Resumen
Device for power generation according to a regenerative and balanced brayton-rankine hybrid cycle and its method of use, comprising a heat supply equipment (8), an expander (1), a regenerator (2) and a compressor (6) configuring a brayton cycle; a capacitor (11) and a drive pump (14) forming a rankine cycle; so that by the heat supply equipment and the regenerator, in its secondary circuit, cooling circulates a mass flow of fluid that is divided in two at its output, one called the main flow that follows the rankine cycle and another called flow balancer that runs through the brayton cycle, regenerating the liquid of the main flow after passing through the condenser and the pump, and that joins with the balancer after passing through the compressor, to complete the cycles, selecting the amount of flow balancer so that the regenerator is thermally balanced. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)
Reivindicaciones
1. 1. Dispositivo para generación de energía mecánica según un ciclo híbrido Brayton-Rankine regenerativo y equilibrado que comprende: 2. - un fluido de trabajo condensable, para el que se define el punto pseudo-crítico de una isóbara supercrítica como el punto de mayor calor específico a presión constante, Cp, de la isóbara, siendo este valor de Cp infinito en el punto crítico, y descendiendo su valor conforme aumenta la presión; 3. - un equipo de expansión (1) del fluido de trabajo en fase gaseosa; 4. - un intercambiador de calor, tipo regenerador (2) , con dos circuitos, el primario (3) que recibe calor y el secundario (4) que lo cede; 5. - un elemento de división de caudal (5) que divide el flujo total de entrada en dos, denominados flujo principal y flujo equilibrador; 6. - un equipo para la compresión (6) del fluido en fase gaseosa cuyo eje (15) puede estar unido mecánicamente o solidariamente al equipo expansor (1) o no; 7. - un equipo para la condensación (11) del fluido, refrigerado por un fluido refrigerante como puede ser aire, agua 8. o cualquier otro, cuya temperatura a la entrada del equipo está marcada por el ambiente y se denomina Tamb; 9. - una bomba de impulsión (14) para circular y presurizar el fluido en fase líquida; 10. - un equipo de aporte de calor principal (8) al fluido alimentado térmicamente por un fluido calorífero que proviene de una fuente térmica y que puede ser el propio fluido de trabajo del ciclo; 11. - un elemento de unión de caudales (7) ; 12. - y un elemento transmisor o transformador de la potencia mecánica producida como puede ser un eje o un generador eléctrico (16) , entre otros; 13. y en el que se conectan los componentes anteriores de la siguiente forma: 14. - el conducto o colector de salida del equipo de aporte de calor principal (8) se conecta a la entrada del equipo de expansión (1) ; 15. - la salida del equipo de expansión (1) se conecta al regenerador (2) por la entrada de su circuito secundario (4) ; 16. - la salida del equipo de condensación (11) se conecta con la entrada a la bomba de impulsión (14) ; 17. - la salida de la bomba de impulsión (14) se conecta con el regenerador (2) por la entrada de su circuito primario (3) ; 18. caracterizado por que: 19. - la salida del circuito secundario (4) del regenerador (2) se conecta al elemento de división de caudal (5) , que divide el caudal en dos: el flujo principal y el equilibrador; 20. - y la salida de flujo principal del elemento de división de caudales se conecta con el equipo de condensación (11) ; 21. - y la salida del flujo equilibrador del elemento de división de caudales (5) se conecta con la entrada del equipo de compresión (6) ; 22. - y la salida del equipo de compresión (6) se conecta con la salida del circuito primario (3) del regenerador (2) a través del elemento de unión de caudales (7) ; 23. - y la salida del elemento de unión de caudales (7) se conecta con la entrada o colector de entrada del elemento de aporte de calor principal (8) ; 24. 2. Procedimiento de uso del dispositivo para generación de energía mecánica según un ciclo híbrido Brayton-Rankine regenerativo y equilibrado, caracterizado por que las especificaciones termodinámicas a las que se ajusta su operación son que: 25. - la temperatura de condensación de consigna Tmin es la correspondiente a un estado de saturación con una presión Pmin inferior a la presión crítica del fluido y cuyos valores de entropía específica de líquido y vapor saturado se denominan sliq y svap respectivamente y las entalpías específicas de líquido y vapor saturado hliq y hvap respectivamente y se selecciona de forma que la temperatura Tmin es mayor a la temperatura del refrigerante exterior del condensador, marcada por el ambiente Tamb; 26. - la presión absoluta en la impulsión de la bomba, Pimp, es supercrítica y es mayor que la presión de la isóbara cuyo punto pseudo-crítico presenta un valor del Cp tres veces mayor que el Cp del líquido medido en condiciones de salida de la bomba, definiéndose el punto pseudo-crítico de una isóbara supercrítica como el punto de mayor Cp de la isóbara; 27. - la temperatura absoluta del fluido principal a la salida circuito primario de regeneración, Treg, es igual o superior hasta en un 10% a la temperatura absoluta correspondiente al estado termodinámico con presión Pimp y entropía específica svap; 28. - en el regenerador la tasa de paso de capacidad calorífica, o producto del calor específico medio por el caudal másico de cada una de las dos corrientes, son iguales entre sí, por lo que está equilibrado, especificándose que la proporción de caudal másico equilibrador se prescribe por 29. mequilibrador / mtotal = (1 - cp, secundario / cp, primario) 30. siendo mequilibrador el caudal másico equilibrador, mtotal el caudal másico total, cp, secundario el calor específico a presión constante medio durante el enfriamiento de caudal total y cp, primario el calor específico a presión constante medio durante el calentamiento del caudal principal en el circuito primario, ambos en el regenerador, quedando determinado el caudal principal con la ecuación 31. mprincipal = mtotal - mequilibrador 32. siendo mprincipal el caudal másico principal; 33. - estableciéndose la diferencia terminal de temperaturas en el regenerador en un valor mayor que 0 K y menor que 35 K, lo que determina la temperatura del gas a la salida del equipo expansor (1) y entrada al secundario 34. (4) del regenerador (2) , siendo la temperatura del fluido en ese punto el valor de Treg más la diferencia terminal seleccionada, y cuya entropía, correspondiente a ese estado termodinámico, se denomina smax, y la generación de entropía en la expansión se denomina Δs, siendo la diferencia smax -Δs la entropía del vapor a la entrada a la turbina y siendo la presión en este punto de entrada a la turbina igual a la de impulsión de la bomba menos las pérdidas de carga en el circuito termohidráulico, por lo que ambas magnitudes, entropía y presión, determinan unívocamente la temperatura de entrada a la turbina, Tmax. que se selecciona en el equipo principal de aportación de calor; 35. - y quedando determinados, con todas las anteriores prescnpc1ºnes, los estados termodinámicos de todos los puntos de entrada y salida de los equipos y, consecuentemente, las entalpías correspondientes a cada uno de ellos. 36. 3. Dispositivo para generación de energía mecánica según un ciclo híbrido Brayton-Rankine regenerativo y equilibrado según reivindicación primera y cuyo fluido de trabajo presenta un valor de R/Cp mayor que 1/16, siendo R la constante característica del gas y Cp el calor específico a presión constante medido a dos veces la temperatura absoluta crítica del fluido y a una milésima parte de su presión absoluta crítica, caracterizado por que el elemento divisor de caudal se integra en el propio condensador, que se dispone con tres vías (17) por tener: 37. - una boca o colector de entrada de vapor previo al propio cambiador de calor del condensador, 38. - un sistema de recogida o aspiración de vapor (19) en la parte superior, 39. - el sistema clásico de recogida de condensado (18) en la parte inferior que colecta dicho condensado o caudal principal y lo dirige a la bomba de impulsión (14) . 40. 4. Procedimiento de uso del dispositivo para generación de energía mecánica según un ciclo híbrido Brayton-Rankine regenerativo y equilibrado según reivindicación segunda y con elemento divisor de caudal integrado o no 41. integrado en el condensador, caracterizado por que las entalpías específicas del caudal equilibrador a la salida del compresor (6) y del caudal principal a la salida del circuito primario (3) del regenerador difieren en menos de un 2% respecto del valor dado por el producto de R y la temperatura crítica en valor absoluto en unidades físicas coherentes. 42. 5. Dispositivo para generación de energía mecánica según un ciclo híbrido Brayton-Rankine regenerativo y equilibrado según reivindicaciones primera o tercera, caracterizado por que en una variante de montaje se incorpora una válvula de laminación (20) a la salida del circuito primario (3) del regenerador (2) que reduce la presión del caudal principal de fluido tras la regeneración y antes de que se mezcle con el caudal equilibrador, para lo que se conecta la salida del circuito primario (3) con la entrada de la válvula de laminación (20) y la salida de la válvula de laminación (20) con la entrada de fluido primario del elemento de unión de corrientes (7) . 43. 6. Procedimiento de uso del dispositivo para generación de energía mecánica según un ciclo híbrido Brayton-Rankine regenerativo y equilibrado según reivindicación segunda o cuarta, y que incorpora una válvula de laminación a la salida del circuito primario del regenerador, caracterizado por que la presión de aporte de calor principal, ahora denominada Pq, menor que la presión de impulsión, Pimp, y mayor que la media geométrica de Pimp y Pmin· 44. 7. Dispositivo para generación de energía mecánica según un ciclo híbrido Brayton-Rankine regenerativo y equilibrado según reivindicaciones primera, tercera o quinta caracterizado por que, en una variante de montaje, la expansión se realiza en dos etapas, con un recalentamiento intermedio hasta la misma Tmax a una presión intermedia pmed, para lo cual: 45. - el equipo de expansión incluye dos cuerpos de expansión (21 y 22) del vapor y un segundo circuito de calentamiento (23) en el equipo de aporte de calor principal (8) ; 46. - se conecta la salida del primer circuito de calentamiento principal (9) a la entrada del primer cuerpo expansor (21) , la salida del primer cuerpo expansor (21) a la entrada del segundo circuito de calentamiento principal (23) , la salida de este segundo circuito (23) a la entrada del segundo cuerpo expansor (22) , y la salida de este último a la entrada del circuito secundario (4) del regenerador (2) . 47. 8. Procedimiento de uso del dispositivo para generación de energía mecánica según un ciclo híbrido Brayton-Rankine regenerativo y equilibrado según reivindicaciones segunda, cuarta o sexta, y con expansión en dos etapas con calentamiento intermedio caracterizado por que se selecciona la presión intermedia pmed de forma que la potencia que proporcionan ambos cuerpos del elemento expansor no difiera en más de un 20%.
