Aparato y método de conversión en trabajo mecánico de una parte de la energía específica de un fluido en fase gaseosa.

Un aparato (1) para convertir en trabajo mecánico una parte de la energía específica de un fluido en fasegaseosa,

en donde el aparato (1) comprende:

- al menos un alojamiento (3, 3') que está provisto de al menos una parte de suministro de gas (7, 7') y de almenos una parte de escape (9, 9'), y cada uno del al menos un alojamiento (3, 3') que comprende:

- una rueda de álabes (5) que está dispuesta de forma que puede rotar en el alojamiento (3, 3') y que incluye: unárbol (51) encerrado en un tambor (53); al menos dos álabes (55) que están dispuestos de forma que puedenmoverse con respecto al tambor (53) de modo que una parte (57) de los álabes (55) están dispuestos para sermovidos hacia la superficie interna (31) de la carcasa del alojamiento (3, 3') de tal forma que el tambor (53), lasuperficie interna (31) de la carcasa del alojamiento (3) y los álabes (55) definen unas cámaras (59) dispuestaspara contener gas, en donde un área efectiva de un álabe (55) que está inmediatamente aguas arriba de laparte de escape (9, 9') es mayor que un área efectiva de un álabe (55) que está inmediatamente aguas arribade la parte de suministro de gas (7, 7'); la rueda de álabes (5) constituye una barrera entre la parte desuministro de gas (7, 7') y la parte de escape (9, 9'); y la parte de escape (9, 9') de uno de al menos unalojamiento (3, 3') está provista de un condensador (11) para condensar el gas que ha sido transportado a laparte de escape (9, 9'), caracterizado por que el aparato (1) está provisto de un dispositivo de control dispuestopara controlar la velocidad de rotación de la rueda de álabes (5) por medio de una carga que está conectada alárbol (51) de la rueda de álabes (5), de modo que el caudal unitario del gas a través del aparato (1) puede serajustado con respecto a la capacidad del condensador (11).

Aparato y método de conversión en trabajo mecánico de una parte de la energía específica de un fluido en fase gaseosa La presente invención se refiere a un aparato y a un método de conversión en trabajo mecánico de una parte de la energía específica de un fluido en fase gaseosa.

Una gran parte de la energía eléctrica producida es proporcionada por medio de generadores impulsados por medio de turbinas de vapor. El vapor que impulsa las turbinas es producido por la combustión de carbón, por ejemplo. Aproximadamente el 40% de toda la energía eléctrica que se consume se produce de este modo. Además, la energía eléctrica es producida por medio de reactores nucleares que utilizan la energía para producir vapor, o a partir de las denominadas plantas de gas que utilizan el escape de la combustión de gas para producir vapor.

Existen varios inconvenientes relacionados con la producción de energía eléctrica por medio de turbinas de vapor de acuerdo con la técnica anterior. Los inconvenientes están relacionados con la relativamente baja utilización de la energía del combustible en la forma de corriente producida, en tanto que al mismo tiempo, el equipo requerido para es costoso y grande y requiere unos grandes sistemas auxiliares. Además, las turbinas de gas deben ser operadas a muy altas velocidades. Esto es debido a que las fuerzas de succión de la subpresión en el lado del vacío se usan para producir altos caudales unitarios, y para captar la mayor parte posible de la energía las ruedas de las turbinas deben ser hechas rotar a un alto número de revoluciones por minuto. Otro inconveniente sustancial es que las turbinas de vapor requieren un vapor sobrecalentado para impedir la condensación y el deterioro de la turbina.

Una persona experta en la técnica sabrá que la eficiencia de una turbina de vapor depende del rendimiento total de la turbina. El rendimiento total está afectado, entre otras cosas, por la subpresión que se consigue en un condensador que está conectado a la parte de escape de la turbina. A su vez, la subpresión es susceptible a la influencia de la cantidad de enfriamiento que el condensador puede proporcionar.

Se sabe que las modernas plantas de gas utilizan agua de mar para conseguir el mejor enfriamiento posible del condensador. Por ejemplo, se sabe que las plantas de gas consumen 60 m3 de agua de mar a 4ºC para producir 1 MW de potencia, en donde el agua de enfriamiento fuera del condensador tiene una temperatura de aproximadamente 14ºC. Por lo tanto, se desperdician grandes cantidades de energía.

El documento US 5501586 describe un aparato de expansión de gas de paletas rotatorias sin contacto que funciona para convertir la expansión controlada de gas a presión en una potencia motriz rotatoria. El aparato incluye un alojamiento del estator, un rotor soportado en el alojamiento del estator para experimentar una rotación con respecto a él con el rotor que tiene un miembro de salida en él, una pluralidad de paletas dispuestas en una pluralidad de ranuras radiales definidas en el rotor y que están separadas circunferencialmente entre sí y con un movimiento de vaivén radial con respecto al rotor, de modo que las partes de los extremos de las paletas son mantenidas en una relación hermética sustancialmente no contraíble con el alojamiento del estator, una pluralidad de bolsas definidas en el rotor contiguo a los lados traseros de las ranuras radiales y de las partes extremas exteriores de las paletas con respecto a la dirección de rotación del rotor con respecto al alojamiento del estator, y una pluralidad de formaciones definidas en el alojamiento del estator para efectuar la transferencia de gas a presión a través del alojamiento del estator a las sucesivas bolsas que reciben el gas para permitir la expansión del gas a presión en ellas a fin de provocar la rotación del rotor y del miembro de salida con él.

El documento EP1925776 describe una máquina de vapor que comprende una máquina de desplazamiento que tiene un rotor, una parte de generación de vapor dispuesta debajo de él y un condensador 3 dispuesto sobre él. El agua calentada en la parte de generación de vapor se convierte en el vapor que es alimentado al interior de la máquina de desplazamiento, entra en la cámara de operación que se mueve hacia arriba, hace rotar el rotor y, después de esto, es alimentado en el condensador 3 en donde se condensa para convertirse en el condensado.

El documento WO02101203 describe un motor que comprende un alojamiento que define una cámara, una placa dispuesta dentro de dicha cámara, y unos medios para condensar un gas dentro de dicha cámara de forma que cree un presión suficientemente negativa cerca de dicha placa para ayudar al movimiento de dicha placa.

Muchos tipos de gases serán adecuados para su uso en el aparato. Uno de los gases más importantes es el agua en su fase gaseosa, o sea vapor. En lo que sigue, el concepto de “vapor” se usará además del de gas. No obstante, como vapor se ha de entender que incluye también cualquier gas adecuado.

La invención tiene como objeto remediar o reducir al menos uno de los inconvenientes de la técnica anterior.

El objeto se consigue mediante unas características que se definen en la descripción posterior y en las reivindicaciones que siguen.

De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención se ha dispuesto un aparato para convertir una parte de la energía específica de un fluido en fase gaseosa en trabajo mecánico, donde el aparato incluye:

- al menos un alojamiento que está provisto de al menos una parte de suministro de gas y de al menos una parte de escape, en donde cada uno del al menos un alojamiento comprende;

-una rueda de álabes que está dispuesta de forma rotatoria en el alojamiento y que incluye: un árbol encerrado por un tambor; al menos dos álabes dispuestos de forma que pueden moverse con respecto al tambor, de forma que una parte de los álabes están dispuestos para ser movidos hacia la superficie interna de la carcasa del alojamiento de modo que el tambor, la superficie interna de la carcasa del alojamiento y los álabes definen una

o más cámaras dispuestas para contener gas, en donde un área efectiva de un álabe que está inmediatamente aguas arriba de la parte de escape es mayor que un área efectiva de un álabe que está inmediatamente aguas arriba de la parte de suministro de gas, y que el área efectiva de los álabes es máxima cuando los álabes están inmediatamente aguas arriba de la parte de escape y es mínima cuando los álabes están en una parte definida por un lado aguas abajo de la parte de escape y de la parte de suministro de gas; que la rueda de álabes constituye una barrera entre la parte de suministro de gas y la parte de escape; y que la parte de escape de uno del al menos un alojamiento está provista de un condensador hermético a los gases dispuesto para proporcionar aproximadamente un vacío proporcionando una fase de transición de gas a líquido del gas en la parte de escape y en la cámara que está en comunicación fluida con la parte de escape. El condensador está provisto de una salida controlada con objeto de que el vacío pueda ser proporcionado al condensador.

Por un área efectiva se entiende, a este respecto, el componente del área que origina la rotación de la rueda de álabes. Por ejemplo, un álabe que es oblicuo con respecto a la superficie del tambor de la rueda de álabes (y a la superficie interna de la carcasa del alojamiento) tendrá un área efectiva que está definida por el componente del área que sale perpendicularmente de la superficie del tambor.

Es una ventaja que el área efectiva del álabe que está inmediatamente aguas arriba de la parte de suministro de gas sea aproximadamente cero. Esto es conseguido por el tambor de la rueda de álabes al estar lo más cerca posible de la superficie interna de la carcasa del alojamiento y por el álabe que prácticamente no sale del tambor. El efecto de esto es que como el área efectiva es aproximadamente cero, no habrá fuerzas, con la excepción de las fuerzas de rozamiento, que actúen contra la rotación de la rueda de álabes.

Es una ventaja que la parte de suministro de gas esté provista de una rejilla de levas dispuesta para guiar los álabes de tal modo que el área efectiva del álabe aumente gradualmente a través de la parte de suministro de gas.

Es una ventaja que la parte de escape esté provista de una rejilla de levas dispuesta para guiar el álabe de tal modo que el área efectiva del álabe se reduzca gradualmente a través de la parte de escape. Esto tiene como efecto que los álabes sean transportados a lo largo de la parte de escape y guiados a la posición correcta con respecto... [Seguir leyendo]

1. Un aparato (1) para convertir en trabajo mecánico una parte de la energía específica de un fluido en fase gaseosa, en donde el aparato (1) comprende:

-al menos un alojamiento (3, 3’) que está provisto de al menos una parte de suministro de gas (7, 7’) y de al 5 menos una parte de escape (9, 9’) , y cada uno del al menos un alojamiento (3, 3’) que comprende:

-una rueda de álabes (5) que está dispuesta de forma que puede rotar en el alojamiento (3, 3’) y que incluye: un árbol (51) encerrado en un tambor (53) ; al menos dos álabes (55) que están dispuestos de forma que pueden moverse con respecto al tambor (53) de modo que una parte (57) de los álabes (55) están dispuestos para ser movidos hacia la superficie interna (31) de la carcasa del alojamiento (3, 3’) de tal forma que el tambor (53) , la

superficie interna (31) de la carcasa del alojamiento (3) y los álabes (55) definen unas cámaras (59) dispuestas para contener gas, en donde un área efectiva de un álabe (55) que está inmediatamente aguas arriba de la parte de escape (9, 9’) es mayor que un área efectiva de un álabe (55) que está inmediatamente aguas arriba de la parte de suministro de gas (7, 7’) ; la rueda de álabes (5) constituye una barrera entre la parte de suministro de gas (7, 7’) y la parte de escape (9, 9’) ; y la parte de escape (9, 9’) de uno de al menos un alojamiento (3, 3’) está provista de un condensador (11) para condensar el gas que ha sido transportado a la parte de escape (9, 9’) , caracterizado por que el aparato (1) está provisto de un dispositivo de control dispuesto para controlar la velocidad de rotación de la rueda de álabes (5) por medio de una carga que está conectada al árbol (51) de la rueda de álabes (5) , de modo que el caudal unitario del gas a través del aparato (1) puede ser ajustado con respecto a la capacidad del condensador (11) .

2. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el área efectiva del álabe (55) que está inmediatamente aguas arriba de la parte de suministro de gas (7, 7’) es cero o es aproximadamente cero.

3. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la parte de suministro de gas (7, 7’) está provista de una rejilla de levas dispuesta para guiar los álabes (55) de tal forma que el área efectiva del álabe (55) aumente gradualmente a través de la parte de suministro de gas (7, 7’) .

4. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la parte de escape (9, 9’) está provista de una rejilla de levas (17) dispuesta para guiar el álabe (55) de tal forma que el área efectiva del álabe (55) se reduzca gradualmente a través de la parte de escape (9, 9’) .

5. El aparato de acuerdo con cualquiera de las anteriores reivindicaciones, en donde el área efectiva de los álabes (55) es máxima cuando los álabes (55) están inmediatamente aguas arriba de la parte de escape (9, 9’) y es mínima cuando los álabes (55) están en una parte definida por un lado aguas abajo de la parte de escape (9, 9’) y de la parte de suministro de gas (7, 7’) .

6. El aparato de acuerdo con la reivindicación 3 ó 4, en donde los álabes (55) son desviados hacia el alojamiento (3, 3’) y las rejillas de levas (17) .

7. El aparato de acuerdo con cualquiera de las anteriores reivindicaciones, en donde una parte limitada de la

superficie interna (31) de la carcasa del alojamiento (3) está provista de un dispositivo de drenaje que comunica con la parte de escape (9, 9’) de tal forma que cualquier fluido transportado por el álabe (55) desde la parte de escape (9, 9’) hacia la parte de suministro de gas (7, 7’) será drenado de vuelta a la parte de escape (9, 9’) .

8. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el aparato (1) está provisto de un dispositivo de control

dispuesto para ajustar la presión del gas que se suministra al aparato (1) a través de la parte de suministro de gas 40 (7, 7’) .

9. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el aparato (1) está provisto de un controlador de la temperatura que está dispuesto para influir en la temperatura del gas que se suministra al aparato (1) .

10. Un método para el control de al menos la subpresión en un escape de un aparato que está dispuesto para

convertir en trabajo mecánico una parte de la energía específica de un fluido en fase gaseosa, en donde el método 45 incluye:

-suministrar al aparato (1) un gas a través de una parte de suministro de gas (7, 7’) ;

-proporcionar una barrera sustancialmente hermética a los fluidos, que hace rotar la barrera entre la parte de suministro de gas (7, 7’) y la parte de escape (9, 9’) ; y

-controlar al menos la subpresión en la parte de escape (9, 9’) del aparato (1) , caracterizado por que la

subpresión en la parte de escape (9, 9’) del aparato (1) está controlada por medio de la velocidad de rotación de la barrera rotatoria con el fin de ajustar de este modo el caudal unitario del gas a través del aparato (1) con respecto a la capacidad de un condensador (11) que está dispuesto en la parte de escape (9, 9’) ;

en donde el método incluye controlar la velocidad de rotación de la barrera rotatoria por medio de una carga.

11. El aparato de acuerdo con la reivindicación 10, en donde el método incluye además controlar una salida del condensador (11) para ajustar un nivel (12) del líquido en él con el fin de mantener de este modo el vacío en el condensador (11) .