CONVERTIDOR DE PRESION DE LIQUIDOS CON APLICACION EN SISTEMAS DE BOMBEO SIN APORTACION DE ENERGIA EXTERNA.

"Convertidor de Presión de Líquidos con aplicación en sistemas de bombeo sin aportación de energía externa".

El sistema se basa en lo que llamaremos "acumuladores de presión", que consisten en dispositivos con un tubo de entrada y otro de salida, de forma que si se inyecta líquido por la entrada, se crea una diferencia de presión entre entrada y salida directamente proporcional al volumen de líquido inyectado.

La conversión de presión se obtiene alternando, mediante válvulas sincronizadas, la conexión de varios acumuladores entre una configuración en paralelo (entradas unidas entre sí y salidas unidas entre sí), que supone baja presión y alto caudal, y otra en cascada (la salida de cada uno conectada a la entrada del siguiente), que supone alta presión y bajo caudal.

Se reivindican los sistemas de conversión de presión basados en este esquema.

Encuentra aplicación en hidráulica posibilitando el bombeo de líquidos sin energía externa

Convertidor de Presión de Líquidos con aplicación en sistemas de bombeo sin aportación de energía externa.

La invención se engloba en el sector técnico de la Hidráulica.

Estado de la técnica

Los sistemas actuales para elevar la presión de un líquido (por ejemplo para bombearlo a cierta altura) se dividen fundamentalmente en dos tipos:

Sistemas Centrífugos: En los que una pieza giratoria imprime energía cinética a las moléculas de líquido, que se transforma en energía de presión al contacto con las paredes del recipiente de salida.

Sistemas de Desplazamiento Positivo: En los que se aumenta la presión por una reducción forzada del volumen de la cámara que contiene el líquido.

En ambos casos, es necesaria una aportación de energía exterior (para mover el rotor o forzar la reducción de la cámara de bombeo según el caso).

Descripción

El dispositivo que se describe, pretenderá conseguir el aumento de la presión de una fuente de líquido a costa de disminuir su capacidad de caudal, eludiendo así la necesidad de una fuente de energía externa distinta a la contenida en la fuente inicial.

El Convertidor de Presión, se basará en unos dispositivos que llamaremos Acumuladores de Presión.

Estos dispositivos, disponen de una tubería de entrada y otra de salida, de forma que si se inyecta líquido por la entrada, se fuerza la correspondiente expulsión de líquido por la salida, a la vez que se crea una diferencia de presión entre entrada y salida directamente proporcional al volumen de líquido inyectado.

Una posible implementación de los acumuladores de presión se muestra en la figura 1.

Consiste en un cilindro hueco con sendas tuberías de acceso en los extremos, y en su interior un émbolo que puede desplazarse a lo largo del eje del cilindro y un muelle a uno de los lados del émbolo.

Si se introduce líquido por la tubería de entrada E, éste pasa a la cámara A, forzando al émbolo D a desplazarse en contra de la fuerza del muelle M. Esto reduce el volumen de la cámara B, y provoca la salida a través de la tubería de salida S de un volumen de líquido igual al que se introdujo por la entrada E. Además, entre la tubería de entrada E y la tubería de salida S, se establece una diferencia de presión provocada por el empuje del muelle M aplicado sobre el émbolo D, que es igual al producto de la fuerza ejercida por el muelle por la superficie del émbolo.

La diferencia de presión así establecida, es directamente proporcional a la deformación del muelle, que a su vez es directamente proporcional al volumen de líquido inyectado por la entrada, lo que supone la relación de proporcionalidad directa entre diferencia de presión y volumen de líquido inyectado que se exponía en la definición.

Se usa el nombre de acumuladores de presión, porque si en esta última situación se cierran las tuberías de entrada y salida, se mantendrá la diferencia de presión establecida indefinidamente hasta que se permita de nuevo la circulación de líquido.

Otra posible implementación del acumulador de presión, se muestra en las figuras 2 y 3, y consiste en una tubería en forma de sifón invertido, con el codo superior C relleno de un líquido de baja densidad A. El resto de la tubería (hasta los orificios de entrada y salida), está rellena con otro líquido B de mayor densidad que el anterior, que es sobre el que se pretende establecer la diferencia de presión. La diferencia de densidades asegura (bajo movimientos relativamente lentos), que en los puntos de contacto entre ambos líquidos el menos denso ocupe siempre la parte superior, y el mas denso la parte inferior, y que en consecuencia no se mezclen.

Si a partir de la posición de reposo de la figura 2, se inyecta líquido B por la tubería de entrada E, se fuerza el desplazamiento del tramo de líquido de baja densidad A, y se establece una diferencia de altura h entre los dos puntos de contacto de ambos líquidos según se muestra en la figura 3. Por la tubería de salida S, habrá salido entonces un volumen de líquido B, igual al inyectado por la entrada E, y además, entre entrada y salida se establecerá una diferencia de presión igual a la diferencia entre las presiones hidrostáticas ejercidas por la columna de líquido denso y altura h de un lado, y la columna de líquido de baja densidad y la misma altura h del otro lado.

La diferencia de presión entre entrada y salida así creada es directamente proporcional a la altura h, y obviamente directamente proporcional al volumen de líquido inyectado por la entrada E.

El sistema de conversión de presión propiamente dicho, se basará en la asociación de varios acumuladores de presión en cascada y en paralelo de forma alternativa para conseguir multiplicar (o dividir) una presión de líquido inicial de la que ya se dispone.

Esta presión de líquido inicial (que puede ser suministrada por un pequeño desnivel) se emplea para "cargar" en paralelo una cantidad N de acumuladores de presión iguales. Para ello se conectan entre sí todas las entradas por un lado y todas las salidas por otro, según se muestra en la figura 4. A continuación ayudándose de la presión inicial disponible, se inyecta líquido por las entradas unidas entre sí, y se permite la expulsión del correspondiente volumen de líquido por las salidas. Cuando se establezca el equilibrio, todos los acumuladores dispondrán de una diferencia de presión entre entrada y salida igual a la presión inicial de que dispongamos.

En esta situación, conectamos los N acumuladores de presión en "cascada", es decir, con la salida del primero unida a la entrada del segundo, la salida del segundo a la entrada del tercero, y así sucesivamente hasta el último, de forma que la presión total entre la entrada del primer acumulador de presión y la salida del último de ellos, es, salvo pérdidas, N veces mayor que la presión inicial de la que partimos.

Obsérvese que el volumen de líquido que se expulsa a alta presión, es N veces menos que el volumen necesario para llenar los N acumuladores durante el proceso de carga, por lo que efectivamente se consigue una multiplicación de la presión a costa de una disminución de caudal, sin necesidad de aportaciones externas de energía.

Si el proceso se efectúa a la inversa, cargando los acumuladores de presión con la presión inicial disponible en una configuración en "cascada", y conectándolos a continuación en paralelo, se obtendrá una diferencia de presión final N veces menos que la inicial (y una capacidad de caudal N veces mayor).

Para cambiar entre la configuración en "paralelo" y en "cascada" de los acumuladores de presión, se utilizará un conjunto de válvulas sincronizadas entre sí, capaz de conmutar entre ambas configuraciones.

El accionamiento del conjunto de válvulas puede ser eléctrico, o bien mecánico, mediante las propias variaciones de presión en el sistema, de forma que se evite la necesidad de cualquier aportación de energía externa.

Ventajas

El sistema descrito, en su versión de multiplicador de presión, permite construir un sistema de bombeo a partir de un pequeño desnivel de líquido (que por ejemplo, se puede conseguir fácilmente en el curso de un río), a una altura arbitraria, sin ninguna necesidad de aportar energía externa. Por lo tanto resulta una extraordinaria solución para el bombeo de líquidos en emplazamientos aislados de la red eléctrica, o sencillamente como un sistema de bombeo ecológico, especialmente interesante para el regadío o abastecimiento de agua en países en vías de desarrollo.

Breve descripción de los dibujos

Figura 1: Muestra una posible implementación del elemento básico del sistema, el acumulador de presión.

Figuras 2 y 3: Muestran otra posible implementación del acumulador de presión.

Figura 4: Muestra la configuración de conexión "en paralelo" de los acumuladores de presión.

Figura 5: Muestra la configuración de conexión "en cascada" de los acumuladores de presión.

1. Convertidor de Presión de Líquidos con aplicación en sistemas de bombeo sin aportación de energía externa que contiene:

(a) varios dispositivos acumuladores de presión, consistentes cada uno de ellos en una cavidad dividida en dos cámaras por un tabique, que puede ser bien deformable o bien desplazable. El volumen de una de las cámaras puede aumentarse a costa de la disminución del volumen de la otra mediante la deformación o el desplazamiento (según corresponda) del tabique, que en ambos casos se hará en contra de la fuerza de un elemento elástico. Dos tuberías dan acceso respectivamente a cada una de las cámaras, y la introducción de líquido por una de ellas (entrada) fuerza la deformación (o el desplazamiento) del tabique en contra del elemento elástico, y a la vez la consecuente expulsión de líquido por la otra tubería (salida), estableciéndose así una diferencia de presión entre ambas cámaras (y ambas tuberías) por el efecto del empuje del elemento elástico sobre el tabique.

(b) Un conjunto de válvulas sincronizadas mecánicamente que conectan las tuberías de entrada y salida de los acumuladores de presión en dos posibles posiciones: la primera en la que cada salida va unida a la entrada del siguiente acumulador, salvo la primera entrada y la última salida que actúan como accesos de la asociación (configuración de acumuladores en "cascada"), y la segunda en la que todas las salidas van unidas entre sí actuando como salida de la asociación, y todas las entradas van unidas entre sí actuando como entrada de la asociación (configuración de acumuladores en "batería").

La inyección de líquido en el sistema descrito en una configuración en "batería" a baja presión y alto caudal, permite extraerlo después en una configuración en "cascada" con alta presión y bajo caudal por suma de las presiones de cada acumulador. El proceso inverso permite aumentar el caudal disminuyendo la presión.

El funcionamiento continuo del sistema se consigue alternando cargas y descargas de líquido en configuraciones "cascada" y "batería" mediante la conmutación de las válvulas sincronizadas.

2. Convertidor de Presión de Líquidos como el descrito en la reivindicación 1, en el que los acumuladores de presión son cavidades cilíndricas, y en el que el tabique se implementa mediante un émbolo en su interior apoyado sobre un muelle (que ejerce fuerza sobre el lateral correspondiente a la cámara de salida) como elemento elástico.

3. Convertidor de Presión de Líquidos como el descrito en la reivindicación 1, en el que la fuerza elástica se sustituye por la fuerza gravitatoria, construyendo los acumuladores de presión como una cavidad tubular en forma de sifón invertido, con el codo superior relleno de un líquido de baja densidad (que actúa como tabique), y el resto de la tubería (hasta los orificios de entrada y salida), relleno con otro líquido de mayor densidad que el anterior, que es sobre el que se pretende establecer la diferencia de presión.