ES2851381A1 - Turbina de gas operando con pulsos baro-térmicos y procedimiento de operacion - Google Patents

Turbina de gas operando con pulsos baro-térmicos y procedimiento de operacion Download PDF

Info

Publication number
ES2851381A1
ES2851381A1 ES202000032A ES202000032A ES2851381A1 ES 2851381 A1 ES2851381 A1 ES 2851381A1 ES 202000032 A ES202000032 A ES 202000032A ES 202000032 A ES202000032 A ES 202000032A ES 2851381 A1 ES2851381 A1 ES 2851381A1
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
thermal
heat
fluid
working
baro
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
ES202000032A
Other languages
English (en)
Other versions
ES2851381B2 (es
Inventor
Garcia Ramón Ferreiro
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to ES202000032A priority Critical patent/ES2851381B2/es
Publication of ES2851381A1 publication Critical patent/ES2851381A1/es
Application granted granted Critical
Publication of ES2851381B2 publication Critical patent/ES2851381B2/es
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/02—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using exhaust-gas pressure in a pressure exchanger to compress combustion-air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/32—Inducing air flow by fluid jet, e.g. ejector action

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
  • Fluidized-Bed Combustion And Resonant Combustion (AREA)

Abstract

La invención denominada "Turbina de gas operando con pulsos baño-térmicos y procedimiento de operación", tiene por objeto convertir la energía térmica procedente de una fuente de calor en trabajo mecánico y/o electricidad mediante la utilización de turbinas de gas a pulsos baro-térmicos. Consiste en turbinas de gas de circuito cerrado que operan con pulsos de presión positivos y negativos obtenidos por adición y extracción de calor a volumen constante, los cuales son aplicados simultáneamente a la entrada y salida de la tribuna de gas. Se instalan acopladas mecánicamente ente sí mediante un eje común, donde su fluido térmico de trabajo es calentado y enfriado respectivamente mediante un fluido térmico de transferencia de calor tal como aceite térmico helio o hidrógeno y fluidos de enfriamiento o extracción de calor tales como agua o un fluido refrigerante.

Description

DESCRIPCIÓN
Turbina de gas operando con pulsos baro-térmicos y procedimiento de operación
Campo técnico de la invención
La presente invención denominada "TURBINA DE GAS OPERANDO CON PULSOS BARO-TÉRMICOS Y PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN” pertenece al campo técnico de las plantas termoeléctricas que realizan la conversión de energía térmica a energía eléctrica vía turbina y generador eléctrico, utilizando calor de media o alta temperatura procedente de fuentes externas de calor procedentes de energía solar concentrada, nuclear, energía térmica de origen fósil como gas natural o hidrógeno o energía térmica residual de grado medio o alto.
Objetivo de la invención
La presente invención denominada "TURBINA DE GAS OPERANDO CON PULSOS BARO-TÉRMICOS Y PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN”, tiene por objeto convertir la energía térmica procedente de una fuente de calor en trabajo mecánico y/o electricidad mediante la utilización de turbinas de gas que operan con pulsos barotérmicos (turbinas de gas que opera con pulsos de presión bajo un ciclo térmico basado en compensación entre presiones positivas y negativas) en circuito cerrado, las cuales se instalan acopladas mecánicamente ente sí mediante un eje común, donde su fluido térmico de trabajo es calentado y enfriado respectivamente mediante un fluido térmico de transferencia de calor tal como aceite térmico helio o hidrógeno y fluidos de enfriamiento o extracción de calor tales como agua o un fluido refrigerante. Pueden optativamente ser alimentadas con calor residual de media y/o alta temperatura, calor solar concentrado, calor de origen nuclear y calor de combustión generado con gas natural, hidrógeno o biocombustibles preferentemente.
Antecedentes de la invención
En las plantas termoeléctricas conocidas es común la utilización de turbinas para la conversión de energía térmica a mecánica las cuales utilizan ciclos Rankine con turbinas de vapor, ciclos Brayton con turbinas de gas, ciclos combinados entre ambas o ciclos Rankine orgánicos donde ambos funcionan mediante procesos termodinámicos abiertos.
En el caso de este invento, se propone una cascada de turbinas donde cada una de las cuales funciona con pulsos de presión asociados a la temperatura (pulsos barotérmicos) generados por adición isocórica de calor al fluido térmico de trabajo según un proceso térmico cerrado dentro de depósitos de acumulación de calor o reservorios térmicos y posterior expansión adiabática y/o contracción en la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos. En consecuencia, en el estado actual de la tecnología no se conocen turbinas que operen en circuito cerrado mediante pulsos de presión, ni ninguna técnica de generación que utilice la técnica descrita para este invento.
Descripción de la invención
Breve descripción de la invención
El invento denominado "TURBINA DE GAS OPERANDO CON PULSOS BAROTÉRMICOS Y PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN”, consiste en una o más turbinas de gas de circuito cerrado para ser instaladas en plantas termo-mecánicas y termoeléctricas las cuales van acopladas mediante un eje común a todas las máquinas rotativas del sistema, donde cada una de las turbinas de gas, opera de modo intermitente en base a pulsos baro-térmicos, que consisten en pulsos positivos de presión asociados a la temperatura conseguida por adición de calor con calentamiento isocórico y/o pulsos de negativos presión asociados a la temperatura conseguida por extracción de calor con enfriamiento isocórico del fluido térmico de trabajo gaseoso llevados a cabo dentro de reservorios destinados a tal fin, y donde tales pulsos barotérmicos son aplicados a la turbina de gas bajo dos modalidades:
- pulsos baro-térmicos positivos (presión mayor de una presión de equilibrio) aplicados desde los reservorios de alta presión y
- pulsos baro-térmicos negativos (presión inferior a la presión de equilibrio) aplicados desde los reservorios de baja presión.
La razón de disponer de al menos dos depósitos para acumular el fluido térmico de trabajo calentado a volumen constante en la fuente de calor y enfriado en la zona del sumidero de calor, obedece al hecho de que permite generar pulsos de alta presión y temperatura de modo intermitente a la entrada de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos de modo intermitente y secuencial. Del mismo modo la razón de disponer de al menos dos depósitos para acumular el fluido térmico de trabajo enfriado a volumen constante en la zona del sumidero de calor obedece al hecho de que permite generar pulsos de baja presión y temperatura lo que produce pulsos de presión negativa de modo intermitente en la zona de evacuación de la turbina de gas a pulsos térmicos, que son aplicados en modo intermitente y secuencial, en sincronía con los pulsos baro-térmico positivos.
En una de las posibles opciones de seño de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos, por cada pulso baro-térmico de alta presión aplicado a la entrada de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos, se aplica un pulso de presión negativa en la zona de evacuación de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos sincronizado con el de alta presión. Con la aplicación de ambos pulsos de presiones positiva y negativa simultáneamente entra en las zonas de alta y baja presión de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos se consigue una significativa diferencia de presión entre la entrada y salida de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos, generando al principio de cada pulo baro-térmico un par de rotación significativamente alto, el cual se atenúa a medida que se expande el fluido térmico de trabajo dentro de la turbina de gas a pulsos térmicos.
En otra de las posibles opciones de diseño de la turbina de gas operando a pulsos barotérmicos, por cada pulso baro-térmico de alta presión aplicado a la entrada de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos, no se aplica un pulso de presión negativa en la zona de evacuación de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos sino que se realiza el proceso de extracción de calor hacia el sumidero bajo la presión y temperatura de referencia.
Con la aplicación de pulsos de presiones positiva solamente en la zona de alta presión de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos se consigue solamente la diferencia de presión entre la entrada y salida de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos sometida a la presión de equilibrio con la que evacua al sumidero de calor. Por tanto, en este caso el efecto de cada pulso baro-térmico da lugar un par de rotación menor que en el caso de la opción de pulsos baro-térmicos positivos y negativos simultáneamente.
El fluido térmico de trabajo sometido a alta temperatura y a su correspondiente presión dentro de cada reservorio de alta presión, una vez liberado en forma de pulso se expande adiabáticamente dentro de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (donde el proceso de expansión adiabático se aproxima a un proceso cuasi-isotérmico de expansión debido a que el calor acumulado en el metal de cada depósito de calentamiento isocórica así como en su respectivo intercambiador de calor asociado, transfieren calor al fluido térmico de trabajo durante el proceso de expansión en teoría adiabático, y del mismo modo, cada depósito de enfriamiento isocórica así como en su respectivo intercambiador de calor o enfriador asociado, transfieren calor desde el fluido térmico de extracción de calor durante el proceso de expansión adiabática en teoría), generando trabajo mecánico útil susceptible de ser convertido a energía eléctrica vía energía mecánica.
De modo general, cuando uno de los depósitos reservorios de fluido térmico de trabajo sometido a alta presión por haber sido calentado a volumen constante es aplicado a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos se expande, después de expandirse, lo que conlleva la disminución de presión hasta el nivel de la presión intermedia de referencia, tal reservorio es aislado de la turbina de gas operando a pulsos barotérmicos, con lo cual entra en operación el siguiente depósito reservorio de calentamiento con fluido térmico de trabajo a alta temperatura y presión correspondiente, de manera que cuando uno de los depósitos de calentamiento isocórico se halla en el proceso expansión, los demás depósitos se hallan en la fase de calentamiento isocórico. Del mismo modo general, cuando uno de los depósitos reservorios de fluido de trabajo a baja presión, después de contraerse por haber sido enfriado a volumen constante se comunica con la zona de evacuación de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos, lo que conlleva el incremento de presión desde la mínima presión alcanzada por enfriamiento isocórica hasta el nivel de la presión intermedia de referencia, entonces es aislado de la turbina de gas a pulsos térmicos, dando lugar a que entre a operar el siguiente depósito de fluido térmico de trabajo de baja temperatura y presión correspondiente, de manera que cuando uno de los depósitos de enfriamiento isocórico se halla en el proceso de trabajo en comunicación con la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos, los demás depósitos de fluido térmico de trabajo de baja temperatura y presión, se hallan aislados de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos y en la fase de enfriamiento isocórico por extracción de isocórica de calor hacia el sumidero de calor.
Descripción de las figuras
En lo que sigue se describe a modo ilustrativo y no limitativo, los componentes que constituyen el invento denominado “TURBINA DE GAS OPERANDO CON PULSOS BARO-TÉRMICOS Y PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN”, para facilitar la comprensión de su estructura y funcionamiento, donde se hace referencia a las siguientes figuras:
La figura 1 muestra la estructura de un módulo de potencia (40) operando con turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos aplicados a la entrada de la turbina la cual consta al menos dos depósitos reservorios de calentamiento isocórico de alta presión para facilitar los impulsos de alta presión, y un solo depósito de enfriamiento a temperatura ambiente con los que opera la turbina de gas operando a pulsos barotérmicos la cual incluye al menos los siguientes componentes:
- conducto de suministro (1) del fluido térmico de transferencia de calor
- conducto de retorno (2) del fluido térmico de transferencia de calor
- conducto de suministro (3) del fluido térmico de extracción de calor
- conducto de retorno (4) del fluido térmico de extracción de calor
- calentador del fluido térmico de trabajo de alta presión (10)
- compresor de recirculación del fluido térmico de trabajo de convección forzada (11)
- depósito reservorio de alta presión por adición de calor a volumen constante (12)
- válvula de descarga (13) del fluido térmico de trabajo a alta presión a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26)
- calentador del fluido térmico de trabajo (14)
- compresor de recirculación del fluido térmico de trabajo de convección forzada (15)
- depósito reservorio de alta presión por adición de calor a volumen constante (16)
- válvula de descarga (17) del fluido térmico de trabajo a alta presión a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26)
- enfriador del fluido térmico de trabajo de baja presión (29)
- compresor de recirculación del fluido térmico de trabajo de convección forzada (19)
- válvula de evacuación (25) del fluido térmico de trabajo a baja presión de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26)
- turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) conectada mediante eje a un generador eléctrico (27)
- recuperador de calor (28) que consiste en un intercambiador de calor para aprovechar el calor residual evacuado por la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26)
- válvula de descarga del fluido térmico de trabajo (31) hacia el depósito (12) de alta presión - válvula de descarga del fluido térmico de trabajo (33) hacia el depósito (16) de alta presión - compresor de alimentación del fluido térmico de trabajo (34)
- entrada (38) del fluido térmico de recuperación de calor al recuperador de calor (28)
- retorno (39) del fluido térmico de recuperación de calor del recuperador de calor (28).
La figura 2 representa los diagramas T-s (temperatura-entropía) y p-V (presión-volumen) del ciclo térmico correspondiente al módulo de potencia (40) operando con turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos aplicados a la entrada de la turbina.
La figura 3 representa la estructura de un módulo de potencia (41) operando con turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos a la entrada y salida de la turbina, cuya estructura consta al menos dos depósitos reservorios de alta presión de calentamiento isocórico por adición de calor y dos depósitos reservorios de baja presión de enfriamiento isocórico por extracción de calor, los cuales facilitan los pulsos de presión positiva y negativa simultáneamente aplicados con los que opera la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos, la cual incluye al menos los siguientes componentes:
- conducto de suministro (1) del fluido térmico de transferencia de calor
- conducto de retorno (2) del fluido térmico de transferencia de calor
- conducto de suministro (3) del fluido térmico de extracción de calor
- conducto de retorno (4) del fluido térmico de extracción de calor
- calentador del fluido térmico de trabajo de alta presión (10)
- compresor de recirculación del fluido térmico de trabajo de convección forzada (11)
- depósito reservorio de alta presión por adición de calor a volumen constante (12)
- válvula de descarga (13) del fluido térmico de trabajo a alta presión a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26)
- calentador del fluido térmico de trabajo (14)
- compresor de recirculación del fluido térmico de trabajo de convección forzada (15)
- depósito reservorio de alta presión por adición de calor a volumen constante (16)
- válvula de descarga (17) del fluido térmico de trabajo a alta presión a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26)
- enfriador del fluido térmico de trabajo de baja presión (29)
- Compresor de recirculación del fluido térmico de trabajo de convección forzada (19)
- depósito reservorio de baja presión por extracción de calor a volumen constante (20)
- válvula de evacuación (21) del fluido térmico de trabajo a baja presión de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26)
- enfriador del fluido térmico de trabajo de baja presión (22)
- Compresor de recirculación del fluido térmico de trabajo de convección forzada (23)
- depósito reservorio de baja presión por extracción de calor a volumen constante (24)
- válvula de evacuación (25) del fluido térmico de trabajo a baja presión de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26)
- turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) conectada mediante eje a un generador eléctrico (27)
- válvula de succión del fluido térmico de trabajo (30) desde el depósito (20) de baja presión - válvula de descarga del fluido térmico de trabajo (31) hacia el depósito (12) de alta presión - válvula de succión del fluido térmico de trabajo (32) desde el depósito (24) de baja presión - válvula de descarga del fluido térmico de trabajo (33) hacia el depósito (16) de alta presión - compresor de alimentación del fluido térmico de trabajo (34).
La figura 4 representa los diagramas T-s (temperatura-entropía) y p-V (presión-volumen) del ciclo térmico correspondiente al módulo de potencia (41) operando con turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos aplicados a la entrada y salida de la turbina, donde la adición y extracción de calor son realizadas mediante un proceso isocórico.
La figura 5 representa los diagramas T-s (temperatura-entropía) y p-V (presión-volumen) del ciclo térmico correspondiente al módulo de potencia (41) operando con turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos aplicados a la entrada y salida de la turbina, donde la adición y extracción de calor son realizadas mediante un proceso isocórico siguiendo un proceso isotérmico.
La figura 6 muestra el diagrama de pulsos presión-tiempo (presión de los pulsos baro-térmicos aplicados en la entrada de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) en función del tiempo). Los reservorios del fluido térmico de trabajo de alta presión (10) y (14), a consecuencia de la adición previa de calor añadido a volumen constante, proporcionan pulsos de presión de modo intermitente a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos. En el reservorio de baja presión 18 se efectúa extracción de calor provocando el enfriamiento a presión constante del fluido térmico de trabajo.
La figura 7 muestra el diagrama de pulsos presión-tiempo (presión de los pulsos baro-térmicos aplicados en la entrada y en la salida de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos en función del tiempo). Los reservorios del fluido térmico de trabajo de alta presión (10) y (14), a consecuencia de la adición previa de calor añadido a volumen constante, proporcionan pulsos de presión de modo intermitente a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos. Los reservorios del fluido térmico de trabajo de baja presión (18) y (22), a consecuencia de la extracción previa de calor a volumen constante, proporcionan pulsos de baja presión de modo intermitente a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos en sincronía con los pulsos de baja presión, lo cual provoca una significativa diferencia de presión entre las presiones a la entrada y la salida de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos.
La figura 8 muestra los esquemas simplificados de los módulos de potencia (40) y (41). En la figura 8(a) se muestra el esquema simplificado del módulo de potencia (40) mostrando los conductos de entrada y retorno (1) y (2) para la adición de calor así como los conductos de entrada y retorno (38) y (39) de fluido de transferencia de calor del recuperador de calor y los conductos de entrada y retorno (3) y (4) del fluido de transferencia de calor para la extracción de calor (3) y (4) hacia un sumidero térmico.
En la figura 8(b) se muestra el esquema simplificado del módulo de potencia (41) mostrando los conductos de entrada y retorno (1) y (2) para la adición de calor y los conductos de entrada y retorno (3) y (4) del fluido de transferencia de calor para la extracción de calor (3) y (4) hacia un sumidero térmico.
La figura 9 representa en 9(a) el esquema simplificado del módulo de potencia (40) correspondiente al módulo de potencia (40) mostrado en 9(b), el cual consiste en la estructura de un módulo de potencia (40) operando con turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos aplicados a la entrada de la turbina (26), la cual consta al menos dos depósitos reservorios (12) y (16) de calentamiento isocórico de alta presión para facilitar los impulsos de alta presión, y un solo depósito (18) de enfriamiento isobárico a temperatura ambiente con los que opera la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26). Para capturar el calor suministrado desde una fuente de calor externa mediante el intercambiador (59), incluye una bomba (60) de recirculación del fluido térmico de transferencia de calor según se muestra en la figura 9(a). La figura 10 representa en 10(a) el esquema simplificado del módulo de potencia (41) correspondiente al esquema detallado del módulo de potencia (41) mostrado en 10(b), el cual consiste en la estructura de un módulo de potencia (41) operando con turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos aplicados a la entrada de la turbina (26), la cual consta de al menos: - dos depósitos reservorios (12) y (16) de calentamiento isocórico de alta presión para facilitar los impulsos de alta presión, y al menos
- dos depósitos reservorios (20) y (24) de enfriamiento isocórico de baja presión para facilitar los impulsos negativos de alta presión.
Donde el módulo de potencia mostrado en la figura 10(a) incluye al menos los siguientes componentes:
- conducto de suministro (1) del fluido térmico de transferencia de calor
- conducto de retorno (2) del fluido térmico de transferencia de calor
- conducto de suministro (3) del fluido térmico de extracción de calor
- conducto de retorno (4) del fluido térmico de extracción de calor.
La figura 11 muestra la estructura de una planta formada por varios módulos de potencia (40) acoplados en paralelo con respecto al fluido de transferencia de calor de utilizado en la alimentación de los módulos del tipo (40).
La figura 12 muestra la estructura de una planta formada por varios módulos de potencia (40) acoplados en serie con respecto al fluido de transferencia de calor utilizado en la alimentación de los módulos del tipo (40).
La figura 13 muestra la estructura de una planta formada por módulos de potencia (41) acoplados en paralelo con respecto al fluido de transferencia de calor de utilizado en la alimentación de los módulos del tipo (41).
La figura 14 muestra la estructura de una planta formada por módulos de potencia (41) acoplados en serie con respecto al fluido de transferencia de calor utilizado en la alimentación de los módulos del tipo (41).
La figura 15 muestra el esquema del sistema de recuperación de calor para un módulo de potencia (41) mediante bomba de calor implementada bajo un ciclo Brayton inverso, la cual incluye los siguientes componentes:
- intercambiador de calor (50) de refuerzo térmico a la bomba de calor, el cual capta calor de una fuente de calor externa para reforzar el suministro de la energía de calentamiento al módulo de potencia (41) por el conducto (1)
- intercambiador de calor (51) de recuperación de calor residual procedente del módulo (41) efectuada por la succión del compresor (53) del ciclo Brayton inverso correspondiente a la bomba de calor
- intercambiador de calor (52) de sub-enfriamiento del fluido térmico de transferencia de calor desde el módulo (41) al sumidero térmico
- compresor (53) del ciclo Brayton inverso que conforma la bomba de calor
- expansor (54) del ciclo Brayton inverso que conforma la bomba de calor
- conducto de suministro de calor (55) por medio del fluido térmico de transferencia de calor - conducto de retorno de calor (56) por medio del fluido térmico de transferencia de calor.
La figura 16 muestra el esquema de acoplamiento en paralelo de sistemas de recuperación de calor para módulos de potencia (41) mediante bomba de calor implementada bajo el ciclo Brayton inverso, donde el calor suministrado desde una fuente de calor externa entra en paralelo por el conducto (55) a cada intercambiador de calor (50) de refuerzo térmico a la bomba de calor de cada módulo de potencia (41), saliendo hacia la fuente de calor externa por el conducto (56).
La figura 17 muestra el esquema de acoplamiento en serie de sistemas de recuperación de calor en plantas formadas por módulos de potencia (41) mediante bomba de calor implementada bajo el ciclo Brayton inverso, donde el calor suministrado desde una fuente de calor externa entra por el conducto (55) al primer intercambiador de calor (50) de refuerzo térmico a la bomba de calor del primer módulo de potencia, pasando seguidamente al segundo intercambiador de calor (50) de refuerzo térmico a la bomba de calor del segundo módulo de potencia para salir por el conducto (56) hacia la fuente de calor externa.
Descripción detallada de la invención
El invento denominado “TURBINA DE GAS OPERANDO CON PULSOS BAROTÉRMICOS Y PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN”, consiste en una o más turbinas de gas a pulsos barotérmicos de circuito cerrado, que funcionan mediante pulsos de presión y que están destinadas a plantas termo-mecánicas y termo-eléctricas, donde las turbinas de gas a pulsos barotérmicos van acopladas entre sí mediante un eje común a todas las máquinas rotativas de la planta, y donde cada una de las turbinas de gas opera de modo intermitente en base a la aplicación de pulsos baro-térmicos, que consisten en pulsos positivos de presión (alta presión del fluido térmico de trabajo) asociados a la temperatura del fluido térmico de trabajo, donde tanto la presión como la temperatura son conseguidas por adición isocórica de calor al fluido térmico de trabajo, así como la aplicación de pulsos baro-térmicos negativos , que consisten en pulsos negativos de presión (baja presión del fluido térmico de trabajo) asociados a la temperatura del fluido térmico de trabajo conseguida por extracción isocórica de calor del fluido térmico de trabajo, lo que conlleva enfriamiento del fluido térmico de trabajo, y donde ambos pulsos baro-térmicos (positivos y negativos) son llevados a cabo dentro de depósitos reservorios de alta presión para pulsos positivos y dentro de depósitos reservorios de baja presión para pulsos negativos, y donde tales pulsos baro-térmicos positivos y negativos son aplicados simultáneamente a la turbina de gas a impulsos baro-térmicos bajo dos modalidades:
- pulsos baro-térmicos positivos (presión mayor de una presión de equilibrio) aplicados desde los reservorios de alta presión donde se expanden en la turbina dando trabajo mecánico y - pulsos baro-térmicos negativos (presión inferior a la presión de equilibrio) aplicados desde los reservorios de baja presión en la zona de evacuación de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos, y
- donde la diferencia de presiones entre la presión de los pulsos positivos y los pulsos negativos da lugar a la realización de trabajo mecánico en la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos y,
- donde el fluido térmico de trabajo evacuado desde la turbina de gas operando a pulsos barotérmicos hacia los depósitos reservorios de baja presión es transferido de nuevo hacia los depósitos reservorios de alta presión, cerrando así el circuito para repetir el ciclo indefinidamente y,
- donde la energía térmica necesaria para generar los pulsos baro-térmicos puede proceder opcionalmente tanto de calor residual de grado medio o alto, como de la combustión externa de hidrógeno, gas natural o biocombustibles, como de la energía nuclear y como de la solar concentrada y
- donde el fluido térmico de trabajo tiene que caracterizarse por un elevado coeficiente de expansión adiabática y elevado calor específico, preferentemente el helio.
El principio de funcionamiento de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos se funda en que la adición de calor a volumen constante y proceso cerrado a un fluido térmico de trabajo confinado en un reservorio provoca el incremento de temperatura y presión correspondiente dentro del reservorio. Si en estas condiciones se provoca la descarga instantánea del fluido térmico de trabajo a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos, la turbina responde con un movimiento de rotación debido al par ejercido por el fluido de térmico de trabajo al expandirse. A medida que el fluido térmico de trabajo se expande adiabáticamente, disminuye su presión y temperatura hasta alcanzar el equilibrio entre presiones (presión de entrada y salida de la turbina).
Cuando se alcanza el equilibrio entre presiones de entrada y salida, el par de rotación se anula, y para que continúe la rotación de la turbina y continúe realizando trabajo mecánico es necesario la aplicación del siguiente pulso baro-térmico y así indefinidamente.
Cuando la presión del depósito reservorio de alta presión alcanza la presión de equilibrio por expansión, pierde la capacidad para realizar trabajo mecánico, por lo cual es necesario recuperar de nuevo la presión inicial mediante la adición isocórica de calor. La fase de adición isocórica de calor requiere de tiempo para la transferencia de calor desde el fluido de transferencia de calor al fluido de térmico de trabajo. Durante el intervalo de tiempo requerido para el calentamiento isocórico del fluido térmico de trabajo confinado dentro del depósito reservorio de alta presión no se aporta energía a la turbina desde este reservorio. Por lo tanto es necesario al menos otro reservorio de alta presión para relevar a éste durante el intervalo inactivo. Así que para que la turbina opere continuamente con pulsos baro-térmicos se necesitan al menos dos reservorios de alta presión para que al finalizar cada pulso barotérmico generado desde un reservorio, comience el siguiente pulso baro-térmico desde al menos otro reservorio alternativo.
La estructura de turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos que satisface la condición de disponer de dos reservorios de alta presión para que al finalizar cada pulso baro-térmico generado desde un reservorio, comience el siguiente pulso baro-térmico desde al menos otro reservorio alternativo, se muestra en las figuras 1 y 3, en donde la estructura de turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos mostrada en las figuras 1 y 3, da lugar a dos módulos de potencia que incluyen la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos:
-- Módulo de potencia (40) operando con turbina de gas a pulsos baro-térmicos aplicados a la entrada de la turbina, cuya estructura está caracterizada por la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos, la cual opera con impulsos de presión a intervalos intermitentes de tiempo, y que consta de al menos dos depósitos reservorios de fluido térmico de trabajo 12 y 14 a alta presión adquirida por la adición isocórica de calor para facilitar los impulsos de alta presión, y un solo depósito reservorio de baja presión 29 de enfriamiento isobárico a temperatura ambiente, entre los que opera la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos, y donde todo lo cual incluye al menos los siguientes componentes:
- conducto de suministro (1) del fluido térmico de transferencia de calor
- conducto de retorno (2) del fluido térmico de transferencia de calor
- conducto de suministro (3) del fluido térmico de extracción de calor
- conducto de retorno (4) del fluido térmico de extracción de calor
- Calentador del fluido térmico de trabajo de alta presión (10)
- compresor de recirculación del fluido térmico de trabajo de convección forzada (11)
- depósito reservorio de alta presión por adición de calor a volumen constante (12)
- válvula de descarga (13) del fluido térmico de trabajo a alta presión a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26)
- calentador del fluido térmico de trabajo (14)
- compresor de recirculación del fluido térmico de trabajo de convección forzada (15)
- depósito reservorio de alta presión por adición de calor a volumen constante (16)
- válvula de descarga (17) del fluido térmico de trabajo a alta presión a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26)
- enfriador del fluido térmico de trabajo de baja presión (29)
- compresor de recirculación del fluido térmico de trabajo de convección forzada (19)
- válvula de evacuación (25) del fluido térmico de trabajo a baja presión de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26)
- turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) conectada mediante eje a un generador eléctrico (27)
- recuperador de calor (28) que consiste en un intercambiador de calor para aprovechar el calor residual evacuado por la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26), donde el calor recuperado es transferido por los conductos de entrada y salida (40) y (41) del recuperador de calor (28)
- válvula de descarga del fluido térmico de trabajo (31) hacia el depósito (12) de alta presión - válvula de descarga del fluido térmico de trabajo (33) hacia el depósito (16) de alta presión - Compresor de alimentación del fluido térmico de trabajo (34).
-- Módulo de potencia (41) operando con turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos aplicados a la entrada y salida de la turbina, cuya estructura está caracterizada por la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos de presión positiva aplicados a la entrada y pulsos de presión negativa aplicados a la salida, ambos aplicados a intervalos de tiempo intermitentes, donde para generar los impulsos positivos y negativos consta al menos dos depósitos reservorios de fluido térmico de trabajo (12) y (14) de alta presión adquirida por adición isocórica de calor, y al menos dos depósitos reservorios de baja presión del fluido térmico de trabajo (20) y (24) adquirida por extracción isocórica de calor a volumen constante, donde ambos pulsos de presión positiva y negativa son aplicados simultáneamente, de manera que provoquen un incremento significativo entre la presión de entrada y la salida de la turbina, donde todo lo cual incluye al menos los siguientes componentes:
- conducto de suministro (1) del fluido térmico de transferencia de calor
- conducto de retorno (2) del fluido térmico de transferencia de calor
- conducto de suministro (3) del fluido térmico de extracción de calor
- conducto de retorno (4) del fluido térmico de extracción de calor
- calentador del fluido térmico de trabajo de alta presión (10)
- compresor de recirculación del fluido térmico de trabajo de convección forzada (11)
- depósito reservorio de alta presión por adición de calor a volumen constante (12)
- válvula de descarga (13) del fluido térmico de trabajo a alta presión a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26)
- Calentador del fluido térmico de trabajo (14)
- Compresor de recirculación del fluido térmico de trabajo de convección forzada (15)
- depósito reservorio de alta presión por adición de calor a volumen constante (16)
- válvula de descarga (17) del fluido térmico de trabajo a alta presión a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26)
- enfriador del fluido térmico de trabajo de baja presión (18)
- compresor de recirculación del fluido térmico de trabajo de convección forzada (19)
- depósito reservorio de baja presión por extracción de calor a volumen constante (20)
- válvula de evacuación (21) del fluido térmico de trabajo a baja presión de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26)
- enfriador del fluido térmico de trabajo de baja presión (22)
- Compresor de recirculación del fluido térmico de trabajo de convección forzada (23)
- depósito reservorio de baja presión por extracción de calor a volumen constante (24)
- válvula de evacuación (25) del fluido térmico de trabajo a baja presión de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26)
- turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) conectada mediante eje a un generador eléctrico (27)
- válvula de succión del fluido térmico de trabajo (30) desde el depósito (20) de baja presión - válvula de descarga del fluido térmico de trabajo (31) hacia el depósito (12) de alta presión - válvula de succión del fluido térmico de trabajo (32) desde el depósito (24) de baja presión - válvula de descarga del fluido térmico de trabajo (33) hacia el depósito (16) de alta presión - compresor de alimentación del fluido térmico de trabajo (34).
El modo de operación del módulo de potencia (40) operando con turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos aplicados a la entrada de la turbina (26), según la figura 1 opera en circuito cerrado de tal manera que el fluido térmico de trabajo es transferido alternativamente a baja temperatura y presión desde el enfriador del fluido térmico de trabajo de baja presión (29) hasta los depósitos reservorios de alta-presión (12) y (16), de modo alternativo por la válvula de descarga del fluido térmico de trabajo (31) hacia el reservorio de alta-presión (12), y de modo alternativo por la válvula de descarga del fluido térmico de trabajo (33) hacia el reservorio de alta-presión (16), impulsado y transferido por el compresor de alimentación del fluido térmico de trabajo (34).
Dentro de los depósitos reservorios de alta presión (12) y (16) da lugar de modo alternativo el proceso de adición de calor a volumen constante mediante recirculación del fluido térmico de trabajo (para favorecer la transferencia de valor por convección forzada) por los respectivos calentadores del fluido térmico de trabajo de alta presión (10) (14), donde el proceso de calentamiento se debe a la adición de calor a los calentadores del fluido térmico de trabajo de alta presión (10) (14) por el conducto de suministro (1) del fluido de transferencia de calor desde una fuente de calor externa y retornando por el conducto de retorno (2) hacia la fuente de calor externa.
La adición isocórica de calor a los reservorios de alta presión (12) y (16) es llevada a cabo de modo alternativo intermitente de tal manera que la adición de calor y subsecuente conversión en trabajo mecánico en la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) requiere que:
- cuando el reservorio de alta presión (12) se halla en la fase de calentamiento isocórico, el reservorio de alta presión (16) se halla en la fase de expansión adiabática, para lo cual la válvula de descarga (13) del fluido térmico de trabajo a alta presión hacia la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) se halle cerrada, mientras que la válvula de descarga (17) del fluido térmico de trabajo a alta presión hacia la turbina de gas operando a pulsos barotérmicos (26) abierta; y
- cuando el reservorio de alta presión (16) se halla en la fase de calentamiento isocórico, el reservorio de alta presión (12) se halla en la fase de expansión adiabática, para lo cual la válvula de descarga (17) del fluido térmico de trabajo a alta presión hacia la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) se halle cerrada, mientras que la válvula de descarga (13) del fluido térmico de trabajo a alta presión hacia la turbina de gas operando a pulsos barotérmicos (26) abierta.
Cuando se abre una de las válvulas de descarga del fluido térmico de trabajo a alta presión (13) o (17) se aplica un pulso baro-térmico a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) que se expande adiabáticamente hasta alcanzar la presión de equilibrio (presión de expansión en la turbina igual a la presión del enfriador (18) del fluido térmico de trabajo de baja presión), donde el perfil de la presión de los pulsos baro-térmicos se muestra en la figura 6.
El fluido térmico de trabajo después de la expansión adiabática en la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26), todavía contiene una cantidad significativa aprovechable de calor, que es susceptible de ser parcialmente recuperado por el recuperador de calor (28) por medio de los conductos de entrada y salida (38) y (39), el cual consiste en un intercambiador de calor útil para aprovechar el calor residual evacuado por la turbina de gas operando a pulsos barotérmicos (26).
Del recuperador de calor (28), el fluido térmico de transferencia de calor a menor El fluido térmico de trabajo a baja presión evacuado por la turbina de gas operando a pulsos barotérmicos (26) cede calor al fluido de transferencia de calor en el recuperador de calor 28 pasando al reservorio de baja presión (18), donde es enfriado a presión constante por medio de un fluido de enfriamiento que entra por el conducto 3 al reservorio de baja presión (29), y retorna por el conducto 4 transfiriendo el calor de enfriamiento a un sumidero térmico a temperatura ambiente.
Fluido térmico de trabajo a baja presión y temperatura contenido en el reservorio de baja presión (18) es aspirado por el compresor de alimentación (34) cerrando así el circuito de operación para repetir indefinidamente el ciclo.
El ciclo térmico cuyo modo de operación ha sido descrito obedece a los diagramas temperatura-entropía y presión-volumen mostrados respectivamente en la figura 2 (a) y 2 (b), que comprende las cuatro transformaciones termodinámicas siguientes:
- la transformación (a-b) corresponde a un proceso abierto adiabático durante el cual se transfiere el fluido térmico de trabajo por compresión isentrópica en la fase de alimentación hacia uno de los depósitos reservorios para su posterior calentamiento isocórico,
- la transformación (b-c) corresponde al proceso cerrado de calentamiento isocórico del fluido térmico de trabajo en uno de los depósitos reservorios de calentamiento isocórico (12) o (16), - la transformación (c-d) corresponde al proceso abierto de expansión adiabática del fluido térmico de trabajo en la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) y realizando trabajo mecánico útil
- la transformación (d-a) corresponde al proceso abierto de enfriamiento isobárico del fluido térmico de trabajo evacuado por la turbina de gas operando a pulsos barotérmicos (26) llevado a cabo en el recuperador de calor (28) y en el enfriador del fluido térmico de trabajo o reservorio de baja presión (29) hasta la temperatura ambiente.
El modo de operación del módulo de potencia (41) equipado con una turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos aplicados a la entrada y salida de la turbina (26), según la figura 3 opera en circuito cerrado de tal manera que el fluido térmico de trabajo es transferido alternativamente a baja temperatura y presión desde los depósitos reservorios de baja presión (20) y (24) por las válvulas (30) y (32) de succión del compresor de alimentación (34) hacia los reservorios de alta-presión (12) y (16), por las válvulas de descarga (31 y (33) del compresor de alimentación (34).
Dentro de los depósitos reservorios de alta presión (12) y (16) da lugar de modo alternativo el proceso de adición de calor a volumen constante mediante recirculación del fluido térmico de trabajo (para favorecer la transferencia de calor por convección forzada) por los respectivos calentadores del fluido térmico de trabajo de alta presión (10) (14), donde el proceso de calentamiento se debe a la adición de calor a los calentadores del fluido térmico de trabajo de alta presión (10) (14) por el conducto de suministro (1) del fluido de transferencia de calor desde una fuente de calor externa y retornando por el conducto de retorno (2) hacia la fuente de calor externa.
La adición isocórica de calor a los reservorios de alta presión (12) y (16) es llevada a cabo de modo alternativo intermitente de tal manera que la adición de calor y subsecuente conversión en trabajo mecánico en la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) requiere que:
- cuando el reservorio de alta presión (12) se halla en la fase de calentamiento isocórico, el reservorio de alta presión (16) se halla en la fase de expansión adiabática, para lo cual la válvula de descarga (13) del fluido térmico de trabajo a alta presión hacia la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) se halle cerrada, mientras que la válvula de descarga (17) del fluido térmico de trabajo a alta presión hacia la turbina de gas operando a pulsos barotérmicos (26) abierta; y
- cuando el reservorio de alta presión (16) se halla en la fase de calentamiento isocórico, el reservorio de alta presión (12) se halla en la fase de expansión adiabática, para lo cual la válvula de descarga (17) del fluido térmico de trabajo a alta presión hacia la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) se halle cerrada, mientras que la válvula de descarga (13) del fluido térmico de trabajo a alta presión hacia la turbina de gas operando a pulsos barotérmicos (26) abierta.
Cuando se abre una de las válvulas de descarga del fluido térmico de trabajo a alta presión (13) o (17) se aplica un pulso baro-térmico a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) que se expande adiabáticamente hasta alcanzar la presión de equilibrio (presión de expansión en la turbina igual a la presión del enfriador (18) del fluido térmico de trabajo de baja presión), donde el perfil de la presión de los pulsos baro-térmicos se muestra en la figura 6.
El fluido térmico de trabajo después de la expansión adiabática en la turbina de gas a operando a pulsos baro-térmicos (26), es evacuado alternativamente por las válvula de evacuación (21) del fluido térmico de trabajo a baja presión de la turbina baro-térmica (26), o por la válvula de evacuación (25) del fluido térmico de trabajo a baja presión de la turbina baro-térmica (26) hacia los respectivos depósitos reservorios de baja presión, tanto el depósito reservorio de baja presión por extracción de calor a volumen constante (20) como el depósito reservorio de baja presión por extracción de calor a volumen constante (24).
Dentro de los depósitos reservorios de baja presión (20) y (24) da lugar de modo intermitente el proceso de extracción de calor a volumen constante mediante recirculación del fluido térmico de trabajo entre (20) y (18) y entre (24) y (22), para favorecer la transferencia de calor por convección forzada, donde el calor es extraído de los respectivos enfriadores del fluido térmico de trabajo de baja presión (18) o (22), hacia el sumidero térmico desde donde se suministra por el conducto de suministro (3) fluido térmico de enfriamiento de extracción de calor, retornando por el conducto de retorno (4) hacia el sumidero térmico.
Dentro de los depósitos reservorios de baja presión (20) y (24) da lugar de modo intermitente el proceso de extracción de calor a volumen constante mediante recirculación del fluido térmico de trabajo (para favorecer la transferencia de calor por convección forzada) por los respectivos enfriadores del fluido térmico de trabajo de baja presión (18) o (22), donde el proceso de enfriamiento se debe a la extracción alternativa de calor desde los enfriadores del fluido térmico de trabajo de baja presión (18) (22) por el conducto (3) de suministro del fluido térmico de extracción de calor y retornando por el conducto de retorno (4) del fluido térmico de extracción de calor hacia el sumidero térmico.
El modo de operación en la tarea de extracción de calor intermitente de cada uno de los depósitos reservorios de baja presión (20) y (24) requiere que:
- cuando el depósito reservorio (20) se halla en la fase de enfriamiento isocórico, la válvula de evacuación (21) del fluido térmico de trabajo a baja presión a la turbina baro-térmica (26) se halle cerrada y el depósito reservorio (24) se halle en la fase de contracción adiabática a través de la válvula de evacuación (25) del fluido térmico de trabajo a b aja presión; y
- cuando el depósito reservorio (24) se halla en la fase de enfriamiento isocórico, la válvula de evacuación (25) del fluido térmico de trabajo a baja presión a la turbina baro-térmica (26) se halle cerrada y el depósito reservorio (20) se halle en la fase de contracción adiabática a través de la válvula de evacuación (21) del fluido térmico de trabajo a baja presión.
Cuando se abre uno de los pares de válvulas (13) y (21) o (17) y (25) se aplican simultáneamente dos pulso baro-térmicos, uno positivo y otro negativo a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26), donde el fluido térmico de trabajo de alta presión se expande adiabáticamente y el fluido térmico de trabajo de baja presión se contrae adiabáticamente hasta alcanzar el equilibrio de presiones entre el depósito reservorio de alta presión y el correspondiente depósito reservorio de baja presión, cuyo perfil se muestra en la figura 7.
Cuando se alcanza la presión de equilibrio dentro de cada uno de los respectivos depósitos reservorios del fluido térmico de trabajo de baja presión, tanto el depósito reservorio de baja presión por extracción de calor a volumen constante (20), como el depósito reservorio de baja presión por extracción de calor a volumen constante (24), se inicia la respectiva fase de alimentación del fluido térmico de trabajo de baja presión, siendo transferido por el compresor de alimentación del fluido térmico de trabajo (34) hacia los depósitos reservorios de alta presión (12) y (16), completando el circuito cerrado del ciclo térmico descrito.
El modo de operación del módulo de potencia (41) equipado con turbina de gas Operando a pulsos baro-térmicos aplicados a la entrada y salida de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26), funciona con un ciclo térmico basado en procesos cerrados, el cual se diferencia de todos los ciclos térmicos convencionales por realizar la tarea de extracción de calor a volumen constante según un proceso cerrado de cada uno de los depósitos reservorios de baja presión de los que conste el ciclo térmico, mientras que los ciclos térmicos convencionales se produce el enfriamiento en proceso abierto. De esta propiedad se tiene que el módulo de potencia (41) equipado con turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos aplicados a la entrada y salida de la turbina (26), exhibe la habilidad de operar con varios ciclos térmicos en los que la extracción de calor de los depósitos reservorios de baja presión (20) y (24) es llevada a cabo a volumen constante. La tarea de operar con el ciclo térmico caracterizado por realizar la extracción de calor de los depósitos reservorios de baja presión (20) y (24) según procesos cerrados a volumen constante incluyen las dos opciones siguientes:
-- ciclo térmico cuyo modo de operación descrito obedece a los diagramas temperaturaentropía y presión-volumen mostrados respectivamente en la figura 4 (a) y 4 (b), el cual comprende las cinco transformaciones termodinámicas siguientes:
- proceso 1-2, que corresponde a la alimentación del fluido térmico de trabajo, que consiste en un proceso adiabático-isentrópica de compresión, que absorbe el trabajo mecánico del exterior, - proceso 2-3, que corresponde a un proceso isocórico de adición de calor procedente de una fuente de calor externa, para calentar el fluido térmico de trabajo con el que se genera un pulso baro-térmico positivo,
- proceso 3-4, que corresponde a un proceso adiabático-isentrópico de expansión, que realiza un trabajo mecánico útil mediante un pulso de presión,
- proceso 4-5, que corresponde a una fase de enfriamiento isocórica por extracción de calor según un proceso cerrado con el que se generan un pulso baro-térmico negativo,
- proceso 5-1, que corresponde a un proceso de contracción basado en compresión adiabáticaisentrópica, el cual realiza un trabajo mecánico útil.
-- el ciclo térmico cuyo modo de operación descrito obedece a los diagramas temperaturaentropía y presión-volumen mostrados respectivamente en la figura 5 (a) y 5(b), el cual comprende las cinco transformaciones termodinámicas siguientes:
- proceso 1-2, que corresponde a la alimentación del fluido térmico de trabajo, que consiste en un proceso adiabático-isentrópica de compresión, que absorbe el trabajo mecánico del exterior, - proceso 2-3, que corresponde a un proceso isocórico de adición de calor procedente de una fuente de calor externa, para calentar el fluido térmico de trabajo con el que se genera un pulso baro-térmico positivo,
- proceso 3-4, que corresponde a un proceso isotérmico de expansión mientras absorbe calor de una fuente externa, que realiza un trabajo mecánico útil mediante un pulso de presión, - proceso 4-5, que corresponde a una fase de enfriamiento isocórica por extracción de calor según un proceso cerrado con el que se generan un pulso baro-térmico negativo,
- proceso 5-1, que corresponde a un proceso isotérmico cerrado de extracción de calor acompañado de la realización de trabajo mecánico útil por contracción basada en compresión isotérmica.
Descripción de realizaciones preferentes de la invención
La invención denominada “TURBINA DE GAS OPERANDO CON PULSOS BAROTÉRMICOS Y PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN, da lugar a la realización de plantas termoeléctricas innovadoras por lo cual se describen preferentemente los aportes derivados de las turbinas de gas a pulsos baro-térmicos con las que se implementan plantas termomecánicas y termoeléctricas, habilitadas para recuperar calor residual y aumentar así el factor de utilización del calor en base a la combinación de una bomba de calor con uno de los módulos (40) o (41), los cuales se hallan representadas en las figuras 16 y 17.
Los módulos de potencia (40) y (41) están caracterizados por su habilidad para implementar estructuras de planta capaces de recuperar parte del calor residual rechazado tanto por cada uno de los citados módulos de potencia, como por la estructura de planta en la que se hallen integrados. Con objeto de incrementar el factor de utilización del calor, se desarrollan dos modos de alimentación del calor disponible (alimentación de módulos de potencia en paralelo y alimentación de módulos de potencia en serie) para suministrar a los módulos de planta (40) y (41) por medio del fluido térmico de transferencia de calor con entrada por el conducto (1) y retorno por el conducto (2), dando lugar a las siguientes estructuras de planta formada por acoplamiento de módulos tanto del tipo (40) como del tipo (41):
- la estructura de una planta formada por varios módulos de potencia (40) acoplados en paralelo con respecto al fluido de transferencia de calor de utilizado en la alimentación de los módulos del tipo (40) mostrada en la figura 11,
- la estructura de una planta formada por varios módulos de potencia (40) acoplados en serie con respecto al fluido de transferencia de calor utilizado en la alimentación de los módulos del tipo (40) mostrada en la figura 12,
- la estructura de una planta formada por módulos de potencia (41) acoplados en paralelo con respecto al fluido de transferencia de calor de utilizado en la alimentación de los módulos del tipo (41) mostrada en la figura 13,
- la estructura de una planta formada por módulos de potencia (41) acoplados en serie con respecto al fluido de transferencia de calor utilizado en la alimentación de los módulos del tipo (41) mostrada en la figura 14.
Con el objeto de lograr un alto factor de utilización del calor se desarrolla una planta implementada en base a la combinación de una bomba de calor formada por un ciclo Brayton inverso y al menos un módulo de potencia del tipo (41) tal como se muestra en la figura 15, la cual incluye los siguientes componentes:
- intercambiador de calor (50) de refuerzo térmico a la bomba de calor, el cual capta calor de una fuente de calor externa para reforzar el suministro de la energía de calentamiento al módulo de potencia (41) por el conducto (1),
- intercambiador de calor (51) de recuperación de calor residual procedente del módulo (41) efectuada por la succión del compresor (53) del ciclo Brayton inverso correspondiente a la bomba de calor,
- intercambiador de calor (52) de sub-enfriamiento del fluido térmico de transferencia de calor desde el módulo (41) al sumidero térmico,
- compresor (53) del ciclo Brayton inverso que conforma la bomba de calor,
- expansor (54) del ciclo Brayton inverso que conforma la bomba de calor,
- conducto de suministro de calor (55) por medio del fluido térmico de transferencia de calor, - conducto de retorno de calor (56) por medio del fluido térmico de transferencia de calor,
Modo de operación:
La planta implementada en base a la combinación de una bomba de calor formada por un ciclo Brayton inverso y al menos un módulo de potencia del tipo (41) tal como se muestra en la figura 15, obedece al modo de operación según el cual, el calor procedente de una fuente de calor externa entra por el conducto (55) al intercambiador de calor (50) de refuerzo térmico a la bomba de calor (y retornando a la fuente de calor externa por el conducto de retorno (56)), de donde es transferido por el conducto (1) hacia el módulo de potencia (41), retornando por el conducto (2) hacia el intercambiador de calor (51) de recuperación de calor residual, en donde se enfría por cesión de calor al fluido térmico de transferencia de calor aspirado por el compresor (53). El fluido térmico enfriado en intercambiador de calor (51) de recuperación de calor residual pasa al expansor (54) en donde se expande produciendo trabajo mecánico a costa de enfriarse aún más. La evacuación del fluid térmico de transferencia de calor desde el expansor (54) pasa al intercambiador de calor (52) de sub-enfriamiento del fluido térmico de enfriamiento del módulo de potencia (41), retornando hacia el compresor (53) a través del intercambiador de calor (51) de recuperación de calor residual procedente del módulo (41) efectuada por la succión del compresor (53) del ciclo Brayton inverso correspondiente a la bomba de calor.
El esquema de acoplamiento en paralelo de sistemas de recuperación de calor para módulos de potencia (41) mediante bomba de calor implementada bajo el ciclo Brayton inverso, se muestra en la figura 16, donde el calor suministrado desde una fuente de calor externa entra en paralelo a cada intercambiador de calor (50) de refuerzo térmico a la bomba de calor por el conducto de suministro (55), saliendo hacia la fuente de calor externa por el conducto de retorno (56):
- conducto de retorno de calor (56) por medio del fluido térmico de transferencia de calor.
El esquema de acoplamiento en serie de sistemas de recuperación de calor para módulos de potencia (41) mediante bomba de calor implementada bajo el ciclo Brayton inverso, se muestra en la figura 17, donde el calor suministrado desde una fuente de calor externa entra en serie a cada módulo (50) de refuerzo térmico a la bomba de calor por el conducto de suministro de calor (55) y retorna por el conducto de retorno de calor (56) hacia una fuente de calor externa.

Claims (11)

REIVINDICACIONES
1. TURBINA DE GAS OPERANDO CON PULSOS BARO-TÉRMICOS Y PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN, caracterizada por una o más turbinas de gas a pulsos baro-térmicos de circuito cerrado, que funcionan mediante pulsos de presión y que están destinadas a plantas termomecánicas y termo-eléctricas, donde las turbinas de gas a pulsos baro-térmicos van acopladas entre sí mediante un eje común a todas las máquinas rotativas de la planta, y donde cada una de las turbinas de gas opera de modo intermitente en base a la aplicación de pulsos barotérmicos, que consisten en pulsos positivos de presión (alta presión del fluido térmico de trabajo) asociados a la temperatura del fluido térmico de trabajo, donde tanto la presión como la temperatura son adquirida por adición isocórica de calor al fluido térmico de trabajo, así como la aplicación de pulsos baro-térmicos negativos, que consisten en pulsos negativos de presión (baja presión del fluido térmico de trabajo) asociados a la temperatura del fluido térmico de trabajo adquirida por extracción isocórica de calor del fluido térmico de trabajo, lo que conlleva enfriamiento del fluido térmico de trabajo, donde, ambos pulsos baro-térmicos (positivos y negativos) son llevados a cabo dentro de depósitos reservorios de alta presión para pulsos positivos y dentro de depósitos reservorios de baja presión para pulsos negativos, y donde tales pulsos baro-térmicos positivos y negativos son aplicados simultáneamente a la turbina de gas a impulsos baro-térmicos bajo dos modalidades:
- pulsos baro-térmicos positivos (presión mayor de una presión de equilibrio) aplicados desde los reservorios de alta presión donde se expanden en la turbina proporcionando trabajo mecánico y,
- pulsos baro-térmicos negativos (presión inferior a la presión de equilibrio) aplicados desde los reservorios de baja presión en la zona de evacuación de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos, y donde,
- la diferencia de presiones entre la presión de los pulsos positivos y los pulsos negativos da lugar a la realización de trabajo mecánico en la turbina de gas operando a pulsos barotérmicos, y donde, el fluido térmico de trabajo evacuado desde la turbina de gas operando a pulsos baro- térmicos hacia los depósitos reservorios de baja presión es transferido de nuevo hacia los depósitos reservorios de alta presión, cerrando así el circuito para repetir el ciclo indefinidamente, y donde,
- la energía térmica necesaria para generar los pulsos baro-térmicos puede proceder opcionalmente tanto de calor residual de grado medio o alto, como de la combustión externa de hidrógeno, gas natural o biocombustibles, como de la energía nuclear y como de la solar concentrada y donde el fluido térmico de trabajo tiene que caracterizarse por un elevado coeficiente de expansión adiabática y elevado calor específico, preferentemente el helio y donde,
- el principio de funcionamiento de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos se funda en que la adición de calor a volumen constante y proceso cerrado a un fluido térmico de trabajo confinado en un reservorio provoca el incremento de temperatura y presión correspondiente dentro del reservorio. Si en estas condiciones se provoca la descarga instantánea del fluido térmico de trabajo a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos, la turbina responde con un movimiento de rotación debido al par ejercido por el fluido de térmico de trabajo al expandirse. A medida que el fluido térmico de trabajo se expande adiabáticamente, disminuye su presión y temperatura hasta alcanzar el equilibrio entre presiones (presión de entrada y salida de la turbina). Cuando se alcanza el equilibrio entre presiones de entrada y salida, el par de rotación se anula, y para que continúe la rotación de la turbina y continúe realizando trabajo mecánico es necesario la aplicación del siguiente pulso baro-térmico y así se repite el ciclo indefinidamente, y donde,
- cuando la presión del depósito reservorio de alta presión alcanza la presión de equilibrio por expansión, pierde la capacidad para realizar trabajo mecánico, por lo cual es necesario recuperar de nuevo la presión inicial mediante la adición isocórica de calor. La fase de adición isocórica de calor requiere de tiempo para la transferencia de calor desde el fluido de transferencia de calor al fluido de térmico de trabajo. Durante el intervalo de tiempo requerido para el calentamiento isocórico del fluido térmico de trabajo confinado dentro del depósito reservorio de alta presión no se aporta energía a la turbina desde este reservorio. Por lo tanto es necesario al menos otro reservorio de alta presión para relevar a éste durante el intervalo inactivo. Así que para que la turbina opere continuamente con pulsos baro-térmicos se necesitan al menos dos reservorios de alta presión para que al finalizar cada pulso barotérmico generado desde un reservorio, comience el siguiente pulso baro-térmico desde al menos otro reservorio alternativo.
2. TURBINA DE GAS OPERANDO CON PULSOS BARO-TÉRMICOS Y 5PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN, según reivindicación primera, donde la estructura de turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos es implementada bajo módulos de potencia del tipo (40) cuya estructura está caracterizada por la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos, la cual opera a impulsos de presión a intervalos de tiempo intermitentes, y que consta al menos dos depósitos reservorios de fluido térmico de trabajo 12 y 14 a alta presión lograda por adición isocórica de calor para facilitar los impulsos de alta presión, y un solo depósito 29 de baja presión de enfriamiento isobárico a temperatura ambiente, entre los que opera la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos, y donde todo lo cual incluye al menos los siguientes componentes:
- conducto de suministro (1) del fluido térmico de transferencia de calor,
- conducto de retorno (2) del fluido térmico de transferencia de calor,
- conducto de suministro (3) del fluido térmico de extracción de calor,
- conducto de retorno (4) del fluido térmico de extracción de calor,
- calentador del fluido térmico de trabajo de alta presión (10),
- compresor de recirculación del fluido térmico de trabajo de convección forzada (11),
- depósito reservorio de alta presión por adición de calor a volumen constante (12),
- válvula de descarga (13) del fluido térmico de trabajo a alta presión a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26),
- calentador del fluido térmico de trabajo (14),
- compresor de recirculación del fluido térmico de trabajo de convección forzada (15)
- depósito reservorio de alta presión por adición de calor a volumen constante (16),
- válvula de descarga (17) del fluido térmico de trabajo a alta presión a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26),
- enfriador del fluido térmico de trabajo de baja presión (29),
- compresor de recirculación del fluido térmico de trabajo de convección forzada (19)
- válvula de evacuación (25) del fluido térmico de trabajo a baja presión de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26),
- turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) conectada mediante eje a un generador eléctrico (27),
- recuperador de calor (28) que consiste en un intercambiador de calor para aprovechar el calor residual evacuado por la turbina de gas operando a pulsos baro- térmicos (26), donde el calor recuperado es transferido por los conductos de entrada y salida (40) y (41) del recuperador de calor (28),
- válvula de descarga del fluido térmico de trabajo (31) hacia el depósito (12) de alta presión, - válvula de descarga del fluido térmico de trabajo (33) hacia el depósito (16) de alta presión, - compresor de alimentación del fluido térmico de trabajo (34).
3. PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN DE LA TURBINA DE GAS OPERANDO CON PULSOS BARO-TÉRMICOS, según reivindicaciones primera y segunda, de acuerdo con la cuales, el modo de operación del módulo de potencia (40) operando con turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos aplicados a la entrada de la turbina (26), 15opera en circuito cerrado de tal manera que el fluido térmico de trabajo es transferido alternativamente a baja temperatura y presión desde el enfriador del fluido térmico de trabajo de baja presión (29) hasta los depósitos reservorios de alta-presión (12) y (16), de modo alternativo por la válvula de descarga del fluido térmico de trabajo (31) hacia el reservorio de alta-presión (12), y de modo alternativo por la válvula de descarga del 20fluido térmico de trabajo (33) hacia el reservorio de alta-presión (16), impulsado y transferido por el compresor de alimentación del fluido térmico de trabajo (34), donde:
- la adición de calor al fluido térmico de trabajo es efectuada de manea que dentro de los depósitos reservorios de alta presión (12) y (16) da lugar de modo alternativo el proceso de adición de calor a volumen constante mediante recirculación del fluido térmico de trabajo (para favorecer la transferencia de valor por convección forzada) por los respectivos calentadores del fluido térmico de trabajo de alta presión (10) (14), donde el proceso de calentamiento se debe a la adición de calor a los calentadores del fluido térmico de trabajo de alta presión (10) (14) por el conducto de suministro (1) del fluido de transferencia de calor desde una fuente de calor externa y retornando por el conducto de retorno (2) hacia la fuente de calor externa, y donde, - la adición isocórica de calor a los reservorios de alta presión (12) y (16) es llevada a cabo de modo alternativo intermitente de tal manera que la adición de calor y subsecuente conversión en trabajo mecánico en la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) requiere que, - cuando el reservorio de alta presión (12) se halla en la fase de calentamiento isocórico, el reservorio de alta presión (16) se halla en la fase de expansión adiabática,
para lo cual la válvula de descarga (13) del fluido térmico de trabajo a alta presión hacia la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) se halle cerrada, mientras que la válvula de descarga (17) del fluido térmico de trabajo a alta presión hacia la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) abierta; y
- cuando el reservorio de alta presión (16) se halla en la fase de calentamiento isocórico, el reservorio de alta presión (12) se halla en la fase de expansión adiabática,
para lo cual la válvula de descarga (17) del fluido térmico de trabajo a alta presión hacia la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) se halle cerrada, mientras que la válvula de descarga (13) del fluido térmico de trabajo a alta presión hacia la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) abierta, donde,
- cuando se abre una de las válvulas de descarga del fluido térmico de trabajo a alta presión (13) o (17) se aplica un pulso baro-térmico a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) que se expande adiabáticamente hasta alcanzar la presión de equilibrio (presión de expansión en la turbina igual a la presión del enfriador (18) del fluido térmico de trabajo de baja presión), y donde,
- el fluido térmico de trabajo después de la expansión adiabática en la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26), todavía contiene una cantidad significativa aprovechable de calor, que es susceptible de ser parcialmente recuperado por el recuperador de calor (28) por medio de los conductos de entrada y salida (38) y (39), el cual consiste en un intercambiador de calor útil para aprovechar el calor residual evacuado por la turbina de gas operando a pulsos barotérmicos (26), y donde,
- la extracción de calor del fluido térmico de trabajo e efectuada de manera que del recuperador de calor (28), el fluido térmico de transferencia de calor a menor El fluido térmico de trabajo a baja presión evacuado por la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) cede calor al fluido de transferencia de calor en el recuperador de calor (28) pasando al reservorio de baja presión (18), donde es enfriado a presión constante por medio de un fluido de enfriamiento que entra por el conducto (3) al reservorio de baja presión (29), y retorna por el conducto (4) transfiriendo el calor de enfriamiento a un sumidero térmico a temperatura ambiente, y donde, - el fluido térmico de trabajo a baja presión y temperatura contenido en el reservorio de 5baja presión (29) es aspirado por el compresor de alimentación (34) cerrando así el circuito de operación para repetir indefinidamente el ciclo, y donde,
- el ciclo térmico cuyo modo de operación obedece a los diagramas temperatura- entropía y presión-volumen cuyos procesos consisten en las cuatro transformaciones termodinámicas siguientes,
- la transformación (a-b) corresponde a un proceso abierto adiabático durante el cual se transfiere el fluido térmico de trabajo por compresión isentrópica en la fase de alimentación hacia uno de los depósitos reservorios para su posterior calentamiento isocórico,
- la transformación (b-c) corresponde al proceso cerrado de calentamiento isocórico del fluido térmico de trabajo en uno de los depósitos reservorios de calentamiento isocórico (12) o (16), - la transformación (c-d) corresponde al proceso abierto de expansión adiabática del fluido térmico de trabajo en la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) y realizando trabajo mecánico útil,
- la transformación (d-a) corresponde al proceso abierto de enfriamiento isobárico del fluido térmico de trabajo evacuado por la turbina de gas operando a pulsos baro- térmicos (26) llevado a cabo en el recuperador de calor (28) y en el enfriador del fluido térmico de trabajo o reservorio de baja presión (29) hasta la temperatura ambiente.
4. TURBINA DE GAS OPERANDO CON PULSOS BARO-TÉRMICOS Y PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN, según reivindicación primera donde la estructura de turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos es implementada bajo módulo de potencia del tipo (41) cuya estructura está caracterizada por la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos de presión positiva aplicados a la entrada y pulsos de presión negativa aplicados a la salida, ambos aplicados a intervalos intermitentes de tiempo, donde para generar los impulsos positivos y negativos consta al menos dos depósitos reservorios de fluido térmico de trabajo (12) y (14) de alta presión adquirida por adición isocórica de calor, y al menos dos depósitos reservorios de baja presión del fluido térmico de trabajo (20) y (24) adquirida por extracción de calor a volumen constante, donde ambos pulsos de presión positiva y negativa son aplicados simultáneamente, de manera que provoquen un incremento significativo de presión diferencial entre la entrada y la salida de la turbina, y donde todo lo cual incluye al menos los siguientes componentes:
- conducto de suministro (1) del fluido térmico de transferencia de calor,
- conducto de retorno (2) del fluido térmico de transferencia de calor,
- conducto de suministro (3) del fluido térmico de extracción de calor,
- conducto de retorno (4) del fluido térmico de extracción de calor,
- calentador del fluido térmico de trabajo de alta presión (10),
- compresor de recirculación del fluido térmico de trabajo de convección forzada (11),
- depósito reservorio de alta presión por adición de calor a volumen constante (12),
- válvula de descarga (13) del fluido térmico de trabajo a alta presión a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26),
- calentador del fluido térmico de trabajo (14),
- compresor de recirculación del fluido térmico de trabajo de convección forzada (15)
- depósito reservorio de alta presión por adición de calor a volumen constante (16)
- válvula de descarga (17) del fluido térmico de trabajo a alta presión a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26),
- enfriador del fluido térmico de trabajo de baja presión (18),
- compresor de recirculación del fluido térmico de trabajo de convección forzada (19),
- depósito reservorio de baja presión por extracción de calor a volumen constante (20),
- válvula de evacuación (21) del fluido térmico de trabajo a baja presión de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26),
- enfriador del fluido térmico de trabajo de baja presión (22),
- compresor de recirculación del fluido térmico de trabajo de convección forzada (23),
- depósito reservorio de baja presión por extracción de calor a volumen constante (24),
- válvula de evacuación (25) del fluido térmico de trabajo a baja presión de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26),
- turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) conectada mediante eje a un generador eléctrico (27),
- válvula de succión del fluido térmico de trabajo (30) desde el depósito (20) de baja presión, - válvula de descarga del fluido térmico de trabajo (31) hacia el depósito (12) de alta presión, - válvula de succión del fluido térmico de trabajo (32) desde el depósito (24) de baja presión, - válvula de descarga del fluido térmico de trabajo (33) hacia el depósito (16) de alta presión, - compresor de alimentación del fluido térmico de trabajo (34).
5. PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN DE LA TURBINA DE GAS OPERANDO CON PULSOS BARO-TÉRMICOS, según reivindicación primera y cuarta, de acuerdo con la cual, el modo de operación del módulo de potencia (41) equipado con una turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos aplicados a la entrada y salida de la turbina (26), opera en circuito cerrado de tal manera que el fluido térmico de trabajo es transferido alternativamente a baja temperatura y presión desde los depósitos reservorios de baja presión (20) y (24) por las válvulas (30) y (32) de succión del compresor de alimentación (34) hacia los reservorios de alta-presión (12) y (16), por las válvulas de descarga (31 y (33) del compresor de alimentación (34), donde, dentro de los depósitos reservorios de alta presión (12) y (16) da lugar de modo alternativo el proceso de adición de calor a volumen constante mediante recirculación del fluido térmico de trabajo (para favorecer la transferencia de calor por convección forzada) por los respectivos calentadores del fluido térmico de trabajo de alta presión (10) (14), donde el proceso de calentamiento se debe a la adición de calor a los calentadores del fluido térmico de trabajo de alta presión (10) (14) por el conducto de suministro (1) del fluido de transferencia de calor desde una fuente de calor externa y retornando por el conducto de retorno (2) hacia la fuente de calor externa, y donde, - la adición isocórica de calor a los reservorios de alta presión (12) y (16) es llevada a cabo de modo alternativo intermitente de tal manera que la adición de calor y subsecuente conversión en trabajo mecánico en la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) requiere que:
- cuando el reservorio de alta presión (12) se halla en la fase de calentamiento isocórico, el reservorio de alta presión (16) se halla en la fase de expansión adiabática, para lo cual la válvula de descarga (13) del fluido térmico de trabajo a alta presión hacia la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) se halle cerrada, mientras que la válvula de descarga (17) del fluido térmico de trabajo a alta presión 35hacia la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) abierta; y
- cuando el reservorio de alta presión (16) se halla en la fase de calentamiento isocórico, el reservorio de alta presión (12) se halla en la fase de expansión adiabática, para lo cual la válvula de descarga (17) del fluido térmico de trabajo a alta presión hacia la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) se halle cerrada, mientras que la válvula de descarga (13) del fluido térmico de trabajo a alta presión hacia la turbina de gas operando a pulsos barotérmicos (26) abierta, donde,
- cuando se abre una de las válvulas de descarga del fluido térmico de trabajo a alta presión (13) o (17) se aplica un pulso baro-térmico a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) que se expande adiabáticamente hasta alcanzar la presión de equilibrio (presión de expansión en la turbina igual a la presión del enfriador (18) del fluido térmico de trabajo de baja presión, y donde,
- el fluido térmico de trabajo después de la expansión adiabática en la turbina de gas a operando a pulsos baro-térmicos (26), es evacuado alternativamente por las válvula de evacuación (21) del fluido térmico de trabajo a baja presión de la turbina baro-térmica (26), o por la válvula de evacuación (25) del fluido térmico de trabajo a baja presión de la turbina baro térmica (26) hacia los respectivos depósitos reservorios de baja presión, tanto el depósito reservorio de baja presión por extracción de calor a volumen constante (20) como el depósito reservorio de baja presión por extracción de calor a volumen constante (24), y donde,
- dentro de los depósitos reservorios de baja presión (20) y (24) da lugar de modo intermitente el proceso de extracción de calor a volumen constante mediante recirculación del fluido térmico de trabajo entre (20) y (18) y entre (24) y (22), para favorecer la transferencia de calor por convección forzada, donde el calor es extraído de los respectivos enfriadores del fluido térmico de trabajo de baja presión (18) o (22), hacia el sumidero térmico desde donde se suministra por el conducto de suministro (3) fluido térmico de enfriamiento de extracción de calor, retornando por el conducto de retorno (4) hacia el sumidero térmico, y donde,
- dentro de los depósitos reservorios de baja presión (20) y (24) da lugar de modo intermitente el proceso de extracción de calor a volumen constante mediante recirculación del fluido térmico de trabajo (para favorecer la transferencia de calor por 35convección forzada) por los respectivos enfriadores del fluido térmico de trabajo de baja presión (18) o (22), donde el proceso de enfriamiento se debe a la extracción alternativa de calor desde los enfriadores del fluido térmico de trabajo de baja presión (18) (22) por el conducto (3) de suministro del fluido térmico de extracción de calor y retornando por el conducto de retorno (4) del fluido térmico de extracción de calor hacia el sumidero térmico, y donde,
- el modo de operación en la tarea de extracción de calor intermitente de cada uno de los depósitos reservorios de baja presión (20) y (24) requiere que,
- cuando el depósito reservorio (20) se halla en la fase de enfriamiento isocórico, la válvula de evacuación (21) del fluido térmico de trabajo a baja presión a la turbina baro-térmica (26) se halle cerrada y el depósito reservorio (24) se halle en la fase de contracción adiabática a través de la válvula de evacuación (25) del fluido térmico de trabajo a b aja presión y,
- cuando el depósito reservorio (24) se halla en la fase de enfriamiento isocórico, la válvula de evacuación (25) del fluido térmico de trabajo a baja presión a la turbina baro-térmica (26) se halle cerrada y el depósito reservorio (20) se halle en la fase de contracción adiabática a través de la válvula de evacuación (21) del fluido térmico de trabajo a baja presión, y donde,
- cuando se abre uno de los pares de válvulas (13) y (21) o (17) y (25) se aplican simultáneamente dos pulso baro-térmicos, uno positivo y otro negativo a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26), donde el fluido térmico de trabajo de alta presión se expande adiabáticamente y el fluido térmico de trabajo de baja presión se contrae adiabáticamente hasta alcanzar el equilibrio de presiones entre el depósito reservorio de alta presión y el correspondiente depósito reservorio de baja presión, y donde,
- cuando se alcanza la presión de equilibrio dentro de cada uno de los respectivos depósitos reservorios del fluido térmico de trabajo de baja presión, tanto el depósito reservorio de baja presión por extracción de calor a volumen constante (20), como el depósito reservorio de baja presión por extracción de calor a volumen constante (24), se inicia la respectiva fase de alimentación del fluido térmico de trabajo de baja presión, siendo transferido por el compresor de alimentación del fluido térmico de trabajo (34) hacia los depósitos reservorios de alta presión (12) y (16), completando el circuito cerrado del ciclo térmico descrito.
6. PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN DE LA TURBINA DE GAS OPERANDO A PULSOS BARO-TÉRMICOS, según reivindicación primera y cuarta y quinta, caracterizado por los modos de operación del ciclo térmico del módulo de potencia (41), el cual exhibe la habilidad de operar con varios ciclos térmicos en los que la extracción de calor de los depósitos reservorios de baja presión (20) y (24) es llevada a cabo a volumen constante y en donde las opciones de operar con el ciclo térmico caracterizado por realizar la extracción de calor de los depósitos reservorios de baja presión (20) y (24) a volumen constante incluyen:
- ciclo térmico cuyo modo de operación opera con expansión y contracción adiabáticas obedece las cinco transformaciones termodinámicas siguientes:
- proceso 1-2, que corresponde a la alimentación del fluido térmico de trabajo, que consiste en un proceso adiabático-isentrópica de compresión, que absorbe el trabajo mecánico del exterior, - proceso 2-3, que corresponde a un proceso isocórico de adición de calor procedente de una fuente de calor externa, para calentar el fluido térmico de trabajo con el que se genera un pulso baro-térmico positivo,
- proceso 3-4, que corresponde a un proceso adiabático-isentrópico de expansión, que realiza un trabajo mecánico útil mediante un pulso de presión,
- proceso 4-5, que corresponde a una fase de enfriamiento isocórica por extracción de calor según un proceso cerrado con el que se generan un pulso baro-térmico negativo,
- proceso 5-1, que corresponde a un proceso de contracción basado en compresión adiabáticaisentrópica, el cual realiza un trabajo mecánico útil.
-- el ciclo térmico cuyo modo de operación opera con expansión y contracción isotérmicas el cual comprende las cinco transformaciones termodinámicas siguientes:
- proceso 1-2, que corresponde a la alimentación del fluido térmico de trabajo, que consiste en un proceso adiabático-isentrópica de compresión, que absorbe el trabajo mecánico del exterior, - proceso 2-3, que corresponde a un proceso isocórico de adición de calor procedente de una fuente de calor externa, para calentar el fluido térmico de trabajo con el que se genera un pulso baro-térmico positivo,
- proceso 3-4, que corresponde a un proceso isotérmico de expansión mientras absorbe calor de una fuente externa, que realiza un trabajo mecánico útil mediante un pulso de presión, - proceso 4-5, que corresponde a una fase de enfriamiento isocórica por extracción de calor según un proceso cerrado con el que se generan un pulso baro-térmico negativo,
- proceso 5-1, que corresponde a un proceso isotérmico cerrado de extracción de calor acompañado de la realización de trabajo mecánico útil por contracción basada en compresión isotérmica.
7. IMPLEMENTACIÓN DE UN MODO PREFERENTE DE LA INVENCIÓN DENOMINADA TURBINA DE GAS OPERANDO CON PULSOS BARO-TÉRMICOS, según todas las reivindicaciones anteriores según las cuales, los módulos de potencia (40) y (41) están caracterizados por su habilidad para implementar estructuras de planta capaces de recuperar parte del calor residual rechazado tanto por cada uno de los citados módulos de potencia, como por la estructura de planta en la que se hallen integrados. Con objeto de incrementar el factor de utilización del calor, se desarrollan dos modos de alimentación del calor disponible (alimentación de módulos de potencia en paralelo y alimentación de módulos de potencia en serie) para suministrar a los módulos de planta (40) y (41) por medio del fluido térmico de transferencia de calor con entrada por el conducto (1) y retorno por el conducto (2), dando lugar a las siguientes estructuras de planta formada por acoplamiento de módulos tanto del tipo (40) como del tipo (41):
- estructura de una planta formada por varios módulos de potencia (40) acoplados en paralelo con respecto al fluido de transferencia de calor de utilizado en la alimentación de los módulos del tipo (40),
- estructura de una planta formada por varios módulos de potencia (40) acoplados en serie con respecto al fluido de transferencia de calor utilizado en la alimentación de los módulos del tipo (40),
- estructura de una planta formada por módulos de potencia (41) acoplados en paralelo con respecto al fluido de transferencia de calor de utilizado en la alimentación de los módulos del tipo (41),
- la estructura de una planta formada por módulos de potencia (41) acoplados en serie con respecto al fluido de transferencia de calor utilizado en la alimentación de los módulos del tipo (41).
8. IMPLEMENTACIÓN DE UN MODO PREFERENTE DE LA INVENCIÓN DENOMINADA TURBINA DE GAS OPERANDO CON PULSOS BARO-TÉRMICOS, según las reivindicaciones primera a sexta caracterizada porque con el objeto de lograr un alto factor de utilización del calor se desarrolla una planta implementada en base a la combinación de una bomba de calor formada por un ciclo Brayton inverso y al menos un módulo de potencia del tipo (41), la cual incluye los siguientes componentes:
- intercambiador de calor (50) de refuerzo térmico a la bomba de calor, el cual capta calor de una fuente de calor externa para reforzar el suministro de la energía de calentamiento al módulo de potencia (41) por el conducto (1),
- intercambiador de calor (51) de recuperación de calor residual procedente del módulo (41) efectuada por la succión del compresor (53) del ciclo Brayton inverso correspondiente a la bomba de calor,
- intercambiador de calor (52) de sub-enfriamiento del fluido térmico de transferencia de calor desde el módulo (41) al sumidero térmico,
- compresor (53) del ciclo Brayton inverso que conforma la bomba de calor,
- expansor (54) del ciclo Brayton inverso que conforma la bomba de calor,
- conducto de suministro de calor (55) por medio del fluido térmico de transferencia de calor, - conducto de retorno de calor (56) por medio del fluido térmico de transferencia de calor.
9. IMPLEMENTACIÓN DE UN MODO PREFERENTE DE LA INVENCIÓN DENOMINADA TURBINA DE GAS OPERANDO CON PULSOS BARO-TÉRMICOS, según las reivindicación 8a, caracterizada por su modo de operación según el cual la planta implementada en base a la combinación de una bomba de calor formada por un ciclo Brayton inverso y al menos un módulo de potencia del tipo (41), obedece al modo de operación según el cual, el calor procedente de una fuente de calor externa entra por el conducto (55) al intercambiador de calor (50) de refuerzo térmico a la bomba de calor (y retornando a la fuente de calor externa por el conducto de retorno (56)), de donde es transferido por el conducto (1) hacia el módulo de potencia (41), retornando por el conducto (2) hacia el intercambiador de calor (51) de recuperación de calor residual, en donde se enfría por cesión de calor al fluido térmico de transferencia de calor aspirado por el compresor (53). El fluido térmico enfriado en intercambiador de calor (51) de recuperación de calor residual pasa al expansor (54) en donde se expande produciendo trabajo mecánico a costa de de enfriarse aún más. La evacuación del fluid térmico de transferencia de calor desde el expansor (54) pasa al intercambiador de calor (52) de sub-enfriamiento del fluido térmico de enfriamiento del módulo de potencia (41), retornando hacia el compresor (53) a través del intercambiador de calor (51) de recuperación de calor residual procedente del módulo (41) efectuada por la succión del compresor (53) del ciclo Brayton inverso correspondiente a la bomba de calor.
10. IMPLEMENTACIÓN DE UN MODO PREFERENTE DE LA INVENCIÓN DENOMINADA TURBINA DE GAS OPERANDO CON PULSOS BARO-TÉRMICOS, según las reivindicaciones 8a y 9a caracterizada por la técnica de acoplamiento en paralelo de sistemas de recuperación de calor para módulos de potencia (41) mediante bomba de calor implementada bajo el ciclo Brayton inverso, donde el calor suministrado desde una fuente de calor externa entra en paralelo a cada intercambiador de calor (50) de refuerzo térmico a la bomba de calor por el conducto de suministro (55), saliendo hacia la fuente de calor externa por el conducto de retorno (56).
11. IMPLEMENTACIÓN DE UN MODO PREFERENTE DE LA INVENCIÓN DENOMINADA TURBINA DE GAS OPERANDO CON PULSOS BARO-TÉRMICOS, según las reivindicaciones 8a y 9a caracterizada por la técnica de acoplamiento en serie de sistemas de recuperación de calor para módulos de potencia (41) mediante bomba de calor implementada bajo el ciclo Brayton inverso, donde el calor suministrado desde una fuente de calor externa entra en serie a cada módulo (50) de refuerzo térmico a la bomba de calor por el conducto de suministro de calor (55) y retorna por el conducto de retorno de calor (56) hacia una fuente de calor externa.
ES202000032A 2020-03-06 2020-03-06 Turbina de gas operando con pulsos baro-térmicos y procedimiento de operacion Active ES2851381B2 (es)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ES202000032A ES2851381B2 (es) 2020-03-06 2020-03-06 Turbina de gas operando con pulsos baro-térmicos y procedimiento de operacion

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ES202000032A ES2851381B2 (es) 2020-03-06 2020-03-06 Turbina de gas operando con pulsos baro-térmicos y procedimiento de operacion

Publications (2)

Publication Number Publication Date
ES2851381A1 true ES2851381A1 (es) 2021-09-06
ES2851381B2 ES2851381B2 (es) 2022-07-27

Family

ID=77520454

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES202000032A Active ES2851381B2 (es) 2020-03-06 2020-03-06 Turbina de gas operando con pulsos baro-térmicos y procedimiento de operacion

Country Status (1)

Country Link
ES (1) ES2851381B2 (es)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1712760A2 (en) * 2005-04-13 2006-10-18 Ricardo, Inc. Indirect variable valve actuation for an internal combustion engine
DE102007003116A1 (de) * 2007-01-16 2008-07-17 Mahle International Gmbh Brennkraftmaschinensystem
WO2011101087A1 (de) * 2010-02-17 2011-08-25 Meta Motoren- Und Energie-Technik Gmbh Verfahren zum betreiben einer abgasturboaufgeladenen brennkraftmaschine sowie brennkraftmaschine
WO2019070190A1 (en) * 2017-10-06 2019-04-11 Scania Cv Ab INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH QUICK ACTING SECONDARY EXHAUST VALVE AND METHOD THEREOF

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1712760A2 (en) * 2005-04-13 2006-10-18 Ricardo, Inc. Indirect variable valve actuation for an internal combustion engine
DE102007003116A1 (de) * 2007-01-16 2008-07-17 Mahle International Gmbh Brennkraftmaschinensystem
WO2011101087A1 (de) * 2010-02-17 2011-08-25 Meta Motoren- Und Energie-Technik Gmbh Verfahren zum betreiben einer abgasturboaufgeladenen brennkraftmaschine sowie brennkraftmaschine
WO2019070190A1 (en) * 2017-10-06 2019-04-11 Scania Cv Ab INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH QUICK ACTING SECONDARY EXHAUST VALVE AND METHOD THEREOF

Also Published As

Publication number Publication date
ES2851381B2 (es) 2022-07-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101092691B1 (ko) 고효율 열 사이클 장치
ES2932048T3 (es) Sistema de almacenamiento de energía
US8490397B2 (en) Compound closed-loop heat cycle system for recovering waste heat and method thereof
ES2955854T3 (es) Sistema de energía y método para producir energía útil a partir de calor proporcionado por una fuente de calor
CN100425925C (zh) 利用天然工质以及太阳能或废热的发电、空调及供暖装置
US20080264062A1 (en) Isothermal power
KR20090035735A (ko) 전기 발전을 위해 저온 열을 이용하는 방법 및 장치
JP2018514686A (ja) 超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システム
WO2024131172A1 (zh) 一种级联型储能***及储能方法
CN109026243A (zh) 能量转换***
CN107327325A (zh) 一种超临界二氧化碳与液态金属联合循环***
WO2016193510A1 (es) Planta solar de potencia de alta eficiencia y su procedimiento de funcionamiento
CN112983585A (zh) 一种热泵太阳能汽轮发电机组热电联产循环***
CN115118017A (zh) 一种开放式液态二氧化碳储能***
ES2672495T3 (es) Sistema y método para producir agua caliente y/o vapor y para almacenar agua en forma líquida y/o gaseosa para uso en una central de potencia de turbinas de gas
ES2851381B2 (es) Turbina de gas operando con pulsos baro-térmicos y procedimiento de operacion
JP3676333B2 (ja) ボトミングサイクル発電システム
ES2909501T3 (es) Método y aparato para generar frío de proceso y vapor de proceso
CN103195518A (zh) 基于多级蒸发器串联的有机朗肯循环发电***
CN215444171U (zh) 一种朗肯循环***
US20230243599A1 (en) Thermoelectric device for storage or conversion of energy
CN210239766U (zh) 利用自然工质回收lng冷能发电的装置
CN113586187A (zh) 一种朗肯循环***及朗肯循环方法
CN207093161U (zh) 超临界二氧化碳与液态金属联合循环***
US10132201B2 (en) Ultra-high-efficiency closed-cycle thermodynamic engine system

Legal Events

Date Code Title Description
BA2A Patent application published

Ref document number: 2851381

Country of ref document: ES

Kind code of ref document: A1

Effective date: 20210906

FG2A Definitive protection

Ref document number: 2851381

Country of ref document: ES

Kind code of ref document: B2

Effective date: 20220727