Dispositivo reductor de presión regenerativo (DRPR) y procedimiento de funcionamiento.

Dispositivo reductor de presión regenerativo (DRPR) (1) que está formado al menos por un eje de transmisión (100) en el cual se disponen en el mismo eje:

un rodete turbina (105), cuya función es convertir la energía potencial de un flujo de agua proveniente de un tubo de entrada (101) en energía mecánica de rotación en el eje de transmisión (100); un rodete bomba (113) cuya función es convertir la energía mecánica de rotación del eje de transmisión (100) en energía potencial en el mismo flujo de agua que es impulsado por un tubo de salida (110); un acoplamiento reductor (140) cuya función es conectar y adecuar la velocidad de rotación del eje con el de un generador eléctrico (150); dos cojinetes anulares: cojinete turbina (106) y cojinete bomba (107); así como de un procedimiento de funcionamiento.

Dispositivo reductor de presión regenerativo (DRPR) y procedimiento de funcionamiento.

Campo de la invención La invención se sitúa en el ámbito de la mecánica de fluidos, y más concretamente de los dispositivos para redes de distribución de agua potable, de riegos, etc. La invención es válida para cubrir todo el rango de caudales y presiones. La invención se refiere a un dispositivo reductor de presión regenerativo (DRPR) .

Antecedentes Son bien conocidas las válvulas reductoras de presión (VRP) como dispositivos empleados en las redes de distribución de agua potable, de riegos, etc. Tienen como finalidad la de mantener una presión constante de salida (p2) ; presión que es regulable, a pesar de que se produzcan variaciones en la presión de entrada (p1) . Disponen de un conducto de pilotaje que se toma de la salida para que la presión en la cámara de pilotaje sea función de la presión de salida, de modo que si ésta sufre alguna variación se transmita a la cámara de pilotaje que, por deformación de un conjunto de membranas, dé lugar a un desplazamiento axial del vástago de un obturador, y por consiguiente a un cambio de posición en éste último con el fin de que la presión de salida recupere la presión prevista.

En el estado de la técnica se conocen numerosas referencias de VRP así como de perfeccionamiento de las mismas.

Dispositivos de VRP pueden observarse en los documentos: ES-1009170 U; ES-2028055 T3; ES-2119145 T3; entre otros.

Estos dispositivos VRP presentan una problemática que se centra fundamentalmente en los siguientes aspectos:

- Requieren que la presión de salida (p2) sea siempre inferior a la presión de entrada (p1) .

- Disipan la energía procedente de la regulación de la presión de salida (p2) en rozamientos, y por lo tanto en calor.

El dispositivo reductor de presión regenerativo (DRPR) que la invención preconiza resuelve de forma plenamente satisfactoria la problemática anteriormente expuesta, en todos y cada uno de los diferentes aspectos comentados, según se describe en el resto del documento.

Fundamentos de la invención Se describen en el presente apartado las ecuaciones que justifican el funcionamiento de la presente invención.

Ecuaciones del estado estacionario de un fluido incompresible El teorema de Bernoulli indica que la energía total de un fluido, expresada en forma de energía específica en m (m.c.a.) , viene dada por la Ec. (1) :

donde z es la altura geodésica, p/p·g es la altura de presión (estática) y v2/2·g es la altura de velocidad (cinética) .

Para un flujo de fluido que atraviese por el DRPR (Ver Gráfico descriptivo Gd. 1) , tendremos una energía en los puntos 1 y 2, despreciando las pérdidas, dada por la Ec. (2) :

donde HT es la energía que extrae la turbina y HB es la energía que aporta la bomba.

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Si añadimos la hipótesis de que las alturas z1 y z2 son iguales, tendremos el modelo descrito según la Ec. (3) :

En las redes de distribución de agua potable suelen presentarse velocidades máximas del orden de 2 m/s, por lo que los transitorios de energía cinética desde un valor cero hasta un valor máximo serán del orden de 0, 2 m, pudiendo despreciarse los fenómenos transitorios sin error apreciable.

Si añadimos la hipótesis de que la sección transversal en 1 es igual a la sección transversal en 2, al ser un conductor cerrado y fluido incompresible, tendremos que el caudal Q1 será igual a Q2, y por consiguiente v1 será igual a v2, por lo que tendremos (Ec. 4) :

Reordenando la Ec. 4, tendremos (Ec. 5) :

La energía que extraiga del fluido el rodete turbina la empleará en mover el rodete bomba y en suministrar energía al generador; despreciando las pérdidas de ambos rodetes tenemos (Ec. 6) :

Por lo tanto la Ec. (5) quedará como (Ec. 7) :

Expresando la Ec. (7) en función de la potencia del generador WG tendremos (Ec. 8) :

donde Q es el caudal que atraviesa el dispositivo.

Ecuaciones del modelado del DRPR

Se exponen, a partir de la Ec. (8) , las ecuaciones Ec. (9) , que modelan el DRPR y que definen su funcionamiento. además de ser muy útiles en la práctica para el dimensionamiento del mismo.

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Cuando WG < 0 el generador eléctrico (150) se comporta como motor; cuando WG = 0 el generador eléctrico (150) se mantiene en flotación (se define para una máquina eléctrica el punto de flotación cuando estando conectada a la 5 alimentación eléctrica ni consume ni genera electricidad) ; y cuando WG > 0 el generador eléctrico (150) se comporta como generador.

E.g., se desea dimensionar un DRPR en una tubería de distribución de agua potable para reducir la presión de 8 kg/cm2 a 5 kg/cm2, siendo el caudal de 0, 1 m3/s.

p1 = 8 kg/cm2, es decir 8·105 Pa; p2 = 5 kg/cm2, es decir 5·105 Pa, tendremos según la Ec. (8) que WG = 30.000 W, es decir 30 kW.

El rodete turbina se dimensionará para p1, por lo que su potencia será:

WT = CT · p · g · Q · H1; despreciando el rendimiento turbina CT y sabiendo que H1 = 80 m, tendremos WT = 78.448

W : 80 kW.

El rodete bomba se dimensionará para p2, por lo que su potencia será:

VB = CB · p · g · Q · H2; despreciando el rendimiento bomba CB y sabiendo que H2 = 50 m, tendremos WB = 49.030

W : 50 kW.

En la Tabla 1 se muestra una simulación de las variables para el análisis del comportamiento del DRPR; en el Gd. 2 25 se han representado gráficamente las variables.

TABLA 1

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Sumario de la invención Un primer objetivo de la presente invención es dotar a la técnica de un dispositivo para reducir la presión para redes de distribución de agua potable, riego, etc.. en las cuales se puedan emplear presiones de salida p2 mayores que la presión de entrada.

Un segundo objetivo de la presente invención, es dotar a la técnica de un dispositivo para reducir la presión para redes de distribución de agua potable, riego, etc.. que sea "regenerativo", es decir, el cual aproveche la energía obtenida de la reducción de presión y la convierta en energía eléctrica con el fin de entregarla a una red eléctrica para venta de energía, autoconsumo, etc.

Los objetivos citados, y otros, los proporciona la presente invención mediante un dispositivo reductor de presión regenerativo (DRPR) formado fundamentalmente por:

- un eje de transmisión (100) en el cual se disponen en el mismo eje:

- un rodete turbina (105) , cuya función es convertir la energía potencial del flujo de agua proveniente del tubo de entrada (101) , (p1; Q) , en energía mecánica de rotación en el eje de transmisión (100) ; el rodete turbina puede ser cualquiera del estado de la técnica, escogiendo la idoneidad del mismo en función de Q y de p1; preferentemente será del tipo denominado Francis.

- un rodete bomba (113) , cuya función es convertir la energía mecánica de rotación del eje de transmisión (100) , en energía potencial del flujo de agua que se impulsa por el tubo de salida (110) (p2; Q) ; el rodete bomba puede ser cualquiera del estado de la técnica, escogiendo la idoneidad del mismo en función de Q y de p2: preferentemente será del tipo denominado centrífugo.

- un acoplamiento reductor (140) , cuya función es conectar y adecuar la velocidad de rotación del eje con el de un generador eléctrico (150) ;

- dos cojinetes anulares: cojinete turbina (106) y cojinete bomba (107) , que se ensamblan rígidamente sobre la superficie externa del eje de transmisión (100) , permitiendo a éste que disponga de un grado de libertad de rotación;

- un generador eléctrico (150) , preferentemente trifásico de tipo asíncrono y que es reversible para poder funcionar tanto como motor como generador, aunque indistintamente puede ser de corriente alterna o de corriente continua.

El funcionamiento resumido de la invención es el siguiente: se mantiene la presión de salida p2 de un flujo de fluido de caudal Q independientemente de las variaciones que sufra la presión de entrada p1 de dicho flujo; para ello un rodete turbina (105) acoplado rígidamente a un rodete bomba (113) hace que éste último genere la presión de salida p2 independientemente de p1; para ello el rodete turbina se acopla mediante un acoplamiento reductor (140) con un generador eléctrico, que para p1 = p2 se mantiene en flotación, y que de forma instantánea puede pasar el exceso de energía (caso de p1 > p2) del flujo hidráulico a la red eléctrica (haciendo al generador funcionar como generador) , y

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que de forma instantánea puede...

1. Dispositivo reductor de presión regenerativo (1) de los que tienen la finalidad de mantener una presión constante de salida p2, de un flujo normalmente de agua u otro líquido de caudal Q, presión que es regulable a pesar de que se produzcan variaciones en la presión de entrada p1, caracterizado porque comprende al menos

- un generador eléctrico (150) , que puede funcionar indistintamente como motor o como generador;

- un eje de transmisión (100) en el cual se disponen en el mismo eje:

- un rodete turbina (105) , cuya función es convertir la energía potencial de un flujo de agua proveniente de un tubo de entrada (101) , en energía mecánica de rotación en el eje de transmisión (100) ;

- un rodete bomba (113) ; cuya función es convertir la energía mecánica de rotación del eje de transmisión (100) , en energía potencial en un flujo de agua que es impulsada por un tubo de salida (110) ;

- un acoplamiento reductor (140) , cuya función es conectar y adecuar la velocidad de rotación del eje con el de un generador eléctrico (150) ;

- dos cojinetes anulares: cojinete turbina (106) y cojinete bomba (107) , que se ensamblan rígidamente sobre la superficie externa del eje de transmisión (100) permitiendo a éste que disponga de un grado de libertad de rotación;

pudiendo funcionar el dispositivo reductor de presión re generativo (1) con presiones de salida p2 tanto inferiores como superiores a la presión de entrada p1.

2. Dispositivo reductor de presión re generativo (1) según la reivindicación 1, caracterizado porque el generador eléctrico (150) puede ser de corriente alterna o de corriente continua.

3. Procedimiento de mantenimiento de la presión de salida p2 independientemente de la presión de entrada p1 de un flujo de caudal Q que utiliza el dispositivo (1) según reivindicación 1, el mencionado procedimiento consta de las etapas de:

- Ajustar la presión de salida p2 al valor que se desee;

- Hacer funcionar el generador eléctrico (150) como motor, cuando la presión de salida p2 sea mayor que la presión de entrada p1 de un flujo de agua de caudal Q, con una potencia WG = (p1 -p2) · Q;

- Hacer funcionar el generador eléctrico (150) en flotación, cuando la presión de salida p2 sea igual que la presión de entrada p1 de un flujo de agua de caudal Q;

- Hacer funcionar el generador eléctrico (150) como generador, cuando la presión de salida p2 sea menor que la presión de entrada p1 de un flujo de agua de caudal Q, con una potencia WG = (p1 -p2) · Q.

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