WO2016117995A1 - Dispositivo de licuefaccion de aire por medio de motores tipo stirling dispuestos en cascada alimentados por energia solar - Google Patents
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Definitions
- refrigerators and similar devices generally adopt a vapor compression refrigeration cycle in which a CFC (chlorofluorocarbon) refrigerant is circulated.
- CFC chlorofluorocarbon
- CFC-based refrigerants when released into the atmosphere reach the stratosphere without decomposing and destroy the ozone layer, which constitutes an environmental problem. For this reason, the production and use of refrigerants and alternatives such as R-134a are increasingly used while CFCs have been restricted worldwide.
- the refrigerator is provided with a Stirling cooling device, with a cold side heat exchanger placed in a cold air duct formed in the part rear of the refrigerator's cooling chamber to allow the circulation of cold air and with a hot side connected to a metal surface part of the refrigerator body.
- a Stirling cooling device When the Stirling cooling device is operated, the cold is generated by the Heat exchanger on the cold side and cold air circulates through the cold passage and cools the inside of the refrigerator.
- an air fan is provided in a V-shaped heat rejection passage formed in the back of the cold air duct so that the heat accumulated in the hot side heat exchanger is actively rejected outside of the fridge.
- part of the heat is rejected from the heat exchanger on the hot side outside the refrigerator also by means of the metal surface part of the refrigerator body. This relieves the load on the heat exchanger on the hot side and therefore improves the heat dissipation efficiency.
- This conventional refrigerator is built as a system in which cooling is achieved by discharging cold as well as sensible heat directly into the refrigerator by using air as a medium. Consequently, to obtain a cooling performance of the same order that is achieved with conventional steam compression refrigeration cycles, it is necessary to use large heat exchangers, making the system bulky. Thus, with this conventional construction, it is difficult to achieve the miniaturization and reduction of satisfactory costs required in systems for domestic use.
- the condenser heat rejection pipes are always approximately 20m long and are configured in a serpentine arrangement.
- heat exchange is achieved by exploiting both the sensitive heat of the refrigerant that circulates through the pipes and the latent heat resulting from condensation.
- a cryogenic system by solar energy which consists of a set of Stirling cycle heat pumps connected in series to gradually lower the air temperature until it reaches the dew point.
- Figure 1 is a schematic of the device of the present invention.
- first helium gas cooling cycle formed by a first segmented parabolic solar energy concentrator (1) at whose focal point a first displacement cylinder (2) with a first displacement piston (3) of a device is arranged Stirling type; said first displacement piston (3) reciprocatingly disposed within the first displacement cylinder (2) and receiving the heat captured by the first solar concentrator (1), a first power cylinder (4) which inside contains a first power piston (5) reciprocally arranged; said first displacement cylinder (2) has a helium gas inlet and in said inlet a single-way inlet valve 1 (9) is located allowing the passage of helium into the first displacement cylinder (2); a first interconnecting pipe (6) that connects the output of the first displacement cylinder (2) with the inlet of the first power cylinder (4) having a thermal insulated chamber (7) in its middle part with a filtrol (13 ) inside made of aluminum and adhered to the walls of the chamber (7) and with fins on the outside to help eliminate heat.
- the inlet of the first power cylinder (4) which also has a one-way inlet valve2 (16) for the admission of helium gas.
- a displacement rod (10) of the first displacement piston (3) that is mechanically connected with the potential stem (11) of the first power piston (5) by a first steering wheel (12); both cylinders arranged in a linearly opposite arrangement with each other and in which the first displacement piston (3) mechanically advances the first power piston (5) by 90 degrees.
- the output of the first power cylinder (4) is connected to the input3 (18) of a second displacement cylinder (22) of a second cooling cycle.
- the inlet of the second power cylinder (24) which also has a one-way intake valve4 (36) for the admission of helium gas.
- a displacement rod2 (30) of the second displacement piston (23) that is mechanically connected to the power rod2 (31) of the second power piston (25) by a second flywheel (32); both cylinders arranged in a linearly opposite arrangement with each other and in which the second displacement piston (23) mechanically advances the second power piston (25) by 90 degrees.
- the output of the second power cylinder (24) is connected to the heat exchanger inlet (38) where the low temperature helium cools the air to room temperature until it reaches its point of liquefaction.
- the heat exchanger outlet (38) is connected to the input of the first displacement cylinder (2) to close the cycle.
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Abstract
Se trata de un dispositivo de licuefacción de aire por medio de motores de ciclo Stirling para la extracción de oxigeno por medio de criogenia. El dispositivo está compuesto por dos motores de ciclo Stirling dispuestos en cascada donde el gas (helio) pasa del primer ciclo al segundo y después a un intercambiador de calor donde extrae el calor al aire para condensarlo. Para completar el ciclo ambos motores toman energía solar por medio colectores solares parabólicos la cual se concentra en el cilindro del lado caliente para lograr el funcionamiento.
Description
DISPOSITIVO DE LICUEFACCION DE AIRE POR MEDIO DE MOTORES TIPO STIRLING DISPUESTOS EN CASCADA ALIMENTADOS POR ENERGIA SOLAR.
ANTECEDENTES
En la actualidad, los refrigeradores y aparatos similares adoptan generalmente un ciclo de refrigeración por compresión de vapor en el que se hace circular un refrigerante tipo CFC (clorofluorocarbono). Sin embargo los refrigerantes basados en CFC cuando se liberan a la atmósfera llegan a la estratosfera sin descomponerse y destruyen la capa de ozono, lo que constituye un problema ambiental. Por esta razón, la producción y el uso de refrigerantes y alternativas tales como R-134a son cada vez más utilizados mientras los CFC se han ido restringiendo en todo el mundo.
En este contexto, una nueva evaluación se ha hecho de las ventajas del ciclo termodinámico que durante mucho tiempo ha sido conocido como el ciclo de Stirling invertido, y en los últimos años se ha prestado mucha atención a sistemas de refrigeración Stirling que lo explotan. Sin embargo, la mayoría de los dispositivos de refrigeración Stirling que se han puesto en uso práctico hasta ahora son para uso en pequeños refrigeradores Stirling con un rendimiento de refrigeración de unas pocas decenas de vatios o inferior; es decir, no se han puesto uso práctico dispositivos de refrigeración Stirling que tengan un rendimiento de refrigeración del orden de cientos de vatios, para lo cual se espera que las más altas exigencias como modelos para uso doméstico y comercial.
Ahora, se describirá el refrigerador Stirling convencional descrito en la patente japonesa registrada bajo el número 2714155. El refrigerador está provisto de un dispositivo de refrigeración Stirling, con un ¡ntercambiador de calor del lado frío colocado en un conducto de aire frío formado en la parte trasera de la cámara de refrigeración del refrigerador a fin de permitir la circulación de aire frío y con un lado caliente conectado a una parte superficial de metal del cuerpo del refrigerador. Cuando se acciona el dispositivo de refrigeración Stirling, el frío es generado por el
intercambiador de calor del lado frío y el aire frío circula a través del paso frío y enfría el interior del refrigerador. Por otra parte, un ventilador de aire se proporciona en un pasaje de rechazo de calor en forma de V formado en la parte posterior del conducto de aire frío de manera que el calor acumulado en el intercambiador de calor del lado caliente se rechaza activamente fuera de la nevera. Además, parte del calor es rechazado desde el intercambiador de calor del lado caliente fuera del refrigerador también por medio de la parte superficial de metal del cuerpo refrigerador. Esto alivia la carga en el intercambiador de calor del lado caliente y por lo tanto mejora la eficiencia de disipación de calor.
Este refrigerador convencional se construye como un sistema en el que el enfriamiento se consigue mediante la descarga de frío así como de calor sensible directamente en el refrigerador mediante el uso de aire como medio. En consecuencia, para obtener un rendimiento de refrigeración del mismo orden que se logra con ciclos de refrigeración de compresión de vapor convencional, es necesario utilizar grandes intercambiadores de calor, haciendo el sistema voluminoso. Así, con esta construcción convencional, es difícil de lograr la miniaturización y reducción de costes satisfactorios requeridos en sistemas para uso doméstico.
El mayor obstáculo es la miniaturización del sistema de refrigeración. En particular, para asegurar el espacio de almacenamiento comparable con el permitido por el ciclo de refrigeración por compresión de vapor convencional, es esencial miniaturizar el dispositivo de refrigeración Stirling en si mismo En los últimos años la miniaturización de los dispositivos de refrigeración Stirling se ha estudiado con entusiasmo. Como los dispositivos de refrigeración Stirling se hacen cada vez más compactos, sus emisores de calor y absorbedores de calor se hacen cada vez más pequeños y los espacios dentro de sus cilindros llenos de un medio de trabajo como el helio, se hacen cada vez más pequeños.
Por consiguiente, para obtener una gran cantidad de frío de manera eficiente desde un dispositivo de refrigeración Stirling miniaturizado, es necesario aumentar la
eficiencia de intercambio de calor de los intercambiadores de calor conectados a su sistema. Como resultado, a pesar de la miniaturización del dispositivo de refrigeración Stirling en sí mismo, los intercambiadores de calor adjuntos al mismo son ahora más grande. Esto dificulta la miniaturización satisfactoria del sistema de refrigeración en su conjunto.
Por lo tanto, para realizar un sistema de refrigeración de ahorro de espacio con el rendimiento de refrigeración deseada, es muy importante, además de la miniaturización del dispositivo de refrigeración Stirling en sí mismo, miniaturizar los intercambiadores de calor manteniendo al mismo tiempo su eficiencia de intercambio de calor.
En un sistema de tamaño medio de refrigeración doméstico convencional de ciclo de compresión de vapor, las tuberías para el rechazo de calor del condensador, siempre son aproximadamente de 20m y está configurada en una disposición en serpentina. Aquí, el intercambio de calor se logra mediante la explotación tanto del calor sensible del refrigerante que circula a través de las tuberías y el calor latente resultante de la condensación.
Por el contrario, en el refrigerador Stirling convencional descrito en la Patente Japonesa mencionado anteriormente, propone que el forzado de aire de refrigeración requiere un intercambiador de calor extremadamente grande para el rechazo de calor. Por lo tanto, para lograr una extracción de calor satisfactoria desde el intercambiador de calor es necesario aumentar la cantidad de aire soplado sobre el intercambiador de calor que rechaza calor de enfriamiento. El aumento de la cantidad de aire de refrigeración, sin embargo, resulta en el aumento de consumo de energía eléctrica del ventilador del soplador. Esto significa que el consumo de energía eléctrica extra degrada la eficiencia del sistema en su conjunto.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
Se describe un sistema de criogenia por medio energía solar el cual consiste en un conjunto de bombas de calor de ciclo Stirling conectadas en serie para bajar la temperatura del aire gradualmente hasta llegar al punto de condensación.
Breve descripción de figuras:
La figura 1 es un esquema del dispositivo de la presente invención.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Se tiene un primer ciclo de enfriamiento de gas helio conformado por un primer concentrador de energía solar (1) parabólico segmentado en cuyo punto focal se encuentra dispuesto un primer cilindro de desplazamiento (2) con un primer pistón de desplazamiento (3) de un dispositivo de tipo Stirling; dicho primer pistón de desplazamiento (3) dispuesto de manera reciprocante dentro del primer cilindro de desplazamiento (2) y que recibe el calor captado por el primer concentrador solar (1), un primer cilindro de potencia (4) que en su interior contiene un primer pistón de potencia (5) dispuesto reciprocantemente; dicho primer cilindro de desplazamiento (2) tiene una entrada de gas helio y en dicha entrada se encuentra ubicada una válvula de admisión 1 (9) de una sola vía que permite el paso de helio al interior del primer cilindro de desplazamiento (2); una primer tubería de interconexión (6) que conecta la salida del primer cilindro de desplazamiento (2) con la entrada del primer cilindro de potencia (4) que tiene una cámaral (7) de aislado térmico en su parte media con un filtrol (13) en su interior fabricado de aluminio y adherido a las paredes de la cámaral (7) y con aletas en su exterior para ayudar a eliminar el calor. La entrada del primer cilindro de potencia (4) que también cuenta con una válvula de admisión2 (16) de una sola vía para la admisión de gas helio. Un vástago de desplazamientol (10) del primer pistón de desplazamiento (3) que se conecta mecánicamente con el vástago de potencial (11) del primer pistón de potencia (5)
mediante una primer volanta (12); ambos cilindros dispuestos en un arreglo linealmente opuestos entre si y en la cual el primer pistón de desplazamiento (3) adelanta mecánicamente al primer pistón de potencia (5) por 90 grados. La salida del primer cilindro de potencia (4) esta conectada a la entrada3 (18) de un segundo cilindro de desplazamiento (22) de un segundo ciclo de enfriamiento.
Un segundo ciclo de enfriamiento de gas helio conformado por un segundo concentrador de energía solar (21) parabólico segmentado en cuyo punto focal se encuentra dispuesto un segundo cilindro de desplazamiento (22) con un segundo pistón de desplazamiento (23) de un dispositivo de tipo Stirling; dicho segundo pistón de desplazamiento (23) dispuesto de manera reciprocante dentro del segundo cilindro de desplazamiento (22) y que recibe el calor captado por el segundo concentrador solar (21), un segundo cilindro de potencia (24) que en su interior contiene un segundo pistón de potencia (25) dispuesto reciprocantemente; dicho segundo cilindro de desplazamiento (22) tiene una entrada de gas helio y en dicha entrada se encuentra ubicada una válvula de admisión3 (20) de una sola vía que permite el paso de helio al interior del segundo cilindro de desplazamiento (22); una segunda tubería de interconexión (26) que conecta la salida del segundo cilindro de desplazamiento (22) con la entrada del segundo cilindro de potencia (24) que tiene una cámara2 (27) de aislado térmico en su parte media con un filtro2 (33) en su interior fabricado de aluminio y adherido a las paredes de la cámara2 (27) y con aletas en su exterior para ayudar a eliminar el calor. La entrada del segundo cilindro de potencia (24) que también cuenta con una válvula de admisión4 (36) de una sola vía para la admisión de gas helio. Un vástago de desplazamiento2 (30) del segundo pistón de desplazamiento (23) que se conecta mecánicamente con el vástago de potencia2 (31) del segundo pistón de potencia (25) mediante una segundo volanta (32); ambos cilindros dispuestos en un arreglo linealmente opuestos entre si y en la cual el segundo pistón de desplazamiento (23) adelanta mecánicamente al segundo pistón de potencia (25) por 90 grados. La salida del segundo cilindro de potencia (24) esta conectada a la entrada del intercambiador de calor (38) donde el helio a baja temperatura enfría el aire a temperatura ambiente hasta llevarlo a su punto de
licuefacción. La salida del intercambiador de calor (38) esta conectada a la entrada del primer cilindro de desplazamiento (2) para cerrar el ciclo.
Claims
1. Un dispositivo de licuefacción de aire caracterizado por los siguientes elementos:
Un primer ciclo de enfriamiento de gas helio conformado por un primer concentrador de energía solar parabólico segmentado en cuyo punto focal se encuentra dispuesto un cilindro de desplazamiento con un pistón de desplazamiento de un dispositivo de tipo Stirling; dicho pistón de desplazamiento dispuesto de manera reciprocante dentro del cilindro de desplazamiento y que recibe el calor captado por el concentrador solar, un cilindro de potencia que en su interior contiene un pistón de potencia dispuesto reciprocantemente; dicho cilindro de desplazamiento y dicho cilindro de potencia que incluyen medios de interconexión para el flujo de gas helio y medios para el aislamiento térmico de cada parte, un vástago que conecta mecánicamente al pistón de desplazamiento con el vástago del pistón de potencia mediante una volanta en la cual el pistón de desplazamiento adelanta al pistón de fuerza por 90 grados. Una válvula de una sola vía de admisión y una salida de escape conectadas al cilindro de desplazamiento para el flujo de helio; una válvula de una sola vía de admisión y una salida de escape conectadas al cilindro de fuerza para el flujo de helio.
Un segundo ciclo de enfriamiento de gas helio conformado por un segundo concentrador de energía solar parabólico segmentado en cuyo punto focal se encuentra dispuesto un cilindro de desplazamiento con un pistón de desplazamiento de un dispositivo de tipo Stirling; dicho pistón de desplazamiento dispuesto de manera reciprocante dentro del cilindro de desplazamiento y que recibe el calor captado por el concentrador solar, un cilindro de potencia que en su interior contiene un pistón de potencia dispuesto reciprocantemente; dicho cilindro de desplazamiento y dicho cilindro de potencia que incluyen medios de interconexión para el flujo de gas helio y
medios para el aislamiento térmico de cada parte, un vástago que conecta mecánicamente al pistón de desplazamiento con el vástago del pistón de potencia mediante una volanta en la cual el pistón de desplazamiento adelanta al pistón de fuerza por 90 grados. Una válvula de una sola vía de admisión y una salida de escape conectadas al cilindro de desplazamiento para el flujo de helio; una válvula de una sola vía de admisión y una salida de escape conectadas al cilindro de fuerza para el flujo de helio.
Medios de interconexión del cilindro de fuerza del primer ciclo de enfriamiento con el cilindro de desplazamiento del segundo ciclo de enfriamiento.
Un intercambiador de temperatura y los medios de interconexión con el cilindro de potencia del segundo ciclo de enfriamiento y medios de conexión con el cilindro de desplazamiento del primer ciclo de enfriamiento.
2. El dispositivo de la reivindicación anterior donde el ciclo de enfriamiento 1 y el ciclo de enfriamiento 2 están conectados termodinámicamente para crear un solo ciclo de enfriamiento de helio en cascada.
3. El dispositivo de la reivindicación 1 el cual se puede repetir sobre si mismo para poder agregar varios ciclos de enfriamiento.
4. Los medios de interconexión para el flujo de helio de la reivindicación 1 donde se interconecta la salida de escape del primer cilindro de desplazamiento con la válvula de admisión del primer cilindro de potencia y la salida de escape del primer cilindro de potencia con la válvula de admisión del segundo cilindro de desplazamiento; la salida de escape del segundo cilindro de desplazamiento con la válvula de admisión del segundo cilindro de potencia; la salida de escape del segundo cilindro de potencia con la entrada del intercambiador de calor y la salida del intercambiador de calor con la válvula de admisión del primer cilindro de desplazamiento.
5. Los medios de conexión de la reivindicación anterior al cual se le pueden agregar más ciclos de enfriamiento antes de conectar al intercambiador de calor.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 15879109 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
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| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 15879109 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |