Reivindicaciones
1. REIVINDICACIONES 1.- Sistema termodinámica con ciclo cerrado, con refrigeraciones regenerativas a contracorriente, para generar energía mecánica en uno o varios ejes, a partir de flujos externos de fluidos calientes,caracterizadopor que comprende: • al menos un intercambiador de calor (2), donde cada intercambiador de calor comprende un circuito primario, con dos ramales de entrada, el principal y el ramal lateral de regeneración (77), habiendo un fluido exterior (1) que, entrando por el ramal principal, aporta calor al fluido de trabajo, que circula por el circuito secundario (4); mientras que otro fluido exterior, aporta calor al circuito secundario, entrando por el ramal lateral de regeneración; • coincidiendo el final de dicho circuito secundario con el comienzo de la primera tobera de expansión (8), con fuerte aceleración del fluido de trabajo, y entrada a la primera turbina (9), estando refrigerada dicha tobera, para extraer el calor generado por las irreversibilidades termodinámicas en la tobera, por un fluido exterior viajando a contracorriente por dentro de su carcasa correspondiente (76); • emergiendo el fluido de la refrigeración de la tobera por un conducto que lo aporta al ramal lateral de regeneración (77), que vierte en el circuito primario del intercambiador, ya dicho; • mientras que el fluido de trabajo que emerge de la tobera propiamente dicha, entra en el rodete o plato de álabes de la turbina (9), a cuyo eje transfiere una alta fracción de la energía cinética que lleva; • saliendo por el escape la primera turbina, bien para entrar en la tobera (10) de la segunda turbina (11), si es que existe una serie de turbinas conectadas en cascada de caída de presión, bien para entrar en un colector (14) de desaceleración e incremento de la presión estática, antes de entrar en el foco frío (15); • estando constituido el foco frio por un intercambiador de calor por cuyo primario circula el fluido de trabajo, y por el secundario el fluido ambiente que lo refrigera, que entra por (15e) y sale por (15s); • tras lo cual entra el fluido de trabajo en el primer compresor (17), cuyo difusor de salida (18) se refrigera a contracorriente, por fluido ambiente, para extraer el calor generado por las irreversibilidades termodinámicas en el difusor; • entrando desde ese difusor, bien en el segundo compresor (21), si hay una concatenación de éstos en valor ascendiente de presión, o bien en el circuito secundario (4) del intercambiador dicho en primer lugar; quedando configurados los elementos anteriores para realizar un ciclo termodinámico cerrado con las siguientes tres fases: - calentamiento de un fluido de trabajo, que se realiza en el intercambiador de calor, en los cuales el fluido de trabajo alcanza su máxima temperatura, Tm, a una presión Pm; - expansión del fluido de trabajo, en las turbinas concatenadas (9, 11, 13), donde el sistema de refrigeración a contracorriente (61) extrae el calor generado por las irreversibilidades en la aceleración del flujo, y lo envía al primario del intercambiador de calor; y además cada turbina dispone de un colector de escape, que va unido a la tobera de entrada (8, 10, 12) de la siguiente turbina, en orden decreciente de presiones, salvo la última turbina, cuyo colector de escape (70) hace de entrada al elemento enfriador, o foco frío, (98) previo al primercompresor (17); - fase de enfriamiento y compresión integrados, en la que se intercalan alternadamente el elemento enfriador (15, 19, 23) con el compresor (17,21,25), con repetición de esta secuencia enfriamiento-compresión, quedando configurado un foco frío como el conjunto de las refrigeraciones previas a los compresores; y además, cada uno de los compresores de la serie concatenada (17, 21, 25) que hace el total de la compresión, está embebido en un enfriador a contracorriente, particularmente en el difusor (6, 18, 22) de salida de cada compresor. 2.- Sistema termodinámico con ciclo cerrado, con refrigeraciones regenerativas a contracorriente, para generar energía mecánica en uno o varios ejes, a partir de flujos externos de fluidos calientes, según la reivindicación 1,caracterizadopor que el compresor (17, 21, 25) es un compresor centrífugo, y las turbinas son turbinas centrípetas de tipo mono-etapa; donde el compresor centrífugo está formado por un colector de entrada, más un plato giratorio de álabes, que gira según un eje solidario al plato, accionado por un motor eléctrico u otra fuente de energía de rotación, y teniendo además un difusor (6, 18, 22) refrigerado en el escape, siendo este difusor un conducto de sección recta creciente, según la dirección que lleva el fluido de trabajo, donde se ralentiza su flujo, pasando parte de la presión dinámica a presión estática; y además se realiza una secuencia previa de enfriamiento en el correspondiente intercambiador (15, 19, 23), anterior a la entrada del fluido en el correspondiente compresor, y en dicha secuencia el fluido ambiente del foco frío, enfría al fluido de trabajo hasta la mínima temperatura que puede conseguirse con dicho foco, denotando a dicha temperatura como T0; y análogamente se realiza la expansión en las turbinas (9, 11, 13) centrípetas de tipo mono-etapa, estando cada una de ellas formada por una tobera (8, 10, 12) refrigerada externamente, en la que se acelera el fluido de trabajo, más un plato giratorio, de álabes de geometría centrípeta para el flujo, girando el plato con sus álabes solidariamente con el eje de la turbina, siendo cada eje específico de cada turbina, y estando cada eje conectado a un generador eléctrico (26, 29, 31), o a un sistema de transmisión mecánica (37, 39, 40) para accionar un eje común (38) a varias turbinas, o a otra aplicación de generación energética; y la refrigeración de las toberas se realiza también en cascada, pero a contracorriente (61) de la dirección del fluido de trabajo, emergiendo el fluido refrigerante por la parte aguas arriba de la tobera (8) de la turbina de más alta presión, inyectándose dicho fluido refrigerante en el intercambiador de calentamiento (2) del fluido de trabajo, por el ramal lateral de regeneración (77). 3.- Sistema termodinámico con ciclo cerrado, con refrigeraciones regenerativas a contracorriente, para generar energía mecánica en uno o varios ejes, a partir de flujos externos de fluidos calientes, según la reivindicación 1,caracterizadopor que la cadena de compresión está formada por “m” compresores que proporcionan la misma razón de compresión “r” para todos ellos; y existiendo en la fase de expansión“m ”turbinas, cada una de ellas con razón de presiones también de valor “r”, cumpliéndose, en el caso de fluido gas ideal, y turbinas y compresores perfectos, la siguiente igualdad <img class="EMIRef" id="674467924-imgf000063-0001" /> siendo Tm la máxima temperatura que alcanza el fluido de trabajo, y T0 la mínima, estando además relacionadas la máxima presión del circuito, Pm a la entrada de la primera turbina, y la mínima, P0, a la entrada del primer compresor, por la relación Pm = r mP0 señalando que dichas relaciones corresponden a la situación ideal, de fluido con comportamiento de gas ideal, y máquinas y componentes perfectos. 4. - Sistema termodinámico con ciclo cerrado, con refrigeraciones regenerativas a contracorriente, para generar energía mecánica en uno o varios ejes, a partir de flujos externos de fluidos calientes, según la reivindicación 3,caracterizadoporque para una configuración del sistema con “m” de compresores y “n” turbinas, y siendo rc la misma razón de compresión de los compresores, y rt la misma relación de presiones en cada turbina, se cumple que <img class="EMIRef" id="674467924-imgf000064-0004" /> 5. - Sistema termodinámico con ciclo cerrado, con refrigeraciones regenerativas a contracorriente, para generar energía mecánica en uno o varios ejes, a partir de flujos externos de fluidos calientes, según la reivindicación 3,caracterizadoporque para una configuración del sistema con “m” de compresores y “n” turbinas, se cumple que: <img class="EMIRef" id="674467924-imgf000064-0001" /> y siendo rcx la razón de compresión del compresor “x”, y rty la relación de presión en la turbina “y”. 6.- Sistema termodinámico con ciclo cerrado, con refrigeraciones regenerativas a contracorriente, para generar energía mecánica en uno o varios ejes, a partir de flujos externos de fluidos calientes según la reivindicación 1,caracterizadoporque la caída de presiones en la expansión, y la caída de temperaturas, cumplen el balance siguiente de temperaturas, suponiendo m compresores y n turbinas en el ciclo, y siendo r’t la razón de presiones realista en la turbina <img class="EMIRef" id="674467924-imgf000064-0002" /> y a su vez cumplen el de presiones, que lo han de cumplir por su lado los compresores también, con razón de compresión r’c: <img class="EMIRef" id="674467924-imgf000064-0003" /> 7.- Sistema termodinámico con ciclo cerrado, con refrigeraciones regenerativas a contracorriente, para generar energía mecánica en uno o varios ejes, a partir de flujos externos de fluidos calientes, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores,caracterizadoporque - los difusores y toberas se seleccionan entre conductos de revolución de eje recto, o conductos de sección recta circular, o próxima a ella, con una excentricidad menor de un 10%, medida en exceso sobre 1 del diámetro máximo sobre el mínimo, y con eje de forma alabeada o helicoidal, pasando dicho eje por los centros de las secciones rectas; - los difusores y toberas tendrán una longitud de eje que será mayor que el valor más alto de los límites mecánico y térmico; - siendo el límite mecánico que la longitud del eje sea superior al doble de la diferencia entre el diámetro de su sección recta de mayor área, y el diámetro de la de menor área; - y siendo el límite térmico una longitud de eje tal que, multiplicada por el valor medio de la longitud de las circunferencias de las sucesivas secciones rectas del conducto, da un valor de una superficie que es mayor que el valor resultante de multiplicar la potencia térmica a extraer en la refrigeración externa a contracorriente, por el espesor de la pared del conducto, y de dividir dicho producto por la conductividad térmica del material de la pared, y dividir todo ello por el número pi; - y siendo la potencia térmica a extraer en la refrigeración externa un valor igual a la potencia que se transforma de energía cinética a energía de presión por volumen, o viceversa, multiplicada dicha potencia transformada por el complemento a 1 del rendimiento esperado en dicho elemento, para dicha transformación, y dividido por el valor del propio rendimiento. 8.- Sistema termodinámico con ciclo cerrado, con refrigeraciones regenerativas a contracorriente, para generar energía mecánica en uno o varios ejes, a partir de flujos externos de fluidos calientes, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores,caracterizadoporque el ciclo completo queda compuesto por: - una fase de compresión compuesta de m etapas compresoras con difusores refrigerados, haciendo que la conversión de energía cinética del fluido de trabajo, a energía de compresión, y por ende de presión cinética a presión estática, siga una ley que se determina por la refrigeración que se aplica, seleccionando la trayectoria termodinámica entre los extremos representados por una compresión adiabática, en la que sólo se extrae el calor generado por las irreversibilidades, y una compresión isoterma, con temperatura constante no menor de T0; seguida de una fase de calentamiento, en uno o varios intercambiadores, en cuyo circuito primario se mezclan, a igual temperatura, el fluido que proviene de la refrigeración a contracorriente de las toberas, y entra en el primario por el ramal lateral de regeneración, y el que aporta el calor externo, que entra en el intercambiador por el ramal principal, a temperatura superior al proveniente de las toberas; más una fase de expansión en una cascada de n turbinas, cada una de ellas con: una tobera en la que se acelera el fluido de trabajo, perdiendo energía térmica, y realizando una refrigeración externa que ajusta el valor de la temperatura del fluido de trabajo, a la de la isentrópica que finaliza con la presión de salida, extrayendo el calor generado por las irreversibilidades, yendo ese calor a conformar la energía térmica de un flujo termorreparador, que circula a contracorriente del fluido de trabajo en la cascada de turbinas, y siendo inyectado dicho flujo termorreparador en el intercambiador de calentamiento, según lo dicho en la fase precedente, de modo que ese flujo se contabiliza como pérdida en las toberas, y como ganancia térmica en el intercambiador de calentamiento; existiendo a continuación, en cada turbina, un plato de álabes, al cual se le comunica la energía cinética del fluido de trabajo, y hace girar al eje de la turbina, al que se acopla el sistema productor de electricidad; existiendo en la salida de cada turbina un colector de conexión con la siguiente tobera, en presión decreciente; hasta llegar al cierre del ciclo termodinámico de generación energética, lo cual comporta el enfriamiento final hasta la temperatura T0, si no se ha llegado a ella; y como consecuencia de las refrigeraciones a contracorriente del ciclo cerrado de generación energética, ya especificadas, se desarrolla un ciclo abierto y fraccionado de termorreparación mediante refrigeración de los difusores de los compresores, usando el fluido frío ambiental que constituye el foco frío, en un conjunto de conductos abiertos, en paralelo, uno para cada difusor; e incluye además un circuito de refrigeración en serie de las toberas mediante un fluido exterior, que comienza su fluir por la de más baja presión y acaba por la de más alta presión, siendo inyectado dicho flujo, tras su calentamiento, a través del ramal lateral de regeneración, en el circuito primario del intercambiador de calor que constituye el foco caliente del sistema.
