La presente invención se refiere a un sistema y a un método para reproducir las condiciones de presión y temperatura del aire aspirado por un motor de combustión interna alternativo. Más particularmente, la invención se dirige a un sistema y un método que permita simular las condiciones de presión y temperatura a las que es sometido un motor alternativo de combustión interna en función de la altura a la que opere sobre el nivel del mar. Estado de la técnica anterior a la invención

La necesidad de establecer unas condiciones fijas de presión y temperatura en la atmósfera, en función de la altitud, que puedan ser usadas para el desarrollo y puesta a punto de los motores u otros componentes de los aviones, llevó en 1952 a la Organización Internacional de la Aviación Civil (ICAO según sus siglas en inglés) a la definición de la atmósfera estándar internacional (ISA según sus siglas en inglés) .

A la hora de diseñar equipos destinados a operar a una cierta altitud sobre el nivel del mar, es necesario tener en cuenta las variaciones que se producen en la temperatura y presión atmosférica a medida que aumenta la altitud respecto al punto de medida, variaciones que afectan tanto a la composición, como a la densidad del aire. De este modo, es objeto de esta invención presentar un sistema de bajo coste energético adecuado para su aplicación tanto en motores de aviones, como en motores de cualquier otro medio de locomoción destinado a operar en altura. Más concretamente, es objeto de la invención un sistema capaz de reproducir las condiciones de presión y temperatura del aire aspirado por un motor alternativo en función de su altura de operación sobre el nivel del mar.

Los sistemas destinados al ensayo de motores teniendo en cuenta la altitud sobre el nivel del mar pueden perseguir diversos objetivos, de entre los que cabe destacar :

la reparación de posibles fallos en el funcionamiento del motor bajo determinadas condiciones;

la optimización del consumo de combustible, que se ve afectado por las características del aire aspirado por el motor;

la determinación del funcionamiento idóneo de los aparatos de aire acondicionado instalados en los aviones, o medios de locomoción similares;

la comprobación del funcionamiento de los conductos de circulación de gases.

En los últimos años, se han llevado a cabo diversos estudios destinados a lograr los objetivos anteriores. Sin embargo, en la mayoría de los casos, las soluciones aportadas se basan en modelizaciones teóricas sobre el comportamiento de los motores, así como en pruebas in situ realizadas en altura. Asimismo, estas modelizaciones se encuentran en su mayoría dirigidas a lograr optimizar el consumo de combustible de los motores.

Así por ejemplo, la solicitud US2004186699 describe un método y sistema para controlar la presión y temperatura del aire aspirado por un motor, así como de los gases de descarga del mismo, logrando equilibrar las condiciones de presión y temperatura. Los ensayos se llevan a cabo tanto en condiciones simuladas de alta altitud (a presiones inferiores a las del lugar de medición) , como en condiciones de baja altitud, así como bajo distintas condiciones de temperatura. De este modo, los gases de escape del motor se envían a un túnel de dilución, y una muestra de los gases diluidos se somete a un análisis para determinar la actividad del motor y los componentes de emisión del mismo.

A diferencia de los estudios anteriores, la presente invención se refiere a un sistema capaz de reproducir a nivel del mar, las condiciones de un motor alternativo cuando funciona a la altitud que alcanza en operación. Hasta el momento, no se ha encontrado en el estado de la técnica ninguna invención que comprenda las mismas características técnicas que las que definen el sistema objeto de esta invención.

Descripción de la invención

Es, por tanto, un objeto de esta invención una instalación para simular las condiciones de presión y temperatura de un flujo de aire aspirado por un motor de combustión interna alternativo (1) a una altura sobre el nivel del mar correspondiente a la altura de operación de dicho motor de combustión interna alternativo (1), donde dicha instalación se caracteriza por que comprende, al menos, los siguientes equipos:

(a) una turbina radial centrípeta (2) para expandir un flujo de aire desde un estado inicial de presión pO y temperatura TO hasta un segundo estado de presión pl y temperatura TI, donde pO y TO corresponden a la presión y temperatura de la atmósfera Al en que se ubica el motor de combustión interna alternativo (1) y donde pl y TI corresponden a la presión y temperatura del flujo de aire aspirado por el motor de combustión interna alternativo

(i) ;

(b) un primer depósito (4) situado a continuación de la turbina radial centrípeta (2) y a la entrada del motor de combustión interna alternativo (1) para proveer al mismo de dicho flujo de aire a una presión pl y una temperatura TI;

(c) un segundo depósito (5) situado a la salida del motor de combustión interna alternativo (1) y conectado al primer depósito (4) a través de al menos un conducto de conexión (7) para equilibrar la presión entre ambos depósitos;

(d) un compresor centrífugo (3) unido por su eje a la turbina radial centrípeta (2) formando el conjunto un sistema conocido como turbogrupo;

(e) una bomba de vacío (6) situada a continuación del segundo depósito (5) para mantener una presión igual a la presión del flujo de aire aspirado por el motor de combustión interna alternativo (1) . Dicha bomba puede consistir preferentemente en una bomba de paletas movida por un motor eléctrico con o sin variador de frecuencia para poder regular la presión p2 en el segundo depósito (5) . De manera preferida, la capacidad de dicha bomba de vacio (6) será la suficiente para trasegar los gases de escape del motor de combustión interna alternativo (1) desde la presión p2 en el remanso del segundo depósito 2 hasta la presión de la atmósfera Al. Asimismo, en una realización preferida de la invención, dicha bomba de vacio (6) puede comprender de manera adicional al menos una válvula de aspiración para la dilución de los gases de escape, asi como al menos un sistema de extracción de condensados .

En una realización preferente de la invención, la turbina radial centrípeta (2) consiste en una turbina de geometría variable (TGV) . En general, las turbinas de geometría variable se componen de los mismos elementos que una turbina convencional, pero incluyendo una corona de álabes móviles en el estator, de modo que permiten modificar la relación de expansión independientemente del gasto trasegado.

De manera preferida, el primer depósito (4) y el segundo depósito (5) consisten en depósitos cilindricos, preferentemente de acero y más preferentemente, con una longitud tal que cada uno de ellos presenta al menos un volumen igual a dos veces la cilindrada del motor de combustión interna alternativo (1).

En concreto, el primer depósito (4) permite que el flujo de aire se estabilice antes de entrar al motor de combustión interna alternativo (1) y se encuentra conectado a dicho motor de combustión interna alternativo (1) a través de un conducto de admisión diseñado para mantener al mínimo las pérdidas de presión y, preferentemente, de sección sustancialmente igual a la del primer depósito (4) . De igual manera, el segundo depósito (5) permite de los gases de escape del motor de combustión interna alternativo (1) y se encuentra conectado al mismo a través un conducto de escape, preferentemente de sección sustancialmente igual a la del segundo depósito (5) .

En una realización preferida de la invención, la instalación puede comprender asimismo, de manera previa a la bomba de vacio (6), al menos un filtro de partículas (11), preferentemente, al menos un filtro de partículas de alta eficiencia. Mediante el uso de dicho filtro de partículas (11) es posible filtrar las partículas de los gases de escape antes de que estos entren a la bomba de vacío (6), especialmente cuando el motor a ensayar sea un motor Diesel. Adicionalmente, en caso de emplear un filtro de partículas (11), se llevará a cabo de manera periódica una sustitución de los componentes consumibles que formen parte de dicho filtro de partículas (11) .

En una realización adicional de la invención, la instalación puede comprender al menos un intercambiador de calor (12), preferentemente, un intercambiador de calor aire-agua. Este intercambiador de calor (12) puede emplear agua de al menos una torre de enfriamiento para enfriar los gases de escape hasta la temperatura de la atmósfera Al. En una realización preferente en que la instalación comprenda un filtro de partículas (11), el intercambiador de calor (12) se encontrará preferentemente situado antes de dicho filtro de partículas (11) . De manera preferida, el intercambiador de calor (12) puede comprender adicionalmente al menos un drenaje para condensados, el cual puede ser abierto al finalizar el uso de la instalación .

Los distintos equipos de la instalación se caracterizan por estar perfectamente acoplados, logrando una instalación versátil, fiable y energéticamente eficiente.

De este modo, esta instalación permite reproducir con un bajo coste energético las condiciones de presión y temperatura que tiene el aire aspirado por un motor de combustión interna alternativo (1) a una determinada altura sobre el nivel del mar, según establece la ISA. Estas condiciones corresponden a una temperatura y presión inferiores a las del aire al nivel del mar (siendo dicha presión y dicha temperatura de 1013.25 hPa y de 15°C según ISA, respectivamente) . A modo de ejemplo, hasta los 11000 m (tropopausa) la temperatura desciende a un ritmo de 6.5°C cada 1000 m, alcanzándose a dicha altura una temperatura de -56.5°C y una presión de 225 hPa.

Es asimismo objeto de esta invención el uso de una instalación según ha sido descrita para simular las condiciones de funcionamiento de un motor de combustión interna alternativo (1) que opere en altura. De manera preferente, este motor puede consistir en un motor de avión, asi como de cualquier otro medio de locomoción que opere en altura.

De este modo, es un objeto adicional de la invención un procedimiento para simular las condiciones de presión y temperatura de un flujo de aire aspirado por un motor de combustión interna alternativo (1) a una altura sobre el nivel del mar correspondiente a la altura de operación de dicho motor alternativo (1), donde dicho procedimiento se caracteriza por que comprende las siguientes etapas:

(a) expandir un flujo de aire desde un estado inicial de presión pO y temperatura T0 hasta un segundo estado de presión pl y temperatura TI, donde pO y T0 corresponden a la presión y temperatura de la atmósfera Al en que se ubica el motor de combustión interna alternativo (1) y donde pl y TI corresponden a la presión y temperatura del flujo de aire aspirado por el motor de combustión interna alternativo (1);

(b) enviar dicho flujo de aire a una presión pl y una temperatura TI a al menos un primer depósito (4) desde donde el flujo de aire es aspirado por el motor de combustión interna alternativo (1);

(c) descargar los gases de escape del motor de combustión interna alternativo (1) a al menos un segundo depósito (5), desde donde un caudal de dichos gases de escape es succionado mediante una bomba de vacio (6) para mantener una presión p2 igual a la presión del flujo de aire aspirado por el motor de combustión interna alternativo

(i) ;

El procedimiento anterior puede emplearse tanto en condiciones de aire seco, como sin deshumidificar .

Si bien las etapas descritas corresponden a las etapas generales del procedimiento de la invención, dicho procedimiento puede comprender etapas adicionales en función de las distintas realizaciones de la instalación objeto de la invención. Algunos ejemplos de estas realizaciones se recogen en las figuras que acompañan a esta descripción. Breve descripción de las figuras

La figura 1 muestra una realización particular de la instalación objeto de la invención;

La figura 2 muestra una instalación de acuerdo a la figura 1, caracterizada por que comprende de manera adicional un equipo de recuperación de calor;

La figura 3 muestra una realización particular adicional de la instalación, caracterizada por que comprende adicionalmente una subida de presión de manera previa a la bomba de vacio (6);

La figura 4 muestra una realización particular adicional de la instalación, caracterizada por que comprende una doble etapa expansión y de compresión en dos turbocompresores y una bomba de vacio (6) como equipo de apoyo para mantener la depresión en la descarga del motor de combustión interna alternativo (1);

La figura 5 muestra una realización particular adicional de la instalación, caracterizada por que comprende una etapa de aprovechamiento de la presión en el compresor centrifugo (3) para enfriar y/o secar aire en el primer depósito (4);

La figura 6 muestra una realización particular adicional de la instalación, caracterizada por que comprende el aprovechamiento de la presión en un comprensor centrifugo (3) y en un segundo compresor centrifugo (18) para enfriar y/o secar aire en el primer depósito (4) y en el segundo depósito (5) . Esto es posible gracias a la doble etapa de expansión en turbinas. La bomba de vacio (6) será necesaria para mantener la depresión en la descarga del motor de combustión interna alternativo (1) .

Listado de referencias

Motor de combustión

(1) Intercambiador de calor (12) interna alternativo

Turbina radial Segundo intercambiador

(2) (13) centrípeta de calor

Compresor centrífugo (3) Válvula (14)

Tercer intercambiador

Primer depósito (4) (15) de calor

Válvula de check o

Segundo depósito (5) (16) diodo de flujo

Segunda turbina radial

Bomba de vacío (6) (17) centrípeta

Segundo compresor

Conducto de conexión (18) centrífugo

Válvula de control Válvula de descarga (19) Válvula de Enfriador y/o

(9) (20) contrapresión Deshumidificador

Sistema

acondicionador de (10) Válvula de 3 vías (21) temperatura

Segundo enfriador y/o

Filtro de partículas (22) deshumidificador

A continuación se describen a modo de ejemplo y con carácter no limitante una serie de realizaciones particulares de la invención, en grado creciente de complejidad y coste, de acuerdo a las figuras que acompañan a esta descripción.

Realización particular 1

En una realización particular 1 de la invención, según se muestra en la figura 1, la instalación comprende:

(a) una turbina radial centrípeta (2) de geometría variable que comprende una válvula de control (8) o de regulación de flujo, que puede ser el propio estator de la turbina radial centrípeta (2) . En dicha turbina radial centrípeta (2) se lleva a cabo la expansión de un flujo de aire desde un estado inicial de presión pO y temperatura TO hasta un segundo estado de presión pl y temperatura TI, donde pO y TO corresponden a la presión y temperatura del ambiente Al en que se ubica el motor de combustión interna alternativo (1) y donde pl y TI corresponden a la presión y temperatura del flujo de aire aspirado por el motor alternativo (1);

(b) un primer depósito (4) situado a continuación de la turbina radial centrípeta (2) y a la entrada del motor de combustión interna alternativo (1) para proveer al mismo de dicho flujo de aire a presión pl y temperatura TI. La conexión de dicho primer depósito (4) al motor de combustión interna alternativo (1) se lleva a cabo a través de un conducto de admisión con una sección sustancialmente igual a la del primer depósito (4);

(c) un segundo depósito (5) situado a la salida del motor de combustión interna alternativo (1) y conectado al mismo a través de un conducto de escape, preferentemente de sección sustancialmente igual a la del segundo depósito (5) . Tanto el primer depósito (4) como el segundo depósito (5) se encuentran conectados a través de un conducto de conexión (7) para equilibrar la presión entre ambos depósitos. Asimismo, tanto el primer depósito (4) como el segundo depósito (5) presentan un volumen igual a dos veces la cilindrada del motor de combustión interna alternativo

(i) ;

(d) un compresor centrífugo (3) acoplado a la turbina radial centrípeta (2) de tal forma que el rango útil del compresor centrífugo (3) (entre condiciones de choque y condiciones de bombeo) coincide con el rango de máximo rendimiento de la turbina radial centrípeta (2) . A través de la válvula de control (8) de la turbina radial centrípeta (2) es posible regular la relación de expansión de la turbina y, de este modo, controlar la presión pl en el primer depósito (4);

(e) una bomba de vacío (6) para mantener una presión igual a la presión del flujo de aire aspirado por el motor de combustión interna alternativo (1). Asimismo, la instalación comprende una válvula de contrapresión (9) a través de la cual el compresor centrifugo (3) descarga el flujo de aire aspirado desde la atmósfera Al de nuevo a esta misma atmósfera Al. La válvula de contrapresión (9) se regula en una posición fija de tal forma que el rendimiento medio de la turbina radial centrípeta (2) es máximo en cualquier régimen de giro.

Adicionalmente, la instalación comprende un sistema acondicionador de temperatura (10) que puede variar la temperatura de Al en el entorno de ±10°C. En el caso de que sea necesario calentar, dicho sistema acondicionador de temperatura (10) puede consistir en una resistencia eléctrica. Si, por el contrario, fuera necesario enfriar, el sistema acondicionador de temperatura (10) puede consistir en un equipo refrigerante convencional con un ciclo de Rankine inverso. El sistema acondicionador de temperatura (10) es usado como regulador fino de la temperatura TI en el primer depósito (4), ajusfando de manera exacta la temperatura deseada en el aire tras su expansión en la turbina radial centrípeta (2);

En esta realización particular de la invención, la instalación comprende además, de manera previa a la bomba de vacío (6), un filtro de partículas (11) de alta eficiencia, así como un intercambiador de calor (12) de aire-agua.

Es asimismo objeto de esta invención un procedimiento llevado a cabo por la instalación de la realización 1. De este modo, una vez el motor de combustión interna alternativo (1) alcanza su punto de operación, el aire de la atmosfera Al es expandido en la turbina radial centrípeta (2) hasta que la presión pl es la deseada según la altitud de vuelo que se desee simular. El que se consiga la expansión adecuada se garantiza por una selección adecuada de la turbina radial centrípeta (2), atendiendo al caudal y la densidad del aire aspirado por el motor de combustión interna alternativo (1) . Además, al ser la turbina radial centrípeta (2) una turbina de geometría variable, la instalación comprende una válvula de control (8) o de regulación del flujo (generalmente, el propio estator de turbina radial centrípeta (2)) . Esta válvula de control (8) permite garantizar el ajuste fino de pl en el primer depósito (4), asi como el control preciso de pl usando un controlador PID estándar que actué sobre la válvula de control (8) .

La turbina radial centrípeta (2) extrae energía del flujo durante la expansión de éste y esa energía es consumida por el compresor centrifugo (3) para comprimir el aire y posteriormente disiparla a la atmósfera Al donde el compresor centrifugo (3) descarga el aire comprimido. La válvula de contrapresión (9) se ajusta en una apertura constante de tal forma que el compresor centrifugo (3) trabaje siempre en condiciones operativas estables y en unos puntos de funcionamiento de máximo rendimiento de la turbina radial centrípeta (2) . De este modo, la válvula de contrapresión (9) será la encargada de marcar la curva de carga resistente contra la que trabajará el compresor centrifugo (3) .

Gracias a la expansión y la pérdida de energía del fluido en la turbina radial centrípeta (2) hasta la presión pl, la temperatura en el primer depósito (4) bajará hasta una temperatura cercana a TI. El ajuste con el sistema acondicionador de temperatura (10) de la temperatura aguas arriba de la turbina radial centrípeta (2) en un rango de ±10°C permitirá alcanzar el valor de temperatura TI deseado. El control preciso de la turbina radial centrípeta (2) se hará con un PID estándar actuando sobre el sistema acondicionador de temperatura (10).

La bomba de vacio (6) de paletas garantiza la depresión deseada (p2) en el segundo depósito (5) . Por ejemplo, el variador de frecuencia del motor eléctrico que mueve la bomba de vacio (6) garantiza el control de p2. Un PID estándar actuando sobre el variador de frecuencia regula el ajuste fino de p2. Los gases de escape succionados por la bomba de vacio (6) son previamente enfriados en el intercambiador de calor (12) y las partículas de estos gases retenidas en el filtro de partículas (11) a fin de garantizar un bajo consumo eléctrico y una mayor fiabilidad de la bomba de vacio (6) . La bomba de vacio (6) puede consistir en un equipo comercial.

Por otra parte, el conducto o conductos de conexión (7) actúan a modo de orificios equilibradores de presión, garantizando una presión igual en el primer depósito (4) (pl) y en el segundo depósito (5) (p2) . De este modo, permiten simular iguales condiciones de vuelo ISA tanto en admisión, como en escape y facilitan el control de la presión pl y p2. En caso de que la bomba de vacio (6) succionara más caudal que el trasegado por el motor de combustión interna alternativo (1), la bomba de vacio (6) podría trabajar sin variador de frecuencia, pues el caudal en exceso pasaría por el conducto o conductos de conexión (7) y la presión p2 seguiría siendo igual a pl .

Realización particular 2

Esta segunda realización, de acuerdo a la figura 2, se caracteriza por que comprende de manera adicional a los equipos de la instalación representada en la figura 1, un segundo intercambiador de calor (13) de aire-aire para calentar el flujo de aire a la entrada de la turbina radial centrípeta (2) con el flujo de aire a la salida del compresor centrífugo (3) y reducir la necesidad de potencia eléctrica en caso de que se necesite calentar con un sistema acondicionador de temperatura (10) que consista en una resistencia.

Asimismo, esta realización particular de la invención puede comprender una válvula (14) para baipasear el segundo intercambiador de calor (13) aire-aire y evitar calentar el flujo de aire a la entrada de la turbina radial centrípeta (2) en el caso de que se necesite enfriar con el sistema acondicionador de temperatura (10) . En cualquier caso, el sistema acondicionador de temperatura (10) se encargará de llevar a cabo el ajuste fino de la temperatura TI.

Es asimismo objeto de esta invención un procedimiento llevado a cabo por la instalación de la realización 2. Adicionalmente a lo descrito para el funcionamiento de la realización 1, esta instalación de la realización 2 opera de la siguiente manera:

Cuando se necesite calentar el aire aguas arriba de la turbina radial centrípeta (2) para conseguir la temperatura objetivo TI se podrá utilizar el aire caliente que sale del compresor centrífugo (3) . Para ello, se transmitirá calor del aire proporcionado por el compresor centrífugo (3) al aspirado por la turbina radial centrípeta (2) en el segundo intercambiador de calor (13) . En este modo de operación, la válvula (14) se encuentra cerrada y la válvula de contrapresión (9) abierta en sus condiciones de referencia definidas a priori (al igual que en la realización 1, son aquellas en las que el compresor centrífugo (3) trabaja cerca del máximo rendimiento de la turbina radial centrípeta (2) en el régimen de operación establecido) .

Cuando se necesite enfriar el aire aguas arriba de la turbina radial centrípeta (2) para conseguir la temperatura objetivo TI, no se usará el segundo intercambiador de calor (13) aire-aire. Para ello, la válvula de contrapresión (9) se cerrará y la válvula (14) se abrirá hasta las mismas condiciones que la válvula de contrapresión (9) tenía en el modo de operación de la instalación 1.

Realización particular 3

En este ejemplo de realización particular, según se muestra en la figura 3, la instalación puede comprender el compresor centrífugo (3) localizado a continuación del segundo depósito (5) . Este compresor centrífugo (3) aspira los gases de escape procedentes del segundo depósito (5) y sube la presión de los gases a la entrada de la bomba de vacío (6), con el consiguiente ahorro de energía para dicha bomba de vacío (6) . No obstante, la regulación de la presión p2 puede seguir haciéndose mediante el variador de frecuencia del motor eléctrico de la bomba de vacío (6) .

Como consecuencia de lo anterior, en esta realización particular de la invención desaparece la válvula de contrapresión (9), pues pierde su objeto.

Asimismo, la instalación comprende un tercer intercambiador de calor aire-agua (15) que enfria los gases de escape hasta la temperatura de la atmósfera Al a la entrada del compresor centrifugo (3) .

Adicionalmente, la instalación comprende una válvula de check o diodo de flujo (16), que en esta realización particular 3 sirve de baipás del compresor centrifugo (3) . Esta válvula de check o diodo de flujo (16) puede abrirse en el caso de que la presión aguas arriba del compresor centrifugo (3) sea mayor que la presión aguas abajo del compresor centrifugo (3) .

Es asimismo objeto de esta invención un procedimiento llevado a cabo por la instalación de la realización 3. De manera adicional a lo descrito en la realización 1, esta instalación opera de la siguiente manera:

En primer lugar, el compresor que absorbe la energía extraída al aire por la turbina radial centrípeta (2) no disipa esta energía trasegando aire de la atmósfera Al. En esta realización, el compresor centrífugo (3) trasiega gases de combustión desde el segundo depósito (5) hasta la entrada de la bomba de vacío (6) . De esta forma, ayuda a trabajar a la bomba de vacío (6) y reduce el consumo eléctrico de la misma.

El tercer intercambiador de calor (15) aire-agua enfría los gases de combustión succionados del segundo depósito (5) antes de entrar al compresor centrífugo (3) para aumentar la densidad del flujo a la entrada del compresor, mejorar su eficiencia y alejar el riesgo de bombeo del compresor .

La bomba de vacío (6) continúa regulando con un PID estándar la presión p2 en el segundo depósito (5) . El intercambiador de calor (12) enfría los gases de escape a la salida del compresor centrífugo (3) antes de que éstos entren a la bomba de vacío (6) .

Las condiciones de operación del compresor centrífugo (3) vendrán impuestas en la instalación de la realización 3 por el caudal trasegado por la bomba de vacío (6) y por el régimen de giro del turbogrupo . El régimen de giro del turbogrupo es consecuencia del equilibrio energético entre la turbina radial centrípeta (2) y el compresor centrífugo (3) . Como consecuencia de ello, puede ser que en ocasiones no exista suficiente régimen de giro y la presión aguas abajo del compresor centrífugo (3) sea igual o inferior a la del segundo depósito (5) . En este caso, la válvula de check o de diodo de flujo (16) se abrirá y hará las veces de baipás para una parte del flujo de los gases de escape hasta que la presión de salida del compresor sea igual a la presión objetivo p2. Como la válvula de check o de diodo de flujo (16) sólo se abre cuando la presión aguas abajo del compresor centrífugo (3) es menor que aguas arriba, esta válvula es un diodo o Válvula de check' que sólo permite pasar el flujo en una dirección. Realización particular 4

La instalación objeto de la presente invención en su realización 4 está representado en la figura 4. Esta realización 4 comprende de manera adicional o alternativa a los equipos de la instalación de la realización 3, los siguientes equipos:

Uno o varios turbogrupos (entendiendo por turbogrupo un conjunto de una turbina radial centrípeta y de un comprensor centrífugo) operando en serie con el turbogrupo de la instalación de la realización 3, que estaba compuesto por la turbina radial centrípeta (2) de geometría variable y el compresor centrífugo (3) .

En la realización 4, la segunda turbina radial centrípeta (17) no necesita ser de geometría variable, pudiendo ser de geometría fija, como es el caso representado en la figura 4. En la figura 4 se ha representado únicamente un turbogrupo adicional, en serie con el de la realización 3. El nuevo turbogrupo está compuesto por la segunda turbina radial centrípeta (17) y el segundo compresor centrífugo (18) . Dicha segunda turbina radial centrípeta (17) y dicho segundo compresor centrífugo (18) presentan preferentemente un tamaño menor que el de la turbina radial centrípeta (2) y el del compresor centrífugo (3), debido a que el flujo tiene mayor densidad en la segunda turbina radial centrípeta (17) y en el segundo compresor centrífugo (18) que en los primeros respectivos.

El tamaño de la segunda turbina radial centrípeta (17) y del segundo compresor centrífugo (18) se selecciona de tal forma que, por un lado, el salto total de presión entre la atmósfera Al y el primer depósito (4) se subdivida en partes preferentemente iguales entre la segunda turbina radial centrípeta (17) y la turbina radial centrípeta (2); y que por otro lado, el salto total de presión entre la atmósfera Al y el segundo depósito (5) se subdivida en partes preferentemente iguales entre el segundo compresor centrífugo (18) y el compresor centrífugo (3) . De esta forma, la turbina radial centrípeta (2), la segunda turbina radial centrípeta (17), el compresor centrífugo (3) y el segundo compresor centrífugo (18) pueden trabajar con saltos de presiones y regímenes de giro que se encuentren en sus zonas operativas de máximo rendimiento. De este modo, si bien la instalación puede encarecerse, es posible maximizar el rendimiento de la misma gracias a minimizar el consumo energético de la bomba de vacío (6), que supone el principal consumo de la instalación.

La segunda turbina radial centrípeta (17) puede estar equipada adicionalmente con una válvula de descarga (18) (o wastegate) , que hace las veces de baipás de dicha segunda turbina radial centrípeta (17) . Esta válvula de descarga (19) puede encargarse, junto con el mecanismo de geometría variable de la primera turbina radial centrípeta o válvula de control (8), de regular la presión pl en el primer depósito (4) a base del baipás de flujo en la segunda turbina radial centrípeta (17) y por lo tanto, de regular la expansión del flujo aguas abajo de la segunda turbina radial centrípeta (17) .

El intercambiador de calor (12) aire-agua puede situarse en una posición aguas abajo del compresor centrífugo (3) pero aguas arriba del segundo compresor centrífugo (18) y del filtro de partículas (11), respectivamente. De esta forma la bomba de vacío (6) y el compresor centrífugo (3) trabajan en paralelo y el intercambiador de calor (12) enfria los gases de escape succionados por ambos equipos.

Adicionalmente, la instalación comprende una válvula de contrapresión (9) de iguales características y función que la descrita en la realización 1.

Es asimismo objeto de esta invención un procedimiento llevado a cabo por la instalación de la realización 4. Esta instalación es la de mayor coste de instalación y de menor consumo energético de operación por ayudar los compresores a la bomba de vacío (6) en un mayor rango de presiones gracias a que se subdivide el salto total de presiones entre varios equipos. Aparte de lo descrito para el funcionamiento de la instalación de la realización 3, esta instalación opera de la siguiente manera:

Como se muestra en la figura 4, sólo se ha representado un turbogrupo adicional, en serie con el de la realización 3. El nuevo turbogrupo está compuesto por la segunda turbina centrípeta (17) y el segundo compresor centrífugo (18) . La máxima expansión se consigue cuando la válvula de descarga (19) está cerrada completamente y la válvula de control (8) está en su posición más cerrada posible (que en una turbina de geometría variable nunca es completamente) .

A partir de este punto, la relación de expansión se disminuye primero abriendo la válvula de control (8) hasta su máxima apertura y después abriendo la válvula de contrapresión (9) hasta su máxima apertura. Por lo tanto, el control se hará con 2 PID estándar operando de forma secuencial para regular la presión pl en el primer depósito (4) . Cuando se reduce la expansión entre Al y el primer depósito (4), primero operará el PID que actúa sobre la válvula de control (8), cerrándola hasta llegar a su tope de actuación, y después el PID que actúa sobre la válvula de descarga (19) . Cuando aumente la expansión entre Al y el primer depósito (4), actuarán de manera inversa, primero operará el PID que actúa sobre la válvula de descarga (19), cerrándola hasta llegar a su tope de actuación, y después el PID que actúa sobre la válvula de control (8) .

El compresor centrífugo (3) opera de la misma manera que en la realización 3, estando su funcionamiento limitado por la válvula de check o de diodo de flujo (16) . El compresor centrifugo (3) estará regulado en su operación por la posición de la válvula de contrapresión (9), que al igual que en la instalación de la realización 1 garantizará la operación en las zonas de buen rendimiento de la segunda turbina centrípeta (17) .

La bomba de vacío (6) de paletas operará en paralelo con el segundo compresor centrífugo (18) y el gasto que no sea capaz de trasegar el segundo compresor centrífugo (18) lo trasegará la bomba de vacío (6) . El intercambiador de calor (12) servirá para enfriar los gases de escape trasegados por ambas máquinas, la bomba de vacío (6) y el segundo compresor centrífugo (18).

Realización particular 5

La instalación objeto de la presente invención en su realización 5 está representada en la figura 5. Además de lo expuesto en la realización 1, comprende un sistema de comunicación entre la descarga del compresor centrífugo (3) y la entrada de la turbina radial centrípeta (2), a través de los siguientes equipos y modificaciones:

un enfriador y/o deshumidificador (20) para enfriar el flujo de aire proveniente del compresor centrífugo (3) antes de entrar en la turbina radial centrípeta (2); y

dos válvulas de tres vías (21) que se encargan de desconectar la descarga del compresor centrífugo (3) de la aspiración de la turbina radial centrípeta (2), así como de enviar ambas tomas a la atmósfera Al cuando se realice dicha desconexión. Cuando se desee la conexión entre el compresor centrífugo (3) y la turbina radial centrípeta (2), el funcionamiento de las válvulas de tres vías (21) será inverso.

Es asimismo objeto de esta invención un procedimiento llevado a cabo por la instalación de la realización 5.

Según esta realización, para reducir la necesidad de refrigerar o de condensar humedad aguas arriba de la turbina radial centrípeta (2), el aire comprimido por el compresor centrífugo (3) se envía a la turbina radial centrípeta (2) a través de un enfriador y/o deshumidificador (20).

Cuando la relación de compresión del compresor centrífugo (3) o su punto de funcionamiento no sean adecuados para cumplir la misión del funcionamiento de la instalación de esta realización 5 ó para garantizar el funcionamiento estable del compresor centrífugo (3) ; entonces, las válvulas de tres vías (21) se abrirán para permitir descargar el aire del compresor centrífugo (3) a la atmósfera Al y aspirar el aire de la turbina radial centrípeta (2) desde la atmósfera Al; y a su vez (pues son de tres vías) cerrar la comunicación entre el compresor centrífugo (3) y la turbina radial centrípeta (2) .

Realización particular 6

La instalación objeto de la presente invención en su realización 6 está representada en la figura 6. Además de lo expuesto en la realización 5, esta instalación consta de compresión y expansión en dos o más etapas en las turbomáquinas (en la figura 6 sólo se han representado dos etapas por simplicidad) , gracias a los siguientes equipos y modificaciones :

Un segundo enfriador o deshumidificador (22) para enfriar el aire proveniente del segundo compresor centrífugo (18) antes de entrar en la segunda turbina radial centrípeta (17) .

Asimismo, dicha instalación comprende dos válvulas de tres vías (21) que se encargan de desconectar la descarga del segundo compresor centrífugo (18) de la aspiración de la segunda turbina radial centrípeta (17), así como de enviar ambas tomas a la atmósfera Al cuando se realice dicha desconexión. Cuando se desee la conexión entre el segundo compresor centrífugo (18) y la segunda turbina radial centrípeta (17), el funcionamiento de las válvulas de tres vías (20) será inverso.

Es asimismo objeto de esta invención un procedimiento llevado a cabo por la instalación de la realización 6. La instalación de esta realización 6, aparte de lo descrito para el funcionamiento de la realización 5, opera comprimiendo y expandiendo en las turbinas y compresores en dos o más etapas (en la figura 6 sólo se han representado dos etapas) de la siguiente manera:

Para reducir la necesidad de refrigeración o condensar la humedad aguas arriba de la turbina radial centrípeta (2) y de la segunda turbina radial centrípeta (17), el aire es expandido en dos etapas en estas turbinas; tras haber sido previamente comprimido en dos etapas en el compresor centrífugo (3) y en el segundo compresor centrífugo (18), y enfriado entre las etapas de compresión en los enfriadores/deshumidificadores (20) y (22).

Cuando la relación de compresión del compresor centrífugo (3) y del segundo compresor centrífugo (18) o su punto de funcionamiento no sean adecuados para cumplir la misión del funcionamiento de la instalación de esta realización 6 ó para garantizar el funcionamiento estable del compresor centrífugo (3) y del segundo compresor centrífugo (18); entonces, las válvulas de tres vías (21) se abrirán para permitir descargar el aire del segundo compresor centrífugo (18) a la atmósfera Al y aspirar el aire de la segunda turbina radial centrípeta (17) desde la atmósfera Al; y a su vez (pues son de tres vías) cerrar la comunicación entre el segundo compresor centrífugo (18) y la segunda turbina radial centrípeta (17) .

En la figura 6 se ha representado únicamente un turbogrupo adicional, en serie con el de la realización 5. El nuevo turbogrupo está compuesto por la segunda turbina radial centrípeta (17) y el segundo compresor centrífugo (18) . La máxima expansión se consigue cuando la válvula de descarga (19) está cerrada completamente y la válvula de control (8) está en su posición más cerrada posible (que en una turbina de geometría variable nunca es completamente) . A partir de este punto, la relación de expansión se disminuye primero abriendo la válvula de control (8) hasta su máxima apertura y después abriendo la válvula de descarga (19) hasta su máxima apertura. Por lo tanto, el control se hará con 2 PID estándar operando de forma secuencial para regular la presión pl en el primer depósito (4) . Cuando se reduce la expansión entre la atmósfera Al y el primer depósito (4), primero operará el PID que actúe sobre la válvula de control (8), cerrándola hasta llegar a su tope de actuación, y después el que actúa sobre la válvula de descarga (19) . Cuando aumente la expansión entre la atmósfera Al y el primer depósito (4), actuarán de manera inversa; primero operará el PID que actúa sobre la válvula de descarga (19), y después el PID que actúe sobre la válvula de control (8) .