ES2992009B2 - Motor térmico - Google Patents

Description

DESCRIPCIÓN

Motor térmico

Objeto de la invención

La presente invención se refiere a un motor térmico que transforma la energía térmica de un fluido de trabajo que circula entre tres cilindros en energía mecánica que se transfiere al eje del motor, donde la fuente de calor que calienta al fluido de trabajo se encuentra fuera de los cilindros del motor.

El motor térmico objeto de la presente invención se encuadra en el campo de los motores térmicos, destinados a convertir el calor, o más exactamente la energía térmica, en energía mecánica; y dentro de ellos, los motores denominados Stirling, o de combustión externa.

Antecedentes de la invención y problema técnico a resolver

Acerca de los motores y máquinas térmicas existe una abundante bibliografía, y en particular sobre los motores Stirling, nombre genérico que en origen, en el siglo XIX correspondía a un diseño monocilíndrico con aportación de calor y frío, sucesivamente, desde el exterior, y que hoy día incorpora varias mejoras conceptuales y de operación, como es la regeneración térmica mediante el uso de dos cilindros, uno principal, que es el verdadero impulsor de la parte mecánica, y otro de menor tamaño, que actúa para restituir al fluido de trabajo a las condiciones de principio de ciclo. Este fluido de trabajo recorre sucesivamente las partes de un circuito cerrado, que básicamente se alimenta energéticamente de un foco caliente, ligado al pistón principal, y un foco frío, que evacúa hacia el exterior el calor excedente del ciclo, para que el fluido adquiera las condiciones adecuadas de principio de ciclo.

Para el estudio de los precedentes en este campo, es particularmente útil el documento ES 2 654 338 T3, que trata de motores de combustión interna de desplazamiento positivo de eficiencia mejorada. Se basa en un pistón grande principal, y uno secundario, más pequeño y frío, que es la configuración hoy día más común entre los motores Stirling. Este documento contiene una detallada relación del estado de la técnica de los motores térmicos en los diferentes ciclos, comenzando por la máquina de vapor de Newcomen (que es simplemente un precedente genérico termodinámico, no específico del Stirling). Entre los documentos que trata destaca la patente JP 1439446 de la compañía de automóviles Nissan, de 1973, que presenta un expansor de pistón que es impulsado por la reacción explosiva de un combustible y un oxidante líquido tal como peróxido de hidrógeno u oxígeno líquido, sin el uso de aire atmosférico. Lógicamente este montaje no corresponde a un Stirling puro, sino a una línea denominada, entre los especialistas, Stirling híbrido, que tampoco son precedentes de la invención aquí presentada.

El documento ES 2612271 T3 corresponde a un motor híbrido, definido porque posee una cámara de trabajo de volumen variable para un gas de trabajo, y una distribución que comunica esta cámara con una entrada fría en un trayecto receptor de calorías durante una fase de transferencia de salida y con una salida de calor en el trayecto receptor de calorías durante una fase de transferencia de entrada, estando destinado el trayecto receptor de calorías a recalentar el gas de trabajo en el exterior de la cámara al contacto con la fuente externa.

El documento ES 2 852 024 expone un motor Stirling y su método de utilización. Lo más novedoso es que el motor comprende al menos una membrana que conecta uno de los pistones con un cilindro, en donde un extremo de una membrana está fijado en su lugar. Por otra parte, este documento expone bien el ciclo Stirling ideal, al cual desea aproximarse, y se compone de 4 etapas, que son:

1§: compresión isotérmica del gas de trabajo;

2§: desplazamiento isocórico del gas (a través del regenerador) de frío a caliente;

3§: expansión isotérmica del gas de trabajo; y

4§: desplazamiento isocórico del gas (a través del regenerador) de caliente a frío El documento ES 2886454 T3 presenta otra configuración de motor térmico de ciclo cerrado regenerativo, con un desplazador deformable elásticamente alojado en la cámara principal del motor; y con un eje conectado con dicho desplazador, a través del cual se ejerce la acción mecánica.

Existen varios otros documentos que presentan propuestas de motores de esta clase, como el ES 2939241 T3, que corresponde a un motor de combustión lineal de alta eficiencia; o el ES 2557632 T3, con dos cilindros conectados uno con otro para el paso del fluido de trabajo, habiendo además un fluido portador de calor adecuado para activar el movimiento cíclico. También cabe citar el ES 2433 128 T3, que es un motor de ciclo térmico con área de entrada de energía térmica aumentada, pues un problema crucial en estos motores es cómo transferir calor desde la fuente calorífica externa a la parte más caliente del motor.

Por último, conviene citar el documento US 2006/028318.6 A1, que presenta un conjunto de mecanismos para hacer funcionar un ciclo Stirling clásico, optimizado en la relación termodinámica-mecánica.

Descripción de la invención

La presente invención se refiere a un motor térmico con una configuración o montaje de los elementos necesarios para que a través de ellos, circulando un fluido de trabajo en circuito cerrado, se aproveche la energía térmica que lleva una corriente de otro fluido, el fluido caliente, convirtiendo su energía térmica en energía mecánica del eje principal del motor.

Mediante el aprovechamiento de las características y propiedades de los diferentes componentes disponibles de ingeniería térmica, y mediante la realización del análisis termodinámico necesario para que el ciclo termodinámico y mecánico diseñado sea físicamente realizable, la presente invención logra realizar un motor térmico de alta eficiencia en la conversión energética de energía térmica en energía mecánica.

Así pues, con objeto de lograr los objetivos anteriormente mencionados, la presente invención se refiere a un motor térmico.

El motor térmico objeto de la presente invención comprende una pluralidad de elementos que conforman un circuito cerrado de un fluido de trabajo, donde el motor térmico comprende:

- al menos un primer alimentador (A1) que comprende un recipiente estanco para el fluido de trabajo, donde el primer alimentador (A1) se encuentra situado en un primer ramal del circuito cerrado del fluido de trabajo, y dispone de válvulas de apertura controlada;

- al menos un segundo alimentador (A2) que comprende un recipiente estanco para el fluido de trabajo, donde el segundo alimentador (A2) se encuentra situado en un segundo ramal del circuito cerrado del fluido de trabajo y dispone de válvulas de apertura controlada;

- un pistón principal (B) situado en correspondencia con un cilindro principal, donde el pistón principal (B) está conectado a un eje del motor térmico por medio de una biela y manivela y un cigüeñal; donde el pistón principal (B) está configurado para desplazarse, en cada ciclo de funcionamiento del motor térmico, al menos dos veces en dirección de compresión en el cilindro principal y al menos dos veces en dirección de expansión en el cilindro principal, y donde el cilindro principal está configurado para:

<o>llenarse con fluido de trabajo tomado alternativamente del al menos un primer alimentador (A1) y del al menos un segundo alimentador (A2) en cada movimiento de expansión del pistón principal (B) a través de la válvula correspondiente y;

<o>expulsar fluido de trabajo en cada movimiento de compresión del pistón principal (B), enviando dicho fluido de trabajo a un cilindro secundario a través de la válvula correspondiente;

- un pistón secundario (C) situado en correspondencia con el cilindro secundario, donde el pistón secundario (C) está configurado para desplazarse, en cada ciclo de funcionamiento del motor térmico, al menos dos veces en dirección de compresión en el cilindro secundario y al menos dos veces en dirección de expansión en el cilindro secundario; donde el pistón secundario (C) está configurado para moverse en dirección de expansión cuando el pistón principal (B) se mueve en dirección de compresión y viceversa, donde el cilindro secundario está configurado para:

<o>llenarse con fluido de trabajo tomado del cilindro principal en cada movimiento de expansión del pistón secundario (C) a través de la válvula existente al efecto, y;

<o>expulsar fluido de trabajo en cada movimiento de compresión del pistón secundario (C), enviando dicho fluido de trabajo a un alimentador (A1, A2) a través de la válvula existente al efecto;

- un pistón terciario (D) situado en correspondencia con un cilindro terciario, donde el pistón terciario (D) está configurado para desplazarse, en cada ciclo de funcionamiento del motor térmico, al menos dos veces en dirección de compresión en el cilindro terciario y al menos dos veces en dirección de expansión en el cilindro terciario; donde el pistón terciario (D) está configurado para moverse en dirección de expansión cuando el pistón principal (B) se mueve en dirección de compresión y viceversa, donde el cilindro terciario está configurado para:

<o>llenarse con fluido de trabajo tomado de un alimentador (A1, A2) en cada movimiento de expansión del pistón terciario (D), y;

<o>expulsar fluido de trabajo en cada movimiento de compresión del pistón terciario (D), enviando dicho fluido de trabajo a un alimentador (A1, A2).

donde los alimentadores (A1, A2) están configurados para que, dentro de ellos, el fluido de trabajo se caliente mediante el calor recibido de un fluido caloportador externo.

Según una primera forma de realización del motor térmico objeto de la presente invención, el motor térmico comprende sólo dos alimentadores (A1, A2), y:

- el pistón principal (B) está configurado para desplazarse, en cada ciclo de funcionamiento del motor térmico, dos veces en dirección de compresión en el cilindro principal y dos veces en dirección de expansión en el cilindro principal; de manera que:

<o>en un primer sub-ciclo de compresión y expansión del pistón principal (B), durante el movimiento de expansión del pistón principal (B), el cilindro principal está configurado para estar conectado al primer alimentador (A1) mediante la apertura de una válvula de descarga del primer alimentador (Ga1b), y;

<o>en un segundo sub-ciclo de compresión y expansión del pistón principal (B) , durante el movimiento de expansión del pistón principal (B), el cilindro principal está configurado para estar conectado al segundo alimentador (A2) mediante la apertura de una válvula de descarga del segundo alimentador (Ga2b);

<o>en el primer sub-ciclo y en el segundo sub-ciclo de compresión y expansión del pistón principal (B), durante el movimiento de compresión del pistón principal (B), el cilindro principal está configurado para estar conectado al cilindro secundario mediante la apertura de una válvula de paso (Gbc);

- el pistón secundario (C) está configurado para desplazarse, en cada ciclo de funcionamiento del motor térmico, dos veces en dirección de compresión en el cilindro secundario y dos veces en dirección de expansión en el cilindro secundario, de manera que:

<o>en un primer sub-ciclo de compresión y expansión del pistón secundario (C) :

■ durante el movimiento de compresión del pistón secundario (C), el cilindro secundario está configurado para estar conectado al segundo alimentador (A2) mediante la apertura de una segunda válvula de carga (Gca2), y;

■ durante el movimiento de expansión del pistón secundario (C), el cilindro secundario está configurado para estar conectado al cilindro principal mediante la apertura de la válvula de paso (Gbc), y;

<o>en un segundo sub-ciclo de compresión y expansión del pistón secundario (C):

■ durante el movimiento de compresión del pistón secundario (C), el cilindro secundario está configurado para estar conectado al primer (A1) mediante la apertura de una primera válvula de carga (Gca1), y;

■ durante el movimiento de expansión del pistón secundario (C), el cilindro secundario está configurado para estar conectado al cilindro principal mediante la apertura de la válvula de paso (Gbc);

- el pistón terciario (D) está configurado para desplazarse, en cada ciclo de funcionamiento del motor térmico, dos veces en dirección de compresión en el cilindro terciario y dos veces en dirección de expansión en el cilindro terciario, de manera que:

<o>en un primer sub-ciclo de compresión y expansión del pistón terciario (D):

■ durante el movimiento de compresión del pistón terciario (D), el cilindro terciario está configurado para estar conectado al segundo alimentador (A2) mediante la apertura de una cuarta válvula de carga (Gda2), y;

■ durante el movimiento de expansión del pistón terciario (D), el cilindro terciario está configurado para estar conectado al primer alimentador (A1) mediante la apertura de una primera válvula de succión (Ga1d), y;

<o>en un segundo sub-ciclo de compresión y expansión del pistón terciario (D): ■ durante el movimiento de compresión del pistón terciario (D), el cilindro terciario está configurado para estar conectado al primer alimentador (A1) mediante la apertura de una tercera válvula de carga (Gda1), y;

■ durante el movimiento de expansión del pistón terciario (D), el cilindro terciario está configurado para estar conectado al segundo alimentador (A2) mediante la apertura de una segunda válvula de succión (Ga2d).

Según una segunda forma de realización del motor térmico de la presente invención, el motor térmico comprende:

- al menos un tercer alimentador (A’1) situado en el primer ramal del circuito cerrado del fluido de trabajo;

- al menos un cuarto alimentador (A’2) situado en el segundo ramal del circuito cerrado del fluido de trabajo;

donde el motor térmico está configurado para:

- multiplexar la actuación de las válvulas que conectan cada alimentador (A1, A ’1, A2, A’2) al cilindro principal durante los movimientos de expansión del pistón principal (B);

- multiplexar la actuación de las válvulas que conectan cada alimentador (A1, A’1, A2, A’2) al cilindro secundario durante los movimientos de compresión del pistón secundario (C);

- multiplexar la actuación de las válvulas que conectan cada alimentador (A1, A’1, A2, A’2) al cilindro terciario durante los movimientos de compresión y expansión del pistón terciario (D).

Según una variante de esta segunda forma de realización de la invención, el motor térmico comprende un depósito de inercia térmica (H) conectado entre el cilindro principal y el cilindro secundario.

De manera preferente, en cualquiera de las formas de realización del motor térmico de la invención, el motor térmico comprende un sistema de gestión del flujo de fluido de trabajo en los alimentadores (A1, A’1, A2, A ’2).

Según una posible realización, este sistema de gestión del flujo de fluido de trabajo en los alimentadores (A1, A’1, A2, A ’2) comprende un aparato de carga conectado a los alimentadores (A1, A ’1, A2, A ’2), donde dicho aparato de carga comprende:

- una válvula de eyección (Z21) en cada alimentador (A1, A ’1, A2, A’2) de fluido de trabajo, cuya salida comunica con un reservorio de baja presión (Z23), configurado para almacenar durante un tiempo dicho fluido de trabajo;

- una bomba (Z24) configurada para impulsar y presurizar el fluido de trabajo desde el reservorio de baja presión (Z23) a un reservorio de alta presión (Z25), y;

- una válvula de inyección (Z26), configurada para controlar el paso del fluido de trabajo desde el reservorio de alta presión (Z25) hacia el alimentador correspondiente (A1, A ’1, A2, A’2).

Así pues, en la presente invención se define un motor termodinámico que consta de una serie de componentes conectados entre sí mediante conductos, formando un circuito cerrado, parte de él conformado por dos ramales en paralelo, denominados par e impar, y a lo largo del circuito circula un fluido de trabajo, que es un gas de comportamiento prácticamente ideal, seleccionado entre monoatómico, particularmente argón, o poliatómico, e incluso mezcla de ellos, como aire, siendo los componentes de este circuito los presentados a continuación, comenzando por dos alimentadores, cada uno integrado en un ramal del circuito, siendo estos alimentadores unos recipientes estancos, resistentes a presiones y temperaturas del nivel que se vaya a necesitar, según la fuente externa de calor cuyo flujo de escape calentará a los alimentadores en la etapa correspondiente del ciclo, que es de cuatro tiempos, o cuatro etapas, que en realidad es lo resultante de un doble ciclo de dos tiempos, desfasados simétricamente entre sí, cada uno de ellos seguido a lo largo de un ramal, habiendo un tronco común a ambos ramales, en el que existe un pistón principal, desde cuya biela se acciona el mecanismo, con la manivela correspondiente, de hacer girar el cigüeñal del motor, que es donde se obtiene la energía mecánica generada, circulando dicho pistón, hacia arriba y hacia abajo, dos veces en cada ciclo de cuatro tiempos, cada una de las veces en conexión con un ramal determinado, par o impar, recibiendo el pistón la descarga del gas de alta temperatura y alta presión que estaba contenido en el alimentador de turno, lo que provoca la expansión de dicho pistón principal, señalándose que, en el tiempo o etapa anterior a esta de la expansión, el gas del alimentador es calentado a volumen constante por parte de los flujos externos calientes, y tras la expansión, tal como el pistón principal inicia la subida hacia su punto muerto superior reduciendo el volumen de su cámara cilíndrica, se cierra la válvula de conexión entre el alimentador y el pistón principal, y el gas que ocupaba el cilindro es empujado hacia el pistón secundario, a través de la válvula de escape, que está abierta sólo durante el tiempo del escape, pasando el gas a un segundo cilindro, o pistón secundario, no dedicado a la producción de energía mecánica, sino a reponer dicho gas trasegado desde el pistón principal, a las condiciones de inicio de ciclo, para lo cual se ha de enfriar dicho gas, no solo en el interior de este segundo cilindro, sino en el trasiego desde el pistón principal; y en la siguiente etapa, en la que el émbolo principal se está expansionando de nuevo por la acción del otro alimentador, y por tanto bajando hasta su punto muerto inferior, el émbolo del segundo pistón va subiendo, empujando el gas para llenar el alimentador del ramal que en ese momento está frío, y hacerlo con la temperatura conveniente, y así como existe en el tronco común un pistón principal y un segundo pistón o pistón secundario, existe un tercer pistón o pistón terciario, que evacua parcialmente el alimentador que acaba de finalizar la expansión, enfriando el gas trasegado para recuperar las condiciones de inicio de ciclo, yendo este pistón terciario en movimiento paralelo al pistón secundario, de tal manera que cuando el pistón secundario carga el gas que tiene, en el alimentador que corresponde, el terciario también carga su gas en el mismo alimentador y al mismo tiempo, de tal modo que en las cuatro etapas de un ciclo completo, se distinguen dos fases consecutivas, cada una de una revolución completa, y en la primera de ellas uno de los ramales ha estado en fase mecánicamente activa, haciendo girar el cigüeñal, mientras el otro ramal estaba en fase de reciclar los flujos de gas de trabajo, reponiendo el contenido del alimentador frío, para cerrar éste y comenzar una nueva fase activa, en la que se intercambian los roles de los ramales, y el alimentador que acaba de llenarse es sometido a un calentamiento a volumen constante, que es la etapa previa a la de expansión; existiendo además las correspondientes válvulas en todos los conductos de conexión, que se abren cuando lo prescribe el modo de funcionamiento con el que se genera el ciclo buscado, que queda compuesto por las siguientes etapas: una expansión entre adiabática e isoterma; un enfriamiento a presión casi constante, seguida por una pequeña compresión adiabática proporcionada por el empuje de los pistones secundario, C y terciario, D, siendo la cuarta y última etapa el calentamiento a volumen constante, tras el cual comienza de nuevo una expansión.

La exactitud en la ejecución del ciclo se consigue por la sincronía en el movimiento de los émbolos de los pistones, y las aperturas y cierres de las diversas válvulas que regulan el paso de un componente a otro, y en cuanto a la sincronía entre pistones, hay que señalar que tal como el pistón principal baja, en la expansión, desde su punto muerto superior a su punto muerto inferior, los pistones secundario y terciario se mueven en sentido intrínseco contrario, cada uno desde su punto muerto inferior al superior; y viceversa cuando el pistón principal sube desde su punto muerto inferior al superior, y va evacuando gas hacia el pistón secundario, éste va bajando desde el punto muerto superior al inferior; e igualmente va bajando el pistón terciario, succionando parte del gas que había quedado dentro del alimentador que hubiera hecho la expansión última.

Y en cuanto a las válvulas, la regla general a aplicar es que sólo se abran las estrictamente necesarias, lo cual se especifica identificando cada válvula o grifo por la letra G seguida en minúsculas por las iniciales de los componentes que a continuación se asignan, que son:

-a1 para el alimentador del ramal impar

-a2 para el alimentador del ramal par

-b para el pistón principal

-c para el pistón secundario

-d para el pistón terciario

-e para los calentadores provenientes de la fuente caliente externa

-f para los enfriadores provenientes de la fuente fría,

teniendo los componentes las siguientes funciones en cada uno de los cuatro tiempos,

De la tabla anterior se puede señalar qué válvulas o grifos han de estar abiertas en cada tiempo, las demás cerradas,

Tiempo 1: Ga1b; Gca2; Gda2; Gea1; Gfca2; Gfda2

Tiempo 2; Gbc; Ga1d; Gea2; Gfbc; Gfa1d

Tiempo 3: Ga2b; Gca1; Gda1; Gea2; Gfca1; Gfda1

Tiempo 4: Gbc; Ga2d; Gea1; Gfbc; Gfa2d

Y con ello queda definido el modo de funcionamiento del motor.

La invención preferentemente hace uso de un equipo auxiliar de llenado del gas de trabajo, que idealmente sería argón. El llenado del circuito se puede hacer por varios puntos, en particular por los pistones secundario y terciario, además de los alimentadores, donde tendría que haber además una válvula de alivio, para vaciar o disminuir la cantidad de argón habida en el circuito cerrado. Dicha cantidad tiene mucha importancia en las prestaciones de la invención, pues al aumentar la densidad, cambian varios números adimensionales, como el Reynolds, y eso cambia también la potencia transferida desde el foco caliente al motor de la invención, y la potencia de este, en definitiva.

Otros dos equipos auxiliares que son de gran utilidad para complementar las características son:

-la redefinición de los subsistemas de calentamiento, y otro de frío, de tal manera que el calor transferido al motor, sea aportado mediante flujos calientes de un líquido, que en primera selección puede ser un aceite térmico (que alcanzan los 400 °C).

En cuanto a las enfriadoras, éstas pueden utilizar agua, prácticamente a presión atmosférica.

En ambos casos lo que se obtiene es una reducción del volumen y el área de contacto necesarios para la transferencia de una determinada potencia calorífica. Esto es, mediante esos circuitos intermedios se mejora sustancialmente la velocidad de transmisión del calor, pues este aparece, generalmente, con muy baja densidad de energía, lo que implica muy grandes volúmenes para captar una parte importante de la energía residual que se quiere aprovechar. En general, sería imposible, o muy difícil, hacer un motor de las dimensiones que se requerirían para captar una determinada potencia. Meter un líquido intermedio, como un aceite sintético, para transferir la potencia térmica de manera rápida y eficiente, es una realidad en la tecnología de hoy día, pero en este caso es un fundamental aditamento que hay que incluir en el montaje de la invención. La configuración del intercambiador que al final produce el calentamiento del gas de trabajo dentro de los alimentadores puede ser de muy variada geometría y materiales, pues puede ser desde un recubrimiento esférico, dejando un huelgo interno para que pase el aceite caliente por el exterior de la esfera del alimentador, hasta una manguera o tubería de tipo helicoidal que penetre en el alimentador, y salga de él. Por último, para la correcta comprensión de esta invención, hay que tener en cuenta que la respuesta mecánica de un fluido depende esencialmente de la presión, y concretamente de su gradiente, pero no depende directamente de la temperatura, aunque ambas magnitudes estén asociadas por la ecuación de estado,

PV= NRT

Donde P es la presión, V el volumen total en el que se aplica la expresión, N es el número de moles encerrados en ese volumen, y dado que se mide en moles, R ha de ser la constante universal de gases ideales, y vale 8,35 J/mol-K, siendo T la temperatura absoluta. Alternativamente se puede dar N en kg, y en tal caso R debe estar acorde con el sistema SI de unidades, y se ha de expresar en J/kg-K. En concreto, para el Argón su peso atómico es 40, lo que significa que en 1 kg hay 25 moles, por lo cual R valdrá 209 J/kg-K.

La temperatura influye en el campo de presiones, pero no es en sí misma una variable que induzca aceleración en los fluidos, porque la agitación térmica se da isótropamente, y en física estadística se aprecia que la resultante de la agitación térmica es un movimiento nulo. De ahí que en la invención se haya hecho uso de una propiedad importantísima, que es el hecho de que la mejor manera para generar presión por incremento de energía térmica es el calentamiento isócoro, a volumen constante, que es la función que se aplica en los alimentadores de la invención.

La invención presentada tiene su definición en la descripción de los elementos físicos que la componen, pero eso se ha de completar con la explicación de la fenomenología térmica que domina el deambular del fluido de trabajo por el circuito. Esa circulación está gobernada por la distribución de presiones, y para crear ésta se debe comprobar que se cumple el balance de masa, o ecuación de continuidad; que se cumple el balance mecánico, y por tanto que la pérdida de carga manométrica es compensada por la presión aportada desde el alimentador; y que se cumple el balance de entalpía, expresado típicamente como primer principio de la Termodinámica.

Por lo que corresponde a la ecuación de continuidad, lo que viene a expresar es que, en situación estacionaria, en cualquier volumen de control, real o ideal, que se identifique en el circuito, el flujo másico (en kg/s) que entra en el volumen de control es igual que el flujo másico que sale, dado que no hay ni puntos surgentes ni sumideros en el circuito. Esto es válido para la situación estacionaria, pero no es válido para los transitorios, en particular el de arranque y los de variación de la potencia aplicada desde el exterior, y la generada por el motor, pue en estos casos si hay puntos surgentes o fuentes de fluido de trabajo, cuyo contenido en el circuito ha de aumentar cuando se quiere subir la potencia fabricada.

Lo que no puede subir es la temperatura, pues el margen de temperaturas está acotado, por arriba por el aporte externo de calor, del cual la hipótesis más coherente es que es un escape de humos a T constante. Sin embargo, el flujo de escape, en kg/s, sí puede variar, según el régimen de trabajo en que se encuentre la fuente original de ese escape.

Así pues, el motor inventado puede trabajar con mayor o menor presión del fluido de trabajo, y esto hace que este motor pueda trabajar con mayor o menor potencia, incluyendo el transitorio de arranque y el de parada. Ello se aprecia en la siguiente ecuación, del balance de calentamiento en un alimentador del motor:

Q<t>= MTCv(Tf - Ti)

Donde M<t>sería la masa total del fluido de trabajo contenido en el alimentador (en kg) que puede subir o bajar según se opere el aparato de carga del circuito, que es un elemento auxiliar del motor, pero imprescindible para su correcto funcionamiento, que proporciona que el alimentador contenga dicha masa M<t>, a la cual se le aplica un calor total Q<t>, siendo Cv su calor específico isócoro; Ti la temperatura al comienzo del calentamiento, y Tf la temperatura final de ese proceso.

Ese aparato de carga estará conectado a ambos alimentadores, y está compuesto por una válvula de eyección en cada alimentador de fluido de trabajo, cuya salida comunica con un reservorio de baja presión, donde se almacena durante un tiempo dicho fluido, hasta que pasa, mediante la acción de una bomba, al reservorio de alta presión; desde el cual puede pasar al alimentador, mediante una válvula de inyección. Aunque todos los componentes citados son convencionales, en el Modo preferente de realización de la invención se expondrá un caso novedoso de configuración de un alimentador, con todas las válvulas indicadas más el sistema de variación del contenido de gas de trabajo.

Otros elementos auxiliares importantes son los refrigeradores que rodean los conductos de trasiego del fluido de trabajo, pero su diseño específico no constituye parte de la invención, pues se trata de una función de ingeniería, la refrigeración, sobre la que haya numerosos tratados, y son por tanto varias las soluciones que puede haber para cada caso concreto.

No obstante la existencia de una pluralidad de soluciones para las etapas de intercambio de calor, existe una innovación de procedimiento que está directamente vinculada al motor inventado, y se refiere a su uso según la naturaleza y circunstancias del flujo portador del calor exterior, que se ha de aprovechar. Dado que el motor funciona según un ciclo de 4 tiempos, y solo en dos de ellos, en cada ciclo, se produce el calentamiento del fluido de trabajo, resulta que el 50% del flujo caliente disponible no puede ceder calor a ningún alimentador de la instalación, por lo que se pierde; lo cual no es aceptable para una instalación de ingeniería digna de ese nombre, y lo cual se corrige al 100% mediante una especificación de uso, que consiste en instalar dos motores, cada uno de ellos para tratar un 50% de la potencia total disponible, estando los motores sincronizados entre sí pero con un desfase de un tiempo, de tal manera que en un ciclo completo, que se divide en 4 tiempos, cada uno de estos está asignado inequívocamente para calentar un alimentador, de los que hay 4, dos de cada motor. Para ello el flujo de calor exterior que se quiere aprovechar se fracciona temporalmente en intervalos de tiempo que coinciden con la duración de una bajada del pistón principal, y el flujo de calor exterior se canaliza alternativamente a uno u otro motor, y a su vez en cada motor, se canaliza alternativamente a uno u otro alimentador. Esto se resume en la tabla siguiente, en la que A1 y A2 son lo alimentadores del motor primero, y A3 y A4 los del motor segundo:

El modo de uso admite una variante que puede aplicarse a emplear un solo motor para el aprovechamiento de la energía térmica procedente de una fuente exterior, y se basa en emplear un líquido intermedio, por ejemplo, un aceite térmico, entre la fuente de calor y los alimentadores del motor. Para ello se usa un intercambiador de calor que proporciona una corriente de líquido caliente, que se puede almacenar en las cantidades necesarias, para enviar a los alimentadores los caudales necesarios para su calentamiento, o no enviar nada, si no corresponde.

La invención se completa con variantes de montaje que permiten un cumplimiento más preciso del tipo de ciclo termodinámico sobre el cual se basa; y estás variantes se refieren, por un lado, al calentamiento a volumen constante, pues con objeto de dar tiempo a este calentamiento, se disponen más de dos alimentadores, siempre en pares, por ejemplo 4 en total en vez de 2, y su funcionamiento sigue un multiplexado en el tiempo, extendiendo la duración del calentamiento de la duración de un tiempo del pistón principal, a cinco veces esa duración.

Asimismo se mejora el resultado de la refrigeración, bien con aire, bien con agua, disponiendo un depósito de inercia de fluido de trabajo enfriado, y mantenido a la presión y temperatura más baja del circuito. Los alimentadores, cuando ya se han expansionado, e igualmente el pistón principal, mandan su contenido al depósito intermedio, desde el cual, aclimatados ahí a la temperatura y presión mínimas del ciclo, se cargan en el alimentador que corresponda.

Breve descripción de las figuras

Se describe aquí de forma breve una figura a modo de ejemplo no limitativo, que ayuda a comprender mejor la invención:

Figura 1: muestra un diagrama esquemático de los elementos principales que conforman el motor térmico, de acuerdo con una primera forma de realización del motor térmico objeto de la presente invención.

Figura 2: muestra un diagrama esquemático del motor térmico de la Figura 1, que representa el funcionamiento del motor térmico durante el primero de los cuatro tiempos de su ciclo de funcionamiento.

Figura 3: muestra un diagrama esquemático del motor térmico de la Figura 1, que representa el funcionamiento del motor térmico durante el segundo de los cuatro tiempos de su ciclo de funcionamiento.

Figura 4: muestra un diagrama esquemático del motor térmico de la Figura 1, que representa el funcionamiento del motor térmico durante el tercero de los cuatro tiempos de su ciclo de funcionamiento.

Figura 5: muestra un diagrama esquemático del motor térmico de la Figura 1, que representa el funcionamiento del motor térmico durante el cuarto y último tiempo de su ciclo de funcionamiento.

Figura 6: muestra una posible forma de realización del sistema de gestión de gestión del flujo del fluido de trabajo en los alimentadores.

Figura 7: muestra de manera esquemática la evolución termodinámica del fluido o gas de trabajo a lo largo de un ciclo de funcionamiento del motor térmico, objeto de la presente invención.

Figura 8: muestra un diagrama esquemático de los elementos principales que conforman el motor térmico, de acuerdo con una segunda forma de realización del motor térmico objeto de la presente invención.

Figura 9: muestra un diagrama esquemático de una posible variante del motor térmico de la Figura 8.

Descripción detallada

En la Figura 1 se muestra un esquema que expone todos los elementos relevantes del motor térmico, según una primera forma de realización de la invención, en donde se muestran también los conductos que conectan los distintos elementos del motor térmico entre sí.

La Figura 2 representa el estado del motor térmico durante el tiempo del ciclo que se ha escogido como primero. El alimentador A1 está descargando sobre el émbolo del pistón principal, B.

La Figura 3 representa el estado del motor térmico durante el segundo tiempo del ciclo.

La Figura 4 representa el estado del motor térmico durante el tercer tiempo del ciclo.

La Figura 5 representa el estado del motor térmico durante el cuarto tiempo del ciclo.

La Figura 6 presenta una configuración del sistema de variación (o sistema de gestión) del flujo de gas de trabajo en los alimentadores. En la Figura 6 se muestra, a modo de ejemplo, la gestión de la cantidad de fluido de trabajo en el alimentador A2.

La gestión de la cantidad de fluido de trabajo en los alimentadores es importante para adaptar la potencia del motor térmico a las disponibilidades de la fuente de calor. Este sistema de gestión comprende un aparato de carga conectado a los alimentadores, y está compuesto por una válvula de eyección (Z21) en cada alimentador de fluido de trabajo, cuya salida comunica con un reservorio de baja presión (Z23), donde se almacena durante un tiempo dicho fluido, hasta que pasa, mediante la acción de una bomba (Z24), al reservorio de alta presión (Z25); desde el cual puede pasar al alimentador, mediante una válvula de inyección (Z26), no produciéndose flujo de fluido ni de carga ni de descarga, cuando ambas válvulas están cerradas.

Las Figuras llevan un etiquetado alfa-numérico que permite la identificación precisa de los elementos que componen cada una de las formas de realización del motor térmico objeto de la invención, y que obedecen a las siguientes relaciones:

A1: alimentador del ramal impar

A2: alimentador del ramal par

B: pistón principal

C: pistón secundario

D: pistón terciario

E1: aportación de calor al alimentador del ramal impar, desde la fuente externa

E2: aportación de calor al alimentador del ramal par, desde la fuente externa

F1: enfriador, que refrigera desde el foco frío exterior, situado en el conducto de trasiego de C a A1, controlado dicho trasiego por la válvula Gca1

F2: enfriador, que refrigera desde el foco frío exterior, situado en el conducto de trasiego de C a A2, controlado dicho trasiego por la válvula Gca2

F3: enfriador, que refrigera desde el foco frío exterior, situado en el conducto de trasiego de D a A1, controlado dicho trasiego por la válvula Gda1

F4: enfriador, que refrigera desde el foco frío exterior, situado en el conducto de trasiego de D a A2, controlado dicho trasiego por la válvula Gda2

F5: enfriador, que refrigera desde el foco frío exterior, situado en el conducto de trasiego de A1 a D, controlado dicho trasiego por la válvula Ga1d

F6: enfriador, que refrigera desde el foco frío exterior, situado en el conducto de trasiego de A2 a D, controlado dicho trasiego por la válvula Ga2d

F7: enfriador, que refrigera desde el foco frío exterior, situado en el conducto de trasiego de B a C, controlado dicho trasiego por la válvula Gbc

Gbc: válvula que controla el paso de gas de trabajo desde el pistón principal B, al secundario C

Ga1b: válvula que controla la descarga en expansión de gas desde el alimentador A1 al pistón principal B

Ga2b: válvula que controla la descarga en expansión de gas desde el alimentador A2 al pistón principal B

Ga1d: válvula que controla la descarga desde A1 succionada por el pistón terciario, D

Ga2d: válvula que controla la descarga desde A2 succionada por el pistón terciario, D Gca1: válvula que controla la carga de A1 impulsada por el pistón secundario, C

Gca2: válvula que controla la carga de A2 impulsada por el pistón secundario, C

Gda1: válvula que controla la carga de A1 impulsada por el pistón terciario,

D

Gda2: válvula que controla la carga de A2 impulsada por el pistón terciario,

D

Además, están representados y etiquetados los elementos relevantes del sistema de calentamiento y gestión del flujo másico del fluido o gas de trabajo (incremento o disminución de su contenido) según se expone en la Figura 6.

En la Figura 6 se muestra, a modo de ejemplo, el alimentador A2.

E2e: entrada del fluido en el calefactor de A2

E2s: salida del fluido del calefactor de A2

Z21: válvula de extracción del gas de trabajo, desde el alimentador A2

Z22: depósito de baja presión del gas de trabajo

Z23: colector de conexión entre el depósito al baja presión y el de alta.

Z24: compresor en el colector de conexión Z23

Z25: depósito de alta presión de gas de trabajo

Z26: válvula de inyección de gas de trabajo en el alimentador A2

En la Figura 7 se presenta la evolución termodinámica del gas de trabajo a lo largo de un ciclo, y su análisis es indispensable, pues resume la Física de la invención. Debe observarse ante todo que el ciclo sólo tiene tres etapas, en esta representación, porque los tiempos pueden solaparse poniendo dos de ellos, como ahora se dirá, de manera subsiguiente, como el mismo efecto en dos tiempos subsiguientes, uno en la succión de fluido de trabajo por parte de los pistones secundario y terciario, y otro el de la inyección de este fluido dentro del alimentador correspondiente, lo cual se plasma en las isóbaras tipo línea desde el punto 2 al 3. Esa isóbara de enfriamiento está destinada a que en el punto 3 se vuelvan a tener las condiciones de inicio del ciclo precedente.

También hay que tener en cuenta que la etapa desde el punto 3 al 1 tiene también doble efecto sobre el fluido de trabajo, porque lo comprime y calienta a la vez. Eso se debe a que en el alimentador se realiza un calentamiento a volumen constante, y la Presión y la Temperatura evolucionarán proporcionalmente entre sí. Pero también impone limitaciones al ciclo, pues no se pueden elegir los valores de las variables termodinámicas arbitrariamente, dado que el ciclo ha de cerrarse con toda precisión, en función de dos condiciones de contorno que son la Temperatura más alta alcanzable en el ciclo, y la Temperatura más baja, que respectivamente se llaman T1 y T3.

Para mejor explicar la invención, la tabla siguiente indica la función que realiza cada componente en un determinado tiempo, de los cuatro que configuran sucesivamente un ciclo completo del movimiento mecánico del motor, que corresponde a dos revoluciones completas.

La Figura 8 presenta la segunda forma de realización del motor térmico de la invención en la que, en vez de haber dos alimentadores para un cilindro principal, que es el mínimo necesario, se utilizan cuatro, multiplexando su actuación en el tiempo.

En la Figura 8 se emplean unas etiquetas o referencias alfanuméricas para los alimentadores adicionales, que incluyen una tilde que en matemáticas se lee como “prima”, y corresponden a los alimentadores A’1 y A ’2.

Además se emplea esa misma tilde en las válvulas que conectan con dichos alimentadores, que además tienen respectivamente los sistemas de calentamiento E’1 y E’2. Las válvulas que aparecen en la Figura 8 son:

Ga’1b: válvula que controla la descarga en expansión de gas desde el alimentador A’1 al pistón principal B

Ga’2b: válvula que controla la descarga en expansión de gas desde el alimentador A’2 al pistón principal B

Ga’1d: válvula que controla la descarga desde A’1 succionada por el pistón terciario, D

Ga’2d: válvula que controla la descarga desde A’2 succionada por el pistón terciario, D

Gca’1: válvula que controla la carga de A ’1 impulsada por el pistón secundario, C G ca ’2: vá lvu la que contro la la carga de A ’2 im pulsada por el p istón s ecundario , C

G da ’1: vá lvu la que contro la la carga de A ’1 im pulsada por el pistón terc iario , D

G da ’2: vá lvu la que contro la la carga de A ’2 im pulsada por el p istón terc iario , D

Los elementos relevantes del sistema de calentamiento y gestión del flujo másico del gas de trabajo (incremento o disminución de su contenido) son los que se exponen en la Figura 6.

La Figura 9 representa una variante del motor térmico de la Figura 8, en donde, además de eliminarse las disposiciones de elementos relacionados con la refrigeración del fluido de trabajo, se ha incorporado un depósito de inercia térmica (H), en el que se almacena dicho fluido para alcanzar la temperatura y la presión más bajas. Desde allí se inyectan, con dichas temperatura y presión, en el correspondiente alimentador. Las etiquetas de designación de equipos y componente son;

H: depósito intermedio de inercia, de baja T y P

J: pistón de carga del fluido de trabajo desde el depósito H a los alimentadores

K: pistón de descarga de los alimentadores, y de carga del depósito H

Las nuevas válvulas añadidas son:

Gbh: válvula que controla la descarga desde el pistón principal al depósito H

Ghj: válvula que controla la descarga desde el depósito H al pistón J

Gkh: válvula que controla la descarga desde el pistón K al depósito H

Gja1: válvula que controla la carga desde J al alimentador A1

Gja’1: válvula que controla la carga desde J al alimentador A’1

Gja2: válvula que controla la carga desde J al alimentador A2

Gja’2: válvula que controla la carga desde J al alimentador A’2

Gal k: válvula que controla la descarga desde el alimentador A1 al pistón K

Ga’lk : válvula que controla la descarga desde el alimentador A ’1 al pistón K

Ga2k: válvula que controla la descarga desde el alimentador A2 al pistón K

Ga’2k: válvula que controla la descarga desde el alimentador A’2 al pistón K

A continuación se describe el funcionamiento del motor térmico de la invención, según un modo preferente.

Ante todo, una invención termodinámica debe demostrar que es factible, es decir, que no está viciada por argumentos que incumplen los principios y leyes de esta ciencia. Para ello se utiliza la representación de su ciclo en un diagrama cartesiano de presión y volumen, que corresponde a la Figura 7. Para ello se usan además unos parámetros que sirven para caracterizar adecuadamente el ciclo.

Se define el factor de Carnot<t>como el cociente:

Así pues, en el calentamiento isócoro se tiene también P1=tP3. Ello implica que la presión P2 de final de la expansión no puede ser menor que la P3, pues se necesitaría un compresor mecánico para recuperar el nivel de P3 que es indispensable para cerrar el ciclo, lo cual no está incluido en la invención. El valor mínimo ideal de P2 sería exactamente P3, pero en la realidad el paso del final de la expansión hasta el inicio del calentamiento isócoro, requiere cierta caída de presión, de modo que en una representación más realista, el final de la expansión no llegaría al punto 2, sino que se quedaría en el 2’. Esto proporcionaría el pequeño gradiente de presión que ayudaría a que el fluido de trabajo pasara a través de los pistones secundario y terciario para llenar el alimentador que va a ser sometido al calentamiento isócoro.

La expansión del gas así calentado se efectúa contra lo que puede considerarse una pared desplazable, contra la cual se aplica la fuerza de la presión, que ha de ser mayor que la presión que hay que vencer para desplazar el émbolo. La fase de expansión puede realizarse según distintos modos, comenzando por una transformación muy habitual, que es la adiabática, que se rige por la expresión siguiente, que liga la Presión P, el Volumen específico V y la razón entre calores específicos a presión y volumen constante,<y>:

Y en la cual no hay aportación de calor. Por el contrario, si se produce aportación, la expansión se iría pareciendo a una isoterma, de ecuación PV=constante.

Podría haber situaciones intermedias, en las que se aporta calor, pero menos que en la isoterma. Con carácter general se puede estudiar la expansión con la aproximación politrópica, en la que el exponente q de la ecuación:

puede variar desde 1 para la isoterma hasta<y>para la adiabática.

La relación entre presión y temperatura es

Con esta formulación, se llega a las siguientes relaciones para el Trabajo, W; y calor transferido, Q, todo ello expresado en magnitudes específicas (por unidad de masa):

Para el calentamiento a volumen constante, la ecuación es:

Téngase en cuenta que una isócora es una politrópica con q tendiendo a infinito.

En términos generales, se puede escribir:

Para la expansión adiabática Cq es nulo, y para la isoterma (q=1) sale infinito, porque siendo isoterma no puede cambiar de T, lo cual requiere matemáticamente irse al infinito con la energía aportada. Para una isócora, donde q es infinito, Cq es igual a Cv.

Nótese que entre q=1 y q=Y el valor de Cq es negativo, pues efectivamente el fluido de trabajo pierde parte de su energía interna para expansionarse, haciendo un trabajo.

Con las ecuaciones anteriores se puede hallar el rendimiento que tiene este motor, convirtiendo en energía mecánica el calor de desecho que se emplea para calentar los alimentadores. Para ello se utiliza, primero, la hipótesis más habitual, que es la adiabática, que aplicaremos al argón, que es monoatómico, y por tanto con<y>=5/3.

A partir de<t>, ya definido, se define 0, que es la razón de temperaturas en la expansión:

Aplicando el Primer Principio a una expansión adiabática, el trabajo realizado hacia afuera es igual a la pérdida de energía interna, es decir:

Y el calor aportado desde la fuente externa en un calentamiento a volumen constante, es:

El rendimiento se entiende aquí como la fracción de calor original (de desecho) que se convierte en energía mecánica. O más exactamente, se define como el máximo de energía que puede transferirse a la biela del pistón principal, respecto de la cantidad de energía térmica que ha recibido de la fuente de calor. Es decir, no se cuenta el efecto mecánico que en verdad se puede absorber por parte del cigüeñal, que a su vez depende del par resistente que lo intente frenar. Tampoco se cuenta el calor que ha de llevarse el foco frío, pues éste no tiene precio ni limitaciones inmediatas. El rendimiento £ queda pues:

La tabla siguiente muestra el valor del rendimiento en un ciclo totalmente idealizado, sin pérdidas, de un gas ideal monoatómico:

Lo más sobresaliente de esta tabla es le escasa variación del rendimiento cuando baja (y mucho) la razón entre las temperaturas máxima y mínima. Téngase en cuenta que el rendimiento de Carnot es (<t>-1)/<t>, que es un factor que aparece en la ecuación de £, y que puede ser menor que £. De hecho, el rendimiento de Carnot para<t>=1 ,5 es 0,33; pero téngase en cuenta que no son comparables, pues en Carnot si se considera el foco frío, y en £ no se tiene en cuenta, por el carácter de recuperación del calor desechado que tiene esta invención.

En todo caso, es muy interesante que el valor de £ se mantenga alto aunque<t>baje. Esto es básico para sacar provecho de escapes de fluidos calientes de no muy alta temperatura. La explicación de esto se encuentra en que la forma triangular del ciclo mantiene cierta autosemejanza al reducir su tamaño, esencialmente reduciendo<t>.

Las ecuaciones que preceden son de aplicabilidad general, pero lógicamente en el dimensionamiento real de los componentes del ciclo se han de tener en cuenta otras ramas de la ingeniería, como la mecánica de fluidos, para calcular las velocidades de los trasiegos y demás, la resistencia de materiales, los accionamientos de las válvulas, etc. A continuación, se expone una metodología, sobre un ejemplo, de una manera de dimensionar el ciclo, sus componentes, y sus conexiones.

Como hipótesis de trabajo se va a considerar que T3 =300 K y T1=600 K, y que se tiene argón como gas de trabajo, para el cual R=209 J/kg-K y por tanto Cv=314 J/kg-K. Se va a suponer también que el flujo caliente externo capturado por el motor (por sus alimentadores) es de 100 kW, de modo que en el calentamiento isócoro se tiene:

La masa total es función de la longitud total del circuito y de la velocidad que se escoja para los diversos fenómenos involucrados. Por ejemplo, los pistones de los motores de combustión interna se mueven durante cada carrera con una velocidad media entre 10 y 12 m/s. Si se escoge, un cilindro de longitud de carrera igual a su diámetro, su volumen será nD 3/4, Si se escoge un diseño lento para que se puedan efectuar las transferencias de calor con mayor garantía, y se fija en 1.000 rpm, cada revolución, que son dos carreras, durará 0,06 s, de modo que la longitud de la carrera de D metros estará condicionada por la velocidad media del cilindro. Antes se dieron los valores de motores de combustión interna, pero en esta invención se opta por velocidades menores, por ejemplo 2 m/s, y en este caso se tiene D=0,03-2= 0,06 m (6 cm) y el volumen sería 0,000678 m3, es decir, 0,678 litros, y en ese volumen debería caber la masa identificada, 1,06 kg.

Una hipótesis que va subyacente en la descripción de la invención y en su materialización es que el tiempo requerido para la transmisión de calor en una etapa determinada del ciclo termodinámico, es del orden del tiempo impuesto por la acción mecánica, lo cual en general no es cierto, pues la velocidad de transmisión asociada a la difusividad térmica, es mucho menor que la velocidad mecánica debida al gradiente de presiones al que está sometido el mismo sistema. Más aún, las películas de convección a un lado y otro de la pared (metálica, generalmente) a través de la cual se hace la transmisión de calor, comportan un retraso temporal que hace inviable un calentamiento rápido, salvo que se mantenga una gran diferencia de temperaturas entre el fluido caliente y el frío; pero si hace esto, la temperatura alcanzable en el fluido frío queda muy por debajo de la que tiene de máxima el fluido caliente.

En resumen, es preciso encontrar un montaje del motor térmico de la invención que proporcione más tiempo para el calentamiento isócoro , lo cual se consigue aumentando el número de alimentadores que trabajan con un cilindro principal, y haciendo un multiplexado temporal con ellos, de modo que el fluido de trabajo, en el ciclo que realmente sigue, está mayor tiempo calentándose a partir del fluido que viene del exterior, que expandiéndose en el cilindro. Este montaje del motor térmico de la invención se muestra en la Figura 8 para el caso de dos alimentadores adicionales.

Para la correcta explicación del multiplexado temporal de los alimentadores, a continuación se da una tabla que indica en qué actividad se encuentra cada componente principal del motor, cuya pieza fundamental en cuanto al trabajo realizado es el pistón B. Cada fila de la tabla es un tiempo del motor, cuyo pistón B o está sufriendo una expansión, y por ende ejerciendo un trabajo, o está subiendo hacia su punto muerto superior, vaciando los restos de la expansión en el pistón secundario C.

En la tabla se emplean las siguientes abreviaturas:

Cal: calentamiento a volumen constante

Exp: expansión

BaC: trasiego desde B a C

aX: carga desde el componente de dicha columna al alimentador X (donde X puede ser A1, A ’1, A2, A’2

Lleno: el alimentador se encuentra lleno al final de ese tiempo (merced a lo recibido desde C y D)

aD: trasiego desde el alimentador que corresponde a esa columna al pistón terciario D. dX: se llena del trasiego desde X

Hay que subrayar que todos los conductos que parten del pistón secundario C o llegan a C han de estar refrigerados, e igualmente todos los conductos que parten del pistón terciario D o llegan a D han de estar refrigerados; y de manera similar, todos los conductos de calentamiento de todos los alimentadores deben estar siempre calentando éstos, por lo cual se han eliminado de los dibujos y de las prescripciones de funcionamiento las referencias a estas válvulas, pues no tienen ningún papel durante el funcionamiento (están siempre abiertas).

En la tabla siguiente se especifican las válvulas que han de estar abiertas en cada tiempo, que están marcadas con A; las demás cerradas, para conseguir un funcionamiento como el señalado en la tabla anterior. En la tabla presentada aquí a continuación, solo se han presentado 8 tiempos, porque con el montaje seguido en la segunda forma de realización de la invención, que corresponde con la Figura 8, las especificaciones de las válvulas se repiten cíclicamente, cada 8 tiempos.

Para materializar el motor térmico de la invención es preciso disponer de los elementos que la componen, que son varios alimentadores, todos del mismo tamaño, y todos dotados del mecanismo de incrementar o de reducir la cantidad de fluido de trabajo que llena el circuito, lo cual tiene obviamente su repercusión en la potencia total del sistema.

El volumen de los cilindros de los pistones se debe acompasar con los ratios que se prevén entre temperaturas extremas de ciclo, que son los valores de T1 y T3 en la Figura 7, más el valor de T2, que en el ciclo ideal se calcula a partir de la presión con la que acaba la expansión, que se puede suponer adiabática en primera aproximación, si no se dispone de un coeficiente politrópico más preciso. Se tienen las siguientes ecuaciones

Y para el punto 2, se tiene

Donde Vi es el volumen del alimentador, y V2 es el volumen de éste más el del cilindro del pistón. Así pues el volumen de B sería V2 - Vi.

El volumen del pistón secundario C sería igual (o muy similar) al de B; mientras que el volumen del pistón terciario D sería igual o mayor que el del alimentador, pues tiene que vaciarlo tras la expansión, una vez se ha cerrado la válvula de conexión del alimentador (que corresponda) con el pistón principal B; en el proceso de vaciado hacia D del fluido que había quedado en el alimentador se procede a su enfriamiento, para lo cual se puede usar el tubo o tubos de conexión hidráulica desde el alimentador al pistón D, y viceversa, porque el objetivo de esa doble función, vaciar y rellenar, es poner de nuevo al fluido en condiciones de inicio de ciclo, y que en el alimentador se pueda cargar la cantidad de calor previsto en el funcionamiento. Ello depende del foco frío disponible, pero la Física del caso sigue los patrones de evolución térmica descritos aquí.

En cuanto a la variante de la Figura 9, respecto del foco frío, con objeto de acercarse lo más posible al ciclo termodinámico que sigue esta invención, ésta incluye un depósito de inercia térmica en el que se almacena fluido de trabajo a los mínimos valores de presión y temperatura que requiere el ciclo, existiendo además un pistón complementario, J, que proporciona la carga sucesiva de los alimentadores, a partir del depósito de inercia, H, que se llena con la descarga del pistón principal B, más las descargas desde los alimentadores, canalizadas por un segundo pistón complementario, K, obteniéndose el adecuado flujo del fluido de trabajo, y obteniéndose así mismo la energía mecánica por las expansiones del pistón principal, y manejando la apertura y cierre de válvulas para permitir el paso del fluido de trabajo exclusivamente por donde corresponde a cada tiempo, de tal modo que siendo, para un motor con 4 alimentadores, las válvulas de este montaje las siguientes:

Gbh; válvula que controla la descarga desde el pistón principal al depósito H

Ghj: válvula que controla la descarga desde el depósito H al pistón J

Gkh: válvula que controla la descarga desde el pistón K al depósito H

Gja1: válvula que controla la carga desde J al alimentador A1

Gja’1: válvula que controla la carga desde J al alimentador A’1

Gja2: válvula que controla la carga desde J al alimentador A2

Gja’2: válvula que controla la carga desde J al alimentador A’2

Ga1 k: válvula que controla la descarga desde el alimentador A1 al pistón K

Ga’1k: válvula que controla la descarga desde el alimentador A ’1 al pistón K

Ga2k: válvula que controla la descarga desde el alimentador A2 al pistón K

Ga’2k: válvula que controla la descarga desde el alimentador A’2 al pistón K

la tabla siguiente marca las prescripciones de funcionamiento, dadas en función de los estados de apertura, que se identifican por A, estando las válvulas cerradas el resto de tiempo no corresponde a A

y con la disposición de válvulas dada, se obtiene la sucesión de tiempos indicada en la tabla siguiente:

Una vez descrita de forma clara la invención, se hace constar que las realizaciones particulares anteriormente descritas son susceptibles de modificaciones de detalle siempre que no alteren el principio fundamental y la esencia de la invención.

Claims (9)

1. REIVINDICACIONES 1. Motor térmicocaracterizadopor que comprende una pluralidad de elementos que conforman un circuito cerrado de un fluido de trabajo, donde el motor térmico comprende: - al menos un primer alimentador (A1) que comprende un recipiente estanco para el fluido de trabajo, donde el primer alimentador (A1) se encuentra situado en un primer ramal del circuito cerrado del fluido de trabajo, y dispone de válvulas de apertura controlada; - al menos un segundo alimentador (A2) que comprende un recipiente estanco para el fluido de trabajo, donde el segundo alimentador (A2) se encuentra situado en un segundo ramal del circuito cerrado del fluido de trabajo y dispone de válvulas de apertura controlada; - un pistón principal (B) situado en correspondencia con un cilindro principal, donde el pistón principal (B) está conectado a un eje del motor térmico por medio de una biela y manivela y un cigüeñal; donde el pistón principal (B) está configurado para desplazarse, en cada ciclo de funcionamiento del motor térmico, al menos dos veces en dirección de compresión en el cilindro principal y al menos dos veces en dirección de expansión en el cilindro principal, y donde el cilindro principal está configurado para: <o>llenarse con fluido de trabajo tomado alternativamente del al menos un primer alimentador (A1) y del al menos un segundo alimentador (A2) en cada movimiento de expansión del pistón principal (B), a través de la válvula correspondiente y; <o>expulsar fluido de trabajo en cada movimiento de compresión del pistón principal (B), enviando dicho fluido de trabajo a un cilindro secundario a través de la válvula correspondiente; - un pistón secundario (C) situado en correspondencia con el cilindro secundario, donde el pistón secundario (C) está configurado para desplazarse, en cada ciclo de funcionamiento del motor térmico, al menos dos veces en dirección de compresión en el cilindro secundario y al menos dos veces en dirección de expansión en el cilindro secundario; donde el pistón secundario (C) está configurado para moverse en dirección de expansión cuando el pistón principal (B) se mueve en dirección de compresión y viceversa, donde el cilindro secundario está configurado para: <o>llenarse con fluido de trabajo tomado del cilindro principal en cada movimiento de expansión del pistón secundario (C), a través de la válvula existente al efecto y; <o>expulsar fluido de trabajo en cada movimiento de compresión del pistón secundario (C), enviando dicho fluido de trabajo a un alimentador (A1, A2) a través de la válvula existente al efecto; - un pistón terciario (D) situado en correspondencia con un cilindro terciario, donde el pistón terciario (D) está configurado para desplazarse, en cada ciclo de funcionamiento del motor térmico, al menos dos veces en dirección de compresión en el cilindro terciario y al menos dos veces en dirección de expansión en el cilindro terciario; donde el pistón terciario (D) está configurado para moverse en dirección de expansión cuando el pistón principal (B) se mueve en dirección de compresión y viceversa, donde el cilindro terciario está configurado para: <o>llenarse con fluido de trabajo tomado de un alimentador (A1, A2) en cada movimiento de expansión del pistón terciario (D), y; <o>expulsar fluido de trabajo en cada movimiento de compresión del pistón terciario (D), enviando dicho fluido de trabajo a un alimentador (A1, A2). donde los alimentadores (A1, A2) están configurados para que, dentro de ellos, el fluido de trabajo se caliente mediante el calor recibido de un fluido caloportador externo.
2. 2. Motor térmico según la reivindicación 1,caracterizadopor que el motor térmico comprende sólo dos alimentadores (A1, A2), donde: - el pistón principal (B) está configurado para desplazarse, en cada ciclo de funcionamiento del motor térmico, dos veces en dirección de compresión en el cilindro principal y dos veces en dirección de expansión en el cilindro principal; de manera que: <o>en un primer sub-ciclo de compresión y expansión del pistón principal (B), durante el movimiento de expansión del pistón principal (B), el cilindro principal está configurado para estar conectado al primer alimentador (A1) mediante la apertura de una válvula de descarga del primer alimentador (Ga1b), y; <o>en un segundo sub-ciclo de compresión y expansión del pistón principal (B) , durante el movimiento de expansión del pistón principal (B), el cilindro principal está configurado para estar conectado al segundo alimentador (A2) mediante la apertura de una válvula de descarga del segundo alimentador (Ga2b); <o>en el primer sub-ciclo y en el segundo sub-ciclo de compresión y expansión del pistón principal (B), durante el movimiento de compresión del pistón principal (B), el cilindro principal está configurado para estar conectado al cilindro secundario mediante la apertura de una válvula de paso (Gbc); - el pistón secundario (C) está configurado para desplazarse, en cada ciclo de funcionamiento del motor térmico, dos veces en dirección de compresión en el cilindro secundario y dos veces en dirección de expansión en el cilindro secundario, de manera que: <o>en un primer sub-ciclo de compresión y expansión del pistón secundario (C) : ■ durante el movimiento de compresión del pistón secundario (C), el cilindro secundario está configurado para estar conectado al segundo alimentador (A2) mediante la apertura de una segunda válvula de carga (Gca2), y; ■ durante el movimiento de expansión del pistón secundario (C), el cilindro secundario está configurado para estar conectado al cilindro principal mediante la apertura de la válvula de paso (Gbc), y; <o>en un segundo sub-ciclo de compresión y expansión del pistón secundario (C): ■ durante el movimiento de compresión del pistón secundario (C), el cilindro secundario está configurado para estar conectado al primer (A1) mediante la apertura de una primera válvula de carga (Gca1), y; ■ durante el movimiento de expansión del pistón secundario (C), el cilindro secundario está configurado para estar conectado al cilindro principal mediante la apertura de la válvula de paso (Gbc); - el pistón terciario (D) está configurado para desplazarse, en cada ciclo de funcionamiento del motor térmico, dos veces en dirección de compresión en el cilindro terciario y dos veces en dirección de expansión en el cilindro terciario, de manera que: <o>en un primer sub-ciclo de compresión y expansión del pistón terciario (D): ■ durante el movimiento de compresión del pistón terciario (D), el cilindro terciario está configurado para estar conectado al segundo alimentador (A2) mediante la apertura de una cuarta válvula de carga (Gda2), y; ■ durante el movimiento de expansión del pistón terciario (D), el cilindro terciario está configurado para estar conectado al primer alimentador (A1) mediante la apertura de una primera válvula de succión (Ga1d), y; <o>en un segundo sub-ciclo de compresión y expansión del pistón terciario (D): ■ durante el movimiento de compresión del pistón terciario (D), el cilindro terciario está configurado para estar conectado al primer alimentador (A1) mediante la apertura de una tercera válvula de carga (Gda1), y; ■ durante el movimiento de expansión del pistón terciario (D), el cilindro terciario está configurado para estar conectado al segundo alimentador (A2) mediante la apertura de una segunda válvula de succión (Ga2d).
3. 3. Motor térmico según la reivindicación 1,caracterizadopor que comprende: - al menos un tercer alimentador (A’1) situado en el primer ramal del circuito cerrado del fluido de trabajo; - al menos un cuarto alimentador (A’2) situado en el segundo ramal del circuito cerrado del fluido de trabajo; donde el motor térmico está configurado para: - multiplexar la actuación de las válvulas que conectan cada alimentador (A1, A ’1, A2, A’2) al cilindro principal durante los movimientos de expansión del pistón principal (B); - multiplexar la actuación de las válvulas que conectan cada alimentador (A1, A ’1, A2, A ’2) al cilindro secundario durante los movimientos de compresión del pistón secundario (C); - multiplexar la actuación de las válvulas que conectan cada alimentador (A1, A ’1, A2, A’2) al cilindro terciario durante los movimientos de compresión y expansión del pistón terciario (D).
4. 4. Motor térmico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3,caracterizadoporque existen unos refrigeradores que rodean los conductos de trasiego del fluido de trabajo, y todos los conductos que parten del pistón secundario C o llegan a C han de estar refrigerados, e igualmente todos los conductos que parten del pistón terciario D o llegan a D han de estar refrigerados; y asimismo los alimentadores estarán calentados exteriormente por el fluido exterior caliente.
5. 5. Motor térmico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,caracterizadopor que comprende un sistema de gestión del flujo de fluido de trabajo en los alimentadores (A1, A’1, A2, A’2).
6. 6. Motor térmico según la reivindicación 5,caracterizadopor que el sistema de gestión del flujo de fluido de trabajo en los alimentadores (A1, A ’1, A2, A’2) comprende un aparato de carga conectado a los alimentadores (A1, A’1, A2, A’2), donde dicho aparato de carga comprende: - una válvula de eyección (Z21) en cada alimentador (A1, A ’1, A2, A’2) de fluido de trabajo, cuya salida comunica con un reservorio de baja presión (Z23), configurado para almacenar durante un tiempo dicho fluido de trabajo; - una bomba (Z24) configurada para impulsar y presurizar el fluido de trabajo desde el reservorio de baja presión (Z23) a un reservorio de alta presión (Z25), y; - una válvula de inyección (Z26), configurada para controlar el paso del fluido de trabajo desde el reservorio de alta presión (Z25) hacia el alimentador correspondiente (A1, A ’1, A2, A’2).
7. 7. Motor térmico según reivindicación 2,caracterizadoporque la exactitud en la ejecución del ciclo se consigue por la sincronía en el movimiento de los émbolos de los pistones, y las aperturas y cierres de las diversas válvulas que regulan el paso de un componente a otro, y en cuanto a la sincronía entre pistones, hay que señalar que tal como el pistón principal baja, en la expansión, desde su punto muerto superior a su punto muerto inferior, los pistones secundario y terciario se mueven en sentido intrínseco contrario, cada uno desde su punto muerto inferior al superior; y viceversa cuando el pistón principal sube desde su punto muerto inferior al superior, y va evacuando gas hacia el pistón secundario, éste va bajando desde el punto muerto superior al inferior; e igualmente va bajando el pistón terciario, succionando parte del gas que haya quedado dentro del alimentador que hubiera hecho la expansión última; lo cual se complementa, en cuanto a las válvulas, con la regla general a aplicar que es que sólo se abran las estrictamente necesarias, lo cual se especifica identificando cada válvula o grifo por la letra G seguida en minúsculas por las iniciales de los componentes que a continuación se asignan, que son -a1 para el alimentador del ramal impar -a2 para el alimentador del ramal par -b para el pistón principal -c para el pistón secundario -d para el pistón terciario -e para los calentadores provenientes de la fuente caliente externa -f para los enfriadores provenientes de la fuente fría, teniendo los componentes las siguientes funciones en cada uno de los cuatro tiempos,

   señalando que las válvulas que han de estar abiertas en cada tiempo, y las demás cerradas, son las siguientes: Tiempo 1: Ga1b; Gca2; Gda2; Gea1; Gfca2; Gfda2 Tiempo 2; Gbc; Ga1d; Gea2; Gfbc; Gfa1d Tiempo 3: Ga2b; Gca1; Gda1; Gea2; Gfca1; Gfda1 Tiempo 4: Gbc; Ga2d; Gea1; Gfbc; Gfa2d
8. 8. Motor térmico según reivindicaciones anteriores,caracterizadoporque el flujo de calor exterior que se quiere aprovechar se fracciona temporalmente en intervalos de tiempo que coinciden con la duración de una bajada del pistón principal, y el flujo de calor exterior se canaliza alternativamente a uno u otro motor, y a su vez en cada motor, se canaliza alternativamente a uno u otro alimentador, estando los motores sincronizados entre sí pero con un desfase de un tiempo, de tal manera que en un ciclo completo, que se divide en 4 tiempos, cada uno de estos está asignado inequívocamente para calentar un alimentador, de los que hay 4, dos de cada motor, que en la tabla siguiente corresponden los alimentadores A1 y A2 a un motor, y los alimentadores A3 y A4 al otro motor
9. 9. Motor térmico según reivindicaciones anteriores,caracterizadoporque el flujo de refrigeración necesario para enfriar el fluido de trabajo en la parte correspondiente del ciclo, se constituye con un depósito de inercia térmica en el que se almacena fluido de trabajo a los mínimos valores de presión y temperatura que requiere el ciclo, existiendo además un pistón complementario, J, que proporciona la carga sucesiva de los alimentadores, a partir del depósito de inercia, H, que se llena con la descarga del pistón principal B, más las descargas desde los alimentadores, canalizadas por un segundo pistón complementario, K, obteniéndose el adecuado flujo del fluido de trabajo, y obteniéndose así mismo la energía mecánica por las expansiones del pistón principal, según los tiempos de la tabla siguiente

   para lo cual se han de mantener cerradas todas las válvulas, excepto aquellas que estén señaladas con A en cada tiempo en la tabla siguiente, que deben estar abiertas