Ciclo Brayton con refrigeracion ambiental próxima a la isoterma crítica.

Ciclo Brayton con refrigeración ambiental próxima a la isoterma crítica.

Ciclo cerrado regenerativo, cuya temperatura mínima del fluido de trabajo es a su vez próxima a la temperatura crítica, pero superior a ella, y próxima a la temperatura ambiente usada para refrigeración del foco frío; seleccionándose el valor de la isóbara de alta en coincidencia con la denominada isóbara suprema, que presenta el máximo valor medio de calor específico a presión constante, dentro de la zona peri-crítica, por encima de la isoterma crítica, y delimitada en presión entre un quinto y cinco veces la presión crítica, fijando la isóbara de baja por proporcionar el máximo de una razón en la que el numerador es el trabajo específico, y el denominador es la suma de los valores absolutos de la variación de entalpía específica de cada etapa del ciclo.

CICLO BRAYTON CON REFRIGERACIÓN AMBIENTAL

PRÓXIMA A LA ISOTERMA CRÍTICA

SECTOR DE LA TÉCNICA

La invención se refiere a un ciclo termodinámico que evoluciona según un

5 ciclo Brayton, en el que se tiene especialmente en cuenta la temperatura del

foco caliente y la del foco frío, que es el medio ambiente, bien la hidrosfera, bien

la atmósfera. Su uso resulta de interés relevante en la industria energética,

particularmente cuando el foco calorífico es de temperaturas reducidas respecto

de lo habitual en las centrales de combustión química. Ello hace que sea

1 O especialmente aplicable a la energía termosolar o a la geotérmica. También

puede ser aplicable como ciclo de baja temperatura que recoja el calor

excedente de un ciclo de alta temperatura.

PROBLEMA TÉCNICO A RESOLVER Y ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

15 En el estado de la técnica son ampliamente conocidos los ciclos

termodinámicos de tipo Brayton (también llamado Joule-Brayton) . Los

antecedentes de este ciclo se encuentran en la patente estadounidense US 125

166 A, solicitada por George B. Brayton en 1872. En este documento se

presentó la evolución de un fluido en una máquina de pistón; el ciclo ideal

20 consiste en: 1) la compresión isentrópica de un fluido, 2) aporte de calor a

presión constante, 3) expansión isentrópica del fluido, y 4) cesión de calor a

presión constante hasta volver a las condiciones iniciales. El ciclo de Brayton ha

sido usado con gran profusión en aplicaciones energéticas, siendo la base

teórica de las turbinas de gas.

25 En el estado de la técnica se conocen ciclos termodinámicos para

obtención de potencia que emplean fluidos que están en estado térmicamente

supercrítico en todo el ciclo, es decir, no bajan por debajo de la temperatura

crítica T cr y por tanto no sufren condensación, ni siquiera parcialmente, lo cual es

distintivo de los ciclos Brayton.

30 Además de los ciclos Brayton que siguen fielmente la descripción de las

cuatro fases dichas anteriormente, el concepto del Brayton se amplía a los

llamados ciclos regenerativos, en los cuales la temperatura de salida de la

turbina es superior a la de salida del compresor, por lo que conviene transferir el

calor excedente del fluido a la salida de la turbina, y por tanto en la rama de baja

35 presión, al fluido a alta presión, tras la salida del compresor, antes de recibir éste

la aportación de calor procedente del foco caliente de la instalación. Ello implica

que en la materialización del ciclo regenerativo haya un elemento constructivo

más, que es el intercambiador de calor regenerativo, con dos circuitos, uno más

caliente y a menor presión, en el cual el fluido se enfría, y otro más frío y a mayor

presión, en el cual el fluido se calienta.

A continuación se expone un análisis documental de las invenciones más

5 cercanas a este dominio termodinámico, teniendo en cuenta el objetivo de

optimizar el funcionamiento para los niveles que se fijen de temperatura máxima

TM que el fluido de trabajo va a alcanzar, por el foco caliente que se dispone, y la

temperatura mínima Tn según el foco frío de que se disponga. Así, es pertinente

citar el documento EP 1 801 364 A 1, que se refiere a un ciclo termodinámico,

1 O tipo Rankine, que evoluciona durante la expansión en turbina a temperaturas

superiores a la isoterma crítica, si bien después el fluido evoluciona dentro de la

campana bifásica, produciéndose la condensación hasta la fase de líquido

saturado, y de ahí evolucionando mediante un bombeo a la presión de caldera y

su entrada en turbina. Por tanto, a diferencia de la invención que aquí se

15 presenta, el fluido de trabajo del documento EP 1 801 364 A 1 sufre cambios de

fase.

La patente estadounidense US 8 006 496 82 describe un dispositivo que

convierte energía térmica en mecánica mediante ciclos termodinámicos como

Rankine o Brayton, entre otros. Sin embargo, tal y como se aprecia en su figura

20 2A, en una fase del ciclo el fluido de trabajo evoluciona dentro de la campana

bifásica, produciéndose por tanto un cambio de fase en esa evolución. En otras

configuraciones (véase la figura 2C) , el ciclo no evoluciona dentro de la zona

bifásica de la campana, pero la temperatura de trabajo en algunas partes del

ciclo es inferior a la isoterma crítica. En la parte introductoria de esta patente se

25 realiza un análisis extenso de la literatura precedente de propiedad industrial en

este campo, no apareciendo en ella ninguna referencia al dominio

termodinámico que se propone en esta invención, ni a las prescripciones que se

establecen sobre el fluido termodinámico y su ciclo de trabajo.

El documento US7926276 describe un ciclo Brayton cerrado regenerativo

30 cuya originalidad reside en la fuente calor, con un metal fundido y un oxidante,

pero no prescribe ninguna condición termodinámica para el ciclo.

El documento W020011 018663 expone otro tipo de Brayton cerrado, con

máquinas de desplazamiento positivo, sin especificaciones para el foco frío ni

para la fase regenerativa de recuperación interna de calor.

35 El documento US2009308072describe un Brayton abierto, radicando la

hidruro, para ser usado en una cámara de combustión.

La solicitud US201 0162792 también utiliza la fuente solar térmica para

activar un Brayton, pero éste es convencional y abierto, presuntamente útil para

propulsión de aviones no tripulados.

El documento W020091251 03 presenta modificaciones a un Brayton

5 cerrado relativas a efectuar por etapas la compresión y la expansión, pero no

sitúa el ciclo en ninguna zona concreta del mapa de las propiedades

termodinámicas.

La solicitud US2011113780 describe un Brayton cerrado que usa C02

como fluido de trabajo, pero usando como foco frío un recuperador de calor para

1 O alimentar energéticamente un ciclo Rankine, por lo que se trata de un ciclo

combinado, similar a los habituales, pero con ciclo cerrado.

En la solicitud CA27 40259 se presenta una variante de Brayton cerrado

usando la gasificación de gas natural como foco frío.

Ninguno de los documentos referenciados contiene información relativa a

15 la invención que se presenta aquí.

Por otro lado, Chen et al. en quot;A review of thermodynamic cyc/es and

working fluids for the conversion of low-grade heatquot; (Renewable and Sustainable

Energy Reviews, 14 (2010) , pp. 3059-3067, Elsevier) hace una revisión de ciclos

Rankine, algunos de ellos supercríticos, con distintos fluidos de trabajo

20 orgánicos. En ningún caso, la evolución del ciclo se efectúa completamente en la

zona de temperatura mayor a la isoterma crítica, produciéndose siempre un

cambio de fase a través de la campana bifásica en la parte de refrigeración.

A continuación se hace una descripción termodinámica de los ciclos tipo

Brayton, con atención especial a los que usan gas ideal como fluido de trabajo,

25 por ser los más extendidos, siendo aire, o una combinación similar, el fluido de

trabajo en cuestión, que evoluciona a temperaturas superiores a la crítica, sin

cambio de fase (lo cual puede visualizarse con facilidad en un diagrama P-h,

presión-entalpía, o T-S, temperatura-entropía) . El ciclo Brayton dominante es el

de las turbinas de gas, tanto de generación de energía eléctrica como de

30 propulsión, aeronáutica principalmente, y en ellos la presión de la isóbara baja

es la atmosférica, pues el escape está abierto a la atmósfera, y así mismo se

toma de la atmósfera el aire comburente, siendo realmente un ciclo abierto. En

estas aplicaciones la temperatura máxima del ciclo, al final de la isóbara

superior, antes de la expansión en la turbina, alcanza varios centenares de

35 grados por encima de los 1 000 °C, y a la salida de la turbina el gas de escape

las temperaturas ambientales. Por lo común, se aprovecha ese calor, en los

llamados ciclos combinados, alimentando térmicamente un ciclo Rankine de agua/vapor con los gases de escape del Brayton. También cabe diseñar y operar ciclos Brayton cerrados, en los que el fluido de trabajo se mantiene continuadamente dentro de dispositivos y

conductos no abiertos a la atmósfera. En estos ciclos Brayton, el gas de salida de la turbina, o de la máquina expansora en general, puede estar a muy alta temperatura, y en vez de refrigerarse todo ese...

-Ciclo Brayton con refrigeración ambiental próxima a la isoterma crítica TCr del fluido de trabajo, que evoluciona en un ciclo cerrado entre una presión de baja Pb y una presión de alta p •• 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 linea is6bara 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 fria con un fluido exterior a temperatura Tr caracteristica del sumidero último de calor que ofrece el medio ambiente, y siendo óT, la Diferencia Terminal de Temperatura en el refrigerador del foco frlo,

o diferencia entre la temperatura mínima del fluido de trabajo Tn en el ciclo y la temperatura ambiente Tr, caracterizado por que:

la temperatura critica T Cr del fluido de trabajo seleccionado para el ciclo es menor que la suma T, más tlTI, denominándose a esta suma T n, que es la temperatura mlnima del fluido de trabajo en el ciclo; la presión de la linea isóbara de baja, Pb, debe ser simultáneamente:

mayor que la décima parte de la presión critica PCr del fluido de trabajo seleccionado, menor que la presión critica PCr del fluido de trabajo seleccionado;

y la presión de la línea isóbara de alta, Pa, 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 Per 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, Pb y de alta, Pa, el valor medio, entre ln Y TM , del calor específico a presión constante, Cp , para una isóbara, aumenta al aumentar la presión.

-Ciclo Brayton con refrigeración ambiental próxima a la isoterma critica TCr 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, Tn• Y la presión de la línea isóbara de baja, Pb lo que

I

proporciona un estado termodinámico inequivoco al que corresponde una entropía Se. cuya linea 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 (T105fT104) = c·-' ) .1lt; ; la entrada a la máquina expansora (1) está definida mediante la selección de la is6bara de alta, p., que es igual al producto de la is6bara 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 Squot; cuya linea isentrópica está caracterizada por un cociente entre calores específicos a presión constante y a volumen constante, V;

definiéndose un cociente 41 como:

4' = (k -1 ) y/ (y -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 Te a dicho valor, como temperatura de ajuste, la cual queda definida por el valor de las isotermas TI') Y T M según la expresión:

Te = (TMIII·Tn) 1/ (1+ljI)

Y la razón de compresión, c¡lIr' que se aplica en las máquinas de este ciclo ajustado real es:

c = (Twrn) 1/ (2 - (y+kyYk)

ar

-Ciclo Brayton con refrigeración ambiental próxima a la isoterma critica TCr del fluido de trabajo según reivindicaciones anteriores, earacteñzado 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 Ca, siendo esta última Ca = (TWTn) V12 (V-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 anadida en el foco caliente (Q) menos la entalpía extraída en el foco frio (E) ; y el denominador es la suma las tres variaciones de entalpla: 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:

Q=C, . (TM-T..Jx) E = C, . (T o·x -To) G = C, . (T..Jx -To·x) ;

siendo ~aM y ~bM factores de ponderación elegidos en función de la maquinaria a emplear, a gt; 1, bgt; 1, Y quot;x· un parámetro dado por

x = c (v-1) Jv

de manera que existe un valor óptimo de la razón de compresión, Cmax, que maximiza la función de utilidad ideal L, y corresponde a:

c max = XmaxVf (V-1)

donde Xmax depende de los factores de ponderación quot;aMy quot;bn 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:

quot;quot;'quot; =«2 (a+b) + (4 (a+b) ' -4 (1+a+b - (1/r) ) · (1+a+b -r» , n/2 (1 +a+b - (1/r) ) .

-Ciclo Brayton con refrigeración ambiental próxima a la isoterma crítica TCr 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 is6bara de alta, C· p, mayor que el calor específico a presión constante en la is6bara de baja , C'p; y el fluido de trabajo se selecciona de entre aquellos que satisfacen la expresión:

x' -x lt; (1 -R) '«r/x) -1)

donde:

x = C (Y·1) 1v

x' = C (k-1) 1k

R = C', tC·,

r=TMfTn 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, e, según la ley

(T1051T104) = c··'lAlt; .

- Ciclo Brayton con refrigeración ambiental próxima a la isoterma critica TCr 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 TCr mas un incremento de delimitación, !1T,

seleccionado entre 1 K Y 40 K, Y una temperatura fin de zona, Trin cuyo valor se selecciona entre 1, 5 veces T Cr 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, Per, y cinco veces dicha presión crítica, aunque este valor máximo de delimitación puede reducirse por consideraciones mecanicas; existiendo en dicha zona pen-critica una isóbara denominada suprema, representada por su presión Paup , en la cual la derivada del valor medio de Cp en esa isóbara, respecto de la razón de compresión medida respecto de la presión critica, adquiere el valor más elevado de todas las is6baras de esa zona; siendo esta is6bara suprema la is6bara que se selecciona como la isóbara de alta del ciclo; fijando la is6bara 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 entalpía específica en el foco caliente, menos la entalpía específica cedida en el foco frio; y el denominador es la suma de los valores absolutos de la variación de entalpía 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 is6bara suprema como is6bara de alta; y en caso de no poderse admitir ese valor P, up por excesivo, se fija la is6bara 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 entalpía específica, en valor absoluto, que se producen en la aportación de calor en el foco caliente (a) ; la extracción de calor en el foco frío (E) ; el calor intercambiado en el intercambiador regenerativo (G) ; y la variación total de entalpra en las máqUinas, (M) , sumando los valores absolutos de compresión y de expansión; a lo cual se anade un peso de ponderación m para M; y un peso de ponderación 9 para G y para E, asignando a Q el peso unitario, de modo que m representa el coste relativo de manejar un Julio de energia en las máquinas, en relación con aportar un Julio en el foco caliente; y similarmente 9 representa en términos relativos lo que cuesta intercambiar un Julio en un inlercambiador, siendo F la función de utilidad real definida como F = (O -E) / (m-M + g-G + g-E +0) = r¡! ( m- (M/O) + g- (G/O) + g- (1-~) +1) _

-Ciclo Brayton con refrigeración ambiental próxima a la isoterma crítica TCr 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 energla 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 fria, que la temperatura del foco calorífero (9) de este ciclo_