Reivindicaciones
1. REIVINDICACIONES 2. 1 – Proceso cíclico termodinámico con turbina y compresor de gas, con aportación de calor por fuente exterior, donde el ciclo trabaja entre una isóbara de menor presión, o isóbara baja, que está a P0, y una isóbara alta, o de mayor presión, P1, existiendo: 3. imagen2 una fase de compresión, en la que un compresor aspira el fluido en su punto de menor entalpía específica de todo el ciclo, a presión P0 y temperatura T0, y lo eleva de presión a lo largo de una evolución isentrópica, hasta P1, saliendo del compresor con una temperatura Tc, que está ligada a T0 a través de que su cociente (Tc/T0) es igual a r imagen3 , siendo r el cociente de presiones (P1/P0) y 4. imagen4 el exponente térmico de la compresión; 5. imagen5 siguiendo una fase de calentamiento en la cual actúan sucesivamente dos tipos de fuentes de calor, que son 6. imagen6 el propio fluido, en otra fase del ciclo, en la que está más caliente, que es a la salida de la turbina, llevándose a cabo por tanto una fase térmicamente regenerativa, que en esta fase de calentamiento llega hasta una temperatura Ta que está por debajo de la temperatura de salida de la turbina, Tt, en una cantidad que se denomina diferencia terminal superior de temperatura, Dtst, cuyo valor está entre 0,001 K y la diferencia de temperaturas entre la salida de la turbina y la salida del compresor, y como referencia de la invención se toma el valor de 10 K; 7. imagen7 la fuente externa de aportación del calor al fluido de trabajo, con la que el fluido se calienta hasta TM, que es la temperatura máxima que alcanza el fluido de trabajo, seleccionando la procedencia de dicho calor entre la combustión de un combustible en una cámara de combustión exterior al circuito cerrado del fluido de trabajo, u otra fuente de calor como la solar térmica, transfiriendo el calor generado al fluido de trabajo, a través de un intercambiador de calor denominado calentador; 8. imagen8 una fase de expansión, desde el punto de máxima entalpía específica del ciclo, en el cual el fluido de trabajo está a presión P1 y temperatura TM, evolucionando isentrópicamente hasta la presión P0, saliendo de la turbina 9. o máquina expansora, donde se realiza esta fase, con una temperatura Tt; 10. imagen9 siguiendo una fase de enfriamiento en la cual concurren dos tipos de acciones refrigeradoras, que son 11. el propio fluido, en otra fase del ciclo en la que está más frío, que es a la salida del compresor, y que se realiza en un intercambiador de 5 calor regenerativo enfriándose el fluido hasta una temperatura Tb que está por encima de la temperatura Tc de salida del compresor, en una cantidad denominada diferencia terminal inferior de temperatura, representada por Dtit, cuyo valor está entre 0,001 K y la diferencia de temperaturas entre la salida de la turbina y la salida del 12. 10 compresor, y como referencia de la invención se toma el valor de 10 K; el sumidero exterior de refrigeración, que enfría el fluido hasta T0 13. caracterizado por que las prescripciones que cumplen las variables del ciclo son: 14. el cociente entre las temperaturas máxima y mínima del fluido, TM/T0, ha de 15. 15 ser mayor que la razón de compresión r, correspondiente al cociente P1/P0, elevada a la suma de los exponentes térmicos en las evoluciones isentrópicas de compresión y expansión, lo cual equivale a establecer que la temperatura de salida de la turbina, Tt es mayor que la temperatura de salida del compresor, Tc; 16. 20 las presiones de las isóbaras de baja, P0 y de alta P1 se fijan porque la entalpía específica ganada por el fluido de trabajo, al descender por la isoterma de salida del compresor, desde P1 a P0, en un proceso virtual que no forma parte real del ciclo, es menor que el trabajo específico del compresor, lo cual se explicita como 17. 25 donde fp0 es el factor logarítmico de dilatación isóbara del fluido de trabajo para la temperatura de salida del compresor y una presión que sea la media geométrica de P0 y P1, y Vc0 es el volumen específico del fluido a dicha temperatura de salida del compresor, y a dicha media geométrica de presiones. 18. 30 2 – Proceso cíclico termodinámico con turbina y compresor de gas, con aportación de calor por fuente exterior, según reivindicación 1, caracterizado por que para las 19. siendo 20. una diferencia de temperaturas cuyo valor cabe seleccionar entre 0,1 ºC y 100 ºC, siendo 10 ºC el valor considerado como referencia en esta invención. 21. 5 22. 3 – Proceso cíclico termodinámico con turbina y compresor de gas, con aportación de calor por fuente exterior, según reivindicación primera o segunda, caracterizado por que el valor óptimo de la razón de compresión se determina por hallar el valor del factor de regeneración, m, a partir del cociente de Carnot del caso, µ, que se factoriza 23. 10 en tres factores, correspondientes a las fases de compresión, regeneración y expansión, según la ecuación siguiente, en la que se diferencia entre la razón de compresión, r, en el compresor, y r’, en la turbina, 24. siendo r’<r por razones de pérdida de carga manométrica a lo largo de todo el circuito del fluido de trabajo, lo cual es función fundamentalmente del valor del factor de regeneración, m, pues a mayor valor de la entalpía que ha de ser regenerada, mayor pérdida de carga, lo cual se valora en esta invención mediante un coeficiente reductor, 25. , de tal modo que r’= 26. ·r teniendo 27. la siguiente dependencia con m, 28. a partir de lo cual se modifica la ecuación del rendimiento simplificado, sin contabilizar la pérdida de carga, y asumiendo gas ideal, que es 29. para obtener el rendimiento realista 30. que se ha de maximizar respecto de m, que es la variable independiente, adoptando para m el valor que maximiza el rendimiento realista, con una tolerancia de 25 ± 20% en m. 31. 4 – Proceso cíclico termodinámico con turbina y compresor de gas, con aportación de calor por fuente exterior, según reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el fluido de trabajo se selecciona entre sustancia pura o mezcla de sustancias, escogidas de tal forma que su calor específico a presión constante, a la presiones y temperaturas de interés, cumpla los requisitos de que Cx sea menor que Gx en el proceso de compresión; y de que Cx de la isóbara baja, en el proceso de regeneración, a una temperatura T, sea igual al Cx de la isóbara alta a una temperatura T- T, siendo T una diferencia de temperaturas cuyo valor cabe seleccionar entre 0,1 ºC y 100 ºC, siendo 10 ºC el valor considerado como referencia, y cumpliéndose la igualdad antedicha con una tolerancia de ± 20%. 32. 5 – Proceso cíclico termodinámico con turbina y compresor de gas, con aportación de calor por fuente exterior, según reivindicación primera, caracterizado por que el sistema trabaja con contenido total constante, de fluido, y en funcionamiento, en el sistema habrá que distinguir al menos cuatro secciones: el circuito de alta, la turbina, el circuito de baja, y el compresor, y cada uno de ellos habrá de cumplir: 33. la ecuación de estado, en cada punto termodinámico, y en el total de la sección, con valores promedios en las variables intensivas, y 34. la ecuación de continuidad de masa; y respecto de una sección cualquiera, genéricamente llamada i, se puede escribir: 35. donde Vi es el volumen de cada sección; y su vez, cada sección se puede subdividir en compartimentos consecutivos, según se requiera afinar en la descripción de P y T, y como promedios en las máquinas, donde hay fuerte variación de P y T, se puede tomar la media geométrica de cada variable, entre la entrada y la salida del compartimento; y por lo que corresponde a la ecuación de continuidad, se puede escribir M’i=constante, siendo M’ el gasto másico, cumpliéndose en cada sección: 36. donde i es el tiempo de paso por la sección i, pudiéndose aplicar la ecuación anterior a las cuatro secciones, a, de alta, t de turbina, b de baja, y c de compresor, de modo que 37. donde M es la masa total de inventario para cumplir las especificaciones nominales, y 38. el tiempo de recorrido total del ciclo 39. siendo V el volumen total del sistema; y cuando el sistema esté en condiciones de parada, a temperatura uniforme T’, la presión P’ que alcanzará será 40. 6 – Dispositivo para la realización de un proceso cíclico termodinámico con turbina y compresor de gas, con aportación de calor por fuente exterior, según cualquiera de las reivindicaciones primera a quinta, caracterizado por que dicho dispositivo sobre el 41. 10 que se realiza el ciclo termodinámico comprende una sucesión de equipos en los que tienen lugar procesos a lo largo de los cuales, y a lo largo del tiempo, se mantiene constante el contenido total de fluido de trabajo, si se selecciona la opción de inventario de fluido fijo, siendo los equipos: 42. -una turbina de gas (1), cuyo escape (2) se conecta con la entrada del circuito 15 de baja presión (3) del intercambiador regenerativo (4); 43. -un intercambiador de calor regenerativo (4), que integra una sección del circuito de baja presión (3), del circuito que recorre el fluido de trabajo, y en contracorriente una sección del circuito de alta presión; y en este circuito de alta presión, la fase de calentamiento en este regenerador llega hasta una temperatura Ta 44. 20 que está por debajo de la temperatura de salida de la turbina, Tt, en una cantidad que se denomina diferencia terminal superior de temperatura, Dtst, cuyo valor está entre 0,001 K y la diferencia de temperaturas entre la salida de la turbina y la salida del compresor, y como referencia de la invención se toma el valor de 10 K; enfriándose el fluido en el circuito de baja presión hasta una temperatura Tb que está por encima de 45. 25 la temperatura Tc de salida del compresor, en una cantidad denominada diferencia terminal inferior de temperatura, representada por Dtit, cuyo valor está entre 0,001 K y la diferencia de temperaturas entre la salida de la turbina y la salida del compresor, y como referencia de la invención se toma el valor de 10 K; 46. -un sumidero de calor (7) conectado a la salida (5) del circuito de baja presión 47. (3) del intercambiador regenerativo (4), estando dicho sumidero de calor (7) refrigerado, contando con una entrada (9) y una salida (10) de refrigerante exterior; 48. - un compresor (11), cuya entrada está conectada a la salida (8) del fluido de trabajo del sumidero de calor (7), y cuya salida de compresor está conectada a la entrada del circuito de alta presión del intercambiador de calor regenerativo (4); 49. - un foco caliente (17), alimentado térmicamente desde el exterior, y en el cual entra el fluido de trabajo, en su circuito de alta presión, desde el intercambiador de calor regenerativo (4), y cuya salida (18) está conectada a la entrada a la turbina de gas (1). 50. 7 – Dispositivo para la realización de un proceso cíclico termodinámico con turbina y compresor de gas, con aportación de calor por fuente exterior, según la reivindicación sexta, caracterizado por que la materialización de la invención se selecciona entre hacerla con contenido constante a lo largo del tiempo, sin variar la masa de fluido contenida en el circuito cerrado del sistema, o con contenido variable de fluido de trabajo en el circuito, en función de las condiciones de operación; y en caso de seleccionar inventario variable de fluido durante la operación, se dispone de una válvula de extracción de fluido a baja presión, antes de la succión del compresor, y una inyección de fluido, controlable con válvula, conectada a un depósito de presión superior a la del circuito en ese punto. 51. 8 – Dispositivo para la realización de un proceso cíclico termodinámico con turbina y compresor de gas, con aportación de calor por fuente exterior, según cualquiera de las reivindicaciones sexta o séptima, caracterizado por que el accionamiento del compresor se selecciona entre efectuarse mecánicamente desde el eje de la turbina, o activado por motor eléctrico, cuya alimentación puede seleccionarse de diversa procedencia. 52. 9 – Dispositivo para la realización de un proceso cíclico termodinámico sin condensación del fluido y con prescripciones acotadas sobre sus puntos de mínima y 53. según cualquiera de las reivindicaciones sexta o séptima, y octava, caracterizado porque en el caso de mantener constante el contenido del fluido de trabajo en el interior del dispositivo, su operación se regula, al menos, por la aportación de calor a través del calentador, o foco caliente, y la extracción de calor a través del foco frío; y en caso de seleccionarse accionamiento del compresor por motor eléctrico, también se regula el sistema por la potencia dada al compresor, y sus revoluciones.
