ES2874807T3 - Sistema de enfriamiento regenerativo - Google Patents

Abstract

Un sistema de enfriamiento regenerativo (100) que se diseña para un motor térmico de regeneración (1), este último que comprende al menos un intercambiador de calor de regeneración (5) que tiene un conducto de regeneración de alta presión (6) en el que circula un gas de trabajo (81) para precalentarse allí, que se comprime previamente por un compresor (2), en donde dicho gas (81), mientras sale de dicho conducto (6), es sobrecalentado por una fuente de calor (12) antes de introducirse en un expansor de gas (78) en el que se expande para realizar trabajo en un eje de salida de potencia (17), dicho gas (81) que se expulsa luego por la salida del expansor de gas (78) y luego se introduce en un conducto de regeneración de baja presión (7) del intercambiador de calor de regeneración (5), dicho gas (81) - al circular en dicho conducto (7) - que entrega una gran porción de su calor residual al gas de trabajo (81) que circula en el conducto de regeneración de alta presión (6), dicho sistema (100) que se caracteriza porque comprende: - al menos una cámara de enfriamiento (79) que rodea total o parcialmente el expansor de gas (78) y/o la fuente de calor (12) y/o un conducto de entrada de gas caliente (19) que conecta dicha fuente (12) a dicho expansor (78), mientras deja abierto un espacio de circulación del gas (80) entre dicha cámara (79) por un lado, y/o dicho expansor (78) y/o dicha fuente (12) y/o dicho conducto (19) por otro lado; - al menos un puerto de entrada de la cámara (82) que se conecta directa o indirectamente a la salida del expansor de gas (78) y por el cual parte o todo el gas de trabajo (81) expulsado desde dicho expansor (78) a través de dicha salida puede entrar en el espacio de circulación del gas (80); - al menos un puerto de salida de la cámara (83) que se conecta directa o indirectamente al conducto de regeneración de baja presión (7) y por el cual el gas de trabajo (81) puede salir del espacio de circulación del gas (80) antes de que se introduzca en dicho conducto de baja presión (7).

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de enfriamiento regenerativo

La presente invención se refiere a un sistema de enfriamiento regenerativo que constituye, entre otras cosas, una mejora del motor térmico de transferencia-expansión y regeneración que fue objeto de la solicitud de patente Núm. FR 1551593 del 25 de febrero de 2015 perteneciente al solicitante, y de la patente publicada el 1 de septiembre de 2016 con el Núm. US 2016/0252048 A1, que también pertenece al solicitante.

Es conocido el ciclo de regeneración de Brayton, normalmente implementado por medio de compresores centrífugos y turbinas.

De acuerdo con este modo de implementación, dicho ciclo conduce a motores que ofrecen una eficiencia sustancialmente mayor que la de los motores con encendido controlado. Dicha eficiencia es comparable a la de los motores Diésel rápidos. Sin embargo, sigue siendo más pequeño que el de los motores diésel de dos tiempos de gran cilindraje lento que se encuentran, por ejemplo, en la propulsión naval o en la producción estacionaria de electricidad.

Además de una eficiencia modesta, al considerarlo todo, los motores de regeneración de ciclo de Brayton con compresores centrífugos y turbinas ofrecen su mejor eficiencia en un intervalo de potencia relativamente estrecho. Además, su tiempo de respuesta en modulación de potencia es largo. Su campo de aplicación es limitado por estas diversas razones y solo se adaptan con dificultad al transporte terrestre y, particularmente, a los automóviles y camiones pesados.

El motor térmico de transferencia-expansión y regeneración, el cual es el objeto de la solicitud de patente Núm. FR 15 51593 y de los documentos FR3032235 y WO2016120560, se diseñaron para mitigar estos inconvenientes. Dicho motor tiene la particularidad de implementar el ciclo de Brayton regenerativo, no por medio de compresores centrífugos y turbinas, sino por medio de máquinas de desplazamiento positivo o al menos por medio de un expansor de desplazamiento positivo constituido alrededor de un “cilindro de expansión”.

En las figuras de la solicitud de patente Núm. FR 1551593, puede observarse que cada extremo de dicho cilindro de expansión está cerrado por un cabezal de cilindro de expansión. Además, dicho cilindro aloja un pistón de expansión de doble acción para formar dos cámaras de transferencia-expansión de volumen variable. Dicho pistón puede moverse en el cilindro de expansión para transmitir trabajo a un eje de salida de potencia a través de una biela, ambos conocidos de por sí.

Entre las ventajas reivindicadas por la invención que es el objeto de la solicitud de patente Núm. FR 1551593 se destaca una eficiencia en la conversión del calor en trabajo muy superior a la de los motores convencionales de combustión interna alterna, independientemente de su principio, que conduce, con el mismo trabajo suministrado, a un menor consumo de combustible que el de dichos motores convencionales, y a las emisiones de dióxido de carbono asociadas que también son menores.

Para que se alcancen estos objetivos, como se describe claramente en la solicitud de patente FR 1551593, deben combinarse al menos tres condiciones.

La primera es que el expansor de desplazamiento positivo realmente esté constituido por un cilindro, lo que no enseña la técnica anterior con relación a las máquinas relacionadas. Por medio de un ejemplo, la patente US 2003/228237 A1 del 11 de diciembre de 2003 comprende un compresor, un intercambiador de calor de regeneración, una fuente de calor y un expansor; sin embargo, este último no es un cilindro, sino lo que los inventores que son los autores de dicha patente denominan “gerotor.”

La segunda condición es que la entrada y salida de los gases en el cilindro de expansión se controlen por válvulas dosificadoras de admisión y escape debidamente escalonadas, lo que conduce al diagrama “presión/volumen” al que está dedicada una figura de la solicitud de patente Núm. FR 1551593.

La tercera condición es que el dispositivo de sellado entre el pistón y el cilindro pueda funcionar a una muy alta temperatura.

Se observará que el motor térmico de transferencia-expansión y regeneración descrito en la solicitud de patente Núm. FR 15 51593 satisface esta tercera condición al exponer un segmento de colchón de aire innovador que consiste en un anillo inflable y expandible perforado continuo que se aloja en una ranura de anillo provista en el pistón de expansión. Dicho anillo define, con dicha ranura, una cámara de distribución de presión que se conecta a una fuente de fluido a presión.

Este nuevo dispositivo de sellado, sin contacto directo con el cilindro de expansión, posibilita el funcionamiento a alta temperatura de dicho cilindro, mientras que las válvulas dosificadoras de admisión y escape que incluyen los cabezales que cierran dicho cilindro permiten maximizar la eficiencia del motor térmico de transferencia-expansión y regeneración.

De forma voluntaria, el innovador dispositivo de sellado con base en un segmento de colchón de aire se ha incluido en la solicitud de patente Núm. FR 1551593 como reivindicación dependiente de la reivindicación principal. Puede entenderse fácilmente que al presentar de esta manera su invención, el inventor no ha excluido que otras soluciones de sellado puedan sustituirse por dicho segmento, incluso si este último se presenta en dicha solicitud de patente como elemento clave del motor térmico de transferencia-expansión y regeneración.

Como se describe claramente en la solicitud de patente FR 1551593, para que la eficiencia del motor térmico de transferencia-expansión y regeneración sea lo más alta posible, las paredes internas del cilindro de expansión deben llevarse a una alta temperatura de manera que los gases calientes introducidos en dicho cilindro no se enfrían por contacto con dichas paredes, o al menos se enfrían lo menos posible por dichas paredes. Esto se aplica al menos a las paredes internas del cilindro de expansión en sí y a las de los cabezales con las que coopera dicho cilindro. De acuerdo con el principio de la termodinámica de motores formulado por Sadi Carnot, la solicitud de patente FR 15 51593 sugiere que la eficiencia del motor térmico de transferencia-expansión y regeneración aumenta a medida que aumenta la temperatura de los gases introducidos en el cilindro de expansión.

Es por ello que la solicitud de patente FR 1551593 prevé que el cilindro de expansión, los cabezales y el pistón de expansión del motor térmico de transferencia-expansión y regeneración pueden estar hechos de materiales resistentes a muy altas temperaturas como alúmina, zirconia o carburo de silicio cerámica a base de.

Además, las porciones calientes y los componentes de alta temperatura del motor térmico de transferenciaexpansión y regeneración han sido objeto de patentes de mejora de dicho motor. Por esta razón, puede citarse la solicitud de patente Núm. FR 1558585 del 14 de septiembre de 2015 perteneciente al solicitante, que trata de un cilindro de expansión de doble efecto con soporte adaptativo, pudiendo operar dicho cilindro a alta temperatura y someterse a dilataciones térmicas diferentes a las de la caja de transmisión a la que está acoplado. En el mismo sentido, también puede señalarse la solicitud de patente Núm. FR 1358593 de 14 de septiembre de 2015, también perteneciente al solicitante, que tiene como objeto un pistón de doble efecto que consiste de un ensamble pretensado, y que puede operar a altas temperaturas.

Se observa que las solicitudes de patente Núm. FR 15 58585 y Núm. FR 15 58593, que se acaban de citar, proponen soluciones de gran durabilidad para hacer frente a la convivencia en un mismo aparato de piezas mantenidas a altas temperaturas y piezas mantenidas a bajas temperaturas.

En particular, las configuraciones propuestas en dichas patentes evitan, en gran medida, la migración de calor de las partes calientes a las partes frías con las que cooperan. Esto conserva una alta eficiencia para el motor térmico de transferencia-expansión y regeneración.

Por otro lado, las mejoras descritas en las solicitudes de patente Núm. FR 15 58585 y Núm. FR 15 58593 no modifican en modo alguno el hecho de que si la temperatura de los gases que se introducen en el cilindro de expansión de dicho motor es por ejemplo de mil trescientos grados Celsius, la temperatura de las paredes internas de dicho cilindro será localmente cercana a los mil trescientos grados Celsius, con una temperatura promedio de dichas paredes cercana a los mil grados Celsius por ejemplo.

La temperatura de dichos gases determina por tanto directamente la temperatura a la que deben resistir los materiales que constituyen las partes calientes del cilindro de expansión del motor térmico de transferenciaexpansión y regeneración. De esta manera, indirectamente, la resistencia a la temperatura de dichos materiales determina la eficiencia máxima accesible por dicho motor.

Se observa además que los materiales que pueden resistir las muy altas temperaturas en cuestión son relativamente escasos en la medida en que también deben ofrecer una alta resistencia mecánica a estas mismas temperaturas, además de ser resistentes a la corrosión y oxidación.

Dichos materiales son principalmente cerámicas como alúmina, zirconia, carburo de silicio o nitruro de silicio. Estos materiales son duros y difíciles de mecanizar. En consecuencia, el coste real de las piezas acabadas es relativamente alto, lo que es un freno a la adopción por parte de la industria del automóvil del motor térmico de transferencia-expansión y regeneración, que es el objeto de la solicitud de patente FR 1551593. De hecho, como dicha industria se aplica al mercado masivo, tiene una gran sensibilidad al costo real de fabricación, que debe permanecer lo más bajo posible.

Por tanto, lo ideal sería que las paredes internas del cilindro de expansión de dicho motor permanecieran mantenidas a una temperatura máxima de setecientos a novecientos grados Celsius, por ejemplo. De hecho, a dichas temperaturas, los materiales que son más comunes y menos costosos de producir y mecanizar que la cerámica, como el hierro fundido o el acero inoxidable, pueden usarse para fabricar dicho cilindro de expansión. Esto también se aplica a los cabezales, y sus respectivos plenums y conductos, que cooperan con dicho cilindro.

Sin embargo, es imperativo, por un lado, evitar bajar la temperatura de los gases calientes que se admiten en el cilindro de expansión del motor térmico de transferencia-expansión y regeneración y, por otro lado, permitir que el calor de dichos gases escape como una pérdida pura por las paredes más frías de dicho cilindro, al ponerse dichos gases en contacto con ellas. De hecho, estas dos acciones tendrían la consecuencia dañina de reducir significativamente la eficiencia final del motor térmico de transferencia-expansión y regeneración.

En el estado actual de la técnica y de la tecnología, se entiende por tanto que es necesario elegir entre un motor térmico de transferencia-expansión y regeneración de muy alta eficiencia, pero caro y complejo de producir, y un motor que incorpore el mismo principio, pero apoyándose en materiales de producción baratos, esto al precio de un gran sacrificio de la eficiencia, que esto último se reduce significativamente. Esto constituye un dilema.

Para salir de este dilema, el sistema de enfriamiento regenerativo de acuerdo con la invención permite, de acuerdo con una modalidad particular:

• Reducir significativamente la temperatura de las paredes internas del cilindro de expansión y de sus cabezales del motor térmico de transferencia-expansión y regeneración de la solicitud de patente FR 1551593, al permitir contar con materiales de bajo costo real para la fabricación de dicho cilindro y dichos cabezales, sin reducir significativamente la eficiencia total de dicho motor térmico;

• Permitir una temperatura de entrada de los gases en el cilindro de expansión mayor que la que podrían tolerar materiales costosos y complejos como la cerámica en ausencia del sistema de enfriamiento regenerativo de acuerdo con la invención;

• Conferir al motor térmico de transferencia-expansión y regeneración que es el objeto de la solicitud de patente FR 1551593 una eficiencia energética final superior a la accesible al mismo motor con materiales costosos y complejos como la cerámica, con material que tiene un bajo coste real.

Se entiende que el sistema de enfriamiento regenerativo de acuerdo con la invención se aplica principalmente al motor térmico de transferencia-expansión y regeneración objeto de la solicitud de patente FR 15 51593 perteneciente al solicitante.

No obstante, dicho sistema también puede aplicarse sin restricción al expansor de cualquier otro motor regenerativo de ciclo Brayton, ya sea dicho expansor centrífugo, de desplazamiento positivo o de cualquier otro tipo, y siempre y cuando que coopere con un regenerador de cualquier tipo existente.

Las otras características de la presente invención se han descrito en la descripción y en las reivindicaciones secundarias, en dependencia directa o indirectamente de la reivindicación principal.

El sistema de enfriamiento regenerativo de acuerdo con la presente invención está diseñado para un motor térmico de regeneración, que comprende este último al menos un intercambiador de calor de regeneración que tiene un conducto de regeneración de alta presión en el que circula un gas de trabajo, para precalentarse allí, que se comprime previamente por un compresor, en donde dicho gas, mientras sale de dicho conducto es sobrecalentado por una fuente de calor antes de introducirse en un expansor de gas en el cual se expande para realizar trabajo en un eje de salida de potencia, al ser dicho gas luego expulsado a la salida del expansor de gas, luego se introduce en un conducto de regeneración de baja presión que tiene el intercambiador de calor de regeneración, dicho gas - al circular en dicho conducto - que entrega una gran porción de su calor residual al gas de trabajo que circula en el conducto de regeneración de alta presión, dicho sistema que comprende:

• Al menos una cámara de enfriamiento que rodea total o parcialmente el expansor de gas y/o la fuente de calor y/o un conducto de entrada de gas caliente que conecta dicha fuente a dicho expansor, mientras deja abierto un espacio de circulación del gas entre dicha cámara por un lado, y/o dicho expansor y/o dicha fuente y/o dicho conducto por otro lado;

• Al menos un puerto de entrada de la cámara que se conecta directa o indirectamente a la salida del expansor de gas y por el cual todo o parte del gas de trabajo que se expulsa desde dicho expansor a través de dicha salida puede penetrar en el espacio de circulación del gas;

• Al menos un puerto de salida de la cámara que se conecta directa o indirectamente al conducto de regeneración de baja presión y por el cual el gas de trabajo puede salir del espacio de circulación del gas antes de que se introduzca en dicho conducto de baja presión.

El sistema de enfriamiento regenerativo de acuerdo con la presente invención comprende un puerto de entrada de la cámara que se conecta a la salida del expansor de gas por un conducto de entrada de la cámara, cuya sección transversal efectiva se regula por una válvula de control de caudal.

El sistema de enfriamiento regenerativo de acuerdo con la presente invención comprende un puerto de salida de la cámara que se conecta al conducto de regeneración de baja presión por un conducto de salida de la cámara, cuya sección transversal efectiva se regula por una válvula de control de caudal.

El sistema de enfriamiento regenerativo de acuerdo con la presente invención comprende una salida del expansor de gas que se conecta al conducto de regeneración de baja presión por un conducto de derivación de la cámara. El sistema de enfriamiento regenerativo de acuerdo con la presente invención comprende una sección transversal efectiva del conducto de derivación de la cámara que se regula por una válvula de control de caudal.

El sistema de enfriamiento regenerativo de acuerdo con la presente invención comprende un exterior de la cámara de enfriamiento que está revestido con una pantalla térmica.

La descripción que sigue sobre el dibujo adjunto y que se da por medio de un ejemplo no limitativo permitirá una mejor comprensión de la invención, las características que tiene y las ventajas que puede adquirir:

La Figura 1 es una representación esquemática en vista lateral del sistema de enfriamiento regenerativo de acuerdo con la invención, ya que puede implementarse en el motor térmico de transferencia-expansión y regeneración que es el objeto de la solicitud de patente Núm. FR 1551593 perteneciente al solicitante, y de acuerdo con una variante de dicho sistema de acuerdo con el cual la salida del expansor de gas se conecta al conducto de regeneración de baja presión mediante un conducto de derivación de la cámara, mientras que se regula la sección transversal efectiva del conducto de derivación y del conducto de salida de la cámara mediante una válvula de control de caudal.

Descripción de la invención:

El sistema de enfriamiento regenerativo 100, varios detalles de sus componentes, sus variantes y sus accesorios han sido mostrados en la Figura 1.

Como muestra por dicha Figura 1, el sistema de enfriamiento regenerativo 100 se diseña para un motor térmico de regeneración 1, que comprende este último al menos un intercambiador de calor de regeneración 5 que tiene un conducto de regeneración de alta presión 6 en el que circula un gas de trabajo 81 para precalentarse allí, que previamente fue comprimido por un compresor 2.

Mientras sale del conducto de regeneración de alta presión 6, dicho gas 81 se recalienta por una fuente de calor 12 antes de introducirse en un expansor de gas 78 en el que se expande para producir trabajo en un eje de salida de potencia 17.

A continuación, el gas de trabajo 81 se expulsa a la salida del expansor de gas 78, luego se introduce en un conducto de regeneración de baja presión 7 que tiene el intercambiador de calor de regeneración 5, dicho gas 81 -al circular en dicho conducto 7 - que entrega una gran porción de su calor residual al gas de trabajo 81 que circula en el conducto de regeneración de alta presión 6.

Es en este contexto, que se ilustra claramente en la Figura 1, que el sistema de enfriamiento regenerativo 100 de acuerdo con la invención comprende al menos una cámara de enfriamiento 79 que rodea total o parcialmente el expansor de gas 78 y/o la fuente de calor 12 y/o un conducto de entrada de gas caliente 19 que conecta dicha fuente 12 a dicho expansor 78, mientras que se deja un espacio de circulación del gas 80 entre dicha cámara 79 por un lado, y/o dicho expansor 78 y/o dicho conducto 19 por otro lado, el gas de trabajo 81 puede circular en dicho espacio 80.

Se observará que la cámara de enfriamiento 79 puede estar hecha de chapa de acero inoxidable estampada o hidroformada, y posiblemente estar hecha de varias partes ensambladas entre sí mediante soldadura, atornillado o remachado, pudiendo entonces dicha cámara unirse directa o indirectamente a los componentes 78, 12, 19 que rodea.

La Figura 1 ilustra que el sistema de enfriamiento regenerativo 100 de acuerdo con la invención comprende además al menos un puerto de entrada de la cámara 82 que se conecta directa o indirectamente a la salida del expansor de gas 78 y por el cual todo o parte del gas de trabajo 81 se expulsa desde dicho expansor 78 a través de dicha salida puede penetrar en el espacio de circulación del gas 80.

Aún en la Figura 1, se observa que el sistema de enfriamiento regenerativo 100 de acuerdo con la invención comprende además al menos un puerto de salida de la cámara 83 que se conecta directa o indirectamente al conducto de regeneración de baja presión 7 y por el cual el gas de trabajo 81 puede salir del espacio de circulación del gas 80 antes de que se introduzca en dicho conducto de baja presión 7.

Se observa que, preferiblemente, la cámara de enfriamiento 79 rodea el expansor de gas 78 y/o la fuente de calor 12 y/o el conducto de entrada de gas caliente 19 de manera sellada, de manera que el gas de trabajo 81 pueda ingresar al espacio de circulación del gas 80 solo a través del puerto de entrada de la cámara 82, mientras que dicho gas 81 puede salir de dicho espacio 80 sólo a través del puerto de salida de la cámara 83.

De acuerdo con una variante de modalidad del sistema de enfriamiento regenerativo 100 de acuerdo con la invención que se muestra en la Figura 1, el puerto de entrada de la cámara 82 puede conectarse a la salida del expansor de gas 78 mediante un conducto de entrada de la cámara 84 cuya sección transversal efectiva se regula mediante una válvula de control de caudal 85, al poder esta última - en dependencia de su posición - impedir, dejar abierta o restringir la circulación del gas de trabajo 81 en dicho conducto 84.

Por medio de otra variante que todavía se muestra en la Figura 1, el puerto de salida de la cámara 83 puede conectarse al conducto de regeneración de baja presión 7 mediante un conducto de salida de la cámara 86, cuya sección transversal efectiva se regula por una válvula de control de caudal 85, al poder este última - en dependencia de su posición - impedir, dejar abierta o restringir la circulación del gas de trabajo 81 en dicho conducto de salida de la cámara 86.

La Figura 1 también ilustra que otra variante del sistema de enfriamiento regenerativo 100 de acuerdo con la invención consiste en que la salida 78 del expansor de gas puede conectarse al conducto de regeneración de baja presión 7 mediante un conducto de derivación de la cámara 87 que permite que el gas de trabajo 81 sea expulsado en la salida del expansor de gas 78 para ir directamente desde dicha salida 78 al conducto de regeneración de baja presión 7 sin pasar a través del espacio de circulación del gas 80.

De acuerdo con esta última variante, la sección transversal efectiva del conducto de derivación de la cámara 87 puede eventualmente regularse por una válvula de control de caudal 85, al poder esta última - en dependencia de su posición - impedir, dejar abierta o restringir la circulación del gas de trabajo 81 en dicho conducto de derivación 87. En la Figura 1, se observa que ventajosamente el exterior de la cámara de enfriamiento 79 puede recubrirse con una pantalla térmica 88 que puede consistir en cualquier material aislante de calor conocido por un experto en la técnica y que puede recubrir los diversos conductos y miembros calientes que constituyen el motor térmico de regeneración 1, otros distintos a la cámara de enfriamiento 79.

Se observa que en este caso, dicha pantalla térmica 88 se diseña para evitar cualquier pérdida excesiva de calor que sea desfavorable para la eficiencia del motor térmico de regeneración 1.

Funcionamiento de la invención:

El funcionamiento del sistema de enfriamiento regenerativo 100 de acuerdo con la invención se comprende fácilmente al ver la Figura 1.

Para detallar dicho funcionamiento, aquí retendremos la modalidad ilustrativa del sistema de enfriamiento regenerativo 100 de acuerdo con la invención cuando el motor de regeneración 1 al que se aplica consiste en el motor térmico de transferencia-expansión y regeneración que es el objeto de la solicitud de patente Núm. FR 15 51593 del 25 de febrero de 2015 perteneciente al solicitante.

Como puede verse en la Figura 1, el motor de regeneración 1 comprende aquí un compresor 2 de dos etapas que consiste particularmente en un compresor de baja presión 35 que aspira el gas de trabajo 81 en la atmósfera a través de un conducto de entrada del compresor 3, la salida de dicho compresor de baja presión 35 se conecta a la entrada de un compresor de alta presión 36 a través de un radiador intermedio del compresor 37.

La Figura 1 ilustra que a la salida del compresor de alta presión 36, el gas de trabajo 81 se expulsa al conducto de regeneración de alta presión 6 que incluye el intercambiador de calor de regeneración 5, que en este caso es un intercambiador de calor a contracorriente 41 conocido de por sí. Aquí se supone que el gas de trabajo 81 se expulsa del compresor de alta presión 36 a una presión de veinte bares y a una temperatura de doscientos grados Celsius. Al circular en el conducto de regeneración de alta presión 6, el gas de trabajo 81 se precalienta a una temperatura de seiscientos cincuenta grados Celsius por el gas de trabajo caliente 81 que circula en el conducto de regeneración de baja presión adyacente 7.

Para simplificar, consideremos que la eficiencia del intercambiador de calor de regeneración 5 es del cien por ciento. Esto implica que el gas de trabajo 81 que circula en el conducto de regeneración de baja presión 7 ingresa a este último a una temperatura de seiscientos cincuenta grados Celsius y sale de dicho conducto 7 a una temperatura de doscientos grados Celsius antes de liberarse a la atmósfera a través del conducto de salida del motor 33, mientras que el gas de trabajo 81 que circula por el conducto de regeneración de alta presión 6 entra en este último a una temperatura de doscientos grados Celsius para dejarlo a una temperatura de seiscientos cincuenta grados Celsius. A continuación, al salir del conducto de regeneración de alta presión 6, dicho gas de trabajo 81 se sobrecalienta a mil cuatrocientos grados Celsius por la fuente de calor 12 que, de acuerdo con esta modalidad ilustrativa, consiste en un quemador de combustible 38.

Al salir de dicho quemador 38, el gas de trabajo 81 se encamina por un conducto de entrada de gas caliente 19 hasta el expansor de gas 78 que no es otra cosa que el cilindro de expansión 13 del motor térmico de transferenciaexpansión y regeneración que es el objeto de la solicitud de patente Núm. FR 1551593.

Se observa que el conducto de entrada de gas caliente 19 se fabrica preferiblemente de cerámica con resistencia a altas temperaturas hasta su conexión con un cabezal de cilindro de expansión 14 que cubre cualquier extremo del cilindro de expansión 13. De esta manera, la temperatura de dicho conducto 19 permanece aproximadamente igual a mil cuatrocientos grados Celsius de manera que el gas de trabajo 81 que circula en dicho conducto 19 conserva su temperatura en todo su circuito.

De esta manera, como se ilustra en la Figura 1, cada extremo del cilindro de expansión 13 está cubierto por un cabezal de cilindro de expansión 14 de manera que dos cámaras de transferencia-expansión 16 se definen con un pistón de expansión de doble acción 15. También se observa que cada cabezal incluye una válvula dosificadora de admisión 24 y una válvula dosificadora de escape 31.

Debido al sistema de enfriamiento regenerativo 100 de acuerdo con la invención, al estar caliente el motor térmico de transferencia-expansión y regeneración, el cilindro de expansión 13 y los cabezales de los cilindros de expansión 14 se mantienen a una temperatura cercana a los setecientos grados Celsius. Esto permite producir dicho cilindro 13 y dichas cabezas 14 de un material más barato y común que la cerámica, como el acero inoxidable o la fundición de silicio ferrítico.

Por su parte, y de acuerdo con esta modalidad ilustrativa no limitativa del sistema de enfriamiento regenerativo 100 de acuerdo con la invención, el pistón de expansión de doble acción 15, se fabrica en nitruro de silicio. La temperatura promedio de funcionamiento de dicho pistón 15 es del orden de ochocientos grados Celsius.

Se observa en la Figura 1 que dicho pistón 15 se conecta por medios de transmisión mecánica 19 a un eje de salida de potencia 17, dichos medios 19 en particular consisten en una biela 42 articulada alrededor de una manivela 43. Por tanto, el gas de trabajo 81 que se lleva a una presión de veinte bares a una temperatura de mil cuatrocientos grados Celsius se introduce en una u otras cámaras de transferencia-expansión 16 mediante la correspondiente válvula dosificadora de admisión 24.

Mientras pasa a través de la abertura que se mantiene abierta por la válvula dosificadora de admisión 24, dicho gas 81 comienza a enfriarse ligeramente, particularmente en contacto con las paredes internas del cabezal de cilindro de expansión 14 que atraviesa, y con las paredes internas de la cámara de transferencia-expansión 16 en la que se introduce con el fin de expandirse allí por el pistón de expansión de doble acción 15. Dichas paredes, como hemos visto anteriormente, se mantienen a setecientos grados Celsius por el sistema de enfriamiento regenerativo 100. Supondremos en esta etapa que el gas de trabajo 81 pierde en promedio cien grados Celsius al rozar las paredes internas del cabezal de cilindro de expansión 14 y las de la cámara de transferencia-expansión 16. En consecuencia, la temperatura del gas de trabajo 81 ha descendido durante su transferencia desde el conducto de entrada de gas caliente 19 a la cámara de transferencia-expansión 16 para pasar de mil cuatrocientos grados Celsius a mil trescientos grados Celsius.

Cuando la cantidad deseada de gas de trabajo 81 ha sido realmente introducida en la cámara de transferenciaexpansión 16 por la correspondiente válvula dosificadora de admisión 24, esta última se cierra y el pistón de expansión de doble acción 15 expande dicho gas 81. Al hacerlo, dicho pistón 15 recoge el trabajo producido por la expansión de dicho gas 81 y comunica dicho trabajo al eje de salida de potencia 17, particularmente a través de la biela 42 y la manivela 43.

Una vez que el gas de trabajo 81 ha sido expandido por el pistón de expansión de doble acción 15, la presión de dicho gas 81 ha caído a aproximadamente un bar absoluto. Lo mismo ocurre con la temperatura de dicho gas 81, que ha pasado de mil trescientos grados Celsius a quinientos cincuenta grados Celsius.

Al alcanzar el pistón de expansión de doble acción 15 su Punto Muerto Inferior, la válvula dosificadora de escape 31 se abre y dicho pistón 15 expulsa dicho gas 81 al conducto de entrada de la cámara 84 que conduce dicho gas 81 hasta el puerto de entrada de la cámara 82.

El gas de trabajo 81 penetra entonces en el espacio de circulación del gas 80, luego se dirige a través de este espacio al puerto de salida de la cámara 83. Al hacerlo, dicho gas 81 roza las paredes exteriores calientes del cilindro de expansión 13 y de los cabezales de los cilindros de expansión 14. Dichas paredes externas han sido diseñadas para ser total o parcialmente rugosas y/o rociadas con patrones geométricos para producir convección forzada al obligar a los gases de trabajo 81 a extraer más o menos calor de dichas paredes cuando dicho gas 81 circula en contacto con dichas paredes.

Además, la geometría interna de la cámara de enfriamiento 79 y/o la geometría externa de los cilindros de expansión 13 y/o la geometría externa de los cabezales de los cilindros de expansión 14 pueden formar ventajosamente canales que fuercen a todo o parte del gas de trabajo 81 a seguir un itinerario o varios itinerarios simultáneos para ir desde el puerto de entrada de la cámara 82 al puerto de salida de la cámara 83 a través del espacio de circulación del gas 80.

Se entiende que la doble estrategia de convección forzada e itinerario forzado del gas de trabajo 81 permite, en primer lugar, elegir las zonas de exportación de calor de las paredes exteriores calientes del cilindro de expansión 13 y los cabezales de los cilindros de expansión 14 a dicho gas 81, y en segundo lugar, el orden cronológico del barrido de dichas zonas por dicho gas 81, y tercero y último, la intensidad de la convección forzada a lo largo del recorrido de dicho gas 81.

De cualquier manera, durante su circuito en la cámara de enfriamiento 79, la temperatura del gas de trabajo 81 extrae calor de las paredes externas calientes del cilindro de expansión 13 y de los cabezales de los cilindros de expansión 14 hasta que la temperatura de dicho gas 81 pasa progresivamente de quinientos cincuenta grados Celsius a seiscientos cincuenta grados Celsius. Para ello, y en relación con la estrategia de convección forzada e itinerario seleccionado para dicho gas 81, este último homogeniza la temperatura del cilindro de expansión 13 y de los cabezales de los cilindros de expansión 14, manteniéndose dicha temperatura cercana a los setecientos grados Celsius.

Al alcanzar el gas de trabajo 81 su nueva temperatura de seiscientos cincuenta grados Celsius, dicho gas 81 alcanza el puerto de salida de la cámara 83 y entra en el conducto de regeneración de baja presión 7 a través del conducto de salida de la cámara 86.

Como se ha entendido al leer lo anterior, mediante la circulación en el conducto de regeneración de baja presión 7 y antes de liberarse a la atmósfera a través del conducto de salida del motor 33, el gas de trabajo 81 que se expulsa por el puerto de salida de la cámara 83 entrega gran parte de su calor al gas de trabajo 81 que circula en el conducto de regeneración de alta presión adyacente 6.

Finalmente, y debido al sistema de enfriamiento regenerativo 100 de acuerdo con la invención, el calor que se extrae del cilindro de expansión 13 y de los cabezales de los cilindros de expansión 14 para mantenerlas a una temperatura del orden de setecientos grados Celsius no se disipa de ninguna manera como pura pérdida.

De hecho, dicho calor se reintrodujo en el ciclo termodinámico del motor térmico de regeneración 1 para sustituir una parte del calor que habría tenido que aportar el quemador de combustible 38 para llevar el gas de trabajo 81 a una temperatura de mil cuatrocientos grados Celsius antes de que este último se dirija hacia el cilindro de expansión 13, luego se introduzca en las cámaras de transferencia-expansión 16.

En la Figura 1 se observa el conducto de derivación de la cámara 87, que comprende una válvula de control de caudal 85. También se observa en la Figura 1 que el conducto de salida de la cámara 86 comprende además una válvula de control de caudal 85. Estas dos dichas válvulas 85 constituyen una variante de modalidad del sistema de enfriamiento regenerativo 100 de acuerdo con la invención y se diseñan para controlar la temperatura del cilindro de expansión 13 y de los cabezales de los cilindros de expansión 14.

De hecho, si dicha temperatura es demasiado alta, la válvula de control de caudal 85 del conducto de derivación de la cámara 87 bloquea dicho conducto de derivación 87 mientras que la válvula de control de caudal 85 del conducto de salida de la cámara 86 abre dicho conducto de salida 86. Esto tiene el efecto de forzar al gas de trabajo 81 que se expulsa de las cámaras de transferencia-expansión 16 por su respectiva válvula dosificadora de escape 31 a pasar a través del espacio de circulación del gas 80 para entrar en el conducto de regeneración de baja presión 7. Si, por el contrario, la temperatura del cilindro de expansión 13 y de los cabezales de los cilindros de expansión 14 es demasiado baja, la válvula de control de caudal 85 del conducto de derivación de la cámara 87 abre dicho conducto de derivación 87 mientras que la válvula de control de caudal 85 del conducto de salida de la cámara 86 cierra dicho conducto de salida 86. Esto tiene el efecto de evitar que el gas de trabajo 81 que se expulsa de las cámaras de transferencia-expansión 16 por su respectiva válvula dosificadora de escape 31 que pasan a través del espacio de circulación del gas 80 para entrar en el conducto de regeneración de baja presión 7. Por tanto, dicho gas 81 entra directamente en dicho conducto 7, a través del conducto de derivación de la cámara 87.

Se entiende que, en la práctica, las válvulas de control de caudal 85 rara vez están completamente abiertas o completamente cerradas, y que dichas válvulas 85 pueden mantenerse parcialmente abiertas para controlar la temperatura del cilindro de expansión 13 y los cabezales de los cilindros de expansión 14 sin una variación repentina del caudal de gas de trabajo 81 que circula en el espacio de circulación del gas 80.

También se entiende que el control de dicha temperatura requiere un dispositivo de control que se forma por ejemplo por al menos un sensor de temperatura y por un microcontrolador conocido de por sí, que permitan controlar servomotores de cualquier tipo existente, cada uno de los cuales acciona una válvula de control de caudal 85 en apertura o en cierre.

De acuerdo con una modalidad particular del sistema de enfriamiento regenerativo 100 de acuerdo con la invención, las válvulas de control de caudal 85 también pueden unirse entre sí mediante un enlace mecánico para compartir el mismo servomotor. En este caso, dicho enlace garantiza que cuando se cierra dicha primera válvula 85, se abre la segunda y viceversa.

Se deduce fácilmente de lo anterior que el sistema de enfriamiento regenerativo 100 de acuerdo con la invención aporta numerosas ventajas, particularmente en la implementación del motor térmico de transferencia-expansión y regeneración, que es el objeto de la solicitud de patente Núm. FR 1551593 perteneciente al solicitante.

Como primera ventaja, ya no es necesario fabricar el cilindro de expansión 13 y los cabezales de los cilindros de expansión 14 de un material cerámico como, por ejemplo, carburo de silicio. De hecho, este tipo de material es notoriamente caro de producir debido a su gran dureza que dificulta su mecanizado por medio de herramientas convencionales de corte o rectificado. Debido al sistema de enfriamiento regenerativo 100 de acuerdo con la invención, es posible reemplazar dicha cerámica por hierro fundido o acero inoxidable. Esto reduce fuertemente el coste real de fabricación del motor térmico de transferencia-expansión y regeneración, lo que es decisivo, particularmente de manera que dicho motor pueda ganar acceso al mercado de automóviles.

Como segunda ventaja, el cilindro de expansión 13 y los cabezales de los cilindros de expansión 14 son más fríos, es posible confiar en materiales con muy baja conductividad térmica y con alta resistencia mecánica a la compresión como el cuarzo para producir las columnas huecas del cilindro de expansión de doble efecto con soporte adaptativo que es el objeto de solicitud de patente Núm. FR 15 58585 del 14 de septiembre de 2015 perteneciente al solicitante. De hecho, el cuarzo no es compatible con una temperatura de mil trescientos grados Celsius, es perfectamente compatible con una temperatura de setecientos grados Celsius. Recordemos aquí que el cilindro de expansión de doble efecto con un soporte adaptativo en cuestión constituye una de las mejoras clave del motor térmico de transferencia-expansión y regeneración.

Como tercera ventaja, los cabezales de los cilindros de expansión 14 que se mantienen a setecientos grados Celsius, pueden recibir válvulas de nitruro de silicio preexistentes, compatibles con estos niveles de temperatura. Tales válvulas, por ejemplo, han sido desarrolladas por la compañía “NGK” y han sido objeto de investigación sobre su industrialización de bajo costo, particularmente dentro del alcance del proyecto Núm. G3RD-CT-2000-00248 titulado “LIVALVES”, financiado dentro del alcance del quinto programa de alcance europeo FP5-GROWTH.

Como cuarta ventaja, con una temperatura de la pared interna del cilindro de expansión 13 que se mantiene cerca de los setecientos grados Celsius, el segmento de colchón de aire previsto en la solicitud de patente Núm. FR 15 51593 perteneciente al solicitante puede estar hecho de una superaleación duraderamente resistente a estos niveles de temperatura, sin riesgo de que dicho segmento sea sometido a una temperatura sustancialmente superior a dichos setecientos grados Celsius, particularmente cuando el motor térmico de transferencia-expansión y regeneración está parado y antes de que este último se haya enfriado.

Como quinta ventaja, que se aplica al motor térmico de transferencia-expansión y regeneración que es el objeto de la solicitud de patente Núm. FR 1551593, el sistema de enfriamiento regenerativo 100 de acuerdo con la invención permite limitar la temperatura a la que se someten las pantallas térmicas 88 que rodean el cilindro de expansión 13 y los cabezales de los cilindros de expansión 14. De hecho, la cámara de enfriamiento 79 se intercala entre dichas pantallas 88, por un lado, y dichos cilindros 13 y dichos cabezales, por otro lado. El coste real y la durabilidad de dichas pantallas 88 se mejoran de esta manera en grandes proporciones.

Estas ventajas se obtienen sin comprometer la eficiencia energética final del motor térmico de transferenciaexpansión y regeneración.

Por el contrario, el sistema de enfriamiento regenerativo 100 de acuerdo con la invención permite desvincular la relación existente de acuerdo con la solicitud de patente Núm. FR 1551593 entre la resistencia a la temperatura de los materiales que constituyen el cilindro de expansión 13 y los cabezales de los cilindros de expansión 14, por un lado, y la temperatura del gas de trabajo 81 que sale del quemador de combustible 38 por otro lado.

A modo de decirlo, debido al sistema de enfriamiento regenerativo 100 de acuerdo con la invención, puede contemplarse el aumento de la temperatura del gas de trabajo 81 que sale del quemador de combustible 30 con el fin de aumentar la eficiencia final del motor térmico de transferencia-expansión y regeneración, esto sin comprometer la resistencia a la temperatura de los elementos principales que constituyen el motor.

Se observa que, además del motor térmico de transferencia-expansión y regeneración que es el objeto de la solicitud de patente Núm. FR 1551593, el sistema de enfriamiento regenerativo 100 de acuerdo con la invención puede aplicarse ventajosamente a cualquier otro motor térmico de regeneración 1, cuya configuración y características de temperatura son compatibles con dicho sistema 100.

Claims (6)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de enfriamiento regenerativo (100) que se diseña para un motor térmico de regeneración (1), este último que comprende al menos un intercambiador de calor de regeneración (5) que tiene un conducto de regeneración de alta presión (6) en el que circula un gas de trabajo (81) para precalentarse allí, que se comprime previamente por un compresor (2), en donde dicho gas (81), mientras sale de dicho conducto (6), es sobrecalentado por una fuente de calor (12) antes de introducirse en un expansor de gas (78) en el que se expande para realizar trabajo en un eje de salida de potencia (17), dicho gas (81) que se expulsa luego por la salida del expansor de gas (78) y luego se introduce en un conducto de regeneración de baja presión (7) del intercambiador de calor de regeneración (5), dicho gas (81) - al circular en dicho conducto (7) - que entrega una gran porción de su calor residual al gas de trabajo (81) que circula en el conducto de regeneración de alta presión (6), dicho sistema (100) que se caracteriza porque comprende:

• al menos una cámara de enfriamiento (79) que rodea total o parcialmente el expansor de gas (78) y/o la fuente de calor (12) y/o un conducto de entrada de gas caliente (19) que conecta dicha fuente (12) a dicho expansor (78), mientras deja abierto un espacio de circulación del gas (80) entre dicha cámara (79) por un lado, y/o dicho expansor (78) y/o dicha fuente (12) y/o dicho conducto (19) por otro lado;

• al menos un puerto de entrada de la cámara (82) que se conecta directa o indirectamente a la salida del expansor de gas (78) y por el cual parte o todo el gas de trabajo (81) expulsado desde dicho expansor (78) a través de dicha salida puede entrar en el espacio de circulación del gas (80);

• al menos un puerto de salida de la cámara (83) que se conecta directa o indirectamente al conducto de regeneración de baja presión (7) y por el cual el gas de trabajo (81) puede salir del espacio de circulación del gas (80) antes de que se introduzca en dicho conducto de baja presión (7).

2. El sistema de enfriamiento regenerativo como se reivindicó en la reivindicación 1, caracterizado porque el puerto de entrada de la cámara (82) se conecta a la salida del expansor de gas (78) por un conducto de entrada de la cámara (84) cuya sección transversal efectiva se regula por una válvula de control de caudal (85).

3. El sistema de enfriamiento regenerativo como se reivindicó en la reivindicación 1, caracterizado porque el puerto de salida de la cámara (83) se conecta al conducto de regeneración de baja presión (7) por un conducto de salida de la cámara (86) cuya sección transversal efectiva se regula por una válvula de control de caudal (85).

4. El sistema de enfriamiento regenerativo como se reivindicó en la reivindicación 1, caracterizado porque la salida del expansor de gas (78) se conecta al conducto de regeneración de baja presión (7) mediante un conducto de derivación de la cámara (87).

5. El sistema de enfriamiento regenerativo como se reivindicó en la reivindicación 4, caracterizado porque la sección transversal efectiva del conducto de derivación de la cámara (87) se regula por una válvula de control de caudal (85).

6. El sistema de enfriamiento regenerativo como se reivindicó en la reivindicación 1, caracterizado porque el exterior de la cámara de enfriamiento (79) está recubierto con una pantalla térmica (88).