ES2947816T3 - Dispositivo y método para el control operativo y de seguridad de un motor térmico - Google Patents

Abstract

Un dispositivo y un método para el control operativo y de seguridad de un motor térmico (1), que tiene una ruta de fluido de trabajo que incluye una ruta de alta presión (44) y una ruta de baja presión (60), donde el motor térmico (1) utiliza un fluido de trabajo condensable que, al menos en parte del trayecto de alta presión (44), está en fase líquida, y en el que un trayecto de drenaje de fluido (62), que se puede seleccionar abierto o cerrado, está conectado a una porción (74) de la vía de alta presión (44) en la que el fluido de trabajo se encuentra principalmente en fase líquida. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo y método para el control operativo y de seguridad de un motor térmico

La invención se refiere a un dispositivo y a un método para el control operativo y de seguridad de un motor térmico. Más particularmente, se refiere a un dispositivo para el control operativo y de seguridad de un motor térmico, que tiene una trayectoria de fluido de trabajo, que incluye una trayectoria de alta presión y una trayectoria de baja presión, el motor térmico que utiliza un fluido de trabajo condensable, que está en la fase líquida al menos en parte de la trayectoria de alta presión. La invención se refiere también a un método para el control operativo y de seguridad de un motor térmico.

A continuación se describe un dispositivo para el control operativo y de seguridad de un motor térmico. También se describe un método para el control operativo y de seguridad de un motor térmico.

Existen motores térmicos en muchos diseños diferentes y se basan en diferentes principios básicos. Comparten la característica de convertir energía térmica en una forma de energía de grado superior, por ejemplo energía mecánica o eléctrica, que tiene un rango más amplio de aplicación. La mayoría de los motores térmicos se basan en combustión interna y entonces a altas temperaturas (por ejemplo > 600°C). Recientemente, se ha vuelto cada vez más relevante el uso de calor a bajas temperaturas para accionar motores térmicos.

Existe una gran cantidad de energía térmica disponible precisamente a temperaturas más bajas y esta energía se desperdicia o tendrá que ser eliminada activamente desde diferentes sistemas, por ejemplo de procesos industriales o de sistemas de refrigeración de motores de combustión interna. La utilización de esta energía para producir electricidad, por ejemplo, puede ser muy beneficiosa, puesto que, como se ha mencionado, a menudo existe como un mero producto de calor residual y, por lo tanto, puede considerarse libre de coste. Existen también otros varios ejemplos de fuentes de energía térmica, que pueden utilizarse potencialmente de la misma manera, por ejemplo a partir de la combustión de gas, petróleo o biomasa, colectores solares térmicos, fuentes geotérmicas e incineración de basura. Varias de estas fuentes térmicas pueden tener temperaturas relativamente bajas, incluso en condiciones normales. En este sentido, se han desarrollado varias tecnologías basadas, entre otras cosas, en ciclos de Stirling and Rankine, que permiten su utilización para producir energía de grado alto, generalmente en forma de electricidad. Para temperaturas particularmente bajas (por ejemplo < 350°C), se utilizan generalmente hoy en día motores basados en el llamado ORC, el término ORC representa "Organic Rankine Cycle". Los ciclos de Rankine se basan en procesos de motores de vapor, en los que el agua es el fluido de trabajo, mientras que los ORCs se basan en fluidos de trabajo alternativos, típicamente con puntos de ebullición más bajos que el agua, en donde la consecuencia es una utilización más eficiente de la energía térmica. La mayoría de las veces, estas tecnologías son implementadas en circuitos cerrados, en los que el fluido de trabajo permanece en un circuito interno y cerrado de fluido de trabajo que incluye, principalmente dos o más intercambiadores de calor, una bomba de fluido para fluido de trabajo y una unidad de expansión, que puede ser a menudo una turbina o un motor de pistón. También existen otras unidades de expansión, tales como varios dispositivos de tornillos, paletas, Wankel y espirales. En tales sistemas de motores cerrados, para el flujo de agua y, por lo tanto, el flujo de energía, se requiere al menos una sección de calentamiento, típicamente en la forma de un pre-calentador, una caldera y un sobrecalentador, y una sección de refrigeración, que consta generalmente de un condensador, pero también pueden estar presentes otros componentes. Excepcionalmente, puede ser suficiente una sección de calefacción, lo que es y era también el caso en la mayoría de las locomotoras de vapor, ya que el agua (el fluido de trabajo) se evacua y, por lo tanto, se enfría indirectamente en la atmósfera (escape de vapor) después de haber realizado el trabajo expandiéndose en los cilindros de trabajo.

En circuitos cerrados para ciclos de Rankine, incluyendo también ORCs, existe una trayectoria de fluido de trabajo en la forma de una serie de pasos de fluido y componentes principales de acuerdo con el circuito de fluido de trabajo descrito anteriormente. La trayectoria de fluido consta principalmente de la trayectoria de alta presión, que incluye todos los componentes desde la bomba de fluido hasta la unidad de expansión inclusive, y de la trayectoria de baja presión, que incluye todos los componentes desde la unidad de expansión hasta la bomba de fluido inclusive, considerando la dirección normal de flujo el fluido de trabajo. Esto significa que, principalmente, la trayectoria de alta presión se extiende desde la bomba de fluido a través de una salida en la forma de un orificio de presión, válvulas de retención, si existen, en la salida de la bomba, tubos conectados, así como a través de la sección del calentador, que consta típicamente de la caldera y de un sobrecalentador y luego hasta la unidad de expansión a través de una válvula de entrada/inyección. De la misma manera, la trayectoria de baja presión se extiende entonces típicamente desde la unidad de expansión, a través de una válvula de escape y paso(s) de escape, tubos conectados y, además, a través del refrigerador, que incluye al menos un condensador, un depósito de fluido de trabajo y entonces de retorno a la bomba a través de una entrada en la forma de un orificio de aspiración. Las interfaces que separan la trayectoria de alta presión de la trayectoria de baja presión serán entonces exactamente la bomba de fluido y la unidad de expansión. Por lo tanto, existen más componentes conectados a cada una de las trayectorias de fluido, o menos para ese caso.

Especialmente para motores de Rankine, entre ellos también los motores ORC, ello puede implicar a menudo un riesgo operativo y de seguridad si el transporte de energía a través del motor se parase o encontrase resistencia incrementada de varias maneras. En sistemas basados en motores de Rankine siempre se encontrará, directa o indirectamente, una fuente de calor y un sumidero de calor, y un receptor de trabajo que puede ser muy probablemente un árbol o un generador conectado a través de un árbol. Si la unidad de expansión o el sumidero de calor, por ejemplo, se pusieran fuera de servicio durante el funcionamiento, y luego con la consecuencia de que el transporte de masa y/o de energía pudiera detenerse también, existirá un riesgo relativamente inmediato de que el fluido de trabajo presente en la sección del calentador se sobrecaliente y/o se acumule una presión inaceptablemente alta en el motor.

Éste es un problema que afecta a todos los sistemas de motor térmico, en los que la temperatura de la fuente de calor puede estar en, o puede exceder, un nivel que, a su vez, puede conducir a dicha condición de fallo en el sistema de motor. A una temperatura demasiado alta, algunos fluidos de trabajo se pueden degenerar fácilmente en una condición, en la que se vuelven inutilizables o, en el peor de los casos, peligrosos para la seguridad de los seres humanos o para el funcionamiento del sistema, por ejemplo, por el desarrollo de productos de degradación tóxicos o corrosivos. De la misma manera, una sobrepresión en el sistema podría causar situaciones peligrosas que, en el peor de los casos, podrían conducir a una explosión. Se conocen un gran número de explosiones graves en calderas de vapor, por ejemplo, en el curso del tiempo. Elementos correspondientes de riesgo se encuentran también en otros tipos de calentadoras y de calderas, tal como en varios sistemas ORC.

Para incrementar la seguridad, es una práctica de diseño estándar colocar una o más válvulas de seguridad en el sistema, en donde la(s) válvula(s) de seguridad está(n) dispuesta(s) para reducir la presión y posiblemente la temperatura en el fluido de trabajo en estados de fallo/emergencia. El fluido de trabajo calentado y evaporado se puede evacuar entonces directamente hasta el refrigerador, posiblemente hasta el depósito de fluido de trabajo, sin tener que fluir primero a través de la unidad de expansión, de manera que se pueden reducir la temperatura y la presión a medida que es refrigerado por el entorno más frío aquí. Si el refrigerador no funcionase, tal medida no sería suficiente a largo plazo. En ese caso, entonces debe ser posible que el fluido de trabajo sea evacuado hasta un destino alternativo, por ejemplo a la atmósfera o a otro depósito abierto. Con fluidos distintos del agua, ésta podría no ser tampoco una solución satisfactoria, ya que varios fluidos alternativos exhiben propiedades, que los hacen inadecuados para la descarga al entorno local, ya sea por razones de seguridad humana, razones ambientales o otras razones.

El documento US 20110167818A1 divulga un sistema de recuperación de calor de escape dispuesto para controlar la super-refrigeración de un ciclo de Rankine, evitando la vaporización del refrigerante en el lado de entrada de una bomba de refrigerante debida a la escasez de la cantidad de refrigerante causada por diferencia de presión que no ocurre a través de la bomba de refrigerante. Está previsto un ajustador de la cantidad de relleno de refrigerante, dispuesto para ajustar la cantidad de relleno de refrigerante en el ciclo de Rankine.

El documento JP 2008231981 A divulga un aparato de recuperación de calor residual, que comprende un circuito de ciclo de Rankine, que incluye un circuito cerrado que tiene un evaporador, una unidad de expansión, un condensador y una bomba. Un circuito de derivación tiene una válvula de recuperación para la recuperación de fluido de trabajo líquido desde una porción de circuito de alta presión, y una válvula de suministro para suministrar fluido de trabajo líquido a una porción de circuito de baja presión. Un medio de control del volumen de flujo de circulación está dispuesto para abrir y cerrar la válvula de recuperación y la válvula de suministro, dependiendo del grado de super-refrigeración del fluido de trabajo, y para controlar el volumen del fluido de trabajo que circula a través del circuito cerrado. El circuito de derivación está provisto con un depósito estanco al aire para almacenar un exceso de refrigerante, es decir, para recibir refrigerante que entra desde el circuito de alta presión y para proporcionar refrigerante que debe ser suministrado al circuito de baja presión, cuando sea necesario.

La invención tiene por su objeto remediar o reducir al menos uno de los inconvenientes de la técnica anterior o al menos proporcionar una alternativa útil a la técnica anterior.

El objeto se consigue a través de las características, que se especifican en la descripción siguiente y en las reivindicaciones que siguen.

Una alternativa para dejar que la porción caliente y evaporada del fluido de trabajo retorne al refrigerado o a un depósito abierto es asegurar que, en términos de flujo de fluido, el fluido de trabajo pueda ser drenado y evacuado delante de la sección de la caldera para que el fluido de trabajo pueda ser evacuado entonces desde un punto en la trayectoria de alta presión, en la que no ha sido sometido todavía a evaporación y, por lo tanto, principalmente, en la fase líquida.

Esto tiene la gran ventaja de permitir una retirada del fluido de trabajo en un punto donde no se había añadido todavía mucha energía al mismo, que será un método efectivo de prevenir que se acumule energía en forma de calor en la trayectoria de fluido de trabajo. Lo que quedará entonces en la trayectoria de alta presión una pequeña cantidad de fluido de trabajo sobrecalentado, una porción de la cual puede ser evacuada también, pero esta cantidad menor constituye sólo un almacenamiento pequeño de energía y se habrá resuelto entonces el problema de la sobrepresión o de temperatura elevada. Además, en varios sistemas, podría permitirse el calentamiento de una pequeña cantidad de fluido de trabajo hasta la temperatura máxima alcanzable en la sección del calentador, con tal que la cantidad sea suficientemente pequeña. El fluido de trabajo sobrecalentado tiene una densidad sustancialmente más baja que el mismo fluido en forma líquida y, por lo tanto, la cantidad residual podría constituir una fracción de masa mínima en relación a la cantidad total de fluido de trabajo en el sistema.

En un proceso de Rankine normal, el fluido de trabajo se calentará sucesivamente a medida que fluye a través de la sección del calentador. Es decir, que la porción de fluido de trabajo que ha fluido más lejos dentro de un calentador habrá recibido normalmente el máximo calor y, por lo tanto, habrá alcanzado la temperatura más alta hasta el punto en el que comienza a hervir y entonces está normalmente a una temperatura constante. Colocando el punto de drenaje en una porción suficientemente temprana en la trayectoria de alta presión, por ejemplo justo delante del calentador, se podría invertir el flujo de fluido de trabajo en una necesidad posible de evacuación. Además de prevenir mayor transferencia de calor hasta el fluido de trabajo en la caldera, esto significa también que las porciones más frías del fluido de trabajo presente en la trayectoria de alta presión serán evacuadas primero. El fluido de trabajo que es evacuado tendrá, por lo tanto, un mínimo de energía, lo que da una gran ventaja si debe ser evacuado de retorno al depósito de fluido de trabajo, posiblemente a través del recuperador o refrigerador (condensador). Esto ayudará a limitar la presión final y también la temperatura, alcanzada en la trayectoria de baja presión, después de que la evacuación ha sido completada.

En otro sentido, un circuito de drenaje como el descrito anteriormente podría ser una herramienta muy útil para detener el funcionamiento del motor de una manera rápida y eficiente, En muchos sistemas de Rankine, la trayectoria de alta presión debe ser drenada de fluido de trabajo cuando el funcionamiento debe pararse, y esto requiere en muchos casos que deba continuar la evaporación del fluido, mientras al mismo tiempo la bomba de fluido de trabajo está parada, para evacuar entonces el fluido de trabajo a través de la unidad de expansión, posiblemente a través de una derivación, pero en donde el fluido de trabajo estará todavía en el estado evaporado, ya que está fluyendo fuera de la trayectoria de alta presión. Permitiendo el drenaje y la evacuación del fluido de trabajo en un punto donde está todavía en forma líquida, se obtienen las ventajas de pode evacuarlo de manera sustancialmente más rápida, ya que la densidad es más alta, y de que el nivel de energía sea bajo y de esta manera el sistema puede pararse de una forma relativamente rápida.

De acuerdo con un primer aspecto de la invención, se proporciona un motor térmico que comprende: una unidad de expansión; un recuperador; un calentador; una bomba de fluido; una trayectoria de fluido de trabajo que incluye una trayectoria de alta presión para comunicación del fluido de trabajo bombeado desde la bomba de fluido hacia la unidad de expansión en un lado de alta presión, y una trayectoria de baja presión para comunicación del fluido de trabajo expandido fuera de la unidad de expansión sobre un lado de baja presión, en donde el motor térmico utiliza un fluido de trabajo condensable que, al menos en parte de la trayectoria de alta presión, está en la fase líquida, la trayectoria de alta presión se extiende al menos entre el recuperador y la unidad de expansión a través del calentador, y la trayectoria de baja presión se extiende al menos entre la unidad de expansión y el recuperador; y una trayectoria de drenaje de fluido que se extiende entre un primer punto de conexión en la trayectoria de alta presión y un segundo punto de conexión en la trayectoria de baja presión, estando la trayectoria de drenaje de fluido abierta o cerrada de forma selectiva para drenar selectivamente fluido de trabajo desde el lado de alta presión hacia el lado de baja presión, estando conectada una primera porción de la trayectoria de drenaje de fluido a una porción de la trayectoria de alta presión, en el que durante el funcionamiento normal el fluido de trabajo está principalmente en la fase líquida, en el primer punto de conexión, estando localizado el primer punto de conexión en la trayectoria de alta presión aguas abajo de la bomba de fluido y, además, localizado en la trayectoria de alta presión entre el recuperador y el calentador, y una segunda porción de la trayectoria de drenaje de fluido está conectada a la trayectoria de baja presión en el segundo punto de conexión, estando localizado el segundo punto de conexión en la trayectoria de baja presión entre la unidad de expansión y el recuperador.

Por medio de tal diseño del motor térmico, se solucionan al menos algunas de las condiciones desfavorables descritas en la técnica anterior. El diseño permite otras mejoras, como se describirán a continuación. Por medio del retorno del fluido de trabajo desde la trayectoria de alta presión hasta la trayectoria de baja presión, se previenen las emisiones de fluido de trabajo al entorno, que pueden ser perjudiciales para el medio ambiente y económicamente.

La trayectoria de drenaje de fluido puede estar provista con una válvula de drenaje, preferiblemente en la forma de una válvula controlable. No obstante, en algunos casos, la válvula de drenaje puede ser una válvula de sobrepresión, que está dispuesta para abrirse a una presión predeterminada del fluido de trabajo.

En su estado activado, cuando se suministra una señal a ésta, la válvula de drenaje puede cerrarse al flujo de fluido y en su estado no-activo, cuando no está recibiendo ninguna señal, puede abrirse al flujo de fluido.

Tal válvula de fluido “normalmente abierta” contribuye a incrementar la seguridad porque, en el caso de un fallo de la señal, se drenará la trayectoria de alta presión para que se pare la unidad de expansión.

De acuerdo con un segundo aspecto de la invención, se proporciona un método para el control operativo y de seguridad de un motor térmico de acuerdo con el primer aspecto de la invención, el método que comprende las etapas de: detectar una condición operativa en el motor térmico, que puede causar que el fluido de trabajo presente en la trayectoria de alta presión del motor térmico alcance una presión indeseablemente alta y/o una temperatura indeseablemente alta o detectar que el fluido de trabajo presente en la trayectoria de alta presión ha alcanzado una presión indeseablemente alta y/o una temperatura indeseablemente alta o detectar una condición operativa, en la que es deseable de otra manera detener el funcionamiento del motor térmico de la manera más rápida posible; abrir la trayectoria de drenaje de fluido; y dejar que una cantidad de fluido de trabajo sea drenada y de esta manera evacuada desde la trayectoria de alta presión a través de la trayectoria de drenaje de fluido hasta la trayectoria de alta presión.

El método puede incluir más específicamente proveer la trayectoria de drenaje de fluido con una válvula de drenaje y activar la válvula de drenaje en la posición abierta cuando existe una necesidad de drenar fluido desde la trayectoria de alta presión.

El método puede incluir más específicamente:

- dejar que se drene una cantidad de fluido de trabajo desde la trayectoria de alta presión, en donde la dirección de flujo de la porción del fluido de trabajo, que está siendo evacuado y que está todavía en la trayectoria de alta presión, está principalmente invertida en relación a la dirección de flujo durante el funcionamiento normal.

El método puede incluir, además, conectar la trayectoria de drenaje de fluido a la trayectoria de baja presión y dejar que fluido de trabajo sea drenado desde la trayectoria de alta presión hasta la trayectoria de baja presión.

El método y el dispositivo de acuerdo con la invención dan seguridad marcadamente incrementada en una posible condición de fallo y están dispuestos para prevenir situaciones inoportunas o peligrosas en general. Además, son un medio efectivo de parar el motor térmico de una manera rápida, pero controlada.

A continuación se describe un ejemplo de una realización preferida de un método, que se visualiza en los dibujos que se acompañan, en los que:

La figura 1 muestra un diagrama de bloques de un sistema de motor térmico, que incluye un motor térmico, una fuente de calor, un sumidero de calor, y un convertidor de energía, y una unidad de control externa, en el que se muestran interfaces entre los componentes.

La figura 2 muestra un diagrama de bloques de un sistema de motor térmico, como se muestra en la figura 1, en el que se indican los flujos de energía, de electricidad y de señales.

La figura 3 muestra esquemáticamente un motor térmico de acuerdo con la invención con los componentes principales asociados; y

La figura 4 muestra esquemáticamente el motor térmico de la figura 3, pero la unidad de expansión ha sido especificada como siendo un motor de pistón.

En los dibujos, el número de referencia 1 indica un motor térmico, que está conectado a través de una interfaz de fuente de calor 2 a una fuente de calor 4, a través de una interfaz de sumidero de calor 6 a un sumidero de calor 8, a través de una interfaz de potencia/electricidad 10 a un convertidor de potencia eléctrica 12 y a través de una interfaz de señales 14 a una unidad de control externa 16.

Algunos de los componentes en las figuras 3 y 4 están marcados con el símbolo “Z”. Éste indica que es un intercambiador de calor de alguna forma.

En la figura 2, el calor que está fluyendo desde la fuente de calor 4 hasta el motor térmico 1 se indica por QH. El calor residual, que está siendo retirado del motor térmico 1 y transferido al sumidero de calor 8 se indica por Qc. La potencia eléctrica, que está siendo transferida desde el motor térmico 1 hasta el convertidor de potencia 12 se indica por PEL. Las señales de medición y de control que están siendo intercambiadas entre el motor térmico 1 y la unidad de control externa 16 se indican por Sc.

El motor térmico 1 forma parte preferiblemente de n sistema ORC e incluye una bomba de fluido 20 con una entrada 22 y una salida 24. Desde la entrada 24, una línea de la bomba de presión 26 se extiende a través de un recuperador 28 y hasta un calentador 30. El recuperador 28 puede constar, principalmente, de un intercambiador de calor estándar conocido por sí, con dos lados convencionales opuestos de intercambiador de calor, no mostrados, que consta de trayectorias de fluido internas separadas y de comunicación de calor. El calentador 30 es suministrado con calor QH desde la fuente de calor 4 a través de la interfaz de calor 2.

Una línea de vapor 36 está conectada entre el supercalentador 24 y la entrada 40 de una unidad de expansión 38. La unidad de expansión 38 consta, por ejemplo, de una turbina, un motor de pistón o similar. Una salida 42 desde la unidad de expansión 38 constituye una salida de escape. Los componentes entre la bomba de fluido 20 y la unidad de expansión 38, que incluyen la línea de la bomba de presión 27, el lado de alta presión del recuperador 28, el calentador 30 y la línea de vapor 36, constituyen la trayectoria de alta presión 44 del motor térmico 1.

En esta realización ejemplar, la unidad de expansión 38 acciona un generador 48 a través de un árbol 46. La potencia eléctrica PEL es transferida a través de la interfaz de potencia/electricidad 10 hasta el convertidor de potencia eléctrica 12. Una unidad de control del motor 50 controla la unidad de expansión 38 y el generador 48, entre otras cosas. No se muestran los transmisores y líneas de control, conocidos por sí.

Una línea de salida 52 se extiende desde la salida 42 de la unidad de expansión 38, a través del recuperador 28, un condensador 54, hasta un depósito de fluido de trabajo 56. El condensador 54 suministra calor residual Qc hasta el sumidero de calor 8 a través de la interfaz 6 del sumidero de calor.

Una línea de aspiración 58 conecta el depósito de fluido de trabajo 56 a la entrada 22 de la bomba de fluido 20. Los componentes entre la unidad de expansión 38 y la bomba de fluido 20, incluyendo la línea de salida 52, el lado de baja presión del recuperador 28, el condensador 54, el depósito de fluido de trabajo 56 y la línea de aspiración 58, constituyen la trayectoria de baja presión 60 del motor térmico 1.

Una trayectoria de drenaje de fluido 62, que está conectada aquí a la línea de la bomba de presión 26 entre el recuperador 28 y el calentador 30, está conectada a través de una válvula de drenaje 64 hasta la línea de salida 52 entre la unidad de expansión 38 y el recuperador 28. La trayectoria de drenaje de fluido 64 es de un tipo controlable activamente, como una válvula de conexión-desconexión activada electromagnética, mecánica, neumática o hidráulicamente. Alternativamente, puede ser una válvula proporcional o una servo-válvula, por ejemplo.

Durante el funcionamiento normal, fluido de trabajo es aspirado por medio de la bomba de fluido 20 desde el depósito de fluido de trabajo 56 y es bombeado entonces a la trayectoria de alta presión 44 a presión relativamente alta.

El fluido de trabajo es bombeado primero a través del recuperador 28, en el que es precalentado al recibir calor residual desde el escape, que está fluyendo fuera de la salida 42 de la unidad de expansión 28 y que es dirigido dentro del lado de baja presión del recuperador 52 a través de la línea de salida 52.

Después de haber pasado primero a través del recuperador 28, el fluido de trabajo fluye dentro del calentador 30 y, en la primera etapa, dentro del evaporador 32, donde es calentado hacia el punto de ebullición y es evaporado de esta manera. Además, el fluido de trabajo pasa al sobrecalentador 34, donde se incrementa la temperatura más allá del punto de ebullición. Después de eso, el fluido de trabajo es transportado a la unidad de expansión 38, donde parte de la energía térmica añadida es convertida en energía mecánica por el fluido de trabajo que está siendo expandido de manera casi-adiabática, casi-isotérmica, casi-isobárica o casi-politropicalmente.

La energía mecánica es convertida, a su vez, en energía eléctrica por medio del generador 48. La energía eléctrica desde el generador 48 es transferida como potencia eléctrica PEL desde el generador 48 a través de la interfaz de potencia/electricidad hasta el convertidor de potencia eléctrica 12.

Habiendo completado la expansión en la unidad de expansión 38, el fluido de trabajo expandido, que puede ser definido ahora como escape, es transportado a través de la línea de salida 52 hasta el lado de baja presión del recuperador 28, donde parte del calor residual es retornado al fluido de trabajo en la trayectoria de alta presión 44 y es recuperado.

El fluido de trabajo es dirigido entonces al condensador 54, en el que la última porción del calor residual Qc que debe retirarse fluye a través de la interfaz 6 del sumidero de calor hasta el sumidero de calor 8. El fluido de trabajo es condensado de esta manera a la fase líquida, antes de ser transportado al depósito de fluido de trabajo 56.

Cuando existe un riesgo de sobrepresión y/o de sobrecalentamiento del fluido de trabajo que puede estar presente en la trayectoria de alta presión 44 durante el funcionamiento, o cuando existe una condición, en la que puede ser deseable de otra manera parar el motor térmico 1 de la manera más rápida posible, la unidad de control del motor 50 puede activar la válvula de drenaje 64, por medio de principios de control conocidos, al estado abierto por una señal de control que es comunicada a través del conductor de señales de control 66, que está conectado a un actuador 68 de la válvula de drenaje, que asegura, a su vez, que la válvula de drenaje 64 adopta la posición abierta. De esta manera, existe un cortocircuito, en términos de flujo de fluido, entre la trayectoria de alta presión 44 y la trayectoria de baja presión 60.

Para poder identificar condiciones, en las que será deseable parar el motor térmico 1 rápidamente, el motor térmico 1 está provisto con varios sensores conocidos, no mostrados, de manera que exactamente estas condiciones pueden ser registradas e identificadas por la unidad de control del motor 50 que, a su vez, puede comunicar las señales de control necesarias y entonces, en particular, la señal de control que asegura la apertura de la válvula de drenaje 64.

Cuando tiene lugar entonces el cortocircuito, fluido de trabajo será drenado desde la trayectoria de alta presión 44 a una posición en la que, normalmente, está principalmente en la fase líquida, hasta el punto en el que toda la fracción líquida ha sido evacuada casi completamente. De esta manera, la mayor parte de la masa del fluido de trabajo será drenada inicialmente en la fase líquida, y la evacuación posterior constará entonces principalmente de fluido de trabajo en forma gaseosa, o bien como gas saturado o sobrecalentado, que representa solamente una fracción mínima de masa en relación a la masa total del fluido de trabajo.

Esto dará como resultado que el fluido de trabajo está siendo drenado y de esta manea evacuado desde la trayectoria de alta presión 4 en un estado que significa que una cantidad lo más pequeña posible de energía deberá eliminarse desde la trayectoria de alta presión 44.

En la figura 3, se muestra la trayectoria de drenaje de fluido 62 conectada a la trayectoria de alta presión 44 entre el recuperador 28 y el calentador 30. También se conoce, aunque no cae dentro del alcance de la invención, que la trayectoria de drenaje de fluido 62 esté conectada a la trayectoria de alta presión más cerca de la bomba de fluido 20, por ejemplo en un punto de conexión 70 localizado aguas abajo de la bomba de fluido 20. De la misma manera, aunque no cae dentro del alcance de la invención, la figura 3 muestra la trayectoria de drenaje de fluido 62 conectada a la trayectoria de baja presión en una posición más cerca de la bomba de fluido 20, por ejemplo en uno de los puntos de conexión 72 que están localizados aguas arriba de la bomba de fluido 20.

Mientras se utiliza un fluido de trabajo condensable, se puede suponer que el fluido en la trayectoria de alta presión 44 está principalmente en la fase líquida entre la bomba de fluido 20 y el calentador 30. Esta parte de la alta presión 44 constituye de esta manera una porción 74, en la que el fluido de trabajo está principalmente en la fase líquida. En un ejemplo alternativo, ver la figura 4, la unidad de expansión 38 consta de un motor de pistón. En este ejemplo, la unidad de expansión 38 está formada con al menos una válvula de entrada controlada 76 y al menos una válvula de salida controlada 78, que juntas controlan el flujo de fluido a través de la unidad de expansión 38, controlando por medio de las válvulas 76, 78 el flujo de fluido a través de la al menos una entrada 40 y la al menos una salida 42. En el funcionamiento normal, las válvulas controladas 76, 78 aseguran que dichas trayectorias nunca se abran de forma simultánea. De esta manera, no existirá un cortocircuito de fluido directo a través de la unidad de expansión 38, si se parase la unidad de expansión 38. En muchos casos, la válvula de entrada 76 y la válvula de salida 78 están controladas por actuadores de válvulas 80 respectivos y éstos estarán sincronizados normalmente de tal manera que se previene esta forma de cortocircuito.

Claims (6)

REIVINDICACIONES

1. Un motor térmico (1) que comprende:

una unidad de expansión (38);

un recuperador (28);

un calentador (30);

una bomba de fluido (20);

una trayectoria de fluido de trabajo que incluye una trayectoria de alta presión (44) para comunicación del fluido de trabajo bombeado desde la bomba de fluido (20) hacia la unidad de expansión (38) en un lado de alta presión, y una trayectoria de baja presión (60) para comunicación del fluido de trabajo expandido fuera de la unidad de expansión (38) sobre un lado de baja presión, en donde el motor térmico (1) utiliza un fluido de trabajo condensable que, al menos en parte de la trayectoria de alta presión (44), está en la fase líquida, la trayectoria de alta presión (44) se extiende al menos entre el recuperador (28) y la unidad de expansión (38) a través del calentador (30), y la trayectoria de baja presión (60) se extiende al menos entre la unidad de expansión (38) y el recuperador (28);

caracterizado porque comprende, además,

una trayectoria de drenaje de fluido (62) que se extiende entre un primer punto de conexión (79) en la trayectoria de alta presión y un segundo punto de conexión (72) en la trayectoria de baja presión, estando la trayectoria de drenaje de fluido abierta o cerrada de forma selectiva para drenar selectivamente fluido de trabajo desde el lado de alta presión hacia el lado de baja presión,

estando conectada una primera porción de la trayectoria de drenaje de fluido (62) a una porción (74) de la trayectoria de alta presión (44), en el que durante el funcionamiento normal el fluido de trabajo está principalmente en la fase líquida, en el primer punto de conexión (70), estando localizado el primer punto de conexión (70) en la trayectoria de alta presión aguas abajo de la bomba de fluido (20) y, además, localizado en la trayectoria de alta presión entre el recuperador (28) y el calentador (30), y

una segunda porción de la trayectoria de drenaje de fluido (62) está conectada a la trayectoria de baja presión (60) en el segundo punto de conexión (72), estando localizado el segundo punto de conexión (72) en la trayectoria de baja presión entre la unidad de expansión (38) y el recuperador (28).

2. El motor térmico (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la trayectoria de drenaje de fluido (62) está provista con una válvula de drenaje (64).

3. El motor térmico (1) de acuerdo con la reivindicación 2, en donde la válvula de drenaje (64) está cerrada al flujo de fluido en su estado activado y está abierta al flujo de fluido en su estado no activado.

4. Un método para el control operativo y de seguridad de un motor térmico (1) de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, el método que comprende las etapas de:

detectar una condición operativa en el motor térmico (1), que puede causar que el fluido de trabajo presente en la trayectoria de alta presión (44) del motor térmico (1) alcance una presión indeseablemente alta y/o una temperatura indeseablemente alta o detectar que el fluido de trabajo presente en la trayectoria de alta presión (44) ha alcanzado una presión indeseablemente alta y/o una temperatura indeseablemente alta o detectar una condición operativa, en la que es deseable de otra manera detener el funcionamiento del motor térmico (1) de la manera más rápida posible;

abrir la trayectoria de drenaje de fluido (62); y

dejar que una cantidad de fluido de trabajo sea drenada y de esta manera evacuada desde la trayectoria de alta presión (44) a través de la trayectoria de drenaje de fluido (62) hasta la trayectoria de alta presión (60).

5. El método de acuerdo con la reivindicación 4, que incluye, además, proveer la trayectoria de drenaje de fluido (62) con una válvula de drenaje (64) y accionar la válvula de drenaje (64) a su posición abierta cuando exista una necesidad de frenar fluido desde la trayectoria de alta presión (44).

6. El método de acuerdo con la reivindicación 4 o 5, que incluye, además, dejar que una cantidad de fluido de trabajo sea drenada desde la trayectoria de alta presión (44), habiendo sido invertida la dirección de flujo de la porción del fluido de trabajo, que está siendo evacuado y está todavía en la trayectoria de alta presión (44), principalmente en relación a la dirección de flujo durante el funcionamiento normal.