Procedimiento y aparato para la implementación de un nuevo ciclo termodinámico.

El aparato comprende una cámara de combustión (1) para quemar una mezcla de combustible procedente de una fuente de suministro de combustible (2) y aire procedente de un dispositivo de suministro de aire (3), al menos una primera turbina de gas volumétrica (6) accionada por unos gases procedentes de dicha cámara de combustión (1) y conectada operativamente para hacer girar un árbol (5). La turbina (6) está rodeada por una carcasa envolvente (4) comunicada con la cámara de combustión (1) por medio de un conducto de comunicación (21), y el dispositivo de suministro de aire (3) está dispuesto para introducir aire al interior de dicha carcasa envolvente (4), hacer pasar dicho aire alrededor de la turbina (6) con el fin de refrigerarla, e inyectar el aire calentado y a presión procedente de la carcasa envolvente (4) a la cámara de combustión (1) a través de dicho conducto de comunicación (21)

Procedimiento y aparato para la implementación de un nuevo ciclo termodinámico.

Campo de la técnica

La presente invención concierne a un procedimiento y a un aparato para la implementación de un nuevo ciclo termodinámico. El aparato incluye una o más turbinas de gas volumétricas realizando un ciclo termodinámico de alta eficiencia. El procedimiento y el aparato de la presente invención son útiles en diferentes campos de la técnica, entre ellos, por ejemplo, la automoción y la generación de electricidad.

Antecedentes de la invención

Es bien conocido que los motores de combustión interna, tales como, por ejemplo, los motores de pistones alternantes comúnmente usados en la automoción, convierten en trabajo sólo de un 25 a un 30% de la energía calorífica contenida en el combustible. Aproximadamente, el sistema de refrigeración del motor consume un tercio de la energía disponible, y otro tercio de la energía es liberado a la atmósfera con los gases de escape. Ensayos hechos con motores de turbina de gas o motores de combustión interna de pistones rotativos aplicados a la automoción no han dado los frutos esperados referentes a un mayor aprovechamiento de la energía calorífica del combustible.

En una coyuntura económica como la actual, en la que los combustibles derivados del petróleo son cada vez más caros, una pérdida del 70 al 75% de la energía aportada por los mismos representa un despilfarro difícilmente sostenible. Además, el calor liberado a la atmósfera con los gases de escape favorece el calentamiento global, y el CO₂ producido durante la combustión contribuye en gran medida al efecto invernadero. Por ello, existe una necesidad de introducir mejoras en el rendimiento termodinámico de sistemas motores con el fin de conseguir una mayor eficiencia, con un consiguiente ahorro energético y mejoras medioambientales.

La patente EP-A-0247984 describe una turbina gas en la que los gases generados por la combustión en un quemador son enfriados en un generador vapor antes de entrar en la turbina de gas, y el vapor generado es utilizado en una turbina de vapor.

La patente EP-A-0353374 da a conocer una turbina de gas que es utilizada para mover un árbol de potencia y para producir agua caliente como subproducto de la refrigeración.

La patente ES-A-2145248 da a conocer una turbina de gas provista de una válvula para conmutar el paso de aire procedente del compresor desde la entrada del quemador a la entrada de la turbina para evitar un exceso de velocidad en el rotor. En la zona donde se encuentra la válvula, el conducto de aire a presión rodea concéntricamente el conducto de gas que lleva los gases generados en la combustión desde el quemador a la turbina.

La patente GB-A-567661A describe un motor de explosión interna con turbina volumétrica provista de un rotor hueco que proporciona unos conductos por los que se hace circular aire para refrigeración del rotor.

La patente ES-A-2181259, procedente de la patente europea EP-A-1009914, describe un motor de explosión interna con turbina volumétrica que usa un rotor provisto de paletas diametralmente opuestas conectadas rígidamente entre sí formado una corredera deslizable en un pasaje del núcleo del rotor.

La patente ES-A-2138530 describe un motor de explosión interna con turbina volumétrica, donde el rotor incluye unas cámaras para refrigeración del rotor con agua.

Ninguna de las patentes citadas propone un nuevo ciclo termodinámico que proporcione un incremento de la eficiencia lo bastante grande como para hacer viable su incorporación a gran escala, por ejemplo, en motores para la automoción o en la generación de electricidad.

Exposición de la invención

La presente invención consiste en un procedimiento y un aparato para la implementación de un nuevo ciclo termodinámico de alta eficiencia basado en reutilizar el calor que irradian una o más turbinas de gas volumétricas contenidas en una carcasa envolvente.

De acuerdo con un primer aspecto, la presente invención aporta un procedimiento del tipo que comprende los pasos de suministrar combustible procedente de una fuente de suministro de combustible y aire procedente de un dispositivo de suministro de aire a una cámara de combustión, y accionar al menos una primera turbina de gas volumétrica conectada operativamente para hacer girar un árbol mediante unos gases producto de una combustión de dicha mezcla de combustible y aire en dicha cámara de combustión. El procedimiento de la presente invención está caracterizado porque comprende utilizar dicho aire suministrado por dicho dispositivo de suministro de aire para enfriar dicha turbina de gas volumétrica en el interior de un recinto, a consecuencia de lo cual el aire se calienta y aumenta de presión en dicho recinto, e inyectar el aire calentado y a presión al interior de la cámara de combustión para formar parte de dicha mezcla de combustible y aire.

Para una eficiencia todavía mayor, el procedimiento comprende disponer varias turbinas de gas volumétricas adicionales interconectadas en serie en el interior de dicho recinto, estando una de dichas turbinas de gas volumétricas adicionales accionada por unos gases procedentes del escape de la primera turbina de gas volumétrica, y estando cada una de las siguientes turbinas de gas volumétricas adicionales accionada por unos gases procedentes del escape de la turbina de gas volumétrica precedente. Cada una de las turbinas de gas volumétricas adicionales está conectada operativamente para hacer girar dicho primer árbol o al menos un segundo árbol. El procedimiento comprende además disponer el dispositivo de suministro de aire para introducir aire en el interior del recinto a propósito para enfriar todas las turbinas de gas volumétricas alojadas en el mismo y para posteriormente inyectar el aire calentado y a presión procedente del recinto al interior de la cámara de combustión. Preferiblemente, el procedimiento comprende accionar el dispositivo de suministro de aire mediante un trabajo realizado por una o más de las turbinas. El dispositivo de suministro de aire puede estar dispuesto para tomar aire de la atmósfera antes de introducirlo en el recinto y el procedimiento comprende asegurar una presión mínima predeterminada en el aire a presión que es introducido en la cámara de combustión disponiendo una válvula tarada a dicha presión mínima predeterminada en una entrada de aire a la cámara de combustión.

De acuerdo con un segundo aspecto, la presente invención aporta un aparato que comprende una o más turbinas de gas volumétricas accionada por unos gases procedentes de una cámara de combustión preparada para quemar una mezcla de combustible y aire, donde el combustible procede de una fuente de suministro de combustible y el aire es un aire calentado y presurizado procedente de un dispositivo de suministro de aire dispuesto para refrigerar las turbinas. La turbina o las turbinas están rodeadas por una carcasa envolvente comunicada con la cámara de combustión por medio de un conducto de comunicación, y el mencionado dispositivo de suministro de aire es un ventilador dispuesto para introducir una fuerte corriente de aire al interior de dicha carcasa envolvente.

Así, el aire pasa alrededor de las turbinas absorbiendo el calor irradiado por las turbinas y refrigerándolas, con lo que el aire se calienta y, al no poder aumentar de volumen por estar confinado en la carcasa, aumenta de presión. Entonces, el aire calentado y a presión procedente de la carcasa envolvente es inyectado a la cámara de combustión a través de dicho conducto de comunicación. Preferiblemente, en el conducto de comunicación o a la entrada de la cámara de combustión está dispuesta una válvula empujada, por ejemplo por un muelle, hacia su posición cerrada. Cuando el aire impulsado por el ventilador y calentado en el interior de la carcasa alcanza una presión de aproximadamente 300 a 600 kPa, empuja dicha válvula hacia su posición abierta y el aire calentado y a presión penetra a chorro en la cámara de combustión, donde se mezcla con el combustible. En la cámara de combustión, la mezcla es inflamada, por ejemplo por una bujía, produciendo unos gases de combustión que aumentan enormemente de volumen, temperatura, presión y velocidad en relación con el volumen, temperatura, presión y velocidad de la mezcla de aire y combustible. Estos gases procedentes de la combustión son conducidos a las turbinas para mover los rotores de las mismas. En un ejemplo de realización preferido, el ventilador es un ventilador centrífugo movido por una o más de las...

1. Procedimiento para la implementación de un nuevo ciclo termodinámico, del tipo que comprende los pasos de:

suministrar combustible procedente de una fuente de suministro de combustible (2) y aire procedente de un dispositivo de suministro de aire (3) a una cámara de combustión (1);

accionar al menos una primera turbina de gas volumétrica (6) conectada operativamente para hacer girar un árbol (5) mediante unos gases producto de una combustión de dicha mezcla de combustible y aire en dicha cámara de combustión (1);

caracterizado porque comprende:

utilizar dicho aire suministrado por dicho dispositivo de suministro de aire (3) para enfriar dicha turbina de gas volumétrica (6) en el interior de un recinto, a consecuencia de lo cual el aire se calienta y aumenta de presión en dicho recinto; e

inyectar el aire calentado y a presión al interior de la cámara de combustión (1) para formar parte de dicha mezcla de combustible y aire.

2. Procedimiento, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende:

disponer varias turbinas de gas volumétricas adicionales (8, 10, 12) interconectadas en serie en el interior de dicho recinto, estando una de dichas turbinas de gas volumétricas adicionales (8) accionada por unos gases procedentes del escape de la primera turbina de gas volumétrica (6), y estando cada una de las siguientes turbinas de gas volumétricas adicionales (10, 12) accionada por unos gases procedentes del escape de la turbina de gas volumétrica precedente, estando cada una de las turbinas de gas volumétricas adicionales (8, 10, 12) conectada operativamente para hacer girar dicho primer árbol (5) o al menos un segundo árbol (9); y

disponer el dispositivo de suministro de aire (3) para introducir aire en el interior del recinto a propósito para enfriar todas las turbinas de gas volumétricas y para posteriormente inyectar el aire calentado y a presión procedente del recinto al interior de la cámara de combustión (1).

3. Procedimiento, de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque comprende accionar el dispositivo de suministro de aire (3) mediante dicho primer árbol (5) o dicho segundo árbol (9).

4. Procedimiento, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende disponer el dispositivo de suministro de aire (3) para tomar aire de la atmósfera antes de introducirlo en el recinto.

5. Procedimiento, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende asegurar una presión mínima predeterminada en el aire a presión que es introducido en la cámara de combustión (1) disponiendo una válvula (7) tarada a dicha presión mínima predeterminada en una entrada de aire a la cámara de combustión (1).

6. Aparato para la implementación de un nuevo ciclo termodinámico, del tipo que comprende una cámara de combustión (1) preparada para quemar una mezcla de combustible procedente de una fuente de suministro de combustible (2) y aire procedente de un dispositivo de suministro de aire (3), al menos una primera turbina de gas volumétrica (6) accionada por unos gases procedente de dicha cámara de combustión (1) y conectada operativamente para hacer girar un árbol (5), caracterizado porque dicha turbina de gas volumétrica (6) está rodeada por una carcasa envolvente (4) comunicada con la cámara de combustión (1) por medio de un conducto de comunicación (21), y porque dicho dispositivo de suministro de aire (3) está dispuesto para introducir aire al interior de dicha carcasa envolvente (4), hacer pasar dicho aire alrededor de la turbina de gas volumétrica (6) con el fin de refrigerar la turbina de gas volumétrica (6), e inyectar el aire calentado y a presión procedente de la carcasa envolvente (4) a la cámara de combustión (1) a través de dicho conducto de comunicación (21).

7. Aparato, de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque en el interior de dicha carcasa envolvente (4) está dispuesta una segunda turbina de gas volumétrica (8) accionada por unos gases procedentes del escape de la primera turbina de gas volumétrica (6) y conectada operativamente para hacer girar dicho árbol (5) o un segundo árbol (9).

8. Aparato, de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque en el interior de dicha carcasa envolvente (4) están dispuestas varias turbinas de gas volumétricas adicionales (8, 10, 12) interconectadas en serie, estando una de dichas turbinas de gas volumétricas adicionales (8) accionada por unos gases procedentes del escape de la primera turbina de gas volumétrica (6) y cada una de las siguientes turbinas de gas volumétricas adicionales (10, 12) está accionada por unos gases procedentes del escape de la turbina de gas volumétrica adicional (8, 10) precedente, y donde cada una de las turbinas de gas volumétricas adicionales (8, 10, 12) está conectada operativamente para hacer girar dicho primer árbol (5) o al menos un segundo árbol (9).

9. Aparato, de acuerdo con la reivindicación 6, 7 u 8, caracterizado porque dicho primer árbol (5) es un árbol de potencia apto para accionar una carga, y el dispositivo de suministro de aire (3) está conectado operativamente para ser accionado por dicho primer árbol (5).

10. Aparato, de acuerdo con la reivindicación 7 u 8, caracterizado porque dicho primer árbol (5) es un árbol de potencia apto para accionar una carga, y el dispositivo de suministro de aire (3) está conectado operativamente para ser accionado por dicho segundo árbol (9), el cual es un árbol de servicio.

11. Aparato, de acuerdo con la reivindicación 7 u 8, caracterizado porque dicho segundo árbol (9) es un árbol de potencia apto para accionar una carga, y el dispositivo de suministro de aire (3) está conectado operativamente para ser accionado por dicho primer árbol (5), el cual es un árbol de servicio.

12. Aparato, de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque en el conducto de comunicación (21) proporciona una entrada de aire a la cámara de combustión (1) en la que está dispuesta una válvula (7) tarada para asegurar una presión mínima predeterminada en el aire a presión que entra en la cámara de combustión (1).

13. Aparato, de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque dicho dispositivo de suministro de aire (3) está seleccionado a partir de un grupo que incluye un ventilador axial y un ventilador excéntrico o tangencial, entre otros.

14. Aparato, de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizado porque el dispositivo de suministro de aire (3) está dispuesto para tomar aire de la atmósfera.

15. Aparato, de acuerdo con la reivindicación 6, 7 u 8, caracterizado porque dicha turbina de gas volumétrica (6, 8, 10, 12) está seleccionada a partir de un grupo que incluye una turbina de doble rotor derivada del compresor Roots y una turbina de rotor excéntrico con paletas correderas, entre otras.

16. Aparato, de acuerdo con la reivindicación 15, caracterizado porque dicha turbina de rotor excéntrico con paletas correderas comprende una cámara (13) provista de una entrada de gases (14) y una salida de gases (15), y un rotor (16) formado por un núcleo (17) conectado a dicho árbol (5, 9) y unas paletas diametralmente opuestas (30, 31) conectadas rígidamente entre sí formando una corredera montada para correr dentro de un pasaje transversal (18) existente en dicho núcleo (17), de manera que unos extremos de dichas paletas diametralmente opuestas (30, 31) hacen permanentemente un contacto dinámico de hermeticidad con una superficie interior (19) excéntrica de dicha cámara (13) al girar el rotor (16) dentro de la cámara (13), estando formados en el núcleo (17) uno o más pasajes longitudinales (20) en comunicación con un espacio interior de la carcasa envolvente (4) para permitir el paso del aire que circula a través de la carcasa envolvente (4) con el fin de refrigerar el rotor (16).