ES2891796T3

ES2891796T3 - Motor Stirling de membrana

Info

Publication number: ES2891796T3
Application number: ES16736768T
Authority: ES
Inventors: Jürgen Kleinwächter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2016-03-14
Publication date: 2022-01-31
Anticipated expiration: 2036-03-14
Also published as: MA41914A; PT3280900T; EP3919730A1; WO2016146096A9; US20180119638A1; EP3919729A1; WO2016146096A3; EP3280900A2; CN107532541A; US11047335B2; CN107532541B; WO2016146096A2; EP3280900B1; DE112016001190A5; MX2017011696A

Abstract

Motor Stirling de membrana, con un gas de trabajo, con una parte caliente y con una parte fría, en el que el gas de trabajo del motor Stirling se sitúa tanto en su parte caliente como también en su parte fría en envolventes de membrana que tienen respectivamente dos extremos, en el que están cerradas herméticamente en un extremo cerrado y abiertas en el otro extremo, en el que desembocan con sus extremos abiertos terminando de forma estanca en el espacio frío o caliente de una caja de regeneración, caracterizado por que una función de desplazamiento de un líquido que transfiere calor y fuerza se genera mediante ondas sonoras que se generan mediante osciladores piezoeléctricos o membranas de altavoces que están embebidas en el líquido.

Description

DESCRIPCIÓN

Motor Stirling de membrana

La invención se refiere a un motor Stirling de membrana.

Los motores Stirling clásicos se componen de una disposición de cilindros rígidos, resistentes a la presión y llenos de gas, intercambiadores de calor para calentar y enfriar el gas de trabajo cerrado herméticamente, pistones de desplazamiento para desplazar periódicamente el gas de trabajo del lado frío al caliente y viceversa, un generador de calor intercalado así como pistones de trabajo para transferir el trabajo generado por las fluctuaciones de presión térmicas del gas hacia fuera.

En el diagrama PV (fig. 1), el motor Stirling está caracterizado por 4 etapas de proceso:

1- 2 expansión isotérmica del gas en el lado caliente con entrega de trabajo;

2- 3 desplazamiento isocórico del gas de trabajo caliente a través del regenerador al espacio frío.

3- 4 compresión isotérmica del gas de trabajo frío con coste de trabajo;

4- 1 Desplazamiento isocórico del gas de trabajo a través del regenerador al espacio caliente.

En el caso de un buen intercambio de calor de los calentadores o intercambiadores de calor de refrigeración en el gas de trabajo (buen aquí significa un AT lo más bajo posible entre la temperatura del intercambiador de calor y la temperatura del gas), buen regenerador (este debe presentar una gran superficie, generar poca pérdida de presión para el gas que fluye a través, almacenar periódicamente el contenido de calor del gas y liberarlo nuevamente, poseer un coeficiente de temperatura lineal en la dirección longitudinal), volúmenes muertos mínimos y el trabajo de desplazamiento más pequeño posible para mover el gas de trabajo de un lado a otro, el rendimiento del motor Stirling se acerca el de una máquina de Carnot ideal con

í1 = l- Iu

T o

Tu, Tn = temperatura inferior en Kelvin

To, Th = temperatura superior en Kelvin

Sin embargo, en la práctica de los motores Stirling existentes se logra un máximo del 50 % del rendimiento teórico de Carnot debido a las siguientes restricciones:

1. Gran AT entre los intercambiadores de calor y el gas de trabajo.

2. Sin expansión ni compresión isotérmica

3. Volúmenes muertos inevitables, por ejemplo debido a intercambiadores de calor de aletas y restricciones geométricas entre pistones de desplazamiento, paredes de cilindros, canales de flujo, etc. rígidos.

Se conoce un motor Stirling de membrana por los documentos JP 2008 151086 o WO 01/63186 A1.

La presente invención tiene el objetivo de poner a disposición una alternativa o mejora a los antecedentes de la técnica.

Este objetivo se consigue por un motor Stirling de membrana con los rasgos característicos de la reivindicación independiente 1.

Rasgos característicos opcionales se pueden deducir de las reivindicaciones dependientes y de la descripción, así como de las figuras.

En particular, los inventores han identificado un problema de los antecedentes de la técnica, de que el proceso termodinámico ideal parte de que la expansión discurre de forma isotérmica. Se debe agregar calor al medio que se expende durante la expansión. En la invención se proporciona una vejiga. La presión es la misma dentro y fuera, por lo tanto el trabajo de deformación requerido tiende a cero.

El motor Stirling de acuerdo con la invención tiene un diseño especial y específico: el gas de trabajo del motor Stirling se sitúa tanto en su parte caliente como también en su parte fría en envolventes de membrana con una rigidez a flexión insignificante, que están cerradas herméticamente en un extremo y terminando de forma estanca con su extremo abierto, en el espacio caliente o frío de una caja de regenerador.

El gas a calentar se sitúa en este caso, por ejemplo, en bolsas que se forman por envolventes de membrana de pared delgada de rigidez a la flexión despreciable. Estas bolsas de membrana encierran herméticamente el gas de trabajo y desembocan respectivamente en la caja de regenerador en su lado frontal. Las bolsas de membrana dispuestas a derecha e izquierda de la caja de regenerador forman junto con este una unidad estanca al gas. Se introduce tanto gas como corresponda al volumen de gas de la caja de regenerador y a la mitad del volumen máximo de ambas bolsas.

Las bolsas de membrana se sitúan en una inmersión de líquido frío o caliente. La caja de regenerador separa el espacio de líquido caliente del espacio de líquido frío.

Toda la unidad de bolsas de membrana llenas de gas, caja de regeneración y líquido caliente o frío caloportador se sitúa por su lado en una carcasa cerrada, estanca a líquidos y resistente a la presión.

El espacio de líquido caliente, así como también el espacio frío están provistos de pistones hidráulicos (o medios técnicos similares como fuelles, cojines hidráulicos y similares), que pueden desplazar exactamente el volumen de líquido que corresponde a la mitad del volumen de gas máximo en las bolsas de membrana.

Los pistones hidráulicos dispuestos tanto en el lado frío como también caliente de la carcasa resistente a presión están conectados entre sí a través de una excéntrica, de modo que se muevan con un correspondiente desplazamiento de fase (típicamente: 90°) entre sí. El eje rotativo de la excéntrica (o un dispositivo técnico equivalente, como un disco oscilante o un disco de leva) está provisto de un volante de inercia. La configuración descrita corresponde a un motor Stirling de modo constructivo alfa.

En la fig. 2 está representada la estructura del motor Stirling de acuerdo con la invención en modo constructivo alfa.

1) Bolsa de membrana, llena

1a) Bolsa de membrana, colapsada a volumen cero

2) Desplazador hidráulico pistón de trabajo en el punto muerto superior

2a) Desplazador hidráulico pistón de trabajo en el punto muerto inferior

3) Fluido caliente

3a) Fluido frío

4) Engranaje excéntrico

5) Volante de inercia

6) Caja de regenerador

De acuerdo con la invención, el motor Stirling de membrana evita las debilidades mencionadas de los motores Stirling clásicos (gran AT entre intercambiadores de calor y gas de trabajo; expansión politrópica y compresión del gas de trabajo en lugar de energía isotérmica; volúmenes muertos) debido a los siguientes efectos:

1. ) muy buena transferencia de calor del fluido caliente o frío a través de la fina membrana al gas de trabajo. 2. ) La bolsa de membrana pulsante provoca una inversión periódica de la dirección de la circulación del gas en las bolsas de membrana. Esto conduce a una buena mezcla del cuerpo de gas y una buena entrada de calor a través de las paredes de la membrana.

3. ) Las bolsas pulsantes colapsan periódicamente bajo el efecto de la fuerza hidrostática del líquido circundante que actúa uniformemente sobre ellas hacia cero. A este respecto, regularmente se recorre una geometría de las bolsas (pequeño espesor) que corresponde a las condiciones de los microintercambiadores de calor con los valores típicos de intercambio de calor muy incrementados de la pared al gas.

El efecto combinado de estos tres efectos conduce a una transferencia de calor global significativamente mejor en comparación con los intercambiadores de calor rígidos clásicos. Esto conduce de nuevo a potencias de transferencia de calor específicas a la superficie más altas y, por lo tanto, a diferencias de temperatura más pequeñas entre el líquido de calentamiento o enfriamiento y el gas de trabajo.

En el modo de realización de la fig. 2, los tubos flexibles cilíndricos están realizados como bolsas de membrana.

El hecho de que el flujo de calor intercambiado con el líquido caliente o frío a través de la membrana delgada y pulsante de la bolsa de gas sea muy efectivo, conduce a la isotermalización deseada durante la expansión o compresión del gas de trabajo en relación con la capacidad calorífica del líquido en un orden de magnitud mayor en comparación al gas de trabajo (fig. 1).

En la fig. 3 se visualiza el principio del intercambiador-desplazador de calor "pulsante" sobre la base de una sola bolsa de membrana.

La tercera desventaja grave de los motores Stirling clásicos, la inevitabilidad de los volúmenes muertos que disminuyen la eficiencia y el rendimiento, se evita básicamente debido a la topología de bolsas de membrana pulsantes, llenas de gas, con paredes delgadas de rigidez a la flexión insignificante, que se deforman uniformemente por la presión hidráulica del líquido circundante.

La bolsa de membrana está sujeta en sus lados frontales con soportes de resorte.

La máquina desplaza el contenido de la bolsa de membrana de forma inteligente, además, la bolsa de membrana es un muy buen intercambiador de calor. dado que la bolsa de membrana se convierte en un microintercambiador de calor siempre que se coloca plana.

Para ello, como se desprende esquemáticamente de la fig. 4, las membranas delgadas se fijan típicamente sobre marcos como superficies planas. Los marcos presentan estructuras alrededor de su borde interior, a las que la membrana se acerca suavemente y sin dejar ningún volumen total cuando se comprime. Están conformados perfiles de adaptación similares en las áreas donde las bolsas de membrana están conectadas a las cajas de regenerador de manera estanca a los gases a través de perfiles finales rígidos.

1) Estructura de acercamiento

2) Marco de sujeción

3) Membrana completamente colapsada

4) Membrana en estado inflado

5) Membrana sujeta sobre un marco como una superficie plana

La conformación de una bolsa de membrana representada esquemáticamente en la de fig. 4 mediante sujeción de dos membranas planas en un marco es particularmente ventajosa porque de esta manera se pueden conectar "pilas" completas de bolsas de membrana a las cajas de regenerador en forma densamente empaquetada y, por lo tanto, se puede aumentar la potencia de la máquina. Fig. 5.

Para evitar un posible contacto entre bolsas de membrana individuales durante su expansión y, por tanto, interrupciones en el flujo de área completa alrededor de las bolsas de membrana con el líquido, se colocan rejillas adecuadas de acuerdo con la invención entre respectivamente dos bolsas de membrana. Estas se instalan en la construcción del marco mecánico que sirve para recibir las "pilas de bolsas de membrana". Fig. 6.

La variante preferida descrita hasta ahora del motor Stirling de membrana de acuerdo con la invención usando pilas en forma de placa de bolsas de membrana llenas de gas y soportadas por un marco, se puede implementar de manera particularmente favorable usando membranas de elastómero delgadas. Aquí son especialmente adecuadas las siliconas especiales estabilizadas por temperatura, en particular las siliconas fluoradas, que pueden utilizarse para temperaturas permanentes de hasta 250 °C.

Como se describió, el nuevo modo constructivo de membrana de un motor Stirling debe lograr grados de realización de Carnot significativamente más altos que los motores hasta ahora, que alcanzan un máximo del 50 % del rendimiento de Carnot.

Las máquinas que operan isotérmicamente con bajo almacenamiento de temperatura entre el gas de trabajo y el fluido calentador o refrigerador, con un volumen muerto mínimo y la línea de transmisión de desplazamiento más pequeña posible (mediante la deformación hidrostática de membranas delgadas), deben permitir grados de realización del 80 % y más. Esto permite lograr buenos rendimientos mecánicos incluso a temperaturas de calentador relativamente bajas.

Esto está ilustrado en un ejemplo: Si elige agua a 200 °C y 15 bares de presión como fluido de calentamiento, y agua a 40 °C y 15 bares de presión como fluido de enfriamiento (las bolsas de membrana están llenas con aire comprimido a 15 bar), se produce un rendimiento termomecánico obtenible en la máquina con un grado de realización de Carnot de 80 % de:

1] = 0,8 x 1 . 312 = 0,8 x 0,34 = 0.27

473

Por tanto, en combinación con un buen generador eléctrico se puede lograr una eficiencia de conversión de electricidad de aprox. 0,25, un valor que solo pueden alcanzar las máquinas clásicas a temperaturas significativamente más altas.

Por consiguiente, no solo el calor a temperatura media, que puede obtenerse sin problemas con energía solar, puede convertirse fácil y eficientemente en energía mecánica y corriente eléctrica con sustancias simples (agua, aire, acero, silicona), sino también utilizar una pluralidad de fuentes de calor como el calor residual industrial o el calor geotérmico.

Otra ventaja del nivel de temperatura relativamente bajo abre la posibilidad de utilizar sencillos acumuladores de calor de agua a presión para el almacenamiento económico de calor solar y, por lo tanto, para el funcionamiento solar las 24 horas de tales máquinas (fuerza y autonomía eléctrica).

Las mismas relaciones hacen posible utilizar el motor Stirling de membrana de acuerdo con la invención también para convertir potenciales de calor de temperatura sustancialmente más baja, como por ejemplo calor geotérmico o calor de colectores planos solares normales de menos de 100 °C con rendimientos de aprox. 10 %.

Dado que los motores Stirling se pueden utilizar de forma reversible como máquinas de frío y bombas de calor, pero debido a la restricción de los intercambiadores de calor costosos y de potencia relativamente baja de modo constructivo clásico, este principio solo se pudo utilizar hasta ahora técnicamente para diferencias de temperatura muy grandes (refrigeración criogénica), los motores Stirling de membrana reversibles (accionados mecánicamente) del tipo de acuerdo con la invención abren nuevas y muy buenas oportunidades.

Termodinámicamente estas máquinas son fundamentalmente superiores a las máquinas de refrigeración por compresión utilizadas hoy en día en términos de cifras de refrigeración y potencia. Otra ventaja frente a los antecedentes de la técnica se basa en el hecho de que tales máquinas de refrigeración / bombas de calor funcionan sin refrigerantes dañinos para el clima y se las arreglan solo con aire, agua, anticongelante y materiales estructurales convencionales (acero o plásticos reforzados con fibras).

El mismo argumento positivo se aplica también y en particular a las instalaciones solares con acumuladores de calor combinados para la implementación de "soluciones en isla" autónomas.

A diferencia de la fotovoltaica, que tiene que recurrir a materiales estratégicos y raros, además que contaminan el medio ambiente, en particular cuando se almacena energía eléctrica (plomo, cadmio, litio, etc.), la ventaja de los motores Stirling de membrana radica en el hecho de que solo necesitan materiales abundantes, económicos y respetuosos con el medio ambiente, y en el caso de almacenamiento utilizar acumuladores de agua sin presión (T <100 °C) o a presión (T> 100 °C).

A diferencia de la fotovoltaica, que básicamente solo pone a disposición energía eléctrica, el uso de máquinas térmicas tiene la ventaja adicional de poner a disposición automáticamente fuerza, electricidad, frío o calor y calor residual (acoplamiento de calor y energía) y, por lo tanto, poner a disposición mucho mejor toda la gama de formas de energía necesarias descentralizadas.

En combinación con los acumuladores de calor antes mencionados (que también se pueden implementar como acumuladores latentes o termoquímicos o utilizando biomasa / gas), la autonomía local es posible por tanto sin recurrir necesariamente a las costosas redes de distribución de electricidad del suministro de energía central.

Mientras que hasta ahora se han descrito las aplicaciones a temperatura baja y media a favorecer en principio del motor Stirling de membrana utilizando agua, aire, silicona u otras membranas adecuadas, como p. ej. elastómeros de poliuretano, que por razones de tecnología de materiales encuentran su límite superior de temperatura a aprox.

200 °C y, por lo tanto, están limitadas a un rendimiento máximo de generación de corriente de aprox. el 25 %, con materiales especiales para la membrana y los fluidos de funcionamiento con el motor Stirling de membrana, son básicamente posibles temperaturas y rendimientos más altos.

Si, por ejemplo, se utiliza aceite térmico de silicona de alta calidad en un rango de temperatura de aprox. 400 °C como fluido de funcionamiento y se utilizan materiales compuestos resistentes a la temperatura (fibras de carbono con membranas de carbono o elastómeros especiales) para la membrana, permiten implementar rendimientos a una temperatura de refrigeración de 40 °C.

T| ^terai.mec.= 0j8 ^X1 _ 3|3 ⁼43%

613

Sin embargo, las máquinas solares térmicas solo tendrán entonces el potencial de competir con los semiconductores solares inherentemente libres de desgaste (fotovoltaica, termoeléctrica) si se pueden fabricar de forma económica y son extremadamente duraderas y de bajo mantenimiento. El objetivo de precio se puede lograr mediante la elección del material. El principio de la deformación suave hidrostática de membranas elásticas delgadas con frecuencias de trabajo relativamente bajas (unos pocos hercios) básicamente ofrece el potencial de una longevidad extrema, en contraste con las tecnologías establecidas con los desplazadores mecánicos clásicos y las juntas de estanqueidad necesarias.

Sin embargo, el principio del motor Stirling de membrana no se limita a la topología preferida, descrita de las bolsas de lámina de membrana. Como se desprende de la fig. 7, por ejemplo, también se pueden usar tubos flexibles de pared delgada en distintas configuraciones. De acuerdo con la invención, estos pueden estar envueltos con fibras, de modo que sean resistentes a la presión en el estado desplegado con una sección transversal circular, y sin embargo (debido a su rigidez a la flexión despreciable) pueden deformarse hidrostáticamente casi sin fuerza. Como se desprende de la fig. 8, tales tubos flexibles se pueden integrar en un motor Stirling sin necesidad de sujetarse en estructuras de marco, como se describió anteriormente, y sin necesidad de rejillas intermedias que limiten la forma.

1) Tubos flexibles envueltos por fibras, desplegados

2) Tubos flexibles envueltos por fibras, colapsados de forma plana

3) Lengüetas

4) Fluido caliente

5) Fluido frío

6) Espacio intermedio de regenerador

Otra conformación particularmente sencilla del motor Stirling de membrana se puede implementar mediante el uso tubos flexibles de lámina que se extienden desde el espacio caliente al frío. Los tubos flexibles de película (lo más anchos posible) se cierran linealmente en sus extremos abiertos mediante tiras de sujeción mecánicas. Se fijan a estos por medio de resortes en la pared del espacio de fluido frío o caliente. En la zona media de los tubos, estos se llenan de material regenerador. El espacio de fluido caliente se separa del espacio de fluido frío mediante un espacio intermedio formado por dos placas termoaislantes. Los tubos flexibles de lámina se guían a través de las hendiduras correspondientes en estas placas (fig. 9).

1) Tubo flexible, desplegado

2) Tubo flexible, colapsado

3) Material regenerador en el tubo flexible

4) Fluido caliente

5) Fluido frío

6) Paredes aislantes a través de las que se guían los tubos flexibles

El espacio intermedio entre las placas está lleno de agua que está dotada con un formador de gel, de modo que no se produce una convección de calor en esta zona intermedia.

Un modo de realización de este tipo del motor Stirling de membrana es particularmente adecuado para máquinas grandes, sin presión y construidas en la tierra.

Una máquina semejante está representada esquemáticamente en la fig. 10. A este respecto, se incorpora un foso cuadrado en la tierra. Las paredes de este foso se aíslan térmicamente, típicamente con un material aislante de poros cerrados y resistente a la putrefacción, como el vidrio de espuma.

Mediante el canal intermedio instalado en el medio del foso, que se compone de dos paredes verticales de vidrio de espuma, se divide el foso en dos grandes cámaras idénticas, una de las cuales se llena con agua caliente y la otra con agua fría. El canal intermedio está lleno igualmente con agua, que se dota con un formador de gel, de modo que el agua se convierte en un gel. De esta manera, el agua gelatinosa estabiliza mecánicamente el canal intermedio frente a las fluctuaciones de presión generadas por el ciclo Stirling en las dos cámaras de trabajo, pero ya no transporta calor por convección. Esto es importante para que no se destruya el coeficiente de temperatura lineal que se constituye en los regeneradores durante el funcionamiento.

En los lados superiores de las cámaras de trabajo calientes y frías están dispuestos dos pistones de trabajo circulares, aislados térmicamente y mecánicamente estables. Estos cuelgan de un neumático grande, uno de cuyos labios está conectado estancamente al pistón en su periferia, mientras que el otro labio está conectado estancamente a un perfil igualmente circular de la cámara fría o caliente. De esta manera, el neumático cumple la función de un robusto "anillo de pistón", que obtura herméticamente el pistón oscilante entre el espacio interior (agua) y el espacio exterior (aire).

La oscilación vertical periódica de los pistones de trabajo sirve para dos funciones:

1. El desacoplamiento de la energía mecánica generada por el ciclo Stirling a través de un mecanismo de manivela y un volante de inercia.

2. El desplazamiento periódico del gas de trabajo en las bolsas de membrana mediante acoplamiento hidrostático. El lado caliente y frío se bombean entre sí a través de válvulas de retención debido a que la presión interna fluctúa de presión positiva a negativa, tanto el agua del acumulador caliente como el del acumulador frío.

En la fig. 11 se representa cómo se utiliza un pistón auxiliar hidráulico para regular continuamente el ángulo de fase entre el pistón de trabajo caliente y frío. Esto sirve para tres propósitos:

1. Para no tener que hacer ningún trabajo de compresión al arrancar el motor, el ángulo de fase se establece en 180° para este ciclo de arranque.

2. Las máquinas pulsadoras del tipo descrito (atmosféricas, temperatura <100 °C) son especialmente adecuadas como máquinas de carga base de funcionamiento continuo que obtienen su energía de accionamiento térmica de grandes acumuladores de agua caliente ("fuente") y grandes acumuladores de agua fría ("sumidero"). Como ya se describió, son capaces de suministrar corriente eléctrica, energía mecánica para múltiples finalidades, así como frío y calor (máquina pulsadora que trabaja de forma reversible) durante todo el día. Para adaptar el perfil de carga al perfil de demanda que fluctúa con el tiempo, el ángulo de fase se adapta correspondientemente.

3. Las temperaturas en los acumuladores de calor están sujetas a fluctuaciones temporales. Un ángulo de fase óptimo pertenece a cada temperatura. Esto se puede ajustar automáticamente a través del pistón auxiliar hidráulico.

1) Volante de inercia

2) Cilindro de regulación

3) Biela

4) Contrapeso

amáx = 180° potencia cero

amín = 120° potencia máxima para 90 °C

Las configuraciones descritas anteriormente del motor pulsador Stirling de acuerdo con la invención utilizan pistones para desplazar el gas de trabajo, que provocan el llenado y vaciado continuo del gas de trabajo en las bolsas de membrana a través del acoplamiento hidrostático mediante el desplazamiento periódico del fluido térmico en los espacios de trabajo.

De acuerdo con la invención, el desplazamiento del fluido se realiza mediante altavoces de membrana o cristales piezoeléctricos incorporados en el espacio frío y caliente.

De acuerdo con la invención, el desplazamiento de fase entre el espacio caliente y frío se materializa en este caso mediante un control electrónico correspondiente de los dos actuadores. La generación de energía eléctrica se logra mediante un tercer altavoz (o cristal piezoeléctrico), que se sitúa en el espacio del líquido frío y convierte las fluctuaciones de presión generadas termodinámicamente en corriente eléctrica por inducción. Una disposición semejante con altavoces está representada esquemáticamente en la fig. 12.

1) "Altavoces" en el espacio frío y caliente. Trabajos electrónicamente excitados en cualquier desplazamiento de fase; típicamente 90° para el proceso Stirling.

2) "Altavoz" que trabaja inversamente como un generador de corriente

3) Membrana pulsadora desplegada

4) Membrana pulsadora colapsada

Las máquinas pulsadoras de membrana de este tipo no necesitan ningún desacoplamiento mecánico y son muy pequeñas debido a las altas frecuencias de trabajo.

Como se describió hasta ahora, el "corazón" del motor Stirling de membrana se basa en bolsas flexibles, de pared delgada: los pulsadores, que contienen el gas de trabajo, lo desplazan periódicamente así como lo calientan y enfrían isotérmicamente. Por sus rasgos característicos inherentes, en particular aquellos de la compresión o expansión isotérmica de gases, estos pulsadores también posibilitan implementar grupos técnicos distintos de las de los motores Stirling de acuerdo con la invención.

Una aplicación típica de este tipo es el "acumulador hidráulico isotérmico". Un acumulador hidráulico clásico está representado esquemáticamente en la fig. 13. Típicamente sirve para almacenar temporalmente el exceso de energía que se produce en un sistema en determinados momentos y para volver a suministrarla en el momento en que el sistema necesita energía adicional.

Carga: El aceite se bombea al acumulador a presión y comprime el gas (n2) en la vejiga de goma. El proceso se realiza de forma adiabática.

Descarga: El gas comprimido (n²) se expande y empuja el aceite fuera del acumulador. Este aceite a presión puede accionar entonces actuadores como cilindros y motores hidráulicos.

Un ejemplo de aplicación de un acumulador hidráulico semejante es un vehículo cuyo árbol de accionamiento está acoplado a una bomba hidráulica, de tal manera que cuando se frena el vehículo, se bombea aceite y de este modo comprime el gas en el acumulador. La energía acumulada temporalmente de esta manera en el "resorte de gas" puede recuperarse entonces, cuando el vehículo debe acelerarse sucesivamente, a través de la bomba, que ahora trabaja como motor hidráulico, y alimentarse al árbol de accionamiento.

Sin embargo, este proceso de recuperación de energía, elegante en sí mismo y que trabaja con alta densidad de potencia tiene un punto débil inherente al sistema: la compresión del gas se realiza adiabáticamente. El calentamiento resultante del gas reduce, por un lado, la energía neumática acumulada temporalmente en el resorte de gas y, por otro lado, carga el material plástico del acumulador de presión y por tanto reduce la máxima presión posible.

De acuerdo con la invención, el proceso descrito de la compresión de gas ahora puede isotermalizarse, en tanto que se crea una gran superficie para el intercambio de calor entre el aceite a presión y el gas a comprimir. Como se representa en la fig. 14, un actuador (5) (bombas, pistones) presiona el fluido (2) (preferentemente aceite hidráulico) en un recipiente a presión, en el que se sitúa un número suficientemente grande de bolsas de membrana de pulsador (1) herméticamente sellado y llenas con gas (N2, aire, otros gases). "Número suficientemente grande" aquí se refiere a la superficie de la bolsa de pulsador. Esto se mide de tal manera que el calor de compresión en el gas que origina durante la compresión hidrostática se libera bien al fluido que lo rodea, con su capacidad calorífica que es órdenes de magnitud mayor, y por lo tanto se realiza la compresión cuasi-isotérmica deseada.

Durante el proceso reversible, los "resortes de gas" implementados por los pulsadores empujan el fluido en dirección inversa mediante el actuador, que ahora no actúa como bomba, como en el ciclo de trabajo anterior, sino como expansor (máquina de trabajo) y convierte la energía acumulada temporalmente de forma neumohidráulica de nuevo en energía mecánica con un alto rendimiento. A este respecto, el calor de compresión del gas absorbido en el fluido se extrae del circuito con cada ciclo de trabajo a través de refrigeradores (3 y 4).

La acumulación intermedia descrita de energía mecánica en intervalos de tiempo relativamente cortos se puede conformar, como se desprende de la fig. 15, en otra utilización técnica de acuerdo con la invención del principio del pulsador como compresor de aire isotérmico y acumulador de aire comprimido.

En este tipo de aplicación, las bolsas de pulsador no se cierran herméticamente, sino que se llenan periódicamente de aire ambiente a presión atmosférica por medio de una bomba auxiliar siempre que el fluido no ejerza presión sobre ellas. El fluido, que es idealmente agua para esta aplicación, comprime el aire en las bolsas de pulsador en el siguiente ciclo de trabajo, que fluye a través de una válvula de retención hacia un acumulador de aire comprimido. El calor entregado al agua a través de la superficie de pulsador durante la compresión se vuelve a enfriar mediante un refrigerador (activo o pasivo) cuando el agua se bombea de nuevo a la bomba que ahora succiona en lugar de presionar.

El proceso se repite hasta obtener la presión deseada en el acumulador de presión.

De acuerdo con la invención, la disposición se puede ampliar en una máquina isotérmica alimentada con energía desde el acumulador de aire comprimido de la siguiente manera: como se desprende de la fig. 15a, para ello se conduce periódicamente aire comprimido desde el acumulador a las bolsas de pulsador a través de una válvula controlada. El agua, que absorbe el frío resultante de la expansión del aire comprimido, se recalienta a través de un intercambiador de calor y permite que el actuador, que trabaja como expansor, realice un trabajo mecánico. En este caso, el motor del actuador convierte su movimiento oscilante en energía rotativa a través de un cigüeñal. Un volante de inercia para homogeneizar la salida de energía completa la disposición.

1) Válvula para el llenado periódico de los pulsadores con aire comprimido

2) Actuador como máquina de trabajo con volante de inercia y generador

Una pequeña parte de la energía del volante de inercia se utiliza para bombear el agua de nuevo a la cámara de pulsador después de la expansión (este proceso requiere una energía mínima, ya que en este momento las bolsas de pulsador soplan su aire hacia el medio ambiente).

El compresor de aire (gas), que trabaja isotérmicamente de la manera descrita, con un acumulador de aire comprimido integrado y una máquina actuadora de funcionamiento isotérmico, representa en particular una buena opción para la acumulación a largo plazo sin pérdidas de energía solar. Solo si esto se puede implementar con buena economía y utilizando recursos materiales abundantes y ecológicamente inofensivos, será posible implementar la fuerza inherente de los sistemas solares, la realización de centrales eléctricas de carga base autónomas y descentralizadas de tamaño adaptado.

Los acumuladores de aire comprimido con una presión nominal de > 300 bares, que se pueden implementar sin problemas con acumuladores de presión de polímero ligeros envueltos en fibras en el caso de los antecedentes de la técnica, logran densidades de energía almacenada de > 200 Wh/kg con carga y descarga isotérmicas. Por consiguiente, son mejores que las baterías de iones de litio preferidas en la actualidad (150 Wh/kg) y poseen ventajas significativas en comparación con estas:

x Sin componentes de material estratégicamente importantes, solo agua, aire, acero, disponible comercialmente, membrana reciclable

^Tiempos de carga y descarga rápidos

x Descarga profunda

x Ecológicamente limpio

x Más económico

x Número de ciclos casi ilimitado.

La energía de accionamiento del compresor isotérmico puede provenir, por ejemplo, de módulos fotovoltaicos. La energía mecánica luego extraíble del acumulador de aire comprimido a través del actuador cuando sea necesario presenta, además de las ventajas enumeradas anteriormente en comparación con el acumulador electroquímico, otras ventajas específicas: no se requieren inversores para generar corriente alterna y eléctrica - el generador rotatorio genera esta automáticamente; cuando sea necesario, la energía mecánica se puede extraer directamente del grupo.

Un motor Stirling de membrana operado por energía solar, como el que sirve de base a esta aplicación, es especialmente adecuado para accionar la unidad del compresor.

Si, por ejemplo, se elige un motor Stirling de membrana con una temperatura superior de 400 °C, que convierte el calor en electricidad con un rendimiento del 43 %, y concentradores solares ligeros, que generan el calor de proceso con un 80 % de rendimiento, entonces el rendimiento de energía solar en corriente es del 34 %. Con un rendimiento de circulación del compresor / expansor isotérmico del 80 %, la energía acopiada sin pérdidas en el acumulador de aire comprimido está disponible las 24 horas con un rendimiento global del 34 % x 0,8 = 27,2 % si se dimensiona correctamente (superficie del colector solar respecto a volumen de acumulación). Además de las centrales eléctricas de carga base solar descentralizadas y estacionarias, también se pueden implementar estaciones de servicio de aire comprimido con la tecnología descrita.

En la fig. 16 está representado esquemáticamente cómo los concentradores solares (1) en el techo del garaje accionan el compresor isotérmico descrito (3) y llenan un gran acumulador fijo de aire comprimido (4). En el vehículo que se va a repostar se sitúan depósitos de aire comprimido más pequeños (preferentemente contenedores compuestos de fibras ligeros con forma de elementos estructurales portantes). Estos acumuladores de vehículos se pueden "repostar" muy rápidamente con aire comprimido de los acumuladores fijos a través de líneas de aire comprimido (5). Los accionadores que trabajan de forma isotérmica, como se representa en la fig.

16b, están asignados al acumulador de vehículo. Estos accionan preferentemente cuatro motores hidráulicos excitables individualmente, integrados en las ruedas del vehículo.

Además del accionamiento descrito del compresor isotérmico y acumulador mediante energía solar intermitente (fotovoltaica o motor Stirling de membrana), básicamente son adecuadas otras formas de energía renovable que se producen de forma discontinua temporalmente (típicamente: viento, agua, olas).

Una característica principal del motor Stirling de membrana aquí presentado (que la solicitante tiene previsto comercializar como una "máquina pulsadora") consiste en que los cuerpos de intercambio de calor y desplazamiento instalados en el fluido de transferencia, es decir, los pulsadores, se componen de estructuras de membrana elásticas y deformables. En el sentido de la presente solicitud de patente, una lámina monocapa o multicapa adecuada puede servir en particular como "membrana".

En este sentido, se trata de una estructura poco convencional en la ingeniería mecánica que se basa en una estructura natural.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Motor Stirling de membrana, con un gas de trabajo, con una parte caliente y con una parte fría, en el que el gas de trabajo del motor Stirling se sitúa tanto en su parte caliente como también en su parte fría en envolventes de membrana que tienen respectivamente dos extremos, en el que están cerradas herméticamente en un extremo cerrado y abiertas en el otro extremo, en el que desembocan con sus extremos abiertos terminando de forma estanca en el espacio frío o caliente de una caja de regeneración,

caracterizado por que

una función de desplazamiento de un líquido que transfiere calor y fuerza se genera mediante ondas sonoras que se generan mediante osciladores piezoeléctricos o membranas de altavoces que están embebidas en el líquido.

2. Motor Stirling de membrana de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que las envolventes de membrana de paredes delgadas, rellenas de gas de los lados caliente y frío forman una unidad estanca al gas con el regenerador, en el que esta unidad está llena con gas de trabajo, en el que la mitad de su volumen de llenado máximo se almacena en las envolventes de membrana.

3. Motor Stirling de membrana de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que las unidades de regenerador de envolventes de membrana se sitúan en el interior de una carcasa resistente a la presión y estanca a líquidos, que en un lado está llena con un fluido caliente (calentador) y en el otro lado con un fluido frío, en el que la caja de regenerador provoca la separación del espacio caliente del espacio frío.

4. Motor Stirling de membrana de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la carcasa resistente a la presión está provista tanto en su lado caliente como también en su lado frío de medios, preferentemente cilindros hidráulicos, fuelles, cojines hidráulicos, cuyo movimiento periódico desplaza el gas de trabajo de las envolventes de membrana periódicamente de caliente a frío y viceversa a través del fluido caloportador, en el que el regenerador se atraviesa respectivamente con dirección de flujo alterna.

5. Motor Stirling de membrana de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado por que los medios para el desplazamiento periódico del gas de trabajo están conectados mecánicamente a un engranaje excéntrico con un ángulo de fase y un volante de inercia acoplado al mismo, de modo que el gas de trabajo entrega hacia fuera trabajo mecánico de acuerdo con el ciclo Stirling mediante dos etapas de trabajo isocóricas y dos isotérmicas.

6. Motor Stirling de membrana de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el intercambio de calor del fluido caliente o frío que fluye alrededor de las envolventes de membrana hacia el gas de trabajo se realiza en tanto que las envolventes de membrana pulsan, de este modo provocan una inversión periódica de la dirección de circulación de gas con mezcla correspondiente del gas y además el espesor de la cámara de membrana tiende periódicamente a cero, lo que conduce a valores de transferencia de calor especialmente altos.

7. Motor Stirling de membrana de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la membrana está hecha de un elastómero permanentemente resistente al calor hasta más de 200 °C, en particular silicona y/o poliuretano, y que el agua a temperaturas superiores a 100 °C se utiliza bajo presión como inmersión de líquido.

8. Motor Stirling de membrana de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que como membrana se utilizan materiales con resistencias a la temperatura mayores de 200 °C y líquidos a alta temperatura caloportadores tales como aceites térmicos de silicona especiales.

9. Motor Stirling de membrana de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que, en caso de estanqueidad al gas hermética del regenerador de bolsa de membrana se utiliza helio o hidrógeno como gas de trabajo.

10. Motor Stirling de membrana de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado por que varios de los motores Stirling de membrana descritos están conectados en serie, de tal manera que el mecanismo de desacoplamiento rotativo se somete uniformemente a un par de torsión y, por tanto, se puede reducir la masa del volante de inercia.

11. Motor Stirling de membrana de acuerdo con las reivindicaciones 5 y 10, caracterizado por que el motor Stirling de membrana está accionado externamente y trabaja como bomba de calor / máquina de refrigeración.

12. Motor Stirling de membrana de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 u 11, caracterizado por que al menos una unidad Stirling de membrana está accionada por las otras en el grupo conectado en serie y por tanto se conforma una máquina combinada.

13. Motor Stirling de membrana de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que las envolventes de membrana están formadas por tubos flexibles cilíndricos, en el que estas están envueltas con fibras preferentemente, de modo que son estables a la presión en el estado lleno y puedan colapsarse con fuerza hidrostática.

14. Motor Stirling de membrana de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que el desplazamiento de fase entre espacio caliente y frío se puede regular electrónicamente de forma continua.

15. Motor Stirling de membrana de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 o 14, caracterizado por que la ganancia neta de energía del ciclo Stirling se transfiere al líquido como una fluctuación de presión y se convierte en corriente eléctrica mediante osciladores piezoeléctricos o membranas de altavoz de funcionamiento reversible.

16. Motor Stirling de membrana de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,

caracterizado por que

el motor Stirling de membrana se utiliza para la compresión isotérmica y el almacenamiento de gases.