Thermal energy sink

¡¡¡Feliz Navidad!!!

Arquímedes y el Enunciado de Kelvin- Planck

 

Tratando de demostrar que el Enunciado de Kelvin-Planck puede ser falso, he renunciado a las máquinas convencionales para tal demostración. He sumergido el sistema en un fluido para que la fuerza de la gravedad sea la principal protagonista.
No cabe duda de que es una idea un tanto fantasiosa, demasiado fantasiosa, trabajar a esas profundidades no deja de ser una locura, pero de lo que se trata es de algo muy importante: Tratar de demostrar que es posible transformar toda la energía térmica que entra a un sistema termodinámico cerrado, en trabajo de eje. Esto es muy importante, si se demuestra que  es posible el problema energético queda resuelto. Si una máquina es capaz de realizar está labor, toda la energía que nos rodea puede convertirse en trabajo. Una máquina situada en la Antártida sería capaz de convertir energía térmica a temperaturas de 190 K, en trabajo de eje. Incluso sería posible condensar Nitrógeno a temperatura de 100 K ó menos, que previamente haya sido turbinado.
Se puede escribir mucho sobre este tema, pero antes creo que será mejor asegurarse de que no existe "gazapo", quiero decir, que es también posible que yo este equivocado. Puede haber trampa, pero yo de momento no la veo, y es que la imaginación muchas veces cierra puertas para no desilusionarnos.
Espero que alguna persona de las que entran al blog, me de una respuesta, aunque tenga que ponerme colorado. Gracias

Enunciado de Kelvin- Planck ¿Verdadero o falso?

Motores Térmicos, Carbón y CO2

En la mayoría de las entradas de este blog, se hace referencia a las máquinas térmicas, que realizan el trabajo de expansión de un gas, utilizando energía térmica a distintas temperaturas.

El presente dibujo muestra como sería factible poder utilizar el contaminante carbón  bajando considerablemente las emisiones de CO2 y el resto de contaminantes. Hay que tener en cuenta que este combustible es el único que tenemos, y el tema energético se esta complicando, además de la crisis que supuestamente se avecina. En mis entradas he tratado de demostrar que es posible generar trabajo con energía a bajas temperaturas, pero como según parece no resulta interesante, trataremos al menos, de que el carbón no acabe con nosotros, además repito, es nuestro único combustible.

Pasando al nuevo sistema y resumiendo lo más posible, se puede apreciar en el dibujo, que se trata principalmente de recircular la energía que cede el vapor en su condensación y transformar esta energía íntegramente en trabajo mediante la expansión isotérmica de un gas. El trabajo extraído se invierte en comprimir el 50% del propio gas, cerrando los ciclos de los cilindros. Se tiene en cuenta que para volver al estado inicial del ciclo en los cilindros, el trabajo que ha de realizarse es independiente del camino recorrido, ya que este no es una propiedad de estado, lo único importante es el estado inicial y final. Es por ello que el pistón volverá a su punto de partida anterior a la expansión sin tener que comprimir toda la masa ( en este caso 1000 moles), expulsando 500 moles en su retroceso,  mantiene la presión baja constante, y el trabajo será mínimo, solo rozamiento. Los moles expulsados serán introducidos en el cilindro cuando este se encuentre en su posición inicial. por lo tanto solo realizaremos trabajo sobre los 500 moles que se comprimen desde los 37 bar hasta los 600 bar. Este gas ( Nitrógeno, o cualquier otro gas alejado de su temperatura crítica) se enfría a presión constante cediendo su energía al sistema Caldera- Turbina de vapor. El combustible solo aportará la energía de vaporización . De este modo bajaremos el consumo de carbón por kW/h a 0,15 Kg (Antracita o Hulla ) y lanzaremos una emisiones de CO2 = 0,26 Kg /kWh

Lógicamente también bajarán otras emisiones, teniendo en cuenta sobre todo que la temperatura de combustión será bastante más baja. 

  

Motores isotérmicos

Descripción del proceso: La máquina o conjunto de motores térmicos, (1-2-3-4 ) que se observan en el dibujo, tienen la finalidad de convertir energía térmica en trabajo de eje. Prácticamente todas las máquinas que convierten energía térmica en trabajo deben de realizar un salto térmico, en este caso lo que se realiza es un "salto de presiones". La temperatura permanece constante, los cilindros-pistón realizan expansiones isotérmicas, pudiendo de este modo trabajar a cualquier temperatura que permitan los materiales y mecánica del motor.
Como ejemplo sería posible licuar Hidrógeno y obtener trabajo en lugar de tener que suministrarlo. El fluido de trabajo sería para este caso el He4, y conseguir una máquina que pueda vencer los inconvenientes de trabajar a esa temperaturas, desde la termodinámica no debería haber problemas.
También sería posible y más fácilmente, licuar Nitrógeno utilizando Hidrógeno como fluido de trabajo. El Nitrógeno licuado puede convertirse en un fluido capaz de ser turbinado, si previamente se bombea a alta presión (200 bar) y se calienta a presión constante por encima de los 250 K. Posteriormente se expansiona adiabáticamente en una turbina.
Al día de hoy, enormes cantidades de NH3 son producidas en el mundo utilizando el metano (CH4) como fuente de Hidrógeno. El metano lleva unido en su molécula al Carbono que durante el proceso pasará a formar CO2. Si somos capaces de obtener Hidrógeno electrolítico y Nitrógeno, mediante licuación del aire atmosférico en este último caso, a precio CERO en energía eléctrica, problema resuelto. En casi todo proceso químico de la industria se requiere energía térmica y energía eléctrica, que es una energía UNIVERSAL, es posible su utilización para infinidad de procesos, es por lo tanto la base principal.
Funcionamiento nudo motores térmicos del dibujo:
Cilindro-pistón (1): Pistón frenado en la posición 1/2 del volumen total del cilindro. Contiene 500 moles de H2 a una presión de 300 bar. Recibe 500 moles de H2 a una presión de 600 bar. La presión aumenta hasta los 600 bar y se expansiona isotérmicamente hasta la presión de 300 bar.
Una vez realizado el trabajo el pistón retrocede a su posición inicial expulsando 500 moles de H2 lo que permite que pueda hacerlo sin aportar trabajo exterior al sistema ( fuerza contrapresión almacenada y devuelta al sistema)
Estos 500 moles pasan al cilindro-pistón (2) que se encuentra frenado en posición 1/2 del volumen total, contiene 500 moles a una presión de 150 bar, y se repite la operación.
El último cilindro (4)realiza la misma operación ,pero en este caso los 500 moles expulsados pasan al compresor. Anqué parezca un poco complicado si se estudia detenidamente se puede entender perfectamente.
Nota: Hay que tener en cuenta que la presión de descarga de los cilindros cuando el pistón retorna después de la expansión, es más elevada que la presión a la que se encuentra el cilindro que ha de recibir la descarga, por ejemplo, el cilindro (1) (300bar) descarga en el cilindro (2) (150 bar). Esto ocasionaría la aceleración del pistón. Para evitarlo y no perder este empuje sería preciso frenar el vástago del pistón por medio del sistema que llevará incorporado el cilindro para convertir  en trabajo útil la expansión. Y lo mismo acurre con el trabajo del compresor, el cálculo del trabajo se hará teniendo en cuenta la presión media ( 600-300 bar). No se ha hecho así en este caso, por que el fin que se persigue no es crear una máquina, sino lanzar ideas, con la esperanza de que algún aficionado  a la termodinámica lo encuentre interesante y saque provecho de todo esto. Yo ya estoy cansado.

Air conditioning, sanitary hot water, and electric power

For the of 180   kWh in a Linear Generator  you meed a very voluminous machine, therefore, perhaps the best would be  the transmission by rack.

Máquina Térmica Motora

Aquí presento a una máquina térmica motora, que entre otras funciones como motor, bien podría instalarse en uno de esos enormes buques mercantes que navegan por los mares y océanos.

La potencia estará determinada por el volumen, temperatura, presión y número de moles del gas de trabajo ( Nitrógeno, Helio, Argón, Hidrógeno y otros). No hay combustión. La energía se extrae del mar como energía térmica, incluso navegando por los mares más fríos del planeta. La temperatura de operación no es un problema, la máquina se adapta a cualquier temperatura, incluso a temperaturas criogénicas.

La creciente demanda de agua potable en muchos lugares del planeta, debido en parte al cambio climático, obliga a la construcción y puesta en marcha de potentes desaladoras. Una máquina que utilice energía térmica de baja entalpía, incluso que pueda aprovechar el calor latente del cambio de fase líquido-solido del agua, nos ofrecería la solución definitiva a la producción de agua potable. El coste de la energía es ahora el principal obstáculo para obtenerla.

También debo mencionar a las centrales eléctricas, sobre todo a las centrales hidroeléctricas. Se trataría de aprovechar las actuales turbinas con sus generadores, y recircular el agua descargada por turbina mediante la Máquina Térmica Motora. El resultado sería  muy efectivo, ya que las oscilaciones de bombeo, utilizando a la Máquina como bomba de desplazamiento positivo, se amortiguan a través del agua embalsada.

Su funcionamiento: Según se observa en el dibujo, el pistón (1) se encontraría al final de su carrera en la presión mínima. El pistón (2) está a la "espera" en su posición de punto muerto superior. Este pistón queda bloqueado. Las válvulas de lenteja abren y el compresor lobular se pone en marcha. Lleva incorporado un variador de frecuencia, o es alimentado su motor por corriente continua, con el objetivo de ir aumentado su número de revoluciones a medida que aumenta la presión. De este modo el trabajo será mínimo.

El pistón (1) comienza su carrera ascendente desalojando el número de moles suficiente para no aumentar la presión y no realizar trabajo (solo rozamientos). El flujo pasa al la cámara o vasija donde se aloja el pistón (2), aumentando la presión y realizando un trabajo, que es menor al que tendríamos que realizar si es comprimida toda la masa de la cámara o vasija. Ahora el pistón (2) es desbloqueado y comienza su carrera de expansión.

En el dibujo se detallan presiones, temperaturas y trabajo entre otras cosas. La energía térmica la entrega el condensador de CO2. Lleva incorporado sistema de recirculación forzada para mantener temperatura homogénea en la expansión isotérmica del gas ( N2) 

ITER PACÍFICO

El nuevo sistema que se observa en la figura que adjunto, se trata de un conjunto de tres vasijas (solo dibujo una, pero serian  las tres exactamente iguales) y que por razones de seguridad y debido a las altas presiones de trabajo, irían bajo el suelo, subterráneas, así sería también posible realizar un fuerte armazón de hormigón que permita paredes metálicas en su interior de espesor moderado.
El funcionamiento del sistema es muy sencillo. Se trata de comprimir y expansionar un gas. Se expansiona isotérmicamente, y se comprime manteniendo el volumen constante e introduciendo masa o moles del gas de trabajo ( en este caso será Nitrógeno), empujados por varios compresores (uno solo sería demasiado voluminoso). Antes de introducir el gas comprimido el gas que ocupa la vasija es desplazado a presión constante ( presión mínima 200 bar) expulsando el número de moles suficiente para mantener la presión mínima constante en todo el recorrido del pistón. El trabajo realizado por los compresores es menor que el realizado en la expansión. "El trabajo en un ciclo cerrado depende solo del camino recorrido".
Funcionamiento:
Empezaremos por la vasija (1) que estará en posición de espera (carga Nitrógeno comprimido). Pistón punto alto bloqueado. Mínimo volumen vasija (1000 m3) Presión: 200 bar. Número de moles:
8122157 moles. Se han expulsado 4840805 moles. Ahora recibe 4840805 moles de Nitrógeno a una presión media de 275 bar, y presión final de 350 bar. Se desbloquea el pistón y se expansiona el gas isotérmicamente. La carga térmica la recibe del condensador de CO2 y el Nitrógeno es batido en el interior de la vasija con el objetivo de que todas las moléculas, o el mayor número posible, reciban de forma igualitaria la energía térmica.
La vasija (2) ha expulsado el Nitrógeno que ha recibido la vasija (1) . La vasija (3) esta en punto muerto inferior y se dispone a cargar la vasija (2). Ahora la vasija (3) recibirá lo expulsado por la vasija (1) cuyo pistón inicia el ascenso.
Yo mismo me hago un lio, pero creo que se entiende lo que pretendo dar a conocer. Como es lógico se pueden montar un número indeterminado de vasijas todas ellas trabajando conjuntamente. Incluso se pueden conectar mecánicamente por transmisión, mediante cremallera, y piñones libres para efectuar las inversiones de marcha y bloqueos de eje.
Este sistema sería muy conveniente en una central hidroeléctrica de bombeo, incluso no sería necesario el bombeo a balsas elevadas, descargando en galería presurizada de poco volumen y manteniendo la presión mínima por medio de un gas (Aire), es posible recircular el agua de las turbinas. La energía térmica la aporta el agua del rio.
No hay que olvidar las desaladoras, aquí tendríamos agua potable y energía eléctrica. Energía a precio cero. ¿Es mucho pedir?

Aquí tenemos el sistema ITER PACÍFICO, acoplado a un equipo de ósmosis inversa en una hipotética desaladora. También es posible acoplar el ITER PACÍFICO a una central hidroeléctrica de bombeo. Al trabajar el ITER por medio de pistón alternativo, el flujo bombeado sufrirá oscilaciones de presión que han de ser amortiguadas descargando previamente en cámara presurizada con un gas (Aire). En una central hidroeléctrica éstas oscilaciones no tendrían importancia, ya que se vierte el flujo (agua) al propio embalse de la central, manteniendo constante el nivel del mismo. Se recircula el agua descargada por las turbinas hidráulicas y estas son las que convierten en energía eléctrica el trabajo generado por la expansión del gas contenido en el ITER PACÍFICO.

Al no ser necesario la entrada de agua del rio, de algún modo debe de haber aporte de energía térmica, de otro modo el agua del embalse puede llegar a congelarse, y para obtenerla del aire, serían necesarios intercambiadores de calor muy voluminosos, por lo tanto deberá entrar agua del rio y enfriarla unos 5ºC ( evaporadores CO2) . También sería posible llevarla a congelación y extraer el calor latente de fusión. Parece ciencia ficción, pero no lo es.

Con este sistema; ITER PACÍFICO + Central Hidroeléctrica, problema de la energía y agua potable resuelto. AMÉN.

Motor ecológico y Variador Continuo

Motor Ecológico 2019

En primer lugar: ¡¡Feliz Año 2019!!
Un nuevo año y nuevas ideas, hay que entrenar continuamente para que el cerebro entre lo más tarde posible en el declive final.
Aquí presento un dibujo que representa lo que puede ser el motor definitivo, tanto para el automóvil, como para generar energía eléctrica en cualquier lugar del planeta a cualquier temperatura, a todas horas, y todos los días del año.
Descripción de los dibujos:
1-2 : Cilindros motores isotérmicos (generan el pozo frío a 90 Kº)
3-4 : Cilindros compresores ( recargan los cilindros motores para aumentar la presión)
A-1 -A-2 : Condensadores ( condensan el vapor de Nitrógeno )
B-1-B-2 :  Turbos ventiladores para agitar flujo motor y recircular a través del condensador)
C-1-C-2 : Vasos acumuladores Nitrógeno condensado
D1-D-2 : Bombas elevadoras de presión Nitrógeno líquido
 E- : Intercambiador de calor (energía térmica recirculante) ( Trabajo compresores)
 F-.: Acumulador de He4 a alta presión ( 182 atm)
G-: Intercambiador de calor  (energía externa )
Las incógnitas que pueden observarse en el dibujo hacen referencia a la posibilidad de intercalar en la corriente de He4 a alta presión microturbinas para poder evacuar el excedente de energía térmica que se genera en la parte baja del sistema (100-150 Kº) convirtiendo esta energía en trabajo, de esta forma no es necesario evacuarla, salir a temperatura externa requiere mucho trabajo.
Elevar la presión hasta las 184 atm, es con el objetivo de realizar expansión brusca a la entrada del cilindro motor, y hacerlo mediante boquilla de Laval, tratando de realizar más rápidamente el aumento de presión y lograr un enfriamiento adiabático si es posible. La verdad es que lo que puede pasar con ese flujo se escapa a mis conocimientos. Para aumentar la presión desde las 76 atm, hasta las 122 atm, que es la presión de trabajo según diseño principal, solo sería necesario introducir 300 moles de He4 que sumados a los 500 moles que están dentro de los cilindros 1-2 suman los 800 moles necesarios para alcanzar la presión inicial de 122 atm.
En todo caso si es necesaria la evacuación de energía térmica, se puede recurrir  a la instalación de otro sistema acoplado en serie, recibiendo este la energía térmica sobrante. No entraría a este motor, energía externa. Recibe la aportada por el motor principal que se convierte en trabajo en su cilindro motor, y evacuará la que le corresponde según número de moles, estableciendo de este modo la siguiente relación : Evacuando el 30 % de la energía "primaria" se reduce en el siguiente módulo en número de moles He4 , siendo así que: 0,7 x 800 =560 moles para el motor térmico y 210 moles para el compresor, de este modo se baja considerablemente la energía expulsada. Lo único que es necesario hacer en convertir energía térmica en trabajo y extraerla de este modo.
Más adelante seguiré con más detalles. Gracias

El funcionamiento del motor es muy sencillo, deberá llevar más elementos que los que se representan en el dibujo, pero trato de evitar complicar excesivamente el dibujo.
Empezando por el cilindro (1) que ha recibido 300 moles de He4 a una presión de 184 atm y eleva su presión desde  76 atm, hasta las 122 atm (se espera que la inyección de los 300 moles con su energía cinética al expansionarse dentro del cilindro, favorezca la dispersión molecular y ligera bajada de la temperatura final (90 Kº) ). Posteriormente y estando en marcha el turbo (B-1) los 800 moles contenidos en el cilindro se expansionan isotérmicamente y el trabajo realizado se utiliza para comprimir los 300 moles del cilindro (3) que son enviados al acumulador (F). Aquí es donde es necesario incorporar un elemento acumulador de fuerza, magnético o mecánico, para poder aprovechar convenientemente el empuje provocado por la expansión isotérmica, teniendo en cuenta que el efecto de la contrapresión es desfavorable ( La presión de empuje disminuye el (1) y aumenta en (3), aunque el trabajo realizado es del mismo valor.
Durante la expansión isotérmica se han condensado en ( A-1) 1,68 Kg de Nitrógeno a una presión de 5 atm. Se realizan 300 ciclos/hora y cada uno de los dos cilindros motores condensan 504 Kg/h.
El Nitrógeno condensado es bombeado a presión de 200 atm cuando se dispone de energía de los alrededores por encima de los 250 Kº y presión de 120 atm cuando la temperatura externa esté por debajo de los 200 Kº ( Antártida, y algunos lugares de Siberia). Lógicamente la potencia obtenida en la turbina motora de salida será proporcional a la temperatura de trabajo.
Como se observa en el dibujo el Nitrógeno condensado pasa por un intercambiador de calor a contracorriente donde recibe energía térmica cedida por los 300 moles de He4 comprimidos en los cilindros (3-4). La máquina criogénica estará completamente aislada del exterior, solo el intercambiador de calor (G) y la turbina motora estarán fuera del conjunto criogénico, aunque es necesario aislar estos componentes para evitar entradas de energía térmica por caminos que no sea el intercambiador de calor (G)
Llegados a este punto queda algo muy importante por aclarar. Es posible que la energía térmica de la compresión en los cilindros (3-4) que se cede al Nitrógeno líquido en el intercambiador (E) sea excesiva para cederla entre las temperaturas 100-150 Kº, y entonces será preciso contar con cilindro de apoyo, igual que los que se ven en los dibujos, y será este cilindro el que reciba la energía térmica de compresión en lugar de condensar Nitrógeno. El cilindro motor trabajará con 400 moles He4 para expansión isotérmica y 150 moles de He4 para la compresión y entrega térmica al Nitrógeno líquido.
De este modo queda solucionado el problema.Y aquí tenemos el motor del futuro, no solo para vehículos, sino también, para cualquier otra función donde se requiera Fuerza y Trabajo.