Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
SYSTEM, METHODS AND APPARATUSES FOR CONVERTING THERMAL ENERGY INTO MECHANICAL ENERGY
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2022/053720
Kind Code:
A1
Abstract:
A system for converting thermal energy into mechanical energy, comprising a boiler (5, 6); a pressurized working circuit (10, 10a) through which a working stream circulates; an expansion device (2) in which the working stream expands, a first heater (3), a pressurized auxiliary circuit (10b), configured to direct an auxiliary stream from an outlet of the boiler (5, 6) to a vortex tube which comprises main inlet (I), an auxiliary inlet (IV), a heat output (III) connected to an auxiliary hot circuit (32, 33, 33a) and a cold output (II) connected to an auxiliary cold circuit 30, 31).

Inventors:
SAVCHENKO MIKHAIL (ES)
Application Number:
PCT/ES2020/070540
Publication Date:
March 17, 2022
Filing Date:
September 09, 2020
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
ENERGY FREE 4 U S L (ES)
International Classes:
F22G1/10; F01K13/00
Foreign References:
US8418466B12013-04-16
US8656720B12014-02-25
CN104196583B2016-04-06
Attorney, Agent or Firm:
UNGRÍA LÓPEZ, Javier (ES)
Download PDF:
Claims:
56

REIVINDICACIONES

1. Sistema de conversión de energía térmica en energía mecánica que comprende:

-al menos una caldera (5, 6) conectada a una fuente de calor externa (Q), teniendo dicha caldera (5, 6) al menos una entrada y al menos una salida, siendo la temperatura en la salida superior a la temperatura en la entrada;

- un circuito de trabajo presurizado (10, 10a), a través del cual circula una corriente de trabajo, estando una primera sección (10a) de dicho circuito de trabajo conectada a una salida de la caldera (5, 6) y estando una segunda sección (10) de dicho circuito de trabajo conectada a una entrada de la caldera (5, 6), estando el circuito de trabajo (10, 10a) configurado para que la corriente de trabajo obtenga energía térmica de la fuente de calor externa cuando circula por la caldera (5, 6);

-un dispositivo de expansión (2), ubicado aguas abajo de la primera sección (10a) del circuito de trabajo y que está configurado para que la corriente de trabajo se expanda dentro del dispositivo de expansión (2) y convierta parte de su energía térmica en energía mecánica, tras lo cual la corriente de trabajo se convierte en una corriente de trabajo agotada y sale del dispositivo de expansión a través de la segunda sección (10) del circuito de trabajo;

- un primer calentador (3) ubicado aguas arriba del dispositivo de expansión (2), configurado tal que la corriente de trabajo se sobrecaliente, adquiriendo energía térmica, antes de entrar en el dispositivo de expansión (2); caracterizado por que comprende además:

- un circuito auxiliar presurizado (10b), configurado para dirigir una corriente auxiliar desde una salida de la caldera (5, 6) a una entrada principal (I) de al menos un tubo de vórtice;

- al menos un tubo de vórtice, (que tiene una entrada principal (I), una entrada auxiliar (IV), una salida de calor (III) y una salida de frío (II)) estando dicho tubo de vórtice configurado para que la corriente auxiliar se divida en una corriente auxiliar caliente y una corriente auxiliar fría circulando en direcciones opuestas, siendo la temperatura de la corriente auxiliar caliente más alta que la temperatura de la corriente auxiliar fría;

- un circuito auxiliar caliente (32, 33, 33a), a través del cual circula la corriente auxiliar caliente, estando un primer extremo del circuito auxiliar caliente (32, 33, 33a) conectado a la salida de calor (III) de al menos un tubo de vórtice y estando un segundo extremo del circuito auxiliar caliente conectado a la entrada de la caldera 57

(5,6), pasando el circuito auxiliar caliente (32, 33, 33a) también a través del primer calentador (3) por lo que al menos parte de la corriente auxiliar caliente calienta la corriente de trabajo mientras pasa por el primer calentador (3);

- un circuito auxiliar frío (30, 31), a través del cual circula la corriente auxiliar fría, estando un primer extremo del circuito auxiliar frío conectado a la salida de frío (II) de al menos un tubo de vórtice y un segundo extremo del circuito auxiliar frío conectado a la entrada auxiliar (IV) de un tubo de vórtice, pasando el circuito auxiliar frío (30, 31) a través de un primer condensador (4) y/o un segundo condensador (25), por lo que al menos parte de la corriente auxiliar fría condensa la corriente de trabajo agotada, pasando dicha corriente de trabajo agotada también a través de dichos condensadores (4, 25) y teniendo una temperatura superior a la corriente auxiliar fría.

2. Sistema según la reivindicación 1 , donde la caldera (5, 6) tiene un primer espacio interior (5) por el que circula la corriente auxiliar, y un segundo espacio interior (6) por el que circula la corriente de trabajo, estando el primer y el segundo espacios interiores (5, 6) de la caldera físicamente separados entre sí, pero estando configurados de manera que puedan intercambiar energía térmica entre sí.

3. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el circuito auxiliar frío (30, 31) pasa por un colector (26) de condensado líquido; estando el colector (26) en contacto con una bomba (27), estando la bomba (27), a su vez, conectada a un primer extremo de un circuito de condensado líquido (34), y estando el segundo extremo del circuito de condensado líquido (34) conectado a una entrada de la caldera (5, 6).

4. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el circuito auxiliar frío (30) y la segunda sección (10) del circuito de trabajo pasan por el primer condensador (4), por lo que la corriente auxiliar fría condensa la corriente de trabajo agotada.

5. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde:

- el sistema también comprende un circuito absorbente (36, 37), a través del cual circula una corriente de absorbente, que tiene una temperatura de ebullición superior a 90 °C a la presión atmosférica normal;

- el circuito auxiliar caliente (32, 33) se divide en dos ramas diferentes: i) una primera rama (32) del circuito auxiliar caliente que pasa a través del primer calentador (3), estando dicha primera rama (32) configurada para sobrecalentar la corriente de trabajo, y

¡i) una segunda rama (33) de la corriente auxiliar caliente que pasa a través de un segundo calentador (3a), estando dicha segunda rama (33) configurada para calentar la corriente absorbente; y

- la primera sección (30) del circuito auxiliar frío se divide en dos ramas diferenciadas: 58 iii) una primera rama de la primera sección (31) del circuito auxiliar frío que pasa por el primer condensador (4), estando dicha primera rama de la primera sección (31) configurada tal que condense la corriente de trabajo agotada, y iv) una segunda rama de la primera sección (31) del circuito auxiliar frío que pasa por el segundo condensador (25), estando dicha segunda rama de la primera sección (31) configurado tal que condense la corriente absorbente.

6. Sistema según la reivindicación 5, donde:

- la primera sección (37) del circuito absorbente está conectada, por un primer extremo a un separador (24), y está conectada por un segundo extremo a un mezclador (9), mezclando el absorbente dentro del mezclador con al menos parte de la corriente auxiliar fría;

- la segunda sección (36) del circuito absorbente, está conectada por un primer extremo al mezclador (9), y está conectada por un segundo extremo a un dispositivo de cavitación (17), y

- el dispositivo de cavitación (17) está conectado a un primer conducto de retorno (28) en contacto con una entrada de la caldera (5, 6), estando el dispositivo de cavitación (17) también conectado a un conducto de corriente pobre (29) que pasa a través de un tercer calentador (19) y termina en el separador (24).

7. Sistema según la reivindicación 6, donde el separador (24) está conectado a un segundo conducto de retorno (38) en contacto con una entrada de la caldera (5, 6); estando el separador (24) también en contacto con el segundo condensador (25).

8. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde:

- el sistema comprende también un circuito absorbente (36, 37), por el que circula una corriente de absorbente que tiene una temperatura de ebullición superior a 90 °C a la presión atmosférica normal;

- el circuito auxiliar caliente (32, 33) se divide en dos ramas diferentes: a) una primera rama (32) del circuito auxiliar caliente pasa a través del primer calentador (3), estando dicha primera rama (32) configurada para sobrecalentar la corriente de trabajo, pasando la primera rama (32) del circuito auxiliar caliente también a través del segundo calentador (3a), estando dicha primera rama (32) también configurada para calentar la corriente absorbente; b) una segunda rama (33) del circuito auxiliar caliente pasa a través de un tercer calentador (19), estando dicha segunda rama (33) configurada tal que caliente la corriente absorbente;

- el circuito auxiliar frío (30, 31) pasa a través del segundo condensador (25), estando dicho circuito auxiliar frío (30, 31) configurado tal que condense la corriente absorbente. 59

9. Sistema según la reivindicación 8, donde:

- la primera sección (37) del circuito absorbente está conectada, por un primer extremo a un separador (24), y está conectada por un segundo extremo a la cavidad (9) del árbol hueco (12) del dispositivo de expansión (2), estando la primera sección (37) del circuito absorbente configurada tal que el absorbente se mezcle dentro de dicha cavidad (9) con la corriente de trabajo agotada;

- la segunda sección (36) del circuito absorbente, está conectada por un primer extremo a una bomba (8) que está en contacto con la cavidad (9) del árbol hueco (12) del dispositivo de expansión (2), estando la segunda sección (36) del circuito absorbente conectada por un segundo extremo a un dispositivo de cavitación (17), y

- el dispositivo de cavitación (17) está conectado a un primer conducto de retorno (28) en contacto con una entrada de la caldera (5, 6), estando el dispositivo de cavitación (17) también conectado a un conducto de corriente pobre (29) que pasa a través de un tercer calentador (3a) y termina en el separador (24).

10. Tubo de vórtice para sistemas de conversión de energía térmica en energía mecánica, que comprende:

- un cuerpo hueco (100) alargado axialmente;

- una entrada principal (I) conectada a una cámara de turbulencia (110) comunicada con el interior del cuerpo hueco alargado (100), estando la entrada principal (I) configurada para inyectar tangencialmente en la cámara de turbulencia (110) una corriente presurizada (130), tal que la corriente presurizada (130) acelera dentro del cuerpo hueco (100) creando un vórtice (113, 114) de corriente presurizada;

- una salida de calor (III), contigua a un cuerpo de mariposa (160) que define una boquilla anular (140) axialmente periférica, estando la boquilla anular (140) colocada dentro del cuerpo hueco (100) en un primer extremo de dicho cuerpo hueco alargado (100), y estando configurada tal que la boquilla anular solo permita que la parte axialmente periférica (114) de la corriente presurizada en vórtice salga a través de la salida de calor;

- una salida de frío (II), situada en una parte axialmente central del segundo extremo del cuerpo hueco alargado, estando la salida de frío (II) configurada tal que solo se permita que la parte axialmente central (113) de la corriente presurizada en vórtice salga por la salida de frío (II); estando el vórtice caracterizado por que también comprende una entrada auxiliar (IV), estando un extremo de dicha entrada auxiliar colocado en una posición axialmente 60 central dentro del cuerpo alargado (100) contiguo al primer extremo de dicho cuerpo alargado (100) y axialmente opuesto a la salida de frío (II).

11. Tubo de vórtice según la reivindicación 10, donde la superficie (119) del cuerpo de mariposa (160) más próxima a la salida de frío (II), tiene forma de copa cóncava.

12. Tubo de vórtice según la reivindicación 10, donde la superficie (119a) del cuerpo de mariposa (160) que está más próxima a la salida de frío (II) tiene forma cónica.

13. Tubo de vórtice según cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, donde la entrada auxiliar (IV) está provista de una segunda cámara de turbulencia (120) posicionada dentro del cuerpo de mariposa (160).

14. Uso de al menos un tubo de vórtice en un sistema de conversión de energía térmica en energía mecánica según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, donde dicho tubo de vórtice comprende:

- un cuerpo hueco (100) alargado axialmente;

- una entrada principal (I) conectada a una cámara de turbulencia (110) comunicada con el interior del cuerpo hueco alargado (100), estando la entrada principal (I) configurada para inyectar tangencialmente en la cámara de turbulencia (110) una corriente presurizada (130), tal que la corriente presurizada (130) acelera dentro del cuerpo hueco (100) creando un vórtice (113, 114) de corriente presurizada;

- una salida de calor (III), contigua a un cuerpo de mariposa (160) que define una boquilla anular (140) axialmente periférica, estando la boquilla anular (140) colocada dentro del cuerpo hueco (100) en un primer extremo de dicho cuerpo hueco alargado (100), y estando configurada para que la boquilla anular solo permita que la parte axialmente periférica (114) de la corriente presurizada en vórtice salga a través de la salida de calor;

- una salida de frío (II), situada en una parte axialmente central del segundo extremo del cuerpo hueco alargado, estando la salida de frío (II) configurada para que solo se permita que la parte axialmente central (113) de la corriente presurizada en vórtice salga por la salida de frío (II); estando el tubo de vórtice caracterizado por que también comprende una entrada auxiliar (IV), estando un extremo de dicha entrada auxiliar colocado en una posición axialmente central dentro del cuerpo alargado (100) contiguo al primer extremo de dicho cuerpo alargado (100) y axialmente opuesto a la salida de frío (II).

15. Turbina (2) para sistemas de conversión de energía térmica en energía mecánica, que comprende:

- un árbol hueco (224), que tiene una cavidad interna (224a), estando un primer extremo de la cavidad interna (224a) en contacto con una pluralidad de conductos de entrada (246) y siendo un segundo extremo de la cavidad interna (224a) en contacto con una pluralidad de conductos de salida (246a);

- un tambor de rotor (202), que comprende una pluralidad de boquillas (208) inclinadas en la periferia del tambor de rotor (202) y una pluralidad de discos (223) dentro del rotor (202) por debajo de las boquillas (208) inclinadas; estando dichos discos (223) colocados en paralelo entre sí definiendo una pluralidad de espacios entre discos (222), estando dichos discos (223) también unidos perpendicularmente al árbol hueco (224) y estando colocados tal que los espacios entre discos (222) estén en contacto con los conductos de entrada (246); caracterizado por que comprende además generadores de impulsos (203), estando los generadores de impulsos (203) dispuestos para inyectar una corriente de trabajo a través de las boquillas (208), de tal manera que la corriente de trabajo se expande creando ondas que actúan sobre las boquillas (208) inclinadas, creando un par en el tambor de rotor (202) y posteriormente fluyendo a través de los espacios entre discos (222), entrando en la cavidad interna (224a) del árbol hueco (224) a través de los conductos de entrada (246) y saliendo de la cavidad interior (224a) del árbol hueco (224) a través de los conductos de salida.

16. Turbina (2) según la reivindicación 15, donde los conductos de salida (246a) están conectados a una bomba centrífuga Tesla (227).

17. Turbina (2) según la reivindicación 16, donde la bomba centrífuga Tesla (227) está provista de un árbol (238) que está unido al árbol hueco (224).

18. Turbina (2) según cualquiera de las reivindicaciones 15 a 17, que también comprende un conducto (226) de absorbente que tiene una temperatura de ebullición superior a 90 °C a presión atmosférica normal, pasando dicho conducto (226) parcialmente por el interior del árbol hueco (224).

19. Turbina (2) según cualquiera de las reivindicaciones 15 a 18, donde al menos un generador de impulsos (203) comprende:

- una carcasa (300), que tiene al menos un espacio hueco interior (305a, 305b);

- un émbolo (306) unido a los medios de empuje (307, 320) y unido a un tapón de válvula

(308), estando los medios de empuje (307, 320) dispuestos para moverse entre una primera posición donde dichos medios (307, 320) no interactúan con un resorte de retorno (309) y una segunda posición donde dichos medios (307, 320) empujan el resorte de retorno (309) y estando el tapón de válvula (308) dispuesto para moverse entre una primera posición en la que aísla herméticamente el espacio hueco interior (305a, 305b) desde un orificio de salida (310), y una segunda posición en la que el espacio hueco interior (305a, 305b) se comunica con el orificio de salida (310);

- al menos una llave (311a, 311b, 311c) dispuesta para cambiar periódicamente entre una posición abierta en la que permite el flujo de una corriente de trabajo a través de al menos una línea de entrada (312a, 312b), y una posición cerrada en la que impide el flujo de la corriente de trabajo;

- al menos una línea de entrada (312a) conectada al espacio hueco interior; caracterizado por que comprende además:

- una cámara de activación (313) conectada a al menos una línea de entrada (312b);

- una varilla (314, 325) unida al tapón de válvula (308) y dispuesta para moverse junto con el tapón de válvula (308) entre una primera posición en la que el volumen de la cámara de activación (313) es máximo, y una segunda posición en la que parte de la varilla (314, 325) se introduce en el interior de la cámara de activación (313) reduciendo el volumen de la misma;

- una línea de salida de activación (315) colocada entre la cámara de activación (313) y el orificio de salida (310); y

- una válvula de activación (316) colocada en la línea de salida (315) y dispuesta para activar el movimiento de la varilla (314, 325) dentro de la cámara de activación (313) y simultáneamente iniciar el movimiento del tapón de válvula (308), el émbolo (306) y el pistón (307) hacia el resorte de retorno (309).

20. Turbina (2) según la reivindicación 19, donde el medio de empuje del generador de impulsos (203) es un pistón (307).

21. Turbina (2) según la reivindicación 19, donde el medio de empuje del generador de impulsos (203) es una membrana flexible (320) dispuesta para doblarse cuando se somete a una presión superior a un cierto valor predeterminado.

22. Turbina (2) según la reivindicación 21, en la cual:

- la válvula de activación (313) está provista de un contacto (317), estando el contacto

(317) dispuesto para moverse entre una primera posición, en la que la válvula de activación (316) permite el flujo de corriente de trabajo hacia la cámara de activación (313) y una segunda posición, en la que la válvula de activación impide (316) el flujo de corriente de trabajo hacia la cámara de activación (313); y donde el movimiento del contacto (317) desde la primera posición a la segunda posición es causado por la flexión de la membrana flexible (320);

- el émbolo (306) está unido al tapón de válvula (308) por medio de un cilindro hueco

(306a) unido a un paralelogramo (318) que comprende un mecanismo de paralelogramo (323) y una pluralidad de palancas conectadas de forma pivotante entre 63 sí por medios de juntas giratorias (333); estando el paralelogramo (318) dispuesto tal que cuando el tapón de válvula (308) se mueve entre su primera posición y la segunda posición, el paralelogramo (318), el cilindro hueco (306a) y el émbolo (306) mueven todos como una estructura completa la dirección de la membrana (320) a un reborde (300a); y

- el espacio hueco interior está dividido en dos regiones diferentes (305a, 305b) separadas por un reborde (300a) dispuesto para evitar el movimiento axial del cilindro hueco (306a) desde la región (305a) hacia la región (305b).

23. Turbina (2) según la reivindicación 22, donde el generador de impulsos (203) comprende:

- al menos dos cámaras de activación (313) diferentes; y

- al menos dos varillas huecas (325) diferentes unidas al tapón de válvula (308), estando cada una de las varillas huecas (325) asociada a una cámara de activación (313) respectiva y dispuesta para moverse junto con el tapón de válvula (308) entre una primera posición en la que el volumen de la cámara de activación (313) respectiva es máximo, y una segunda posición en la que parte de la varilla hueca (325) se introduce dentro de la cámara de activación (313) respectiva reduciendo el volumen de la misma.

24. Turbina (2) según la reivindicación 23, donde:

- el tapón de válvula (308) incluye un soporte en forma de anillo (328) que está conectado al paralelogramo (323) y a los brazos del mecanismo de paralelogramo (318) a través de juntas giratorias (333), estando el soporte 328 también conectado mecánicamente a las varillas huecas (325); y

- los conductos valvulares (321a) están montados rígidamente en cada varilla hueca

(325), estando los conductos valvulares (321a) configurados tal que una dirección libre de cada conducto valvular (321a) se dirija desde las cámaras de activación (313) a la región (305b) del espacio hueco interior, a través de las varillas huecas (325) y los orificios pasantes (327).

25. Uso de una turbina (2) en un sistema de conversión de energía térmica en energía mecánica según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, donde la turbina (2) comprende:

- un árbol hueco (224), que tiene una cavidad interna (224a), estando un primer extremo de la cavidad interna (224a) en contacto con una pluralidad de conductos de entrada (246) y estando un segundo extremo de la cavidad interna (224a) en contacto con una pluralidad de conductos de salida (246a);

- un tambor de rotor (202), que comprende una pluralidad de boquillas (208) inclinadas en 64 la periferia del tambor de rotor (202) dentro del rotor (202) por debajo de las boquillas (208) inclinadas; estando dichos discos (223) colocados en paralelo entre sí definiendo una pluralidad de espacios entre discos (222), estando dichos discos (223) también unidos perpendicularmente al árbol hueco (224) y estando colocados tal que los espacios entre discos (222) estén en contacto con los conductos de entrada (246); caracterizado por que también comprende generadores de impulsos (203), estando los generadores de impulsos (203) dispuestos para inyectar una corriente de trabajo a través de las boquillas (208), de tal manera que la corriente de trabajo se expanda creando ondas que actúan sobre las boquillas inclinadas, creando par en el tambor de rotor (202) y posteriormente fluyendo a través de los espacios entre discos (222), entrando en la cavidad interna (224a) del árbol hueco (224) a través de los conductos de entrada (246) y saliendo de la cavidad interior (224a) del árbol hueco (224) a través de los conductos de salida.

26. Acoplamiento de vacío precesional (350) para un sistema de conversión de energía, comprendiendo dicho sistema de conversión de energía un dispositivo de expansión (2) con un árbol giratorio (12) y un generador eléctrico (7) provisto de un árbol accionado (13), comprendiendo el acoplamiento:

- una primera mitad de la carcasa (355a) provista de un orificio pasante y un espacio interior hueco (360a), estando el orificio pasante dispuesto para alojar el árbol giratorio (12) del dispositivo de expansión (2);

- una segunda mitad de la carcasa (355b) provista de un orificio pasante y un espacio interior hueco (360b), estando el orificio pasante dispuesto para alojar el árbol accionado (13) del generador eléctrico (7), y pudiéndose la segunda mitad de la carcasa (355b) unir de forma liberable a la primera mitad de la carcasa (355a), de modo que el orificio pasante de la primera mitad de la carcasa (355a) esté alineado con el orificio pasante de la segunda mitad de la carcasa (355b);

- un primer cigüeñal (365a) conectado a un extremo libre del árbol giratorio (12) del dispositivo de expansión (2);

- un segundo cigüeñal (365b) conectado a un extremo libre del árbol accionado (13) del generador eléctrico (7), pudiendo el segundo cigüeñal (365b) unirse de manera liberable al primer cigüeñal (365a), por lo que el primer cigüeñal (365a) y el segundo cigüeñal (365b) comparten un eje común (390); estando el acoplamiento caracterizado por que comprende además:

- un primer disco de vacío (370a) que se puede montar de forma liberable en el primer cigüeñal (365a);

- un segundo disco de vacío (370b) que se puede montar de forma liberable en el segundo cigüeñal (365b); 65

- una membrana flexible de sellado (375) interpuesta entre el primer disco de vacío

(370a) y el segundo disco de vacío (370b), estando la membrana (375) dispuesta tal que aísle el espacio interior hueco (360a) de la primera mitad de la carcasa (355a) desde el espacio interior hueco (360b) de la segunda mitad de la carcasa (355b); y

- al menos un canal de vacío (380) que se extiende entre una fuente de presión negativa y la membrana flexible de sellado (375).

27. Acoplamiento de vacío precesional (350) según la reivindicación 25, donde el orificio pasante de la primera mitad de la carcasa (355a) y el orificio pasante de la segunda mitad de la carcasa (355a) están provistos de cojinetes (357).

28. Acoplamiento de vacío precesional (350) según la reivindicación 25 o la reivindicación 26, donde el primer cigüeñal (365a) y el segundo cigüeñal (365b) están provistos de cojinetes (367).

29. Acoplamiento de vacío precesional (350) según cualquiera de las reivindicaciones 25 a 27, donde la punta del primer cigüeñal (365a) está provista de una pluma cónica (395), mientras que la punta del segundo cigüeñal (365b) está provista de una cavidad cónica (397).

30. Acoplamiento de vacío precesional (350) según cualquiera de las reivindicaciones 25 a 27, donde cada cara de la membrana de sellado flexible (375) está provista de una pluma cónica (395), mientras que la punta del primer cigüeñal (365a) y la punta del segundo cigüeñal (365b) están provistas de una cavidad cónica (397).

Description:
DESCRIPCIÓN

SISTEMA, MÉTODOS Y APARATOS PARA CONVERTIR ENERGÍA TÉRMICA EN ENERGÍA MECÁNICA

OBJETIVO DE LA INVENCIÓN

La presente invención pertenece al campo técnico de la transformación energética y se puede utilizar, por ejemplo, en el campo de la industria energética.

Más particularmente, la presente invención se refiere a sistemas, métodos y aparatos para convertir energía térmica en energía mecánica útil, que tienen una mayor eficiencia.

ESTADO DE LA TÉCNICA

Los ciclos termodinámicos son ampliamente conocidos en la técnica.

Los ciclos termodinámicos relevantes para la presente invención son aquellos en los que, al menos una corriente de trabajo, se somete a varios procesos (o etapas) cíclicos termodinámicos consecutivos, mediante los cuales: i) dicha corriente de trabajo, que inicialmente está en estado líquido, es calentada por una fuente de calor externa y convertida en gas;

¡i) a continuación, una primera parte de la energía térmica adquirida por el gas en la etapa anterior, indicada anteriormente, se convierte luego en energía mecánica (mientras que la parte restante de dicha energía térmica se pierde, por ejemplo, en forma de calor que es indeseablemente intercambiado con el medio ambiente), y iii) finalmente, el gas se enfría, volviendo a su estado inicial.

La energía mecánica obtenida en dichos ciclos termodinámicos puede emplearse como trabajo útil (como ocurre, por ejemplo y sin ser limitativo, en las máquinas de vapor) o, alternativamente, convertirse en una etapa posterior en otra forma de energía, por ejemplo, energía eléctrica (como ocurre, por ejemplo, sin ser limitativo, en plantas generadoras de energía).

Uno de dichos ciclos termodinámicos es el ciclo de Rankine, un ciclo termodinámico idealizado, que es similar al proceso de generación de energía realmente realizado por motores térmicos en muchas plantas generadoras de energía comerciales operadas con vapor.

El ciclo de Rankine se realiza, generalmente, en un circuito cerrado a través del cual circula una corriente de trabajo (generalmente agua). Dicho circuito cerrado suele pasar por cuatro dispositivos principales: una bomba (destinada a presurizar la corriente), una caldera conectada a una fuente de calor externa, un dispositivo de expansión (tal como una turbina) y un condensador (es decir, un intercambiador de calor destinado a condensar una corriente que inicialmente está en forma de gas).

En términos generales, en un ciclo de Rankine, la corriente de trabajo se somete a los siguientes procesos termodinámicos sucesivos:

A) la corriente de trabajo está, inicialmente, en estado líquido y es bombeada (por la bomba), desde un valor de baja presión a un valor de alta presión (ya que trabajar a valores de alta presión aumenta la eficiencia del ciclo);

B) La corriente de trabajo a alta presión ingresa a la caldera, donde es calentada a presión constante por una fuente de calor externa hasta que experimenta una transformación de fase, a temperatura constante, y se convierte en un vapor seco saturado;

C) La corriente de trabajo, ahora en forma de vapor seco saturado, ingresa al dispositivo de expansión en forma de corriente estacionaria uniforme y aumenta su volumen, generando un trabajo útil. En esta etapa, parte de la energía térmica adquirida por la corriente de trabajo en el proceso anterior (etapa B), se convierte, por tanto, en energía mecánica. Esto hace que disminuya la temperatura y la presión de la corriente de trabajo; y

D) La corriente de trabajo, que en esta etapa se ha convertido en forma de vapor húmedo, entra en el condensador y experimenta otra transformación de fase, a temperatura constante, mediante la cual vuelve a estado líquido.

El calor generado por la fuente externa suele provenir, sin pretender ser limitativo, de la fisión nuclear, la combustión de combustibles fósiles, la energía solar concentrada o el agua geotérmica.

La eficiencia del ciclo de Rankine, definido como la relación entre la energía térmica suministrada por la fuente de calor externa y la energía mecánica obtenida al final del ciclo, suele ser baja, habitualmente entre 0,10 y 0,30 (10-30 %).

En consecuencia, para mejorar la eficiencia, se han desarrollado otros ciclos termodinámicos, por ejemplo el llamado ciclo de Kalina, que se emplea hoy en día en algunas centrales eléctricas.

En el ciclo de Kalina, que es una variación del ciclo de Rankine, la corriente de trabajo es una mezcla de dos componentes diferentes, habitualmente agua y amoníaco.

El uso de esta corriente de trabajo en el ciclo de Kalina hace posible que, incluso durante la transformación de fase de dicha corriente de trabajo que tiene lugar dentro de la caldera, (es decir, la parte final de la etapa B, mencionada anteriormente en relación con el ciclo de Rankine), aumente la temperatura de la corriente de trabajo. De manera similar, durante la transformación de fase que tiene lugar dentro del condensador, disminuye la temperatura (etapa D mencionada anteriormente).

Esto aumenta la eficiencia de este ciclo termodinámico, ya que la eficiencia de un ciclo termodinámico particular está relacionada con el cociente entre la adición de calor promedio (T b ), que tiene lugar, principalmente, en la caldera en la etapa B, y el rechazo de calor promedio (T c ), que tiene lugar, principalmente, en el condensador en la etapa D, disponible durante el ciclo termodinámico.

De hecho, la eficiencia teórica (q) de un ciclo termodinámico particular es la siguiente:

En aplicaciones habituales, la T b es aproximadamente 120-130 °C, mientras que la T c es, aproximadamente, 80 °C.

La eficiencia real de un ciclo termodinámico particular es menor que el valor teórico mencionado anteriormente, debido a las pérdidas de calor al medio ambiente.

Por otro lado, en el ciclo de Kalina se suele colocar un dispositivo adicional, conocido como “separador”, entre la salida del dispositivo de expansión y el condensador. Como sugiere su nombre, el separador está diseñado para separar la corriente de trabajo agotada que sale del dispositivo de expansión en una corriente pobre (con bajo contenido de amoníaco, por ejemplo, un contenido de amoníaco del 30 % en peso o menos) y una corriente rica (con alto contenido de amoníaco) contenido de amoníaco, por ejemplo, un contenido de amoníaco del 60 % en peso o más). La corriente pobre se lleva al condensador, mientras que la corriente rica se devuelve a la bomba por medio de conductos adicionales.

Dado que la corriente pobre tiene un contenido de amoniaco más bajo, se condensará más fácilmente dentro del condensador, ya que la temperatura de condensación es inversamente proporcional al contenido de amoniaco.

Además, dado que la temperatura de la corriente de trabajo agotada que sale del dispositivo de expansión es superior a la temperatura de dicha corriente a la entrada de la caldera, en consecuencia, en el ciclo de Kalina se suele redireccionar parte de la corriente de trabajo que sale del dispositivo de expansión, por medio de conductos adecuados a un tipo particular de intercambiador de calor conocido, habitualmente, como recuperador, con el fin de calentar adicionalmente la corriente de trabajo que ingresa a la caldera. Con el fin de mejorar aún más la eficiencia de los ciclos termodinámicos, también se han concebido otras modificaciones, tales como:

- reducir la presión en el condensador;

- sobrecalentar la corriente de trabajo antes de que ingrese al dispositivo de expansión;

- aplicar un recalentamiento intermedio a la corriente de trabajo en forma de vapor, proporcionando su expansión más activa en la turbina dividiendo la expansión en diferentes etapas secuenciales;

- aplicar diversas modificaciones de las boquillas Laval para la aceleración de la corriente de trabajo en la entrada de la turbina (aumento de la energía cinética de la corriente) para mejorar la transformación de la energía térmica en energía mecánica.

A pesar de todas estas mejoras, todavía es necesario desarrollar nuevos sistemas, métodos y aparatos para convertir la energía térmica en energía mecánica con mayor eficiencia, así como proporcionar dispositivos destinados a optimizar la eficiencia de dichos sistemas, métodos y aparatos.

En consecuencia, esta invención está destinada a abordar los problemas y desventajas del estado de la técnica, mencionados anteriormente.

DEFINICIONES

En todo el presente documento debe entenderse que un "vapor húmedo" es una mezcla formada por líquido saturado y vapor saturado.

De manera similar, el término corriente "sobrecalentada" debe interpretarse como una corriente que adquiere una temperatura significativamente superior a la temperatura de la fuente de calor externa, por ejemplo, entre 20 y 50 °C por encima de la temperatura de la fuente de calor externa, debido a las características de los dispositivos (tubos de vórtice que funcionan en efecto Ranque-Hilsch) que se describe a continuación en detalle.

Por otro lado, un circuito “presurizado” debe interpretarse como un circuito cerrado por el que circula una corriente, teniendo dicha corriente una presión provocada por una transformación de fase en forma de vapor y/o por la acción de al menos una bomba.

Una “corriente de bajo punto de ebullición” debe interpretarse como una corriente que tiene una temperatura de ebullición inferior a 15 °C a presión atmosférica normal. Del mismo modo, una "sustancia de alto punto de ebullición" debe interpretarse como una sustancia que tiene una temperatura de ebullición superior a 90 °C a presión atmosférica normal.

Un “intercambiador de calor” debe interpretarse como un conjunto termodinámico a través del cual fluyen dos corrientes diferentes y separadas, a diferentes temperaturas. El intercambiador de calor está provisto de medios de transmisión de calor que permiten que ambas corrientes intercambien energía térmica entre sí. Sin embargo, dichas corrientes no entran realmente en contacto físico directo entre sí. Según la 2 a ley de la termodinámica, en un intercambiador de calor la corriente que tiene mayor temperatura es la que transfiere calor a la corriente de menor temperatura.

Según su uso previsto, un intercambiador de calor puede definirse como un "calentador", si la primera corriente se fuerza a través de la disposición para transferir parte de su energía térmica a la segunda corriente (y por lo tanto aumentando la temperatura de dicha segunda corriente) o, alternativamente, como un “condensador” si la primera corriente está destinada a recibir energía térmica de la segunda corriente que está en forma gaseosa, haciendo que esta segunda corriente disminuya su temperatura lo suficiente como para experimentar una transformación de fase a forma líquida.

A lo largo del presente documento debe entenderse que cuando un primer elemento está “adjunto, unido, fijado” a un segundo elemento, esto significa que dicho primer elemento puede estar ya sea directamente adjunto, unido o fijado al segundo elemento, o indirectamente por medios de un elemento intermediario.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El primer objetivo de la presente invención se refiere a un sistema de conversión de energía térmica en energía mecánica que comprende:

-al menos una caldera conectada a una fuente de calor externa, teniendo dicha caldera al menos una entrada y al menos una salida, siendo la temperatura en la salida superior a la temperatura en la entrada;

- un circuito de trabajo presurizado, a través del cual circula una corriente de trabajo, estando una primera sección de dicho circuito de trabajo conectada a una salida de la caldera y estando una segunda sección de dicho circuito de trabajo conectada a una entrada de dicha caldera, estando el circuito de trabajo configurado tal que la corriente de trabajo obtiene energía térmica de la fuente de calor externa cuando circula por la caldera;

- un dispositivo de expansión (por ejemplo una turbina), ubicado aguas abajo de la primera sección del circuito de trabajo y que está configurado tal que la corriente de trabajo se expande dentro del dispositivo de expansión y convierte parte de su energía térmica en energía mecánica, después de lo cual la corriente de trabajo se convierte en una corriente de trabajo agotada y sale del dispositivo de expansión a través de la segunda sección del circuito de trabajo;

- un primer calentador ubicado aguas arriba del dispositivo de expansión, configurado tal que la corriente de trabajo se sobrecalienta (adquiriendo energía térmica adicional) antes de entrar en el dispositivo de expansión; caracterizado por que comprende además:

- un circuito auxiliar presurizado, configurado para dirigir una corriente auxiliar desde una salida de la caldera a una entrada principal de al menos un tubo de vórtice;

- al menos un tubo de vórtice, que tiene una entrada principal, una entrada auxiliar, una salida de calor y una salida de frío, estando dicho tubo de vórtice configurado tal que la corriente auxiliar se divide en una corriente auxiliar caliente y una corriente auxiliar fría circulando en direcciones opuestas, siendo la temperatura de la corriente auxiliar caliente más alta que la temperatura de la corriente auxiliar fría;

- un circuito auxiliar caliente, a través del cual circula la corriente auxiliar caliente, estando un primer extremo del circuito auxiliar caliente conectado a la salida de calor del tubo de vórtice y estando un segundo extremo del circuito auxiliar caliente conectado a la entrada de la caldera, pasando el circuito auxiliar caliente también a través del primer calentador por lo que al menos parte de la corriente auxiliar caliente calienta la corriente de trabajo mientras pasa por el primer calentador;

- un circuito auxiliar frío, a través del cual circula la corriente auxiliar fría, estando un primer extremo del circuito auxiliar frío conectado a la salida de frío del tubo de vórtice y estando un segundo extremo del circuito auxiliar frío conectado a la entrada auxiliar de un tubo de vórtice, pasando el circuito auxiliar frío a través de un primer condensador y/o un segundo condensador, por lo que al menos parte de la corriente auxiliar fría condensa la corriente de trabajo agotada, pasando dicha corriente de trabajo agotada también a través de dichos condensadores y teniendo una temperatura superior a la corriente auxiliar fría.

En el sistema según la presente invención, el circuito de trabajo es independiente del circuito auxiliar. De hecho, el circuito de trabajo solo recibe energía térmica de la corriente auxiliar caliente cuando pasa por el primer calentador. Este intercambio térmico contribuye a sobrecalentar la corriente de trabajo antes de que ingrese al dispositivo de expansión.

De manera similar, el circuito auxiliar frío solo recibe energía térmica de otra corriente (la corriente de trabajo y/o la corriente absorbente que se describirá con mayor detalle a continuación), cuando pasa por el primer condensador y/o el segundo condensador. Este intercambio térmico permite condensar la corriente de trabajo y/o la corriente absorbente.

El uso de al menos un tubo de vórtice en el sistema según la presente invención hace posible, gracias al efecto Ranque-Hilsch, obtener una corriente auxiliar caliente y una corriente auxiliar fría que tiene temperaturas significativamente diferentes.

En consecuencia, la adición de calor promedio (Tb), que está relacionada con la temperatura de la corriente auxiliar caliente, es mayor que en los ciclos termodinámicos del estado de la técnica, mientras que el rechazo de calor promedio (Te), que está relacionado con la temperatura de la corriente auxiliar fría, es menor que en los ciclos termodinámicos de la técnica anterior.

Más particularmente, en el sistema según la presente invención, partiendo de una temperatura de la fuente de calor externa de entre 50 °C y 100 °C, la adición de calor promedio (Tb) está habitualmente en el rango de 70 °C - 80 °C (dado que, gracias al tubo de vórtice, la temperatura alcanzada por la corriente auxiliar caliente está habitualmente por encima de la temperatura de la fuente de calor externa), mientras que el rechazo de calor promedio T c está habitualmente en el rango de -20 - 30 °C. Esto da como resultado una diferencia de temperatura entre T y T c que es, habitualmente, cercana a los 100 °C, que es significativamente mayor que en los sistemas de conversión de energía térmica según la técnica anterior (habitualmente en el rango de 50 - 60 °C).

Esta diferencia de temperatura aumentada entre Tb y Tc da como resultado una mayor eficiencia de los ciclos termodinámicos que tienen lugar en los sistemas de conversión de energía según la presente invención, en comparación con el sistema que forma parte de la técnica anterior.

La energía mecánica obtenida por un sistema según la presente invención puede emplearse como trabajo útil (como ocurre, por ejemplo y sin ser limitativo, en las máquinas de vapor) o, alternativamente, convertirse en una etapa posterior en otra forma de energía, para ejemplo, energía eléctrica (como ocurre, por ejemplo y sin ser limitativo, en plantas generadoras de energía).

Por lo tanto, para convertir la energía mecánica generada en el dispositivo de expansión (que normalmente tiene la forma de un par inducido en un árbol giratorio) en energía eléctrica, el dispositivo de expansión del sistema según la presente invención puede conectarse a un generador eléctrico. Además, se puede interponer un acoplamiento entre el árbol giratorio del dispositivo de expansión y el generador, con el fin de mejorar la transmisión del par al generador. Además, se puede interponer un acoplamiento sellado entre el árbol giratorio del dispositivo de expansión y el generador, con el fin de proporcionar una estanqueidad total del circuito de trabajo, para proporcionar la posibilidad de usar sustancias volátiles de trabajo de bajo punto de ebullición, reducir aún más la presión en la salida del dispositivo de expansión (para evitar el uso de compresores - eyectores), mejorar la eficiencia del ciclo termodinámico y asegurar la transmisión efectiva del par desde el circuito de trabajo presurizado al generador.

De hecho, otro objeto de la presente invención, que se describirá con más detalle a continuación, está dirigido a uno de dichos acoplamientos, más particularmente un acoplamiento de vacío precesional.

La caldera comprende preferentemente un primer espacio interior por el que circula la corriente auxiliar, y un segundo espacio interior por el que circula la corriente de trabajo, estando el primer y segundo espacios interiores físicamente separados entre sí pero configurados tal que puedan intercambiar energía térmica entre sí. La posibilidad de intercambio de calor, entre el primer espacio interior y el segundo espacio interior, aumenta la eficiencia del sistema según la presente invención, ya que la temperatura del circuito auxiliar caliente que vuelve a la caldera suele superar la temperatura de la fuente de calor exterior. En consecuencia, esta energía térmica adicional puede transferirse a la corriente de trabajo que circula por el segundo espacio interior de la caldera.

El circuito auxiliar frío pasa preferentemente por un colector de condensado líquido, que está en contacto con una bomba. La bomba, a su vez, está conectada a un primer extremo de un circuito de condensado líquido y el segundo extremo del circuito de condensado líquido está conectado a una entrada de la caldera.

En una realización particular del sistema de conversión de energía térmica en energía mecánica según la presente invención, el circuito auxiliar frío y la segunda sección del circuito de trabajo pasan por el segundo intercambiador de calor, por lo que la corriente auxiliar fría condensa la corriente de trabajo agotada.

En otra realización de la presente invención, el sistema de conversión de energía térmica en mecánica presenta las siguientes características técnicas adicionales:

- comprende un circuito absorbente, a través del cual circula una corriente de absorbente, que tiene una temperatura de ebullición elevada (es decir, superior a 90 °C a la presión atmosférica normal);

- el circuito auxiliar caliente está dividida en dos ramas diferentes: i) una primera rama del circuito auxiliar caliente que pasa por el primer calentador, estando dicha primera rama configurada tal que sobrecalienta la corriente de trabajo, y

¡i) una segunda rama de la corriente auxiliar caliente que pasa a través de un segundo calentador, estando dicha segunda rama configurada tal que calienta la corriente absorbente; y

- la primera sección del circuito auxiliar frío está dividida en dos ramas diferentes: iii) una primera rama de la primera sección del circuito auxiliar frío que pasa por el primer condensador, estando dicha primera rama de la primera sección configurada tal que condense la corriente de trabajo agotada, iv) una segunda rama de la primera sección del circuito auxiliar frío que pasa por el segundo condensador, estando dicha segunda rama de la primera sección configurada tal que condensa la corriente absorbente.

La realización de la presente invención, descrita en el párrafo anterior, comprende preferentemente las siguientes características técnicas adicionales:

- la primera sección del circuito absorbente está conectada, por un primer extremo a un separador, y está conectada por un segundo extremo a un mezclador, mezclando el absorbente dentro del mezclador con al menos una parte de la corriente auxiliar fría;

- la segunda sección del circuito absorbente, está conectada por un primer extremo al mezclador y está conectada por un segundo extremo a un dispositivo de cavitación, y

- el dispositivo de cavitación está conectado a un primer conducto de retorno en contacto con una entrada de la caldera, estando el dispositivo de cavitación también conectado a un conducto de corriente pobre que pasa a través de un tercer calentador y termina en el separador.

Además, el separador está conectado preferentemente a un segundo conducto de retorno en contacto con una entrada de la caldera, estando el separador también preferentemente en contacto con el segundo condensador.

En otra realización de la presente invención, el sistema de conversión de energía térmica en mecánica presenta las siguientes características técnicas adicionales:

- comprende un circuito absorbente, por el que circula una corriente de absorbente, que tiene una temperatura de ebullición elevada;

- el circuito auxiliar caliente se divide en dos ramas diferentes: a) una primera rama del circuito auxiliar caliente pasa por el primer calentador, donde sobrecalienta la corriente de trabajo, pasando también la primera rama del circuito auxiliar caliente por el segundo calentador, estando dicha primera rama configurada tal que calienta la corriente absorbente; b) una segunda rama del circuito auxiliar caliente pasa a través de un tercer calentador, estando dicha segunda rama configurada tal que calienta la corriente absorbente;

- el circuito auxiliar frío pasa por el segundo condensador, estando dicho circuito auxiliar frío configurado tal que condensa la corriente absorbente.

Preferentemente, en la realización de la presente invención descrita en el párrafo anterior:

- la primera sección del circuito absorbente está conectada, por un primer extremo a un separador y está conectada por un segundo extremo a la cavidad del árbol hueco del dispositivo de expansión, estando la primera sección del circuito absorbente configurada tal que la corriente absorbente se mezcla dentro de dicha cavidad con la corriente de trabajo agotada;

- la segunda sección del circuito absorbente, está conectada por un primer extremo a una bomba que está en contacto con la cavidad del árbol hueco del dispositivo de expansión, estando la segunda sección del circuito absorbente conectada por un segundo extremo a un dispositivo de cavitación, y

- el dispositivo de cavitación está conectado a un primer conducto de retorno en contacto con una entrada de la caldera, estando el dispositivo de cavitación también conectado a un conducto de corriente pobre que pasa a través de un tercer calentador y termina en el separador.

Otro objeto de la presente invención, que se describirá con más detalle a continuación, está dirigido a tubos de vórtice para sistemas de conversión de energía térmica en energía mecánica.

Más particularmente, este objetivo de la presente invención se refiere a un tubo de vórtice para sistemas de conversión de energía térmica en energía mecánica, que comprende:

- un cuerpo hueco alargado axialmente;

- una entrada principal conectada a una cámara de turbulencia comunicada con el interior del cuerpo hueco alargado, estando la entrada principal configurada para inyectar tangencialmente en la cámara de turbulencia una corriente presurizada, tal que la corriente presurizada acelere dentro del cuerpo alargado creando un vórtice de corriente presurizada; - una salida de calor, contigua a un cuerpo de mariposa que define una boquilla anular axialmente periférica, estando la boquilla anular colocada dentro del cuerpo alargado en un primer extremo de dicho cuerpo hueco, y estando configurada tal que la boquilla anular solo permite a la parte axialmente periférica de la corriente presurizada en vórtice salir por la salida de calor;

- una salida de frío, situada en una parte axialmente central del segundo extremo del cuerpo hueco, estando la salida de frío configurada tal que solo la parte axialmente central de la corriente presurizada en vórtice puede salir por la salida de frío; el tubo de vórtice está caracterizado por que también comprende una entrada auxiliar, estando un extremo de dicha entrada auxiliar colocado en una posición axialmente central dentro del cuerpo hueco contiguo al primer extremo de dicho cuerpo hueco y opuesto axialmente a la salida de frío.

La superficie del cuerpo de mariposa que está más cerca de la salida de frío puede tener opcionalmente la forma de una copa cóncava.

Alternativamente, en otra realización del tubo de vórtice según la presente invención, la superficie del cuerpo de mariposa que está más cerca de la salida de frío tiene una forma cónica.

En algunas realizaciones de la presente invención, la entrada auxiliar está provista de una segunda cámara de turbulencia posicionada dentro del cuerpo de mariposa. Esta disposición particular permite que el flujo auxiliar frío entrante cree un vórtice axial contradireccional dentro del vórtice periférico que aumenta la magnitud del intercambio de calor entre los flujos periféricos y axiales.

Otro objeto de la presente invención consiste también en el uso de cualquiera de los tubos de vórtice mencionados anteriormente en cualquiera de los sistemas para convertir energía térmica en energía mecánica descritos anteriormente.

Más particularmente, la presente invención también comprende el uso de al menos un tubo de vórtice en cualquiera de los sistemas para convertir energía térmica en mecánica descritos anteriormente, comprendiendo dicho tubo de vórtice:

- un cuerpo hueco alargado axialmente;

- una entrada principal conectada a una cámara de turbulencia comunicada con el interior del cuerpo hueco alargado, estando la entrada principal configurada para inyectar tangencialmente en la cámara de turbulencia una corriente presurizada, tal que la corriente presurizada se acelera dentro del cuerpo hueco creando un vórtice de la corriente presurizada;

- una salida de calor, contigua a un cuerpo de mariposa que define una boquilla anular axialmente periférica, estando la boquilla anular colocada dentro del cuerpo hueco en un primer extremo de dicho cuerpo hueco alargado, y estando configurada tal que la boquilla anular solo permite a la parte axialmente periférica del vórtice de la corriente presurizada salir por la salida de calor;

- una salida de frío, situada en una parte axialmente central del segundo extremo del cuerpo hueco alargado, estando la salida de frío (II) configurada tal que solo la parte axialmente central de la corriente presurizada en vórtice puede salir por la salida de frío; estando el tubo de vórtice caracterizado por que también comprende una entrada auxiliar, estando un extremo de dicha entrada auxiliar colocado en una posición axialmente central dentro del cuerpo alargado contiguo al primer extremo de dicho cuerpo alargado y opuesto axialmente a la salida de frío.

Otro objeto de la presente invención, que se describirá con mayor detalle a continuación, está dirigido a una turbina para sistemas de conversión de energía térmica en energía mecánica, que comprende:

- un árbol hueco que tiene una cavidad interna, estando un primer extremo de la cavidad interna en contacto con una pluralidad de conductos de entrada y estando un segundo extremo de la cavidad interna en contacto con una pluralidad de conductos de salida;

- un tambor de rotor que comprende una pluralidad de boquillas inclinadas en la periferia del rotor y una pluralidad de discos colocados dentro del rotor debajo de las boquillas inclinadas; estando dichos discos colocados en paralelo entre sí definiendo una pluralidad de espacios entre discos, estando dichos discos también unidos perpendicularmente al árbol hueco y estando dispuestos tal que los espacios entre discos están en contacto con los conductos de entrada; caracterizado por que la turbina también comprende generadores de impulsos, estando los generadores de impulsos dispuestos para inyectar una corriente de trabajo a través de las boquillas, tal que la corriente de trabajo se expande creando ondas que actúan sobre las boquillas inclinadas, creando un par en el tambor de rotor y posteriormente fluyendo a través de los espacios entre discos, entrando en la cavidad interna del árbol hueco a través de los conductos de entrada y saliendo de la cavidad interna del árbol hueco a través de los conductos de salida. A diferencia de los dispositivos de expansión convencionales, en la turbina según la presente invención, la corriente de trabajo se expande fuera del rotor de la turbina mencionada anteriormente y, por lo tanto, convierte la mayor parte de su energía térmica en energía mecánica, después de lo cual la corriente de trabajo penetra en los espacios entre discos y debido a las fuerzas de fricción se convierte en una corriente de trabajo agotada y sale de la turbina a través de los conductos de salida.

La turbina según la presente invención es una turbina sin palas en la que se utilizan generadores de impulsos y boquillas móviles inclinadas. Esta disposición particular hace que la corriente de trabajo, que está habitualmente en forma gaseosa y a alta temperatura (habitualmente por encima de los 100 °C), se transforme abruptamente a través de generadores de impulsos en varias corrientes frías de impulsos no estacionarios acompañadas de ondas que crean un par en la periferia del rotor en las boquillas inclinadas del rotor y los discos de rotor de la turbina sin palas, convirtiendo la máxima parte de su energía térmica obtenida de una fuente de calor externa y una corriente auxiliar caliente en energía mecánica. Como resultado del funcionamiento de los generadores de impulsos, la corriente de trabajo se expande drásticamente reduciendo su temperatura y presión, convirtiendo su energía térmica en energía cinética de ondas de choque y en energía cinética residual de corriente de trabajo fría no estacionaria. La parte principal de la energía cinética obtenida se utiliza y se transforma en energía mecánica mediante dispositivos periféricos del rotor. La energía cinética residual es utilizada y transformada en energía mecánica por los espacios entre discos del rotor. Mediante tales transformaciones, la corriente de trabajo se convierte en una corriente de trabajo agotada. Por lo tanto, después de haber realizado un trabajo útil, la corriente de trabajo agotada sale por los espacios entre discos del rotor de la turbina hacia el árbol hueco y luego abandona la cavidad del árbol a través de los conductos de salida.

La ventaja de esta realización más preferente que utiliza el principio de funcionamiento de la turbina sin palas acoplada con generadores de impulsos consiste en que utiliza la utilización de energía cinética de impulsos múltiples (ondas de choque), creando colectivamente una corriente de impulsos no estacionaria. Al mismo tiempo, la pérdida de energía térmica en tal turbina según la presente invención es mínima, puesto que la temperatura de la corriente de trabajo disminuye drásticamente y que la energía térmica de la corriente de trabajo se transforma al máximo en la energía cinética de la corriente de impulsos antes de la acción cinética en el rotor de la turbina sin palas. El rotor de tal turbina sin palas funciona en un modo frío.

En la turbina según la presente invención, los conductos de salida están conectados preferentemente a una bomba centrífuga Tesla. Más preferentemente, la bomba centrífuga Tesla está provista de un árbol que está unido al árbol hueco de la turbina.

En una realización preferente de la turbina según la presente invención, dicha turbina también está provista de un conducto para absorbente de alto punto de ebullición (es decir, un absorbente que tiene una temperatura de ebullición superior a 90 °C a presión atmosférica normal) que pasa parcialmente dentro del árbol hueco de la turbina.

En la turbina según la presente invención, al menos uno de cada generador de impulsos comprende preferentemente:

- una carcasa que tiene al menos un espacio hueco interior;

- un émbolo unido a medios de empuje y unido a un tapón de válvula, estando los medios de empuje dispuestos para moverse entre una primera posición en la que dichos medios no interactúan con un resorte de retorno y, una segunda posición en la que dichos medios empujan el resorte de retorno y estando el tapón de válvula dispuesto para moverse entre una primera posición en la que aísla herméticamente el espacio hueco interior de un orificio de salida, y una segunda posición en la que el espacio hueco interior se comunica con el orificio de salida;

- al menos una llave colocada para cambiar periódicamente entre una posición abierta en la que permite el flujo de una corriente de trabajo a través de al menos una línea de entrada, y una posición cerrada en la que impide el flujo de la corriente de trabajo;

- al menos una línea de entrada conectada al espacio hueco interior; caracterizado por que comprende además:

- una cámara de activación conectada a al menos una línea de entrada;

- una varilla unida al tapón de válvula y dispuesta para moverse junto con el tapón de válvula entre una primera posición en la que el volumen de la cámara de activación es máximo, y una segunda posición en la que parte de la varilla se introduce dentro de la cámara de activación reduciendo el volumen de la misma;

- una línea de salida de activación colocada entre la cámara de activación y el orificio de salida; y

- una válvula de activación colocada en la línea de salida dispuesta para activar el movimiento de la varilla dentro de la cámara de activación y simultáneamente iniciar el movimiento del tapón de válvula, el émbolo y el pistón hacia el resorte de retorno.

El funcionamiento de los generadores de impulsos según la presente invención se describe con más detalle a continuación, con respecto a las figuras 8A a 8D y las figuras 10A a 10C.

En una realización de los generadores de impulsos de la turbina según la presente invención, el medio de empuje es un pistón.

Alternativamente, en otra realización de los generadores de impulsos de la turbina de la presente invención, el medio de empuje es una membrana flexible, dispuesta para doblarse cuando se somete a una presión por encima de un cierto valor predeterminado.

En una realización preferente de la invención de la turbina de la presente invención, el generador de impulsos comprende medios de empuje en forma de membrana flexible, así como las siguientes características técnicas:

- la válvula de activación está provista de un contacto, estando el contacto dispuesto para moverse entre una primera posición, en la que la válvula de activación permite el flujo de corriente de trabajo hacia la cámara de activación y una segunda posición, en la que la válvula de activación impide el flujo de corriente de trabajo en la cámara de activación; y donde el movimiento del contacto desde la primera posición a la segunda posición es provocado por la flexión de la membrana flexible;

- el émbolo está unido al tapón de válvula por medio de un cilindro hueco unido a un paralelogramo que comprende un mecanismo de paralelogramo y una pluralidad de palancas conectadas de forma pivotante entre sí mediante juntas giratorias; estando el paralelogramo dispuesto tal que cuando el tapón de válvula se mueve entre su primera posición y la segunda posición, el paralelogramo, el cilindro hueco y el émbolo se mueven como una estructura completa en la dirección de la membrana a un reborde; y

- El espacio hueco interior se divide en dos regiones diferentes separadas por un reborde dispuesto para evitar el movimiento axial del cilindro hueco desde la primera región a la segunda región.

El uso del paralelogramo y del mecanismo de paralelogramo aumenta la velocidad de movimiento del tapón desde el asiento (la velocidad de apertura de un gran orificio anular) hasta un valor que excede la velocidad de deformación del centro de la membrana flexible (la velocidad de expansión libre del medio de trabajo bajo una presión dada), que se deforma bajo la influencia de la presión constante del medio de trabajo suministrado permanentemente desde la fuente.

En una realización más preferente de la invención de la turbina de la presente invención, el generador de impulsos comprende todas las características técnicas mencionadas inmediatamente anteriormente, así como:

- al menos dos cámaras de activación diferentes; y

- al menos dos varillas huecas diferentes unidas al tapón de válvula, estando cada una de las varillas huecas asociada a una cámara de activación respectiva y dispuesta para moverse junto con el tapón de válvula entre una primera posición en la que el volumen de la cámara de activación respectiva es máximo, y una segunda posición en la que se introduce parte de la varilla hueca dentro de la cámara de activación respectiva reduciendo el volumen de la misma. En una realización incluso más preferente de la invención de la turbina de la presente invención, el generador de impulsos comprende todas las características técnicas mencionadas inmediatamente anteriormente, así como las siguientes:

- el tapón de válvula incluye un soporte en forma de anillo que se conecta al paralelogramo, y a los brazos del mecanismo de paralelogramo a través de articulaciones giratorias o flexibles, estando el soporte también conectado mecánicamente a las varillas huecas; y

- los conductos valvulares están montados rígidamente dentro de cada varilla hueca, configurados de modo que una dirección libre de cada conducto valvular se dirija desde las cámaras de activación a la segunda región del espacio hueco interior.

Como en la realización anterior, el uso del paralelogramo y el mecanismo de paralelogramo aumenta la velocidad de movimiento del tapón desde el asiento. Por otro lado, los conductos valvulares montados en el interior de las varillas huecas permiten repetir rápidamente los ciclos de carga-descarga y retirar el tapón del asiento durante la fase de activación.

Finalmente, la disposición del soporte en forma de anillo, descrita anteriormente, aumenta adicionalmente la velocidad de los ciclos de carga-descarga.

Otro objeto de la presente invención consiste también en el uso de cualquiera de las turbinas mencionadas anteriormente en cualquiera de los sistemas para convertir energía térmica en energía mecánica descritos anteriormente.

Más particularmente, la presente invención también comprende el uso de una turbina en cualquiera de los sistemas para convertir energía térmica en mecánica descritos anteriormente, donde dicha turbina comprende:

- un árbol hueco que tiene una cavidad interna, estando un primer extremo de la cavidad interna en contacto con una pluralidad de conductos de entrada y estando un segundo extremo de la cavidad interna en contacto con una pluralidad de conductos de salida;

- un tambor de rotor que comprende una pluralidad de boquillas inclinadas colocadas en la periferia del rotor, y una pluralidad de discos colocados dentro del rotor debajo de las boquillas inclinadas, estando dichos discos colocados en paralelo entre sí definiendo una pluralidad de espacios entre discos, estando dichos discos también unidos perpendicularmente al árbol hueco y estando dispuestos tal que los espacios entre discos estén en contacto con los conductos de entrada; caracterizado por que la turbina también comprende generadores de impulsos dispuestos para inyectar una corriente de trabajo a través de las boquillas, de tal manera que la corriente de trabajo se expanda creando ondas que actúan sobre las boquillas inclinadas, creando un par en el tambor de rotor y posteriormente fluyendo a través de los espacios entre discos, entrando en la cavidad interna del árbol hueco a través de los conductos de entrada y saliendo de la cavidad interna del árbol hueco a través de los conductos de salida.

Finalmente, el último objetivo de la presente invención, que se describirá con mayor detalle a continuación, está dirigido a un acoplamiento de vacío precesional para un sistema de conversión de energía, comprendiendo dicho sistema de conversión de energía un dispositivo de expansión con un árbol giratorio y un generador eléctrico provisto de un árbol accionado, comprendiendo el acoplamiento:

- una primera mitad de la carcasa provista de un orificio pasante y un espacio interior hueco, estando el orificio pasante dispuesto para alojar el árbol giratorio del dispositivo de expansión;

- una segunda mitad de la carcasa provista de un orificio pasante y un espacio interior hueco, estando el orificio pasante dispuesto para alojar el árbol accionado del generador eléctrico, y pudiéndose la segunda mitad de la carcasa unir de forma liberable a la primera mitad de la carcasa, de modo que el orificio pasante de la primera mitad de la carcasa esté alineado con el orificio pasante de la primera mitad de la carcasa;

- un primer cigüeñal conectado a un extremo libre del árbol giratorio del dispositivo de expansión;

- un segundo cigüeñal conectado a un extremo libre del árbol accionado del generador eléctrico, pudiendo el segundo cigüeñal unirse de manera liberable al primer cigüeñal, de modo que el primer cigüeñal y el segundo cigüeñal compartan un eje común; estando el acoplamiento caracterizado por que comprende además:

- un primer disco de vacío que se puede montar de manera liberable en el primer cigüeñal;

- un segundo disco de vacío que se puede montar de manera liberable en el segundo cigüeñal;

- una membrana flexible de sellado interpuesta entre el primer disco de vacío y el segundo disco de vacío, estando la membrana dispuesta tal que aísle el espacio interior hueco de la primera mitad de la carcasa del espacio interior hueco de la segunda mitad de la carcasa; y

- al menos un canal de vacío que se extiende entre una fuente de presión negativa y la membrana flexible de sellado. Como ya se anticipó, el acoplamiento de vacío precesional de la invención está destinado principalmente a optimizar la transmisión de par del árbol giratorio del dispositivo de expansión al árbol accionado de un generador eléctrico. Dicho acoplamiento también proporciona una estanqueidad total al circuito de trabajo del sistema de conversión de energía térmica, lo que permite la posibilidad de utilizar sustancias volátiles de trabajo de bajo punto de ebullición. El mismo reduce aún más la presión en la salida del dispositivo de expansión (para evitar el uso de compresores - eyectores), mejora la eficiencia del ciclo termodinámico y asegura la transmisión efectiva del par desde el circuito de trabajo presurizado al generador.

La fuente de presión negativa crea un vacío en la periferia de la membrana flexible de sellado que induce una unión del primer disco de vacío con el segundo disco de vacío y la membrana flexible de sellado, proporcionando de este modo una conexión precisa y rígida de dichas partes. Además, dicha unión por vacío evita que el árbol giratorio y el árbol accionado realicen movimientos radiales, angulares o axiales entre sí y con respecto a la membrana flexible de sellado.

El orificio pasante de la primera mitad de la carcasa y la segunda mitad de la carcasa está preferentemente provisto de cojinetes. De manera similar, el primer cigüeñal y el segundo cigüeñal están preferentemente provistos de cojinetes.

En una realización particular de la presente invención, la punta del primer cigüeñal está provista de una pluma cónica, mientras que la punta del segundo cigüeñal está provista de una cavidad cónica.

En la presente descripción, “la punta del primer/segundo cigüeñal” o es la parte del primer/segundo cigüeñal que está más cerca de la membrana de sellado flexible.

En una realización alternativa de la presente invención, cada cara de la membrana de sellado flexible está provista de una pluma cónica, mientras que la punta del primer cigüeñal y la punta del segundo cigüeñal están provistas de una cavidad cónica. Esta realización particular de la invención mejora el posicionamiento preciso de los centros de los discos anulares de vacío y del árbol giratorio y el árbol accionado, que están colocados en lados opuestos de la membrana de sellado flexible.

Otras características y ventajas de esta invención surgirán de la siguiente descripción detallada de las realizaciones no limitantes, que ¡lustran los objetivos de la misma, en relación con las figuras adjuntas.

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

La figura 1 es una vista esquemática que ¡lustra una primera posible realización de un sistema para convertir energía térmica en energía mecánica; la figura 2 es una vista esquemática que ¡lustra una segunda posible realización de un sistema para convertir energía térmica en energía mecánica; la figura 3 es una vista esquemática que ¡lustra una tercera posible realización de un sistema para convertir energía térmica en energía mecánica; la figura 4 es una vista esquemática que ¡lustra una cuarta posible realización de un sistema para convertir energía térmica en energía mecánica; la figura 5 es una vista esquemática que ¡lustra una quinta posible realización de un sistema para convertir energía térmica en energía mecánica; las figuras 6A y 6B son vistas en sección transversal, cada una de las cuales ¡lustra una posible realización de un tubo de vórtice utilizado en un sistema para convertir energía térmica en energía mecánica; la figura 7A es una vista esquemática en sección transversal, que ¡lustra una primera posible realización de la turbina utilizada en un sistema para convertir energía térmica en energía mecánica; la figura 7B es una vista esquemática en sección transversal, que ¡lustra una segunda realización de la turbina utilizada en un sistema para convertir energía térmica en energía mecánica; la figura 7C es una vista en perspectiva parcialmente en despiece ordenado, a escala ampliada, de un detalle de la turbina mostrada en la figura 7A; la figura 7D es una vista esquemática en sección transversal, a escala ampliada, de un detalle de la turbina mostrada en la figura 7A; las figuras 8A a 8D son vistas esquemáticas en sección transversal de una primera realización de un generador de impulsos de una turbina según la presente invención y muestran el funcionamiento de dicho generador de impulsos; la figura 9 es una vista esquemática en sección transversal de una segunda realización de un generador de impulsos de una turbina según la presente invención; la figura 10A es una vista esquemática en sección transversal de un generador de impulsos similar al mostrado en la figura 9, en un estado de carga cerrado; la figura 10B es una vista esquemática en sección transversal del generador de impulsos de la figura 10 A, en un estado de iniciación; la figura 10C es una vista esquemática en sección transversal del generador de impulsos de la figura 10 A, en un estado de descarga; la figura 11A es una vista en despiece ordenado en sección transversal de una primera realización de un acoplamiento de vacío precesional según la presente invención; la figura 11B es una vista en sección transversal del acoplamiento de vacío precesional de la figura 11A con todos sus elementos debidamente montados; la figura 11C es una vista en despiece ordenado en sección transversal de una segunda realización de un acoplamiento de vacío precesional según la presente invención; y la figura 11 D es una vista en sección transversal del acoplamiento de vacío precesional de la figura 11C con todos sus elementos debidamente montados.

REFERENCIAS NUMÉRICAS

A continuación se proporciona una lista de los diferentes elementos que forman parte de la presente invención y que están representados en las figuras, así como las referencias numéricas correspondientes que se les han designado:

(1) Carcasa del dispositivo de expansión y bomba de disco Tesla;

(2) Dispositivo de expansión;

(3) Primer calentador;

(3a) Segundo calentador;

(4) Primer condensador;

(5) Primer espacio interior de la caldera (para la corriente auxiliar);

Segundo espacio interior de la caldera (para la corriente de

(6) trabajo);

(7) Generador eléctrico;

(8) Primera bomba de disco Tesla;

(9) Cavidad/mezclador del árbol hueco de la turbina;

(10) Segunda sección del circuito de trabajo;

(10a) Primera sección del circuito de trabajo;

(10b) Circuito auxiliar;

(10c) Sección adicional del circuito de trabajo;

(11) Orificios del árbol hueco del dispositivo de expansión;

(12) Árbol hueco del dispositivo de expansión;

(13) Árbol accionado del generador eléctrico; Boquilla absorbente en el mezclador/cavidad 9 del árbol hueco,

(14) figura 2 (C);

Acoplamiento sellado para conectar el árbol del dispositivo de

(15) cavitación, al árbol del generador eléctrico;

Acoplamiento sellado para conectar el árbol del dispositivo de

(15 a) expansión al árbol del dispositivo de cavitación

(16) Segunda bomba de disco Tesla;

(17) Dispositivo de cavitación;

(19); Tercer calentador

(20) Porción hueca de la segunda bomba de disco Tesla;

(20a) Boquilla absorbente en el mezclador estático 9, figura 3 (C);

Bomba de retorno de la corriente de trabajo agotada a la

(21) caldera;

(22) Bomba de presión para bombear el absorbente;

(23) Absorbente en forma líquida;

(24) Separador;

(25) Segundo condensador;

(26) Colector de condensado líquido;

(27) Bomba de retorno del condensado líquido a la caldera;

(28) Primer conducto de retorno;

(29) Conducto de corriente pobre;

(30) Primera sección del circuito auxiliar frío;

(31) Segunda sección del circuito auxiliar frío;

(32) Primera rama del circuito auxiliar caliente;

(33) Segunda rama del circuito auxiliar caliente;

(34) Circuito de condensado líquido;

(35) Corriente de cavitación;

(36) Segunda sección del circuito de corriente absorbente;

(37) Primera sección del circuito de corriente absorbente;

(38) Segundo conducto de retorno;

Bomba de retorno de la corriente auxiliar fría a los tubos de

(39) vórtice;

(40) Bomba para dirigir la corriente rica al dispositivo de cavitación;

(Q) Fuente de calor externa;

(100) Cuerpo hueco del tubo de vórtice;

(110) Cámara de turbulencia del tubo de vórtice;

(111) Cavidad interna del cuerpo hueco del tubo de vórtice;

(113) Parte axialmente central del vórtice de corriente presurizada;

(114) Parte axialmente periférica del vórtice de corriente presurizada;

Borde de la superficie del cuerpo de mariposa que está más

(117) cerca de la salida de frío;

(118) Conducto; Superficie del cuerpo de mariposa más cercana a la salida de frío (en forma de copa);

(119a) Superficie del cuerpo de mariposa más cercana a la salida de frío (cónica);

(119b) Punta de la superficie cónica del cuerpo de mariposa;

(120) Segunda cámara de turbulencia provista en la entrada auxiliar;

(130) Entrada de corriente presurizada en el tubo de vórtice;

(140) Boquilla anular axialmente periférica;

(160) Cuerpo de mariposa;

(I) Entrada principal del tubo de vórtice;

(II) Salida de frío del tubo de vórtice;

(III) Salida de calor del tubo de vórtice;

(IV) Entrada auxiliar del tubo de vórtice;

(201) Carcasa de la turbina;

(202) Tambor de rotor de la turbina;

(203); Generadores de impulsos de la turbina

(208) Boquillas cónicas del tambor de rotor;

(210) Cojinetes;

(216) Superficie interna de la carcasa;

(222) Espacios entre discos;

(223) Discos del tambor de rotor;

(224) Árbol hueco;

(226) Conducto para absorbente de alto punto de ebullición;

(227) Bomba centrífuga Tesla de la turbina;

(238) Árbol de la bomba centrífuga Tesla;

(240) Compresor auxiliar;

(245) Motor del compresor auxiliar;

(246) Conductos de entrada;

(246a) Conductos de salida;

(250) Batería;

(260) Panel de control;

(270) Trayectoria del flujo de la corriente de trabajo;

(280) Dirección del par experimentado por los discos y el árbol hueco;

(300) Carcasa (del generador de impulsos);

(300a) Reborde;

(300b) Holgura entre la carcasa y el cilindro hueco 306a;

(304) Holgura (del generador de impulsos);

(304a) Holgura entre el émbolo 306 y la carcasa 300;

(305a) 1 a región del espacio hueco interior (del generador de impulsos);

(305b) 2 a región del espacio hueco interior (del generador de impulsos);

(306) Émbolo (del generador de impulsos);

(306a) Cilindro hueco; (306b) Holgura entre el émbolo y el cilindro hueco;

(307) Pistón (del generador de impulsos);

(308); Tapón de válvula (del generador de impulsos)

(309) Resorte de retorno (del generador de impulsos);

(310) Orificio de salida (del generador de impulsos);

(311a) 1 a llave (del generador de impulsos);

(311b) 2 a llave (del generador de impulsos);

(311c) 3 a llave (del generador de impulsos);

(312a) 1 a línea de entrada (del generador de impulsos);

(312b) 2 a línea de entrada (del generador de impulsos);

(313) Cámara de activación (del generador de impulsos);

(314) Varilla (del generador de impulsos);

(315) Línea de salida de activación (del generador de impulsos);

(316) Válvula de activación (del generador de impulsos);

(317) Contacto;

(318) mecanismo de paralelogramo (del generador de impulsos);

(319) Dedo (del generador de impulsos);

(320) Membrana flexible;

(321) Conducto valvular;

(321a) Conducto valvular móvil;

(322) Resorte de paralelogramo;

(323) Paralelogramo;

(324) Tapón de paralelogramo;

(325) Varilla hueca;

Holgura libre entre la carcasa del generador de impulsos y la

(326) varilla hueca;

(327) Orificio pasante;

(328) Soporte de tapa anular del generador de impulsos;

(329) Resorte de la cubierta del generador de impulsos;

(330) Asiento anular del generador de impulsos;

(331) Extractor de la cubierta del generador de impulsos;

(332) Canal de activación anular;

(333) Juntas giratorias o flexibles;

(334) Saliente del émbolo;

(335) Almohadilla de resorte de retorno;

(336) Motor de válvula de activación;

(337) Acoplamiento de vacío de la válvula de activación;

(350) Acoplamiento de vacío precesional;

Primera mitad de la carcasa (del acoplamiento de vacío

(355a) precesional);

Segunda mitad de la carcasa (del acoplamiento de vacío

(355b) precesional); (357) Cojinetes (de la primera y segunda mitades de la carcasa);

Espacio interior hueco (de la primera carcasa del acoplamiento

(360a) de vacío);

Espacio interior hueco (de la segunda carcasa del acoplamiento

(360b) de vacío);

(365a) Primer cigüeñal (del acoplamiento de vacío precesional); (365b) Segundo cigüeñal (del acoplamiento de vacío precesional); (367) Cojinetes (del primer y segundo cigüeñales); (370a) Primer disco de vacío (del acoplamiento de vacío precesional);

Segundo disco de vacío (del acoplamiento de vacío

(370b) precesional);

(375) Membrana flexible de sellado; (377) Área de unión de vacío; (380) Canal de vacío; (383) Válvula antirretorno del canal de vacío; (385a) Primera varilla precesional hueca (del primer cigüeñal); (385b) Segunda varilla precesional hueca (del segundo cigüeñal); (387) Anillos de refuerzo;

(390) Eje común (del primer y segundo cigüeñales); (395) Pluma cónica; (397) Cavidad cónica; (399) Ranuras para los anillos de refuerzo; (Iws) Entrada de la corriente de trabajo;

Circulación de la corriente de trabajo a través de la cavidad del

(C ws ) árbol hueco;

(O ws ) Salida de la corriente de trabajo (agotada).

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

A lo largo de la presente invención, así como en las figuras, los elementos con funciones ¡guales o similares serán indicados con las mismas referencias numéricas.

La figura 1 muestra una primera realización de un sistema para convertir energía térmica en energía mecánica según la presente invención. La figura muestra esquemáticamente una turbina 2 convencional equipada con palas, no equipada con generadores de impulsos.

Sin embargo, en las realizaciones más preferentes de la invención, se utiliza una turbina equipada con generadores de impulsos sin palas. En lugar de palas, se aplican boquillas cónicas inclinadas (que son una parte integral del rotor de turbina libre de palas) diseñadas para la creación de par del rotor debido a la capacidad de absorber la mayor parte de la energía cinética de las ondas de choque repetitivas y la capacidad de pasar el medio de trabajo a través de las mismas, hacia los discos espaciados. Dicha turbina correspondiente a la realización más preferente de la invención es en algunos aspectos, similar a la turbina de disco centrífuga Tesla equipada con un dispositivo periférico capaz de utilizar la energía de impulsos y ondas de choque. Esta turbina tiene muchas boquillas inclinadas y discos espaciados que están montados directamente en el árbol hueco de modo que la corriente de trabajo agotada proviene de los espacios entre discos de la turbina 2 directamente en la cavidad 9 del árbol hueco.

Tal turbina y generadores de impulsos se describen en detalle a continuación con referencia a las figuras 7A a 7D.

El sistema particular mostrado en la figura 1 comprende un circuito de trabajo 10, 10a y un circuito auxiliar 10b separados entre sí y aislados del entorno externo.

Una corriente de trabajo de bajo punto de ebullición, que puede ser bien una única sustancia de bajo punto de ebullición o, alternativamente, una mezcla de varias sustancias de bajo punto de ebullición, circula a través del circuito de trabajo 10, 10a y 10c. De manera similar, una corriente auxiliar de bajo punto de ebullición, que puede ser ya sea una única sustancia de bajo punto de ebullición o alternativamente, una mezcla de vahas sustancias de bajo punto de ebullición, circula a través del circuito auxiliar 10b. En esta realización particular de la invención, la corriente de trabajo tiene un punto de ebullición más alto que la corriente auxiliar.

Un primer extremo del circuito de trabajo 10, 10a está en contacto con la salida de una caldera 5, 6, mientras que un segundo extremo del circuito de trabajo 10c está en contacto con la entrada de dicha caldera 5, 6. La caldera 5, 6 recibe calor de una fuente de calor externa Q. El calor generado por la fuente externa Q podría provenir, por ejemplo y sin pretender ser limitativo, de la fisión nuclear, la combustión de combustibles fósiles, la energía solar concentrada, las reacciones químicas exotérmicas o el agua geotérmica.

En consecuencia, la corriente de trabajo adquiere energía térmica (procedente de la fuente externa Q), mientras circula por el interior de la caldera, hasta que sale por una salida de dicha caldera 5,6.

Después de salir de la caldera por la salida 6, la corriente de trabajo avanza a través de una primera sección 10a del circuito de trabajo 10, 10a, pasando por un primer calentador 3. Allí recibe energía térmica adicional de una corriente caliente auxiliar, que será descrita con más detalle a continuación. A continuación, la corriente de trabajo sobrecalentada entra en un dispositivo de expansión 2 que, en esta realización particular de la invención, tiene la forma de una turbina convencional equipada con palas.

Una vez dentro de la turbina 2, la corriente de trabajo estacionaria sobrecalentada debido a su alta energía térmica y cinética actúa sobre el rotor de la turbina y crea un par del árbol hueco 12, convirtiendo parte de su energía térmica obtenida de la fuente de calor externa Q y la corriente auxiliar caliente en energía mecánica. En esta realización, el árbol de la turbina es hueco solo en la cavidad 9. Habiendo realizado un trabajo útil, la corriente de trabajo agotada 10 viene del espacio del rotor de la turbina hacia a la cavidad 9 del árbol hueco 12 a través de los orificios 11. Como resultado del trabajo útil en la turbina, la corriente de trabajo reduce su temperatura y presión y se convierte en una corriente de trabajo agotada, dejando la cavidad 9 a través de la bomba de disco 8.

En esta realización particular de la invención, la bomba 8 es una primera bomba centrífuga de disco Tesla que comprende una pluralidad de discos espaciados, que se fijan directamente en el árbol hueco 12, de modo que la corriente de trabajo agotada ingresa a los espacios entre discos de la bomba 8 directamente desde la cavidad 9 del árbol hueco 12.

Los discos de la primera bomba Tesla 8 giran junto con el árbol 12 produciendo vacío en la parte hueca 9 del árbol y en la parte inferior del espacio del rotor de la turbina, creando también presión de la corriente de trabajo agotada en la periferia de los discos y la salida de la bomba. Esto minimiza la energía consumida por dicha bomba de disco Tesla 8.

En esta realización de la invención, la turbina 2 y la bomba de disco 8 tienen una carcasa común 1 que está sellada por un acoplamiento de vacío precesional 15, que asegura la estanqueidad del circuito de trabajo y proporciona una salida herméticamente sellada para el árbol 12.

En esta realización particular de la invención el árbol hueco giratorio 12 de la turbina 2 está conectado a través del acoplamiento de vacío precesional 15 para accionar el árbol 13 de un generador eléctrico 7. Dicho generador eléctrico 7 ya es conocido en la técnica y, por tanto, es no se describirá en detalle en el presente documento.

Después de salir de la turbina 2, la corriente de trabajo agotada permanece normalmente en estado gaseoso aunque su temperatura está próxima al punto de condensación.

En esta realización particular de la invención, la corriente de trabajo agotada circula luego a través de una segunda sección 10 del circuito de trabajo 10, 10a que pasa por un primer condensador 4, donde transfiere parte de su energía térmica desde una corriente fría auxiliar, que tiene una temperatura más baja y que se describirá con más detalle a continuación. En consecuencia, la corriente de trabajo agotada se condensa finalmente y posteriormente se dirige a una entrada de la caldera 5, 6 por la bomba 21 a través del circuito 10c.

Una vez de vuelta en la caldera 6, la corriente de trabajo agotada adquiere energía térmica y vuelve a su estado inicial. Luego sale de la segunda zona interior 6 de la caldera por una salida, circulando nuevamente por el circuito de trabajo 10, 10a y 10c.

Por otro lado, en esta realización de la invención, una corriente auxiliar circula a través del conducto auxiliar 10b desde la salida de la caldera 5, 6, hasta la entrada principal I de dos tubos de vórtice. Cada tubo de vórtice también tiene una entrada auxiliar IV, una salida de calor III y una salida de frío II y está configurado tal que la corriente auxiliar se divida, debido al efecto Ranque -Hilsch, en una corriente auxiliar caliente y una corriente auxiliar fría que circula en direcciones opuestas.

La corriente auxiliar caliente tiene una temperatura que es superior a la temperatura de la fuente de calor externa Q, y que es incluso superior a la temperatura de la corriente de trabajo, ya que como ya se anticipó la corriente auxiliar tiene un punto de ebullición que es menor que el punto de ebullición de la corriente de trabajo. A su vez, la corriente auxiliar fría tiene una temperatura que es más baja que la temperatura de la corriente de trabajo agotada.

Dependiendo de las propiedades de las sustancias utilizadas en la corriente de trabajo y en la corriente auxiliar, así como de los métodos para generar la presión de la corriente auxiliar en la entrada a las tuberías de vórtice y también los métodos y el modo de funcionamiento del dispositivo de expansión, el flujo auxiliar caliente puede tener una temperatura superior a la temperatura de la corriente de trabajo en un rango aproximado de 20 °C a 50 °C, y la corriente auxiliar frío cuya temperatura también depende del rendimiento de la bomba 39, puede tener una temperatura inferior a la temperatura de la corriente de trabajo agotada en un rango aproximado de 15 °C a 30 °C.

Cuanto menor sea el punto de ebullición de la corriente auxiliar en relación con la corriente de trabajo, mayor será la temperatura de la corriente auxiliar caliente y menor será la temperatura de la corriente auxiliar fría. Una condición importante para obtener la diferencia de temperatura es el valor de presión por debajo del cual la corriente auxiliar ingresa al tubo de vórtice. Las propiedades y composición de la corriente auxiliar deben seleccionarse de tal manera que las propiedades y la composición del flujo de trabajo, de modo que la corriente auxiliar fría proporcione una condensación completa de la corriente de trabajo, y la corriente auxiliar caliente garantice el funcionamiento general de alta eficiencia del ciclo termodinámico.

Por ejemplo, para el amoníaco (como posible sustancia de la corriente de trabajo), la corriente auxiliar debe estar compuesta por sustancias de bajo punto de ebullición que, a una temperatura de la fuente externa de 50 °C 70 °C, podrían generar una presión de corriente auxiliar (sin la aplicación de compresores) de al menos 10 bares en la entrada del tubo de vórtice y crear una temperatura negativa por debajo de -50 °C en la salida del tubo de vórtice a una temperatura de la corriente de trabajo agotada (amoniaco) no superior a menos 35 °C -40 °C, mientras que la temperatura de la corriente agotada depende de los parámetros técnicos del dispositivo de expansión. Esta composición puede ser ya sea una sustancia (por ejemplo, el mismo amoníaco) o una mezcla de varias sustancias refrigerantes.

Como alternativa al amoníaco, se puede utilizar una composición de sustancias capaces de generar una presión de aproximadamente 15-35 bares a una temperatura de 50 °C 70 °C en la entrada del dispositivo de expansión (o generadores de impulsos en la realización más preferente) como una sustancia de la corriente de trabajo, y a la salida su temperatura será de aproximadamente -20 °C -40 °C (dependiendo de los parámetros técnicos del dispositivo de expansión). En este caso, se puede utilizar amoníaco u otra sustancia como sustancia de corriente auxiliar, que a una temperatura de fuente externa de 50 °C 70 °C podría generar una presión de 15-27 bares en la entrada del tubo de vórtice y crear una temperatura negativa de la corriente auxiliar fría por debajo de -50 °C, y también generar en el tubo de vórtice una temperatura positiva de la corriente auxiliar caliente de al menos 110 °C.

Alternativamente, el aire atmosférico u otros gases (por ejemplo, nitrógeno) que hierven a temperaturas muy bajas pueden usarse como una composición de corriente auxiliar. Pero tales gases a una temperatura de la fuente de calor externa de 50 °C/ 70 °C no proporcionarán una presión de unos 10 bares ni en la caldera ni en la entrada del tubo de vórtice. Por tanto, al utilizar tales gases y sus mezclas como corriente auxiliar, se utiliza un compresor de tornillo, que se instala en el circuito auxiliar (operando a partir de la energía obtenida en la turbina) para proporcionar la presión necesaria de la corriente auxiliar en la entrada del tubo de vórtice. La mezcla de aire utilizada como corriente auxiliar bajo presión en la entrada del tubo de vórtice en este caso permitirá obtener una temperatura negativa en la salida del tubo de vórtice no superior a -50 °C y una temperatura positiva en la salida del tubo de vórtice no inferior a 110 °C, con la provisión garantizada del caudal requerido por tal compresor al consumo de tal compresor no más del 20-30 % de la energía mecánica producida por el dispositivo de expansión (turbina).

La corriente auxiliar caliente sale por la salida de calor III de los tubos de vórtice y circula por un circuito auxiliar caliente 32 que pasa por el primer calentador 3. Allí, dado que la temperatura de la corriente auxiliar caliente es superior a la temperatura de corriente de trabajo, la corriente auxiliar caliente transfiere energía térmica a la corriente de trabajo. Entonces, la corriente auxiliar caliente vuelve a la caldera 5, 6 a través del circuito auxiliar caliente 32 volviendo a su estado inicial. La temperatura de la corriente auxiliar caliente suele ser más alta que la temperatura de la fuente de calor externa Q.

La corriente auxiliar fría sale por la salida de frío II de los tubos de vórtice y circula por un circuito auxiliar frío 30, 31 pasando, en esta realización de la invención, a través de un colector 26 de condensado líquido. El condensado líquido recogido por dicho colector 26 es devuelto a la caldera 5, 6, mediante una bomba 27 que bombea dicho condensado líquido a través de un circuito de condensado líquido 34.

La parte restante de la corriente auxiliar fría sale del colector 26 por la primera sección 30 del circuito auxiliar frío que, en esta realización de la invención, pasa por el primer condensador 4. Una vez allí, dado que la temperatura de la corriente auxiliar fría es más baja que la temperatura de la corriente de trabajo agotada, la corriente de trabajo agotada transfiere parte de su energía térmica a la corriente auxiliar fría. Como consecuencia de ello, la corriente de trabajo agotada se condensa y la corriente auxiliar fría aumenta su temperatura, convirtiéndose en una corriente auxiliar fría agotada. La corriente auxiliar fría agotada pasa luego a través de la segunda sección 31 del circuito auxiliar frío y vuelve a los tubos de vórtice a través de la entrada auxiliar IV, accionada por la bomba 39. Una vez dentro de los tubos de vórtice, la corriente auxiliar fría agotada reduce su temperatura y vuelve a su estado inicial.

La figura 2 muestra una segunda realización de un sistema para convertir energía térmica en energía mecánica según la presente invención.

El sistema ¡lustrado en la figura 2 es similar a la primera realización (mostrada en la figura 1). En consecuencia, en aras de la concisión, la disposición y el funcionamiento de aquellos elementos de la segunda realización del sistema de la presente invención, que ya estaban presentes en la primera realización, no se analizarán nuevamente.

En esta segunda realización, el sistema según la presente invención, además del circuito de trabajo 10, 10a y el circuito auxiliar 10b, también comprende un tercer circuito separado 36, 37 (conocido como el "circuito absorbente"); por el que circula una corriente de absorbente, que tiene una temperatura de ebullición elevada. El punto de ebullición del absorbente se encuentra en el rango de 100 °C/120 °C y se considera alto solo con respecto a los puntos de ebullición más bajos de las sustancias que constituyen la corriente auxiliar fría y caliente. De este modo, por ejemplo, el fluido de trabajo empleado en diversas realizaciones puede ser amoniaco, dos o más hidrocarburos, dos o más freones, dióxido de carbono, mezclas de hidrocarburos y freones, o similares. En general, la corriente de trabajo puede ser mezclas de cualquier número de compuestos con características termodinámicas favorables, especialmente en realizaciones en las que la corriente de trabajo está completamente separada de la corriente auxiliar y la corriente absorbente.

La corriente de trabajo también puede ser una mezcla de cualquier número de compuestos con características termodinámicas favorables y solubilidad apropiada en la corriente absorbente en realizaciones en las que la corriente de trabajo no está separada herméticamente de la corriente auxiliar y absorbente. Por ejemplo, en la realización mostrada en la figura 2, el agua puede ser un absorbente de amoníaco que puede constituir una corriente auxiliar, mientras que una corriente de trabajo (como corriente completamente aislada en esta realización) puede estar compuesta por una gran variedad de hidrocarburos, freones, dióxido de carbono, mezclas de hidrocarburos y freones o similares que tengan un punto de ebullición por encima del punto de ebullición del amoniaco.

Las soluciones acuosas de etanolamina (2-aminoetanol, monoetanolamina o similares de puntos de ebullición por debajo de 120 °C pueden ser un absorbente de dióxido de carbono, mezclas de una gran variedad de hidrocarburos que también pueden constituir una posible variedad de corrientes auxiliares en la realización 2(C).

En las realizaciones mostradas en las figuras 3, 4 y 5, donde las corrientes de trabajo y las corrientes auxiliares contienen las mismas composiciones de sustancias, el fluido de trabajo más preferente es el amoníaco y el absorbente más preferente es el agua, aunque se pueden utilizar otras sustancias con propiedades termodinámicas favorables y solubilidad adecuada.

En la realización mostrada en la figura 1 , en la que no se utilizan absorbentes, el nitrógeno o gas similar con un punto de ebullición bajo se puede utilizar como corriente auxiliar. En tal caso, la corriente de nitrógeno auxiliar caliente después de pasar a través del intercambiador de calor 3 teniendo una temperatura disminuida hasta aproximadamente 70-80 °C se bombea directamente a los tubos de vórtice (entrada III) mediante la presión generada por el compresor de tornillo (no mostrado en la figura 1) sin pasar por el calentador 5. En tal vahante de realización, no se utilizará el calentador 5. La corriente de nitrógeno auxiliar frío tendrá una temperatura muy inferior a la corriente de trabajo agotada de amoniaco a una presión generada por el compresor de tornillo por debajo de 10 bares en la entrada I de los tubos de vórtice.

En la segunda realización de la presente invención (mostrada en la figura 2), tanto la corriente de trabajo como la corriente auxiliar, son corrientes de bajo punto de ebullición que comprenden ya sea una única sustancia de bajo punto de ebullición o, alternativamente, una mezcla de vahas sustancias de bajo punto de ebullición.

Como se explicará con más detalle a continuación, en esta segunda forma de realización del sistema según la presente invención, la corriente absorbente se mezcla con parte de la corriente auxiliar fría, con el fin de facilitar que dicha parte de la corriente auxiliar fría vuelva a la caldera 5, 6, en forma de corriente gaseosa caliente a través de un primer conducto de retorno 28.

De este modo, en esta segunda realización del sistema según la presente invención, la corriente auxiliar fría es capaz de volver a la caldera a una temperatura que es considerablemente más alta que en el caso de la primera realización. En consecuencia, se requiere menos energía térmica de la caldera para calentar la corriente auxiliar que posteriormente sale de la caldera por una de sus salidas. Esto da como resultado una mejor utilización de la energía térmica proveniente de la fuente de calor externa Q.

Además, en esta segunda realización de la invención, el circuito auxiliar caliente que sale de las salidas calientes III de los tubos de vórtice se divide en dos ramas diferentes: una primera rama 32 del circuito auxiliar caliente pasa por el primer calentador 3, donde sobrecalienta la corriente de trabajo (como también sucedió en la primera realización de la invención), mientras que una segunda rama 33 del circuito auxiliar caliente pasa por un segundo calentador 3a, donde calienta la corriente absorbente.

Asimismo, en esta segunda realización de la invención, la primera sección 30 del circuito auxiliar frío que sale de la salida de frío II de los tubos de vórtice se divide en dos ramas diferentes: una primera rama de la primera sección 31 del circuito auxiliar frío es accionada por una segunda bomba de disco Tesla 16 y pasa a través del primer condensador 4, donde dicha primera rama de la primera sección 31 del circuito auxiliar frío condensa la corriente de trabajo agotada (como también sucedió en la primera realización de la invención), mientras una segunda rama de la primera sección 31 del circuito auxiliar frío se utiliza para condensar la corriente absorbente.

El absorbente de líquido 23 se bombea desde un separador 24 mediante una bomba de presión 22, a través de una primera sección 37 del circuito absorbente. Dicha primera sección 37 del circuito absorbente pasa por el segundo calentador 3a donde el absorbente adquiere energía térmica de la segunda parte de la corriente auxiliar caliente (que está circulando por la segunda rama 33 del circuito auxiliar caliente) y, por tanto, experimenta una transformación de fase en forma de vapor. El aumento de la temperatura de la corriente absorbente facilita la mezcla posterior de la corriente absorbente con la corriente auxiliar fría.

De hecho, después de salir del segundo calentador 3a, el absorbente entra entonces en un mezclador 9 ubicado aguas abajo del primer condensador 4, a través de una boquilla 20a. Dentro del mezclador, la corriente absorbente (que tiene una temperatura de ebullición alta) se mezcla con la primera parte de la corriente auxiliar fría (que tiene una temperatura de ebullición baja), después de que dicha primera parte de la corriente auxiliar fría haya condensado la corriente de trabajo agotada. La corriente resultante de esta mezcla (en lo sucesivo la "corriente rica"), que incluye un contenido de absorbente en una relación en peso de aproximadamente 30 % o menos (en el caso en que el absorbente es agua y el flujo auxiliar amoniaco 60 % o más), luego es accionada por la bomba 40 a través de la segunda sección 36 del circuito absorbente.

La corriente rica es enviada bajo presión por una bomba 40, a un dispositivo de cavitación 17. El dispositivo de cavitación 17, en esta realización de la invención, es un dispositivo de cavitación hidrodinámico rotativo mecánico que tiene un árbol que está conectado al árbol hueco 12 de la turbina 2. En consecuencia, la rotación del árbol hueco 12, provocada por la expansión de la corriente de trabajo, también induce la rotación del árbol del dispositivo de cavitación 17.

A su vez, la rotación del árbol del dispositivo de cavitación 17, que tiene hendiduras, induce la rápida formación y colapso de burbujas de cavitación sobre finas capas de la corriente 35 que circulan dentro de dicho dispositivo de cavitación (en lo sucesivo, la “corriente de cavitación”).

Las altas temperaturas que ocurren dentro de las burbujas (que están, generalmente, en el rango de 200 °C) se transmiten a la(s) sustancia(s) de alto punto de ebullición que antes formaban la corriente absorbente, así como a la(s) sustancia(s) de bajo punto de ebullición que antes formaban la corriente auxiliar fría. Como resultado, aparece un gradiente de temperatura dentro de la corriente de cavitación 35, induce una separación parcial de la(s) sustancia(s) de bajo punto de ebullición de la(s) sustancia(s) absorbente(s).

Dichas sustancias de bajo punto de ebullición separadas forman una corriente gaseosa caliente, que vuelve a la caldera 5, 6 a través de un primer conducto de retorno 28.

Por otro lado, la sustancia(s) de bajo punto de ebullición que aún permanecen absorbidas por el absorbente forman una corriente pobre. La corriente pobre sale del dispositivo de cavitación 17, a través de un conducto de corriente pobre 29, que pasa a través de un tercer calentador 19. Dentro del tercer calentador 19, la corriente pobre recibe energía térmica de la segunda rama 33 del circuito auxiliar caliente que también pasa por el tercer calentador 19, por lo que hierve intensamente. Después de pasar por el tercer calentador 19, la corriente pobre vuelve en forma de vapor al separador por gravedad 24.

Dentro del separador por gravedad 24, la(s) sustancia(s) de bajo punto de ebullición restantes que anteriormente componían la corriente auxiliar fría, vuelven a la caldera 5, 6 a través de un segundo conducto de retorno 38. Por otro lado, la parte inferior del separador por gravedad 24 está en contacto con el segundo condensador 25.

El absorbente cae por gravedad a la parte inferior del separador 24 y, una vez allí, el absorbente cede parte de su energía térmica a la segunda rama de la primera sección 31 del circuito auxiliar frío, que pasa por el segundo condensador 25. En consecuencia, el absorbente vuelve a su estado inicial en forma líquida 23.

La figura 3 muestra una tercera realización de un sistema para convertir energía térmica en energía mecánica según la presente invención. En esta tercera realización, el sistema según la presente invención también comprende un circuito de trabajo 10, 10a, un circuito auxiliar 10b y un circuito absorbente 36, 37. Además, la corriente de trabajo y la corriente auxiliar son corrientes de bajo punto de ebullición, de la misma sustancia/composición de sustancias, mientras que el absorbente es una corriente de alto punto de ebullición que absorbe sustancias tanto de la corriente auxiliar como de trabajo. A diferencia de los sistemas mostrados en la figura 1 y la figura 2, las sustancias de la corriente del circuito de trabajo no están completamente aisladas de las sustancias de la corriente del circuito auxiliar. Por el contrario, la corriente absorbente es una corriente de alto punto de ebullición.

Además, en esta tercera realización de la invención, el circuito auxiliar caliente que sale de las salidas calientes III de los tubos de vórtice se divide en dos ramas diferentes:

-una primera rama 32 del circuito auxiliar caliente pasa a través del primer calentador 3, donde sobrecalienta la corriente de trabajo, pasando la primera rama 32 del circuito auxiliar caliente también a través del segundo calentador 3a, donde calienta la corriente absorbente;

- una segunda rama 33 del circuito auxiliar caliente pasa a través de un tercer calentador 19, donde se calienta la corriente mixta pobre del absorbente y la corriente de trabajo.

Además, en esta tercera realización de la invención, el circuito auxiliar frío 30, 31 pasa por el segundo condensador 25, por lo que al menos parte de la corriente auxiliar fría condensa la corriente absorbente, que también pasa por dicho condensador 25 y tiene una temperatura superior a la corriente auxiliar fría.

Como se explicará con más detalle a continuación, en esta tercera realización del sistema según la presente invención, la corriente absorbente se mezcla con la corriente de trabajo agotada en la cavidad 9 del árbol hueco 12 de la turbina 2, con el fin de facilitar que dicha corriente de trabajo agotada vuelva a la caldera 5, 6. La cavidad 9 mostrada en la figura 3 realiza la misma función que el mezclador 9 en la figura 2 y la boquilla 14 ejecuta la misma función que la boquilla 20a en la figura 2.

Por tanto, en esta tercera realización del sistema según la presente invención, la corriente de trabajo agotada puede volver a la caldera a una temperatura que es considerablemente más alta que en el caso de la primera realización. En consecuencia, se requiere menos energía térmica de la caldera para calentar la corriente de trabajo que posteriormente sale de la caldera por una de sus salidas. Esto da como resultado una mejor utilización de la energía térmica proveniente de la fuente de calor externa Q.

En esta tercera realización, la corriente auxiliar fría (que consta de las mismas sustancias que la corriente de trabajo) no condensa la corriente de trabajo como en los dos primeros sistemas, sino que solo condensa la corriente absorbente. En este caso, la corriente auxiliar caliente (que consta de las mismas sustancias que la corriente de trabajo) realiza la misma función que en el sistema mostrado en la figura 2.

Más particularmente, en esta realización, el circuito absorbente 37 está conectado, por un primer extremo a un separador 24, y está conectado por un segundo extremo a la cavidad 9 del árbol hueco 12 de la turbina 2, estando la primera sección 37 del circuito absorbente configurado tal que la corriente absorbente se mezcle dentro de dicha cavidad 9 con la corriente de trabajo agotada.

La corriente resultante de la mezcla de la corriente absorbente y la corriente de trabajo agotada (en lo sucesivo, la "corriente rica"), sale de la turbina 2 a través de una bomba de disco Tesla 8 centrífuga. Después, la corriente rica accionada por la bomba 40 a través de la segunda sección 36 del circuito absorbente, que está conectada a un dispositivo de cavitación 17.

El dispositivo de cavitación 17, en esta tercera realización de la invención, también es un dispositivo de cavitación hidrodinámico rotativo mecánico que tiene un árbol que está conectado al árbol hueco 12 de la turbina 2. En consecuencia, la rotación del árbol hueco 12, provocada por la expansión de la corriente de trabajo, también induce la rotación del árbol del dispositivo de cavitación 17.

Como en la realización anterior, la rotación del árbol del dispositivo de cavitación 17, que tiene escotaduras, induce la rápida formación y colapso de burbujas de cavitación sobre capas delgadas de la corriente 35 que circulan dentro de dicho dispositivo de cavitación (es decir, la “corriente de cavitación”).

Las altas temperaturas que se producen dentro de las burbujas se transmiten a la(s) sustancia(s) de alto punto de ebullición que antes formaban la corriente absorbente, así como a la(s) sustancia(s) de bajo punto de ebullición que antes formaban la corriente de trabajo agotada. Como resultado, aparece un gradiente de temperatura dentro de la corriente de cavitación 35, induciendo una separación parcial de la(s) sustancia(s) de bajo punto de ebullición de la(s) sustancia(s) absorbente(s).

Dichas sustancias de bajo punto de ebullición separadas forman una corriente gaseosa caliente, que vuelve a la caldera 5, 6 a través de un primer conducto de retorno 28.

Por otro lado, la(s) sustancia(s) de bajo punto de ebullición que continúan absorbidas por el absorbente forman una corriente pobre. La corriente pobre sale del dispositivo de cavitación 17, a través de un conducto de corriente pobre 29, que pasa a través de un tercer calentador 19. Dentro del tercer calentador 19, la corriente pobre recibe energía térmica de la segunda rama 33a del circuito auxiliar caliente que también pasa por el tercer calentador 19, por lo que hierve intensamente. Después de pasar por el tercer calentador 19, la corriente pobre vuelve en forma de vapor al separador por gravedad 24.

Dentro del separador por gravedad 24, la(s) sustancia(s) de bajo punto de ebullición restantes que anteriormente componían la corriente de trabajo y la corriente auxiliar, vuelven a la caldera 6 única a través de un segundo conducto de retorno 38. Por otro lado, la parte inferior del separador por gravedad 24 está en contacto con el segundo condensador 25.

El absorbedor cae por gravedad a la parte inferior del separador 24 y, una vez allí, el absorbente cede parte de su energía térmica a la segunda sección 31 del circuito auxiliar frío, que pasa por el segundo condensador 25. En consecuencia, el absorbedor vuelve a su estado inicial en forma líquida 23.

La principal diferencia entre las realizaciones mostradas en las figuras 3 y 4 consiste en que en la figura 4 no existe ningún dispositivo de cavitación, lo que muestra la posibilidad de funcionamiento del ciclo en una versión simplificada.

La diferencia entre las realizaciones mostradas en la figura 5 y la figura 3 consiste en que, en la realización mostrada en la figura 5, la parte de la corriente caliente auxiliar después de salir de los tubos de vórtice (III) en forma de corriente auxiliar caliente 33 se separa en forma de rama 32 y calienta la corriente absorbente a través del intercambiador de calor 3a. Además, la corriente auxiliar caliente que se mueve a lo largo de la rama 32 realiza la función de la corriente de trabajo que viene de la rama 32 al dispositivo de expansión donde ejecuta un trabajo útil, después de lo cual se mezcla con la corriente absorbente 37 en la cavidad 9. La corriente auxiliar caliente en la rama 33 fluye a través del intercambiador de calor 19 y fuerza a la corriente 29 a hervir para separar sustancias de la corriente absorbente y sustancias de la corriente auxiliar (corriente de trabajo).

La figura 6A muestra una primera posible realización de un tubo de vórtice según la presente invención, utilizado en un sistema para convertir energía térmica en energía mecánica.

Dicho tubo de vórtice comprende un cuerpo hueco 100, alargado en dirección axial, que define una cavidad interna 111. Un extremo de la cavidad interna 111 termina en una cámara de turbulencia 110 que está conectada a una entrada principal I.

En consecuencia, si se inyecta una corriente de gas presurizado a través de la entrada principal I tangencialmente en la cámara de turbulencia 110, dicha corriente se acelera a una alta velocidad de rotación, creando así un vórtice de corriente de gas que entra en la cavidad interna 111.

Debido a la existencia del cuerpo de mariposa 160, que actúa como un tope y está ubicado en un primer extremo de la cavidad interna 111 del cuerpo hueco 100, solo la parte axialmente periférica 114 de la corriente presurizada de vórtice podrá alcanzarla boquilla anular 140 y escapar del tubo de vórtice a través de la salida de calor III.

La parte restante de dicha corriente de vórtice presurizada, es decir, la parte axialmente central 113 de dicha corriente de vórtice, se fuerza a volver desde el cuerpo de mariposa 160 y solo podrá salir del tubo de vórtice a través de la salida de frío II, que en esta realización particular de la invención es un puerto de salida de diámetro reducido, colocado en una parte axialmente central de un segundo extremo de la cavidad interna 111 del cuerpo hueco 100.

Por tanto, los tubos de vórtice según la presente invención pueden dividir la corriente presurizada, que entra en el tubo de vórtice a través de la entrada principal I, en una corriente caliente (que sale del tubo de vórtice a través de la salida de calor III) y una corriente fría (que sale del tubo de vórtice a través de la salida de frío II y tiene una temperatura más baja que la corriente caliente).

En algunas realizaciones de la presente invención en las que la corriente de presurización inyectada a través de la entrada principal I es aire comprimido a 6,9 bares (900 psi), la corriente caliente puede alcanzar temperaturas de hasta 200 °C (392 °F), mientras que la corriente fría puede alcanzar una temperatura de -71 °C.

Los tubos de vórtice según la presente invención pueden estar opcionalmente provistos de una válvula de control en su salida de calor III, mediante la cual se puede controlar la temperatura de la corriente caliente y la temperatura de la corriente fría.

En la realización particular mostrada en la figura 6A, la superficie 119 del cuerpo de mariposa 160 que está más cerca de la salida de frío II tiene la forma de una copa cóncava, con bordes 117. Además, en la realización mostrada, la salida de frío II es conectada a una tubería de retorno que comprende una primera sección 30 y una segunda sección 31, a través de las cuales fluye la corriente fría. La tubería de retorno 30, 31 pasa a través de un condensador 4 donde la corriente fría condensa otra corriente a una temperatura más alta y que fluye a través del conducto 118.

La segunda sección 31 de la tubería de retorno está conectada a una bomba 39, que inyecta la corriente fría de vuelta en la cavidad interna 111 del tubo de vórtice a través de una entrada auxiliar IV, en la misma dirección de movimiento que la parte axialmente central 113 de la corriente presurizada del vórtice. Gracias a esta disposición particular, en los tubos de vórtice según la presente invención hay un intercambio de energía y masa más intenso entre la parte axialmente periférica 114 y la parte axialmente central 113 de la corriente presurizada de vórtice, en comparación con los tubos de vórtice que forman parte del estado de la técnica.

La figura 6B muestra una segunda realización de un tubo de vórtice según la presente invención, similar a la realización de la figura 6A, pero en la que, la superficie 119a del cuerpo de mariposa que está más cerca de la salida de frío tiene una forma cónica, con bordes 117 y una punta 119b. En esta realización particular, la entrada auxiliar IV también está provista de una cavidad 120.

La figura 7A muestra una posible realización de una turbina 2, según la presente invención. Dicha turbina 2 comprende un árbol hueco 224, que tiene una cavidad interna 224a. La cavidad interna 224a está en contacto por un primer extremo de la misma con una pluralidad de conductos de entrada 246, mientras que un segundo extremo de dicha cavidad interna 224a está en contacto con una pluralidad de conductos de salida 246a.

La turbina 2 también comprende un tambor de rotor 202 provisto de una pluralidad de discos planos 223 con bordes ahusados colocados en paralelo entre sí que definen una pluralidad de espacios entre discos 222. Los discos 223 están unidos perpendicularmente al árbol hueco 224 y están dispuestos de manera que los espacios entre discos 222 estén en comunicación fluida con los conductos de entrada 246. Este diseño particular del tambor de rotor 202 permite el uso de diferentes medios como corriente de trabajo, por ejemplo medios con contenido de goteo, medios multifásicos, etc.

Una pluralidad de generadores de impulsos 203 están colocados radialmente en la carcasa del rotor alrededor de boquillas 208 cónicas inclinadas y discos 223 que giran juntos. El rotor está provisto de boquillas 208 cónicas inclinadas dispuestas en la superficie 216 anular, que es parte integral del tambor de rotor 202 (forma una única pieza). En consecuencia, las boquillas 208 inclinadas forman parte integral del rotor. Las pendientes cónicas de las boquillas 208 tienen sus partes estrechadas orientadas hacia la periferia de los discos 223. Las boquillas 208 giran junto con los discos 223, todo el rotor y los discos de la bomba 227 bajo la influencia de ondas de choque producidas por generadores de impulsos 203. La superficie anular con las boquillas 208 en ella se fija en las ranuras de los discos del rotor externo lo más cerca posible de la periferia de los discos 223. Las boquillas 208 están dispuestas con la posibilidad de inyectar la corriente de trabajo, que ejecutó la mayor parte de trabajo útil en la rotación del rotor, en los espacios entre discos 222, ya que son las boquillas 208 inclinadas con sus lados anchos las que toman las ondas de choque de los generadores de impulsos y crean el par y las fuerzas tangenciales en cada boquilla 208 expuesta a cada onda de choque secuencial, por lo tanto de todo el rotor y el árbol hueco 224. La corriente de trabajo que se agota parcialmente en las boquillas 208 inclinadas, se enfría y fluye a través de las constricciones de las boquillas 208 girando junto con los discos 223 y después fluye a través del espacio entre discos 222 transfiriendo la energía residual al árbol hueco 224, ingresando a la cavidad interna 224A a través de los canales de entrada 246 (como se muestra esquemáticamente por las flechas Iws), pasando por el cavidad interna 224A específica (como se muestra esquemáticamente con las flechas Cws) y saliendo a través de los canales de salida 246a (como se muestra esquemáticamente con las flechas Ows). El flujo de trabajo que sale por los canales de salida 246a es una corriente de trabajo agotada, ya que convierte la mayor parte de su energía inicial en energía mecánica rotacional transmitida al rotor a través de las boquillas 208 inclinadas y a los discos 222 y, en consecuencia, al árbol hueco 224, que está firmemente conectada por la superficie 216 anular con boquillas 208 inclinadas y con dichos discos 222 por medio de discos de rotor externo, entre los cuales los discos 223 y la superficie 216 anular con boquillas 208 inclinadas están firmemente fijados.

La figura 7C muestra con más detalle la disposición de las boquillas 208 cónicas inclinadas con respecto a los discos 223, en la turbina 2 ¡lustrada en la figura 7A. En esta realización particular de la invención, dichas boquillas 208 se abren en la superficie 216 anular del rotor.

La turbina 2 ¡lustrada en la figura 7A también está provista de un conducto 226 para el absorbente de alto punto de ebullición. El conducto 226 pasa parcialmente dentro del árbol hueco 224, por lo que el absorbente de alto punto de ebullición (es decir, un absorbente que tiene una temperatura de ebullición superior a 90 °C a presión atmosférica normal) se mezcla dentro de la cavidad interna 224a con la corriente de trabajo. Esto permite utilizar la turbina 2 en un sistema de conversión de energía térmica en energía mecánica, según los descritos en las figuras 3-5.

Además, el árbol hueco 224 es integral (es decir, forma una única pieza) con el árbol 238 de una bomba centrífuga Tesla 227, conectado a los conductos de salida 246. La bomba centrífuga Tesla 227 está diseñada para crear un vacío constante dentro del árbol hueco 224, dentro del conducto 226, y en los espacios entre discos 222, así como para crear presión para el suministro de la corriente de trabajo.

La figura 7B muestra una segunda realización de una turbina 2. En esta segunda realización, el tambor de rotor 202, el árbol hueco 224 y la bomba centrífuga Tesla 227 están encerrados dentro de una carcasa 201 térmicamente aislante. También se proporcionan cojinetes 210, con el fin de mejorar la rotación del árbol hueco 224 y del árbol 238 de la bomba Tesla, que es integral con el árbol hueco 224.

El árbol 238 de la bomba centrífuga Tesla está, a su vez, conectado a un primer extremo de un acoplamiento de vacío de liberación rápida 350. Dicho acoplamiento 350 es también un objetivo de la presente invención y se describirá con más detalle a continuación. El otro extremo del acoplamiento 350 está conectado a un generador eléctrico 7. Mediante esta disposición particular es posible transformar la energía de rotación mecánica del árbol hueco 224 y del árbol 238, en energía eléctrica. Dicha energía eléctrica se acumula en una batería 250 que, a su vez, energiza una unidad de control 260 y el motor 245 de un compresor auxiliar 240.

En algunas realizaciones de la presente invención, el compresor auxiliar 240 se usa para proporcionar la circulación inicial de la corriente auxiliar antes de que el sistema para convertir energía térmica en energía mecánica haya alcanzado un modo de trabajo.

La figura 7D ¡lustra, en sección transversal, un detalle de la turbina 2 mostrada en la figura 7 A. El propósito de esta figura consiste en mostrar esquemáticamente el modo en que se inyecta la corriente de trabajo en forma de ondas de choque en las boquillas 208 del rotor en las boquillas 208 inclinadas y además en los espacios 222 entre los discos 223. La dirección de inyección es tangencial y, en esta realización particular de la invención, dicha dirección está entre 11-15 grados, con respecto a la periferia de la superficie 216 anular del rotor.

Esta disposición da como resultado una conversión óptima de la energía de la corriente de trabajo en energía de rotación mecánica. Más particularmente, las ondas de choque de la corriente de trabajo afectan a las boquillas 208 inclinadas, crean un potente par de rotación del rotor, salen de las boquillas 208, penetran en los espacios entre discos 222, siguen la trayectoria de flujo indicada con el número de referencia 270 en la figura 7D. En consecuencia, la energía cinética residual de la corriente de trabajo pasa al tambor de rotor 202 por medio de las fuerzas de fricción tangenciales F mostradas en la figura 7D, que dan como resultado una recolección adicional de energía cinética residual de una corriente de trabajo y soportan un par de rotación conseguido en boquillas 208 que actúan ambas sobre el árbol hueco 224 (y sobre el árbol 238 de la bomba Tesla que está unido al árbol hueco 224). La dirección de dicho par de rotación se indica en la figura 7D con el número de referencia 270.

Las figuras 8A a 8D son vistas esquemáticas en sección transversal que muestran el funcionamiento de una primera realización de un generador de impulsos 203 de una turbina según la presente invención.

El generador de impulsos 203 comprende una carcasa 300, que en esta realización particular está provista de un espacio hueco interior dividido en dos regiones diferentes 305a y 305b. Dicha carcasa también está provista de una cámara de activación 313.

Un émbolo 306 se extiende a través de ambas regiones 305a y 305b del espacio hueco interior, pasando a través de un orificio cilindrico entre las áreas 305a y 305b sin una obturación deslizante con una holgura 304 que es la mínima técnicamente posible, es decir, la mínima holgura que proporciona una operación sin fricción y al mismo tiempo, proporciona un efecto de estrangulamiento en un canal estrecho con cambios drásticos de presión aguas arriba o aguas abajo. La varilla 314 tampoco tiene una obturación deslizante con el cuerpo 300 al existir un hueco cuyas dimensiones son las mínimas técnicamente posibles. Tales holguras son necesarias para asegurar que no haya fricción cuando el generador de impulsos 203 está funcionando, es decir, el émbolo 306 y la varilla 314 se mueven drásticamente hacia el resorte de retorno 309 y hacia atrás (aunque la distancia recorrida es mínima). El émbolo 306 está unido con el primer extremo al pistón 307 y unido con el segundo extremo al tapón de válvula 308. Además, el pistón 307 está en contacto con el resorte de retorno 309, y el tapón de válvula 308 es de una pieza con la varilla 314, por lo que todos los elementos (tapón de válvula 308, varilla 314, émbolo 306 y pistón 307) solo pueden moverse juntos en la dirección del resorte de retorno 309 mientras que el resorte de retorno 309 se contrae y crea una fuerza de oposición. En la posición en la que el tapón de válvula 308 tiene contacto con el asiento del generador de impulsos 203, el resorte de retorno 309 está en un estado mínimamente contraído.

En esta realización particular de la invención, se proporcionan tres llaves diferentes 311a, 311 b, 311c. Cuando la llave 311c está abierta, permite el flujo de una corriente de trabajo l ws a través de la línea de entrada 312a hacia la región 305b del espacio hueco interior. De manera similar, la llave 311b en su estado abierto permite una corriente de trabajo l ws en la región 305a del espacio hueco interior. Finalmente, la llave 311a está destinada a controlar el flujo de la corriente de trabajo l ws a través de la línea de entrada 312b hacia la cámara de activación 313.

La línea de salida de activación 315 está colocada entre la cámara de activación 313 y el orificio de salida 310; mientras que una válvula de activación 316 está colocada en la línea de salida 315 con el fin de activar el movimiento de la varilla 314 dentro de la cámara de activación 313 e iniciar simultáneamente el movimiento del tapón de válvula 308, el émbolo 306 y el pistón 307 en la dirección del resorte de retorno 309.

La figura 8A muestra el generador de impulsos 203 en su estado inicial, en el que las llaves 311a, 311 b, 311c están en su posición abierta, por lo que la corriente de trabajo operativa bajo presión constante comienza a fluir simultáneamente hacia las regiones 305a, 305b del espacio hueco interior y hacia la cámara de activación 313. La corriente de trabajo (que pasa a través de las líneas de entrada 312a, 312b hacia las regiones 305a, 305b y la cámara de trabajo 313) está representada por flechas de color claro. La válvula de activación 316 está cerrada. El tapón 308 del generador de impulsos 203 está en su primera posición, descansando sobre el asiento del generador de impulsos 203 y aislando herméticamente el espacio hueco interior 305b, 305a y 316 del orificio de salida 310. La varilla 314 también está en su primera posición inferior.

La figura 8B muestra esquemáticamente el modo en que se ejerce la presión (representada por flechas de color claro) sobre el pistón 307 y dentro de la región 305b. Las fuerzas de reacción que actúan sobre la varilla 314 y el émbolo 306 se muestran con flechas de color oscuro identificadas con la referencia F. En esta posición, la fuerza creada por la presión y que actúa sobre el pistón 307 junto con la fuerza creada por el resorte de retorno 309 mínimamente contraído es menor que la fuerza que actúa sobre la sección transversal efectiva del tapón 308 del generador de impulsos 203. En este caso, la fuerza en la cámara de activación 313 que actúa sobre el área de la sección transversal efectiva de la varilla 314 es la misma fuerza que afecta al área de la sección transversal efectiva del tapón 308, ya que la misma presión en todas las regiones internas del generador de impulsos 203 afecta igualmente a todos los objetos perpendiculares a sus áreas de sección transversal. Por tanto, la parte de la varilla 314 colocada en la cámara de activación 313 es la parte integral del área de sección transversal efectiva del tapón 308.

La figura 8C muestra esquemáticamente la situación en la que se abre la válvula de activación 316 y se cierran las llaves 311a, 311b y 311c; el volumen de la cámara de activación 313 se combina con el entorno externo a través de la línea de salida de activación 315. La presión de funcionamiento en la cámara de activación 313 cae drásticamente. Esto significa que la presión ejercida sobre el área de la sección transversal efectiva del tapón 308 disminuye por la cantidad de caída de presión en la cámara de activación, o en otras palabras, el área de la sección transversal efectiva del tapón 308 disminuye drásticamente por el valor del área de la sección transversal efectiva de la varilla 314. El área de la sección transversal efectiva del tapón 308 llega a ser menor que el área de la sección transversal efectiva del pistón 307 por el valor establecido de diseño determinado por las relaciones de todas las áreas de la sección transversal mencionadas. Se tiene en cuenta que la fuerza requerida para comprimir el resorte de retorno 309 es mucho menor que la fuerza resultante F1, que se produce debido a la diferencia creada entre las áreas de sección transversal del tapón 308 y el pistón 307. Por lo tanto, el vector de la fuerza resultante mostrado en la figura 8B cambia a la dirección opuesta en el momento de abrir la válvula de activación 316 mostrada en la figura 8C. Es particularmente importante observar que debido a la alta velocidad del proceso, al cambio de dirección de la fuerza resultante F1, las holguras estructurales proporcionadas entre la varilla 314 y la carcasa 300 y entre el tapón 306 y la carcasa 300, el flujo del fluido de trabajo entre las cavidades y el cambio de los valores de presión en las regiones internas del generador de impulsos 203 se bloquea debido al efecto de aceleración que se produce en tales holguras, por lo que tales factores pueden considerarse como insignificantes pequeños.

En este punto, el resorte de retorno 309 no puede compensar la fuerza ejercida sobre el pistón 307 por la presión de trabajo, y es inevitablemente comprimido por la fuerza resultante F1. El desplazamiento mínimo del tapón 308 desde su primera posición a la segunda posición simultáneamente con el desplazamiento del pistón 307 junto con el émbolo 306 y la varilla 314 provoca la contracción del resorte de retorno 309. Este proceso se amplifica muchas veces debido a la terminación de Ley de Pascal para volumen aislado y desaparición instantánea debida de la fuerza estática que actúa sobre la sección transversal efectiva del tapón 308 en la región 305b. En lugar de tal fuerza estática, hay fuerzas producidas por los flujos de fluido de trabajo que tienden a salir de la región 305b, que pueden considerarse insignificantes en relación con la fuerza que actúa en la región 305a, que es proporcional al área de la sección transversal del pistón 307. Por lo tanto, el fluido de trabajo bajo la presión que contiene en la región 305b del espacio hueco interior se desplazó abruptamente hacia el orificio de salida 310 y así el fluido de trabajo sale abruptamente del generador de impulsos 203 a través del orificio de salida 310. Este proceso es tan drástico que hace que se produzca una onda de choque dependiendo de la presión de trabajo inicial. La figura 8C muestra esquemáticamente un impulso de fluido de trabajo a través del orificio de salida 310, que provoca una disminución instantánea de la presión dentro del espacio hueco interior 305b. Sin embargo, el espacio hueco interior 305a permanece aislado del entorno externo y la presión operativa que actúa sobre el pistón 307 también permanece aislada del entorno externo. Esto evita que el resorte de retorno 309 vuelva a la posición inicial y el sistema vuelva a la posición 1 como se muestra en la figura 8a.

La figura 8D muestra el modo en que el alivio de presión de la región 305a que tiene lugar posteriormente, hace que el generador de impulsos 203 vuelva a su estado original. El efecto de aceleración que bloquea las holguras en el momento del impulso y en el momento de una caída drástica de presión en la cavidad 305b cesa después del final del impulso. Después del final del impulso, el fluido de trabajo fluye desde la región 305a a la región 305b a través de la holgura 304 a una velocidad muy baja. Por lo tanto, cuando se completa el impulso, las llaves 311b, 311c y 311a están abiertas (mostradas en la figura 8a). La presión en la cámara de activación 313 afecta la sección transversal de la varilla 314 y contribuye con la fuerza al resorte de retorno 309 para expandirse. La presión en todas las regiones se vuelve igual y el generador de impulsos 203 vuelve a su estado original (posición 1 mostrada en la figura 8A). El volumen de la región 305a está diseñado para ser mínimo, así como el volumen de la cámara de activación 313 para asegurar la máxima velocidad del ciclo completo de carga-descarga. Las figuras 8A a 8D demuestran el principio físico de obtener un impulso a la velocidad de expansión libre de un gas a una presión dada.

La figura 9 muestra una segunda realización de un generador de impulsos de una turbina según la presente invención.

Dicho generador de impulsos 203 comprende una carcasa 300, que en esta realización particular tiene un espacio hueco interior dividido en dos regiones diferentes 305a, 305b, así como una cámara de activación 313. El canal de activación 312b y la cámara de activación 313 están en comunicación fluida con las regiones 305a y 305b en su estado de carga cerrado (o estado inicial, posición 1 mostrada en la figura 10A) cuando el generador de impulsos 203 se está cargando mediante la presión operativa Iws, pero el canal de activación 312b y la cámara de activación 313 están aislados de la región 305a y 305b durante estados posteriores (es decir, durante el estado de iniciación mostrado en la figura 10B y durante el estado de descarga, la posición 2 mostrada en la figura 10C) donde se producen los impulsos. En el estado inicial (figura 10A), cuando el generador de impulsos 203 está en estado de carga, ambas regiones 305a y 305b están en comunicación fluida entre sí también a través del conducto valvular 321. El conducto valvular 321 está firmemente montado en la carcasa 300 de tal manera que la dirección libre del conducto valvular 321 esté dirigida desde la región 305b a la región 305a. Esto está dispuesto de modo que el flujo del fluido de trabajo desde la región de alta presión 305a a la región de baja presión 305b se bloquee completamente a través del conducto valvular 321 en el momento del impulso cuando la presión en la región 305b caiga drásticamente.

El émbolo 306 está ubicado en dos regiones 305a y 305b del espacio hueco interior, pasando a través de un orificio cilindrico de menor diámetro entre las áreas 305a y 305b con una holgura técnica mínima 304a sin una obturación deslizante. Un orificio cilindrico más pequeño se extiende hacia la región 305a. El émbolo 306 también pasa a través del cilindro hueco 306a con una holgura técnica mínima 306b sin tener una obturación deslizante. Un orificio cilindrico de mayor diámetro se extiende hacia la región 305b. La diferencia en los diámetros del orificio cilindrico en la carcasa 300 crea un reborde 300a. El cilindro hueco 306a está posicionado en un diámetro de orificio mayor entre la región 305A y 305b de modo que solo está presente en la región 305b, y el reborde 300a evita el movimiento axial del cilindro hueco 306a desde la región 305b hacia la región 305a. El cilindro hueco 306a tiene una holgura técnica mínima 300b con el cuerpo 300 y no tiene una obturación deslizante con la carcasa 300. El cilindro hueco 306a y el émbolo 306 se mueven libremente entre sí y con respecto a la carcasa 300 en la dirección axial casi sin fricción, mientras que el movimiento axial del cilindro hueco 306a está limitado por el reborde 300a hacia la región 305a está limitado por el reborde 300a.

En esta realización particular, la varilla hueca 325 es un tubo alargado con un orificio pasante axial y vahos orificios pasantes transversales 327. En un lado de la varilla hueca 325, el conducto valvular 321a está montado rígidamente en el mismo de modo que la dirección libre del conducto valvular 321a está dirigida hacia los orificios pasantes transversales 327 ubicados en el otro extremo de la varilla hueca 325, en el extremo opuesto de la varilla hueca 325. Esta realización particular contempla el uso de dos varillas huecas 325. La mayor parte de la superficie exterior de las varillas huecas 325 están ubicadas dentro de las partes alargadas de la carcasa 300 ubicadas en el área 305b. Cada varilla hueca 325 pasa desde la región 305b a su cámara de activación 313, y todas las cámaras de activación 313 están en comunicación líquida con el canal de activación anular 332. Las partes alargadas de la carcasa 300 funcionan como cilindros cuando la presión cae drásticamente en las cámaras de activación 313 y en el canal de activación anular 332. Todos los conductos valvulares 321a están montados rígidamente en cada varilla hueca 325 de modo que la dirección libre de cada conducto valvular 321a se dirige desde las cámaras de activación 313 hacia la región 305b a través de las varillas huecas 325 y los orificios pasantes 327. Cuando la presión cae drásticamente en las cámaras de activación 313 y en el canal de activación anular 332, en el momento del inicio del impulso (es decir, el estado de iniciación mostrado en la figura 10B), el flujo drásticoo del fluido de trabajo se bloquea completamente desde la región de alta presión 305b a la región de baja presión (en la cámara de activación 313 y en el canal de activación anular 332). Cada varilla hueca 325 realiza la función de un pistón en el momento del impulso, ya que toda el área de la sección transversal de cada varilla hueca 325 es afectada por una fuerza proporcional a la presión del fluido de trabajo ubicado en la región de alta presión 305b. Esta fuerza es proporcional al área de la sección transversal de cada varilla hueca 325. Sin embargo, en el modo 1 (figura 8e1), cada varilla hueca 325 realiza la función de una tubería para garantizar que la región 312b se llene con fluido de trabajo debajo de la presión Iws que pasa desde la línea de entrada 312a a través del canal de activación anular 332, a través de las cámaras de activación 313, direcciones libres de los conductos valvulares 321a y a través de las varillas huecas 325.

Cada barra hueca 325 está unida mecánicamente desde el lado de los orificios pasantes 327 al soporte anular 328 del tapón 308 del generador de impulsos 203. Cada varilla hueca 325 no forma una sola pieza con el tapón 308, ni forma una sola pieza con el soporte 328. Esto es esencial para simplificar la producción y es un aspecto importante de una realización preferente de la invención. Ninguna varilla hueca 325 tiene una obturación deslizante con la carcasa 300 con una holgura técnicamente mínima 326 entre la carcasa 300 y cada varilla hueca 325. Las holguras 306, 300b, 304a y 326 son necesarias para asegurar una fricción mínima cuando el generador de impulsos 203 está operando, es decir, cuando el émbolo 306 y las varillas huecas 325 se mueven en la dirección de la membrana 320 y el resorte de retorno 309 y vuelven hacia la dirección del asiento 330 (aunque la distancia recorrida es mínima).

Dicha membrana 320 del generador de impulsos 203 realiza la misma función de empuje que el pistón 307 de las figuras 8A-8D y está diseñada para doblarse cuando la fuerza que actúa sobre la misma excede un cierto valor predeterminado.

Para asegurar una fricción mínima, el émbolo 306, las varillas huecas 325, el cilindro hueco 306a y la superficie del orificio entre las regiones 305A y 305b deben estar fabricados de materiales ligeros con un grado medio de resistencia y con un coeficiente de fricción mínimo, tal como el caprolactano, caprolon poliamida o sus análogos, con temperatura de funcionamiento preferente de menos 60 °C a más 120 °C con un punto de fusión de 220-225 °C, generalmente producidos para productos antifricción). El émbolo 306 está unido mecánicamente por el primer extremo a la membrana flexible 320 y está unido mecánicamente por su segundo extremo al soporte anular 328 del tapón 308 mediante un paralelogramo 323 y un mecanismo de paralelogramo 318 mediante juntas giratorias 333 o juntas de flexión fuertes. El soporte en forma de anillo 328 del tapón 308 está conectado al paralelogramo 323, a los brazos del mecanismo de paralelogramo 318 a través de juntas giratorias o flexibles 333 y está conectado mecánicamente a las varillas huecas 325, la combinación del émbolo 306, el tapón 308, el soporte 328, las varillas huecas 325, el mecanismo de paralelogramo 318, el paralelogramo 323, que al conectar el soporte 328 y el tapón 308 con la membrana flexible 320 consta de varias partes, cuatro de las cuales son las palancas conectadas de forma pivotante o flexible entre sí formando el paralelogramo 323.

El émbolo 306 en su parte inferior tiene un saliente 334 sobre el que se montan unas juntas giratorias o flexibles 333 del mecanismo de paralelogramo 318 y paralelogramo 323.

El cilindro hueco 306a no tiene una conexión mecánica directa a la membrana 320. Las juntas giratorias o flexibles 333 del mecanismo de paralelogramo de palancas 318 están fijadas en la parte inferior del cilindro hueco 306a. Las juntas giratorias o flexibles 333 del mecanismo de paralelogramo 318 se fijan en el saliente 334 del émbolo 306.

Las juntas giratorias o flexibles 333 del mecanismo de paralelogramo 318 también están fijadas en el soporte 328.

El saliente 334 del émbolo 306 también está conectado de forma pivotante al paralelogramo 323.

Los topes de paralelogramo 324 ubicados en las palancas del paralelogramo 323 fijan el paralelogramo 323 en una forma estructural rígida en ausencia de carga de contracción externa sobre el mismo y cuando se le aplica una fuerza axial de tracción, por ejemplo, cuando tal fuerza de tracción está creada entre la membrana 320 y el tapón 308 (el soporte 328 del tapón 308).

Una vez retirado del paralelogramo 323, la fuerza axial de tracción puede acortarse en su eje vertical, debido al hecho de que el cilindro hueco 306a cuando se detiene en el reborde 300a puede deslizarse libremente a lo largo del émbolo 306 debido al mecanismo cinemático paralelogramo 318, y el paralelogramo 323 puede extenderse en la dirección horizontal estirando el resorte 322 y simultáneamente acortarse en el eje vertical. Cuando se estira el resorte 322, se crea la fuerza de oposición Fresorte exp (como se muestra en la figura 10C).

Se establece una distancia estructural mínima h entre el reborde 300a y el borde superior del cilindro hueco 306a. La distancia h es suficiente para reducir el (Fflujo) a un valor tal que no podrá afectar el área de la sección transversal efectiva del tapón 308 y no será suficiente para contrarrestar la fuerza resultante que afecta a la membrana en la etapa en la que la distancia h se redujo a cero y cuando la fuerza resultante en la membrana continuará moviendo el tapón con mayor velocidad y con fuerza reducida utilizando solo palancas de mecanismo de paralelogramo.

La distancia h se establece (posición 1, figura 10A) con contacto completo del asiento 330 del tapón 308 cuando el paralelogramo 323 se estira a lo largo del eje vertical debido a la pequeña fuerza preestablecida Fs1 del resorte 322 cuando los topes 324 están en contacto con las palancas opuestas del paralelogramo 323.

En la realización de la invención mostrada en las figuras 10A-10C, la membrana flexible 320 está, permanentemente, en contacto mecánico con la almohadilla 335 del resorte de retorno 309.

En esta realización particular, el tapón 308 tiene una forma anular y puede estar hecho de una placa de acero flexible delgada como una de las realizaciones. El tapón 308 se posiciona libremente dentro del soporte 328. Entre la carcasa del soporte 328 y el tapón 308 hay un resorte 329, que presiona ligeramente el tapón 308 hacia los extractores 331 del soporte 328. En la posición donde el tapón 308 tiene contacto con el asiento 330, el resorte 329 del tapón 308 está en un estado mínimamente comprimido.

Por tanto, todos los elementos (tapón 308, soporte 328, varillas huecas 325, émbolo 306, brazos del mecanismo de paralelogramo 318, paralelogramo 323, y algunas juntas giratorias o flexibles 333 pueden moverse restrictivamente en la dirección hacia el resorte de retorno 309 y hacia el reborde 300a desde el asiento 330 durante el estado de iniciación y durante el estado de descarga (figura 10B y figura 10C, respectivamente). En este caso, el resorte de retorno 309 se contrae y crea una fuerza de oposición Fs2. La membrana flexible 320 también se deforma y actúa como un resorte mientras crea una fuerza de oposición Fmem como se muestra en la figura 10B y la figura 10C. En este caso, el centro de la membrana 320 pasa una cierta distancia. En la posición donde el tapón 308 tiene contacto con el asiento 330, el resorte de retorno 309 está en el estado preestablecido mínimamente comprimido.

En esta realización particular de la invención, solo se proporciona una válvula hermética universal, que realiza en diferentes posiciones las funciones de la válvula de activación 316 y las funciones de llave para llenar la región 305b. La región 305a está en comunicación fluida constante con la fuente de presión externa Iws a través de la línea de entrada 312a. La válvula 316 es una válvula giratoria que tiene un contacto 317. El contacto 317 está unido al dedo 319, que está conectado mecánicamente a la membrana 320 a través de la almohadilla 335. Con la deformación máxima del centro de la membrana 320, el contacto 317 se abre, que da una señal eléctrica al motor 336 de la válvula de activación 316 y la válvula de activación 316 cambia de la posición 2 a la posición 1. La válvula de activación 316 está controlada por el motor eléctrico externo 336, que está conectado a la línea de entrada 312a a través de un acoplamiento sellado 337 para evitar fugas del fluido de trabajo.

En la realización mostrada en las figuras 10A a 10C, la línea de salida de activación 315 está ubicada entre las cámaras de activación 313 y el orificio de salida 310 del generador de impulsos 203. La válvula de activación 316 posicionada en la línea de salida de activación 315 para reducir drásticamente la presión en el canal de activación anular 332 y en todas las cámaras de activación 313 a través de la línea de salida de activación 315 para mover todas las varillas huecas 325 dentro del canal de activación anular 332 e iniciar de este modo el movimiento del soporte anular 328, el tapón anular 308, el émbolo 306, el cilindro hueco 306a, el centro de la membrana flexible 320, el mecanismo de paralelogramo 318 y el paralelogramo 323 en la dirección de deformación de la membrana 320 y contracción del resorte de retorno 309.

La válvula de activación 316 tiene dos posiciones operativas. Durante el estado de carga cerrada (primera posición, figura 10A.), la presión Iws fluye desde una fuente externa a través de la línea de entrada 312a simultáneamente hacia todas las regiones internas del generador de impulsos 203, pero no entra en la línea de salida de activación 315. Durante el estado de iniciación y el estado de descarga (Segunda posición, figura 10B y 10C) la válvula de activación 316 cierra la línea de entrada 312a en el canal de activación anular 332, se superpone a un canal directo entre la región 305a y el canal de activación anular 332 y las cámaras de activación 313 y abre simultáneamente la comunicación fluida entre la línea de salida de activación 315, el canal de activación anular 332 y todas las cámaras de activación 313.

La figura 10A muestra el generador de impulsos 203 en su primer estado (es decir, en la primera posición), de modo que la presión de funcionamiento constante comience a fluir simultáneamente hacia las regiones 305a, 305b y hacia las cámaras de activación 313 del generador de impulsos. El flujo de fluido de trabajo a presión (que pasa simultáneamente a través de las líneas de entrada 312a y el canal de activación anular 332 a dos regiones 305a y 305b) está representado por flechas. La comunicación fluida de la línea de salida de activación 315 con todas las cámaras de activación 313 y con el canal de activación anular 332 está bloqueada. El tapón 308 está en su primera posición, descansando herméticamente sobre el asiento 330 del generador de impulsos 203 y aislando todo el espacio hueco interior del generador de impulsos 203 del orificio de salida 310. Las varillas huecas 325 también están en su primera posición inferior.

Los topes 324 situados en los brazos del paralelogramo 323 fijan el paralelogramo 323 de forma rígida. El paralelogramo 323 está completamente apretado a lo largo del eje vertical debido a la acción de la fuerza preinstalada Fs2 del resorte 322 mientras los topes 324 están en contacto con las palancas opuestas del paralelogramo 323. Hay una distancia mínima h entre el cilindro hueco 306a y el reborde 300a establecido.

Como se ha diseñado S1>S2, en el estado de carga cerrado, la fuerza F2 creada por la presión uniformemente distribuida del fluido de trabajo que actúa sobre el área de la sección transversal S2 de la membrana 320 junto con la fuerza creada por el resorte de retorno 309 mínimamente contraído es menor que la fuerza F1 que actúa solo sobre el área de sección transversal efectiva S1 del tapón de válvula 308 del generador de impulsos 203. La misma presión de funcionamiento en todas las regiones del generador de impulsos 203 afecta igualmente a todos los objetos perpendiculares a las áreas de sus secciones transversales respectivas. Dado que en esta invención las varillas huecas 325 son huecas y contienen conductos valvulares huecos 321a, las varillas huecas 325 están sometidas uniformemente a presión desde todos los lados. Las mismas no crean fuerzas que presionen el tapón 308 hacia el asiento 330, independientemente de la presión de funcionamiento. En contraste con el área de sección transversal efectiva de la varilla 314 mostrada en la figura 8b, ubicada en la cámara de activación 313, que es una parte físicamente integral del área de sección transversal efectiva del tapón 308, las varillas huecas en la realización mostradas en las figuras 10a a 10c no son objetos que compartan físicamente un área de sección transversal efectiva con el tapón 308. La fuerza Fr resultante actúa sobre el tapón 308 y el generador de impulsos 203 está en un estado cerrado estable independientemente de la presión de funcionamiento. Para crear tal fuerza resultante Fr, la relación S2<S1 y, respectivamente, F2<F1. F2-F1 = Fr es suficiente. La fuerza F3 se crea y puede crearse en esta realización solo en el estado de iniciación. Además, para asegurar la posición cerrada del generador de impulsos 203, el valor Fr puede ser mínimo.

Durante el estado de iniciación y el estado de descarga (segunda posición, figura 10B y 10C) la válvula de activación 316 se superpone a la comunicación fluida entre la línea de entrada 312a y el canal de activación anular 332 y las cámaras de activación 313 y simultáneamente se superpone a la comunicación fluida entre la región 305a y el canal de activación anular 332 y todas las cámaras de activación 313 y al mismo tiempo abre la comunicación fluida entre la línea de salida de activación 315, el canal de activación anular 332 y todas las cámaras de activación 313.

La figura 10B muestra esquemáticamente la situación en la que cuando el canal de activación anular 332 se combina con la línea de salida de activación 315, y el volumen estructural mínimo de todas las cámaras de activación 313 se combina con el entorno externo a través de la línea de salida de activación 315. La presión de funcionamiento en todas las cámaras de activación 313 cae drásticamente. En este breve momento, todos los conductos valvulares 321a ubicados en las varillas huecas 325 actúan desde el lado de la región 305b como válvulas completamente cerradas (tapones). Es decir, en este breve momento, todas las varillas huecas 325 se convierten en pistones macizos en los cuerpos alargados de la carcasa 300 del generador de impulsos 203. En el estado de iniciación instantáneo (cuando se reduce el hueco mínimo h), el área de la sección transversal de tales pistones huecos virtuales (con canales de válvula 321a instalados en su interior) se ve afectada por una presión ubicada en la región 305b y crea fuerzas F3 que tienen el mismo vector que la fuerza F2. Esto significa que, en contraste con la situación mostrada en la figura 8A (realización anterior), la fuerza F1 que actúa sobre el área de sección transversal efectiva S1 del tapón 308 se reduce por la cantidad de fuerza F3 creada en total en todas las secciones transversales efectivas de las varillas huecas 325. El conducto valvular 321 que está instalado rígidamente en la carcasa 300 en este momento bloquea la comunicación fluida entre la región 305a y la región 305b ya que la caída de presión drástica ocurre en la región 305b que no tiene otra comunicación líquida con la región 305a. El conducto valvular 321 está instalado de modo que su canal libre se dirija en la dirección opuesta, desde la región 305b hasta la región 305a.

Esto significa que en el momento de la iniciación, mostrado en la figura 10B, la fuerza creada en la primera posición (figura 10A) sobre el área de sección transversal efectiva S1 del tapón 308 se reduce drásticamente por el valor total de todas las fuerzas F3 que contribuyen a la fuerza F2, lo que conduce a un efecto similar a una disminución drástica en el área de la sección transversal S1 del tapón 308, pero que tiene una base física diferente. El área de sección transversal efectiva S1 del tapón 308 no se vuelve menor que el área de sección transversal efectiva S2 de la membrana 320 por el valor especificado constructivamente de todas las áreas de sección transversal de las varillas huecas 325 como en las realizaciones mostradas en la figura 8 y 9. Se tiene en cuenta que la fuerza Fs2 requerida para comprimir el resorte de retorno 309 y la fuerza de resistencia del resorte Fmem de la membrana 320 es mucho menor que la fuerza resultante Fr, que ocurre debido a la diferencia creada entre los valores de las fuerzas actuando sobre la membrana 320 y el tapón 308.

F1»F2 - Fs2

Por lo tanto, el vector de la fuerza resultante Fr en la posición 1 cambia al vector opuesto en el momento de cambiar la válvula de activación 316 en la posición 2. Es particularmente importante observar que debido a la alta transitoriedad de los procesos asociados con el cambio de dirección del vector de fuerza Fr resultante, las holguras mínimas 306, 300b, 304a y 326 proporcionadas entre las varillas huecas 325 y la carcasa 300, así como las holguras proporcionadas entre el émbolo 306 y la carcasa 300 bloquean el fluido de trabajo debido al efecto de aceleración.

En este punto, el resorte de retorno 309 no puede compensar la fuerza ejercida sobre la membrana 320 por la presión de trabajo constante, y la membrana 320 se deforma por la fuerza resultante Fr dirigida contra la fuerza Fs2 y la fuerza Fmem. Con una deformación mínima de la membrana 320 en la cantidad de h, que se transmite a través de la estructura vertical rígida del paralelogramo 323 en la dirección de la fuerza resultante Fr, hay un movimiento mínimo del soporte 328 y los extractores 331 hacia la membrana 320. Los extractores 331 separan el tapón 308 en forma de anillo flexible del asiento 330 mediante la distancia h de deformación del centro de la membrana 320. Simultáneamente con el desplazamiento del centro de la membrana 320, las varillas huecas 325, el émbolo 306 y los brazos del mecanismo de paralelogramo 318 (fijados en el soporte 328 y en el cilindro hueco 306a axialmente móvil) se desplazan por la misma distancia. Este movimiento conjunto de los elementos enumerados está limitado por la distancia h entre el reborde 300a y el cilindro hueco 306a.

La figura 10B también muestra el modo en que bajo la influencia de la fuerza resultante Fr, la distancia h entre el cilindro hueco 306a y el reborde 300a se reduce a cero, el centro de la membrana 320 se deforma mínimamente y también pasa la distancia h, y la misma distancia h se crea entre el asiento 330 y el tapón 308. En esta situación, todo el mecanismo de paralelogramo 323 y el paralelogramo 318 sin cambiar su forma se mueve en la dirección de la membrana 320 hacia el reborde 300a como una estructura completa junto con el émbolo 306 y el cilindro hueco 306a. Este movimiento de todo el sistema bajo la influencia de la fuerza resultante Fr continúa con la velocidad de movimiento del centro de la membrana 320 (la velocidad de expansión libre del fluido de trabajo a una presión dada) hasta que se supera el hueco micrométrico h. Es importante observar una vez más que el espacio micrométrico h (figuras 10A y 10B) se supera sin la participación del esquema de acción cinemática y de palanca del mecanismo de paralelogramo 318 y el paralelogramo 323 y sin carga sobre sus elementos estructurales. Este es un tema importante de la presente invención, ya que la carga dinámica y de fuerza máxima sobre los elementos estructurales del mecanismo de paralelogramo 323 puede ocurrir solo en el momento en que el tapón 308 se separa del asiento 330, es decir, en el momento en que la fuerza F1 cesa (como una fuerza estática que depende del valor del área de sección transversal efectiva S1 en un volumen cerrado). Este movimiento transitorio de todo el sistema de palanca a una distancia h se produce hasta que el reborde 300a toca la parte superior del cilindro hueco 306a. Tener tal hueco h entre la cubierta 308 y el asiento 330 es necesario únicamente para utilizar el principio de utilizar el mecanismo de paralelogramo 318 después de la terminación de la fuerza F1. Después de pasar el hueco h, el mecanismo de paralelogramo 318 aumenta la velocidad lineal máxima del tapón 308, abriendo el orificio máximo entre el asiento 330 y el tapón 308 durante un tiempo mínimo con deformación mínima de la membrana 320, cuando la mayoría de las cargas dinámicas y de otro tipo en el mecanismo de paralelogramo 318 se reduce drásticamente, debido a la terminación de la ley de Pascal para volúmenes cerrados y la desaparición completa de la fuerza estática F1 (figura 10A). La figura 10C muestra el desarrollo del movimiento cuando, cuando el émbolo 306 y el soporte 328, el cilindro hueco 306a descansa contra el reborde 300a y el resorte 322 se estira generando la fuerza Fresorte exp y termina el contacto de los topes 324 con las palancas opuestas del paralelogramo 323. En este punto, el émbolo 306 continúa moviéndose hacia el resorte de retorno 309 contrarrestando solo la suma de fuerzas Fresorte exp + Fmem.

Fr= F2-Fs1 - Fresorte exp - Fmem (F1 terminado)

La figura 10C también muestra el modo en que, cuando la ley de Pascal deja de aplicarse (para volúmenes cerrados), la fuerza F2 que actúa sobre el área de sección transversal S2 de la membrana 320 se vuelve suficiente para el movimiento adicional del tapón 308 desde el asiento 330 aplicando la fuerza F2 transmitida desde la membrana 320 al tapón 308 exclusivamente a través del sistema de palancas del mecanismo de paralelogramo 323 con mayor velocidad y fuerza reducida, que son proporcionales a la relación de las longitudes de las palancas del mecanismo de paralelogramo 323. Al aumentar en 2 veces la distancia H cubierta por el tapón 308 en relación con la distancia cubierta por el centro de la membrana 320 en el mismo tiempo se logra a 2 veces la relación de longitudes de las palancas respectivas del mecanismo de paralelogramo 323. Con un aumento en la distancia cubierta por el tapón 308 debido a la acción de las palancas del mecanismo de paralelogramo 323 (figura8E 3) la fuerza transmitida al tapón 308 desde la membrana 320 (ubicada en este breve momento en una zona aislada de alta presión) se reducirá 2 veces debido a la acción de la ley de la palanca. En esta situación no importa, ya que las fuerzas que se oponen al movimiento del tapón 308 en este corto tiempo serán la fuerza de flujo Fflujo, las envolturas, el tapón 308 y un soporte 328. La fuerza resultante Fr figura 8E 3 tiene el valor máximo.

En lugar de la fuerza estática F1 , existen fuerzas Fflujo de flujo de fluido de trabajo que tienden a salir de la región 305b. Tales fuerzas pueden considerarse despreciables en relación con la fuerza resultante Fr generada por la presión en la región 305a, que es proporcional al área de la sección transversal de la membrana 320. Por lo tanto, la región 305b se abre abruptamente en la salida 310 a una velocidad doble de la velocidad de expansión libre del gas a una presión dada Iws, y el fluido de trabajo sale explosivamente del generador de impulsos 203 a través del asiento anular 330 más grande posible. Esta liberación es tan brusca que causa una onda de choque dependiendo de la presión de trabajo inicial.

La figura 10C muestra esquemáticamente la salida del impulso de fluido de trabajo a través del asiento anular 330 y la salida 310, lo que provoca una disminución instantánea de la presión dentro de la región 305b. Después del final transitorio del impulso, la región 305a no permanece aislada de la región 305b. El fluido de trabajo a presión que permanece y se suministra permanentemente a la región 305a comienza a fluir hacia la región 305b en la dirección opuesta a la dirección libre a través del conducto valvular 321 inmediatamente después del final del impulso. El motor de la válvula de activación 316 en el momento de la máxima apertura del orificio de salida del generador de impulsos recibe una señal cuando el contacto 317 se termina y cambia la válvula de activación 316 a la posición 1. Por lo tanto, el fluido de trabajo bajo presión de la región 305a y desde la línea de entrada 312a pasan al canal de activación anular 332 y la cámara de activación 313 y luego pasan a la región 305b (a través de las direcciones libres de los conductos valvulares 321a y las varillas huecas 325, 327). La membrana 320 vuelve a su estado original debido a la fuerza del resorte de retorno Fs2 y Fmem y debido a la redistribución repentina de la presión entre las regiones 305a y 305b. El resorte 322 del paralelogramo 323 se contrae a su estado original bajo la fuerza Fs2, los topes 324 del paralelogramo 323 entran en contacto con las palancas opuestas, el soporte 328 coloca el tapón 308 en el asiento 329 en la posición 1 mostrada en la figura 10A.

Estas acciones transitorias cuasi simultáneas causan la unión de la tapa flexible 308 al asiento 329 inmediatamente después del impulso, y llevan el generador de impulsos 203 para el siguiente impulso con una pérdida mínima de fluido de trabajo a la turbina bajo la relación máxima de conversión de energía de presión en energía cinética.

El volumen diseñado de la región 305a se proporciona como mínimo, así como el volumen diseñado de la cámara de activación 313 para garantizar la máxima velocidad de carga completa, ciclo de descarga del generador de impulsos 203. El resorte de la tapa 329 realiza la función de un tapón 308 más cerca y un dispositivo que suaviza las cargas de choque en la tapa 308.

El funcionamiento del generador de impulsos 203 mostrado en las figuras 10A; 10B; y 10C solo es posible debido al hecho de que el mecanismo de paralelogramo 318 y el paralelogramo 323 no están conectados mecánicamente rígidamente a la carcasa 300 del generador de impulsos 203, que es un aspecto muy importante de la presente invención.

Las vibraciones repetitivas de baja amplitud de la membrana 320 tienen una potencia y velocidad significativas a casi cualquier presión significativa de fluido de trabajo, lo que proporciona una gran amplitud de movimiento alternativo di tapón 308 del generador de impulsos 203 con una amplitud muy pequeña del centro de la membrana 320, que es otro aspecto importante de la presente invención. La energía del movimiento alternativo del tapón 308 es directamente proporcional a la energía del fluido de trabajo a una presión dada.

Para la fabricación de un mecanismo de paralelogramo 318 que tiene al menos tres estructuras de palanca de paralelogramo ¡guales y un paralelogramo 323, se utilizan materiales compuestos ligeros y resistentes. Dichos materiales compuestos comprenden al menos una matriz de un primer material y rellenos de un material diferente (tales como fibra de carbono y bioplásticos). En lugares de juntas de bisagra tradicionales, se utilizan preferentemente juntas de placa flexible. Por ejemplo, las juntas flexibles pueden estar hechas de placas delgadas fabricadas de acero para resortes diseñadas para flexiones de baja amplitud. El mecanismo de paralelogramo 318 se producirá preferentemente como una estructura tridimensional flexible que puede estar fabricada de materiales compuestos o poliméricos en forma de una única estructura ligera en 3D (externamente parecida a la construcción de un paraguas). Las distintas zonas de palanca del mecanismo de paralelogramo 318 se fijarán con menor grado de rigidez en los puntos de flexión (donde se encuentran normalmente las juntas) y con un mayor grado de rigidez en los brazos sometidos a carga. Para reducir las fuerzas de inercia significativas cuando el generador de impulsos 203 está funcionando, el peso de las partes utilizadas para fabricar el mecanismo de paralelogramo 318, el paralelogramo 323 y la cubierta 308 deben reducirse preferentemente utilizando materiales ligeros.

Las figuras 11A y 11B muestran una primera realización de un acoplamiento de vacío precesional 350 según la presente invención.

El acoplamiento de vacío 350 comprende una primera mitad de carcasa 355a y una segunda mitad de carcasa 355b. La primera mitad de la carcasa 355a está provista de un orificio pasante dispuesto para alojar (con la interposición de cojinetes 357) el árbol giratorio 12 del dispositivo de expansión 2. También se proporciona un primer espacio interior hueco 360a. A su vez, la segunda mitad de la carcasa 355b está provista de un orificio pasante dispuesto para alojar (con la interposición de cojinetes 357) el árbol accionado 13 del generador eléctrico 7. También se proporciona un segundo espacio interior hueco 360b.

Un primer cigüeñal 365a, alojado en el primer espacio interior 360a, está conectado al árbol giratorio 12 por medio de una primera varilla hueca precesional 385a que incluye cojinetes 367, mientras que un segundo cigüeñal 365b, alojado en el segundo espacio interior 360b, está conectado al árbol accionado 13 por medio de una segunda varilla precesional hueca 385b que incluye cojinetes 367. En la posición de funcionamiento del acoplamiento de vacío 350, el primer cigüeñal 365a y el segundo cigüeñal 365b comparten un eje común 390.

En esta realización particular de la invención, mostrada en las figuras 11 A y 11 B, la punta del primer cigüeñal 365a está provista de una pluma cónica 395, mientras que la punta del segundo cigüeñal 365b está provista de una cavidad cónica 397. Además, un rebaje en la punta del primer cigüeñal 365a está destinado a ajustarse con el reborde de un primer disco de vacío 370a, mientras que un rebaje en la punta del segundo cigüeñal 365b está destinado a ajustarse con el reborde de un segundo disco de vacío 370b. Una membrana flexible de sellado 375 está interpuesta entre el primer disco de vacío 370a y el segundo disco de vacío 370b. Además, el primer disco de vacío 370a y el segundo disco de vacío 370b están provistos de ranuras 399 destinadas a alojar los anillos de refuerzo 387.

El acoplamiento de vacío 350 también está provisto de un canal de vacío 380 que, en esta realización particular de la invención, comprende un orificio que pasa a través de la parte superior de la segunda carcasa 355b, un orificio que pasa a través de la punta del segundo cigüeñal 365b y un orificio que pasa a través del segundo disco de vacío 370b y llega a la membrana flexible de sellado 375m, el canal de vacío 380 también comprende un tubo flexible colocado entre la segunda carcasa 355b y el segundo cigüeñal 365b. Una válvula antirretorno 383 también está colocada dentro del canal de vacío 380.

Durante el funcionamiento del acoplamiento de vacío 350, la fuente de presión negativa en el otro extremo del acoplamiento de vacío (no mostrado en las figuras para simplificar) crea un área de unión por vacío 377 en la periferia de la membrana flexible de sellado 375 que induce una unión del primer disco de vacío 370a con el segundo disco de vacío 370b y la membrana flexible de sellado 375, proporcionando de este modo una conexión precisa y rígida de dichas partes. Además, dicha unión por vacío evita que el árbol giratorio 12 y el árbol accionado 13 realicen movimientos radiales, angulares o axiales entre sí y con respecto a la membrana flexible de sellado 375.

Las figuras 11C y 11 D muestran una segunda realización de un acoplamiento de vacío precesional 350 según la presente invención.

Dicho acoplamiento de vacío 350 es similar al mostrado en las figuras 11 A y 11 B excepto por las siguientes características: en esta segunda realización, el acoplamiento de vacío 350 cada cara de la membrana de sellado flexible 375 está provista de una pluma cónica 395, mientras que la punta del primer cigüeñal 365a y la punta del segundo cigüeñal 365b están provistas de cavidades cónicas 397 destinadas a alojar dichas plumas cónicas 395.

Por otro lado, en la segunda realización mostrada en las figuras 11C y 11 D se proporcionan dos canales de vacío diferentes.

El primer canal de vacío 380 pasa a través de la primera carcasa 355a, a través del primer cigüeñal 365a y a través del primer disco de vacío 370b hasta llegar a la membrana flexible de sellado 375. Dicho primer canal de vacío 380 también comprende un tubo flexible colocado entre la primera carcasa 355a y el primer cigüeñal 365a. De manera similar, el segundo canal de vacío 380 pasa a través de la segunda carcasa 355b, a través del segundo cigüeñal 365b y a través del segundo disco de vacío 370b hasta llegar a la membrana flexible de sellado 375. El segundo canal de vacío 380 también comprende un tubo flexible colocado entre la segunda carcasa 355b y el segundo cigüeñal 365a. Dentro de cada uno de los canales de vacío 380 se proporciona una válvula antirretorno 383 respectiva.

Habiendo descrito esta invención y algunas de sus realizaciones preferentes, junto con sus ventajas principales sobre el estado de la técnica, conviene volver a recalcar que su solicitud no debe entenderse necesariamente limitada a una configuración predeterminada de los elementos o al procedimiento descrito, ni a las creaciones a que se refieren los ejemplos de esta invención, sino que también es aplicable a otro tipo de configuraciones y procedimientos, mediante cambios adecuados en los elementos, siempre que dichos cambios no alteren la esencia de la invención y el objetivo de la misma.

De hecho, otras realizaciones diferentes de la presente invención resultarán evidentes para el experto en la técnica, en vista de la presente memoria descriptiva. En consecuencia, el alcance de protección de la presente invención se define exclusivamente por el conjunto de reivindicaciones que siguen a continuación.