Máquina termodinámica y procedimiento para su funcionamiento.

Máquina termodinámica (1) que comprende un sistema de circuito (2) en el que circula un fluido de trabajo (10) que particularmente hierve a baja temperatura,

de modo alternante en una fase gaseosa y una fase líquida, con un intercambiador de calor (3), con una máquina de expansión (5), con un condensador (6) y con una bomba para líquido (8), caracterizada porque una presión parcial que aumenta la presión del sistema se impone al fluido de trabajo líquido (10) en la cabeza de la bomba de líquido (8), a través de la adición de un gas auxiliar (20) no condensable.

Máquina termodinámica y procedimiento para su funcionamiento La invención se refiere a una máquina termodinámica que comprende un sistema de circuito en el que circula un fluido de trabajo que particularmente hierve a baja temperatura, de modo alternante en una fase gaseosa y una fase líquida. La máquina comprende un intercambiador de calor, une máquina de expansión, un condensador y una bomba para líquido. La invención se refiere adicionalmente a un procedimiento para el funcionamiento de semejante máquina termodinámica en donde, en un circuito, el fluido de trabajo es calentado, expandido, condensado y transportado a traves del bombeo del fluido de trabajo líquido.

Como máquina termodinámica en este sentido se entiende en particular una máquina que trabaja según el proceso de ciclo termodinámico de Rankine. El proceso de ciclo Rankine se caracteriza por un bombeo del medio líquido de trabajo, por una evaporación del medio de trabajo a una alta presión, por una expansión del fluido de trabajo gaseoso, mediante la ejecución de trabajo mecánico así como por una condensación del fluido de trabajo gaseoso a una presión baja. Según el proceso de ciclo Rankine trabajan por ejemplo actualmente las centrales eléctricas de vapor convencionales. De manera típica, en las centrales eléctricas de vapor calentadas con un combustible fósil, con una presión de más de 200 bar se genera vapor de agua con temperaturas de más de 500°C. La condensación del vapor de agua expandido se realiza a unos 25°C y a una presión de unos 30 mbar.

Una máquina termodinámica que trabaja según el proceso de ciclo de Rankine asi como un procedimiento para su funcionamiento se conocen por ejemplo a partir del documento WO 2005/021936 A2. Como fluido de trabajo se utiliza en este caso agua.

En caso de que se deben utilizar unas fuentes de calor para la evaporación del fluido de trabajo que presentan una diferencia relativamente baja de temperaturas con respecto al sumidero de calor, entonces el grado de eficiencia que puede ser logrado con el fluido de trabajo agua ya no es suficiente para un modo de trabajo rentable. Sin embargo, las fuentes de trabajo de este tipo pueden ser explotadas con la ayuda de unas denominadas máquinas ORC en las cuales, en vez del fluido de trabajo agua se emplea un fluido que hierve a baja temperatura, particularmente un fluido orgánico. En este contexto se entiende por el concepto de "que hierve a baja temperatura" que un semejante fluido hierve a presiones más bajas que el agua, o presenta una presión de vapor más elevada, comparado con el agua. Una máquina ORC trabaja de acuerdo con el denominado proceso de ciclo orgánico Rankine (ORC) , a saber, trabaja esencialmente con un fluido de trabajo diferente del agua, en particular orgánico, que hierve a baja temperatura. Como fluidos de trabajo para una máquina ORC se conocen por ejemplo los hidrocarburos, hidrocarburos aromáticos, hidrocarburos fluorados, compuestos con carbono, y particularmente los alcanos, éteres fluorados, fluoroetano o también los aceites de silicona sintetizados.

A través de máquinas o instalaciones ORC, por ejemplo las fuentes de calor que están disponibles en centrales geotérmicas o solares pueden ser utilizadas económicamente para la generación de corriente eléctrica. Asimismo, el calor perdido de un motor de combustión que se ha constituido a base de aire de escape, un circuito de refrigeracion, de gases de escape etc., y no se ha aprovechado hasta el momento, puede ser aprovechado mediante una máquina ORC, para la ejecución de trabajo o para la generación de corriente.

Cuando se queda por debajo de la presión de vapor de un líquido que pertenece a una respectiva temperatura, este líquido se evapora. El hecho de quedar por debajo de la presión de vapor puede producirse en líquidos en reposo o en movimiento. En un líquido que fluye, por ejemplo, la presión de vapor puede dejar de ser alcanzada localmente, causado por una desviación aguda o una aceleración del flujo, de modo que se produce una evaporación local. Las burbujas de vapor que se generan localmente se condensan de nuevo en sitios con una presión más elevada y se desploman. El proceso global es designado como cavitación.

En una máquina termodinámica de la índole inicialmente indicada, una cavitación que se produce en la fase líquida del fluido de trabajo representa un problema considerable porque, debido al pequeño tamaño de las burbujas de vapor, la condensación de las mismas se realiza con mucha rapidez. En este caso se forma eventualmente un microchorro causado por una implosión repentina de las burbujas de vapor. Si este microchorro es dirigido hacia una pared circundante, se pueden alcanzar localmente unas puntas de presión de hasta 10.000 bares. Adicionalmente, las presiones elevadas pueden provocar temperaturas locales situadas muy por encima de 1000 °C lo que puede conducir a procesos de fusión en el material de las paredes. Los efectos de destrucción causados por cavitaciones pueden producirse en el curso de unas horas.

Además, en caso de una bomba, la aparición de la cavitación reduce de modo no deseado el caudal de flujo del fluido. Puesto que las burbujas de vapor difieren en su densidad, de regla general, claramente del líquido, se reduce el caudal másico transportable, incluso en el caso de una proporción másica reducida del fluido de trabajo en forma de vapor, en caso de un caudal volumétrico determinado. En caso de una intensa formación de vapor, el caudal másico incluso puede desplomarse. En caso de que la máquina de trabajo se utiliza por ejemplo como bomba en una instalación ORC, entonces el proceso entero del circuito puede eventualmente quedarse paralizado. A través de la falta de potencia de la bomba se produce una retención del fluido de trabajo líquido en el condensador, por lo que su eficiencia se reduce considerablemente. De este modo la evacuación de calor se queda paralizada. Este estado del sistema global puede abandonarse sólo con dificultades. Se tiene que esperar hasta que el fluido de trabajo se subenfríe por sí mediante enfriamiento. Además, la circulación a través del evaporador se desmorona de modo que ya no puede evacuarse nada de calor. En este caso, el fluido de trabajo utilizado puede resultar dañado eventualmente, porque se sobrepasa su límite de estabilidad.

Para una máquina que trabaja según el proceso de ciclo Rankine, el problema de la aparición de una cavitación se ha descrito por ejemplo en el documento EP 1 624 269 A2. Allí, una cavitación en el fluido de trabajo agua dentro del condensador y la bomba consecutiva debe impedirse por prever un sistema de regulación específica de la presión y de la temperatura junto al condensador. A este efecto están comprendidos los correspondientes sensores de la presión y de la temperatura. En particular, el nivel del agua en el condensador es mantenido a un nivel previamente determinado. Ello se apoya a través de una válvula de descarga que evacúa hacia fuera el agua o unos gases no condensables.

Asimismo, en el documento US 7, 131, 290 B2 se describe, para una máquina que trabaja según el proceso de ciclo Rankine, la importancia de un nivel constante de agua en el condensador. En particular se indica la repercusión de un nivel variable del agua sobre las superficies de refrigeración que llegan a activarse en el condensador. En caso de que, causado por las condiciones de depresión que predominan en el condensador, un gas no condensable, tal como aire, penetra en el sistema de circuito del fluido de trabajo, este gas se acumula particularmente en el condensador. Para evitar una pérdida del rendimiento de refrigeración que resulte de ello, el documento US 7, 131, 290 B2 propone el correspondiente dispositivo de separación y evacuación.

El documento DE 10 2006 013 190 A1 ha revelado una máquina compleja de fluido que trabaja según el proceso de ciclo Clausius-Rankine. La máquina de fluido dispone de una bomba para la presurazión y la retirada por bombeo de un fluido de trabajo en fase líquida, y dispone de un dispositivo de expansión unido en serie con la bomba para la generación de una fuerza de propulsión por expansión del fluido de trabajo que es calentado con el fin de convertirse en un fluido de trabajo en fase gaseosa. En este caso está previsto transferir el calor del fluido de trabajo a un lado de salida del dispositivo de expansión, al fluido de trabajo en un lado de salida de la bomba de fluido.

A partir del documento DE 36 41 122 A1 se conoce una unidad de propulsión transportable para la conversión del calor, estructurada como una máquina termodinámica del tipo mencionado al principio y que trabaja según el proceso de ciclo Rankine.

El documento DE 7... [Seguir leyendo]

1. Máquina termodinámica (1) que comprende un sistema de circuito (2) en el que circula un fluido de trabajo (10) que particularmente hierve a baja temperatura, de modo alternante en una fase gaseosa y una fase líquida, con un intercambiador de calor (3) , con una máquina de expansión (5) , con un condensador (6) y con una bomba para líquido (8) , caracterizada porque una presión parcial que aumenta la presión del sistema se impone al fluido de trabajo líquido (10) en la cabeza de la bomba de líquido (8) , a través de la adición de un gas auxiliar (20) no condensable.

2. Máquina termodinámica (1) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque la presión parcial que resulta de la adición del gas auxiliar (20) es suficientemente grande para que en la cabeza, durante el funcionamiento de la bomba de líquido (8) , no descienda por debajo de la presión de vapor de saturación.

3. Máquina termodinámica (1) de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizada porque la altura efectiva de la cabeza (21) de la bomba para líquido (8) está reducida con respecto a una altura necesaria de la cabeza, que tiene en consideración el valor de NPSH y eventualmente un subenfriamiento del fluido de trabajo líquido (10) .

4. Máquina termodinámica (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el lugar de incorporación (18) para el gas auxiliar (20) está previsto entre la máquina de expansión (5) y la bomba para líquido (8) .

5. Máquina termodinámica (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el condensador (6) está realizado para llevar el gas auxiliar (20) en la dirección de circulación del fluido de trabajo (10) , en particular bajo forma de condensador de aire o mediante elementos intercambiadores de calor de placas.

6. Máquina termodinámica (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la máquina de expansión (5) es una máquina de desplazamiento.

7. Máquina termodinámica (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque un sensor (22) está dispuesto en un recipiente de almacenamiento (11) del fluido de trabajo líquido (10) , para detectar la concentración del gas auxiliar.

8. Uso de una máquina termodinámica (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, como instalación móvil para un vehiculo automóvil, estando acoplado el intercambiador de calor (3) de manera térmica con una fuente de calor perdido (16) del vehiculo automóvil.

9. Procedimiento para hacer funcionar una máquina termodinámica (1) , en donde circula en un sistema de circuito

(2) un fluido de trabajo (10) que particularmente hierve a baja temperatura, de modo alternante en una fase gaseosa y una fase líquida, y en donde el fluido de trabajo (10) es calentado, expandido, condensado y transportado a través de un bombeo del líquido, caracterizado porque una presión parcial que aumenta la presión del sistema se impone al fluido de trabajo líquido (10) en una cabeza de la bomba, mediante la adicion de un gas auxiliar (20) no condensable.

10. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque el gas auxiliar (20) es introducido en tal cantidad que la presión parcial que resulta es lo suficientemente grande como para no descender por debajo de la presión de vapor de saturación durante el transporte del fluido de trabajo líquido (10) en la cabeza de la bomba.

11. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 9 o 10, caracterizado porque el gas auxiliar (20) es añadido al fluido de trabajo gaseoso expandido (10) .

12. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 9 a 11, caracterizado porque el gas auxiliar (20) es transportado hacia delante esencialmente en la dirección del flujo, durante la condensación del flujo de trabajo (10) .

13. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 9 a 12, caracterizado porque el fluido de trabajo (10) es expandido en una máquina de desplazamiento.

14. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 9 a 13, caracterizado porque para calentar y/o evaporar el fluido de trabajo (10) se aprovecha (16) el calor perdido de un vehiculo automóvil.