Motor térmico.

Motor térmico (1), en particular para el funcionamiento a baja temperatura,

para aprovechar el calor solar, el calor residual de los procesos biológicos o industriales o similares, con:

al menos dos unidades de cilindro y pistón (2-5) que contienen respectivamente un fluido de expansión (8) que está sometido a una presión de precarga (pv), que varía su volumen al producirse un cambio de temperatura y que de esta manera mueve el pistón (7), medios (16-20) para el suministro de calor, controlable individualmente, al fluido de expansión (8) de cada unidad de cilindro y pistón (2-5) y

un dispositivo de control (21), que controla los medios de suministro de calor (16-19), para poder calentar y enfriar alternativamente cada fluido de expansión (8) y de esta manera mover los pistones (7),

caracterizado porque

los pistones (7) de todas las unidades de cilindro y pistón (2-5) están sometidos a un fluido de precarga (9) común para ejercer una presión de precarga (pv) común sobre los fluidos de expansión (8),

el dispositivo de control (21) está equipado con un medidor de presión (22) para la presión de precarga (pv) y

el dispositivo de control (21) está configurado para controlar las fases de calentamiento y enfriamiento de los medios de suministro de calor (16-20) en función de la presión de precarga (pv) medida para mantenerla dentro de un intervalo predefinido (pmín., pmáx.).

Motor térmico.

La presente invención se refiere a un motor térmico, en particular para el funcionamiento a baja temperatura, para aprovechar el calor solar, el calor residual de los procesos biológicos o industriales o similares, con:

al menos dos unidades de cilindro y pistón que contienen respectivamente un fluido de expansión que está sometido a una presión de precarga, que varía su volumen al producirse un cambio de temperatura y que de esta manera mueve el pistón, medios para el suministro de calor, controlable individualmente, al fluido de expansión de cada unidad de cilindro y pistón y un dispositivo de control, que controla los medios de suministro de calor, para poder calentar y enfriar alternativamente cada fluido de expansión y de esta manera mover los pistones.

Un motor térmico de este tipo es conocido del documento US5916140. Los fluidos de expansión efectivos requieren a menudo una presión de precarga determinada para mostrar un coeficiente de expansión significativo en el intervalo de temperatura de funcionamiento deseado. Un ejemplo es el dióxido de carbono líquido, cuyo volumen varía en 2, 2 veces aproximadamente al calentarse de 20ºC a 30ºC a una presión aproximada de 60-70 bar.

El documento US5916140 da a conocer distintas variantes para someter el fluido de expansión a la presión de precarga requerida en las unidades de cilindro y pistón. Por una parte, se proponen muelles de metal o gas para pretensar el pistón en dirección del fluido de expansión. Sin embargo, con tal fuerza elástica en función del recorrido no se puede conseguir una presión de precarga independiente del movimiento del pistón. Por la otra parte, un acoplamiento mecánico de dos unidades de cilindro y pistón se describe mediante un cigüeñal o mediante una disposición de cilindros opuestos para que el pistón, que se extiende respectivamente, mantenga la presión de precarga sobre el fluido de expansión del pistón que se retrae. Sin embargo, tal acoplamiento rígido presupone que las fases de calentamiento y enfriamiento tengan aproximadamente la misma duración, ya que de lo contrario un pistón, que se retrae muy lentamente, bloqueará el pistón que se extiende, lo que va en detrimento de la eficiencia, o un pistón, que se extiende muy lentamente, generará una presión de precarga demasiado baja para garantizar el funcionamiento.

Como solución del problema mencionado en último lugar, el documento US5916140 propone acelerar la fase de enfriamiento mediante una disipación lo más rápida posible del calor, de modo que esta fase sea siempre más corta que la fase de calentamiento. Sin embargo, esto apenas se puede materializar en la práctica, porque se ha de contar con un suministro de calor altamente variable cuando se utiliza en particular el calor solar. Así, por ejemplo, para calentar el dióxido de carbono líquido de 20ºC a 30ºC en horas del mediodía se puede disponer de una temperatura de suministro de calor de 70ºC y, por consiguiente, de una diferencia de temperatura de 40 a 50ºC, mientras que, por el contrario, para enfriarlo de 30ºC a 20ºC existe sólo una diferencia de temperatura de 15 a 25ºC, incluso en caso de un enfriamiento forzado con agua fría a 5ºC, por lo que se ha de esperar una fase de enfriamiento con aproximadamente el doble de la duración de la fase de calentamiento. Por la otra parte, el nivel de temperatura de la planta solar puede ser también, por ejemplo, sólo de 30 a 40ºC en horas matutinas y vespertinas, por lo que se ha de contar incluso con una fase de calentamiento más larga que la fase de enfriamiento.

Por tanto, la invención tiene el objetivo de crear un motor térmico del tipo mencionado al inicio que garantice siempre una buena eficiencia también en caso de un suministro de calor altamente fluctuante. Este objetivo se consigue según la invención al estar sometidos los pistones de todas las unidades de cilindro y pistón a un fluido de precarga común para ejercer una presión de precarga común sobre los fluidos de expansión, al estar equipado el dispositivo de control con un medidor de presión para la presión de precarga y al controlar el dispositivo de control las fases de calentamiento y enfriamiento de los medios de suministro de calor en función de la presión de precarga medida para mantenerla dentro de un intervalo predefinido.

De esta manera se consigue un acoplamiento variable y dinámico de las unidades de cilindro y pistón. El control del movimiento del pistón en función de la presión de precarga evita, por una parte, un empeoramiento de la eficiencia del motor que está condicionado por una presión de precarga innecesariamente alta y garantiza siempre, por la otra parte, la presión de precarga necesaria para el fluido de expansión. El resultado es un funcionamiento siempre óptimo también en presencia de condiciones ambientales cambiantes.

Una realización particularmente ventajosa del motor térmico de la invención presenta al menos tres unidades de cilindro y pistón y se caracteriza porque el dispositivo de control aumenta la cantidad de unidades de cilindro y pistón, que se encuentran en la fase de calentamiento en un momento dado, con respecto a la cantidad de unidades de cilindro y pistón que se encuentran en la fase de enfriamiento en el mismo momento, si la presión de precarga no alcanza el intervalo predefinido, y reduce la misma si la presión de precarga supera el intervalo predefinido. El funcionamiento se puede adaptar así a condiciones ambientales altamente cambiantes. En las horas matutinas o vespertinas de una planta solar, en las que se registran temperaturas débiles, se puede poner así en funcionamiento, por ejemplo, aproximadamente la misma cantidad de unidades de cilindro y pistón en la fase de calentamiento y de enfriamiento, mientras que, por el contrario, en el calor del mediodía, una pequeña cantidad de unidades de cilindro y pistón, que se calientan rápidamente, se contrapone a una gran cantidad de unidades de cilindro y pistón que se enfrían lentamente.

Según otra característica de la invención, el dispositivo de control puede acortar o alargar también cada una de las fases de calentamiento y/o enfriamiento para el ajuste preciso a fin de mantener la presión de precarga dentro del intervalo predefinido.

En principio se puede utilizar como fluido de expansión cualquier fluido conocido del estado de la técnica con un coeficiente de expansión térmica correspondientemente significativo. Resulta favorable en particular que el fluido de expansión, como es conocido del documento US5916140, contenga dióxido de carbono líquido y que la presión de precarga sea mayor o igual que la presión de licuación del dióxido de carbono a la temperatura de trabajo. Debido a su alto coeficiente de expansión térmica a temperatura ambiente, el dióxido de carbono líquido es adecuado en particular para el funcionamiento del motor térmico en el intervalo de bajas temperaturas para aprovechar el calor solar, el calor residual de los procesos biológicos o industriales o similares. Además, el dióxido de carbono resultante de los procesos de combustión se puede alimentar así a un proceso de reutilización beneficioso que no produce ningún efecto invernadero perjudicial para el medio ambiente. Por consiguiente, el motor térmico de la invención contribuye también al proceso de captura de CO2, respetuoso con el medio ambiente, en el sentido de un proceso de “Carbon Dioxide Capture and Storage” (proceso de captura y almacenamiento de dióxido de carbono, CSS) .

El fluido de precarga puede ser también de cualquier tipo, por ejemplo, aire comprimido. Sin embargo, se prefiere en particular que el fluido de precarga sea un líquido hidráulico que proporciona un acoplamiento a presión por arrastre de fuerza y fiable. En este caso, el circuito hidráulico del fluido de precarga se equipa preferentemente con un acumulador intermedio elástico, de modo que se pueden absorber de manera temporal las fluctuaciones breves de la presión durante los procesos de conmutación o durante los procesos individuales de disminución o prolongación de las fases de calentamiento y enfriamiento.

Los pistones se pueden someter al fluido de precarga de distintas maneras, por ejemplo, mediante el acoplamiento mecánico de cilindros de precarga hidráulicos separados a las unidades de cilindro y pistón. Los pistones de las unidades de cilindro y pistón se configuran preferentemente como pistones de doble acción, actuando el fluido de expansión en un lado de los mismos y actuando el fluido de precarga en el otro lado, lo que proporciona una construcción particularmente simple.

El trabajo realizado por las unidades de cilindro y pistón se puede desacoplar también de cualquier... [Seguir leyendo]

1. Motor térmico (1) , en particular para el funcionamiento a baja temperatura, para aprovechar el calor solar, el calor residual de los procesos biológicos o industriales o similares, con:

al menos dos unidades de cilindro y pistón (2-5) que contienen respectivamente un fluido de expansión (8) que está sometido a una presión de precarga (pv) , que varía su volumen al producirse un cambio de temperatura y que de esta manera mueve el pistón (7) , medios (16-20) para el suministro de calor, controlable individualmente, al fluido de expansión (8) de cada unidad de cilindro y pistón (2-5) y un dispositivo de control (21) , que controla los medios de suministro de calor (16-19) , para poder calentar y enfriar alternativamente cada fluido de expansión (8) y de esta manera mover los pistones (7) ,

caracterizado porque los pistones (7) de todas las unidades de cilindro y pistón (2-5) están sometidos a un fluido de precarga (9) común para ejercer una presión de precarga (pv) común sobre los fluidos de expansión (8) , el dispositivo de control (21) está equipado con un medidor de presión (22) para la presión de precarga (pv) y el dispositivo de control (21) está configurado para controlar las fases de calentamiento y enfriamiento de los medios de suministro de calor (16-20) en función de la presión de precarga (pv) medida para mantenerla dentro de un intervalo predefinido (pmín., pmáx.) .

2. Motor térmico según la reivindicación 1 con al menos tres unidades de cilindro y pistón, caracterizado porque el dispositivo de control (21) está configurado para aumentar la cantidad de unidades de cilindro y pistón (2-5) , que se encuentran en la fase de calentamiento en un momento dado, con respecto a la cantidad de unidades de cilindro y pistón (2-5) que se encuentran en la fase de enfriamiento en el mismo momento, si la presión de precarga (pv) no alcanza el intervalo predefinido (pmín., pmáx.) , y para reducir la misma si la presión de precarga (pv) supera el intervalo predefinido (pmín., pmáx.) .

3. Motor térmico según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el dispositivo de control (21) está configurado para acortar o alargar individualmente las fases de calentamiento y/o enfriamiento a fin de mantener la presión de precarga (pv) dentro del intervalo predefinido.

4. Motor térmico según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el fluido de expansión (8) contiene dióxido de carbono líquido y la presión de precarga (pv) es mayor o igual que la presión de licuación del dióxido de carbono a la temperatura de trabajo.

5. Motor térmico según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el fluido de precarga (9) es un líquido hidráulico.

6. Motor térmico según la reivindicación 5, caracterizado porque el circuito hidráulico (10) del fluido de precarga (9) está equipado con un acumulador intermedio elástico (13) .

7. Motor térmico según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque los pistones (7) son pistones de doble acción, actuando el fluido de expansión (8) en un lado de los mismos y actuando el fluido de precarga (9) en el otro lado.

8. Motor térmico según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque cada unidad de cilindro y pistón (25) acciona un pistón de trabajo (35) y todos los pistones de trabajo (35) actúan sobre un fluido de trabajo (36) común de una carga hidráulica (27) .

9. Motor térmico según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque los medios de suministro de calor (16-20) para cada unidad de cilindro y pistón (2-5) presentan un intercambiador de calor (16) , a través del que circula un medio portador de calor (17) y que está provisto de una válvula de bloqueo (20) controlada por el dispositivo de control (21) .

10. Motor térmico según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque los medios de suministro de calor (16-20) comprenden además medios (26.

2. 32; 28) para el enfriamiento forzado de los fluidos de expansión (8) en las fases de enfriamiento.

11. Motor térmico según las reivindicaciones 9 y 10, caracterizado porque el medio portador de calor (17) está bajo presión en la fase de calentamiento y los medios de enfriamiento forzado presentan un dispositivo de alivio de presión (26.

2. 32) controlable para cada intercambiador de calor (16) .

12. Motor térmico según la reivindicación 11, caracterizado porque el dispositivo de alivio de presión (26.

2. 32) comprende un acumulador intermedio de vacío (29) que se puede conectar al intercambiador de calor (16) mediante una válvula de conmutación (26) controlable.