ES2585879B1 - Máquina térmica con ciclo termodinámico y procedimiento de funcionamiento de la misma - Google Patents

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Abstract

Máquina térmica con ciclo termodinámico y procedimiento de funcionamiento de la misma.#Constituida por un tanque (1) de líquido comprimido subenfriado a temperatura ambiente, que es llenado bien de líquidos recuperables suministrados por una máquina con ciclo térmico cerrado líquidos nuevos suministrados por máquinas térmicas con ciclo térmico abierto, una línea de succión, una bomba, línea de salida (6) de la bomba, línea de suministro de fluido de alta temperatura, zona de mezcla de fluidos, una turbina, salida de la turbina al ambiente o a una máquina térmica de ciclo cerrado, pudiéndose añadir a dicha salida un intercambiador de calor o bien una caldera. Funciona bombeando el líquido comprimido del tanque a la zona de mezcla e introduciendo simultáneamente fluido de alta temperatura, aumentando su velocidad la mezcla obtenida por efecto del cambio de densidad por evaporación. La mezcla se envía a la turbina para realizar un trabajo por cambio de energía cinética.

Description

MÁQUINA TÉRMICA CON CICLO TERMODINÁMICO Y PROCEDIMIENTO DE FUNCIONAMIENTO DE LA MISMA OBJETO DE LA INVENCiÓN
La presente invención se refiere al aprovechamiento de la energía de los
fluidos que salen de las máquinas térmicas. Estos fluidos se encuentran a temperaturas más elevadas que el punto de ebullición de un liquido o líquidos comprimidos con la presión igualo mayor que la presión atmosférica.
Se introduce como innovación el bombeo de un fluido o mezcla de fluidos
del mismo tipo o diferentes del que se quiere aprovechar la energía en estado líquido comprimido para que al mezclarse con el fluido que se quiere
aprovechar su energía se evapore y aumente su energía cinética alcanzando el
estado de vapor saturado o vapor sobrecalenlado. Actualmente los gases
calientes en las máquinas ténnicas son enviados al ambiente o a un
intercambiador de calor para extraer su energia sin ser aprovechados para
obtener un trabajo termodinámico. Otra innovación es el bombeo de un fluido o
mezcla de fluidos en estado líquido comprimido por una fuente de alto calor para que alcance el estado de liquido saturado y se mezcle con el fluido de alta
temperatura que se desea aprovechar su energía para Que aumente su energía
cinética. La energla cinética que se obtiene en la presente invención se aprovecha
enviándola a una turbina o grupos de turbinas para generar un trabajo termodinámico.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA A RESOLVER POR LA PRESENTE INVENCiÓN
Las máquinas ténnicas deben expulsar calor al medio ambiente para poder funcionar. Actualmente los ciclos termodinámicos abiertos a la atmósfera
30 pierden energla enviando los gases calientes al ambiente. Por ejemplo: En el ciclo Brayton la temperatura real de salida oscila de 495 a 560 grados
centígrados.
En las máquinas térmicas de ciclo cerrado el fluido de alta temperatura que sale de la turbina pierde su energía al pasar por los condensadores o
intercambiadores de calor.
Actualmente no hay equipos o ínvenciones que utilicen el bombeo de fluidos para aprovechar esta energía mediante el cambio de la energía cinética por la evaporación y ser enviados a una turbina o grupos de turbinas para
generar un trabajo termodinámico. Por ello. la energía que poseen los gases calientes se pierde. En cambio con la presente invención el vajXlr saturado o sobrecalentado que se obtiene cuando se mezcla o intercambia calor se envía a
una turbina que aprovecha el cambio de energía cinética en ella para generar un trabajo. Esto hace que la máquina térmica se hace más eficiente porque se
aprovecha aún la energía remanente que tiene los gases calientes y disminuye
el volumen de C02 que se envía a la atmósfera
La fonna de aprovechar la energla de las máquinas térmicas actuales se
hace por variación de la entalpía al cambiar la presión en una turbina. No se
hace por cambio de energía cinética en las turbina ya que los cambios de la energía cinética a altas presiones no es considerable. Esto se debe a que el cambio de energía cinética por cambio de densidad es pequeno comparado con
el cambio de entalpía.
Por ejemplo una máquina témnica de un ciclo Rankine toma el agua a temperatura de 20' C y la presión atmosférica. Eleva la presión hasta 2 Mpa y el fluido sale de la caldera a una temperatura de 400' C con un flujo másico de 7.5 Kg/s lleva una velocidad de 1 mis en la entrada de la caldera y una velocidad en la salida de 140 mis. Tiene un cambio de energía cinética de 9.8 KJ/kg porque su densidad cambió de 948 Kg/m' a 6.61 Kg/m' y su cambio de entalpia es de 2861 KJ/kg. Es decir, el cambio de energla cinética es muy pequeño y por eso se desprecia. Y en la medida que la presión sea más alta el cambio de la
30 energla cinética es menor.
,
En la presente invención su incremento se hace por evaporación a la
presión atmosférica y la densidad del vapor a 400°C seria de 0.3223 Kg/m' , cambiando su velocidad de 1 mis a 2870 mis por lo que su cambio de energla cinética es de 4120,04 KJlkg. Es un cambio significativo y su energía se puede aprovechar enviándola hacia una turbina.
La ventaja que se ofrece con la presente invención es aprovechar la energía que aún dispone los fluidos calientes en la salida de la turbina de las máquinas térmicas antes de que se pierdan a la atmósfera mediante la
evaporación de un líquido haciendo que su velocidad aumente significativamente para que pueda realizar un trabajo en una turbina.
ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN
Aunque no se ha encontrado ninguna invención idéntica a la descrita, exponemos a continuación documentos encontrados que reflejan el estado de la
técnica relacionado con la misma.
Asi el documento ES2447827T3 describe un máquina tenmodinámica que comprende un sistema de circuito en el que circula un fluido de trabajo que particularmente hierve a baja temperatura, de modo alternante en una fase
gaseosa y una fase liquida, con un intercambiador de calor, con una máquina de expansión, con un condensador y con una bomba para liquido, caracterizada porque una presión parcial que aumenta la presión del sistema se impone al
fluido de trabajo liquido en la cabeza de la bomba de liquido, a través de la
adición de un gas auxiliar no condensable.
La invención propuesta se basa en aprovechar la energia mediante el cambio de energla cinética por efecto de la evaporación de uno o varios liquidos comprimidos al mezclarse con un fluido a una temperatura mayor que la d~ punto de ebullición. No se utiliza el gas auxiliar para evitar la cavitación y tampoco se utiliza una máquina de expansión que hace el papel de turbina y
aprovecha la energla por el cambio de entropia como hace la invención
comparada.
ES2453904T3 propone un sistema tennodinámico, que comprende: -un
sistema clclico de intercambio de calor, y -un sistema de transferencia de calor
que comprende: un evaporador anular que incluye una pared configurada para estar acoplada a una parte del sistema clclico de intercambio de calor y una mecha principal acoplada a la pared, y un condensador acoplado al evaporador
para formar un bucle cerrado que aloja un fluido de trabajo; en el que el
evaporador anular está ajustado mediante interferencia en el sistema cíclico de
intercambio de calor.
En la invención propuesta se aprovecha la energia disponible de un fluido
que se encuentra a una temperatura alta mediante la evaporación de uno o varios líquidos comprimidos cuando se mezclan. La energfa cinética de la
mezcla es la que se aprovecha para realizar un trabajo en la turbina y no es
solamente un intercambiador de calor.
El documento ES2012529A6 propone un ciclo y máquina termodinámica combinada, en el que la máquina está constituida por la asociación de un motor
térmico con una máquina tennodinámica inversa relacionada con su carga de admisión, que sigue un ciclo termodinámico que presenta una compresión inicial
según una linea próxima a una isotenna o a una polilr6pica de f6nnula p-Yquot; = constante (siendo p =presión, V =volumen, n =relación calores especificos), en la que n » 1, y una expansión según una linea próxima a una expansión total, todo ello con una temperatura y una preSión máximas.
En la invención propuesta se aprovecha la energía de los gases de escape cuando se mezcla con un líquido comprimido o líquidOS comprimido para obtener un trabajo termodinámico y no se usa para hacer funcionar una máquina inversa, es decir, un refrigerador.
ES2363455T3 hace referencia a un sistema de almacenamiento de
energía termoeléctrica para proporcionar energra térmica a una máquina
termodinámica para la generación de electricidad, que comprende; una unidad de almacenamiento caliente que está en conexión con un intercambiador de calor y contiene un medio de almacenamiento térmico, un circuito de fluido de
trabajo para la circulación de un fluido de trabajo a través del intercambiador de
calor para la transferencia de calor con el medio de almacenamiento térmico y
en el que la diferencia de temperatura entre el fluido de trabajo y el medio de
almacenamiento térmico en un punto de entrada y uno de salida del
intercambiador de calor es menor de 50·C durante la transferencia de calor.
La propuesta presentada no es para guardar energla térmica sino para
generar trabajo termodinámico aprovechando la energla de los fluidos que salen
de la turbina antes de entrar al condensador o intercambiador de calor.
Condusiones: Como se desprende de la investigación realizada, ninguno de los documentos encontrados soluciona los problemas planteados como lo
hace la invención propuesta.
DESCRIPCiÓN DE LA INVENCiÓN La máquina térmica con ciclo termodinámico objeto de la presente
invención tal como se ilustra en la figura 1 está constituida por: -Un tanque de líquido comprimido o mezcla de líquidos comprimidos destinado a contener el fluido o fluidos de trabajo, preferentemente agua,
pudiéndose utilizar otros IIquidos como por ejemplo una solución acuosa de
ácido citrico, hidrocarburos, éteres, aceites, entre otros. Es decir, sustancias o mezclas que se encuentren en estado liquido comprimido o subenfriado a temperatura ambiente. Dicho tanque es llenado del liquido o IIquidos de trabajo de dos fuentes posibles: La primera fuente es cuando el liquido o liquidos de trabajo se pueden recuperar y esto ocurre cuando el objeto de la presente invención trabaje con fluidos de alta temperatura que son suministrados por una
•
máquina con ciclo térmico cerrado como por ejemplo el Brayton, Rankine, entre
otros. Una segunda fuente de llenado es utilizar líquido o líquidos nuevos para
cuando el objeto de la presente invención trabaje con fiuidos de alta temperatura
que son suministrados por máquinas lénnicas con ciclo térmico abierto como el
Brayton, Diesel, Otto, entre otros o con procesos industriales donde los fiuidos que se descartan tienen la temperatura más alta que la temperatura de saturación del fiuido de trabajo.
Una linea de succión que une al tanque con una bomba Una bomba para líquidos Una línea de salida de la bomba. Una línea de suministro de fiuido de alta temperatura proveniente de:
a. Una máquina térmica con ciclo abierto a la atrnosfera como por ejemplo un ciclo diesel, un ciclo otto, siendo preferentemente la de un ciclo Brayton, cuya temperatura real de salida oscila de
495 a 560 grados centfgrados. La temperatura del fiuido
suministrado debe estar por encima de la temperatura de
ebullición de los líquidos comprimidos o subenfriados. Tomando
como referencia el agua la temperatura del fluido de alta temperatura debe ser mayor a 100G e a una presión de una
atmósfera que es la presión del ambiente a nivel del mar.
b. El fiuido de alta temperatura también puede provenir de una
caldera, intercambiador de calor o de un proceso industrial, sin necesidad de que provenga solamente de una máquina
térmica.
c. El fiuido de alta temperatura proViene de una máquina térmica
con ciclo cerrado como lo es el Brayton, Rankine, entre otros. La temperatura del fluido suministrado debe estar por encima
de la temperatura de ebullición de los liquidas comprimidos o
subenfriados. Zona de mezcla de fluidos.
Una turbina.
Una salida de la turbina que puede ir:
a. Al ambiente cuando el objeto de la presente invención trabaje
con fluidos de alta temperatura que son suministrado por máquinas con ciclo térmico abierto o con fluidos de alta
temperatura de procesos industriales.
b. A una máquina térmica con ciclo cerrado como el ciclo Brayton,
Rankine, entre otros para que termine su ciclo cuando el fluido
de alta temperatura provenga de ellas.
El funcionamiento de dicha máquina térmica con ciclo termodinámico es el siguiente: Etapa 1: El líquida comprimido o la mezcla de líquidos comprimidos del
tanque son bombeados a la zona de mezcla. Simultáneamente se introduce fluido de alta temperatura por la Unea de suministro a la zona de mezcla de
fluidos.
Etapa 2: la mezcla obtenida en la zona de mezcla aumenta su velocidad
por efecto del cambio de densidad por evaporación. Etapa 3: La mezcla se envla a la turbina para realizar un trabajo por
cambio de energra cinética.
Etapa 4: La mezcla de fluidos sale de la turbina y se descarga al ambiente o continúa con el ciclo de una máquina térmica con ciclo cerrado.
Se puede agregar a dicha máquina térmica un intercambiador de calor o bien una caldera en la línea de salida, pudiendo pertenecer dIcho intercambiador de calor o caldera a una máquina ténnica, que calienta el líquida comprimido o
subenfriado hasta la temperatura de liquido saturado. El funcionamiento de esta
realización diferente se diferencia de la principal en que en la etapa 1 el líquido que se bombea a la zona de mezcla entra como líquida saturado y no como líquido comprimido, que en el caso del agua es de 100°C a la presión de una
atmósfera y en la etapa 2, al mezclarse con el fluido de alta temperatura la
30 evaporación se hace de fonna inmediata aumentando su energía cinética.
BREVE DESCRIPCiÓN DE LOS DIBUJOS.
Para una mejor comprensión de la descripción se acompañan unos dibujos que representan una realización preferente de la presente invención. 5 Figura 1: Esquema de la máquina térmica con ciclo termodinámico
Figura 2: Esquema de máquina térmica con ciclo Brayton abierto a la
atmosfera
Figura 3: Esquema de máquina térmica con intercambiador de calor.
Las referencias numéricas de las figuras corresponden a los siguientes
10 elementos consütutivos de la presente invención:
1.
Tanque
2.
Fluido de trabajo
3.
Máquina térmica de ciclo abierto Brayton
4.
Linea de succión
15 5. Bomba
6.
Linea de salida de la bomba
7.
Fluido de alta temperatura
8. Zona de mezclas
9. Turbina 20 10. Gases + vapor saturado o sobrecalentado
11. Intercambiador de calor
DESCRIPCiÓN DE UNA REALlZACION PREFERENTE DE LA INVENCiÓN
Una realización preferente de la invención mencionando dichas
25 referencias numéricas se puede basar en: -Un tanque (1) de liquido comprimido o mezcla de liquidas ccmprimidos destinado a contener el fluido o ftuidos de trabajo (2), preferentemente agua, pudiéndose utilizar otros líquidos como por ejemplo una solución acuosa de ácido dtrico, hidrocarburos, éteres, aceites, entre otros, es decir, sustancias o
30 mezclas que se encuentren en estado liquido comprimido o subenfriado a
temperatura ambiente. Dicho tanque (1) es llenado del liquido o liquidas de
trabaja (2) de dos fuentes posibles: La primera fuente es cuando el liquido o
liquidas de trabajo (2) se pueden recuperar y esto ocurre cuando el objeto de la
presente invención trabaje con fluidos (2) de alta temperatura que son
5
suministrados por una máquina con ciclo ténnico cerrado como por ejemplo el
Brayton, Rankine, entre otros. Una segunda fuente de llenado es utilizar liquido
o liquidas nuevos para cuando el objeto de la presente invención trabaje con
fluidos (2) de alta temperatura que son suministrados por máquinas térmicas
con ciclo térmico abierto como el Brayton (3), Diesel, Otto, entre otros o con
10
procesos industriales donde los fluidos que se descartan tienen la temperatura
más alta que la temperatura de saturación del fluido de trabajo (2).
Una linea de succión (4) que une al tanque con una bomba
Una bomba (5) para liquidas
Una linea de salida (6) de la bomba.
IS
Una linea de suministro de fluido de alta temperatura (7) proveniente
de:
a. Una máquina térmica con ciclo abierto a la atmosfera como por
ejemplo un ciclo Diesel, un ciclo Otto, siendo preferentemente
la de un ciclo Brayton (3), cuya temperatura real de salida
20
oscila de 495 a 560 grados centígrados. La temperatura del
fluido suministrado debe estar por encima de la temperatura de
ebullición de los liquidos comprimidos o subenfriados. Tomando
como referencia el agua la temperatura del fluido de alta
temperatura debe ser mayor a 100°C a una presión de una
2S
atmósfera que es la presión del ambiente a nivel del mar.
b. El fluido de alta temperatura también puede provenir de una
caldera, intercambiador de calor (11 ) o de un proceso industrial,
sin necesidad de que provenga solamente de una máquina
térmica.
c. El fluido de alta temperatura proviene de una máquina térmica
con ciclo cerrado como lo es el Brayton, Rankine, entre otros.
La temperatura del fluido suministrado debe estar por encima
de la temperatura de ebullición de los líquidos comprimidos o subenfriados.
Zona de mezcla de fluidos (8). Una turbina (9). Una salida (10) de la turbina que puede ir:
a. Al ambiente cuando el objeto de la presente invención trabaje
con fluidos de alta temperatura que son suministrado por máquinas con ciclo térmico abierto o con fluidos de alta
temperatura de procesos industriales.
b. A una máquina térmica con ciclo cerrado como el ciclo Brayton, Rankine, entre otros para que termine su ciclo cuando el fluido
de alta temperatura provenga de ellas.
El funcionamiento de dicha máquina térmica con ciclo termodinámico es el siguiente:
Etapa 1: El liquido comprimido o la mezcla de liquidos comprimidos (2) del tanque (1) son bombeados a la zona de mezcla (8). Simultáneamente se introduce fluido de alta temperatura por la linea de suministro a la zona de mezcla de fluidos (8).
Etapa 2: La mezcla obtenida en la zona de mezcla (8) aumenta su velocidad por efecto del cambio de densidad por evaporación.
Etapa 3: La mezcla se envia a la turbina (9) para realizar un trabajo por
cambio de energía cinética.
Etapa 4: La mezcla de fluidos (10) sale de la turbina (9) y se descarga al
ambiente o continúa con el ciclo de una máquina térmica con ciclo cerrado. Se puede agregar a dicha máquina térmica un intercambiador de calor o
bien una caldera (11) en la linea de salida. pudiendo pertenecer dicho intercambiador de calor o caldera a una máquina ténmica, que calienta el líquido comprimido o subenfriado hasta la temperatura de liquido saturado. El funcionamiento de esta realización diferente se diferencia de la principal en que en la etapa 1 el liquido que se bombea a la zona de mezcla (8) entra como
S líquido saturado y no como líquido comprimido, que en el caso del agua es de
100°C a la presión de una atmósfera y en la etapa 2, al mezclarse con el fluido
de alta temperatura la evaporación se hace de forma inmediata aumentando su energía cinética.

Claims (4)

  1. REIVINDICACIONES
  2. 1.-Máquina térmica con ciclo termodinámico, caracterizada por estar constituida por: -Un tanque (1) de líquido comprimido o mezcla de IIquidos comprimidos destinado a contener el fiuido o fiuidos de trabajo (2), preferentemente agua,
    pudiéndose utilizar otros líquidos como por ejemplo una solución acuosa de
    ácido citrico, hidrocarburos, éteres, aceites, entre otros, en estado líquido comprimido o subenfriado a temperatura ambiente. Dicho tanque (1) es llenado del líquido o líquidos de trabajo (2) de dos fuentes posibles: La primera fuente es cuando el liquido o líquidos de trabajo (2) se puede recuperar y esto ocurre cuando dicha máquina térmica trabaja con fiuidos (2) de alta temperatura que
    son suministrados por una máquina con ciclo térmico cerrado como por ejemplo
    el Brayton o Rankine. Una segunda fuente de llenado de dicho tanque es utilizar líquido O IIquidos nuevos para cuando el objeto de la presente invención
    trabaje con fluidos (2) de alta temperatura que son suministrados por máquinas
    térmicas con ciclo térmico abierto como el Brayton (3), Diesel u 000 con
    procesos industriales donde los fluidos que se descartan tienen la temperatura
    más alta que la temperatura de saturación del fiuido de trabajo (2). Una línea de succión (4) que une al tanque con una bomba Una bomba (5) para IIquidos Una linea de salida (6) de la bomba.
    Una Unea de suministro de fluido de alta temperatura (7) proveniente
    de:
    a. Una máquina térmica con ciclo abierto a la atmósfera como por
    ejemplo un ciclo Diesel o un ciclo Otto, siendo preferentemente
    la de un ciclo Brayton (3), cuya temperatura real de salida oscila de 495 a 560 grados centígrados, debiendo estar la
    temperatura del fluido suministrado por encima de la
    temperatura de ebullición de los IIquidos comprimidos o subenfriados. Tomando como referencia el agua la temperatura del fiuido de alta temperatura debe ser mayor a 100·C a una presión de una atmósfera.
    b. O bien de una caldera o un proceso industrial.
    c. O de una máquina térmica con ciclo cerrado como lo es el
    Brayton o Rankine. Zona de mezcla de fluidos (8). Una turbina (9). Una salida (10) de la turbina que puede ir:
    a. Al ambiente cuando el objeto de la presente invención trabaje con fiuidos de alta temperatura que son suministrados por máquinas con ciclo térmico abierto o con fiuidos de alta
    temperatura de procesos industriales.
    b. A una máquina térmica con ciclo cerrado como el ciclo Brayton
    o Rankine.
  3. 2.-Máquina térmica con ciclo termodinámico, según reivindicación 1, caractenzada porque se agrega a dicha máquina térmica un intercambiador de calor (11) o bien una caldera en la linea de salida, pudiendo pertenecer dicho intercambiador de calor (11) o caldera a una máquina térmica que calienta el liquido compnmido o subenfriado hasta la temperatura de liquido saturado.
  4. 3.-Procedimiento de funcionamiento de la máquina térmica con ciclo termodinámico de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por las siguientes etapas:
    Etapa 1: El liquido comprimido o la mezcla de liquidos comprimidos (2) del tanque (1) son bombeados a la zona de mezcla (8) y simultáneamente se introduce fiuido de alta temperatura por la linea de suministro a la zona de mezcla de fiuidos (8).
    Etapa 2: La mezcla obtenida en la zona de mezcla (8) aumenta su velocidad por efecto del cambio de densidad por evaporación.
    Etapa 3: la mezcla se envla a la turbina (9) para realizar un trabajo por
    cambio de energla cinética.
    Etapa 4: la mezcla de fluidos (10) sale de la turbina (9) y se descarga al
    ambiente o continúa con el cido de una máquina térmica con ciclo cerrado. 5 4.-Procedimiento de funcionamiento de la máquina térmica con cido
    termodinamico, según reivindicación 3, caracterizado porque en la etapa 1 el líquido que se bombea a la zona de mezcla (8) entra como liquido saturado y no como liquido comprimido, que en el caso del agua es de 100°C a la presión de una atmósfera y en la etapa 2, al mezclarse con el fluido de alta temperatura, la
    10 evaporación se hace de forma inmediata aumentando su energia cinética.
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