Motor de ciclo térmico con área de entrada de energía térmica aumentada.

Un sistema de motor de ciclo termodinámico llenado con un gas para producir energía eléctrica,

quecomprende:

una cabeza (14) calentadora;

una cabeza (16) fría; y

un pistón (20) desplazador; caracterizado por que

dicha cabeza (14) calentadora incluye un intercambiador (80) de calor que incluye:

un cilindro que incluye una pared anular;

un paso (93) definido en dicha pared anular;

un puerto (120) de igualación de presión para la presurización de dicha cabeza (14) calentadora; y

una parte fría; en el que

dicho pistón (20) desplazador es operable para moverse con relación a dicha cabeza (14) calentadora y dichacabeza (16) fría para mover el gas a través de dicho paso (93) de dicho intercambiador (80) de calor a dichacabeza (16) fría.

Motor de ciclo térmico con área de entrada de energía térmica aumentada Campo Las presentes enseñanzas se refieren, en general, a motores de ciclo térmico y, particularmente, a un sistema de entrada de energía térmica para un motor de ciclo térmico.

Antecedentes En general, se conoce la provisión de un motor que puede ser alimentado por diversos medios no químicos y mecánicos. Por ejemplo, pueden usarse diferencias térmicas para alimentar un motor para producir una fuerza mecánica y/o energía eléctrica a través de un alternador. Los motores termodinámicos usan diversos ciclos termodinámicos que se aprovechan para proporcionar la energía mecánica para diversos motores. Varios ciclos térmicos incluyen ciclos Stirling, ciclos Brayton y pueden usarse ciclos Rankine. Estos diversos ciclos pueden ser empleados en motores que usan el mismo nombre o similar que el motor.

En general, cada uno de estos motores puede producir energía a partir de uno de los ciclos termodinámicos relacionado. Los ciclos termodinámicos y los motores relacionados pueden requerir una diferencia de energía térmica para crear la energía mecánica y eléctrica desde el motor. Sin embargo, la eficiencia, el control y la eficacia de los diversos motores que usan ciclos termodinámicos son difíciles.

Por ejemplo, un motor de ciclo Stirling es un dispositivo de conversión de energía térmica a energía mecánica que usa un conjunto pistón para dividir una cantidad fija de gas entre al menos dos cámaras. Por otra parte, las cámaras están conectadas por un paso gaseoso/fluido equipado con una fuente de calor, recuperación e intercambiadores disipadores de calor. El conjunto pistón puede tener al menos dos cabezas de pistón que están separadas y actúan en ambas cámaras simultáneamente a través de un acoplamiento mutuo. Conforme se aumenta el volumen en una cámara, se reduce el volumen en la otra cámara y viceversa, aunque no estrictamente en el mismo grado, ya que una de las cabezas de pistón puede tener un área o volumen mayor que la otra cabeza de pistón, por diseño.

El movimiento del conjunto pistón en cualquier dirección puede crear una elevación de la presión en la cámara que experimenta una reducción de volumen, mientras que la otra cámara experimenta un aumento de volumen y una reducción de la presión. La diferencia de presión entre las dos cámaras desacelera los pistones, y causa un flujo de gas desde una cámara a la otra, a través del paso de fluido de conexión con sus intercambiadores de calor.

Los intercambiadores de calor tienden o bien a amplificar o bien a atenuar el volumen de gas que fluye a través de los mismos, dependiendo de si el gas está siendo calentado o enfriado conforme fluye a través del intercambio de fluido. El intercambio de fluido, también un intercambiador regenerador de calor, almacena calor desde el gas del extremo caliente conforme el mismo fluye al extremo frío. De manera similar, el regenerador cede calor al gas más frío que viene desde el extremo frío. Esto mejora la eficiencia del ciclo térmico.

El carácter del conjunto pistón como un objeto finito masivo en movimiento entra ahora en juego, según las leyes del movimiento y el momento. El pistón rebasará el punto en el que las fuerzas de presión a través del pistón están en equilibrio. Hasta ese momento, el pistón ha tenido una fuerza de aceleración debida a la diferencia de presión que lo carga con energía cinética de movimiento. Una vez equilibradas las fuerzas netas sobre el pistón, la aceleración cesa, pero el pistón se mueve a su velocidad máxima. Pronto, la diferencia de presión se invierte y el pistón se desacelera, transfiriendo su energía cinética de movimiento a energía de presión/volumen de gas en la cámara hacia la que el pistón ha estado moviéndose hasta este punto. Ahora, la presión aumentada en la cámara acelera el pistón en la dirección opuesta hasta el punto en que alcanza su velocidad máxima en la dirección opuesta en el punto de equilibrio de fuerzas y, a continuación, desacelera conforme se acumula una diferencia de presión cada vez mayor en la otra cámara. Una vez más, el pistón se detiene, invierte la dirección y repite el proceso de nuevo. Este es un caso de movimiento periódico, ya que la energía pasa de la forma de energía cinética en el conjunto pistón a la energía neta de presión/volumen en las cámaras.

El movimiento periódico tiende a ser amortiguado por pequeñas irreversibilidades, especialmente, por el gas que es bombeado hacia y desde una cámara a la otra a través del paso de fluido. Este es el caso normal para un motor de Stirling en un estado isotérmico. Cuando está unido térmicamente a depósitos de fuente caliente y sumidero frío en los intercambiadores de calor fuente y sumidero, respectivamente, el gas que fluye a una de las cámaras se calienta mientras que el gas que fluye a la cámara en el otro lado se enfría. De esta manera, una masa determinada de gas frío, presurizado, enviada a la cámara caliente es calentada y su volumen experimenta un aumento considerable. Por el contrario, una masa determinada de gas caliente que sale de la cámara del lado caliente experimenta una reducción de volumen conforme se enfría al pasar a través de los intercambiadores de 2 10

calor, y el empuje del gas enfriado en la cámara del lado frío es atenuado dramáticamente, de esta manera, debido al flujo volumétrico reducido del gas más frío. De esta manera, un cambio en la posición del pistón, y sus efectos sobre la temperatura del gas y la presión dentro del motor de ciclo Stirling, causan que partes de la energía térmica del depósito caliente se conviertan en energía mecánica periódica en el pistón y energía de presión/volumen de gas, y la energía térmica restante fluya al depósito frío de una manera periódica.

El gas compresible dentro de las dos cámaras y el pistón moviéndose entre esas cámaras forman un sistema resorte-masa que exhibe una frecuencia natural. De manera similar, el movimiento del gas entre las dos cámaras tiene su propia frecuencia natural de un orden inferior. La conversión de la energía térmica a energía mecánica dentro de este sistema haría que dicho sistema tuviese amplitudes sucesivamente más altas hasta que aparezca una interferencia mecánica o algún otro medio de eliminación de energía. Para muchos sistemas comerciales de motor térmico de ciclo Stirling, se usa un pistón de potencia que funciona a la misma frecuencia, pero fuera de fase con respecto al pistón del motor térmico, para eliminar el exceso de energía mecánica y convertirla en trabajo útil.

Una manera de producir esta conversión de energía es usando la posición variable en el tiempo del pistón de potencia para producir un flujo magnético variable en el tiempo en un conductor eléctrico. Este produce un potencial electromotriz que puede ser consumido localmente, o de manera remota a través de líneas de transmisión, mediante una conexión a un aparato eléctrico, tal como un motor, cargador de batería o calentador. Normalmente, esto se lleva a cabo usando el pistón de potencia para accionar un motor alternador a través de un enlace mecánico. El motor alternador es lo que convierte una posición variable en el tiempo dentro del alternador en un flujo magnético variable en el tiempo en el conductor o conductores eléctricos del alternador.

Los motores de ciclo Stirling pueden ser diseñados y ajustados para una eficiencia óptima a diversas temperaturas diferentes para el intercambiador de calor de la fuente. La fuente de calor puede ser cualquier fuente de calor apropiada. Por ejemplo, energía solar térmica, energía térmica de combustión o cualquier fuente de calor apropiada. El motor puede ser diseñado para utilizar la energía térmica general de la fuente seleccionada.

La salida del motor, expresada generalmente en vatios, es, generalmente, proporcional a su tamaño. De esta manera, un motor más grande produce más energía que un motor pequeño. La eficiencia del motor, sin embargo, puede disminuir a medida que aumenta el tamaño. Debido a que el motor se basa en el movimiento cinético de pistones dentro de una cámara, el tamaño del pistón puede reducir la salida de energía por unidad de entrada térmica, si es demasiado grande.

Además, los motores pueden funcionar a altas presiones. De esta manera, una cámara de alta presión puede rodear el motor. Esto puede reducir la practicidad de ventilar o poner en contacto cualquiera de los componentes internos con la atmósfera, ya que la diferencia de presión podría ser alta.

De esta manera, es deseable proporcionar un motor que cree una salida de potencia alta, mientras mantiene un tamaño de pistón seleccionado,... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de motor de ciclo termodinámico llenado con un gas para producir energía eléctrica, que comprende: una cabeza (14) calentadora; una cabeza (16) fría; y un pistón (20) desplazador; caracterizado por que dicha cabeza (14) calentadora incluye un intercambiador (80) de calor que incluye: un cilindro que incluye una pared anular; un paso (93) definido en dicha pared anular; un puerto (120) de igualación de presión para la presurización de dicha cabeza (14) calentadora; y

una parte fría; en el que dicho pistón (20) desplazador es operable para moverse con relación a dicha cabeza (14) calentadora y dicha cabeza (16) fría para mover el gas a través de dicho paso (93) de dicho intercambiador (80) de calor a dicha cabeza (16) fría.

2. Un sistema para proporcionar energía eléctrica, que comprende: el sistema (8) motor de ciclo termodinámico según la reivindicación 1; un sistema de conversión de energía; un sistema de transferencia de energía; y en el que la energía producida por el sistema de conversión de energía es transferida con el sistema de

transferencia de energía a una carga,

3. Sistema según la reivindicación 2, en el que dicho sistema de conversión de energía incluye un alternador (12) ; en el que dicho motor (8) de ciclo termodinámico incluye un pistón (36) de potencia; en el que dicho alternador (12) es accionado por un pistón (36) de potencia de dicho motor (8) de ciclo

termodinámico.

4. Sistema según la reivindicación 2 ó 3, que comprende además:

un controlador (58) operable para controlar al menos uno de entre dicho sistema (12) de conversión de energía, dicho sistema de transferencia de energía, dicho motor (8) de ciclo termodinámico o sus combinaciones.

5. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, que comprende además:

una batería interconectada con dicho sistema (12) de conversión de energía para ser cargada con dicho sistema de conversión de energía.

6. El sistema o motor de ciclo termodinámico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho cilindro incluye una parte (86) superior, una parte (84) media y una parte (82) inferior interconectadas para formar dicho intercambiador (80) de calor.

7. Sistema o motor de ciclo termodinámico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho paso (93) incluye una pluralidad de pasos (100, 102, 110) definidos generalmente a lo largo de una altura de dicho cilindro.

8. Sistema o motor de ciclo termodinámico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que dicha pared anular define un espesor;

en el que dicho espesor se extiende entre una pared (90) interior y una pared (88) exterior;

en el que dicho paso (93) atraviesa una altura de dicho cilindro que incluye una parte (100) de paso interior cerca de dicha pared (90) interior y una parte (110) de paso exterior cerca de dicha pared (88) exterior.

9. Sistema o motor de ciclo termodinámico según la reivindicación 8, en el que dicho paso (93) define un radio (102) cerca de un primer extremo de dicho cilindro que interconecta sustancialmente la parte (100) de paso interior y la parte (110) de paso exterior.

10. Sistema o motor de ciclo termodinámico según la reivindicación 9, en el que dicho radio se maximiza con respecto a dicho espesor.

11. Sistema o motor de ciclo termodinámico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un recipiente (18) a presión que contiene sustancialmente dicha cabeza (14) calentadora, dicha cabeza

(16) fría y dicho pistón (20) desplazador.

12. Sistema y motor de ciclo termodinámico según la reivindicación 11, en el que dicho puerto (120) de igualación de presión de dicha cabeza (14) calentadora es operable para permitir la presurización de dicha cabeza (14) calentadora a una presión de funcionamiento del motor de ciclo termodinámico.

13. Sistema o motor de ciclo termodinámico según la reivindicación 12, en el que dicha presión de funcionamiento es de aproximadamente 14, 06 kg/cm2 (200 psia) a aproximadamente 28, 13 kg/cm2 (400 psia) .

14. Sistema o motor de ciclo termodinámico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha cabeza (14) calentadora está formada de metal de níquel de alta resistencia o sus aleaciones.

15. Sistema o motor de ciclo termodinámico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho intercambiador (80) de calor incluye una parte (91) inferior que define dicho puerto (120) de igualación de presión.

16. Un procedimiento de producción de energía eléctrica con el sistema o motor de ciclo termodinámico (8) según la reivindicación 1, en el que el procedimiento comprende:

posicionar el intercambiador (80) de calor, la cabeza (16) fría y el pistón (20) desplazador en un recipiente (18) a presión;

presurizar el recipiente (18) a presión a una presión seleccionada;

presurizar un volumen encerrado por el intercambiador (80) de calor sustancialmente a la presión seleccionada, presurizando el recipiente (18) a presión; y

minimizar una diferencia de presión en dicho recipiente (18) a presión durante el funcionamiento del motor termodinámico.

17. Procedimiento según la reivindicación 16, en el que la presurización de un volumen encerrado en el intercambiador (80) de calor incluye mover un volumen seleccionado del gas al intercambiador (80) de calor.

18. Procedimiento según la reivindicación 17, en el que la minimización de una diferencia de presión en dicho recipiente (18) a presión incluye formar el paso (93) que permite que el gas que se mueve al intercambiador (80) de calor sea suficientemente pequeño para no permitir que un volumen sustancial del gas pase a través del paso

(93) durante el ciclo del motor de ciclo termodinámico.

19. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 16 a 18, que comprende además:

accionar un alternador (12) con el motor (8) de ciclo termodinámico; y

colocar una carga (60) en el alternador (12) .