera disminución de temperatura desde T4 a T4'), después pasa al tubo 42”, pasa a través del evaporador 95, en el que vuelve a entregar parte de la energía térmica que posee y experimenta una segunda disminución de la temperatura de T4' a T4”, permitiendo la recuperación de energía útil, lo cual se representa esquemáticamente en el área Q95 en la figura 10.
E10_Conclusión del ciclo con refrigeración adicional del fluido térmico agotado
El fluido térmico pasa al tubo 95' y llega al refrigerador 43, desde el que puede continuar el ciclo y repetirse en un modo continuo.
E11_Refrigeración optimizada de la unidad de accionamiento 1, con recuperación de energía
El agua enfriada en el recuperador 98 (a temperatura Tc) se mantiene constantemente en circulación mediante la bomba 99, fluye a través de los tubos 98'-99', pasa a través de un espacio intermedio específico 2R formado en la unidad de accionamiento 1, (en la que, realizando una acción de refrigeración, experimenta un aumento de temperatura de Tc a Td), se desplaza a través del tubo 2', pasa a través del recuperador 100 (en el que adquiere energía térmica, aumentando la temperatura de Td a Te), se desplaza a través del tubo 100' y, finalmente, llega al recuperador 98, en el que termina su trayecto. El espacio intermedio 2R constituye una unidad de refrigeración para la unidad de accionamiento 1. Los tubos 2', 98', 99' y 100' constituyen tubos de refrigeración. El espacio intermedio 2R (o unidad de refrigeración) del primer recuperador 98, el segundo recuperador 100, la bomba de refrigeración 99 y los tubos de refrigeración juntos constituyen un circuito de refrigeración de la máquina térmica.
E12_Recuperación de energía con la optimización del proceso de precalentamiento del aire de combustión
El aire de combustión extraído del entorno a la temperatura Th1 es empujado por el ventilador 92 y pasa al refrigerador 43 (en el que adquiere energía y aumenta la temperatura a Th3), pasa al recuperador 98 (en el que adquiere más energía y aumenta la temperatura a Th5).
El aire precalentado se mezcla en el quemador 40 con el combustible transportado a través de la válvula de regulación 91 y se introduce en la cámara de combustión 40A, en la que el gas, mezclado a alta temperatura, puede experimentar una combustión óptima, reduciendo así las emisiones nocivas.
E13_Recuperación de energía con una reducción en la temperatura de los humos de combustión
Los humos calientes producidos por la combustión a la temperatura Th7 se enfrían primero a la temperatura Th6 (pasando a través del supercalentador 96), después se enfrían a la temperatura Th4 (pasando a través del recuperador 100) y después, dado que la función prevista para la máquina térmica es también proporcionar energía térmica destinada a usos auxiliares (calefacción de espacios y/o producción de agua caliente sanitaria, etc.), antes de que los humos calientes se descarguen a la atmósfera (a través del conducto 102), toda su energía residual es recuperada reduciendo su temperatura tanto como sea posible (también es posible recuperar más energía a través de su posible condensación). Para conseguir este fin, se utiliza un circuito hidráulico específico, en el que se adopta el siguiente modo de transporte: el fluido térmico entrante (normalmente agua) de los usos auxiliares 103 pasa al tubo 103' y es empujado por la bomba de circulación 104, pasa hacia el tubo 104', alcanza el recuperador 101 a baja temperatura Tf y después, al pasar a través suyo, gracias a la reducción de la temperatura de los humos de Th4 a Th2, adquiere energía térmica y calienta a mayor temperatura Tg, de manera que queda disponible a través del tubo 101' para usos auxiliares 130 y para el fin pretendido.
Los tubos 101', 103' y 104' constituyen tubos auxiliares. El recuperador auxiliar 101, la bomba auxiliar 104 y los tubos auxiliares juntos constituyen un circuito de refrigeración de la máquina térmica 121.
La invención concebida de este modo es susceptible de numerosas modificaciones y variantes, todas ellas incluidas en el ámbito de las reivindicaciones adjuntas, y los componentes mencionados pueden ser reemplazados por otros elementos técnicamente equivalentes.
La invención consigue importantes ventajas. En primer lugar, la invención permite superar al menos algunos de los inconvenientes de la técnica anterior.
Asimismo, la máquina térmica y el procedimiento asociado de acuerdo con la presente invención tienen la capacidad para utilizar diversas fuentes de calor y de generar energía mecánica (trabajo), ya que pueden emplearse en cualquier lugar y para cualquier uso, pero preferentemente para la producción de energía eléctrica.
Asimismo, la máquina térmica de acuerdo con la presente invención se caracteriza por una alta eficiencia termodinámica y una excelente relación peso-potencia.
Además, la máquina térmica de acuerdo con la presente invención se caracteriza por una estructura simple y fácil de producir.
Asimismo, la máquina térmica de acuerdo con la presente invención se caracteriza por un coste de producción reducido.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Una máquina térmica (121) para realizar un ciclo de calor, funcionando la máquina térmica con un fluido térmico y configurada para funcionar con un ciclo de calor combinado que usa aire caliente y vapor acuoso, presentando movimiento continuo unidireccional del fluido térmico, comprendiendo la máquina térmica:
- una unidad de accionamiento (1) que comprende:
- una carcasa (2) que delimita en ella una cámara anular (12) y que tiene aperturas de entrada o descarga dimensionadas (15', 16', 15", 16", 15"', 16"') en comunicación fluida con conductos externos a la cámara anular (12), en donde cada abertura de entrada o descarga (15', 16', 15", 16", 15"', 16"') está espaciada angularmente desde las aberturas de entrada y descarga adyacentes para definir un trayecto de expansión/compresión para un fluido de trabajo en la cámara anular (12);
- un primer rotor (4) y un segundo rotor (5) instalados giratoriamente en dicha carcasa (2); en donde cada uno de los dos rotores (4, 5) tiene tres pistones (7a, 7b, 7c; 9a, 9b, 9c) que se pueden deslizar en una cámara anular (12), en donde los pistones (7a, 7b, 7c) de uno de los rotores (4,5) están alternos angularmente con los pistones (9a, 9b, 9c) del otro rotor ((5); en donde los pistones adyacentes angularmente (7a, 9a, 7b, 9b, 7c; 9c) delimitan seis cámaras de volumen variable (13', 13", 13"'; 14', 14", 14”‘).
- un eje primario (17) operativamente conectado a dicho primer y segundo rotor (4,5);
- una transmisión (18) que está interpuesta operativamente entre dichos primer y segundo rotor (4,5) y el eje primario (17) y configurado para convertir el movimiento rotacional con las correspondientes velocidades angulares periódicamente variables primera y segunda (w1, w2) de dichos primer y segundo rotor (4, 5) que están desplazados uno con respecto al otro en un movimiento rotatorio que tiene una velocidad angular constante del eje primario (17); en donde la transmisión (18) está configurada para conferir, en la velocidad angular periódicamente variable (w1, w2) de cada uno de los rotores (4,5), seis períodos de variación para cada revolución completa del eje primario (17);
en donde dicha unidad de accionamiento es un expansor volumétrico rotatorio que funciona con dicho fluido térmico;
- una primera sección de la unidad de accionamiento (1), en la que siguiendo el movimiento de dos pistones (9c, 7c) alejándose uno de otro, el fluido térmico, que pasa a través de la abertura de entrada (15"') es aspirado hacia la cámara (13’”);
- una segunda sección de dicha unidad de accionamiento (1), en la que, tras el movimiento de los dos pistones (7c, 9a) uno hacia el otro, se comprime el fluido previamente aspirado en la cámara (14’”) y después, al pasar a través de la abertura de descarga (16’”), un tubo (44') y una válvula de retención (44a), es transportado a un tanque de compensación (44);
- un tanque de compensación (44) configurado para acumular el fluido térmico comprimido para hacer que esté disponible, a través de tubos específicos (44", 42') y la válvula de retención (44b), para su uso posterior, en un modo continuo;
- un regenerador (42), en comunicación fluida a través de tubos específicos (42'-97') con dicha unidad de accionamiento (1) y configurado para precalentar el fluido térmico antes de su entrada en un calentador (41); - un calentador (41) configurado para supercalentar el fluido térmico que circula en una serpentina, utilizando la energía térmica producida por un quemador (40);
- un quemador (40) con una cámara de combustión (40A) unida al mismo, siendo apto dicho quemador (40) para funcionar con varios tipos de combustible y siendo capaz de suministrar la energía térmica necesaria al calentador (41);
- una tercera sección de dicha unidad de accionamiento (1), en comunicación fluida con dicho calentador (41), a través de tubos específicos (41', 41", 41"'), y capaz de recibir, a través de las aberturas de entrada (15', 15"), el fluido térmico calentado a alta temperatura bajo presión en el calentador (41) para que se expanda en las cámaras (13', 13"), que están delimitadas por los pistones (9a, 7a-9b- 7b), respectivamente, con el fin de hacer que dichos pistones giren y produzcan trabajo;
- una cuarta sección de dicha unidad de accionamiento (1), en comunicación fluida con el regenerador (42) a través de las aberturas de descarga (16', 16") y tubos específicos (45', 45", 46); y en donde debido a la reducción del volumen de las dos cámaras (14', 14") provocado por el movimiento de los dos pares de pistones (7a, 9b-7b, 9c) uno hacia otro, se expulsa forzadamente el fluido térmico agotado;
- en donde dicho regenerador (42), en comunicación fluida con dicha unidad de accionamiento (1), está configurado además para adquirir energía térmica del fluido térmico agotado y para usarlo para precalentar el fluido térmico para su envío al calentador (41).
2. La máquina térmica (121) de acuerdo con la reivindicación 1, en la que la primera sección de la unidad de accionamiento (1) está en conexión fluida con el entorno externo a través de un tubo (93), de modo que el aire del entorno puede ser aspirado hacia la cámara (13"'), y en donde la máquina térmica (121) comprende una bomba dosificadora (97b) en conexión fluida con un tanque de agua destilada (97a) y dispuesta para permitir que se inyecte una cantidad predefinida de agua destilada en un circuito de aire (42"') por medio de un inyector (97), siendo capaz dicha cantidad predefinida de aumentar la potencia de la unidad de la unidad de accionamiento (1) y de asegurar la lubricación del cilindro.
3. La máquina térmica (121) de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende:
- un refrigerador (43) que está interpuesto operativamente entre la salida de baja temperatura del regenerador y la entrada del calentador (41),
en donde el fluido térmico que sale del refrigerador (43) a la temperatura T1, pasa hacia un tubo (43'), pasa a través de una trampilla de condensado (93), en la que se condensa el agua en el fluido térmico y se separa del aire, pasa hacia un tubo (93') a la temperatura T1', pasa a través de la abertura de aspiración (15"') y tras el movimiento de los dos pistones (9c-7c) alejándose uno de otro, es aspirado hacia la cámara (13"') de dicha primera sección, y en donde, empujado por una bomba de alta presión (94), el agua condensada previamente extraída del aire por la trampilla (93) se desplaza a través de tubos específicos (93", 94') y llega a un inyector (97) dispuesto para inyectar en un circuito de aire (42"') una cantidad predefinida de agua condensada, que es capaz de aumentar la potencia de la unidad de la unidad de accionamiento (1) y de asegurar la lubricación del cilindro.
4. La máquina térmica (121) de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende:
- un refrigerador (43) que está interpuesto operativamente entre la salida de baja temperatura del regenerador y la entrada del calentador (41);
en donde el fluido térmico, que sale del refrigerador (43) a la temperatura T1, pasa hacia un tubo (43'), pasa a través de una trampilla de condensado (93), en la que se condensa el agua en el fluido térmico y se separa del aire, pasa hacia un tubo (93') a temperatura T1', pasa a través de la abertura de aspiración (15"') y tras el movimiento de los dos pistones (9c-7c) alejándose uno de otro, es aspirado hacia la cámara (13"') de dicha primera sección, y en la que, empujado por una bomba de alta presión (94), el agua condensada previamente extraída del aire por la trampilla (93) se desplaza a través de los tubos (93", 94') y llega a un evaporador (95) que está configurado para calentar y vaporizar el agua condensada y enviarla a un inyector (97) dispuesto para inyectar en un circuito de aire (42"') una cantidad predefinida de vapor acuoso, que puede aumentar la potencia de unidad de la unidad de accionamiento (1) y garantizar la lubricación del cilindro,
en donde dicho evaporador (95) está interpuesto operativamente, con su lado de alta temperatura, entre dicha bomba de alta presión (94) y dicho inyector (97),
y en donde dicho evaporador (95) está configurado para recibir como fluido entrante, en su lado de baja temperatura, el fluido térmico agotado expulsado de la salida de la unidad de accionamiento (1), de modo que adquiere energía térmica residual de este fluido térmico agotado y lo usa para precalentar el fluido térmico para su envío al calentador.
5. La máquina térmica (121) según la reivindicación 1, que comprende:
- un refrigerador (43) que está interpuesto operativamente entre la salida de baja temperatura del regenerador y la entrada del calentador (41);
en donde el fluido térmico, que sale del refrigerador (43) a la temperatura T1, pasa a un tubo (43'), pasa a través de una trampilla de condensado (93), en la que se condensa el agua en el fluido térmico y se separa del aire, pasa hacia un tubo (93') a temperatura T 1', pasa a través de la abertura de aspiración (15"') y tras el movimiento de los dos pistones (9c-7c) alejándose uno del otro, es aspirado hacia la cámara (13"') de dicha primera sección, y en donde, empujado por una bomba de alta presión (94), el agua condensada previamente extraída del aire por la trampilla (93) se desplaza a través de los tubos (93", 94') y llega a un evaporador (95) que está configurado para calentar y vaporizar el agua condensada y enviarla a un supercalentador (96) que, al extraer energía de los humos de combustión calientes aguas abajo del quemador (40), está configurado para supercalentar el vapor saturado que sale del evaporador (95), para suministrar energía al mismo;
en donde dicho supercalentador (96) está configurado para enviar el agua condensada vaporizada y supercalentada a un inyector (97), que está dispuesto para permitir la inyección, en un circuito de aire (42"'), de una cantidad predefinida de vapor acuoso supercalentado, que puede aumentar aún más la potencia de la unidad de accionamiento (1) y asegurar la lubricación del cilindro,
en donde dicho evaporador (95) está interpuesto operativamente, con su lado de alta temperatura, entre dicha bomba de alta presión (94) y dicho supercalentador (96),
y en donde dicho evaporador (95) está configurado para recibir como fluido entrante, en su lado de baja temperatura, el fluido térmico agotado expulsado de la salida de la unidad de accionamiento (1), de modo que adquiere energía térmica residual de este fluido térmico agotado y la usa para precalentar el fluido térmico para su envío al calentador.
6. La máquina térmica (121) de acuerdo con la reivindicación 5, y provista de un circuito de refrigeración que comprende:
- un primer recuperador (98), situado aguas arriba del quemador (40), en el que se extrae el aire de combustión del entorno;
- una unidad de refrigeración (espacio intermedio 2R) asociada a la unidad de accionamiento (1);
- un segundo recuperador (100), situado aguas abajo del quemador (40) y el calentador (41) y preferentemente aguas abajo de dicho supercalentador (96), a lo largo del trayecto de salida de los humos de combustión calientes; - una pluralidad de tubos de refrigeración (2', 98', 99', 100') que conectan en serie dicho primer recuperador (98), dicha unidad de refrigeración (2R) y dicho segundo recuperador (100), para formar un trayecto circular y con una cantidad de líquido de refrigeración (preferentemente, agua);
- una bomba de refrigeración (99) situada en dicho circuito y que está operativamente activa en un tubo de dicha pluralidad de tubos de refrigeración para provocar la circulación de dicho fluido de refrigeración en el circuito de refrigeración;
en la que:
- dicho primer recuperador (98) está configurado para enfriar dicho fluido de refrigeración mediante la entrega de energía térmica a dicho aire de combustión;
- dicha unidad de refrigeración (2R) está configurada para enfriar la unidad de accionamiento (1) mediante la transferencia de energía térmica desde la unidad de accionamiento al fluido de refrigeración, que experimenta un aumento de temperatura;
- dicho segundo recuperador (100) está configurado para calentar dicho fluido de refrigeración adquiriendo energía térmica de los humos de combustión calientes.
7. La máquina térmica (121), de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, y equipada con un circuito hidráulico auxiliar que comprende:
- un recuperador auxiliar (101), situado aguas abajo del quemador (40) y el calentador (41) a lo largo del trayecto de salida de los humos de combustión calientes;
- una pluralidad de tubos auxiliares (101', 103', 104') configurados para pasar a través de dicho recuperador auxiliar y para conectarse con uno o más usos auxiliares, preferentemente, dispositivos para calefacción de espacios y/o unidades de producción para agua caliente sanitaria;
- una bomba auxiliar (104), situada en dicho circuito y que está operativamente activa en un tubo de dicha pluralidad de tubos auxiliares para provocar la circulación en dicho circuito auxiliar;
en donde dicho recuperador auxiliar (101) está configurado para recuperar energía de los humos de combustión y transmitirla al fluido en circulación en dicho circuito auxiliar, estando disponible dicha energía para dichos usos auxiliares (103).
8. La máquina térmica (121) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además:
- un ventilador (92) situado aguas arriba del quemador (40) y configurado para extraer aire de combustión del entorno y enviarlo de manera forzada a dicho quemador (40) para alimentar el proceso de combustión; y/o - una o más válvulas de retención (44a, 44b, 42a), situadas a lo largo de los tubos de la máquina térmica, y configurados para facilitar la circulación del fluido térmico de manera unidireccional y evitar la salida del fluido térmico en la dirección opuesta.
9. Un procedimiento para realizar un ciclo de calor, funcionando el procedimiento con un fluido térmico y configurado para funcionar con un ciclo de calor combinado que usa aire caliente y vapor acuoso, presentando movimiento continuo unidireccional del fluido térmico, comprendiendo el método las etapas de:
- disponer una máquina térmica (121), de acuerdo con una o más de las reivindicaciones 1 a 8;
- llevar a cabo las siguientes etapas:
- poner en marcha el eje primario (17) y la transmisión (18) de la unidad de accionamiento (1), poniendo en movimiento los pistones (7a, 7b, 7c, 9a, 9b, 9c);
- activar el quemador (40) y poner en marcha el proceso de combustión;
- cuando el fluido térmico en circulación en la máquina térmica ha alcanzado un estado operativo mínimo preestablecido, la unidad de accionamiento (1) produce el trabajo necesario para poder girar independientemente;
- después del movimiento de los dos pistones (9c-7c) alejándose uno del otro, el fluido térmico es aspirado hacia la cámara (13"') a través de la abertura de aspiración (15"');
- tras el movimiento de los dos pistones (7c-9a) uno hacia el otro, el fluido térmico previamente aspirado se comprime en la cámara (14"'), experimenta un aumento de temperatura de T1' a T2, pasa a través de la abertura de descarga (16"') y llega al tanque de compensación (44);
- con la intermitencia determinada por la rotación de los pistones y la apertura/cierre resultante de las aberturas de entrada (15', 15"), el fluido térmico sale del tanque (44) y pasa a través del regenerador (42), en el que experimenta un aumento de temperatura de T2 a T2 ';
- el fluido térmico pasa a través del calentador (41), en el que recibe energía térmica y aumenta la temperatura de T2" a T3;
- rotación del cilindro anular, cuando los pistones (7a-7b) abren las aberturas de entrada (15'-15"), el fluido térmico supercalentado es admitido en las cámaras de expansión (13', 13") en las que se expande, con una disminución en su temperatura de T3 a T4 y, al hacer girar los pistones, produce trabajo útil;
- siguiendo el movimiento de los pistones uno hacia el otro (7a-9b; 7b-9c), las cámaras (14', 14") disminuyen de volumen, el fluido térmico agotado es expulsado de la unidad de accionamiento (1), pasa a través del aberturas de descarga (16'-16") y a través del regenerador (42) en el que entrega parte de la energía térmica que aún posee y experimenta una disminución de la temperatura de T4 a T4'.
10. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 9, en el que en la etapa de aspirar el fluido térmico hacia la cámara (13"'), dicho fluido térmico es aire aspirado del entorno a la temperatura T1', y comprendiendo el procedimiento las etapas de:
- extraer agua destilada del tanque (97a);
- activar la bomba dosificadora (97b) e introducir una cantidad dada de agua destilada en el circuito por medio del inyector (97), provocando así una disminución de la temperatura del fluido térmico resultante de T2' a T2"; y en donde, tras la etapa de pasar a través del regenerador (42), el fluido térmico agotado se descarga a la atmósfera.
11. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 9, que comprende además las siguientes etapas:
- el fluido térmico, que sale del refrigerador (43) a la temperatura T1, pasa hacia un tubo (43'), pasa a través de una trampilla de condensado (93), en la que se condensa el agua en el fluido térmico y se separa del aire, pasa hacia un tubo (93') a temperatura T 1', pasa a través de la abertura de aspiración (15"') y tras el movimiento de los dos pistones (9c-7c) alejándose uno del otro, es aspirado hacia la cámara (13"') de dicha primera sección;
- empujada por una bomba de alta presión (94), el agua condensada previamente extraída del aire por la trampilla (93) se desplaza a través de tubos (93", 94') y llega a un inyector (97) dispuesto para permitir la inyección, en un circuito de aire (42"'), de una cantidad predefinida de agua condensada, que es capaz de aumentar la potencia de la unidad de la unidad de accionamiento (1) y de asegurar la lubricación del cilindro.
12. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 9, que comprende además las siguientes etapas:
- el fluido térmico, que sale del refrigerador (43) a una temperatura T 1, pasa hacia un tubo (43'), pasa a través de la trampilla de condensado (93), en la que se condensa el agua en el fluido térmico y se separa del aire, pasa hacia un tubo (93') a temperatura T1', pasa a través de la abertura de aspiración (15"') y tras el movimiento de los dos pistones (9c-7c) alejándose uno de otro, es aspirado hacia la cámara (13"') de dicha primera sección;
- empujada por una bomba de alta presión (94) el agua de condensado previamente extraída del aire por la trampilla (93) se desplaza a través de los tubos (93", 94') y llega al evaporador (95) que está configurado para calentar y vaporizar el agua condensada y enviarla al inyector (97) dispuesto para permitir la inyección en un circuito de aire (42"') de una cantidad predefinida de vapor acuoso, que es capaz de aumentar la potencia de unidad de la unidad de accionamiento (1) y asegurar la lubricación del cilindro;
en donde dicho evaporador (95) está configurado para recibir como fluido entrante, en su lado de baja temperatura, el fluido térmico agotado expulsado de la salida de la unidad de accionamiento (1), para adquirir energía térmica residual de este fluido térmico agotado y para usarlo para precalentar el fluido térmico para su envío al calentador.
13. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 9, que comprende además las siguientes etapas:
- el fluido térmico, que sale del refrigerador (43) a la temperatura T1, pasa hacia un tubo (43'), pasa a través de una trampilla de condensado (93), en la que se condensa el agua del fluido térmico y se separa del aire, pasa hacia un tubo (93') a la temperatura T1', pasa a través de la abertura de aspiración (15"') y tras el movimiento de los dos pistones (9c-7c) alejándose uno de otro, es aspirado hacia la cámara (13"') de dicha primera sección; - empujada por una bomba de alta presión (94), el agua condensada previamente extraída del aire mediante la trampilla (93) se desplaza a través de los tubos (93", 94') y llega a un evaporador (95) que está configurado para calentar y vaporizar el agua condensada y enviarla a un supercalentador (96) que, al extraer energía de los humos de combustión calientes aguas abajo del quemador (40), está configurado para supercalentar el vapor saturado que sale del evaporador (95), para suministrar energía a los mismos;
en donde dicho supercalentador (96) está configurado para enviar el vapor acuoso supercalentado a un inyector (97), que está dispuesto para permitir la inyección, en un circuito de aire (42"'), de una cantidad predefinida de dicho vapor acuoso supercalentado, que es capaz de aumentar aún más la potencia de la unidad de accionamiento (1), de aumentar el rendimiento global y de asegurar la lubricación del cilindro,
y en donde dicho evaporador (95) está configurado para recibir como fluido entrante, en su lado de baja temperatura, el fluido térmico agotado expulsado de la salida de la unidad de accionamiento (1), para adquirir energía residual de calor de este fluido térmico agotado y usarlo para precalentar el fluido térmico para su envío al calentador.
14. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 13, que comprende además las siguientes etapas:
- disponer un circuito de refrigeración, que comprende:
- un primer recuperador (98), situado aguas arriba del quemador (40), en el que se extrae el aire de combustión del entorno;
- una unidad de refrigeración (espacio intermedio 2R) asociada a la unidad de accionamiento (1);
- un segundo recuperador (100), situado aguas abajo del quemador (40) y el calentador (41), y preferentemente aguas abajo de dicho supercalentador (96), a lo largo del trayecto de salida de los humos de combustión calientes;
- una pluralidad de tubos de refrigeración (2', 98', 99', 100') que conectan en serie dicho primer recuperador (98), dicha unidad de refrigeración (2R) y dicho segundo recuperador (100), para formar un trayecto circular y que lleva una cantidad de fluido de refrigeración;
- una bomba de refrigeración (99) situada en dicho circuito y que está operativamente activa en un tubo de dicha pluralidad de tubos de refrigeración para provocar la circulación de dicho fluido de refrigeración en el circuito de refrigeración;
- llevar a cabo las siguientes etapas:
- enfriar el fluido de refrigeración por medio de dicho primer recuperador (98) mediante la entrega de energía térmica a dicho aire de combustión;
- enfriar, por medio de dicha unidad de refrigeración (2R), la unidad de accionamiento (1) mediante transferencia de energía térmica desde la unidad de accionamiento al fluido de refrigeración, que experimenta un aumento de temperatura;
- calentar, por medio de dicho segundo recuperador (100), dicho fluido de refrigeración adquiriendo energía térmica de los humos de combustión calientes.
15. El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14, que comprende además las siguientes etapas:
- disponer un circuito hidráulico auxiliar, que comprende:
- un recuperador auxiliar (101), situado aguas abajo del quemador (40) y el calentador (41) a lo largo del trayecto de salida de los humos de combustión calientes;
- una pluralidad de tubos auxiliares (101', 103', 104') configurados para pasar a través de dicho recuperador auxiliar y para conectarse con uno o más usos auxiliares, preferentemente dispositivos para calefacción de espacios y/o unidades de producción para agua caliente sanitaria;
- una bomba auxiliar (104), situada en dicho circuito y que está operativamente activa en un tubo de dicha pluralidad de tubos auxiliares para provocar la circulación en dicho circuito auxiliar;
- llevar a cabo las siguientes etapas:
- recuperar energía de los humos de combustión, por medio de dicho recuperador auxiliar (191);
- transmitir dicha energía al fluido en circulación en dicho circuito auxiliar;
- poner dicha energía a disposición para usos auxiliares (103).
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IT201900015770A1 (it) 2019-09-06 2021-03-06 Ivar Spa Nuovo ciclo combinato seol
IT201900015776A1 (it) 2019-09-06 2021-03-06 Ivar Spa Macchina termica configurata per realizzare cicli termici e metodo per realizzare cicli termici

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2248484A (en) * 1940-04-11 1941-07-08 Bancroft Charles Heat energized apparatus
DE2910990A1 (de) * 1979-03-21 1980-10-09 Kickbusch Ernst Rotations - schwinglader fuer verbrennungskraftmaschinen
US4338067A (en) * 1980-02-14 1982-07-06 Greenfield Stuart T Alternating piston machine with rotating end walls and chain drive
EP0553524A1 (en) * 1992-01-31 1993-08-04 Mikio Kurisu Rotary engine
KR100261911B1 (ko) * 1998-04-27 2000-07-15 김은규 동축구조 회전피스톤 정용적 흡압장치
DE102005026534B4 (de) * 2005-06-08 2012-04-19 Man Diesel & Turbo Se Dampferzeugungsanlage
US7461626B2 (en) * 2006-12-21 2008-12-09 Ford Global Technologies, Llc Powertrain including a rotary IC engine and a continuously variable planetary gear unit
CN103321778A (zh) * 2012-02-29 2013-09-25 伊顿公司 体积能量回收装置和系统
PL2920433T3 (pl) * 2012-11-15 2019-10-31 Ivar Spa Rozprężacz wirnikowy oraz instalacja do kogeneracji energii elektrycznej i cieplnej zawierająca rozprężacz wirnikowy
ITMI20130375A1 (it) * 2013-03-12 2014-09-13 Newcomen S R L Impianto a ciclo chiuso
RU2675950C1 (ru) 2014-02-03 2018-12-25 И.В.А.Р. С.П.А. Тепловой двигатель (варианты) и пневматический двигатель
FR3033001B1 (fr) * 2015-02-20 2018-09-14 Valeo Systemes Thermiques Machine de compression et detente de type ciseaux utilisee dans un systeme de recuperation d'energie thermique

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Publication number Publication date
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