Reivindicaciones
1. r e iv in d ic a c io n e s 1 - Sistema térmico de generación de energía mecánica en un eje de una turbina en circuito cerrado, con compresor y con aportación de calor por fuente exterior, y recuperación interna de calor y de energía mecánica, para generación de electricidad,caracterizadopor que comprende un circuito principal dotado de los siguientes componentes físicos, concatenados en circuito cerrado: - un compresor (11) centrífugo, dotado de un plato de álabes y de un difusor estático de salida, estando accionado el plato de álabes por un motor eléctrico (13); - un recuperador de energía mecánica post compresor (25), con forma de bocina ; - un intercambiador de calor regenerativo (4), con ramal de alta presión, que está conectado al recuperador de energía mecánica post compresor; - un foco caliente (17), que es un intercambiador, en el cual se aporta calor desde un fluido caliente exterior, al fluido de trabajo que se mueve en circuito cerrado, al final de su recorrido a alta presión; - una turbina de expansión de gas (1) centrípeta, con dos sub-etapas: una corona de toberas para creación de chorros de muy alta velocidad, sin alcanzar la velocidad del sonido; y un rodete de álabes, cuyo armazón de giro está unido a un eje de revolución (24), que está solidariamente unido a un generador eléctrico (14); - un recuperador de energía mecánica post turbina (2), con forma de bocina, cuyo extremo de menor sección está unido al escape de la turbina (1); estando su otro extremo unido a la carcasa del intercambiador regenerativo (4); - un foco frío (6), que es un intercambiador, en el cual se extrae calor desde el fluido de trabajo, al final de su recorrido a baja presión, a un fluido frío exterior, seleccionado entre aire de la atmósfera y agua de la hidrosfera; 2 - Sistema, según reivindicación 1,caracterizadopor que comprende al menos dos compresores conectados en cascada y con enfriamiento intermedio, materializado mediante la interposición de sucursales del foco frío, donde tras cada enfriamiento intermedio, pasa el fluido a ser succionado por el compresor inmediato superior en presión, hasta el compresor de mayor presión, desde el cual, a través de la bocina de su recuperador mecánico post compresor, se conecta con el ramal de alta presión del intercambiador regenerativo; y comprende al menos dos turbinas conectadas en cascada, cada una de ellas seguida de su recuperador mecánico post turbina, que salvo en el caso de la turbina de menor presión, se conectan con recalentamientos intermedios, materializados mediante sucursales del foco caliente, y en cada turbina el fluido se expansiona hacia el nivel subsiguiente inferior en presión; estando el recuperador post turbina de la turbina de menor presión conectado con el ramal de baja presión del intercambiador regenerativo (4). 3 - Sistema, según reivindicaciones 1 o 2,caracterizadopor que el fluido de trabajo satisface que el factor logarítmico de dilatación isóbara es menor que la unidad en el punto termodinámico de la salida del compresor, estando definido dicho factor fp por siendo z el factor de compresibilidad, igual a PV/(RT), siendo P la presión, V el volumen específico, T la temperatura absoluta, y r la constante de gas ideal particularizada para el fluido de trabajo, en las unidades empleadas en las tres magnitudes previas. 4 - Sistema, según reivindicaciones 1 o 2,caracterizadopor que en un paso por turbina, el cocienterentre la presión superior, de entrada,Psupy la inferior,Pinf,cumple donde y es el cociente entre el calor específico a presión constante y el calor específico a volumen constante, y a su vez la razón de presionesrsatisface el requisito definido por siendo r un parámetro, que representa el menor valor que se admite para el rendimiento de regeneración térmica, y siendo p un exponente igual a ; y siendo 9 un parámetro definido por dondeDtes la diferencia de temperaturas entre la corriente caliente y fría del intercambiador de calor donde se efectúa la regeneración, TM la temperatura a la entrada de la turbina, y Rt el rendimiento de la turbina. 5 - Sistema, según reivindicación 1,caracterizadopor que el intercambiador de calor regenerativo está constituido por un haz cuadrangular regular de tubos (15), dentro de una carcasa prismática; por el que fluye gas a alta presión por dentro de los tubos, y gas de baja presión por fuera de ellos, dentro de la carcasa, en disposición cuadrangular regular, con un diámetro hidráulico equivalente igual a un valor entre un tercio y tres veces el diámetro interno de los tubos. 6 - Sistema, según reivindicación 4,caracterizadopor que Dt es igual a la potencia térmica total a regenerar, dividida por el producto del área de termotransferencia por el coeficiente global de transmisión de calor a través de dicha área, y está comprendido entre 5 y 20 °C. 7 - Sistema, según reivindicación 1,caracterizadopor que dispone de válvulas de regulación de caudal dentro de las bocinas de recuperación mecánica, y una válvula de alivio, así como una válvula de aportación de fluido de trabajo, gas, antes de la entrada al compresor; y consta además de un tanque de almacenamiento de gas. 8 - Sistema, según reivindicación 1,caracterizadopor que comprende un sistema auxiliar de aporte de fluido para fijar el contenido total de fluido de trabajo en el circuito cerrado del circuito principal, comprendiendo dicho sistema auxiliar de aporte de fluido: - un tanque, exterior al circuito cerrado, de almacenamiento de fluido de trabajo a baja presión (101); - conectado, a través de un conducto (9), al colector de entrada del fluido de trabajo en el foco frío (6), - estando provisto dicho conducto (9) de una válvula (100) para permitir el paso de fluido de trabajo desde el circuito cerrado al tanque a baja presión (101), o desde dicho tanque al circuito cerrado, en función de la presión del tanque respecto de la presión de dicho circuito cerrado en el foco frío (6); y - estando a su vez dicho tanque de baja presión conectado a una válvula de 3 vías (106), que según un parámetro previamente seleccionado permite la conexión fluida del tanque de baja presión con la salida de un compresor de aporte de fluido (107) del sistema auxiliar de aporte de fluido, para presurizar el fluido aportado (108) hasta un nivel previamente seleccionado; - un tanque, exterior al circuito cerrado, de almacenamiento en alta presión (102), provisto de un elemento calefactor auxiliar (109); - un conducto (103), que comunica dicho tanque en alta presión (102) con el colector (16) de entrada del fluido de trabajo en el foco caliente (17), en el cual se aporta entalpía desde el exterior (19), a través de un intercambiador de calor, en el que hay una diferencia de temperatura logarítmica media de valor 5Tlmfc definida por las temperaturas de entrada y salida, en dicho intercambiador, del fluido de trabajo, respectivamente Tefc y Tsfc , y las de entrada (19) y salida (20) del fluido exterior, denominadas Teec y Tsec , siendo este flujo desde el exterior el que aporta la entalpía, , definiéndose ST , (Teec ~ Tsfc)<~ (Tsec ~ Tef c )> Im fc ~n((Teec ~ Tsfc) / (Tsec ~ Tefc)) - estando dicho conducto (103) provisto de una válvula (104) que permite el paso de fluido de trabajo desde el ramal de alta del circuito cerrado al tanque en alta presión, o desde el tanque en alta presión al ramal del circuito cerrado, en función de las presiones relativas entre ellos; y - una válvula de alivio (105) de la presión, prevista en el tanque de alta presión que posibilita reducir la presión de dicho tanque y la del fluido del foco caliente (17); donde dicho tanque de alta presión está conectado además a la válvula de 3 vías (106) existente en la salida del compresor de aporte de fluido (107). 9 - Sistema, según reivindicación 8,caracterizadopor que los tres intercambiadores, correspondientes al foco caliente, al foco frío y al intercambiador regenerativo, están configurados para que los flujos de los fluidos circulen en dirección vertical, ascendente el de los flujos que se calientan, y descendente los que se enfrían. 10 - Sistema, según la reivindicación 9,caracterizadopor que los intercambiadores son del tipo denominado de tubo y carcasa, en los que los tubos y la carcasa se disponen en sentido vertical; donde los tubos se disponen en el interior de la carcasa según una configuración cuadrangular regular de nxn tubos, y donde , la pared de presión de la carcasa (2001) es cilíndrica , con sección recta circular, y dentro de la cual, va inscrito un prisma de base cuadrada (2002), en cuyo interior se encuentran el haz de los tubos (2004), por cuyo interior circula el fluido cuando va a alta presión, y por cuyo exterior (2005) del haz de tubos y en el interior del prisma de base cuadrada, se canaliza el flujo de fluido de trabajo, cuando éste circula por el ramal de baja presión; y donde entre la cara exterior del prisma, y la pared de presión de la carcasa cilíndrica, quedan cuatro volúmenes con forma de segmento circular (2003), que se llenan de fluido a presión a través de unos agujeritos en las paredes del prisma, quedando dichos volúmenes cerrados en sus extremos, siendo por tanto inútiles para el intercambio y la extracción de calor. 11 - Sistema térmico de generación de energía mecánica en un eje, según reivindicación 10,caracterizadopor que los recuperadores de energía mecánica post turbina y post compresor, tienen ajustadas sus secciones rectas de entrada (2007) y salida (2008), cumpliendo que, en el recuperador post turbina, la sección recta del escape, coincide con la sección recta de entrada de flujo en dicho recuperador post turbina, y su sección recta de salida, coincide con la sección recta de la carcasa del intercambiador del intercambiador regenerativo, donde se canaliza el flujo por el exterior (2005) de los tubos (2004), y por dentro del prisma (2002) inscrito en la carcasa (2001); y teniendo el recuperador post turbina (2006) una sección recta longitudinal con perfil exterior de tipo parabólico, descrito por la ecuación <R , z>- =<\ÍG z> siendozla coordenada a lo largo del eje virtual (2010) del recuperador post turbina, que va desdezeen la entrada azsen la salida, siendo el radioReen la primera, yRsen esta última, y siendo G una constante que depende de la longitud del recuperador post turbina, cuyo valor G se determina por limitación de dicha máxima pendiente de apertura, que se expresa como donde la pendiente adquiere su máximo para ze, y se fija por diseño, teniendo en cuenta que, cuanto mayor sea esa pendiente, más turbulencia se induce, y por tanto, mayores pérdidas; y si se fija un valor muy bajo de esa pendiente para el comienzo del recuperador post turbina, en la sección de entrada, conduce a recuperadores post turbina muy largos; por lo que, llamandoma dicha máxima pendiente, y conocidos los valoresReyRs,que están condicionados por otros elementos del sistema, como son la salida de la turbina (1) y el acoplamiento con la carcasa del intercambiador regenerativo (4), a partir de estos dos valores y del dem, se determinan los tres valores que hacen falta para definir el perfil longitudinal del recuperador post turbina, es decir,G, zey zs. G = 2 m R e y se obtiene asimismo la longitud del recuperador post turbina, que denotamos por H y, donde el recuperador post compresor va desde la salida del compresor al colector desde el que salen los tubos del intercambiador regenerativo, que constituyen las condiciones de contorno que permiten definir la forma del recuperador post compresor, que también es de tipo parabólico, según la misma formulación geométrica especificada para el recuperador post turbina, cambiando el significado de las variables a las definiciones siguientes Re=radio de la sección recta del colector de salida del compresor, que es la entrada en el recuperador (1025) post compresor Rs=radio de la sección recta del colector (1026) del que salen los tubos del intercambiador regenerativo, que es la salida del recuperador post compresor ze= valor de la coordenada del eje de revolución del recuperador post compresor, en la entrada de éste, zs= valor de la coordenada del eje de revolución del recuperador post compresor, en la salida del recuperador, m= valor de #R particularizado para zedel recuperador post compresor G= parámetro geométrico que caracteriza el perfil del recuperador post compresor, siendo su valor G = 2 m R e y siendo dicho perfil R(z) = VGZ el cual relaciona el radio de la sección recta del recuperador post compresor con la coordenadazdel eje de revolución, cumpliéndose además lo cual proporciona el valor de la longitud del recuperador post compresor,H, que es p2 _ p2 H = z s - Ze<Rs Re> 2mRe 12 - Sistema térmico de generación de energía mecánica en un eje, según reivindicación 11,caracterizadopor que los recuperadores post turbina y post compresor incluyen en su interior unos separadores longitudinales, planos, desarrollados en sentido radial, sin llegar al eje virtual, quedando sujetos firmemente a la pared del recuperador; y la zona central, alrededor del eje virtual de revolución del recuperador, queda exenta de separadores. 13 - Sistema térmico de generación de energía mecánica en un eje, según reivindicación 11,caracterizadoporque los recuperadores post turbina y post compresor incluyen en su interior unos separadores longitudinales alabeados, que se enroscan parcialmente alrededor del eje virtual del recuperador, quedando fijos, por su arista exterior, en la cara interior de la pared del recuperador. 14 - Procedimiento de generación de electricidad en un sistema térmico de generación de energía mecánica en un eje de una turbina de expansión de gas en circuito cerrado, con compresor y con aportación de calor por fuente exterior y recuperación interna de calor y de energía mecánica,caracterizadopor que el circuito principal está configurado para funcionar según las siguientes fases termodinámicas: - aceleración isóbara del gas mediante un plato de álabes rotatorios de un compresor centrífugo (11), movidos por un eje accionado por un motor eléctrico, con multiplicador de velocidad en caso de desajuste de giro con las prestaciones de origen; - deceleración del gas centrifugado, a su paso por un difusor del compreso (11), pasando presión dinámica a estática, a lo largo de una isentrópica que, por irreversibilidades, está inclinada hacia incremento de entropía, antes de su evacuación desde el difusor del compresor; - deceleración isentrópica, realizada en un recuperador de energía mecánica post compresor (25) constituido por una bocina de conexión entre la evacuación desde el difusor del compresor, y un ramal de alta presión de un intercambiador regenerativo (4), siendo en esta bocina donde se efectúa recuperación mecánica, con incremento de la presión estática y donde además se amolda al flujo a adquirir un régimen laminar; - calentamiento isobaro del fluido que circula por el ramal de alta presión del intercambiador de calor regenerativo (4); hasta alcanzar una temperatura que es Dt grados más baja que la temperatura de salida de un recuperador de energía mecánica post turbina (2), constituido por una bocina prevista en la salida de la turbina; - calentamiento isobaro hasta la más alta temperatura del ciclo, proviniendo el calor de una fuente externa (18, 19); - aceleración isentrópica del fluido emergente del calentamiento en un foco caliente (17); mediante las toberas de entrada en la turbina centrípeta (1), siempre en régimen subsónico, y con Mach cercano a 1 en las partes de mayor velocidad; - deceleración isóbara en el rodete de la turbina de expansión, con transferencia de energía mecánica a su eje, que está conectado mecánicamente con un generador eléctrico (14); - deceleración isentrópica en el dispositivo de recuperación de energía mecánica post turbina, (2) que conecta la salida de la turbina con un ramal de baja presión del intercambiador regenerativo; - enfriamiento isobárico en el ramal de baja presión del intercambiador regenerativo (4); - enfriamiento isobárico en un foco frío, que comprende un intercambiador de calor (6), donde el fluido frío (7), que refrigera al fluido de trabajo, proviene del medio ambiente. 15 - Procedimiento de selección del estado termodinámico de operación de un sistema térmico, según reivindicación 14,caracterizadopor que comprende establecer como presión de operación del circuito cerrado un valor en el que se alcanza el valor máximo del producto de los rendimientos del compresor (11) y de la turbina (1), siempre que dicho valor sea compatible con la permanencia de los componentes mecánicos en el régimen elástico de resistencia de materiales del compresor y turbina. 16 - Procedimiento de selección del estado termodinámico de operación, según reivindicación 15caracterizadopor que cuando los componentes mecánicos de la turbina y compresor son álabes encastrados en la base y libres en la punta, el desplazamiento transversal máximo permitido en la punta del álabe, w, es donde a es el espesor del álabe, y A es la longitud del álabe medido en términos de su espesor, lo que puede expresarse como que dicha longitud es A veces a. 17 - Procedimiento de selección del estado termodinámico de operación, según reivindicación 15,caracterizadopor que: - para aumentar la potencia térmica, dicho procedimiento comprende aumentar la entalpía aportada desde el exterior al intercambiador del foco caliente (17), representada por un valor positivo de la derivada logarítmica de la entalpía aportada, Q, respecto del tiempo, estando definida dicha derivada por la función (1/Q)(dQ/dt), lo cual se acompaña con un valor idéntico de la derivada logarítmica de la diferencia logarítmica media de temperaturas, 5T<lmfc>respecto del tiempo, definida por las temperaturas de entrada T<efc>y salida T<sfc>del fluido de trabajo en el intercambiador del foco caliente (17), y por las temperaturas de entrada (19) y salida (20) del fluido exterior que aporta la entalpía, estando definida esta última derivada logarítmica por la función (1/5T<lmfc>)(d5T<lmfc>/dt) manteniendo al mismo tiempo constantes las temperaturas T<efc>y T<sfc>del fluido de trabajo, y produciendo una aportación de fluido de trabajo al colector del intercambiador del foco caliente (16), de tal modo que el flujo másico m’<fc>de entrada al foco caliente, presente un valor de su derivada logarítmica respecto del tiempo, que sea también igual al valor de la derivada logarítmica de la entalpía Q respecto del tiempo, expresado por la ecuación (1/m’<fc>) • (dm’<fc>/dt)= (1/Q) (dQ/dt) donde para mantener esta igualdad, se emplea un compresor de aporte de fluido (107), y un tanque exterior de alta presión (102), que cuando no tiene suficiente presión, y en caso de que le falte temperatura en el fluido de trabajo almacenado, se activa un calefactor auxiliar (109) incluido en dicho tanque exterior de alta presión (102); y además la presión de salida del compresor (11) se aumenta, incrementando la potencia de su motor eléctrico (13), de tal manera que dicha presión de salida del compresor (11) aumenta la potencia térmica gestionada por el ciclo térmico con un valor de su derivada logarítmica igual al dado para el flujo másico m’<fc>; y - para reducir la potencia, el procedimiento es el opuesto y comprende extraer del colector (16) de entrada al compresor del foco caliente (17), una cantidad de fluido de trabajo, por unidad de tiempo, tal que, dividido por el flujo másico en cada momento, de un valor absoluto igual al de valor absoluto de la derivada logarítmica de la entalpía aportada desde el exterior, al foco caliente (17); donde en caso de que la presión en el tanque exterior de alta presión (102) sea excesiva y no permita la extracción de fluido, comprende abrir una válvula de alivio de presión (105) prevista en dicho tanque de alta presión; y reducir la potencia del motor eléctrico (13) del compresor (11) para obtener una presión en su salida cuya derivada logarítmica (negativa) sea igual a la del flujo másico m’fc, de tal manera que reduce la potencia térmica gestionada por el ciclo térmico, con valores negativos de las derivadas logarítmicas que intervienen. 18 - Procedimiento de selección del estado termodinámico de operación, según reivindicación 14,caracterizadopor que comprende una fase seleccionada entre: - aumentar la velocidad de giro del compresor (11), para proporcionar un mayor flujo másico, y un mayor valor de la razón de presiones, r; permitiendo que el fluido de trabajo extraiga más energía del foco caliente (17), siempre que disponga de ella, y provocando una mayor caída de presión en la turbina (1), para aumentar su trabajo específico, y la potencia generada en el eje de la turbina; y -disminuir la velocidad de giro del compresor, para proporcionar un menor flujo másico, y un menor valor de la razón de presiones, r; permitiendo que el fluido de trabajo introduzca energía el foco caliente (17), y provoque una menor caída de presión en la turbina (1), que disminuye su trabajo específico, y la potencia generada en el eje de la turbina.
