MX2008015306A - Metodo y dispositivo para la conversion de energia termica en trabajo mecanico. - Google Patents

Metodo y dispositivo para la conversion de energia termica en trabajo mecanico.

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Abstract

La invención se relaciona con un método para convertir energía térmica en trabajo mecánico. El método referido comprende las siguientes etapas que son realizadas en forma circular: un fluido de trabajo líquido es alimentado de un depósito (1) de reserva a un tanque (3) de trabajo; el fluido de trabajo en el tanque (3) de trabajo es calentado por un primer cambiador (5) de calor; una fracción del fluido de trabajo fluye del tanque (3) de trabajo a un convertidor (8) neumático-hidráulico, un fluido hidráulico del convertidor (8) neumático-hidráulico es comprimido en una máquina (9) de trabajo con la finalidad de convertir el trabajo hidráulico del fluido hidráulico en trabajo mecánico; el fluido de trabajo del convertidor (8) neumático-hidráulico es retornado al depósito (1) de reserva y el fluido hidráulico es retornado al convertidor (8) neumático-hidráulico. La invención se relaciona también con un dispositivo para llevar a cabo el método referido.

Description

METODO Y DISPOSITIVO PARA LA COÍJVERSION DE ENERGIA TERMICA EN TRABAJO MECÁNICO DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona con un método y un dispositivo para la conversión de energía térmica en trabaj o mecánico . Se conoce muchos tipos de procesos de circulación y dispositivos que sirven para convertir energía térmica en trabajo mecánico y eventualmente posteriormente en energía eléctrica. Estos son, por ejemplo, procesos de fuerza de vapor, procesos sterling o similares. Una opción del uso de semejante método consiste en incrementar el grado de efectividad de máquinas de combustión interna sometiendo el calor saliente a un aprovechamiento. Un problema en esto es, sin embargo, que los niveles de temperatura disponibles son relativamente desfavorables, ya que la circulación de enfriamiento de máquinas de combustión interna trabaja usualmente a temperaturas que se ubican aproximadamente en 100°C- Un problema similar existe cuando el calor de las instalaciones solares debe ser convertido en trabajo mecánico . Una solución particular para un proceso de fuerza térmica así es enseñada en el documento WO 037081011 A. En esta publicación se describe un método en que mediante calentamiento de un fluido de trabajo en varios acumuladores de vejiga un fluido hidráulico es puesto a presión que es aprovechada en una máquina de trabajo. No obstante que semejante método es funcional en principio, resulta que el grado de efectividad es limitada y la inversión aparatosa en comparación con la cantidad de energía obtenible . Se describe además en el documento US 3,803,847 A un método operado en forma discontinua que puede producir trabajo con un grado de efectividad limitada mediante la conversión de calor. El objetivo de la presente invención es configurar un método del tipo descrito en lo precedente de manera tal que se puede lograr, aún en condiciones térmicamente desfavorables, un alto grado de efectividad en que se requiera tan poca inversión en aparatos como posible . Semejante método consiste inventivamente de las siguientes etapas que son realizadas como proceso circulatorio: - suministro de un fluido de trabajo liquido de un depósito de reserva a un tanque de trabajo; - calentar el fluido de trabajo en el tanque de trabajo por un primer cambiador de calor; - dejar que una cantidad parcial del fluido de trabajo fluya del tanque de trabajo a un convertidor neumático-hidráulico, lo que causa el desplazamiento de un fluido hidráulico del convertidor neumático-hidráulico a una máquina de trabajo para convertir el trabajo hidráulico del fluido hidráulico en trabajo mecánico; - retornar el fluido de trabajo del convertidor neumático-hidráulico al depósito de reserva porque fluido hidráulico es retornado al convertidor neumático hidráulico . En la primera etapa un fluido de trabajo, que tiene una curva de presión de vapor apropiada, como por ejemplo R134a -esto es 1, 1, 1, 2-tetrafluoretano- es extraído de un depósito de reserva. En este depósito de reserva el fluido de trabajo está presente en un estado de equilibrio entre una fase líquida y una fase gaseosa. La presión se selecciona para ello de manera tal que este equilibrio es mantenido. En el caso de R134a y una temperatura ambiente de aproximadamente 20°C esta presión ascenderá a aproximadamente 6bar. El fluido de trabajo es trasladado e un tanque de trabajo en que rige una segunda presión más alta. La segunda presión se ubica, por ejemplo, en 0bar. La energía necesaria para el traslado puede ser minimizada si, de manera preferente, se bombea sólo fluido de trabajo líquido al tanque de trabajo. En la segunda etapa el fluido de trabajo es calentado en el tanque de trabajo. A causa del calentamiento la presión es aumentada aún más y el fluido de trabajo evapora en parte. El calentamiento se produce preferentemente mediante calor saliente, por ejemplo, de una máquina de combustión con combustión interna. En un calentamiento a 100 °C es posible usar el calor saliente de manera óptima. En la tercera etapa el fluido de trabajo se deja fluir a un convertidor neumático-hidráulico. Esto puede hacerse después, en el tiempo, de la segunda etapa, es decir, se alimenta primeramente el calor completamente y después se produce la conexión entre el tanque de trabajo y el convertidor neumático-hidráulico. Pero también puede tenerse una simultaneidad parcial o completa de estas etapas, es decir, el fluido en el tanque de trabajo es calentado durante su paso al convertidor neumático-hidráulico. De esta manera es posible optimizar la eficiencia ya que el enfriamiento que se presenta a causa de la entrada del fluido de trabajo es compensado de inmediato. Además el tiempo de ciclo es acortado. En el convertidor neumático-hidráulico que es realizado, por ejemplo, como acumulador de vejiga, el fluido de trabajo entrante desplaza un fluido hidráulico presente en la cámara hidráulica que es aprovechado, por ejemplo, en un motor hidráulico para producir trabajo mecánico, que puede aprovecharse a su vez, por ejemplo, para la producción de energía eléctrica. En la cuarta etapa el convertidor neumático-hidráulico es llenado de nuevo con el fluido hidráulico mediante una pequeña bomba, siendo el fluido de trabajo simultáneamente desplazado y regresado al depósito de reserva. El fluido de trabajo es pasado en esto opcionalmente por un segundo cambiador de calor para que se pueda realizar una adaptación de temperatura a la temperatura ambiente. Después de esta cuarta etapa el proceso circulatorio es continuado con le primera etapa. La eficiencia y la capacidad de la instalación pueden ser optimizadas si se aprovechan las posibles transiciones de fase de manera correspondiente. En particular. el fluido de trabajo debiera usarse exclusivamente en forma líquida, mientras que en la tercera etapa se traslada sólo la fase gaseosa al convertidor neumático-hidráulico . Preferentemente se prevé que durante el retorno del fluido de trabajo del convertidor neumático-hidráulico al depósito de reserva se interrumpe la conexión entre el tanque de trabajo y el convertidor neumático-hidráulico. De esta manera es posible minimizar las pérdidas por desbordamiento.
Se puede optimizar la eficiencia si el fluido de trabajo es enfriado durante la alimentación del depósito de reserva al tanque de trabajo. El enfriamiento puede realizarse mediante un cambiador de calor a temperatura ambiente, es decir, un simple radiador, pero también es posible usar la potencia de frío del segundo cambiador de calor si este frío no se requiere para otros fines, por ejemplo, para una instalación de clima artificial o una unidad de enfriamiento. Particularmente conveniente es si el fluido hidráulico es mantenido a una temperatura que corresponde a la temperatura media del fluido de trabajo en el convertidor neumático-hidráulico. De esta manera es posible evitar efectos indeseables de compensación de temperatura. Según se ha explicado ya es posible pasar el fluido de trabajo del convertidor neumático-hidráulico por un segundo cambiador de calor. Dependiendo de la conducción del método es posible que en el segundo cambiador de calor se generen temperaturas bajas que son causadas por la expansión del fluido de trabajo. Estas temperaturas bajas pueden ser usadas para el enfriamiento para ahorrar la energía que allí se requiere . Otra optimización, en particular, de la producción de frío, pude realizarse si el fluido de trabajo del convertidor neumático-hidráulico es relajado a una presión de relajamiento que se encuentra por debajo de la primera presión en el depósito de reserva y es comprimido, a continuación, a la primera presión. La invención se relaciona además con un dispositivo para la conversión de energía térmica en trabajo mecánico, comprendiendo un depósito de reserva, un tanque de trabajo y una máquina de trabajo para la conversión de trabajo hidráulico en trabajo mecánico. Inventivamente se prevé que el tanque de trabajo está comunicado con un primer cambiador de calor para calentar el fluido de trabajo, que el tanque de trabajo está comunicado además con un convertidor neumático-hidráulico que transmite la presión del fluido de trabajo a un medio hidráulico, y que se prevé una tubería de retorno para el fluido de trabajo del convertidor neumático-hidráulico al depósito de reserva. Una variante de realización particularmente preferida de la invención prevé que varios tanques de trabajo y convertidores neumático-hidráulicos están conectados en paralelo. En la realización práctica, por ejemplo, cinco de los dispositivos representados en la Fig. 1, son dispuestos uno junto al otro y operados con un desplazamiento temporal, tal como sucede, por ejemplo, en el caso de un motor de combustión interna de cinco cilindros. Esto permite lograr una operación continua sin fluctuaciones cíclicas significativas . A continuación se explica con más detalle el método inventivo y el dispositivo inventivo mediante el diagrama de conexiones de la Fig. 1 que muestra los componentes esenciales de la instalación. La Fig. 2 muestra una curva típica de presión de vapor de un fluido de trabaj o . En un depósito 1 de reserva se tiene la presencia de un fluido de trabajo, pudiéndose usar en este caso un fluido de refrigeración como R 134 a. El fluido de trabajo en el depósito 1 de reserva está presente en esto en el equilibrio de fases a temperatura ambiente y una presión de aproximadamente · 6bar. El depósito 1 de reserva está conectado mediante una bomba 2 de suministro con un tanque 3 de trabajo, pudiéndose interrumpir esta conexión mediante una válvula. 4 , En el tanque 3 de trabaj o se encuentra un primer cambiador 5 de calor que sirve para calentar el fluido de trabajo en el tanque 3 de trabajo. El cambiador 5 de calor es alimentado con calor saliente mediante una bomba 6 de suministro de un motor de combustión con combustión interna no representado, siendo pasada, por ejemplo, agua a 100°C por el primer cambiador 5 de calor. El tanque 5 de trabajo está conectado a través de una tubería 7 de rebosadero con una primera cámara 8a de trabajo de un convertidor 8 neumático-hidráulico que está configurado como acumulador de vejiga. La primera cámara 8a está separada de una segunda cámara 8b de trabajo por una membrana 8c flexible que separa las dos cámaras 8a, 8b de trabajo, pero que permite una compensación de presión. La segunda cámara 8b de trabajo del convertidor 8 neumático-hidráulico está conectada con una circulación hidráulica que consiste de una máquina 9 de trabajo con un generador 10 unido por brida, un depósito 20 de aceite, una bomba 17 de retorno y un tercer cambiador 11 de calor. El tercer cambiador 11 de calor es alimentado a través de una bomba 12. Otra tubería 19 de trabajo comunica la primera cámara 8a de trabajo del convertidor 8 neumático-hidráulico con un segundo cambiador 16 de calor que está comunicado a través de una bomba 14 de suministro con el depósito 1 de reserva. Además, las tuberías 7, 19 pueden cerrarse selectivamente mediante unas válvulas 7a, 19a. A continuación se explica con detalle la operación inventiva del dispositivo: En una primera etapa el fluido de trabajo líquido es trasladado del depósito 1 de reserva mediante la bomba 2 de suministro al tanque 3 de trabajo donde la presión es aumentada de 6bar a 0bar. Una vez que el tanque 3 de trabajo esté llenado por completo con el fluido de trabajo líquido la válvula 4 es cerrada y se realiza un calentamiento a través del primer cambiador 5 de calor. Este calentamiento representa la segunda etapa. Se puede usar para ello el calor saliente de otro proceso. A causa del calentamiento a 100°C una parte del fluido de trabajo evapora en el tanque 3 de trabajo y este vapor es trasladado en una tercera etapa a través de la tubería 7, estando abierta la válvula 7a, a la primera cámara 8a de trabajo del convertidor 8 neumático-hidráulico. El descenso de presión es compensado en esto por el calentamiento adicional mediante el primer cambiador 5 de calor. Simultáneamente se desplaza la membrana 8c del convertidor 8 neumático-hidráulico en la dirección de la segunda cámara 8b de trabajo, de manera que fluido hidráulico es empujado por la máquina 9 de trabajo que impela el generador 10. La tercera etapa concluye tan pronto la segunda cámara 8b de trabajo del convertidor 8 neumático-hidráulico se haya vaciado en buen- grado. En una cuarta etapa se regresa mediante la bomba 17 fluido hidráulico del depósito 20 a la segunda cámara 8b de trabajo del convertidor 8 neumático-hidráulico y el fluido de trabajo es pasado de la primera cámara 8a de trabajo a través de la válvula 19a, mientras tanto abierta, en la tubería 19 a través del segundo cambiador 16 y relajado. Una bomba 14 de suministro pasa el fluido de trabajo de regreso al depósito 1 de reserva. Según se señala mediante la flecha 21, el calor adsorbido del fluido de trabajo en el segundo cambiador 16 de calor puede retirarse como potencia fria, por ejemplo, para operar una instalación de refrigeración o una instalación de clima artificial . Pero también es posible usar una parte del flujo a través del cambiador 15 de calor para enfriar el fluido de trabajo para comprimirlo. La Fig. 2 representa una curva típica de presión de vapor de un fluido de trabajo que puede ser usado en un proceso de circulación descrito en lo precedente. Se trata en esto de R 134a, conocido como fluido frío, es decir, 1, 1, 1, 2-tetrafluoretano . Según se aprecia, la fase líquida está en equilibrio con la fase gaseosa a temperatura ambiente a una presión de aproximadamente 6bar. A una temperatura de 100°C esta presión de equilibrio asciende a aproximadamente 40bar. La presente invención permite aprovechar con un diseño sencillo, en cuanto a aparatos, de manera óptima el calor saliente de otros procesos, tales como -por ejemplo-la operación de una máquina de combustión con combustión interna .

Claims (22)

REIVINDICACIONES
1. Método para la conversión de energía térmica en trabajo mecánico comprendiendo las siguientes etapas que son realizadas como proceso circulatorio: - alimentación de un fluido de trabajo líquido de un depósito de reserva a un tanque de trabajo; - calentar el fluido de trabajo en el tanque de trabajo mediante un primer cambiador de calor; dejar fluir una fracción del fluido de trabajo del tanque de trabajo a un convertidor neumático-hidráulico, por lo que un fluido hidráulico es empujado del convertidor neumático-hidráulico a una máquina de trabajo para convertir el trabajo hidráulico del fluido hidráulico en trabajo mecánico; - regreso del fluido de trabajo del convertidor neumático-hidráulico al depósito de reserva porque el fluido hidráulico es retornado al convertidor neumático hidráulico .
2. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque el fluido de trabajo es comprimido de una primera presión más baja en el depósito de reserva a una segunda presión, más alta, en el tanque de trabajo.
3. Método según una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque el fluido de trabajo es trasladado en forma líquida del depósito de reserva al tanque de trabajo.
4. Método según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el fluido de trabajo es evaporado en parte durante el calentamiento en el tanque de trabajo y trasladado en estado gaseoso del tanque de trabajo al convertidor neumático-hidráulico.
5. Método según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el fluido de trabajo es calentado en el tanque de trabajo en forma isocórica.
6. Método según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la conexión entre el tanque de trabajo y el convertidor neumático-hidráulico es interrumpido por una válvula o un dispositivo similar durante el regreso del ¿luido de trabajo del convertidor neumático-hidráulico al depósito de reserva.
7. Método según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el fluido de trabajo es enfriado durante la alimentación del depósito de reserva al tanque de trabajo por un cambiador de calor.
8. Método según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el fluido hidráulico es mantenido por un cambiador de calor a una temperatura que corresponde a la temperatura media del fluido de trabajo en al convertidor neumático-hidráulico .
9. Método según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el fluido de trabajo es pasado del convertidor neumático-hidráulico por un segundo cambiador de calor .
10. Método según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el fluido de trabajo del convertidor neumático-hidráulico es relajado a una presión de relajamiento que se ubica por debajo de la primera presión en el depósito de reserva y es comprimido a continuación a la primera presión.
11. Dispositivo para la conversión de energía térmica en trabajo mecánico comprendiendo un depósito de reserva, un tanque de trabajo y una máquina de trabajo para la conversión de trabajo hidráulico en trabajo mecánico, caracterizado porque el tanque de trabajo está conectado con un primer cambiador de calor para calentar el fluido de trabajo, porque el tanque de trabajo está conectado además con un convertidor neumático-hidráulico que transmite la presión del medio de trabajo a un medio hidráulico, y porque una tubería de retorno está prevista para el fluido de trabajo del convertidor neumático-hidráulico al depósito de reserva.
12. Dispositivo según la reivindicación 11, caracterizado porque una bomba de suministro está prevista para bombear el fluido de trabajo del depósito de reserva al tanque de trabajo.
13. Dispositivo según una de las reivindicaciones 11 a 12, caracterizado porque el primer cambiador de calor está ensamblado en el tanque de trabajo.
14. Dispositivo según una de las reivindicaciones 11 a 13, caracterizado porque la máquina de trabajo está configurada como motor hidráulico.
15. Dispositivo según una de las reivindicaciones 11 a 14, caracterizado porque el convertidor neumático-hidráulico está configurado como acumulador de vejiga.
16. Dispositivo según una de las reivindicaciones 11 a 15, caracterizado porque un segundo cambiador de calor está dispuesto entre el convertidor neumático-hidráulico y el depósito de reserva.
17. Dispositivo según la reivindicación 16, caracterizado porque el segundo cambiador de calor es configurado como condensador.
18. Dispositivo según una de las reivindicaciones 16 a 17, caracterizado porque una bomba de suministro está prevista corriente abajo del segundo cambiador de calor.
19. Dispositivo según una de las reivindicaciones 11 a 18, caracterizado porque el tanque de trabajo está configurado como evaporador.
20. Dispositivo según una de las reivindicaciones 11 a 19, caracterizado porque un tercer cambiador de calor está dispuesto en la circulación del fluido hidráulico.
21. Dispositivo según una de las reivindicaciones 11 a 20, caracterizado porque una máquina de combustión con combustión interna está prevista que posee un dispositivo de enfriamiento que está conectado con el tanque de trabajo .
22. Dispositivo según una de las reivindicaciones 11 a 21, caracterizado porque varios tanques de trabajo y convertidores neumático-hidráulicos están conectados en paralelo.
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