ES2851381B2 - Gas turbine operating with baro-thermal pulses and operating procedure - Google Patents
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Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Turbina de gas operando con pulsos baro-térmicos y procedimiento de operaciónGas turbine operating with baro-thermal pulses and operating procedure
Campo técnico de la invenciónTechnical field of the invention
La presente invención denominada "TURBINA DE GAS OPERANDO CON PULSOS BARO-TÉRMICOS Y PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN” pertenece al campo técnico de las plantas termoeléctricas que realizan la conversión de energía térmica a energía eléctrica vía turbina y generador eléctrico, utilizando calor de media o alta temperatura procedente de fuentes externas de calor procedentes de energía solar concentrada, nuclear, energía térmica de origen fósil como gas natural o hidrógeno o energía térmica residual de grado medio o alto. The present invention called "GAS TURBINE OPERATING WITH BARO-THERMAL PULSES AND OPERATING PROCEDURE" belongs to the technical field of thermoelectric plants that convert thermal energy to electrical energy via turbine and electric generator, using medium or high temperature heat. from external sources of heat from concentrated solar energy, nuclear, thermal energy of fossil origin such as natural gas or hydrogen or residual thermal energy of medium or high degree.
Objetivo de la invenciónPurpose of the invention
La presente invención denominada "TURBINA DE GAS OPERANDO CON PULSOS BARO-TÉRMICOS Y PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN”, tiene por objeto convertir la energía térmica procedente de una fuente de calor en trabajo mecánico y/o electricidad mediante la utilización de turbinas de gas que operan con pulsos barotérmicos (turbinas de gas que operan con pulsos de presión bajo un ciclo térmico basado en compensación entre presiones positivas y negativas) en circuito cerrado, las cuales se instalan acopladas mecánicamente ente sí mediante un eje común, donde su fluido térmico de trabajo es calentado y enfriado respectivamente mediante un fluido térmico de transferencia de calor tal como aceite térmico helio o hidrógeno y fluidos de enfriamiento o extracción de calor tales como agua o un fluido refrigerante. Pueden optativamente ser alimentadas con calor residual de media y/o alta temperatura, calor solar concentrado, calor de origen nuclear y calor de combustión generado con gas natural, hidrógeno o biocombustibles preferentemente.The present invention called "GAS TURBINE OPERATING WITH BARO-THERMAL PULSES AND OPERATING PROCEDURE", has the purpose of converting thermal energy from a heat source into mechanical work and/or electricity through the use of gas turbines that operate with barothermal pulses (gas turbines that operate with pressure pulses under a thermal cycle based on compensation between positive and negative pressures) in a closed circuit, which are installed mechanically coupled to each other through a common shaft, where their thermal working fluid is heated and cooled respectively by means of a heat transfer thermal fluid such as helium or hydrogen thermal oil and cooling or heat extraction fluids such as water or a cooling fluid They can optionally be fed with medium and/or high temperature residual heat, heat concentrated solar, heat from nuclear sources and heat of combustion generated with natural gas, hydrogen or bi or fuels preferably.
Antecedentes de la invenciónBackground of the invention
En las plantas termoeléctricas conocidas es común la utilización de turbinas para la conversión de energía térmica a mecánica las cuales utilizan ciclos Rankine con turbinas de vapor, ciclos Brayton con turbinas de gas, ciclos combinados entre ambas o ciclos Rankine orgánicos donde ambos funcionan mediante procesos termodinámicos abiertos.In known thermoelectric plants, it is common to use turbines for the conversion of thermal to mechanical energy, which use Rankine cycles with steam turbines, Brayton cycles with gas turbines, combined cycles between both or organic Rankine cycles where both work through thermodynamic processes. open.
En el caso de este invento, se propone una cascada de turbinas donde cada una de las cuales funciona con pulsos de presión asociados a la temperatura (pulsos barotérmicos) generados por adición isocórica de calor al fluido térmico de trabajo según un proceso térmico cerrado dentro de depósitos de acumulación de calor o reservorios térmicos y posterior expansión adiabática y/o contracción en la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos. En consecuencia, en el estado actual de la tecnología no se conocen turbinas que operen en circuito cerrado mediante pulsos de presión, ni ninguna técnica de generación que utilice la técnica descrita para este invento.In the case of this invention, a cascade of turbines is proposed, each of which works with pressure pulses associated with temperature (barothermal pulses) generated by isochoric addition of heat to the thermal working fluid according to a closed thermal process within heat accumulation deposits or thermal reservoirs and subsequent adiabatic expansion and/or contraction in the gas turbine operating at baro-thermal pulses. Consequently, in the current state of technology, there are no known turbines that operate in a closed circuit using pressure pulses, nor any generation technique that uses the technique described for this invention.
Descripción de la invenciónDescription of the invention
Breve descripción de la invenciónBrief description of the invention
El invento denominado "TURBINA DE GAS OPERANDO CON PULSOS BAROTÉRMICOS Y PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN”, consiste en una o más turbinas de gas de circuito cerrado para ser instaladas en plantas termo-mecánicas y termoeléctricas las cuales van acopladas mediante un eje común a todas las máquinas rotativas del sistema, donde cada una de las turbinas de gas, opera de modo intermitente en base a pulsos baro-térmicos, que consisten en pulsos positivos de presión asociados a la temperatura conseguida por adición de calor con calentamiento isocórico y/o pulsos de negativos presión asociados a la temperatura conseguida por extracción de calor con enfriamiento isocórico del fluido térmico de trabajo gaseoso llevados a cabo dentro de reservorios destinados a tal fin, y donde tales pulsos barotérmicos son aplicados a la turbina de gas bajo dos modalidades:The invention called "GAS TURBINE OPERATING WITH BAROTHERMAL PULSES AND OPERATING PROCEDURE", consists of one or more closed-circuit gas turbines to be installed in thermo-mechanical and thermoelectric plants, which are coupled by means of a common shaft to all the machines. rotaries of the system, where each of gas turbines, operates intermittently based on baro-thermal pulses, which consist of positive pressure pulses associated with the temperature achieved by adding heat with isochoric heating and/or negative pressure pulses associated with the temperature achieved by heat extraction with isochoric cooling of the gaseous working thermal fluid carried out inside reservoirs intended for this purpose, and where such barothermal pulses are applied to the gas turbine under two modalities:
- pulsos baro-térmicos positivos (presión mayor de una presión de equilibrio) aplicados desde los reservorios de alta presión y- positive baro-thermal pulses (pressure greater than an equilibrium pressure) applied from the high pressure reservoirs and
- pulsos baro-térmicos negativos (presión inferior a la presión de equilibrio) aplicados desde los reservorios de baja presión.- Negative baro-thermal pulses (pressure lower than equilibrium pressure) applied from low pressure reservoirs.
La razón de disponer de al menos dos depósitos para acumular el fluido térmico de trabajo calentado a volumen constante en la fuente de calor y enfriado en la zona del sumidero de calor, obedece al hecho de que permite generar pulsos de alta presión y temperatura de modo intermitente a la entrada de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos de modo intermitente y secuencial. Del mismo modo la razón de disponer de al menos dos depósitos para acumular el fluido térmico de trabajo enfriado a volumen constante en la zona del sumidero de calor obedece al hecho de que permite generar pulsos de baja presión y temperatura lo que produce pulsos de presión negativa de modo intermitente en la zona de evacuación de la turbina de gas a pulsos térmicos, que son aplicados en modo intermitente y secuencial, en sincronía con los pulsos baro-térmico positivos.The reason for having at least two tanks to accumulate the thermal working fluid, heated at a constant volume in the heat source and cooled in the heat sink area, is due to the fact that it allows the generation of high pressure and temperature pulses so intermittent at the inlet of the gas turbine operating at baro-thermal pulses intermittently and sequentially. In the same way, the reason for having at least two tanks to accumulate the thermal working fluid cooled at a constant volume in the area of the heat sink is due to the fact that it allows the generation of low pressure and temperature pulses, which produces negative pressure pulses. intermittently in the evacuation zone of the gas turbine to thermal pulses, which are applied intermittently and sequentially, in synchrony with the positive baro-thermal pulses.
En una de las posibles opciones de diseño de la turbina de gas operando a pulsos barotérmicos, por cada pulso baro-térmico de alta presión aplicado a la entrada de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos, se aplica un pulso de presión negativa en la zona de evacuación de la turbina de gas operando a pulsos baro térmicos sincronizado con el de alta presión. Con la aplicación de ambos pulsos de presiones positiva y negativa simultáneamente entre las zonas de alta y baja presión de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos se consigue una significativa diferencia de presión entre la entrada y salida de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos, generando al principio de cada pudo baro-térmico un par de rotación significativamente alto, el cual se atenúa a medida que se expande el fluido térmico de trabajo dentro de la turbina de gas a pulsos térmicos.In one of the possible design options for the gas turbine operating at barothermal pulses, for each high pressure barothermal pulse applied to the inlet of the gas turbine operating at barothermal pulses, a negative pressure pulse is applied. in the evacuation zone of the gas turbine operating at baro-thermal pulses synchronized with the high pressure pulse. With the application of both positive and negative pressure pulses simultaneously between the high and low pressure zones of the gas turbine operating at baro-thermal pulses, a significant pressure difference between the inlet and outlet of the gas turbine operating at baro-thermal pulses is achieved. baro-thermal pulses, generating at the beginning of each baro-thermal pulse a significantly high torque, which is attenuated as the thermal working fluid expands inside the gas turbine to thermal pulses.
En otra de las posibles opciones de diseño de la turbina de gas operando a pulsos barotérmicos, por cada pulso baro-térmico de alta presión aplicado a la entrada de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos, no se aplica un pulso de presión negativa en la zona de evacuación de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos sino que se realiza el proceso de extracción de calor hacia el sumidero bajo la presión y temperatura de referencia. In another of the possible design options of the gas turbine operating at barothermal pulses, for each high pressure baro-thermal pulse applied to the inlet of the gas turbine operating at barothermal pulses, a pressure pulse is not applied. negative in the evacuation zone of the gas turbine operating at baro-thermal pulses but instead the heat extraction process is carried out towards the sump under the reference pressure and temperature.
Con la aplicación de pulsos de presiones positiva solamente en la zona de alta presión de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos se consigue solamente la diferencia de presión entre la entrada y salida de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos sometida a la presión de equilibrio con la que evacúa al sumidero de calor. Por tanto, en este caso el efecto de cada pulso baro-térmico da lugar un par de rotación menor que en el caso de la opción de pulsos baro-térmicos positivos y negativos simultáneamente.With the application of positive pressure pulses only in the high pressure zone of the gas turbine operating at baro-thermal pulses, only the difference in pressure between the inlet and outlet of the gas turbine operating at baro-thermal pulses is achieved. to the equilibrium pressure with which it evacuates to the heat sink. Therefore, in this case the effect of each baro-thermal pulse gives rise to a lower torque than in the case of the option of simultaneously positive and negative baro-thermal pulses.
El fluido térmico de trabajo sometido a alta temperatura y a su correspondiente presión dentro de cada reservorio de alta presión, una vez liberado en forma de pulso se expande adiabáticamente dentro de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (donde el proceso de expansión adiabático se aproxima a un proceso cuasi-isotérmico de expansión debido a que el calor acumulado en el metal de cada depósito de calentamiento isocórica así como en su respectivo intercambiador de calor asociado, transfieren calor al fluido térmico de trabajo durante el proceso de expansión en teoría adiabático, y del mismo modo, cada depósito de enfriamiento isocórica así como en su respectivo intercambiador de calor o enfriador asociado, transfieren calor desde el fluido térmico de extracción de calor durante el proceso de expansión adiabática en teoría), generando trabajo mecánico útil susceptible de ser convertido a energía eléctrica vía energía mecánica.The thermal working fluid subjected to high temperature and its corresponding pressure inside each high pressure reservoir, once released in the form of a pulse, expands adiabatically inside the gas turbine operating at baro-thermal pulses (where the adiabatic expansion process approaches a quasi-isothermal process of expansion because the heat accumulated in the metal of each isochoric heating reservoir as well as in its respective associated heat exchanger, transfer heat to the thermal fluid of work during the adiabatic expansion process in theory, and in the same way, each isochoric cooling tank as well as in its respective heat exchanger or associated cooler, transfer heat from the heat extraction thermal fluid during the adiabatic expansion process in theory ), generating useful mechanical work that can be converted to electrical energy via mechanical energy.
De modo general, cuando uno de los depósitos reservorios de fluido térmico de trabajo sometido a alta presión por haber sido calentado a volumen constante es aplicado a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos se expande, después de expandirse, lo que conlleva la disminución de presión hasta el nivel de la presión intermedia de referencia, tal reservorio es aislado de la turbina de gas operando a pulsos barotérmicos, con lo cual entra en operación el siguiente depósito reservorio de calentamiento con fluido térmico de trabajo a alta temperatura y presión correspondiente, de manera que cuando uno de los depósitos de calentamiento isocórico se halla en el proceso expansión, los demás depósitos se hallan en la fase de calentamiento isocórico. Del mismo modo general, cuando uno de los depósitos reservorios de fluido de trabajo a baja presión, después de contraerse por haber sido enfriado a volumen constante se comunica con la zona de evacuación de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos, lo que conlleva el incremento de presión desde la mínima presión alcanzada por enfriamiento isocórica hasta el nivel de la presión intermedia de referencia, entonces es aislado de la turbina de gas a pulsos térmicos, dando lugar a que entre a operar el siguiente depósito de fluido térmico de trabajo de baja temperatura y presión correspondiente, de manera que cuando uno de los depósitos de enfriamiento isocórico se halla en el proceso de trabajo en comunicación con la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos, los demás depósitos de fluido térmico de trabajo de baja temperatura y presión, se hallan aislados de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos y en la fase de enfriamiento isocórico por extracción de isocórica de calor hacia el sumidero de calor.In general, when one of the thermal working fluid reservoir tanks subjected to high pressure due to having been heated at constant volume is applied to the gas turbine operating at baro-thermal pulses, it expands, after expanding, which entails the decrease in pressure to the level of the intermediate reference pressure, such reservoir is isolated from the gas turbine operating at barothermal pulses, with which the following heating reservoir tank with thermal working fluid at high temperature and corresponding pressure comes into operation , so that when one of the isochoric heating tanks is in the expansion process, the other tanks are in the isochoric heating phase. In the same general way, when one of the low pressure working fluid reservoir tanks, after contracting due to having been cooled at constant volume, communicates with the gas turbine evacuation zone operating at baro-thermal pulses, which entails the increase in pressure from the minimum pressure reached by isochoric cooling to the level of the reference intermediate pressure, then it is isolated from the gas turbine by thermal pulses, giving rise to the next thermal working fluid deposit to start operating of low temperature and corresponding pressure, so that when one of the isochoric cooling tanks is in the process of working in communication with the gas turbine operating at baro-thermal pulses, the other low-temperature working thermal fluid tanks and pressure, are isolated from the gas turbine operating at baro-thermal pulses and in the isochoric cooling phase by extraction of isochoric d e heat to the heat sink.
Descripción de las figurasDescription of the figures
En lo que sigue se describe a modo ilustrativo y no limitativo, los componentes que constituyen el invento denominado “TURBINA DE GAS OPERANDO CON PULSOS BARO-TÉRMICOS Y PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN”, para facilitar la comprensión de su estructura y funcionamiento, donde se hace referencia a las siguientes figuras:In what follows, the components that constitute the invention called "GAS TURBINE OPERATING WITH BARO-THERMAL PULSES AND OPERATION PROCEDURE" are described by way of illustration and not limitation, to facilitate the understanding of its structure and operation, where reference is made to the following figures:
La figura 1 muestra la estructura de un módulo de potencia (40) operando con turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos aplicados a la entrada de la turbina la cual consta al menos dos depósitos reservorios de calentamiento isocórico de alta presión para facilitar los impulsos de alta presión, y un solo depósito de enfriamiento a temperatura ambiente con los que opera la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos la cual incluye al menos los siguientes componentes:Figure 1 shows the structure of a power module (40) operating with a gas turbine operating with baro-thermal pulses applied to the turbine inlet, which consists of at least two high-pressure isochoric heating reservoir tanks to facilitate the impulses. of high pressure, and a single cooling tank at room temperature with which the gas turbine operates, operating at baro-thermal pulses, which includes at least the following components:
- conducto de suministro (1) del fluido térmico de transferencia de calor- supply pipe (1) of the thermal heat transfer fluid
- conducto de retorno (2) del fluido térmico de transferencia de calor- return duct (2) of the heat transfer thermal fluid
- conducto de suministro (3) del fluido térmico de extracción de calor- supply pipe (3) of the heat extraction thermal fluid
- conducto de retorno (4) del fluido térmico de extracción de calor- return duct (4) of the heat extraction thermal fluid
- calentador del fluido térmico de trabajo de alta presión (10)- high pressure working thermal fluid heater (10)
- compresor de recirculación del fluido térmico de trabajo de convección forzada (11)- forced convection working thermal fluid recirculation compressor (11)
- depósito reservorio de alta presión por adición de calor a volumen constante (12)- high pressure reservoir tank by heat addition at constant volume (12)
- válvula de descarga (13) del fluido térmico de trabajo a alta presión a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26)- discharge valve (13) of the thermal working fluid at high pressure to the gas turbine operating at baro-thermal pulses (26)
- calentador del fluido térmico de trabajo (14)- working thermal fluid heater (14)
- compresor de recirculación del fluido térmico de trabajo de convección forzada (15)- forced convection working thermal fluid recirculation compressor (15)
- depósito reservorio de alta presión por adición de calor a volumen constante (16) - high pressure reservoir tank by heat addition at constant volume (16)
- válvula de descarga (17) del fluido térmico de trabajo a alta presión a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26)- discharge valve (17) of the thermal working fluid at high pressure to the gas turbine operating at baro-thermal pulses (26)
- enfriador del fluido térmico de trabajo de baja presión (29)- low pressure thermal working fluid cooler (29)
- compresor de recirculación del fluido térmico de trabajo de convección forzada (19)- forced convection working thermal fluid recirculation compressor (19)
- turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) conectada mediante eje a un generador eléctrico (27)- gas turbine operating at baro-thermal pulses (26) connected by shaft to an electric generator (27)
- recuperador de calor (28) que consiste en un intercambiador de calor para aprovechar el calor residual evacuado por la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26)- heat recovery unit (28) consisting of a heat exchanger to take advantage of the residual heat evacuated by the gas turbine operating at baro-thermal pulses (26)
- válvula de descarga del fluido térmico de trabajo (31) hacia el depósito (12) de alta presión - válvula de descarga del fluido térmico de trabajo (33) hacia el depósito (16) de alta presión - compresor de alimentación del fluido térmico de trabajo (34)- thermal working fluid discharge valve (31) towards the high pressure tank (12) - thermal working fluid discharge valve (33) towards the high pressure tank (16) - thermal fluid supply compressor work (34)
- entrada (38) del fluido térmico de recuperación de calor al recuperador de calor (28)- inlet (38) of the heat recovery thermal fluid to the heat recovery unit (28)
- retorno (39) del fluido térmico de recuperación de calor del recuperador de calor (28)- return (39) of the heat recovery thermal fluid from the heat recovery unit (28)
La figura 2 representa los diagramas T-s (temperatura-entropía) y p-V (presión-volumen) del ciclo térmico correspondiente al módulo de potencia (40) operando con turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos aplicados a la entrada de la turbina.Figure 2 represents the T-s (temperature-entropy) and p-V (pressure-volume) diagrams of the thermal cycle corresponding to the power module (40) operating with a gas turbine operating with baro-thermal pulses applied to the turbine inlet.
La figura 3 representa la estructura de un módulo de potencia (41) operando con turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos a la entrada y salida de la turbina, cuya estructura consta al menos dos depósitos reservorios de alta presión de calentamiento isocórico por adición de calor y dos depósitos reservorios de baja presión de enfriamiento isocórico por extracción de calor, los cuales facilitan los pulsos de presión positiva y negativa simultáneamente aplicados con los que opera la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos, la cual incluye al menos los siguientes componentes:Figure 3 represents the structure of a power module (41) operating with a gas turbine operating at baro-thermal pulses at the inlet and outlet of the turbine, whose structure consists of at least two high-pressure reservoir tanks with isochoric heating by addition. of heat and two low-pressure reservoir tanks for isochoric cooling by heat extraction, which facilitate the simultaneously applied positive and negative pressure pulses with which the gas turbine operates operating at baro-thermal pulses, which includes at least the following components:
- conducto de suministro (1) del fluido térmico de transferencia de calor- supply pipe (1) of the thermal heat transfer fluid
- conducto de retorno (2) del fluido térmico de transferencia de calor- return duct (2) of the heat transfer thermal fluid
- conducto de suministro (3) del fluido térmico de extracción de calor- supply pipe (3) of the heat extraction thermal fluid
- conducto de retorno (4) del fluido térmico de extracción de calor- return duct (4) of the heat extraction thermal fluid
- calentador del fluido térmico de trabajo de alta presión (10)- high pressure working thermal fluid heater (10)
- compresor de recirculación del fluido térmico de trabajo de convección forzada (11)- forced convection working thermal fluid recirculation compressor (11)
- depósito reservorio de alta presión por adición de calor a volumen constante (12)- high pressure reservoir tank by heat addition at constant volume (12)
- válvula de descarga (13) del fluido térmico de trabajo a alta presión a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26)- discharge valve (13) of the thermal working fluid at high pressure to the gas turbine operating at baro-thermal pulses (26)
- calentador del fluido térmico de trabajo (14)- working thermal fluid heater (14)
- compresor de recirculación del fluido térmico de trabajo de convección forzada (15)- forced convection working thermal fluid recirculation compressor (15)
- depósito reservorio de alta presión por adición de calor a volumen constante (16)- high pressure reservoir tank by heat addition at constant volume (16)
- válvula de descarga (17) del fluido térmico de trabajo a alta presión a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26)- discharge valve (17) of the thermal working fluid at high pressure to the gas turbine operating at baro-thermal pulses (26)
- enfriador del fluido térmico de trabajo de baja presión (29)- low pressure thermal working fluid cooler (29)
- compresor de recirculación del fluido térmico de trabajo de convección forzada (19)- forced convection working thermal fluid recirculation compressor (19)
- depósito reservorio de baja presión por extracción de calor a volumen constante (20)- low pressure reservoir tank by heat extraction at constant volume (20)
- válvula de evacuación (21) del fluido térmico de trabajo a baja presión de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) hacia el depósito (20)- Evacuation valve (21) of the thermal working fluid at low pressure from the gas turbine operating at baro-thermal pulses (26) towards the tank (20)
- enfriador del fluido térmico de trabajo de baja presión (22)- low pressure thermal working fluid cooler (22)
- compresor de recirculación del fluido térmico de trabajo de convección forzada (23)- forced convection working thermal fluid recirculation compressor (23)
- depósito reservorio de baja presión por extracción de calor a volumen constante (24)- low pressure reservoir tank by heat extraction at constant volume (24)
- válvula de evacuación (25) del fluido térmico de trabajo a baja presión de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) hacia el depósito (24)- Evacuation valve (25) of the thermal working fluid at low pressure from the gas turbine operating at baro-thermal pulses (26) towards the tank (24)
- turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) conectada mediante eje a un generador eléctrico (27)- gas turbine operating at baro-thermal pulses (26) connected by shaft to an electric generator (27)
- válvula de succión del fluido térmico de trabajo (30) desde el depósito (20) de baja presión - válvula de descarga del fluido térmico de trabajo (31) hacia el depósito (12) de alta presión - válvula de succión del fluido térmico de trabajo (32) desde el depósito (24) de baja presión - válvula de descarga del fluido térmico de trabajo (33) hacia el depósito (16) de alta presión - compresor de alimentación del fluido térmico de trabajo (34)- suction valve for the thermal working fluid (30) from the low pressure tank (20) - discharge valve for the thermal working fluid (31) towards the high pressure tank (12) - suction valve for the thermal working fluid (32) from the low pressure tank (24) - discharge valve for the thermal working fluid (33) to the high pressure tank (16) - working thermal fluid feed compressor (34)
La figura 4 representa los diagramas T-s (temperatura-entropía) y p-V (presión-volumen) del ciclo térmico correspondiente al módulo de potencia (41) operando con turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos aplicados a la entrada y salida de la turbina, donde la adición y extracción de calor son realizadas mediante un proceso isocórico.Figure 4 represents the T-s (temperature-entropy) and p-V (pressure-volume) diagrams of the thermal cycle corresponding to the power module (41) operating with a gas turbine operating at baro-thermal pulses applied to the inlet and outlet of the turbine. , where the addition and extraction of heat are performed by an isochoric process.
La figura 5 representa los diagramas T-s (temperatura-entropía) y p-V (presión-volumen) del ciclo térmico correspondiente al módulo de potencia (41) operando con turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos aplicados a la entrada y salida de la turbina, donde la adición y extracción de calor son realizadas mediante un proceso isocórico siguiendo un proceso isotérmico.Figure 5 represents the T-s (temperature-entropy) and p-V (pressure-volume) diagrams of the thermal cycle corresponding to the power module (41) operating with a gas turbine operating at baro-thermal pulses applied to the inlet and outlet of the turbine. , where the addition and extraction of heat are performed by an isochoric process following an isothermal process.
La figura 6 muestra el diagrama de pulsos presión-tiempo (presión de los pulsos baro-térmicos aplicados en la entrada de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) en función del tiempo). Los reservorios del fluido térmico de trabajo de alta presión (10) y (14), a consecuencia de la adición previa de calor añadido a volumen constante, proporcionan pulsos de presión de modo intermitente a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos. En el reservorio de baja presión 18 se efectúa extracción de calor provocando el enfriamiento a presión constante del fluido térmico de trabajo.Figure 6 shows the pressure-time pulse diagram (pressure of the baro-thermal pulses applied at the inlet of the gas turbine operating at baro-thermal pulses (26) as a function of time). The high-pressure thermal working fluid reservoirs (10) and (14), as a result of the prior addition of heat added at constant volume, intermittently provide pressure pulses to the gas turbine operating at baro-thermal pulses. In the low pressure reservoir 18, heat extraction is carried out causing the cooling at constant pressure of the thermal working fluid.
La figura 7 muestra el diagrama de pulsos presión-tiempo (presión de los pulsos baro-térmicos aplicados en la entrada y en la salida de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos en función del tiempo). Los reservorios del fluido térmico de trabajo de alta presión (10) y (14), a consecuencia de la adición previa de calor añadido a volumen constante, proporcionan pulsos de presión de modo intermitente a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos. Los reservorios del fluido térmico de trabajo de baja presión (18) y (22), a consecuencia de la extracción previa de calor a volumen constante, proporcionan pulsos de baja presión de modo intermitente a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos en sincronía con los pulsos de baja presión, lo cual provoca una significativa diferencia de presión entre las presiones a la entrada y la salida de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos.Figure 7 shows the pressure-time pulse diagram (pressure of the baro-thermal pulses applied at the inlet and outlet of the gas turbine operating at baro-thermal pulses as a function of time). The high-pressure thermal working fluid reservoirs (10) and (14), as a result of the prior addition of heat added at constant volume, intermittently provide pressure pulses to the gas turbine operating at baro-thermal pulses. The reservoirs of the low pressure thermal working fluid (18) and (22), as a result of the previous extraction of heat at constant volume, intermittently provide low pressure pulses to the gas turbine operating at baro-thermal pulses in synchrony with the low pressure pulses, which causes a significant pressure difference between the pressures at the inlet and outlet of the gas turbine operating at baro-thermal pulses.
La figura 8 muestra los esquemas simplificados de los módulos de potencia (40) y (41). En la figura 8 (a) se muestra el esquema simplificado del módulo de potencia (40) mostrando los conductos de entrada y retorno (1) y (2) para la adición de calor, así como los conductos de entrada y retorno (38) y (39) de fluido de transferencia de calor del recuperador de calor y los conductos de entrada y retorno (3) y (4) del fluido de transferencia de calor para la extracción de calor (3) y (4) hacia un sumidero térmico.Figure 8 shows the simplified diagrams of the power modules (40) and (41). Figure 8 (a) shows the simplified diagram of the power module (40) showing the input and return ducts (1) and (2) for the addition of heat, as well as the input and return ducts (38). and (39) of heat transfer fluid from the heat recovery unit and the inlet and return ducts (3) and (4) of the heat transfer fluid for heat extraction (3) and (4) towards a thermal sink .
En la figura 8 (b) se muestra el esquema simplificado del módulo de potencia (41) mostrando los conductos de entrada y retorno (1) y (2) para la adición de calor y los conductos de entrada y retorno (3) y (4) del fluido de transferencia de calor para la extracción de calor (3) y (4) hacia un sumidero térmico.Figure 8 (b) shows the simplified diagram of the power module (41) showing the input and return ducts (1) and (2) for the addition of heat and the input and return ducts (3) and ( 4) of the heat transfer fluid for heat extraction (3) and (4) to a thermal sink.
La figura 9 representa en 9(a) el esquema simplificado del módulo de potencia (40) correspondiente al módulo de potencia (40) mostrado en 9(b), el cual consiste en la estructura de un módulo de potencia (40) operando con turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos aplicados a la entrada de la turbina (26), la cual consta al menos dos depósitos reservorios (12) y (16) de calentamiento isocórico de alta presión para facilitar los impulsos de alta presión, y un solo depósito (29) de enfriamiento isobárico a temperatura ambiente con los que opera la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26). Para capturar el calor suministrado desde una fuente de calor externa mediante el intercambiador (50), incluye una bomba (60) de recirculación del fluido térmico de transferencia de calor según se muestra en la figura 9 (a). Figure 9 represents in 9(a) the simplified diagram of the power module (40) corresponding to the power module (40) shown in 9(b), which consists of the structure of a power module (40) operating with gas turbine operating at baro-thermal pulses applied to the turbine inlet (26), which consists of at least two reservoir tanks (12) and (16) of high pressure isochoric heating to facilitate high pressure pulses, and a single tank (29) for isobaric cooling at room temperature with which the gas turbine operating at baro-thermal pulses (26). To capture the heat supplied from an external heat source through the exchanger (50), it includes a pump (60) for recirculating the heat transfer thermal fluid as shown in Figure 9 (a).
La figura 10 representa en 10 (a) el esquema simplificado del módulo de potencia (41) correspondiente al esquema detallado del módulo de potencia (41) mostrado en 10 (b), el cual consiste en la estructura de un módulo de potencia (41) operando con turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos aplicados a la entrada de la turbina (26), la cual consta de al menos - dos depósitos reservorios (12) y (16) de calentamiento isocórico de alta presión para facilitar los impulsos de alta presión, y al menosFigure 10 represents at 10 (a) the simplified diagram of the power module (41) corresponding to the detailed diagram of the power module (41) shown at 10 (b), which consists of the structure of a power module (41 ) operating with a gas turbine operating at baro-thermal pulses applied to the inlet of the turbine (26), which consists of at least - two reservoir tanks (12) and (16) of high pressure isochoric heating to facilitate the impulses high pressure, and at least
- dos depósitos reservorios (20) y (24) de enfriamiento isocórico de baja presión para facilitar los impulsos negativos de alta presión.- two reservoir tanks (20) and (24) for low pressure isochoric cooling to facilitate high pressure negative impulses.
Donde el módulo de potencia mostrado en la figura 10 (a) incluye al menos los siguientes componentes:Where the power module shown in figure 10 (a) includes at least the following components:
- conducto de suministro (1) del fluido térmico de transferencia de calor- supply pipe (1) of the thermal heat transfer fluid
- conducto de retorno (2) del fluido térmico de transferencia de calor- return duct (2) of the heat transfer thermal fluid
- conducto de suministro (3) del fluido térmico de extracción de calor- supply pipe (3) of the heat extraction thermal fluid
- conducto de retorno (4) del fluido térmico de extracción de calor- return duct (4) of the heat extraction thermal fluid
La figura 11 muestra la estructura de una planta formada por varios módulos de potencia (40) acoplados en paralelo con respecto al fluido de transferencia de calor utilizado en la alimentación de los módulos del tipo (40)Figure 11 shows the structure of a plant made up of several power modules (40) coupled in parallel with respect to the heat transfer fluid used to feed the modules of the type (40).
La figura 12 muestra la estructura de una planta formada por varios módulos de potencia (40) acoplados en serie con respecto al fluido de transferencia de calor utilizado en la alimentación de los módulos del tipo (40).Figure 12 shows the structure of a plant made up of several power modules (40) coupled in series with respect to the heat transfer fluid used to feed the modules of the type (40).
La figura 13 muestra la estructura de una planta formada por módulos de potencia (41) acoplados en paralelo con respecto al fluido de transferencia de calor utilizado en la alimentación de los módulos del tipo (41)Figure 13 shows the structure of a plant made up of power modules (41) coupled in parallel with respect to the heat transfer fluid used to feed the modules of the type (41).
La figura 14 muestra la estructura de una planta formada por módulos de potencia (41) acoplados en serie con respecto al fluido de transferencia de calor utilizado en la alimentación de los módulos del tipo (41).Figure 14 shows the structure of a plant made up of power modules (41) coupled in series with respect to the heat transfer fluid used to feed the modules of the type (41).
La figura 15 muestra el esquema del sistema de recuperación de calor para un módulo de potencia (41) mediante bomba de calor implementada bajo un ciclo Brayton inverso, la cual incluye los siguientes componentes:Figure 15 shows the schematic of the heat recovery system for a power module (41) by means of a heat pump implemented under an inverse Brayton cycle, which includes the following components:
- intercambiador de calor (50) de refuerzo térmico a la bomba de calor, el cual capta calor de una fuente de calor externa para reforzar el suministro de la energía de calentamiento al módulo de potencia (41) por el conducto (1)- heat exchanger (50) for thermal reinforcement to the heat pump, which captures heat from an external heat source to reinforce the supply of heating energy to the power module (41) through the duct (1)
- intercambiador de calor (51) de recuperación de calor residual procedente del módulo (41) efectuada por la succión del compresor (53) del ciclo Brayton inverso correspondiente a la bomba de calor- heat exchanger (51) for recovery of residual heat from the module (41) carried out by the suction of the compressor (53) of the inverse Brayton cycle corresponding to the heat pump
- intercambiador de calor (52) de sub-enfriamiento del fluido térmico de transferencia de calor desde el módulo (41) al sumidero térmico.- heat exchanger (52) for sub-cooling of the thermal fluid for heat transfer from the module (41) to the thermal sink.
- compresor (53) del ciclo Brayton inverso que conforma la bomba de calor.- compressor (53) of the inverse Brayton cycle that forms the heat pump.
- expansor (54) del ciclo Brayton inverso que conforma la bomba de calor.- expander (54) of the inverse Brayton cycle that forms the heat pump.
- conducto de suministro de calor (55) por medio del fluido térmico de transferencia de calor - conducto de retorno de calor (56) por medio del fluido térmico de transferencia de calor La figura 16 muestra el esquema de acoplamiento en paralelo de sistemas de recuperación de calor para módulos de potencia (41) mediante bomba de calor implementada bajo el ciclo Brayton inverso, donde el calor suministrado desde una fuente de calor externa entra en paralelo por el conducto (55) a cada intercambiador de calor (50) de refuerzo térmico a la bomba de calor de cada módulo de potencia (41), saliendo hacia la fuente de calor externa por el conducto (56).- heat supply duct (55) by means of the thermal heat transfer fluid - heat return duct (56) by means of the thermal heat transfer fluid Figure 16 shows the parallel coupling scheme of heat recovery systems for power modules (41) by means of a heat pump implemented under the inverse Brayton cycle, where the heat supplied from an external heat source enters in parallel through the duct (55) to each thermal reinforcement heat exchanger (50) to the heat pump of each power module (41), exiting towards the external heat source through the duct (56).
La figura 17 muestra el esquema de acoplamiento en serie de sistemas de recuperación de calor en plantas formadas por módulos de potencia (41) mediante bomba de calor implementada bajo el ciclo Brayton inverso, donde el calor suministrado desde una fuente de calor externa entra por el conducto (55) al primer intercambiador de calor (50) de refuerzo térmico a la bomba de calor del primer módulo de potencia, pasando seguidamente al segundo intercambiador de calor (50) de refuerzo térmico a la bomba de calor del segundo módulo de potencia para salir por el conducto (56) hacia la fuente de calor externa.Figure 17 shows the series coupling scheme of heat recovery systems in plants formed by power modules (41) by means of a heat pump implemented under the inverse Brayton cycle, where the heat supplied from an external heat source enters through the duct (55) to the first heat exchanger (50) for thermal reinforcement to the heat pump of the first power module, then passing to the second heat exchanger (50) for thermal reinforcement to the heat pump of the second power module for out via conduit (56) to the external heat source.
Descripción detallada de la invenciónDetailed description of the invention
El invento denominado “TURBINA DE GAS OPERANDO CON PULSOS BARO-TÉRMICOS Y PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN”, consiste en una o más turbinas de gas a pulsos barotérmicos de circuito cerrado, que funcionan mediante pulsos de presión y que están destinadas a plantas termo-mecánicas y termo-eléctricas, donde las turbinas de gas a pulsos barotérmicos van acopladas entre si mediante un eje común a todas las máquinas rotativas de la planta, y donde cada una de las turbinas de gas opera de modo intermitente en base a la aplicación de pulsos baro-térmicos, que consisten en pulsos positivos de presión (alta presión del fluido térmico de trabajo) asociados a la temperatura del fluido térmico de trabajo, donde tanto la presión como la temperatura son conseguidas por adición isocórica de calor al fluido térmico de trabajo, así como la aplicación de pulsos baro-térmicos negativos, que consisten en pulsos negativos de presión (baja presión del fluido térmico de trabajo) asociados a la temperatura del fluido térmico de trabajo, lo que conlleva enfriamiento del fluido térmico de trabajo, y donde ambos pulsos baro-térmicos (positivos y negativos) son llevados a cabo dentro de depósitos reservorios de alta presión para pulsos positivos y dentro de depósitos reservorios de baja presión para pulsos negativos, y donde tales pulsos baro-térmicos positivos y negativos son aplicados simultáneamente a la turbina de gas a impulsos baro-térmicos bajo dos modalidades:The invention called "GAS TURBINE OPERATING WITH BARO-THERMAL PULSES AND OPERATING PROCEDURE", consists of one or more gas turbines with closed circuit barothermic pulses, which work by means of pressure pulses and which are intended for thermo-mechanical plants and thermo-electric plants, where the barothermal pulse gas turbines are coupled to each other by means of a shaft common to all the rotating machines of the plant, and where each of the gas turbines operates intermittently based on the application of barothermal pulses -thermal, which consist of positive pressure pulses (high pressure of the thermal working fluid) associated with the temperature of the thermal working fluid, where both pressure and temperature are achieved by isochoric addition of heat to the thermal working fluid, as well such as the application of negative baro-thermal pulses, which consist of negative pressure pulses (low pressure of the thermal working fluid) associated with the temperature of the fluid or thermal work, which entails cooling of the thermal working fluid, and where both baro-thermal pulses (positive and negative) are carried out inside high pressure reservoir tanks for positive pulses and inside low pressure reservoir tanks for negative pulses, and where such positive and negative baro-thermal pulses are simultaneously applied to the gas turbine to baro-thermal pulses under two modalities:
- pulsos baro-térmicos positivos (presión mayos de una presión de equilibrio) aplicados desde los reservorios de alta presión donde se expanden en la turbina dando trabajo mecánico y - pulsos baro-térmicos negativos (presión inferior a la presión de equilibrio) aplicados desde los reservorios de baja presión en la zona de evacuación de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos, y- positive baro-thermal pulses (pressure greater than equilibrium pressure) applied from the high pressure reservoirs where they expand in the turbine giving mechanical work and - negative baro-thermal pulses (pressure less than equilibrium pressure) applied from the low pressure reservoirs in the evacuation zone of the gas turbine operating at baro-thermal pulses, and
donde la diferencia de presiones entre la presión de los pulsos positivos y los pulsos negativos da lugar a la realización de trabajo mecánico en la turbina de gas operando a pulsos barotérmicos y,where the pressure difference between the pressure of the positive pulses and the negative pulses gives rise to the performance of mechanical work in the gas turbine operating at barothermal pulses and,
donde el fluido térmico de trabajo evacuado desde la turbina de gas operando a pulsos barotérmicos hacia los depósitos reservorios de baja presión es transferido de nuevo hacia los depósitos reservorios de alta presión, cerrando así el circuito para repetir el ciclo indefinidamente y,where the thermal working fluid evacuated from the gas turbine operating at barothermal pulses to the low pressure reservoir tanks is transferred again to the high pressure reservoir tanks, thus closing the circuit to repeat the cycle indefinitely and,
donde la energía térmica necesaria para generar los pulsos baro-térmicos puede proceder opcionalmente tanto de calor residual de grado medio o alto, como de la combustión externa de hidrógeno, gas natural o biocombustibles, como de la energía nuclear y como de la solar concentrada ywhere the thermal energy necessary to generate the baro-thermal pulses can optionally come from both medium or high grade residual heat, as well as from the external combustion of hydrogen, natural gas or biofuels, as well as nuclear energy and concentrated solar energy and
donde el fluido térmico de trabajo tiene que caracterizarse por un elevado coeficiente de expansión adiabática y elevado calor específico, preferentemente el helio. where the thermal working fluid must be characterized by a high coefficient of adiabatic expansion and high specific heat, preferably helium.
El principio de funcionamiento de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos se funda en que la adición de calor a volumen constante y proceso cerrado a un fluido térmico de trabajo confinado en un reservorio provoca el incremento de temperatura y presión correspondiente dentro del reservorio. Si en estas condiciones se provoca la descarga instantánea del fluido térmico de trabajo a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos, la turbina responde con un movimiento de rotación debido al par ejercido por el fluido térmico de trabajo al expandirse. A medida que el fluido térmico de trabajo se expande adiabáticamente, disminuye su presión y temperatura hasta alcanzar el equilibrio entre presiones (presión de entrada y salida de la turbina).The operating principle of the gas turbine operating at baro-thermal pulses is based on the fact that the addition of heat at a constant volume and closed process to a thermal working fluid confined in a reservoir causes an increase in temperature and corresponding pressure within the reservoir. . If, under these conditions, instantaneous discharge of the thermal working fluid is caused to the gas turbine operating at baro-thermal pulses, the turbine responds with a rotational movement due to the torque exerted by the thermal working fluid when it expands. As the thermal working fluid expands adiabatically, its pressure and temperature decrease until reaching equilibrium between pressures (turbine inlet and outlet pressure).
Cuando se alcanza el equilibrio entre presiones de entrada y salida, el par de rotación se anula, y para que continúe la rotación de la turbina y continúe realizando trabajo mecánico es necesario la aplicación del siguiente pulso baro-térmico y así indefinidamente.When equilibrium is reached between inlet and outlet pressures, the rotation torque is cancelled, and for the turbine to continue rotating and continue performing mechanical work, it is necessary to apply the next baro-thermal pulse and so on indefinitely.
Cuando la presión del depósito reservorio de alta presión alcanza la presión de equilibrio por expansión, pierde la capacidad para realizar trabajo mecánico, por lo cual es necesario recuperar de nuevo la presión inicial mediante la adición isocórica de calor. La fase de adición isocórica de calor requiere de tiempo para la transferencia de calor desde el fluido de transferencia de calor al fluido térmico de trabajo. Durante el intervalo de tiempo requerido para el calentamiento isocórico del fluido térmico de trabajo confinado dentro del depósito reservorio de alta presión no se aporta energía a la turbina desde este reservorio. Por lo tanto, es necesario al menos otro reservorio de alta presión para relevar a éste durante el intervalo inactivo. Así que para que la turbina opere continuamente con pulsos baro-térmicos se necesitan al menos dos reservorios de alta presión para que al finalizar cada pulso barotérmico generado desde un reservorio, comience el siguiente pulso baro-térmico desde al menos otro reservorio alternativo.When the pressure of the high pressure reservoir tank reaches the equilibrium pressure due to expansion, it loses the capacity to perform mechanical work, for which it is necessary to recover the initial pressure again by means of the isochoric addition of heat. The isochoric heat addition phase requires time for heat transfer from the heat transfer fluid to the thermal working fluid. During the time interval required for the isochoric heating of the thermal working fluid confined within the high pressure reservoir tank, no energy is supplied to the turbine from this reservoir. Therefore, at least one other high pressure reservoir is needed to take over from this one during the idle interval. So for the turbine to operate continuously with baro-thermal pulses, at least two high-pressure reservoirs are needed so that at the end of each barothermal pulse generated from one reservoir, the next baro-thermal pulse begins from at least one other alternate reservoir.
La estructura de turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos que satisface la condición de disponer de dos reservorios de alta presión para que al finalizar cada pulso baro-térmico generado desde un reservorio, comience el siguiente pulso baro-térmico desde al menos otro reservorio alternativo, se muestra en las figuras 1 y 3, en donde la estructura de turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos mostrada en las figuras 1 y 3, da lugar a dos módulos de potencia que incluyen la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos:The gas turbine structure operating at baro-thermal pulses that satisfies the condition of having two high-pressure reservoirs so that at the end of each baro-thermal pulse generated from one reservoir, the next baro-thermal pulse begins from at least another reservoir alternatively, it is shown in figures 1 and 3, where the gas turbine structure operating at baro-thermal pulses shown in figures 1 and 3, gives rise to two power modules that include the gas turbine operating at baro-thermal pulses -thermal:
- Módulo de potencia (40) representado por la figura 1 operando con turbina de gas a pulsos baro-térmicos aplicados a la entrada de la turbina, cuya estructura está caracterizada por la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos, la cual opera con impulsos de presión a intervalos intermitentes de tiempo, y que consta de al menos dos depósitos reservorios de fluido térmico de trabajo (12) y (16) a alta presión adquirida por la adición isocórica de calor para facilitar los impulsos de alta presión, y un solo depósito reservorio de baja presión 29 de enfriamiento isobárico a temperatura ambiente, entre los que opera la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos, y donde todo lo cual incluye al menos los siguientes componentes: - Power module (40) represented by Figure 1 operating with a gas turbine at baro-thermal pulses applied to the turbine inlet, whose structure is characterized by the gas turbine operating at baro-thermal pulses, which operates with pressure pulses at intermittent intervals of time, and consisting of at least two reservoir reservoirs of thermal working fluid (12) and (16) at high pressure acquired by the isochoric addition of heat to facilitate high pressure pulses, and a single low pressure reservoir tank 29 for isobaric cooling at room temperature, among which the gas turbine operates operating at baro-thermal pulses, and where all of which includes at least the following components:
- conducto de suministro (1) del fluido térmico de transferencia de calor- supply pipe (1) of the thermal heat transfer fluid
- conducto de retorno (2) del fluido térmico de transferencia de calor- return duct (2) of the heat transfer thermal fluid
- conducto de suministro (3) del fluido térmico de extracción de calor- supply pipe (3) of the heat extraction thermal fluid
- conducto de retorno (4) del fluido térmico de extracción de calor- return duct (4) of the heat extraction thermal fluid
- calentador del fluido térmico de trabajo de alta presión (10)- high pressure working thermal fluid heater (10)
- compresor de recirculación del fluido térmico de trabajo de convección forzada (11)- forced convection working thermal fluid recirculation compressor (11)
- depósito reservorio de alta presión por adición de calor a volumen constante (12)- high pressure reservoir tank by heat addition at constant volume (12)
- válvula de descarga (13) del fluido térmico de trabajo a alta presión a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26)- discharge valve (13) of the thermal working fluid at high pressure to the gas turbine operating at baro-thermal pulses (26)
- calentador del fluido térmico de trabajo (14) - working thermal fluid heater (14)
- compresor de recirculación del fluido térmico de trabajo de convección forzada (15)- forced convection working thermal fluid recirculation compressor (15)
- depósito reservorio de alta presión por adición de calor a volumen constante (16)- high pressure reservoir tank by heat addition at constant volume (16)
- válvula de descarga (17) del fluido térmico de trabajo a alta presión a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26)- discharge valve (17) of the thermal working fluid at high pressure to the gas turbine operating at baro-thermal pulses (26)
- enfriador del fluido térmico de trabajo de baja presión (29)- low pressure thermal working fluid cooler (29)
- compresor de recirculación del fluido térmico de trabajo de convección forzada (19)- forced convection working thermal fluid recirculation compressor (19)
- turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) conectada mediante eje a un generador eléctrico (27)- gas turbine operating at baro-thermal pulses (26) connected by shaft to an electric generator (27)
- recuperador de calor (28) que consiste en un intercambiador de calor para aprovechar el calor residual evacuado por la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26), donde el calor recuperado es transferido por los conductos de entrada y salida (38) y (39) del recuperador de calor (28).- heat recovery unit (28) consisting of a heat exchanger to take advantage of the residual heat evacuated by the gas turbine operating at baro-thermal pulses (26), where the recovered heat is transferred through the inlet and outlet ducts (38 ) and (39) of the heat recovery unit (28).
- válvula de descarga del fluido térmico de trabajo (31) hacia el depósito (12) de alta presión - válvula de descarga del fluido térmico de trabajo (33) hacia el depósito (16) de alta presión - compresor de alimentación del fluido térmico de trabajo (34)- thermal working fluid discharge valve (31) towards the high pressure tank (12) - thermal working fluid discharge valve (33) towards the high pressure tank (16) - thermal fluid supply compressor work (34)
- Módulo de potencia (41) representado por la figura 3 operando con turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos aplicados a la entrada y salida de la turbina, cuya estructura está caracterizada por la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos de presión positiva aplicados a la entrada y pulsos de presión negativa aplicados a la salida, ambos aplicados a intervalos de tiempo intermitentes, donde para generar los impulsos positivos y negativos consta al menos dos depósitos reservorios de fluido térmico de trabajo (12) y (16) de alta presión adquirida por adición isocórica de calor, y al menos dos depósitos reservorios de baja presión del fluido térmico de trabajo (20) y (24) adquirida por extracción isocórica de calor a volumen constante, donde ambos pulsos de presión positiva y negativa son aplicados simultáneamente, de manera que provoquen un incremento significativo entre la presión de entrada y la salida de la turbina, donde todo lo cual incluye al menos los siguientes componentes:- Power module (41) represented by figure 3 operating with a gas turbine operating at baro-thermal pulses applied to the inlet and outlet of the turbine, whose structure is characterized by the gas turbine operating at baro-thermal pressure pulses positive pressure applied to the input and negative pressure pulses applied to the output, both applied at intermittent time intervals, where to generate the positive and negative pulses there are at least two reservoir tanks of thermal working fluid (12) and (16) of high pressure acquired by isochoric heat addition, and at least two low pressure reservoir reservoirs of the thermal working fluid (20) and (24) acquired by isochoric heat extraction at constant volume, where both positive and negative pressure pulses are applied simultaneously, in such a way as to cause a significant increase between the turbine inlet and outlet pressure, where all of which includes at least the following components entities:
- conducto de suministro (1) del fluido térmico de transferencia de calor- supply pipe (1) of the thermal heat transfer fluid
- conducto de retorno (2) del fluido térmico de transferencia de calor- return duct (2) of the heat transfer thermal fluid
- conducto de suministro (3) del fluido térmico de extracción de calor- supply pipe (3) of the heat extraction thermal fluid
- conducto de retorno (4) del fluido térmico de extracción de calor- return duct (4) of the heat extraction thermal fluid
- calentador del fluido térmico de trabajo de alta presión (10)- high pressure working thermal fluid heater (10)
- compresor de recirculación del fluido térmico de trabajo de convección forzada (11)- forced convection working thermal fluid recirculation compressor (11)
- depósito reservorio de alta presión por adición de calor a volumen constante (12)- high pressure reservoir tank by heat addition at constant volume (12)
- válvula de descarga (13) del fluido térmico de trabajo a alta presión a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26)- discharge valve (13) of the thermal working fluid at high pressure to the gas turbine operating at baro-thermal pulses (26)
- calentador del fluido térmico de trabajo (14)- working thermal fluid heater (14)
- compresor de recirculación del fluido térmico de trabajo de convección forzada (15)- forced convection working thermal fluid recirculation compressor (15)
- depósito reservorio de alta presión por adición de calor a volumen constante (16)- high pressure reservoir tank by heat addition at constant volume (16)
- válvula de descarga (17) del fluido térmico de trabajo a alta presión a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26)- discharge valve (17) of the thermal working fluid at high pressure to the gas turbine operating at baro-thermal pulses (26)
- enfriador del fluido térmico de trabajo de baja presión (18)- low pressure thermal working fluid cooler (18)
- compresor de recirculación del fluido térmico de trabajo de convección forzada (19)- forced convection working thermal fluid recirculation compressor (19)
- depósito reservorio de baja presión por extracción de calor a volumen constante (20)- low pressure reservoir tank by heat extraction at constant volume (20)
- válvula de evacuación (21) del fluido térmico de trabajo a baja presión de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26)- Evacuation valve (21) of the thermal working fluid at low pressure of the gas turbine operating at baro-thermal pulses (26)
- enfriador del fluido térmico de trabajo de baja presión (22)- low pressure thermal working fluid cooler (22)
- compresor de recirculación del fluido térmico de trabajo de convección forzada (23)- forced convection working thermal fluid recirculation compressor (23)
- depósito reservorio de baja presión por extracción de calor a volumen constante (24)- low pressure reservoir tank by heat extraction at constant volume (24)
- válvula de evacuación (25) del fluido térmico de trabajo a baja presión de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) - Evacuation valve (25) of the thermal working fluid at low pressure of the gas turbine operating at baro-thermal pulses (26)
- turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) conectada mediante eje a un generador eléctrico (27)- gas turbine operating at baro-thermal pulses (26) connected by shaft to an electric generator (27)
- válvula de succión del fluido térmico de trabajo (30) desde el depósito (20) de baja presión - válvula de descarga del fluido térmico de trabajo (31) hacia el depósito (12) de alta presión - válvula de succión del fluido térmico de trabajo (32) desde el depósito (24) de baja presión - válvula de descarga del fluido térmico de trabajo (33) hacia el depósito (16) de alta presión - compresor de alimentación del fluido térmico de trabajo (34)- suction valve for the thermal working fluid (30) from the low pressure tank (20) - discharge valve for the thermal working fluid (31) towards the high pressure tank (12) - suction valve for the thermal working fluid (32) from the low pressure tank (24) - thermal working fluid discharge valve (33) to the high pressure tank (16) - thermal working fluid supply compressor (34)
El modo de operación del módulo de potencia (40) operando con turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos aplicados a la entrada de la turbina (26), según la figura 1 opera en circuito cerrado de tal manera que el fluido térmico de trabajo es transferido alternativamente a baja temperatura y presión desde el enfriador del fluido térmico de trabajo de baja presión (29) hasta los depósitos reservorios de alta-presión (12) y (16), de modo alternativo por la válvula de descarga del fluido térmico de trabajo (31) hacia el reservorio de alta-presión (12), y de modo alternativo por la válvula de descarga del fluido térmico de trabajo (33) hacia el reservorio de alta-presión (16), impulsado y transferido por el compresor de alimentación del fluido térmico de trabajo (34).The mode of operation of the power module (40) operating with a gas turbine operating at baro-thermal pulses applied to the turbine inlet (26), according to figure 1, operates in a closed circuit in such a way that the thermal working fluid is alternately transferred at low temperature and pressure from the low-pressure thermal working fluid cooler (29) to the high-pressure reservoir tanks (12) and (16), alternately by the thermal fluid discharge valve. (31) towards the high-pressure reservoir (12), and alternatively through the discharge valve of the thermal working fluid (33) towards the high-pressure reservoir (16), driven and transferred by the compressor of supply of the thermal working fluid (34).
Dentro de los depósitos reservorios de alta presión (12) y (16) da lugar de modo alternativo el proceso de adición de calor a volumen constante mediante recirculación del fluido térmico de trabajo (para favorecer la transferencia de valor por convección forzada) por los respectivos calentadores del fluido térmico de trabajo de alta presión (10) (14), donde el proceso de calentamiento se debe a la adición de calor a los calentadores del fluido térmico de trabajo de alta presión (10) (14) por el conducto de suministro (1) del fluido de transferencia de calor desde una fuente de calor externa y retornando por el conducto de retorno (2) hacia la fuente de calor externa.Inside the high-pressure reservoir tanks (12) and (16), the process of adding heat at constant volume alternately takes place by means of recirculation of the thermal working fluid (to favor the transfer of value by forced convection) by the respective high pressure thermal working fluid heaters (10) (14), where the heating process is due to the addition of heat to the high pressure thermal working fluid heaters (10) (14) through the supply line (1) of the heat transfer fluid from an external heat source and returning through the return duct (2) to the external heat source.
La adición isocórica de calor a los reservorios de alta presión (12) y (16) es llevada a cabo de modo alternativo intermitente de tal manera que la adición de calor y subsecuente conversión en trabajo mecánico en la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) requiere que: - cuando el reservorio de alta presión (12) se halla en la fase de calentamiento isocórico, el reservorio de alta presión (16) se halla en la fase de expansión adiabática, para lo cual la válvula de descarga (13) del fluido térmico de trabajo a alta presión hacia la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) se halle cerrada, mientras que la válvula de descarga (17) del fluido térmico de trabajo a alta presión hacia la turbina de gas operando a pulsos barotérmicos (26) abierta; yThe isochoric addition of heat to the high pressure reservoirs (12) and (16) is carried out in an intermittent alternating manner in such a way that the addition of heat and subsequent conversion into mechanical work in the gas turbine operating at baro-pulses (26) requires that: - when the high pressure reservoir (12) is in the isochoric heating phase, the high pressure reservoir (16) is in the adiabatic expansion phase, for which the discharge valve (13) of the high pressure thermal working fluid towards the gas turbine operating at baro-thermal pulses (26) is closed, while the discharge valve (17) of the high pressure thermal working fluid towards the gas turbine gas operating at barothermal pulses (26) open; Y
- cuando el reservorio de alta presión (16) se halla en la fase de calentamiento isocórico, el reservorio de alta presión (12) se halla en la fase de expansión adiabática, para lo cual la válvula de descarga (17) del fluido térmico de trabajo a alta presión hacia la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) se halle cerrada, mientras que la válvula de descarga (13) del fluido térmico de trabajo a alta presión hacia la turbina de gas operando a pulsos barotérmicos (26) abierta.- when the high pressure reservoir (16) is in the isochoric heating phase, the high pressure reservoir (12) is in the adiabatic expansion phase, for which the discharge valve (17) of the thermal fluid of working at high pressure towards the gas turbine operating at barothermal pulses (26) is closed, while the discharge valve (13) of the thermal working fluid at high pressure towards the gas turbine operating at barothermal pulses (26 ) open.
Cuando se abre una de las válvulas de descarga del fluido térmico de trabajo a alta presión (13) o (17) se aplica un pulso baro-térmico a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) que se expande adiabáticamente hasta alcanzar la presión de equilibrio (presión de expansión en la turbina igual a la presión del enfriador (29) del fluido térmico de trabajo de baja presión), donde el perfil de la presión de los pulsos baro-térmicos se muestra en la figura 6. When one of the high pressure thermal working fluid discharge valves (13) or (17) opens, a baro-thermal pulse is applied to the gas turbine operating at baro-thermal pulses (26) which expands adiabatically until reach the equilibrium pressure (expansion pressure in the turbine equal to the pressure of the cooler (29) of the low-pressure thermal working fluid), where the pressure profile of the baro-thermal pulses is shown in figure 6.
El fluido térmico de trabajo después de la expansión adiabática en la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26), todavía contiene una cantidad significativa aprovechable de calor, que es susceptible de ser parcialmente recuperado por el recuperador de calor (28) por medio de los conductos de entrada y salida (38) y (39), el cual consiste en un intercambiador de calor útil para aprovechar el calor residual evacuado por la turbina de gas operando a pulsos barotérmicos (26).The working thermal fluid after adiabatic expansion in the gas turbine operating at baro-thermal pulses (26), still contains a significant amount of usable heat, which is likely to be partially recovered by the heat recovery unit (28) by means of the inlet and outlet ducts (38) and (39), which consists of a heat exchanger useful to take advantage of the residual heat evacuated by the gas turbine operating at barothermal pulses (26).
El fluido térmico de trabajo a baja presión evacuado por la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) cede calor al fluido de transferencia de calor en el recuperador de calor 28 pasando al reservorio de baja presión (29), donde en enfriado a presión constante por medio de un fluido de enfriamiento que entra por el conducto 3 al reservorio de baja presión (29), y retorna por el conducto 4 transfiriendo el calor de enfriamiento a un sumidero térmico a temperatura ambiente.The thermal working fluid at low pressure evacuated by the gas turbine operating at baro-thermal pulses (26) transfers heat to the heat transfer fluid in the heat recovery unit 28 passing to the low pressure reservoir (29), where it is cooled at constant pressure by means of a cooling fluid that enters through conduit 3 to the low pressure reservoir (29), and returns through conduit 4 transferring the cooling heat to a thermal sink at room temperature.
El fluido térmico de trabajo a baja presión y temperatura contenido en el reservorio de baja presión (29) es aspirado por el compresor de alimentación (34) cerrando así el circuito de operación para repetir indefinidamente el ciclo.The thermal working fluid at low pressure and temperature contained in the low pressure reservoir (29) is sucked in by the feed compressor (34), thus closing the operating circuit to repeat the cycle indefinitely.
El ciclo térmico cuyo modo de operación ha sido descrito obedece a los diagramas temperatura-entropía y presión-volumen mostrados respectivamente en la figura 2 (a) y 2 (b), que comprende las cuatro transformaciones termodinámicas siguientes:The thermal cycle whose mode of operation has been described obeys the temperature-entropy and pressure-volume diagrams shown respectively in Figure 2 (a) and 2 (b), which includes the following four thermodynamic transformations:
- la transformación (a-b) corresponde a un proceso abierto adiabático durante el cual se transfiere el fluido térmico de trabajo por compresión isentrópica en la fase de alimentación hacia uno de los depósitos reservorios para su posterior calentamiento isocórico,- transformation (a-b) corresponds to an open adiabatic process during which the thermal working fluid is transferred by isentropic compression in the feeding phase to one of the reservoir tanks for subsequent isochoric heating,
- la transformación (b-c) corresponde al proceso cerrado de calentamiento isocórico del fluido térmico de trabajo en uno de los depósitos reservorios de calentamiento isocórico (12) o (16), - la transformación (c-d) corresponde al proceso abierto de expansión adiabática del fluido térmico de trabajo en la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) y realizando trabajo mecánico útil- transformation (b-c) corresponds to the closed process of isochoric heating of the thermal working fluid in one of the isochoric heating reservoir tanks (12) or (16), - transformation (c-d) corresponds to the open process of adiabatic expansion of the fluid thermal work in the gas turbine operating at baro-thermal pulses (26) and performing useful mechanical work
- la transformación (d-a) corresponde al proceso abierto de enfriamiento isobárico del fluido térmico de trabajo evacuado por la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) llevado a cabo en el recuperador de calor (28) y en el enfriador del fluido térmico de trabajo o reservorio de baja presión (29) hasta la temperatura ambiente.- transformation (d-a) corresponds to the open isobaric cooling process of the thermal working fluid evacuated by the gas turbine operating at baro-thermal pulses (26) carried out in the heat recovery unit (28) and in the fluid cooler working thermal tank or low pressure reservoir (29) up to room temperature.
El modo de operación del módulo de potencia (41) equipado con una turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos aplicados a la entrada y salida de la turbina (26), según la figura 3 opera en circuito cerrado de tal manera que el fluido térmico de trabajo es transferido alternativamente a baja temperatura y presión desde los depósitos reservorios de baja presión (20) y (24) por las válvulas (30) y (32) de succión del compresor de alimentación (34) hacia los reservorios de alta-presión (12) y (16), por las válvulas de descarga (31 y (33) del compresor de alimentación (34) Dentro de los depósitos reservorios de alta presión (12) y (16) da lugar de modo alternativo el proceso de adición de calor a volumen constante mediante recirculación del fluido térmico de trabajo (para favorecer la transferencia de calor por convección forzada) por los respectivos calentadores del fluido térmico de trabajo de alta presión (10) (14), donde el proceso de calentamiento se debe a la adición de calor a los calentadores del fluido térmico de trabajo de alta presión (10) (14) por el conducto de suministro (1) del fluido de transferencia de calor desde una fuente de calor externa y retornando por el conducto de retorno (2) hacia la fuente de calor externa.The operating mode of the power module (41) equipped with a gas turbine operating with baro-thermal pulses applied to the inlet and outlet of the turbine (26), according to figure 3, operates in a closed circuit in such a way that the fluid The thermal working temperature is alternately transferred at low temperature and pressure from the low-pressure reservoir tanks (20) and (24) by the suction valves (30) and (32) of the feed compressor (34) to the high-pressure reservoirs. pressure (12) and (16), through the discharge valves (31 and (33) of the feed compressor (34) Inside the high pressure reservoir tanks (12) and (16) the process of addition of heat at constant volume through recirculation of the thermal working fluid (to favor heat transfer by forced convection) by the respective high pressure thermal working fluid heaters (10) (14), where the heating process must be to the addition of heat to the heaters of the high pressure thermal working fluid (10) (14) through the supply line (1) of the heat transfer fluid from an external heat source and returning through the return line (2) to the heat source external.
La adición isocórica de calor a los reservorios de alta presión (12) y (16) es llevada a cabo de modo alternativo intermitente de tal manera que la adición de calor y subsecuente conversión en trabajo mecánico en la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) requiere que: The isochoric addition of heat to the high pressure reservoirs (12) and (16) is carried out in an intermittent alternating manner in such a way that the addition of heat and subsequent conversion into mechanical work in the gas turbine operating at baro-pulses (26) requires that:
- cuando el reservorio de alta presión (12) se halla en la fase de calentamiento isocórico, el reservorio de alta presión (16) se halla en la fase de expansión adiabática, para lo cual la válvula de descarga (13) del fluido térmico de trabajo a alta presión hacia la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) se halle cerrada, mientras que la válvula de descarga (17) del fluido térmico de trabajo a alta presión hacia la turbina de gas operando a pulsos barotérmicos (26) abierta; y- when the high pressure reservoir (12) is in the isochoric heating phase, the high pressure reservoir (16) is in the adiabatic expansion phase, for which the discharge valve (13) of the thermal fluid of high pressure work towards the gas turbine operating at barothermal pulses (26) is closed, while the discharge valve (17) of the thermal working fluid at high pressure towards the gas turbine operating at barothermal pulses (26) is open; Y
- cuando el reservorio de alta presión (16) se halla en la fase de calentamiento isocórico, el reservorio de alta presión (12) se halla en la fase de expansión adiabática, para lo cual la válvula de descarga (17) del fluido térmico de trabajo a alta presión hacia la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) se halle cerrada, mientras que la válvula de descarga (13) del fluido térmico de trabajo a alta presión hacia la turbina de gas operando a pulsos barotérmicos (26) abierta.- when the high pressure reservoir (16) is in the isochoric heating phase, the high pressure reservoir (12) is in the adiabatic expansion phase, for which the discharge valve (17) of the thermal fluid of working at high pressure towards the gas turbine operating at barothermal pulses (26) is closed, while the discharge valve (13) of the thermal working fluid at high pressure towards the gas turbine operating at barothermal pulses (26 ) open.
Cuando se abre una de las válvulas de descarga del fluido térmico de trabajo a alta presión (13) o (17) se aplica un pulso baro-térmico a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26) que se expande adiabáticamente hasta alcanzar la presión de equilibrio (presión de expansión en la turbina igual a la presión del enfriador (18) del fluido térmico de trabajo de baja presión), donde el perfil de la presión de los pulsos baro-térmicos se muestra en la figura 6. When one of the high pressure thermal working fluid discharge valves (13) or (17) opens, a baro-thermal pulse is applied to the gas turbine operating at baro-thermal pulses (26) which expands adiabatically until reach the equilibrium pressure (expansion pressure in the turbine equal to the pressure of the cooler (18) of the low-pressure thermal working fluid), where the pressure profile of the baro-thermal pulses is shown in figure 6.
El fluido térmico de trabajo después de la expansión adiabática en la turbina de gas a operando a pulsos baro-térmicos (26), es evacuado alternativamente por las válvulas de evacuación (21) del fluido térmico de trabajo a baja presión de la turbina baro-térmica (26), o por la válvula de evacuación (25) del fluido térmico de trabajo a baja presión de la turbina baro-térmica (26) hacia los respectivos depósitos reservorios de baja presión, tanto el depósito reservorio de baja presión por extracción de calor a volumen constante (20) como el depósito reservorio de baja presión por extracción de calor a volumen constante (24).The thermal working fluid after adiabatic expansion in the gas turbine operating at baro-thermal pulses (26), is alternately evacuated by the evacuation valves (21) of the thermal working fluid at low pressure from the baro-thermal turbine. (26), or through the evacuation valve (25) of the thermal working fluid at low pressure from the baro-thermal turbine (26) towards the respective low pressure reservoir tanks, both the low pressure reservoir tank by extraction of heat at constant volume (20) as the low pressure reservoir tank by extraction of heat at constant volume (24).
Dentro de los depósitos reservorios de baja presión (20) y (24) da lugar de modo intermitente el proceso de extracción de calor a volumen constante mediante recirculación del fluido térmico de trabajo entre (20) y (18) y entre (24) y (22), para favorecer la transferencia de calor por convección forzada, donde el calor es extraído de los respectivos enfriadores del fluido térmico de trabajo de baja presión (18) o (22), hacia el sumidero térmico desde donde se suministra por el conducto de suministro (3) fluido térmico de enfriamiento de extracción de calor, retornando por el conducto de retorno (4) hacia el sumidero térmico.Inside the low pressure reservoir tanks (20) and (24), the constant volume heat extraction process takes place intermittently by recirculating the thermal working fluid between (20) and (18) and between (24) and (22), to favor the transfer of heat by forced convection, where the heat is extracted from the respective coolers of the low pressure thermal working fluid (18) or (22), towards the thermal sink from where it is supplied through the duct supply (3) heat extraction cooling thermal fluid, returning through the return duct (4) to the thermal sink.
Dentro de los depósitos reservorios de baja presión (20) y (24) da lugar de modo intermitente el proceso de extracción de calor a volumen constante mediante recirculación del fluido térmico de trabajo (para favorecer la transferencia de calor por convección forzada) por los respectivos enfriadores del fluido térmico de trabajo de baja presión (18) o (22), donde el proceso de enfriamiento se debe a la extracción alternativa de calor desde los enfriadores del fluido térmico de trabajo de baja presión (18) (22) por el conducto (3) de suministro del fluido térmico de extracción de calor y retornando por el conducto de retorno (4) del fluido térmico de extracción de calor hacia el sumidero térmico.Inside the low pressure reservoir tanks (20) and (24), the constant volume heat extraction process takes place intermittently by means of recirculation of the thermal working fluid (to favor heat transfer by forced convection) by the respective low pressure thermal working fluid coolers (18) or (22), where the cooling process is due to the alternative extraction of heat from the low pressure thermal working fluid coolers (18) (22) through the duct (3) supplying the heat extraction thermal fluid and returning through the return duct (4) of the heat extraction thermal fluid towards the thermal sink.
El modo de operación en la tarea de extracción de calor intermitente de cada uno de los depósitos reservorios de baja presión (20) y (24) requiere que:The mode of operation in the task of intermittent heat extraction from each of the low pressure reservoir tanks (20) and (24) requires that:
- cuando el depósito reservorio (20) se halla en la fase de enfriamiento isocórico, la válvula de evacuación (21) del fluido térmico de trabajo a baja presión a la turbina baro-térmica (26) se halle cerrada y el depósito reservorio (24) se halle en la fase de contracción adiabática a través de la válvula de evacuación (25) del fluido térmico de trabajo a baja presión; y- when the reservoir tank (20) is in the isochoric cooling phase, the evacuation valve (21) of the thermal working fluid at low pressure to the baro-thermal turbine (26) is closed and the reservoir tank (24 ) is in the phase of adiabatic contraction through the evacuation valve (25) of the thermal working fluid at low pressure; Y
- cuando el depósito reservorio (24) se halla en la fase de enfriamiento isocórico, la válvula de evacuación (25) del fluido térmico de trabajo a baja presión a la turbina baro-térmica (26) se halle cerrada y el depósito reservorio (20) se halle en la fase de contracción adiabática a través de la válvula de evacuación (21) del fluido térmico de trabajo a baja presión. - when the reservoir tank (24) is in the isochoric cooling phase, the evacuation valve (25) of the thermal working fluid at low pressure to the baro-thermal turbine (26) is closed and the reservoir tank (20 ) is in the phase of adiabatic contraction through the evacuation valve (21) of the thermal working fluid at low pressure.
Cuando se abre uno de los pares de válvulas (13) y (21) o (17) y (25) se aplican simultáneamente dos pulso baro-térmicos, uno positivo y otro negativo a la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26), donde el fluido térmico de trabajo de alta presión se expande adiabáticamente y el fluido térmico de trabajo de baja presión se contrae adiabáticamente hasta alcanzar el equilibrio de presiones entre el depósito reservorio de alta presión y el correspondiente depósito reservorio de baja presión, cuyo perfil se muestra en la figura 7.When one of the pairs of valves (13) and (21) or (17) and (25) is opened, two baro-thermal pulses are simultaneously applied, one positive and one negative, to the gas turbine operating at baro-thermal pulses ( 26), where the high-pressure thermal working fluid expands adiabatically and the low-pressure thermal working fluid contracts adiabatically until reaching equilibrium pressure between the high-pressure reservoir tank and the corresponding low-pressure reservoir tank, whose profile is shown in figure 7.
Cuando se alcanza la presión de equilibrio dentro de cada uno de los respectivos depósitos reservorios del fluido térmico de trabajo de baja presión, tanto el depósito reservorio de baja presión por extracción de calor a volumen constante (20), como el depósito reservorio de baja presión por extracción de calor a volumen constante (24), se inicia la respectiva fase de alimentación del fluido térmico de trabajo de baja presión, siendo transferido por el compresor de alimentación del fluido térmico de trabajo (34) hacia los depósitos reservorios de alta presión (12) y (16), completando el circuito cerrado del ciclo térmico descrito.When the equilibrium pressure is reached within each of the respective reservoir tanks of the low pressure thermal working fluid, both the low pressure reservoir tank by heat extraction at constant volume (20) and the low pressure reservoir tank By extracting heat at constant volume (24), the respective feeding phase of the low pressure thermal working fluid begins, being transferred by the thermal working fluid feeding compressor (34) to the high pressure reservoir tanks ( 12) and (16), completing the closed circuit of the described thermal cycle.
El modo de operación del módulo de potencia (41) equipado con turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos aplicados a la entrada y salida de la turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos (26), funciona con un ciclo térmico basado en procesos cerrados, el cual se diferencia de todos los ciclos térmicos convencionales por realizar la tarea de extracción de calor a volumen constante según un proceso cerrado de cada uno de los depósitos reservorios de baja presión de los que conste el ciclo térmico, mientras que en los ciclos térmicos convencionales se produce el enfriamiento en proceso abierto. De esta propiedad se tiene que el módulo de potencia (41) equipado con turbina de gas operando a pulsos baro-térmicos aplicados a la entrada y salida de la turbina (26), exhibe la habilidad de operar con varios ciclos térmicos en los que la extracción de calor de los depósitos reservorios de baja presión (20) y (24) es llevada a cabo a volumen constante. La tarea de operar con el ciclo térmico caracterizado por realizar la extracción de calor de los depósitos reservorios de baja presión (20) y (24) según procesos cerrados a volumen constante incluyen las dos opciones siguientes: The operating mode of the power module (41) equipped with a gas turbine operating at baro-thermal pulses applied to the inlet and outlet of the gas turbine operating at baro-thermal pulses (26), works with a thermal cycle based on closed processes, which differs from all conventional thermal cycles by carrying out the task of extracting heat at a constant volume according to a closed process of each one of the low pressure reservoir tanks of which the thermal cycle consists, while in the conventional thermal cycles cooling occurs in open process. From this property we have that the power module (41) equipped with a gas turbine operating at baro-thermal pulses applied to the inlet and outlet of the turbine (26), exhibits the ability to operate with various thermal cycles in which the Heat extraction from the low pressure reservoir tanks (20) and (24) is carried out at constant volume. The task of operating with the thermal cycle characterized by extracting heat from the low pressure reservoir tanks (20) and (24) according to closed processes at constant volume includes the following two options:
- ciclo térmico cuyo modo de operación descrito obedece a los diagramas temperatura-entropía y presión-volumen mostrados respectivamente en la figura 4 (a) y 4 (b), el cual comprende las cinco transformaciones termodinámicas siguientes:- thermal cycle whose described mode of operation obeys the temperature-entropy and pressure-volume diagrams shown respectively in figure 4 (a) and 4 (b), which includes the following five thermodynamic transformations:
- proceso 1-2, que corresponde a la alimentación del fluido térmico de trabajo, que consiste en un proceso adiabático-isentrópica de compresión, que absorbe el trabajo mecánico exterior, - proceso 2-3, que corresponde a un proceso isocórico de adición de calor procedente de una fuente de calor externa, para calentar el fluido térmico de trabajo con el que se genera un pulso baro-térmico positivo.- process 1-2, which corresponds to the feeding of the thermal working fluid, which consists of an adiabatic-isentropic compression process, which absorbs external mechanical work, - process 2-3, which corresponds to an isochoric process of addition of heat from an external heat source, to heat the thermal working fluid with which a positive baro-thermal pulse is generated.
- proceso 3-4, que corresponde a un proceso adiabático-isentrópico de expansión, que realiza un trabajo mecánico útil mediante un pulso de presión.- process 3-4, which corresponds to an adiabatic-isentropic expansion process, which performs useful mechanical work by means of a pressure pulse.
- proceso 4-5, que corresponde a una fase de enfriamiento isocórica por extracción de calor según un proceso cerrado con el que se generan un pulso baro-térmico negativo,- process 4-5, which corresponds to an isochoric cooling phase by heat extraction according to a closed process with which a negative baro-thermal pulse is generated,
- proceso 5-1, que corresponde a un proceso de contracción basado en comprensión adiabática-isentrópica, el cual realiza un trabajo mecánico útil.- process 5-1, which corresponds to a contraction process based on adiabatic-isentropic compression, which performs a useful mechanical work.
- el ciclo térmico cuyo modo de operación descrito obedece a los diagramas temperaturaentropía y presión-volumen mostrados respectivamente en la figura 5 (a) y 5 (b), el cual comprende las cinco transformaciones termodinámicas siguientes:- the thermal cycle whose described mode of operation obeys the temperature-entropy and pressure-volume diagrams shown respectively in figures 5 (a) and 5 (b), which includes the following five thermodynamic transformations:
- proceso 1-2, que corresponde a la alimentación del fluido térmico de trabajo, que consiste en un proceso adiabático-isentrópica de comprensión, que absorbe el trabajo mecánico del exterior.- process 1-2, which corresponds to the feeding of the thermal working fluid, which consists of an adiabatic-isentropic compression process, which absorbs the external mechanical work.
- proceso 2-3, que corresponde a un proceso isocórico de adición de calor procedente de una fuente de calor externa, para calentar el fluido térmico de trabajo con el que se genera un pulso baro-térmico positivo. - process 2-3, which corresponds to an isochoric process of adding heat from an external heat source, to heat the thermal working fluid with which a positive baro-thermal pulse is generated.
- proceso 3-4, que corresponde a un proceso isotérmico de expansión mientras absorbe calor de una fuente externa, que realiza un trabajo mecánico útil mediante un pulso de presión, - proceso 4-5, que corresponde a una fase de enfriamiento isocórica por extracción de calor según un proceso cerrado con el que se generan un pulso baro-térmico negativo,- process 3-4, which corresponds to an isothermal expansion process while absorbing heat from an external source, performing useful mechanical work by means of a pressure pulse, - process 4-5, which corresponds to an isochoric extraction cooling phase of heat according to a closed process with which a negative baro-thermal pulse is generated,
- proceso 5-1, que corresponde a un proceso isotérmico cerrado de extracción de calor acompañado de la realización de trabajo mecánico útil por contracción basada en comprensión isotérmica.- process 5-1, which corresponds to a closed isothermal heat extraction process accompanied by the performance of useful mechanical work by contraction based on isothermal compression.
Descripción de realizaciones preferentes de la invenciónDescription of preferred embodiments of the invention
La invención denominada “TURBINA DE GAS OPERANDO CON PULSOS BARO-TÉRMICOS Y PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN”, da lugar a la realización de plantas termoeléctricas innovadoras por lo cual se describen preferentemente los aportes derivados de las turbinas de gas a pulsos baro-térmicos con las que se implementan plantas termomecánicas y termoeléctricas, habilitadas para recuperar calor residual y aumentar así el factor de utilización del calor en base a la combinación de una bomba de calor con uno de los módulos (40) o (41), los cuales se hallan representadas en las figuras 16 y 17.The invention called "GAS TURBINE OPERATING WITH BARO-THERMAL PULSES AND OPERATION PROCEDURE", gives rise to the realization of innovative thermoelectric plants, for which the contributions derived from gas turbines with baro-thermal pulses with which Thermomechanical and thermoelectric plants are implemented, enabled to recover waste heat and thus increase the heat utilization factor based on the combination of a heat pump with one of the modules (40) or (41), which are represented in figures 16 and 17.
Los módulos de potencia (40) y (41) están caracterizados por su habilidad para implementar estructuras de planta capaces de recuperar parte del calor residual rechazado tanto por cada uno de los citados módulos de potencia, como por la estructura de planta en la que se hallen integrados. Con objeto de incrementar el factor de utilización del calor, se desarrollan dos modos de alimentación del calor disponible (alimentación de módulos de potencia en paralelo y alimentación de módulos de potencia en serie) para suministrar a los módulos de planta (40) y (41) por medio del fluido térmico de transferencia de calor con entrada por el conducto (1) y retorno por el conducto (2), dando lugar a las siguientes estructuras de planta formada por acoplamiento de módulos tanto del tipo (40) como el tipo (41):The power modules (40) and (41) are characterized by their ability to implement plant structures capable of recovering part of the residual heat rejected both by each of the aforementioned power modules, and by the plant structure in which it is installed. are integrated. In order to increase the heat utilization factor, two available heat supply modes (supply of power modules in parallel and supply of power modules in series) are developed to supply the plant modules (40) and (41). ) by means of heat transfer thermal fluid with input through duct (1) and return through duct (2), giving rise to the following plant structures formed by coupling modules of both type (40) and type ( 41):
- la estructura de una planta formada por varios módulos de potencia (40) acoplados en paralelo con respecto al fluido de transferencia de calor utilizado en la alimentación de los módulos del tipo (40) mostrada en la figura 11,- the structure of a plant formed by several power modules (40) coupled in parallel with respect to the heat transfer fluid used in feeding the modules of the type (40) shown in figure 11,
- la estructura de una planta formada por varios módulos de potencia (40) acoplados en serie con respecto al fluido de transferencia de calor utilizado en la alimentación de los módulos del tipo (40) mostrada en la figura 12,- the structure of a plant made up of several power modules (40) coupled in series with respect to the heat transfer fluid used to feed the modules of the type (40) shown in figure 12,
- la estructura de una planta formada por módulos de potencia (41) acoplados en paralelo con respecto al fluido de transferencia de calor utilizado en la alimentación de los módulos del tipo (41) mostrada en la figura 13,- the structure of a plant formed by power modules (41) coupled in parallel with respect to the heat transfer fluid used in supplying the modules of the type (41) shown in figure 13,
- la estructura de una planta formada por módulos de potencia (41) acoplados en serie con respecto al fluido de transferencia de calor utilizado en la alimentación de los módulos del tipo (41) mostrada en la figura 14.- the structure of a plant formed by power modules (41) coupled in series with respect to the heat transfer fluid used to feed the modules of the type (41) shown in figure 14.
Con el objeto de lograr un alto factor de utilización del calor se desarrolla una planta implementada en base a la combinación de una bomba de calor formada por un ciclo Brayton inverso y al menos un módulo de potencia del tipo (41) tal como se muestra en la figura 15, la cual incluye los siguientes componentes:In order to achieve a high heat utilization factor, a plant implemented based on the combination of a heat pump formed by an inverse Brayton cycle and at least one power module of the type (41) is developed, as shown in Figure 15, which includes the following components:
- intercambiador de calor (50) de refuerzo térmico a la bomba de calor, el cual capta calor de una fuente de calor externa para reforzar el suministro de la energía de calentamiento al módulo de potencia (41) por el conducto (1),- heat exchanger (50) for thermal reinforcement to the heat pump, which captures heat from an external heat source to reinforce the supply of heating energy to the power module (41) through the duct (1),
- intercambiador de calor (51) de recuperación de calor residual procedente del módulo (41) efectuada por la succión del compresor (53) del ciclo Brayton inverso correspondiente a la bomba de calor, - heat exchanger (51) for recovery of residual heat from the module (41) carried out by the suction of the compressor (53) of the inverse Brayton cycle corresponding to the heat pump,
- intercambiador de calor (52) de sub-enfriamiento del fluido térmico de transferencia de calor desde el módulo (41) al sumidero térmico,- heat exchanger (52) for sub-cooling of the heat transfer thermal fluid from the module (41) to the thermal sink,
- compresor (53) del ciclo Brayton inverso que conforma la bomba de calor,- compressor (53) of the inverse Brayton cycle that forms the heat pump,
- expansor (54) del ciclo Brayton inverso que conforma la bomba de calor.- expander (54) of the inverse Brayton cycle that forms the heat pump.
- conducto de suministro de calor (55) por medio del fluido térmico de transferencia de calor, - conducto de retorno de calor (56) por medio del fluido térmico de transferencia de calor, - heat supply duct (55) by means of the thermal heat transfer fluid, - heat return duct (56) by means of the thermal heat transfer fluid,
Modo de operación:Operation mode:
La planta implementada en base a la combinación de una bomba de calor formada por un ciclo Brayton inverso y al menos un módulo de potencia del tipo (41) tal como se muestra en la figura 15, obedece al modo de operación según el cual, el calor procedente de una fuente de calor externa entra por el conducto (55) al intercambiador de calor (50) de refuerzo térmico a la bomba de calor (y retornando a la fuente de calor externa por el conducto de retorno (56)), de donde es transferido por el conducto (1) hacia el módulo de potencia (41), retornando por el conducto (2) hacia el intercambiador de calor (51) de recuperación de calor residual, en donde se enfría por cesión de calor al fluido térmico de transferencia de calor aspirado por el compresor (53). El fluido térmico enfriado en intercambiador de calor (51) de recuperación de calor residual pasa al expansor (54) en donde se expande produciendo trabajo mecánico a costa de enfriarse aún más. La evacuación del fluido térmico de transferencia de calor desde el expansor (54) pasa al intercambiador de calor (52) de sub-enfriamiento del fluido térmico de enfriamiento del módulo de potencia (41), retornando hacia el compresor (53) a través del intercambiador de calor (51) de recuperación de calor residual procedente del módulo (41) efectuada por la succión del compresor (53) del ciclo Brayton inverso correspondiente a la bomba de calor.The plant implemented based on the combination of a heat pump formed by an inverse Brayton cycle and at least one power module of the type (41) as shown in figure 15, obeys the mode of operation according to which, the heat from an external heat source enters through the duct (55) to the heat exchanger (50) of thermal reinforcement to the heat pump (and returning to the external heat source through the return duct (56)), where it is transferred through the conduit (1) to the power module (41), returning through the conduit (2) to the heat exchanger (51) for recovery of residual heat, where it is cooled by heat transfer to the thermal fluid of heat transfer sucked by the compressor (53). The thermal fluid cooled in the waste heat recovery heat exchanger (51) passes to the expander (54) where it expands, producing mechanical work at the cost of cooling even more. The evacuation of the thermal fluid for heat transfer from the expander (54) passes to the heat exchanger (52) for sub-cooling of the thermal fluid for cooling the power module (41), returning to the compressor (53) through the heat exchanger (51) for recovery of residual heat from the module (41) carried out by the suction of the compressor (53) of the inverse Brayton cycle corresponding to the heat pump.
El esquema de acoplamiento en paralelo de sistemas de recuperación de calor para módulos de potencia (41) mediante bomba de calor implementada bajo el ciclo Brayton inverso, se muestra en la figura 16, donde el calor suministrado desde una fuente de calor externa entra en paralelo a cada intercambiador de calor (50) de refuerzo térmico a la bomba de calor por el conducto de suministro (55), saliendo hacia la fuente de calor externa por el conducto de retorno (56),The scheme of parallel coupling of heat recovery systems for power modules (41) by means of a heat pump implemented under the inverse Brayton cycle, is shown in figure 16, where the heat supplied from an external heat source enters in parallel to each heat exchanger (50) of thermal reinforcement to the heat pump through the supply duct (55), leaving towards the external heat source through the return duct (56),
- conducto de retorno de calor (56) por medio del fluido térmico de transferencia de calor.- heat return duct (56) by means of the heat transfer thermal fluid.
El esquema de acoplamiento en serie de sistemas de recuperación de calor para módulos de potencia (41) mediante bomba de calor implementada bajo el ciclo Brayton inverso, se muestra en la figura 17, donde el calor suministrado desde una fuente de calor externa entra en serie a cada módulo (50) de refuerzo térmico a la bomba de calor por el conducto de suministro de calor (55) y retoma por el conducto de retorno de calor (56) hacia una fuente de calor externa. The series coupling scheme of heat recovery systems for power modules (41) by means of a heat pump implemented under the inverse Brayton cycle, is shown in figure 17, where the heat supplied from an external heat source enters in series to each heat booster module (50) to the heat pump through the heat supply duct (55) and returns through the heat return duct (56) to an external heat source.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| BA2A | Patent application published |
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| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2851381 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B2 Effective date: 20220727 |