Máquina térmica con ciclo termodinámico y su funcionamiento

La presente invención se refiere al aprovechamiento de la energía de los fluidos que salen de las máquinas térmicas. Estos fluidos se encuentran a temperaturas más elevadas que el punto de ebullición de un líquido o líquidos comprimidos con la presión igual o mayor que la presión atmosférica.

Se introduce como innovación el bombeo de un fluido o mezcla de fluidos  del mismo tipo o diferentes del que se quiere aprovechar la energía en estado líquido comprimido  para que al mezclarse con el fluido que se quiere aprovechar su energía se evapore y aumente su energía cinética alcanzando el estado de vapor saturado o vapor sobrecalentado.   Actualmente los gases calientes en las máquinas térmicas son enviados al ambiente o a un intercambiador de calor para extraer su energía sin ser aprovechados para obtener un trabajo termodinámico. Otra innovación es el bombeo de un fluido o mezcla de fluidos en estado líquido comprimido por una fuente de alto calor para que alcance el estado de líquido saturado y se mezcle con el fluido de alta temperatura que se desea aprovechar su energía para que aumente su energía cinética.

La energía cinética que se obtiene en la presente invención se aprovecha enviándola a una turbina o grupos de turbinas para generar un trabajo termodinámico.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA A RESOLVER POR LA PRESENTE INVENCIÓN

Las máquinas térmicas deben expulsar calor al medio ambiente para poder funcionar.  Actualmente los ciclos termodinámicos abiertos a la atmósfera pierden energía enviando los gases calientes al ambiente.  Por ejemplo: En el ciclo Brayton la temperatura real de salida oscila de 495 a 560 grados centígrados.

En las máquinas térmicas de ciclo cerrado el fluido de alta temperatura que sale dela turbina pierde su energía al pasar por los condensadores o intercambiadores de calor.

Actualmente no hay equipos o invenciones que utilicen el bombeo de fluidos  para aprovechar esta energía mediante el cambio de la energía cinética por la evaporación y ser enviados a una turbina o grupos de turbinas para generar un trabajo termodinámico. Por ello, la energía que poseen los gases calientes se pierde.  En cambio con la presente invención el vapor saturado o sobrecalentado que se obtiene cuando se mezcla o intercambia calor se envía a una turbina que aprovecha el cambio de energía cinética en ella para generar un trabajo.  Esto hace que la máquina térmica se hace más eficiente porque se aprovecha aun la energía remanente que tiene los gases calientes y  disminuye el volumen de CO2 que se envía a la atmósfera

La forma de aprovechar la energía de las máquinas térmicas actuales se hace por variación de la entalpía al cambiar la presión en una turbina.  No se hace por cambio de energía cinética en las turbina ya que los cambios de la energía cinética a altas presiones no es considerable.  Esto se debe a que el cambio de energía cinética por cambio de densidad es pequeño comparado con el cambio de entalpía.

Por ejemplo una máquina térmica de un ciclo Rankine toma el agua a temperatura de 20°C y la presión atmosférica.  Eleva la presión hasta 2 Mpa y el fluido sale de la caldera a una temperatura de 400°C  con un flujo másico de 7.5 Kg/s lleva una velocidad de 1 m/s en la entrada de la caldera y una velocidad en la salida de 140 m/s.   Tiene un cambio de energía cinética de  9.8 KJ/kg porque su densidad cambió de 948 Kg/m3 a 6.61 Kg/m3 y su cambio de entalpia es de 2861 KJ/kg.  Es decir, el cambio de energía cinética es muy pequeño y por eso se desprecia. Y en la medida que la presión sea más alta el cambio de la energía cinética es menor.

En la presente invención su incremento se hace por evaporación a la presión atmosférica y la densidad del vapor a 400°C sería de 0.3223 Kg/m3, cambiando su velocidad de 1 m/s a  2870 m/s por lo que su cambio de energía cinética es de 4120,04 KJ/kg.  Es un cambio significativo y su energía se puede aprovechar enviándola hacia una turbina.

La ventaja que se ofrece con la presente invención es aprovechar la energía que aún dispone los fluidos calientes en la salida de la turbina de las maquinas térmicas antes de que se pierdan a la atmósfera mediante la evaporación de un líquido haciendo que su velocidad aumente significativamente para que pueda realizar un trabajo en una turbina.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Aunque no se ha encontrado ninguna invención idéntica a la descrita, exponemos a continuación documentos encontrados que reflejan el estado de la técnica relacionado con la misma.

Así el documento ES2447827T3 describe un máquina termodinámica que comprende un sistema de circuito en el que circula un fluido de trabajo que particularmente hierve a baja temperatura, de modo alternante en una fase gaseosa y una fase líquida, con un intercambiador de calor, con una máquina de expansión, con un condensador y con una bomba para líquido, caracterizada porque una presión parcial que aumenta la presión del sistema se impone al fluido de trabajo líquido en la cabeza de la bomba de líquido, a través de la adición de un gas auxiliar no condensable.

La invención propuesta se basa en aprovechar la energía mediante el cambio de energía cinética por efecto de la evaporación de uno o varios líquidos comprimidos al mezclarse con un fluido a una temperatura mayor que la del punto de ebullición. No se utiliza el gas auxiliar para evitar la cavitación y tampoco se utiliza una máquina de expansión que hace el papel de turbina y aprovecha la energía por el cambio de entropía como hace la invención comparada.

ES2453904T3 propone un sistema termodinámico, que comprende: – un sistema cíclico de intercambio de calor, y – un sistema de transferencia de calor que comprende: un evaporador anular  que incluye una pared configurada para estar acoplada a una parte del sistema cíclico de intercambio de calor y una mecha principal acoplada a la pared, y un condensador acoplado al evaporador para formar un bucle cerrado que aloja un fluido de trabajo; en el que el evaporador anular está ajustado mediante interferencia en el sistema cíclico de intercambio de calor.

En la invención propuesta se aprovecha la energía disponible de un fluido que se encuentra a una temperatura alta mediante la evaporación de uno o varios líquidos comprimidos cuando se mezclan. La energía cinética de la mezcla es la que se aprovecha para realizar un trabajo en la turbina y no es solamente un intercambiado de calor.

El documento ES2012529A6 propone un  ciclo y máquina termodinámica combinada, en el que la máquina está constituida por la asociación de un motor térmico con una máquina termodinámica inversa relacionada con su carga de admisión, que sigue un ciclo termodinámico que presenta una compresión inicial según una línea próxima a una isoterma o a una politrópica de fórmula p.Vn = constante (siendo p = presión, V = volumen, n = relación calores específicos), en la que n » 1, y una expansión según una línea próxima a una expansión total, todo ello con una temperatura y una presión máximas.

En la invención propuesta se aprovecha la energía de los gases de escape cuando se mezcla con un líquido comprimido o líquidos comprimido para obtener un trabajo termodinámico y no se usa para hacer funcionar una maquina inversa, es decir, un refrigerador.

ES2363455T3 hace referencia a un sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica para proporcionar energía térmica a una máquina termodinámica para la generación de electricidad, que comprende; una unidad de almacenamiento caliente que está en conexión con un intercambiador de calor  y contiene un medio de almacenamiento térmico, un circuito de fluido de trabajo para la circulación de un fluido de trabajo a través del intercambiador de calor para la transferencia de calor con el medio de almacenamiento térmico y en el que la diferencia de temperatura entre el fluido de trabajo y el medio de almacenamiento térmico en un punto de entrada y uno de salida del intercambiador de calor es menor de 50ºC durante la transferencia de calor.

La propuesta presentada no es para guardar energía térmica sino para generar trabajo termodinámico aprovechando la energía de los fluidos que salen de la turbina antes de entrar al condensador o intercambiador de calor.

Conclusiones: Como se desprende de la investigación realizada, ninguno de los documentos encontrados soluciona los problemas planteados como lo hace la invención propuesta.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La máquina térmica con ciclo termodinámico objeto de la presente invención tal como se ilustra en la figura 1  está constituida por:

– Un tanque de líquido comprimido o mezcla de líquidos comprimidos destinado a contener el fluido o fluidos de trabajo, preferentemente agua, pudiéndose utilizar otros líquidos como por ejemplo una solución acuosa de ácido cítrico, hidrocarburos, éteres, aceites, entre otros.  Es decir,  sustancias o mezclas que se encuentren en estado líquido comprimido o subenfriado a temperatura  ambiente. Dicho tanque es llenado del líquido o líquidos de trabajo de dos fuentes posibles: La primera fuente es cuando el líquido o líquidos de trabajo se pueden recuperar y esto ocurre cuando el objeto de la presente invención trabaje con fluidos de alta temperatura que son suministrados por una máquina con ciclo térmico cerrado como por ejemplo el Brayton, Rankine, entre otros.  Una segunda fuente de llenado es utilizar líquido o líquidos  nuevos para cuando el objeto de la presente invención trabaje con fluidos de alta temperatura que son suministrados por máquinas térmicas con ciclo térmico abierto como el Brayton, Diesel, Otto, entre otros o con procesos industriales donde los fluidos que se descartan tienen la temperatura más alta que la temperatura de saturación del fluido de trabajo.

–    Una línea de succión que une al tanque con una bomba

–       Una bomba para líquidos

–       Una línea de salida de la bomba.

–       Una línea de suministro de fluido de alta temperatura proveniente de:

  1. Una máquina térmica con ciclo abierto a la atmosfera como por ejemplo un ciclo diesel, un ciclo otto, siendo preferentemente la de un ciclo Brayton como se ilustra en la figura 2, cuya temperatura real de salida oscila de 495 a 560 grados centígrados.  La temperatura del fluido suministrado debe estar por encima de la temperatura de ebullición de los líquidos comprimidos o subenfriados. Tomando como ejemplo el agua la temperatura del fluido de alta temperatura debe ser mayor a 100°C a una presión de una atmósfera que es la presión del ambiente a nivel del mar.
  2. El fluido de alta temperatura también puede provenir de una caldera, intercambiador de calor o de un proceso industrial, sin necesidad de que provenga solamente de una maquina térmica.
  3. El fluido de alta temperatura proviene de una máquina térmica con ciclo cerrado como lo es el Brayton, Rankine, entre otros.  La temperatura del fluido suministrado debe estar por encima de la temperatura de ebullición de los líquidos comprimidos o subenfriados.

–       Zona de mezcla de fluidos.

–       Una turbina.

–       Una salida de la turbina que puede ir:

  1. Al ambiente cuando el objeto de la presente invención trabaje con fluidos de alta temperatura que son suministrado por máquinas con ciclo térmico abierto o con fluidos de alta temperatura de procesos industriales.
  2. A una máquina térmica con ciclo cerrado como el ciclo Brayton, Rankine, entre otros para que termine su ciclo cuando el fluido de alta temperatura provenga de ellas.

El funcionamiento de dicha máquina térmica con ciclo termodinámico es el siguiente:

Etapa 1: El líquido comprimido o la mezcla de líquidos comprimidos del tanque son bombeados a la zona de mezcla. Simultáneamente se introduce fluido de alta temperatura por la línea de suministro a la zona de mezcla de fluidos.

Etapa 2: La mezcla obtenida en la zona de mezcla aumenta su velocidad por efecto del cambio de densidad por evaporación.

Etapa 3: La mezcla se envía a la turbina para realizar un trabajo por cambio de energía cinética.

Etapa 4: La mezcla de fluidos sale de la turbina y se descarga al ambienteo continúa con el ciclo de una máquina térmica con ciclo cerrado.

En una realización diferente de la presente invención, ilustrada en la figura 3, se agrega a dicha máquina térmica un intercambiador de calor o bien una caldera en la línea de salida, pudiendo pertenecer dicho intercambiador de calor o caldera a una maquina térmica, que calienta el líquido comprimido o subenfriado hasta la temperatura de líquido saturado. El funcionamiento de esta realización diferente se diferencia de la principal en que en la etapa 1 el líquido que se bombea a la zona de mezcla entra como líquido saturado y no como líquido comprimido, que en el caso del agua es de 100°C a la presión de una atmósfera y en la etapa 2, al mezclarse con el fluido de alta temperatura la evaporación se hace de forma inmediata aumentando su energía cinética.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS.

Para una mejor comprensión de la descripción se acompañan unos dibujos que representan una realización preferente de la presente invención.

Figura 1: Esquema de la máquina térmica con ciclo termodinámica

Figura 2: Esquema de máquina térmica con ciclo Brayton abierto a la atmosfera

Figura 3: Esquema de máquina térmica con intercambiador de calor.

Las referencias numéricas de las figuras corresponden a los siguientes elementos constitutivos de la presente invención:

  1. Tanque
  2. Fluido de trabajo
  3. Máquina térmica de ciclo abierto Brayton
  4. Línea de succión
  5. Bomba
  6. Línea de salida de la bomba
  7. Fluido de alta temperatura
  8. Zona de mezclas
  9. Turbina
  10. Gases + vapor saturado o sobrecalentado
  11. Caldera o intercambiador de calor

DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

Una realización preferente de la invención mencionando dichas referencias numéricas se puede basar en:

– Un tanque (1) de líquido comprimido o mezcla de líquidos comprimidos destinado a contener el fluido o fluidos de trabajo (2), preferentemente agua, pudiéndose utilizar otros líquidos como por ejemplo una solución acuosa de ácido cítrico, hidrocarburos, éteres, aceites, entre otros, es decir,  sustancias o mezclas que se encuentren en estado líquido comprimido o subenfriado a temperatura  ambiente. Dicho tanque (1) es llenado del líquido o líquidos de trabajo (2) de dos fuentes posibles: La primera fuente es cuando el líquido o líquidos de trabajo (2) se pueden recuperar y esto ocurre cuando el objeto de la presente invención trabaje con fluidos (2) de alta temperatura que son suministrados por una máquina con ciclo térmico cerrado como por ejemplo el Brayton, Rankine, entre otros.  Una segunda fuente de llenado es utilizar líquido o líquidos  nuevos para cuando el objeto de la presente invención trabaje con fluidos (2) de alta temperatura que son suministrados por máquinas térmicas con ciclo térmico abierto como el Brayton (3), Diesel, Otto, entre otros o con procesos industriales donde los fluidos que se descartan tienen la temperatura más alta que la temperatura de saturación del fluido de trabajo (2).

–    Una línea de succión (4) que une al tanque con una bomba

–       Una bomba (5) para líquidos

–       Una línea de salida (6) de la bomba.

–       Una línea de suministro de fluido de alta temperatura (7) proveniente de:

  1. Una máquina térmica con ciclo abierto a la atmosfera como por ejemplo un ciclo Diesel, un ciclo Otto, siendo preferentemente la de un ciclo Brayton (3) como se ilustra en la figura 2, cuya temperatura real de salida oscila de 495 a 560 grados centígrados.  La temperatura del fluido suministrado debe estar por encima de la temperatura de ebullición de los líquidos comprimidos o subenfriados. Tomando como ejemplo el agua la temperatura del fluido de alta temperatura debe ser mayor a 100°C a una presión de una atmósfera que es la presión del ambiente a nivel del mar.
  2. El fluido de alta temperatura también puede provenir de una caldera, intercambiador de calor (11) o de un proceso industrial, sin necesidad de que provenga solamente de una maquina térmica.
  3. El fluido de alta temperatura proviene de una máquina térmica con ciclo cerrado como lo es el Brayton, Rankine, entre otros.  La temperatura del fluido suministrado debe estar por encima de la temperatura de ebullición de los líquidos comprimidos o subenfriados.

–       Zona de mezcla de fluidos (8).

–       Una turbina (9).

–       Una salida (10) de la turbina que puede ir:

  1. Al ambiente cuando el objeto de la presente invención trabaje con fluidos de alta temperatura que son suministrado por máquinas con ciclo térmico abierto o con fluidos de alta temperatura de procesos industriales.
  2. A una máquina térmica con ciclo cerrado como el ciclo Brayton, Rankine, entre otros para que termine su ciclo cuando el fluido de alta temperatura provenga de ellas.

 

El funcionamiento de dicha máquina térmica con ciclo termodinámico es el siguiente:

Etapa 1: El líquido comprimido o la mezcla de líquidos comprimidos (2) del tanque (1) son bombeados a la zona de mezcla (8). Simultáneamente se introduce fluido de alta temperatura por la línea de suministro a la zona de mezcla de fluidos (8).

Etapa 2: La mezcla obtenida en la zona de mezcla (8) aumenta su velocidad por efecto del cambio de densidad por evaporación.

Etapa 3: La mezcla se envía a la turbina (9) para realizar un trabajo por cambio de energía cinética.

Etapa 4: La mezcla de fluidos (10) sale de la turbina (9) y se descarga al ambienteo continúa con el ciclo de una máquina térmica con ciclo cerrado.

En una realización diferente de la presente invención, ilustrada en la figura 3, se agrega a dicha máquina térmica un intercambiador de calor o bien una caldera (11) en la línea de salida, pudiendo pertenecer dicho intercambiador de calor o caldera a una maquina térmica, que calienta el líquido comprimido o subenfriado hasta la temperatura de líquido saturado. El funcionamiento de esta realización diferente se diferencia de la principal en que en la etapa 1 el líquido que se bombea a la zona de mezcla (8) entra como líquido saturado y no como líquido comprimido, que en el caso del agua es de 100°C a la presión de una atmósfera y en la etapa 2, al mezclarse con el fluido de alta temperatura la evaporación se hace de forma inmediata aumentando su energía cinética.

Dibujo1REIVINDICACIONES

1.- Máquina térmica con ciclo termodinámico, caracterizada por estar constituida por:

– Un tanque (1) de líquido comprimido o mezcla de líquidos comprimidos destinado a contener el fluido o fluidos de trabajo (2), preferentemente agua, pudiéndose utilizar otros líquidos como por ejemplo una solución acuosa de ácido cítrico, hidrocarburos, éteres, aceites, entre otros, en estado líquido comprimido o subenfriado a temperatura  ambiente. Dicho tanque (1) es llenado del líquido o líquidos de trabajo (2) de dos fuentes posibles: La primera fuente es cuando el líquido o líquidos de trabajo (2) se puede recuperar y esto ocurre cuando dicha máquina térmica trabaja con fluidos (2) de alta temperatura que son suministrados por una máquina con ciclo térmico cerrado como por ejemplo el Brayton o Rankine.  Una segunda fuente de llenado de dicho tanque es utilizar líquido o líquidos  nuevos para cuando el objeto de la presente invención trabaje con fluidos (2) de alta temperatura que son suministrados por máquinas térmicas con ciclo térmico abierto como el Brayton (3), Diesel u Otto con procesos industriales donde los fluidos que se descartan tienen la temperatura más alta que la temperatura de saturación del fluido de trabajo (2).

–    Una línea de succión (4) que une al tanque con una bomba

–       Una bomba (5) para líquidos

–       Una línea de salida (6) de la bomba.

–       Una línea de suministro de fluido de alta temperatura (7) proveniente de:

  1. Una máquina térmica con ciclo abierto a la atmósfera como por ejemplo un ciclo Diesel o un ciclo Otto, siendo preferentemente la de un ciclo Brayton (3) como se ilustra en la figura 2, cuya temperatura real de salida oscila de 495 a 560 grados centígrados, debiendo estar la temperatura del fluido suministrado por encima de la temperatura de ebullición de los líquidos comprimidos o subenfriados. Tomando como ejemplo el agua la temperatura del fluido de alta temperatura debe ser mayor a 100°C a una presión de una atmósfera.
  2. O bien una caldera, un intercambiador de calor (11) o un proceso industrial.
  3. O una máquina térmica con ciclo cerrado como lo es el Brayton o Rankine.

–       Zona de mezcla de fluidos (8).

–       Una turbina (9).

–       Una salida (10) de la turbina que puede ir:

  1. Al ambiente cuando el objeto de la presente invención trabaje con fluidos de alta temperatura que son suministrados por máquinas con ciclo térmico abierto o con fluidos de alta temperatura de procesos industriales.
  2. A una máquina térmica con ciclo cerrado como el ciclo Brayton o Rankine.

2.- Máquina térmica con ciclo termodinámico, caracterizada porque en una realización diferente, se agrega a dicha máquina térmica un intercambiador de calor o bien una caldera (11) en la línea de salida, pudiendo pertenecer dicho intercambiador de calor o caldera a una máquina térmica que calienta el líquido comprimido o subenfriado hasta la temperatura de líquido saturado.

3.- Funcionamiento de la máquina térmica con ciclo termodinámico, caracterizado por las siguientes etapas:

Etapa 1: El líquido comprimido o la mezcla de líquidos comprimidos (2) del tanque (1) son bombeados a la zona de mezcla (8) y simultáneamente se introduce fluido de alta temperatura por la línea de suministro a la zona de mezcla de fluidos (8).

Etapa 2: La mezcla obtenida en la zona de mezcla (8) aumenta su velocidad por efecto del cambio de densidad por evaporación.

Etapa 3: La mezcla se envía a la turbina (9) para realizar un trabajo por cambio de energía cinética.

Etapa 4: La mezcla de fluidos (10) sale de la turbina (9) y se descarga al ambienteo continúa con el ciclo de una máquina térmica con ciclo cerrado.

4.- Funcionamiento de la máquina térmica con ciclo termodinámico, caracterizado porque en una realización diferente, en la etapa 1 el líquido que se bombea a la zona de mezcla (8) entra como líquido saturado y no como líquido comprimido, que en el caso del agua es de 100°C a la presión de una atmósfera y en la etapa 2, al mezclarse con el fluido de alta temperatura, la evaporación se hace de forma inmediata aumentando su energía cinética.

 

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