ES3053120T3

ES3053120T3 - Heat engine system

Info

Publication number: ES3053120T3
Application number: ES22805930T
Authority: ES
Inventors: Jeremy Henry Owston
Original assignee: BAE Systems PLC
Current assignee: BAE Systems PLC
Priority date: 2021-11-15
Filing date: 2022-11-09
Publication date: 2026-01-19
Anticipated expiration: 2042-11-09
Also published as: CA3238853A1; KR20240110026A; US20250003371A1; EP4433695A1; KR102829988B1; WO2023084202A1; US12281619B2; GB2612836B; GB2612836A; JP2024546448A; EP4433695B1; AU2022385487A1; GB202116434D0; JP7721808B2; EP4433695C0; PL4433695T3

Abstract

Un sistema de motor térmico (100, 1100). El sistema de motor térmico (100, 1100) comprende un compresor (300) con una entrada (302) y una salida (304), una fuente de calor (400) con una entrada (402) y una salida (404), y una turbina (500) con una entrada (502) y una salida (504). El compresor (300), la fuente de calor (400) y la turbina (500) forman parte de un circuito de flujo de fluido de trabajo (). El sistema de motor térmico comprende además una carcasa (600) sellable para definir un depósito (602) donde se ubican el compresor (400), la fuente de calor (400), la turbina (500) y el circuito de flujo de fluido de trabajo (700). El circuito de flujo de fluido de trabajo (700) comprende además un conducto compresor-fuente de calor (800) que se extiende entre la salida del compresor (304) y la entrada de la fuente de calor (402), un conducto fuente de calor-turbina (802) que se extiende entre la salida de la fuente de calor (404) y la entrada de la turbina (502), y un conducto turbina-compresor (804) que se extiende entre la salida de la turbina (504) y la entrada del compresor (302). Una válvula de purga (806) está en comunicación de flujo con la salida del compresor (304), operable para purgar el fluido de trabajo al depósito (602). Una válvula de admisión (808) está en comunicación de flujo con la entrada del compresor (302), operable para permitir el paso del fluido de trabajo desde el depósito (602) hasta la entrada del compresor (302). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0003] Sistema de motor térmico

[0005] Campo

[0007] La presente descripción se refiere a un sistema de motor térmico.

[0009] Antecedentes

[0011] Los sistemas de motores térmicos se utilizan para proporcionar energía en muchas aplicaciones diferentes. Una aplicación particular es la alimentación de embarcaciones acuáticas, incluidos los submarinos, utilizando un reactor nuclear como fuente de calor para calentar un fluido de trabajo que pasa a través de un ciclo cerrado que comprende un compresor y una turbina para hacer girar un eje y desde el que se pueden accionar otras máquinas (por ejemplo, generadores eléctricos).

[0012] La fuente de calor y la maquinaria principal (por ejemplo, el compresor y la turbina) están alojadas dentro de la embarcación. Dichos sistemas tienen problemas para mantener la masa deseada de fluido de trabajo en el ciclo. Por ejemplo, las fugas pueden provocar una caída de la energía y, si la fuente de calor es de naturaleza nuclear, las fugas pueden representar un riesgo de contaminación para el resto de la embarcación. Además, mantener la masa de fluido de trabajo en el ciclo cerrado puede significar que la potencia de salida del sistema solo puede variar dentro de un rango limitado.

[0014] Por lo tanto, es altamente deseable un sistema de motor térmico que proporcione un mejor control de la potencia de salida y, al mismo tiempo, conserve el volumen de fluido de trabajo disponible para su uso en el ciclo.

[0016] El documento KR 101629657 B1 se refiere a un sistema de generación de energía y, más particularmente, a un sistema de generación de energía en miniatura en forma modular en donde tanto un ciclo de generación de energía como un dispositivo de control de salida están incluidos en una embarcación de contención.

[0018] Resumen

[0020] Segú n la presente descripción, se proporciona un aparato, sistema y método como se establece en las reivindicaciones adjuntas. Otras características de la invención resultarán evidentes a partir de las reivindicaciones dependientes y la descripción que sigue.

[0022] Se puede proporcionar un sistema (100, 1100) de motor térmico que comprende un compresor (300) que tiene una entrada (302) y una salida (304), una fuente (400) de calor que tiene una entrada (402) y una salida (404), y una turbina (500) que tiene una entrada (502) y una salida (504). El compresor (300), la fuente (400) de calor y la turbina (500) pueden definir parte de un circuito (700) de flujo de fluido de trabajo. El sistema de motor térmico puede comprender además una carcasa (600) que se puede operar para sellarse para definir un depósito (602) en donde se encuentran el compresor (400), la fuente (400) de calor, la turbina (500) y el circuito (700) de flujo de fluido de trabajo. El circuito (700) de flujo de fluido de trabajo puede comprender además: un conducto (800) del compresor a la fuente de calor que se extiende entre la salida (304) del compresor y la entrada (402) de la fuente de calor; un conducto (802) de la fuente de calor a la turbina que se extiende entre la salida (404) de la fuente de calor y la entrada (502) de la turbina; y un conducto (804) de la turbina al compresor que se extiende entre la salida (504) de la turbina y la entrada (302) del compresor. Se puede proporcionar una válvula (806) de purga en comunicación de flujo con la salida (304) del compresor, operable para purgar el fluido de trabajo al depósito (602). Se puede proporcionar una válvula (808) de admisión en comunicación de flujo con la entrada (302) del compresor que puede funcionar para permitir el paso del fluido de trabajo desde el depósito (602) a la entrada (302) del compresor.

[0023] La válvula (806) de purga puede proporcionarse en el conducto (800) del compresor a la fuente de calor, operable para purgar el fluido de trabajo que pasa a través del conducto (800) del compresor a la fuente de calor al depósito (602).

[0024] La válvula (808) de admisión se proporciona en el conducto de la turbina al compresor (804) y se puede operar para permitir el paso del fluido de trabajo desde el depósito (602) al conducto de la turbina al compresor (804) para su suministro a la entrada (302) del compresor.

[0026] El sistema (1100) de motor térmico puede comprender además un conducto (810) de unión de flujo de fluido que define una cavidad (812) en comunicación de flujo con la válvula (806) de purga, la válvula (808) de admisión y una abertura (814) para la comunicación de fluido con el depósito (602).

[0028] El sistema (100) de motor térmico puede comprender además un sistema de control. El sistema de control puede funcionar para controlar la apertura y el cierre de la válvula (806) de purga. El sistema de control puede funcionar para controlar la apertura y el cierre de la válvula (808) de admisión. El sistema de control puede funcionar para controlar la válvula (806) de purga y la válvula (808) de admisión de forma independiente una de la otra.

[0030] El sistema de control puede funcionar para controlar la válvula (806) de purga y la válvula (808) de admisión para que se abran al mismo tiempo y/o se cierren al mismo tiempo.

[0031] El sistema de control puede funcionar para controlar la válvula (806) de purga y la válvula (808) de admisión para variar el flujo a través de la válvula (806) de purga y la válvula (808) de admisión entre sí.

[0033] El sistema de control puede funcionar para controlar la velocidad a la que se abren y cierran la válvula (806) de purga y/o la válvula (808) de admisión.

[0035] El sistema de control puede funcionar para variar la velocidad a la que la válvula (806) de purga y la válvula (808) de admisión se abren y cierran una con respecto a la otra.

[0037] El sistema de control puede funcionar para controlar la válvula (806) de purga y la válvula (808) de admisión de modo que una de entre la válvula (806) de purga y la válvula (808) de admisión se abra cuando la otra se cierre, de modo que cuando una de entre la válvula (806) de purga y la válvula (808) de admisión esté completamente abierta, la otra esté completamente cerrada; y cuando una de entre la válvula (806) de purga y la válvula (808) de admisión está abierta al 50 %, la otra está abierta al 50 %.

[0039] El compresor (300) y la turbina (500) pueden girar alrededor de un eje comú n (900) y estar acoplados para girar juntos alrededor del eje comú n (900).

[0041] La fuente de calor (400) puede comprender un reactor nuclear.

[0043] Se puede proporcionar además un vehículo que comprenda un sistema (100, 1100) de motor térmico segú n la presente descripción.

[0045] También se puede proporcionar un método de operar un sistema (100, 1100) de motor térmico segú n la presente descripción en donde la válvula (806) de purga se controla para purgar el fluido de trabajo al depósito (602). La válvula (808) de admisión puede controlarse para permitir el paso del fluido de trabajo desde el depósito (602) a la entrada (302) del compresor. La válvula (806) de purga y la válvula (808) de admisión pueden controlarse para que se abran y cierren independientemente una de la otra.

[0047] La válvula (806) de purga y la válvula (808) de admisión pueden controlarse para que se abran al mismo tiempo y/o se cierren al mismo tiempo.

[0049] La válvula (806) de purga y la válvula (808) de admisión pueden controlarse de manera que una de entre la válvula (806) de purga y la válvula (808) de admisión se abra cuando la otra se cierre; y cuando una de entre la válvula (806) de purga y la válvula (808) de admisión está completamente abierta, la otra está completamente cerrada; y cuando una de entre la válvula (806) de purga y la válvula (808) de admisión está abierta al 50 %, la otra está abierta al 50 %.

[0050] La válvula (806) de purga y la válvula (808) de admisión pueden controlarse para variar el flujo a través de la válvula (806) de purga y la válvula (808) de admisión entre sí.

[0052] La válvula (806) de purga y/o la válvula (808) de admisión pueden controlarse para que se abran y cierren a velocidades diferentes entre sí.

[0054] Por tanto, se proporciona un sistema de motor térmico (por ejemplo, una fuente de calor, por ejemplo un reactor y una turbina de gas) alojado dentro de un compartimento ú nico (es decir, comú n) (el depósito 602) con una atmósfera del fluido de trabajo del circuito 700 de flujo de fluido de trabajo. De esta manera, las fugas del circuito 700 de flujo de fluido de trabajo pueden reciclarse de nuevo al circuito 700 de flujo de fluido de trabajo a través del compresor 300 y, por lo tanto, no perderse en el entorno fuera de la carcasa 600.

[0056] Además, el sistema está configurado para permitir el control de salida de potencia del sistema variando la masa del fluido de trabajo en el circuito 700 de flujo de fluido de trabajo haciendo fluir fluido de trabajo al depósito 602 desde el circuito 700 de fluido de trabajo y extrayendo fluido de trabajo del depósito al circuito 700 de fluido de trabajo.

[0057] Breve descripción de las figuras

[0059] El ejemplo del aparato, sistema y método de operación de la presente descripción se describirá ahora a modo de ejemplo ú nicamente con referencia a las figuras, en donde:

[0061] la Figura 1 muestra una representación esquemática de una embarcación (en este caso, un submarino) que puede incluir un sistema de motor térmico segú n la presente descripción;

[0063] la Figura 2 muestra un ejemplo del sistema de motor térmico de la presente descripción ubicado, a modo de ejemplo, en la embarcación mostrada en la Figura 1;

[0064] la Figura 3 muestra una representación esquemática de un primer ejemplo de un sistema de motor térmico de la presente descripción; y

[0066] la Figura 4 muestra una representación esquemática de un segundo ejemplo de un sistema de motor térmico de la presente descripción.

[0068] Descripción detallada

[0070] La presente descripción se refiere a un sistema 100, 1100 de motor térmico. La presente descripción también se refiere a un vehículo 10 que comprende un sistema 100, 1100 de motor térmico segú n la presente descripción, y un método de operar de un sistema 100, 1100 de motor térmico segú n la presente descripción.

[0072] El vehículo 10 puede proporcionarse como una embarcación, que puede proporcionarse como un sumergible, tal como un submarino 10 (como se muestra en la Figura 1), que comprende un sistema 100, 1100 de motor térmico segú n la presente descripción alojado en la embarcación (por ejemplo, como se muestra en la Figura 2).

[0074] La Figura 3 muestra un primer ejemplo de un motor térmico 100 segú n la presente descripción. La Figura 4 muestra un segundo ejemplo de un motor térmico 1100 segú n la presente descripción.

[0076] Ambos ejemplos pueden comprender un compresor 300 que tiene una entrada 302 y una salida 304. Se proporciona además una turbina 500 que tiene una entrada 502 y una salida 504. El compresor 300 y la turbina 500 pueden girar alrededor de un eje comú n 900 y están acoplados para girar juntos alrededor del eje comú n 900. El compresor 300 y la turbina 500 pueden formar parte de un conjunto de turbina 350 de gas.

[0078] Ambos ejemplos del sistema 100, 1100 de motor térmico pueden comprender además una fuente 400 de calor que tiene una entrada 402 y una salida 404. La fuente de calor 400 puede ser cualquier fuente de calor apropiada. La fuente de calor 400 puede ser un reactor nuclear. En ejemplos alternativos, la fuente 400 de calor puede alimentarse químicamente, por ejemplo, utilizando carbón, diésel o etanol como fuente de combustible.

[0080] El compresor 300, la fuente 400 de calor y la turbina 500 definen parte de un circuito 700 de flujo de fluido de trabajo a través del cual, en funcionamiento, pasa un fluido de trabajo (por ejemplo, nitrógeno). El circuito 700 de flujo de fluido de trabajo puede definir una trayectoria de flujo para dirigir un fluido de trabajo para que pase a través del compresor 300, a través de la fuente 400 de calor y a través de la turbina 500, regresando al compresor 300. El circuito 700 de flujo de fluido de trabajo puede definir una trayectoria de flujo para controlar el flujo de fluido de trabajo que entra, pasa y sale del compresor 300, y luego entra, atraviesa y sale de la fuente 400 de calor; y luego entra, atraviesa y sale de la turbina 500 para volver al compresor 300 para reiniciar el ciclo.

[0082] El circuito 700 de flujo de fluido de trabajo puede comprender además una turbina 1200 de giro libre, a través de la cual pasa el fluido de trabajo. La turbina 1200 de giro libre se puede usar para accionar una toma de energía. Como se muestra en relación con el primer ejemplo del sistema 100 de motor térmico en la Figura 3, el circuito 700 de flujo de fluido de trabajo puede comprender además un primer circuito 1204 de derivación, que proporciona una vía de flujo de derivación más allá de la turbina 1200 de giro libre. La primera derivación 1204 puede comprender una primera válvula 1234 de control de flujo de derivación.

[0084] El circuito 700 de flujo de fluido de trabajo puede comprender además un intercambiador 1202 de calor, a través del cual pasa el fluido de trabajo. El intercambiador de calor 1202 puede funcionar para eliminar el calor del fluido de trabajo. Como se muestra en relación con el segundo ejemplo del sistema 1100 de motor térmico en la Figura 4, el circuito 700 de flujo de fluido de trabajo puede comprender además un segundo circuito 1206 de derivación, que proporciona una vía de flujo de derivación más allá del intercambiador 1202 de calor. La segunda derivación 1206 puede comprender una segunda válvula 1236 de control de flujo de derivación.

[0086] Como se muestra en relación con el primer ejemplo del sistema 100 de motor térmico en la Figura 3, el circuito 700 de flujo de fluido de trabajo puede comprender además un tercer circuito 1208 de derivación, que proporciona una vía de flujo de derivación del compresor 300 a una región corriente abajo de la turbina 1200 de giro libre. El tercer circuito de derivación 1208 puede comprender una tercera válvula de control de flujo de derivación 1238. El tercer circuito 1208 de derivación puede comprender adicional o alternativamente un filtro 1240 configurado para la filtración de partículas y/o productos químicos. La tercera válvula 1238 de control de flujo de derivación puede proporcionarse en serie o en paralelo con el filtro 1240.

[0088] El circuito 700 de flujo de fluido de trabajo puede comprender además un cuarto circuito 1210 de derivación, que proporciona una vía de flujo de derivación entre la entrada 402 de la fuente de calor y la salida 404 de la fuente de calor. La tercera derivación 1208 puede comprender una tercera válvula 1250 de control de flujo.

[0090] El sistema de motor térmico puede comprender además una carcasa 600 que se puede operar para sellarse para definir un depósito 602 en donde se encuentran el compresor 400, la fuente 400 de calor, la turbina 500 y el circuito 700 de flujo de fluido de trabajo. Es decir, la carcasa 600 delimita (por ejemplo, determina los límites o límites de) el depósito 602 en donde se encuentran el compresor 300, la fuente 400 de calor, la turbina 500 y el circuito 700 de flujo de fluido de trabajo. La carcasa 600 puede ser una estructura discreta (es decir, dedicada), o puede comprender una combinación de paredes que también forman parte de la estructura circundante. Por ejemplo, en el caso de una embarcación, las paredes que definen la carcasa 600 pueden comprender mamparos y regiones del casco.

[0092] La carcasa 600 se puede sellar y está configurada para contener el fluido de trabajo (por ejemplo, nitrógeno). Es decir, la carcasa 600 puede configurarse para evitar el intercambio de fluido a través del límite definido por la carcasa 600. Dicho de otra manera, la carcasa 600 puede configurarse para evitar la pérdida de fluido desde el depósito 602 (es decir, desde el interior del límite definido por la carcasa 600 hasta el exterior del límite definido por la carcasa 600) y configurarse para evitar la entrada de fluido en el depósito 602 (es decir, desde fuera del límite definido por la carcasa 600 hasta el interior del límite definido por la carcasa 600).

[0094] Como se muestra en las Figuras 3 y 4, el circuito 700 de flujo de fluido de trabajo puede comprender un conducto 800 del compresor a la fuente de calor que se extiende entre la salida 304 del compresor y la entrada 402 de la fuente de calor para el paso del fluido de trabajo entre la salida 304 del compresor y la entrada 402 de la fuente de calor. El circuito 700 de flujo de fluido de trabajo puede comprender un conducto 802 de la fuente de calor a la turbina que se extiende entre la salida 404 de la fuente de calor y la entrada 502 de la turbina para el paso del fluido de trabajo entre la salida 404 de la fuente de calor y la entrada 502 de la turbina. El circuito 700 de flujo de fluido de trabajo puede comprender un conducto 804 de la turbina al compresor que se extiende entre la salida 504 de la turbina y la entrada 302 del compresor para el paso del fluido de trabajo entre la salida 504 de la turbina y la entrada 302 del compresor.

[0095] Se puede proporcionar una válvula 806 de purga en comunicación de flujo con la salida 304 del compresor, que puede funcionar para purgar el fluido de trabajo al depósito 602. Se puede proporcionar una válvula 808 de admisión en comunicación de flujo con la entrada 302 del compresor que puede funcionar para permitir el paso del fluido de trabajo desde el depósito 602 a la entrada 302 del compresor.

[0097] La válvula 806 de purga puede proporcionarse en el conducto 800 del compresor a la fuente de calor, operable para purgar el fluido de trabajo que pasa a través del conducto 800 del compresor a la fuente de calor al depósito 602, teniendo la válvula 806 de purga, y/o en comunicación fluida con, un orificio 818 de ventilación que se abre al depósito 602. La válvula 808 de admisión puede proporcionarse en el conducto 804 de la turbina al compresor, operable para permitir el paso del fluido de trabajo desde el depósito 602 al conducto 804 de la turbina al compresor para su suministro a la entrada 302 del compresor, teniendo la válvula 808 de admisión una abertura 820 de admisión que se abre al depósito 602.

[0098] Como se muestra en la Figura 4, en relación con el segundo ejemplo de un motor térmico 1100, el sistema 1100 de motor térmico puede comprender además un conducto 810 de unión de flujo de fluido que define una cavidad (por ejemplo, volumen y/o cámara) 812 en comunicación de flujo con la válvula 806 de purga, la válvula 808 de admisión y una abertura 814 para la comunicación de fluido con el depósito 602. La abertura 814 puede estar en el extremo de una tubería 816, y el flujo de fluido puede provenir del conducto 810 de unión de flujo de fluido al depósito 602 o desde el depósito 602 al conducto 810 de unión de flujo de fluido.

[0100] El conducto 810 de unión de flujo de fluido puede comprender un filtro 830. El filtro 830 puede funcionar para evitar el paso de partículas y/o productos químicos desde y/o hacia el circuito 700 de fluido de trabajo.

[0102] El sistema 100, 1100 de motor térmico puede comprender además un sistema de control (es decir, un controlador) (no mostrado) operable para controlar la apertura y el cierre de la válvula 806 de purga. El sistema de control (no mostrado) puede funcionar para controlar la apertura y el cierre de la válvula 808 de admisión. El sistema de control puede funcionar para controlar la válvula 806 de purga y la válvula 808 de admisión de forma independiente una de la otra.

[0103] El sistema de control (no mostrado) puede funcionar para controlar que la válvula 806 de purga y la válvula 808 de admisión se abran al mismo tiempo. El sistema de control (no mostrado) puede funcionar para controlar que la válvula 806 de purga y la válvula 808 de admisión se cierren al mismo tiempo.

[0105] El sistema de control (no mostrado) puede funcionar para controlar la válvula 806 de purga y la válvula 808 de admisión para variar el flujo a través de la válvula 806 de purga y la válvula 808 de admisión entre sí. Es decir, el sistema de control puede funcionar para controlar la válvula 806 de purga y la válvula 808 de admisión para variar el flujo a través de la válvula 806 de purga en relación con el flujo que arroja la válvula 808 de admisión y para variar el flujo a través de la válvula 808 de admisión en relación con el flujo que arroja la válvula 806 de purga.

[0106] El sistema de control puede funcionar para controlar la velocidad a la que la válvula 806 de purga y/o la válvula 808 de admisión se abren y cierran.

[0108] El sistema de control puede funcionar para variar la velocidad a la que la válvula 806 de purga y la válvula 808 de admisión se abren y cierran una con respecto a la otra.

[0110] El sistema de control puede funcionar para controlar la válvula 806 de purga y la válvula 808 de admisión de modo que una de entre la válvula 806 de purga y la válvula 808 de admisión se abra cuando la otra se cierre, de modo que a medida que el caudal a través de una de entre la válvula 806 de purga y la válvula 808 de admisión aumente, el caudal a través de la otra de entre la válvula 806 de purga y la válvula 808 de admisión disminuya. En un ejemplo, cuando una de entre la válvula 806 de purga y la válvula 808 de admisión está completamente abierta, la otra está completamente cerrada, y cuando una de entre la válvula 806 de purga y la válvula 808 de admisión está abierta al 50 %, la otra está abierta al 50 %.

[0112] En funcionamiento, la válvula 806 de purga y la válvula 808 de admisión de los sistemas 100, 1100 de motor térmico de la presente descripción se controlan para que se abran y cierren, por ejemplo, bajo el control del sistema de control (no mostrado). El tiempo relativo en donde una de entre la válvula 806 de purga y la válvula 808 de admisión está cerrada o abierta, o se cierra o se abre, con respecto a la otra de entre la válvula 806 de purga y la válvula 808 de admisión puede controlarse segú n la potencia de salida requerida (es decir, la demanda de energía de) los sistemas 100, 1100 de motor térmico. Es decir, el tiempo relativo en donde una de entre la válvula 806 de purga y la válvula 808 de admisión está cerrada o abierta, o se cierra o se abre, en relación con la otra de entre la válvula 806 de purga y la válvula 808 de admisión puede controlarse para controlar la masa de fluido de trabajo que pasa a través del circuito 700 de flujo.

[0113] El funcionamiento básico de los sistemas 100, 1100 se describe a continuación en la tabla 1.

[0115] Tabla 1: Funcionamiento del sistema de motor térmico

[0117]

[0120] Por ende, la válvula 806 de purga puede controlarse para que se abra y purgue una proporción del fluido de trabajo que fluye a través del circuito 700 de flujo hacia el depósito 602, y la válvula 808 de admisión se controla para que se abra para permitir el paso del fluido de trabajo del depósito 602 a la entrada 302 del compresor al circuito 700 de flujo.

[0121] Cuando tanto la válvula 806 de purga como la válvula 808 de admisión están abiertas, el flujo neto de fluido de trabajo hacia el circuito 700 de flujo del depósito 602 puede ser positivo (es decir, para aumentar la cantidad de fluido de trabajo en el circuito 700 de flujo de fluido de trabajo) o negativo (es decir, para disminuir la cantidad de fluido de trabajo en el circuito 700 de flujo de fluido de trabajo). Si tanto la válvula 806 de purga como la válvula 808 de admisión están cerradas, entonces no hay flujo controlado entre el circuito 700 de flujo y el depósito 602. Es decir, si tanto la válvula 806 de purga como la válvula 808 de admisión están cerradas, con la excepción de cualquier fuga del circuito 700 de flujo, no hay flujo desde el circuito 700 de flujo al depósito 602.

[0123] La válvula 806 de purga y la válvula 808 de admisión pueden controlarse para que se abran y cierren independientemente una de la otra. Por lo tanto, la válvula 806 de purga y la válvula 808 de admisión pueden estar al menos parcialmente abiertas (es decir, configuradas para permitir el flujo del fluido de trabajo) al mismo tiempo (o en momentos diferentes).

[0124] La válvula 806 de purga y la válvula 808 de admisión pueden controlarse para que se abran al mismo tiempo y/o se cierren al mismo tiempo.

[0126] Alternativa o adicionalmente, la válvula 806 de purga y la válvula 808 de admisión pueden controlarse de manera que cuando una de entre la válvula 806 de purga y la válvula 808 de admisión se abre, para permitir el flujo del fluido de trabajo a través de la misma, la otra se cierra, de modo que cuando el caudal a través de una de entre la válvula 806 de purga y la válvula 808 de admisión aumenta, el caudal a través de la otra de entre la válvula 806 de purga y la válvula 808 de admisión disminuye.

[0128] Alternativa o adicionalmente, la válvula 806 de purga y la válvula 808 de admisión pueden controlarse de manera que cuando una de entre la válvula 806 de purga y la válvula 808 de admisión esté completamente abierta, la otra esté completamente cerrada.

[0130] Alternativa o adicionalmente, la válvula 806 de purga y la válvula 808 de admisión pueden controlarse de manera que cuando una de entre la válvula 806 de purga y la válvula 808 de admisión esté abierta al 50 %, la otra esté abierta al 50 %.

[0132] La válvula 806 de purga y la válvula 808 de admisión pueden controlarse para variar el flujo a través de la válvula 806 de purga y la válvula 808 de admisión una con respecto a la otra.

[0134] La válvula 806 de purga y/o la válvula 808 de admisión pueden controlarse para que se abran y cierren a velocidades diferentes entre sí.

[0135] La válvula 806 de purga y/o la válvula 808 de admisión pueden tener la misma capacidad de área de flujo, o pueden tener diferentes capacidades de área de flujo. Es decir, cuando están completamente abiertas, la válvula 806 de purga (y la válvula 818 de ventilación) y la válvula 808 de admisión (y la abertura 820 de admisión) pueden tener la misma área de flujo, de modo que el caudal máximo a través de ambas sea el mismo. Es decir, cuando están completamente abiertas, la válvula 806 de purga y el orificio 818 de ventilación pueden permitir el mismo caudal máximo que la válvula 808 de admisión y la abertura 820 de admisión.

[0137] Durante la operación, el depósito 602 delimitado por la carcasa 600 proporciona una reserva de fluido de trabajo (por ejemplo, gas nitrógeno) a la misma presión que la entrada 502 de la turbina. La presión en el depósito 602 puede controlarse para que sea la temperatura atmosférica. La presión en el circuito de flujo de fluido de trabajo 700 es mayor que la presión atmosférica. Esto asegura que las fugas del circuito 700 de flujo de fluido de trabajo presurizado se eliminen como un problema, ya que el fluido de trabajo fugado puede introducirse en el compresor 300 en la entrada 302 del compresor mientras se mantienen bajas las presiones en el depósito 602.

[0139] El uso de la carcasa 600, tal como se describe, como una embarcación a presión de modo que el fluido de trabajo se expulse del circuito 700 de flujo de fluido de trabajo a alta presión al depósito 602, permite reducir el flujo másico a través de la turbina 500 para, por lo tanto, reducir los niveles de potencia de salida mientras se mantienen relaciones de presión constantes. Esto permitió lograr eficiencias de la turbina cercanas al diseño a carga parcial.

[0140] Mantener la presión en el depósito 602 aproximadamente a la presión atmosférica también evita la necesidad de que la carcasa 600 sea una embarcación a presión de alta resistencia (y, por lo tanto, cara, pesada y grande). Por lo tanto, la carcasa 600 puede ser una estructura relativamente ligera.

[0142] A medida que se cambia el caudal a través de la válvula 806 de purga y la válvula 808 de admisión, el equilibrio entre el fluido de trabajo perdido del depósito 602 y el fluido de trabajo gaseoso ganado en el depósito 602 cambia, lo que resulta en una pérdida neta de gas o una ganancia neta de fluido de trabajo hacia el circuito 700 de flujo de fluido de trabajo desde el depósito 602 hasta que el sistema alcanza un estado estacionario.

[0144] El volumen relativamente grande del depósito 602 requerido para alojar el reactor, el compresor, la turbina y otros equipos significa que el fluido de trabajo puede ventilarse o extraerse del depósito, pequeño cambio de presión en el depósito 602.

[0145] El uso de nitrógeno como fluido de trabajo asegura que se pueda lograr un gran cambio de potencia simplemente ventilando el circuito 700 de flujo de fluido de trabajo al depósito 602.

[0147] En los ejemplos en donde tanto la válvula 806 de purga como la válvula 808 de admisión se abren al mismo tiempo (permitiendo así el flujo a través de las mismas), se introduce un control de potencia proporcional en respuesta a la posición de apertura/cierre de la válvula 806 de purga y la válvula 808 de admisión. Este control de potencia proporcional simplifica el sistema de control de potencia de la turbina, ya que solo es necesario controlar la posición de la válvula en lugar de la posición de la válvula y el período de apertura de la válvula. Esto permite habilitar fácilmente el control de caída necesario para una división estable de la carga entre varios generadores.

[0149] Para un control estable de la potencia al suministrar una red eléctrica, especialmente cuando hay varios generadores, la inclusión de la pendiente es fundamental. La inclinación en una turbina tradicional está controlada por un regulador y es una respuesta proporcional de la potencia de la turbina a un error con respecto a una velocidad de referencia, como lo indica la ecuación [1]

[0151] %Caída = (velocidad sin carga-velocidad a plena carga)/(velocidad sin carga)

[0154]

[0157] Como se ha descrito anteriormente, la abertura de la válvula 806 de purga y la válvula 808 de admisión pueden estar acopladas. En tal modo de funcionamiento, la masa de fluido de trabajo en el circuito 700 de flujo de fluido de trabajo pasa a ser una función de la velocidad de purga del circuito 700 de flujo de fluido de trabajo frente a la readmisión al circuito 700 de flujo de fluido de trabajo. Por lo tanto, el nivel de potencia pasa a ser proporcional a la posición combinada de apertura y cierre de la válvula 806 de purga y la válvula 808 de admisión. Por lo tanto, el control de inclinación es fácil de implementar colocando la posición de la válvula con respecto al error de velocidad de la turbina en una velocidad de referencia. Con este enfoque, la eficiencia de carga parcial se puede mantener, ya que una proporción significativa de la reducción de potencia se realiza mediante la disminución de la masa dentro del circuito 700 de flujo de fluido de trabajo, donde el flujo que pasa por alto la turbina contribuye a una pequeña proporción del incremento del cambio de potencia. Además, el flujo que pasa por alto la turbina garantiza una mayor amortiguación durante el control de la potencia y se puede ajustar seleccionando el perfil de apertura y cierre de la válvula para lograr el nivel deseado de estabilidad del sistema.

[0159] La configuración del sistema 100, 1100 de motor térmico de la presente descripción coloca la fuente 400 de calor (por ejemplo, el reactor) y otra maquinaria principal dentro de un ú nico compartimento. La colocación de todos los componentes del motor térmico, incluidas las rutas de flujo del circuito 700 de flujo de fluido de trabajo, dentro de un ú nico depósito 602 permite que el depósito 602 se llene con el mismo fluido que el circuito 700 de flujo de fluido de trabajo. El resultado neto es que las fugas del circuito 700 de flujo de fluido de trabajo entran en el depósito del reactor 602, donde la presión es aproximadamente atmosférica con un impulsor de presión limitado para futuras fugas al medio ambiente.

[0160] Este enfoque de diseño elimina en gran medida el mecanismo de accionamiento para el transporte de características no deseadas de la fuente de calor (por ejemplo, productos químicos o radiación) fuera del límite de la planta definido por la carcasa 600. Más importante aú n, dado que la entrada del compresor también funciona a la misma presión que el depósito 602, cualquier fuga de gas de la sección presurizada del circuito 700 de flujo de fluido de trabajo puede ser devuelta de manera efectiva al circuito 700 de flujo de fluido de trabajo en la entrada del compresor.

[0162] Un sistema de este tipo, con un reactor refrigerado por gas de ciclo cerrado, ofrece ventajas adicionales relacionadas con el control de potencia.

[0164] Además, debido al gran volumen de gas en el depósito 602, las presiones en el depósito 602 no varían significativamente después de la presurización y despresurización del circuito 700 de flujo de fluido de trabajo. Esto permite que una válvula simple actú e como purga en el depósito 602 sin la necesidad de incluir compresores para almacenar el gas del circuito 700 de flujo de fluido de trabajo retirado en cilindros de alta presión. Como resultado, se pueden lograr cambios rápidos de energía mediante el control de inventario, lo que mantiene la eficiencia de los puntos de diseño a carga parcial y elimina la necesidad de una mayor complejidad en el diseño de control de la planta.

[0165] El aparato, el sistema y el método de la presente descripción permiten una rápida tasa de cambio de la potencia de salida, ya que el movimiento del fluido de trabajo se produce entre volú menes adyacentes (es decir, el circuito 700 de flujo de fluido de trabajo y el depósito 602) que funcionan a una presión similar. Por lo tanto, no se requieren sistemas de control adicionales ni sistemas de almacenamiento de fluido de trabajo para transitorios de potencia rápidos.

Claims

1. REIVINDICACIONES

1. Un sistema (100, 1100) de motor térmico que comprende:

un compresor (300) que tiene una entrada (302) y una salida (304);

una fuente (400) de calor que tiene una entrada (402) y una salida (404); y

una turbina (500) que tiene una entrada (502) y una salida (504);

en donde el compresor, la fuente de calor y la turbina definen parte de un circuito (700) de flujo de fluido de trabajo;

comprendiendo además el sistema de motor térmico una carcasa (600) que se puede operar para sellarse para definir un depósito (602) en donde se encuentran el compresor, la fuente de calor, la turbina y el circuito de flujo de fluido de trabajo;

en donde el circuito de flujo de fluido de trabajo comprende, además:

un conducto (800) del compresor a la fuente de calor que se extiende entre la salida del compresor y la entrada de la fuente de calor;

un conducto (802) de la fuente de calor a la turbina que se extiende entre la salida de la fuente de calor y la entrada de la turbina; y

un conducto (804) de la turbina al compresor que se extiende entre la salida de la turbina y la entrada del compresor;

en donde se proporciona una válvula (806) de purga en comunicación de flujo con la salida del compresor, que puede funcionar para purgar el fluido de trabajo al depósito; y se proporciona una válvula (808) de admisión en comunicación de flujo con la entrada del compresor que puede funcionar para permitir el paso del fluido de trabajo desde el depósito a la entrada del compresor.

2. Un sistema de motor térmico segú n la reivindicación 1, en donde la válvula de purga está dispuesta en el conducto del compresor a la fuente de calor, que puede funcionar para purgar el fluido de trabajo que pasa a través del conducto del compresor a la fuente de calor hacia el depósito; y

la válvula de admisión se proporciona en el conducto de la turbina al compresor, que puede funcionar para permitir el paso del fluido de trabajo del depósito al conducto de la turbina al compresor para su suministro a la entrada del compresor.

3. Un sistema de motor térmico segú n la reivindicación 1 o la reivindicación 2, que comprende, además: un conducto (810) de unión de flujo de fluido que define una cavidad (812) en comunicación de flujo con la válvula de purga, la válvula de admisión y una abertura para la comunicación de fluido con el depósito.

4. Un sistema de motor térmico segú n una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un sistema de control,

pudiendo funcionar el sistema de control para controlar la apertura y el cierre de la válvula de purga;y pudiendo funcionar el sistema de control para controlar la apertura y el cierre de la válvula de admisión;

en donde el sistema de control puede funcionar para controlar la válvula de purga y la válvula de admisión independientemente una de la otra.

5. Un sistema de motor térmico segú n la reivindicación 4, en donde el sistema de control puede funcionar para controlar la válvula de purga y la válvula de admisión para:

abrirse al mismo tiempo; y/o

cerrarse al mismo tiempo.

6. Un sistema de motor térmico segú n las reivindicaciones 4 y 5, en donde el sistema de control puede funcionar para controlar la válvula de purga y la válvula de admisión para variar el flujo a través de la válvula de purga y la válvula de admisión una con respecto a la otra.

7. Un sistema de motor térmico segú n la reivindicación 4, la reivindicación 5 o la reivindicación 6, en donde el sistema de control puede funcionar para controlar la velocidad a la que la válvula de purga y/o la válvula de admisión se abren y cierran.

8. Un sistema de motor térmico segú n la reivindicación 7, en donde el sistema de control puede funcionar para variar la velocidad a la que la válvula de purga y la válvula de admisión se abren y cierran una con respecto a la otra.

9. Un sistema de motor térmico segú n una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 8, en donde el sistema de control puede funcionar para controlar la válvula de purga y la válvula de admisión de modo que una de entre la válvula de purga y la válvula de admisión se abra cuando la otra se cierra, de manera que:

a. cuando una de entre la válvula de purga y la válvula de admisión está completamente abierta, la otra está completamente cerrada; y

b. cuando una de entre la válvula de purga y la válvula de admisión está abierta al 50 %, la otra está abierta al 50 %.

10. Un sistema de motor térmico segú n una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el compresor y la turbina pueden girar alrededor de un eje comú n (900) y están acoplados para girar juntos alrededor del eje comú n.

11. Un sistema de motor térmico segú n una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la fuente de calor comprende un reactor nuclear.

12. Un vehículo que comprende un sistema de motor térmico segú n una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

13. Un método de operar un sistema de motor térmico segú n una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en donde:

la válvula de purga se controla para purgar el fluido de trabajo al depósito; y

la válvula de admisión se controla para permitir el paso del fluido de trabajo del depósito a la entrada del compresor; y

la válvula de purga y la válvula de admisión se controlan para que se abran y cierren independientemente una de la otra.

14. Un método de operar un sistema de motor térmico segú n la reivindicación 13, en donde la válvula de purga y la válvula de admisión se controlan para:

abrirse al mismo tiempo; y/o

cerrarse al mismo tiempo.

15. Un método de operar un sistema de motor térmico segú n la reivindicación 13, en donde la válvula de purga y la válvula de admisión se controlan de manera que una de entre la válvula de purga y la válvula de admisión se abre cuando la otra se cierra; y

16. Un método de operar un sistema de motor térmico segú n una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15, en donde la válvula de purga y la válvula de admisión se controlan para variar el flujo a través de la válvula de purga y la válvula de admisión una con respecto a la otra.

17. Un método de operar un sistema de motor térmico segú n una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16, en donde la válvula de purga y/o la válvula de admisión se controlan para que se abran y cierren a velocidades diferentes entre sí.