Reivindicaciones
1. REIVINDICACIONES 1 - Ciclo Brayton con refrigeración ambiental próxima a la isoterma crítica T <Cr>del fluido de trabajo, que evoluciona en un ciclo cerrado entre una presión de baja P <b>y una presión de alta P <a>, mayor que la de baja, y comprende: - una fase de expansión que se efectúa en una máquina expansora (1); - un enfriamiento regenerativo, que tiene lugar en el lado de baja presión de un intercambiador de calor regenerativo (7); - una refrigeración exterior en un foco frío con su refrigerador (13), siguiendo en la línea isóbara de baja presión; - una compresión en un compresor (17) hasta la isóbara de alta presión; un calentamiento regenerativo, que tiene lugar en el lado de alta presión del intercambiador de calor regenerativo (7); - y una aportación de calor a alta presión, proveniente de un foco calorífero (9) exterior, al final de la cual el fluido de trabajo alcanza su temperatura máxima en el ciclo, T <M>; realizándose dicha refrigeración del foco frío con un fluido exterior a temperatura T <r>característica del sumidero último de calor que ofrece el medio ambiente, y siendo AT <t>la Diferencia Terminal de Temperatura en el refrigerador del foco frío, o diferencia entre la temperatura mínima del fluido de trabajo T <n>en el ciclo y la temperatura ambiente T <r>, caracterizado por que: - la temperatura crítica T <Cr>del fluido de trabajo seleccionado para el ciclo es menor que la suma T <r>más ΔΤ <4>, denominándose a esta suma T <n>, que es la temperatura mínima del fluido de trabajo en el ciclo; - la presión de la línea isóbara de baja, P <b>, debe ser simultáneamente: - mayor que la décima parte de la presión crítica P <Cr>del fluido de trabajo seleccionado, - menor que la presión crítica P <Cr>del fluido de trabajo seleccionado; - y la presión de la línea isóbara de alta, P <a>, debe ser simultáneamente: mayor que la quinta parte de la presión crítica Per del fluido de trabajo seleccionado, menor que cinco veces la presión crítica P <Cr>del fluido de trabajo seleccionado, cumpliendo el fluido de trabajo seleccionado que, dentro del recinto termodinámico comprendido entre las temperaturas T <n>y T <M>, y las presiones seleccionadas de baja, P <b>y de alta, P <a>, el valor medio, entre T <n>y T <M>, del calor específico a presión constante, C <p>, para una isóbara, aumenta al aumentar la presión. 2 - Ciclo Brayton con refrigeración ambiental próxima a la isoterma crítica T <Cr>del fluido de trabajo según reivindicación 1 , caracterizado por que: - la entrada al compresor (17) está definida por la temperatura mínima del fluido de trabajo, T <n>, y la presión de la línea isóbara de baja, P <b>, lo que proporciona un estado termodinámico inequívoco al que corresponde una entropía S <c>, cuya línea isentrópica está caracterizada por un coeficiente fenomenológico k, que liga la razón entre las temperaturas de salida, T105, y de entrada T104, en el compresor, con la razón de compresión, c, según la ley (T105/T104) = c <(k>- <)/k>; - la entrada a la máquina expansora (1) está definida mediante la selección de la isóbara de alta, P <a>, que es igual al producto de la isóbara de baja por la razón de compresión c; y el valor T <M>de máxima temperatura alcanzada por el fluido de trabajo en el foco caliente, lo que proporciona un estado termodinámico inequívoco al que corresponde una entropía S <t>, cuya línea isentrópica está caracterizada por un cociente entre calores específicos a presión constante y a volumen constante, γ; definiéndose un cociente ψ como: Ψ = (k -1)γ/(γ -1)k lo que define un ciclo en el que se anula el intercambio de calor regenerativo, y se tiene que la temperatura del fluido a la salida del compresor (17), y la temperatura del fluido a la salida de la máquina expansora (1), coinciden, llamándose T <a>a dicho valor, como temperatura de ajuste, la cual queda definida por el valor de las isotermas T <n>y T <M>según la expresión: Τ <3>= ( Τ <Μ> <ψ>·Τ <η>) <1/(1+ψ)>y la razón de compresión, c <ar>, que se aplica en las máquinas de este ciclo ajustado real es: C <ar>= (T <M>T <N>) <1>^ - ^ <)>W 3 - Ciclo Brayton con refrigeración ambiental próxima a la isoterma crítica T <Cr>del fluido de trabajo según reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el ciclo está limitado por los valores mínimo T <n>y máximo T <M>de la temperatura del fluido de trabajo, quedando los ciclos regenerativos ideales identificados por la razón de compresión usada, que debe ser simultáneamente mayor que 1 y menor que c <a>, siendo esta última c <a>= (T <M>Tr <n>)^- <1)> y definiéndose una función de utilidad ideal L como: L = (Q - E) / ( (1+a) Q + (1+b) E + G) donde: - el numerador es la potencia neta generada en el ciclo, que es la entalpia añadida en el foco caliente (Q) menos la entalpia extraída en el foco frío (E); - y el denominador es la suma las tres variaciones de entalpia: a) en la fase de calentamiento y la expansión (Q), b) en la fase de de enfriamiento y compresión (E) y c) en la fase de intercambio regenerativo (G), donde: <img class="EMIRef" id="179669151-imgf000047-0001" /> - E = C <p>(T <n>x - T <n>) - G = C <P>(T <M>/X - T <n>x); siendo "a" y "b" factores de ponderación elegidos en función de la maquinaria a emplear, a > 1 , b > 1 , y "x" un parámetro dado por x = c <(Y"1)/Y> de manera que existe un valor óptimo de la razón de compresión, c <max>, que maximiza la función de utilidad ideal L, y corresponde a: r — y Y' <(>Y" <1)>donde x <max>depende de los factores de ponderación "a" y "b" elegidos en función de la maquinaria a emplear, y de la razón de temperaturas r definida como el cociente entre T <M>y T <n>, de manera que: x <max>=((2(a+b) +(4(a+b) <2>- 4(1+a+b - (1/r)) (1+a+b - r)) <1/2>/2(1+a+b - (1/r)). 4 - Ciclo Brayton con refrigeración ambiental próxima a la isoterma crítica T <Cr>del fluido de trabajo según reivindicaciones anteriores, caracterizado por que en la zona de evolución del ciclo, el fluido de trabajo seleccionado tiene su calor específico a presión constante en la isóbara de alta, C* <p>, mayor que el calor específico a presión constante en la isóbara de baja, C' <p>; y el fluido de trabajo se selecciona de entre aquellos que satisfacen la expresión: x' -x < (1 - R) ((r/x) - 1) donde: X = c <(Y>- <1)/Y> χ. _ <c>(k-1)/k R <=>C'p/C*p r = T <M>/T <n>siendo k el coeficiente fenomenológico que liga la razón entre las temperaturas de salida, T105, y de entrada T104, en el compresor, con la razón de compresión, c, según la ley (T105m04) = c <(k>- <1) k>. 5 - Ciclo Brayton con refrigeración ambiental próxima a la isoterma crítica T <Cr>del fluido de trabajo según reivindicaciones precedentes, caracterizado por que se delimita una zona peri-crítica en un dominio de temperaturas que abarca desde la temperatura crítica T <Cr>mas un incremento de delimitación, ΔΤ, seleccionado entre 1 K y 40 K, y una temperatura fin de zona, T <f>¡ <n>cuyo valor se selecciona entre 1 ,5 veces Tc <r>y 3 veces T <Cr>, medida siempre en escala absoluta de temperaturas; quedando dicha zona-pericrítica delimitada en presión entre las isóbaras de una quinta parte de la presión crítica, P <Cr>, y cinco veces dicha presión crítica, aunque este valor máximo de delimitación puede reducirse por consideraciones mecánicas; existiendo en dicha zona peri-crítica una isóbara denominada suprema, representada por su presión P <sup>, en la cual la derivada del valor medio de C <p>en esa isóbara, respecto de la razón de compresión medida respecto de la presión crítica, adquiere el valor más elevado de todas las isóbaras de esa zona; siendo esta isóbara suprema la isóbara que se selecciona como la isóbara de alta del ciclo; fijando la isóbara de baja por proporcionar el máximo de una función de utilidad real, que corresponde a una razón en la que el numerador es el trabajo específico neto del ciclo, medido como incremento de entalpia específica en el foco caliente, menos la entalpia específica cedida en el foco frío; y el denominador es la suma de los valores absolutos de la variación de entalpia específica de cada fase, ponderados con unos coeficientes, seleccionados en la aplicación de la invención que se trate, que evalúan el coste unitario de cada tipo de componente usado en cada fase; admitiendo en esta prescripción que no existen impedimentos mecánicos en contra de tomar la isóbara suprema como isóbara de alta; y en caso de no poderse admitir ese valor P <sup>por excesivo, se fija la isóbara de alta en el máximo valor tolerado en la aplicación en cuestión, y se maximiza la función de utilidad real según se ha definido; lo cual se materializa con las variaciones de entalpia específica, en valor absoluto, que se producen en la aportación de calor en el foco caliente (Q); la extracción de calor en el foco frío (E); el calor intercambiado en el intercambiador regenerativo (G); y la variación total de entalpia en las máquinas, (M), sumando los valores absolutos de compresión y de expansión; a lo cual se añade un peso de ponderación m para M; y un peso de ponderación g para G y para E, asignando a Q el peso unitario, de modo que m representa el coste relativo de manejar un Julio de energía en las máquinas, en relación con aportar un Julio en el foco caliente; y similarmente g representa en términos relativos lo que cuesta intercambiar un Julio en un intercambiador, siendo F la función de utilidad real definida como F = (Q - E)/(m M + g-G + g-E +Q) = η/( m (M/Q) + g (G/Q) + g (1- n) +1). 6 - Ciclo Brayton con refrigeración ambiental próxima a la isoterma crítica T <Cr>del fluido de trabajo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que el calor aportado en el foco calorífero (9) procede de alguna de las siguientes fuentes: - una instalación de captación de energía termosolar, - de origen geotérmico, - de cualquier tipo de combustión, - de reacciones y radiaciones nucleares, - del calor cedido de un ciclo Brayton de temperatura más alta, en su rama fría, que la temperatura del foco calorífero (9) de este ciclo.
