WO2000026509A1 - Motor de fluidos con bajo punto de evaporacion - Google Patents

Motor de fluidos con bajo punto de evaporacion Download PDF

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    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for

Definitions

  • the present invention relates to a thermal engine, thanks to which notable improvements are achieved in relation to the thermal engines known so far, whose improvements affect: Obtain 100% of the thermodynamic performance in the form of useful work of the thermal motors usually.
  • To take advantage of the environmental thermal energy using gases or fluids whose evaporation point is below the ambient temperature, being this larger the greater this difference in temperatures, thereby reducing the losses of thermal energy contributed from the outside exclusively and by both increase the effective performance of the TFE engine.
  • ER Wp2-pe + Wpe-pl + Wcm
  • ER the energy to be obtained based on its thermodynamic performance
  • Wpe-pl the mechanical energy lost between the exhaust pressure and the final or atmospheric pressure
  • Wcm the energy lost due to the conversion of this energy into mechanical work within the motor itself and refers to the performance of the type of mechanism used (eg connecting rod and crank, etc.).
  • the thermal / fluid expansion motor is of the thermal type, and is characterized by capturing the environmental thermal energy, increasing the useful performance of the motor in the form of useful mechanical energy to Wp2-pl, eliminating energy losses by mechanical conversion Wcm, reducing the thermal energy lost in the Wpq cycle as it is compensated by the environmental thermal energy, without altering its own performance thermodynamic that will be different for each application.
  • the TFE engine consists according to scheme No. 1 of: an inlet tank (1) containing the fluid or gas at a pressure P2 and temperature T2.
  • An energy converter P * V / T cte, (2) to obtain by expansion the useful work between P2 and Pl at constant thrust, with heat input to counteract the cooling of real gases when they expand and when they they require it, as we will see later for the different applications.
  • a reservoir of outlet fluids (3) at pressure Pl and temperature TI with escape to the atmosphere or not, according to the different applications.
  • the cylinders in each cycle work first one (1) according to scheme n ° 2 and then the opposites (2), in order to empty them when they do not work, by passing the transmitting oil from one side of the TFE motor to the other by moving in its I pass a suitable oleohydraulic mechanical engine.
  • Each group of cylinders are symmetrical and equal and their number depends on each application between two and ten or more as needed.
  • Figure 3 shows the first preferred embodiment of this TFE engine,
  • Figure 4 shows the second preferred embodiment thereof,
  • Figure 5 shows the same embodiment with thermal recovery and
  • Kg / cm2 goes to the TFE engine where it is giving up Mechanical work as it goes through the different cylinders of the same.
  • the pressure P2 leaves the difference of specific weights between the fluid and the gas.
  • TFE engines in relation to other thermal engines are: They do not pollute. The effective yield is high
  • the TFE engine is primarily intended for domestic, urban and fundamentally for use in the automobile, vehicles, ships, etc. ..
  • a source of energy such as solar
  • the TFE engine of fume gases or urban electricity provided by renewable energy sources we can store energy by liquefying gases and air, using procedures already known as the Hampson, Linden, Georges Claude, Compound machines and others such as Heyland, both at night and by day, which we will then use to move in vehicles with TFE engines. Suffice it to say that with a flow of 806 m3.Nh.

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Abstract

Consta de un depósito de entrada, con un fluido de trabajo cuyo punto de evaporación está por debajo de la temperatura ambiente. Se descarga el depósito y se hace pasar el fluido por unos cilindros colocados en forma sequencial donde se transforma la expansión del fluido en energía mecánica. Cada cilindro se compone de dos pistones unidos por un vástago. El primer pistón recibe el fluido de trabajo, transmitiendo el movimiento al segundo pistón accionando un circuito y motor oleohidráulico. Existen parejas de cilindros enfrentados que realizan el movimiento alternativamente. El fluido de trabajo se descarga a través de hacerlo pasar por un Acumulador Térmico Secuencial de Temperaturas (A.T.S.), donde se quita y acumula la energía térmica del fluido, en un depósito de salida unido con un retorno al depósito de entrada. El fluido repite ciclo recogiendo nuevamente la energía térmica del A.T.S. más la que necesite de la energía solar o ambiental según diferentes realizaciones del motor. Maquina térmica de movimiento continuo.

Description

MOTOR DE FLUIDOS CON BAJO PUNTO DE EVAPORACIÓN
La presente invención se refiere a un motor térmico, gracias al cual se consiguen notables mejoras en relación a los motores térmicos conocidos hasta ahora, cuyas mejoras afectan a: Obtener el 100% del rendimiento ter- modinámico en forma de Trabajo útil de los motores témicos en general. Aprovechar la energia térmica ambiental, utilizando gases o fluidos cuyo punto de evaporación estén por debajo de la temperatura ambiente, siendo mas grande este aprobechamiento cuanto mas grande sea esta diferencia de temperaturas, disminuyendo con ello las perdidas de energia térmica aportada del exterior exclusivamente y por tanto aumentar el rendimiento efectivo del motor TFE. Posibilidad de utilizar gases o fluidos en estado liquido, cuya temperatura de evaporación este muy por debajo de la tempertura ambiente y transformar la energia de su formación contenida en ellos en trabajo mecánico, mediante la aportación de energia térmica ambiental, obteniendo así una unidad autónoma e independiente y por tanto móvil.
ANTECEDENTES DELAINVENCIÓN
Son conocidos dentro de la Industria en General y en la Industria del
Automóvil en particular, los famosos motores térmicos de Explosión a base de extraer Trabajo mecánico de la energia térmica de los Combustibles asi como los motores térmicos de Reacción. También son conocidos los motores térmicos de Napor de agua en sus distintas modalidades: de Embolo y Turbina. Actualmente todos los motores térmicos utilizados obtienen el movimiento mediante gases o vapores con presiones elevadas, estos gases o vapores vienen por ejemplo de la combustión de las gasolinas u otros combustibles, de la vaporización del agua, etc. Según las distintas leyes de los gases: de Boyle y Mariotte, de Charles y Gay Lussac, de Amonton, de Dalton, de Amagat, de Avogadro, de Poisson, de Joule y Thompson, etc., todos los gases comprimidos tienen una energia interna basada en la ecuación P*N/T = cte. y concretamente: Wo = 1/36.71 * P2 * VI ln V2/V1. (Kwh), en donde P2 y V2 son la presión máxima en bars y el volumen final en m3 y Pl y VI son la presión y volumen iniciales coincidentes con la atmosfera, también en las mismas unidades. Todos los motores térmicos están limitados en la obtención del Trabajo útil por las Leyes de la Termodinámica y concretamente por el primer y segundo principio de las mismas, de donde se deduce que la energia máxima mecánica que podemos obtener de los mismos viene delimitada por su rendimiento termodinámico basado en el ciclo de Carnot y concretamente: R = 1 - T2/T1 , en donde T2 es la temperatura menos caliente en grados Kelvin (273.15 + °C) y TI es la temperatura mas caliente del ciclo en las mismas unidades.
Actualmente todos los motores térmicos funcionan con T2 y TI variables y por encima de la temperatura ambiente, según el tipo concreto de motor, asi por ejemplo y con datos aproximados, tenemos : Motor térmico de Explosión de gasolina o diesel, T2 = 200 °C y TI = 1300 °C y el rendimiento termodinámico R = 70%. Motor térmico de Vapor de Agua, T2 = 110 °C y TI = 550 °C y el rendimiento termodinámico R = 58%. Νo obstante estos elevados rendimientos termodinámicos, rara vez se obtienen rendimientos útiles de entre 20% y 35 % de este tipo de motores térmicos comprobados en bancos de pruebas. Esto es debido a lo siguiente: si descomponemos la energia obtenida en base al rendimiento termodinamico según la formula ER = Wp2-pe + Wpe-pl + Wcm , en donde ER es la energia a obtener en base a su rendimiento termidinámico, Wp2-pe es la energia mecánica obtenida de la curva P*V/T = cte, entre la presión máxima y la presión de escape, Wpe-pl es la energia mecánica perdida entre la presión de escape y la presión final o atmosférica y Wcm es la energia perdida por conversión de esta energia en trabajo mecánico dentro del propio motor y se refiere al rendimiento del tipo de mecanismo utilizado (p.e. biela y manivela, etc.). Asi para un motor témico de explosión de gasolina, con datos aproximados y reales y en base 100, tendremos: rendimiento útil en banco de pruebas es 21, luego la energia útil mas pequeñas pérdidas generales, será Wp2-pe = 23, Presión máxima P2 = 50 bar, Relación de compresión r = 1/7, luego la presión de escape Pe = 50/7 = 7.143 bar que equivale a un Ve=7 m3. sobre 50 m3. N (norm.) y por tanto energia mecánica útil medida en un ciclo Wp2-pe = 1/36.71 * 50 * 1 ln 7/1 = 2.65 Kwh equivalente al 49.74% de la energia contenida en la curva P*V/T = cte del gas, luego la energia perdida Wpe-pl = 23 equivalente al otro aproximadamente 50% de la curva que no se utiliza, luego si ER = 70 = 23 + 23 + Wcm; Wcm = 24. Si consideramos no obstante que la Energia térmica aportada es Ea = 100 = ER + Wpq , en donde Wpq es la energia térmica perdida de la aportada en el ciclo, esta será igual a Wpq = Ea - ER = 100 -70 = 30. Resumiendo esto quiere decir que de 100 Kw de energia térmica aportada a este concreto motor de explosión de gasolina, obtenemos una energia útil Wp2-pe = 23 Kw a la que habrá que descontar pequeñas pérdidas de rozamientos etc., y se pierde una energia total de 77 Kw = Wpe-pl + Wcm + Wpq.
Si hacemos lo mismo para el motor té ico de Explosión diesel, partiendo de los siguientes datos : Rendimiento útil en banco de pruebas es de 30, luego Wp2-pe = 31, presión máxima P2 = 85 bar, relación de compresión 1/18, luego Pe=4.72 bar y Ve=18 m3. sobre 85 m3. N, y por tanto Wp2-pe es aproximadamente el 65% de la curva P+V/T = cte., de donde se deducen el resto de los datos osea: Wpe-pl = 15 , Wcm = 24 y Wpq = 30. Como vemos en este caso mejora la energia útil obtenida del motor porque obtenemos más energia mecánica de la curva P*V/T = cte del gas al tener una relación de compresión mayor en el cilindro.
En los motores térmicos de vapor de agua, el problema es similar pero en estos siempre se puede mejorar el rendimiento en función del grado de recuperación del calor aportado al agua para su evaporación y concretamente el Wpq, de tal forma que se pueden llegar a obtener rendimientos útiles entre 35% y 40%.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El motor térmo/fluido de expansión (TFE) es del tipo térmico, y se caracteriza por captar la energia térmica ambiental, aumentando el rendimiento útil del motor en forma de energia mecámca útil a Wp2-pl, eliminando las perdidas de energia por conversión mecánica Wcm, reduciendo la energia térmica perdida en el ciclo Wpq al ser esta compensada por la energia térmica ambiental, sin alterar su propio rendimiento termodinámico que será distinto para cada aplicación.
El motor TFE consta según esquema n°l de : un deposito de entrada (1) que contiene el fluido o gas a una presión P2 y temperatura T2. Un convertidor de energia P*V/T = cte, (2) para obtener por expansión el trabajo útil entre P2 y Pl a fuerza de empuje constante, con aportación de calor para contrarrestar el enfriamiento de los gases reales cuando se expanden y cuando estos lo requieran, como veremos mas adelante para las distintas aplicaciones. Un depósito de fluidos de salida (3) a presión Pl y temperatura TI con escape a la atmosfera o no, según las distintas aplicaciones. El rendimiento de éste motor TFE depende del calor inicial recuperado en el acumulador ATS , y como novedad en este motor TFE se obtiene toda la energia contenida en la curva P*V/T = cte del gas, según la fórmula para cada ciclo Wp2-pl = Wp2-pe + Wpe-pl = 1/36.71 * P2 * VI * ln V2/V1 (Kwh), en este caso V2 y Pl es el volumen (m3) y presión (bar) a nivel atmosférico, mediante una serie de cilindros dobles, compuestos cada uno de ellos por un cilindro con embolo para captar la energia del gas y unido a este embolo otro cilindro ya oleohidraulico que convierte la presión del gas en una presión hidráulica mas o menos constante para todos ,los cilindros, según la formula Pn * Sn = Phn * Shn. Los cilindros en cada ciclo funcionan primero unos (1) según esquema n°2 y luego los opuestos (2), con el fin de vaciarlos cuando no trabajan, haciendo pasar el aceite transmisor de un lado al otro del motor TFE haciendo mover en su paso un adecuado motor mecánico oleohidraulico. Cada grupo de cilindros son simétricos e iguales y su número depende de cada aplicación entre dos y diez o más según se necesite. Estos cilindros funcionan secuencialmente en cada ciclo de tal forma que cada uno de ellos extrae una porción de energia de la curva del gas P*V/T = cte, según la formula P1 *V1 = P2*V2 = Pel *(V2+Vel) = Pen*(V2+Vel+Ve2+..+Ven) de tal forma que la primera cantidad de gas que entra al primer cilindro, va pasando a los demás expansionándose y enfriándose. Al final del ciclo el gas ocupa todos los cilindros de un lado que es a su vez vaciado por la reacción de los opuestos. A su vez esta se convierte en energia mecánica oleohidrulica a casi presión constante capaz de proporcionarnos un trabajo exterior uniforme y sin perdidas mecánicas. El último cilindro una vez expandido el gas, pasa a este a Pl y VI . El sistema se complementa con un segundo circuito oleohidraulico (3) compuesto por un número necesario de bombas hidráulicas, cuya misión es entregar el caudal a presión constante en función de la variacción de presión instantánea en cada cilindro actuando una o varios en función de la presión de trabajo detectada y almacenando en un acumulador hidráulico a 100 bar. (4) Dependiendo de cada realización que veremos a continuación, este motor TFE necesitará: Aportación solo de energia térmica exterior. Esta realización, dada su simplicidad no la describiremos como preferida. Aportación de energia térmica exterior y aportación de energia térmica ambiental. Aportación solo de energia térmica ambiental.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para mejor comprensión de cuanto queda descrito en la presente memoria, se acompañan unos dibujos en los que tan solo a titulo de ejemplo, se representa esquemáticamente y a nivel general un motor TFE en el figura n°l . En la figura n°2 puede verse con mas detalle el convertidor de energia de la curva P*V/T = cte del gas. En la figura n°3 puede verse la primera realización preferida de este motor TFE, en la figura n°4 puede verse la segunda realización preferida del mismo, en la figura n°5 puede verse la misma realización con recuperación térmica y en la figura n°6 esquema del ATS (acumulador térmico secuencial de temperaturas) del calor recuperado.
DESCRIPCIÓN DE REALIZACIONES PREFERIDAS
Primera realización - Cuando existe aportación de energia térmica exterior y aportación de energia térmica ambiental y utilizamos un fluido o gas cuyo punto de evaporación a P = 1 bar, esta por debajo de la temperatura ambiente y no se le ha aportado ningún otro tipo de energia previa, estando todo ello en circuito cerrado. Basándonos en el efecto y características de los gases fiígenos o similares, cuya presión depende de la temperatura cercana a la del ambiente y su enfriamiento por expansión y escogiendo uno cualquiera dentro de la normativa vigente que nos sirva para describir esta realización, tal como por ejemplo entre otros el F22 o equivalente, vemos que sus características físicas son: Presión critica = P2 = 49 bar, peso especifico pe = 1.213 Kg/m3, calor especifico del liquido ce = 0.336, calor de evaporización el = 55.9, temperatura de ebullición a 1 bar T2 = -40°C y temperatura critica TI = 95°C Si en el depósito de entrada (1) ver figura n°3, tenemos este fluido y lo calentamos hasta los 95°C mediante intercambiadores de agua caliente (3), a través de cualquier fuente de energia, bien con energia solar directa, bien con 00/26509
8 combustibles renobables o similar (4) la presión del gas se habrá elevado aproximadamente a P2 = 49 bar que haciéndole pasar secuencialmente por los cilindros (5) del convertidor de energia, hasta que en el último su presión sea Pl igual a 1 bar y su temperatura T2 = -40°C Una nueva inyección de gas a os cilindros (6) opuestos y repitiendo el ciclo expulsa el gas frió del primer grupo de cilindros al primer depósito (7) que lo va almacenando Repitiendo este proceso todo el fluido del depósito de entrada nos habrá dejado una buena cantidad de enegia mecánica, habiéndole aportado la energia térmica exterior y ambiental necesarias Mientras desviamos el gas frío al segundo depósito (8), calentamos el primero hasta la temperatura ambiente Ta y lo pasaremos a un cuarto depósito intermedio (9) a la misma temperatura, que inmediatamente después, calentaremos hasta TI para pasarlo de nuevo al depósito de entrada incial (1) Repitiendo este ciclo continuamente y alternando tanto los cilindros como los depósitos, estaremos obteniendo la Energia mecánica continuamente del motor TFE mediante la aportación también continua de la correspondiente y necesaria energia térmica exterior y ambiental que a continuación desglosamos Rendimiento termodinámico del motor R = 1 - T2/T1 = 37% como ER = Wp2-pl + Wcm, y siendo Wcm=0 dado el perfeccionamiento del motor TFE, ER = Wp2-pl, si consideramos que la energia mecánica de la curva P*V/T =cte, para el paso de un flujo de fluido C0 = 49 m3 /H es igual a Wp2-pl = 1/36.71 * 49 * 1 * ln 49/1 = 5.2 Kwh, la energia térmica exterior aportada es Ql = m * Ce * ( Tl - Ta) * 1/860 = 49 * 1.213 * 0.336 * (95 -20) * 1/860 Ql = 1 74 Kwh Q2 = m * Cl * 1/860 = 49 * 1.213 * 55 9 * 1/860 = 3 86 Kwh Qt = Ql + Q2 = 5.6 Kwh. en donde Ql es el calor para llevar el fluido a 95°C desde la temperatura ambiente y Q2 es el calor de evaporación del mismo. Luego si el 37% de la energia aportada es igual a Wp2-pl = 5.2 Kwh el 100%) de la energia térmica aportada será Ea = ER + Qt + Qa = 14 Kwh., de donde se deduce que la energia térmica ambiental aportada es Qa igual a 3.25 Kwh., luego el rendimiento efectivo del motor TFE será igual a :
Re = Wp2-pl/ (Wp2-pl + Qt) * 100 = 48.15% lo que quiere decir, que de cada 100 Kw de energia térmica exterior aportada, el motor TFE de fluido frigeno F22 nos da aproximadamente 48 Kw en forma de trabajo mecánico. Ningún motor actual ha llegado nunca a este rendimiento. También y si consideramos, siempre basándonos en la figura n°3, como ejemplo, una masa de fluido mi = l .OOOKg. estando en circuito cerrado, cuyo calor especifico Ce = 0.33 y calor de vaporización Cv = 45 Kcal/kg. consideramos la temperatura ambiente Ta = 20°C, luego el calor que tenemos que aportar para subir la temperatura hasta por ejemplo Te = 120°C será : Ql 1 = mi * Ce * (Tc-Ta) * 1/860 = 38.4 Kw. = Calor necesario para subir la temperatura de 20 a 120 grados centígrados. Q12 = mi * Cv * 1/860 =52.3 Kw = Calor necesario para evaporar el fluido. Q13 = mi * Ceg * t° * 1/860 = 9.6 Kw. = Calor aportado para evitar enfriamiento y donde Ceg = 0.1 = calor especifico del gas y t° = (p2 - pi) * 0.25 = (352 - 20) * 0.25 = 83 °C = gradiente de temperatura de enfriamiento debido a la expansión del gas según el efecto de Joule y Thompson. Luego el calor total aportado será Ql = Ql 1 + Q12 + Q13 = 100.35 Kw y dado que Q13 se disipa en el ambiente el calor útil aportado será Qlu = 90.7 Kw.El calor que el motor aporta según diagrama de Carnot, será: Q21 = mi * Ceg * (Ta - Tf) * 1/860 = 7 Kw siendo Tf = -40 °C = temperatura de ebullición del fluido a p=latm.
Q22 = Q12 = 52.3 Kw. = calor necesario de condensación del fluido. Luego Q2 = Q21 + Q22 = 59.3 Kw.
Rendimiento termodinámico Rq = 1- Q2/Q1 = 0.41 (41%) este es igual al Rendimiento termodinámico Rt = 1-T2/T1 = l-(273-40)/273+120) = 0.41 (41%) Máxima Energia mecánica obtenida del motor TFE por ciclo Wmx = 0.41 * Ql = 41 Kw. Energia mecánica obtenida por el motor TFE de la curva P*V/T= cte., W0 = l/36.7*P2*V2*lnVl/V2 = 1/36*352*0.77*ln208/0.77 = 41 Kw. donde V2 = mi/ Peí = 1.000V1.300 = 0.77M3 y VI = mi /Peg= 1.000/4.8 = 208 M3 siendo Peí y Peg los pesos específicos del liquido y del vapor a -40°C y ρ=latm. Rendimiento efectivo Re=W0/Qlu=0.45(45%). Segunda realización preferida - Cuando se aporta solo energia térmica ambiental, se utiliza un fluido que a presión = 1 bar, tiene el punto de evaporización muy por debajo de la temperatura ambiente ( 20°C) y se le ha aportado energia mecánica previamente, y trabaja en circuito abierto con o sin el ATS. Basándonos en el efecto de Joule y Thompson para gases reales, que dice que un gas real sometido a expansión se enfria según la formula : O = 0,276 * (pl - p2) *(273/T)2, luego el gradiente de temperatura del enfriamiento del gas esta en función de la diferencia de presiones y la temperatura, habiendo obtenido para O = 0.25 °C /bar de caída de presión para las condiciones experimentales de la licuefacción del aire. Con estas condiciones si en el depósito de entrada (1) según la figura n°4 tenemos un gas liquido como por ejemplo aire liquido (A.L.) a T2 = -190 °C y presión /26509
11 atmosférica y lo hacemos pasar a los cilindros (2) del motor TFE, después de calentarlo a TI = -7°C en (3), donde habrá adquirido la presión aproximada al inicio de P2 = 798 bar, este se irá enfriando por las sucesivas expansiones efectuadas en los distintos cilindros, hasta conseguir nuevamente la temperatura T2 = -190°C y presión atmosférica, con lo que nuevamente se habrá convertido en gas liquido (A.L.) en el depósito de salida (4), habiendo obtenido durante el ciclo la energia mecánica Wp2-pl, exceptuando las perdidas necesarias, através del convertidor de energia P*V/T = cte (5) del gas ¿Como puede originarse esto9 Lógicamente como nosotros no podemos inventar la energia según los principios de las leyes fundamentales de la Termodinámica, tiene la siguiente explicación física: El rendimiento termodinamico de la energia contenida en el A.L. es R = 1 - T2/T1 = 1 - (273+(-190))/ (273 +(-7)) = 69%, la energia mecánica necesaria aproximadamente para confeccionar 1 1. de A.L. equivalente a 1 Kg es , según experiencias ya conseguidas de 0.8647Kw a razón de 0.85 1. de A.L. por caballo de vapor y hora, también es posible que este dato pueda ser mejorado, luego en un volumen de V0 = 1000 1. de A.L tendremos un volumen de gas V01 = 1000/pe= 1000/ 1.252=798 m3.N de aire en condiciones atmosféricas y habremos gastado una energia mecánica para licuarlo de Erna = 0.8647 * 1000 = 865 Kw aproximadamente que esta contenido en el A.L Cuando este fluido pasa a los cilindros hay que aportarle calor para pasarlo a TI = -7°C y durante el paso y dado su enfriamiento en el segundo cilindro hay que aportar nuevamente calor para elevar nuevamente la temperatura 50°C, que sobran para conseguir la temperatura 2 - -<}fyp0C al final del último cilindro, con lo cual la energia térmica del ambiente aportada es
Ql = m * Ce (T2 -TI) * 1/860
Ql = 798 * 1.252 * (190-7)/(20+7) * 0.241 * 27 * 1/860 = 51.3 Kwh Q2 = 798 * 1.252 * 50/ (20+7) * 0.241 * 27 * 1/860 = 14 Kwh, 5 Qt = Ql +Q2 = 65.3 Kwh., como la energia mecánica que obtiene el motor de la curva P*V/T =cte es igual Wp2-pl = 1 /36 71 * 798 * 1 * ln 798 /l = 145 Kwh , en un paso y por tanto el coeficiente entre el calor aportado por el ambiente y la energia mecánica obtenida es igual a Ctet = Qt Wp2-pl = 0 4503 también en cada paso Si pensamos en unas perdidas previsibles del 0 orden del 5% para el funcionamiento de este motor TFE, veremos que el rendimiento mecánico obtenido equivale aproximadamente al rendimiento termodinamico del 69%, que seria igual si no hubiera pérdidas. Energia aportada al A.L. Ea = 865 Kwh, energia cedida Ec = Ea - 5/100 * Ec = 822 Kwh, energia aportada por el ambiente Qa = Ec * Ctet = 370 Kwh y por 15 tanto el rendimiento mecánico obtenido es Rm = Ec/(Ea + Qa) = 66,6%. Este rendimiento será mas bajo cuanto mayores sean las pérdidas, como es lógico, no obstante estas pérdidas no deberían ser superiores al 10%
Según lo expuesto anteriormente el motor TFE para esta realización con A.L. y partiendo de un flujo de lOOOl.h. de A.L. ó 798 m3.Nh. de aire, hemos 20 tenido que aportar una energia mecánica exterior Ea = 865 Kwh, también hemos tenido que aportar una energia térmica ambiental Qa = 370 Kwh y obtenemos a cambio una energia mecánica útil Ec = 822 Kwh aproximadamente, resultando un rendimiento efectivo (sin contar la energia térmica ambiental lógicamente, ya que es gratis) de Ref = 100 * 822/865 = 25 95%) Ningún motor o sistema hasta ahora conocido ha llegado ni a la mitad de este rendimiento Tanto Ea como Ec pueden ser menores como veremos a continuación , en otro ejemplo, donde estamos teniendo en cuenta la mínima cantidad de energia Erna = Ea teórica, capaz de licuar el aire liquido, utilizando recuperación térmica del fluido mediante el acumulador térmico secuencia! de temperaturas ATS, de n focos a n temperaturas, utilizando fluidos especiales para cada temperatura en perfecto aislamiento. Como en el caso anterior, partimos de una masa ml= 1.000 Kg. de fluido (también en este caso A.L.). Del depósito de A.L. figura n°5, pasamos éste, al intercambiador térmico ATS del motor TFE, cuya misión fundamental es la de pasar el calor (en este caso frío) contenido en el fluido al gas de salida que ya ha pasado por el motor TFE, con un rendimiento teórico del 0.79(79%), como veremos. En este intercambiador o ATS aislado, el fluido que entra a T2= -192 °C, sale a TI = 10 °C, habiendo cedido al gas de escape del motor todo el calor (o frió) contenido en el mismo, esto es Ql 1 = calor para subir la temperatura de -192 °C a 10 °C y Q12 = calor de vaporización. En este punto, el fluido de entrada ya convertido en gas a una presión P2 = 806
Kg/cm2, pasa al motor TFE donde va cediendo Trabajo mecánico según va pasando por los distintos cilindros del mismo. La presión P2 sale de la diferencia de pesos específicos entre el fluido y el gas. Podemos considerar que el A.L. tiene un Pef = 1.000Kg./m3., mientras que el gas tiene un Peg = 1.24 Kg./m3, luego si Pef/ Peg = P2 / Pl, como Pl = 1 Kg./cm2, P2 = 1.000 / 1.24 = 806 Kg./cm2.
En cuanto al gas de escape a una presión media (para asegurar la licuefacción, recirculaciones y pequeñas pérdidas)de Pe = 1.5 Kg/cm2, en este intercambiador el 79% se licúa nuevamente pasando al depósito o a un nuevo ciclo. Esta presión media de escape Pe equivale a un volumen de gas Ve igual 00/26509
14 Ve = V2 * P2/Pe = 1 * 806/1 5 = 537 m3 Si la presión de esacape, quisiéramos que fuese 1 Kg /cm2 igual que la atmosférica, el volumen final de escape seria 806 M3N dándonos en este caso una energia mecánica de 147 Kw total, según la curva propia del gas P* V/T = cte, pero necesariamente tendríamos que ceder después, unos aproximadamente 9Kw = Wli = 1/36 7 * Pli * Vli, siendo Pli = 1 Kg /cm2 , para poder comprimir el fluido a presión y temperatura constantes hasta su licuefacción Luego, ahorrándonos esta etapa y volviendo al volumen de gas de escape Ve anteπor este, en su paso por el motor nos habrá dejado, en función de la mencionada curva P*V/T = cte W0 = 1/36 7 * P2 * V2 * ln VeN2 = 138 Kw Νo obstante y debido al efecto de Joule y Thompson que dice que un gas se enfria cuando se expande según la fórmula 0 = 0.276 * (pl-p2) * (273 ÍT), equivalente para el aire a un gradiente de temperatura de 0 = 0.25 °C, tendremos que haber aportado durante este proceso una cantidad de calor igual a Q2 = mi * 0.243 * t° * 1/860 = 57 Kw donde t° = (P2-Pe) * 0.25 = 202 °C Este calor hay que aportarlo en cada ciclo Lógicamente tanto W0 como Q2 irán siendo menores en un 21% cada vez que repetimos ciclo hasta que se hace cero Para conocer el balence energético final, tenemos que conocer la cantidad mínima de Energia que tendremos que aplicar a la masa mi de gas (en condiciones idóneas) para licuarlo, osea
Qal = mi * 0.243 * (20 + 140) * 1/860 = 45 Kw = calor necesario para enfriar el gas hasta -140 °C (temperatura crítica) Para llegar ha esta temperatura, debemos comprimir el gas hasta Pex = 200 Kg./cm2 y expandirlo sucesiva y repetidamente hasta llegar a la temperatura antes citada Teóricamente necesitamos Wn = 1/36 7 * Pex * Vex* 00/26509
15 * ln VI / Vex = 116 Kw. siendo VI = 806 m3 y Vex = Pl * Vl/Pex = 1 * 806/200 = 4.03 m3, para comprimir el gas, obteniendo Qef = 14 Kw. de enfriamiento térmico a razón de Qef = mi * 0.243 * (Pex * 0) * 1/860 = 14 Kw. En este caso y dado que todavía estamos expandiendo gas, se recupera teóricamente todo el Trabajo mecánico, por lo cual el gasto es puramente térmico, osea Qal . También tenemos el calor necesario de licuefacción, o lo que es igual:
Qa2 = mi * Cv * 1/860 * 116/14 = 481 Kw. y por fin el calor necesario para bajar la temperatura del fluido de -140 °C hasta -192 °C osea: Qa3 = mi * 0.253 * (192 - 140) * 1/860 * 116/14 = 127 Kw.
Como se ve, en estos dos últimos casos, no se puede recuperar el Trabajo mecánico, por lo que a la Energia térmica hay que sumar el propio Trabajo mecánico para conseguirlo por las sucesivas expansiones necesarias. Con lo cual, la mínima Energia necesaria para licuar mi Kg. de gas aire será: Qat = Qal + Qa2 + Qa3 = 653 Kw. Luego la Energia Total teórica, que obtendremos a través del motor TFE, según el primero y segundo principio de la Termodinámica será: Wt = W0 (1 + x + x2 + x3 + ....+xn) = Rt(Qat + Q2 ( 1 + x + x2 + x3 +.... + xn)) donde x es el coeficiente o tanto por ciento de recuperación máximo en cada ciclo y Rt es el rendimiento termodinámico en función de las temperaturas, suponiendo un ciclo cerrado (que no lo es) pero que en cualquier caso no se puede superar Rt = 1- (273-192)/(273+10) = 0.71(71%) luego: 653/(138/0.71-57) = 4.75 = 1/(1 -x) y x = 0.79 (79%) siendo entonces Wt = 138 * (1/(1-0.79) = 0.71(653 + 57 * (1/(1-0.79)) = 653 Kw por cada mi = 1.000 Kg de A.L. Esto nos lleva a las siguientes observaciones: Ia - Motor TFE de circuito abierto trabajando sin recuperación térmica De un depósito de A.L de 1 OOOKg obtenemos un Trabajo mecánico del47Kw., habiendo gastado previamente para su fabricación 653 Kw y un suplemento de Energia Ambiental de 57 Kw obteniendo un rendimiento del 20 7% según Rq = 147 * 100/(653 + 57) = 20 7% y un rendimiento efectivo de Re = 147 * 100/653 = 22.5%
2a - Motor TFE de circuito abierto trabajando con recuperación térmica Igualmente de un depósito de 1 000 Kg. de A L obtenemos un Trabajo mecánico de 653 Kw habiendo gastado igual que en el caso anterior 653 Kw para su fabricación y un suplemento de Energia Ambiental (a temperatura ambiente) de 272 Kw obteniendo teóricamente un rendimiento Rt = 0 71(71%o) de acuerdo al rendimiento termodinámico y un rendimiento efectivo Re = 653 * 100/653 = 1(100%) ¿Porque es esto posible9 Creemos que esto es posible por. a - En la práctica y con la tecnología actual se consumen mas de 653 Kw. para fabricar los 1.000 Kg de A.L pudiéndose llegar cerca de los 865 Kw b - Aunque pequeñas, el motor TFE tiene sus pérdidas mecánicas, lo que hace bajar el Re c - La Energia ambiental, es repuesta instantáneamente por la Energia térmica solar, por lo que podemos considerarla "gratis". d - Teóricamente al gas solamente se le ha aplicado Trabajo mecánico para conseguir su licuefacción consiguiendo con ello tres cosas bajar su temperatura a -192 °C, disminuir su energia cinética molecular y reducir su volumen 806 veces, siempre a presión atmosférica En este estado, si dejamos que el ambiente lo caliente hasta 10 °C tendremos 1 000 Kg, de gas a una 00/26509
17 presión no inferior a 806 Kg./cm2, que pasando por el motor TFE nos dará una Trabajo mecánico como hemos visto antes pero habremos perdido una gran Energia térmica frigorífica, mientras que si la primera cilindrada equivalente por ejemplo a 0.3 1. ó 1/3.333 de la cantidad total de mi es la que únicamente, calentamos con el ambiente, las demás se irán calentando por los gases de escape, recogiendo estos teóricamente la Energia térmica frigorífica y licuándose con un rendimiento del 79% como hemos visto antes. Cuanto mas baje este rendimiento en la práctica, también bajara en la misma proporción el rendimiento del motorTFE. Queremos hacer una observación final, sobre el motor TFE de circuito abierto, tanto sin, como con recuperación térmica y es sobre sus rendimientos. En el primer caso, cuyo Re = 22.5%> parece bajo, pero no lo es si lo comparamos con un motor de explosión, cuyo rendimiento efectivo es más o menos el mismo. Necesitamos 106 Kw ó 9 1. de gasolina (energia no renobable) para hacer 100 Km. en 1 hora aproximadamente. Para hacer este mismo recorrido, con el motor TFE necesitaremos también 106 Kw., pero obtenidos en este caso, mediante un motor TFE de circuito cerrado con Re =45% a través de 30 m2 de Captadores de Energia Solar durante 8 horas de sol, según S = 30 = 106/(0.45 * 0.95 * 8) sin contaminación y "gratis". En el caso del motor TFE de circuito abierto con recuperación térmica, con los mismos 30 m2 de Captadores solares y 8 horas de sol, podremos hacer hasta 106/24 = 441 Km. en 4.4 horas a la misma velocidad y con un de pósito de A.L. de aproximadamente 162 Kg. O 00/26509
18 APLICACIONES INDUSTRIALES
A través del motor TFE de A.L. conseguimos un sistema altamente seguro, ya que se dispone de un elemento energético de alta capacidad a
5 presión atmosférica y con pérdidas por evaporación demostradas en depósitos de cámara al vacio que no superan el 1% cada 5 días, pudiéndose aplicar el conjunto a las industrias del automóvil, vehículos de todo tipo, industria naval, de defensa etc., ademas el sistema es recargable mediante energia eléctrica o cualquier otra y es totalmente limpio de polucción y ecológico.
10 A través del motor TFE de fluidos frígenos, podemos obtener energia abundante con rendimientos efectivos de más de 48%, partiendo de la energia solar directa u otras alternativas. Dada su mejor adaptacón a pequeñas y medianas potencias, este motor puede aplicarse a nivel doméstico y urbano para la obtención de energia mecánica barata.
15
VENTAJAS E INNOVACIONES
Las mayores innovaciones de los motores TFE con relación a los demás motores térmicos son: No contaminan. El rendimiento efectivo es elevado del
20 22.5%) hasta 95%> de las dos realizaciones preferidas aportadas. Dados estos rendimientos elevados pueden utilizar cualquier fuente de energia y fundamentalmente la solar para uso doméstico y urbano. Dado que cualquier fluido cuyo punto de ebullición a presión atmosférica este por debajo de la temperatura ambiente, contiene una energia importante almacenada, la cual
25 podemos extraer mediante el motor TFE cuando y donde queramos. Permitirá dosificar y emplear mas adecuadamente los combustibles actuales. El motor TFE esta pensado fundamentalmete para el uso domestico, urbano y fundamentalmente para emplearlo en la industria del automóvil, vehículos, barcos, etc.. Mediante una fuente de energia como la solar, a través del motor TFE de gases fiígenos o electricidad urbana aportada por fuentes de energías renovables podemos almacenar energia liquando gases y aire, mediante procedimientos ya conocidos como los aparatos de Hampson, de Linden, de Georges Claude, máquinas Compound y otros como Heyland, tanto por la noche como por el dia, que luego utilizaremos para desplazarnos en vehículos con motores TFE. Baste decir que con un flujo de 806 m3.Nh. de aire convertidos en A.L. que pasan al motor podemos obtener una energia mecánica de 653 Kwh en el vehículo, pudiendo dosificar a voluntad esta energia en el tiempo. Un vehículo medio de 1.500 Kg de peso a una velocidad media de 100 Km/h necesita aproximadamente 24 Kwh de potencia, luego en las mismas condiciones, con 653 Kw podremos recorrer una distancia aproximada de e = 100 * 653/24 = 2.700 Km. durante 27 horas. No obstante y en función del grado de innovación y tegnologías aportadas, tanto en el motor TFE como en el recuperador o acumulador térmico secuencial ATS, puede darse el caso práctico que el motor pueda funcionar, solo con pequeñas aportaciones de energía térmica ambiental, convirtiéndose así en el primer motor de movimiento continuo de 3aespecie. Este hecho representaría un logro y avance muy importante para conseguir que la energía llegue con las mismas oportunidades para todos igual.

Claims

0/2650920 RE I V I N D I C A C I O N E S
1. Motor termo/fluido de expansión TFE del tipo térmico, caracterizado por su capacidad de convertir en energia mecánica (movimiento) la energia térmica de gases y fluidos cuyo punto de ebullición en general este por debajo de la temperatura ambiente a presión igual 1 bar, caracterizado por obtener integramente el 100% en forma de energia mecánica del valor del rendimiento termodinámico del ciclo de trabajo del gas o fluido, caracterizado por la aportación de energia térmica ambiental que al ser gratis minora la energia total aportada, aumentando el rendimiento efectivo. Caracterizado por tener la posibilidad de poder trabajar en circuito abierto y en circuito cerrado.
2. Motor termo/fluido de expansión TFE para fluidos o gases fiígenos del tipo térmico, según reivindicación 1, caracterizado por la utilización de estos fluidos o gases calientes, con aportación de calor exterior mediante intercambiadores de agua caliente, caracterizado por la extracción total de la energia mecánica contenida en su curva P*V/T =cte. mediante el convertidor de cilindros secuenciales, caracterizado por la recuperación del fluido para incorporarlo nuevamente al ciclo a través de distintos depósitos y aplicándole nuevamente la energia térmica necesaria mediante cualquier fuente de energia incluso la solar, asi como la energia térmica ambiental.
3. Motor termo/fluido de expansión TFE para fluidos o gases líquidos, del tipo térmico, según reivindicación 1 , caracterizado por el uso de estos fluidos o gases líquidos como por ejemplo el aire liquido, sin aportación de energia témica exterior durante el proceso, exceptuando la energia térmica ambiental que necesita para su regeneración, caracterizado por la extracción de la energia mecánica contenida en su curva P*V/T = cte a través del convertidor de energia del motor de cilindros secuenciales donde se aplica la energia térmica ambiental, caracterizado por la regeneración y conversión nuevamente en gases liquados a través de sucesivas etapas de expansión en os cilindros secuenciales que origina un fuerte enfriamiento para conseguir las temperaturas de liquefacción a presión = 1 bar, caracterizado por la reutilización nuevamente de estos fluidos, exceptuando las perdidas, para repetir ciclo hasta su agotamiento por pérdidas, caracterizado por extraer la energia mecánica que justo se necesite en ese momento, pudiéndose parar, arranacar o regenerar el fluido mediante la aportación de energia mecánica esterior, caracterizado por ser totalmente limpio y ecológico.
4. Motor termo/fuido de expansión TFE del tipo térmico, caracterizado por integrar un convertidor de energia de la curva del gas PV/T=cte, mediante dos grupos de cilindros cuyo émbolo está solidario a otro grupo de cilindros oleohidraulicos que trabajan a casi presión constante, accionando un motor hidráulico (movimiento) que ha su vez mueven una serie de bombas hidráulicas para obtener el caudal justo a cada presión instantánea y diferente detectada en los distintos cilindros, aumentando con ello la efectividad del motor TFE en cuanto a la conversión íntegra de la energia contenida en la curva PV/T = cte.
5. Motor termo/fluido de expansión TFE y recuperador o acumulador térmico secuencial de temperaturas ATS, de n focos de fluidos o sólidos, a n temperaturas, en vasos perfectamente aislados, caracterizado por dar trabajo a costa del calor recuperado, del inicial aportado y del calor ambiental, caracterizado por ser una máquina de movimiento continuo de 3a especie.
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