Máquina de pistón de expansión múltiple unidireccional.

Esta máquina aúna los conceptos de multiexpansión y equicorriente.

Dentro de cada cilindro tiene lugar una secuencia de procesos en una vuelta de cigüeñal.

Durante la carrera de descenso el vapor es admitido por la parte alta una porción de la carrera quedando el resto, cuando cierra la válvula de admisión, para la expansión del vapor. Al llegar el pistón abajo se abre la válvula de sumidero. A la vez que se producía esto en la zona alta del pistón, la cara inferior del pistón empuja hacia la siguiente etapa el vapor que había sido transferido anteriormente.

En la carrera de ascenso, y con el sumidero abierto, el vapor pasa de la zona alta a la baja del pistón a presión y temperatura constante. En la última parte del ascenso, el sumidero cierra y el vapor que queda arriba se precomprime.

MÁqUINA DE PISTÓN DE EXPANSiÓN MÚLTIPLE UNIDIRECCIONAL

Sector de la técnica La presente invención pretende enmarcarse dentro del sector de producción de energía por medio de máquinas de expansión, preferentemente el campo donde el fluido es vapor de agua a presiones y temperaturas moderadas con potencias pequeñas donde las turbinas padecen de rendimientos muy bajos.

Esta máquina permite realizar la expansión de los fluidos compresibles de forma multietapa manteniendo el flujo en una misma dirección durante todo el proceso, características claves para la consecución de un rendimiento isentrópico elevado.

La energía termosolar necesita de máquinas de expansión efectivas para el vapor de agua generado. Actualmente las turbinas de vapor copan el mercado, pero las instalaciones pequeñas no encuentran el motor adecuado.

Estado de la técnica

Las máquinas de vapor de pistón, hace más de cincuenta años que quedaron obsoletas para la propulsión de barcos o locomotoras y para la generación de energía eléctrica. Los motores diesel, en pequeñas y medianas potencias, y las turbinas, para las grandes potencias, superaron en eficiencia a las máquinas de expansión múltiple y a las de equicorriente. La figura 1 muestra la máquina de vapor de triple expansión utilizada en los barcos "Liberty" durante la segunda guerra mundial. Su construcción en masa debido a unas circunstancias muy concretas también marcó su final. En la figura 2 vemos el dibujo principal de la patente de la máquina de equicorriente de Stumpf. El vapor entra por la parte superior del cilindro y lo abandona cuando el pistón descubre las galerias de exhaustación, manteniendo el flujo en una única dirección. Esta máquina era de gran rendimiento siempre que las condiciones de vapor fueran muy moderadas porque sólo permitía una expansión.

Los motores diesel, en sus versiones más sofisticadas, pueden llegar a aprovechar hasta el 50% de la energia disponible en el combustible gracias a las altas temperaturas de combustión y sobre todo a que el proceso se realiza en el

seno del fluido operante. Son máquinas volumétricas de pistón, que han demostrado un gran rendimiento isentrópico en los procesos de compresión y expansión. Su desarrollo técnico en sus más de cien años de historia parece estar llegando a su cénit porque su dependencia de los combustibles derivados del petróleo y la generación de contaminantes como el CO2 y los NOx están obligando a buscar otro tipo de soluciones.

Por otro lado, las turbinas de vapor siguen usándose de forma masiva para la generación de energía eléctrica. Cuando los combustibles no pueden quemarse dentro del fluido operante o cuando las potencias necesarias son tan grandes que los motores diesel no son adecuados por su complejidad o mantenimiento ¡nasumible, las turbinas de vapor son la opción elegida. Incluso en las plantas que utilizan el gas natural como combustible y las turbinas de gas como motor principal, el ciclo de Rankine sigue siendo el mejor modo de aprovechar el calor residual de las turbinas de gas.

Hoy día, vuelve a abrirse un nicho dentro de la generación de energía que muy bien podria ser ocupado por las máquinas de pistón para la expansión del vapor. La biomasa es un nuevo combustible que debe ser quemado en una caldera. El sol como fuente de energía es una de las opciones con mayor proyección en el futuro inmediato. Estas fuentes de energía pueden calentar el fluido motor a unas temperaturas que casan perfectamente con los ciclos de vapor. La turbina de vapor se presenta, por tanto, como el motor a utilizar. El problema o la oportunidad, según se mire, vienen dados por el bajo rendimiento isentrópico de la turbina de vapor para potencias por debajo de los 5 MW y por rendimientos desastrosos en el campo de 1 MW o menos.

Las enseñanzas que nos dejan la historia de la técnica y el conocimiento de la termodinámica dicen lo siguiente: ~EI vapor tiene un grado de expansión muy grande si lo comparamos con el aire, Esto significa que la expansión múltiple es necesaria si queremos aprovechar todo su potencial sin exagerar la longitud de los cilindros, -7Las temperaturas que podemos conseguir en calderas de combustión o solares no son muy elevadas, por lo que debemos procurar que la temperatura a la que se realiza el mayor intercambio de calor sea la del vapor saturado, minimizando el sobrecalentamiento. El sobrecalentamiento no eleva demasiado el rendimiento al ser muy poca la cantidad de calor sensible absorbido por el vapor en comparación con el calor de evaporación a temperatura constante. -7Cuando utilizamos vapor en la zona de saturación, debido a su alta conductividad térmica, éste pierde o gana mucho calor cuando los flujos entrante y saliente comparten las mismas galerías de paso. Una galería fría roba calor al flujo entrante, restándole energía, y recíprocamente, la misma galería caliente entrega calor al flujo saliente, perdiéndose definitivamente esta energía. Por tanto, el flujo debe mantener una dirección única. Los pasos de entrada y salida deben ser diferentes, usados sólo para lo que su nombre indica, y situados lo más alejados que sea posible. Este diseño se llama de flujo equicorriente, unidireccional o uniflujo. -7La máquina de expansión múltiple o compound -figura 1-tiene varios cilindros, cada cilindro un pistón, y cada pistón una o dos caras de trabajo. Hacen falta dos carreras, una hacia fuera y otra hacia dentro de la tapa para completar la expansión parcial en cada cilindro. En la carrera hacia fuera el vapor se admite hasta el cut-off, después se expande parcialmente hasta el final de la carrera. Cuando el pistón regresa el vapor es empujado a presión constante hacia la siguiente etapa y en la última parte de la carrera se precomprime el vapor para igualar la presión de admisión. En las máquinas compound, típicamente, las galerías de admisión y expulsión son las mismas o están muy próximas, produciéndose grandes pérdidas por intercambios de calor indeseables. En definitiva, la máquina de expansión múltiple cumple con una de las condiciones necesarias para aprovechar la energía del vapor a presiones de hasta 30 bar, cual es la expansión repartida en dos, tres y hasta cuatro cilindros, pero al ser el flujo de dirección cambiante se perdía mucha energía. ?La máquina compound tiene varios cilindros para conseguir un grado de expansión de alrededor de 3 en cada cilindro o 27 en tolal. El vapor todavía se podría expandir más como en las turbinas de vapor, pero a costa de un volumen de máquina demasiado grande para el posible aprovechamiento. Históricamente se ha optado por una solución intermedia: al terminar la carrera de expansión de la última etapa, el vapor, en lugar de ser expulsado por el empuje del pistón, es literalmente succionado por el vacio del condensador, evitando el trabajo de expulsión y mejorando un poco el rendimiento gracias a esta "táctica". -7La máquina de equicorriente o uniflujo -figura 2-ideada por Stumpf tiene el diseño necesario para conseguir que el flujo del vapor mantenga una dirección invariable y que las galerías de admisión y expulsión sean distintas y alejadas en el sentido longitudinal. Cuando el grado de expansión necesario no es muy grande esta máquina tiene un gran rendimiento. Su problema radica en que al acabar la carrera hacia fuera y descubrirse las galerías de exhaustación, el vapor expandido no abandona el cilindro por la acción de un pistón sino que es succionado por el vacío del condensador. La carrera hacia dentro se utiliza sólo para precomprimir el vapor e igualar presiones antes de la siguiente admisión. El que el vapor salga del cilindro por la acción succionadora del condensador inhabilita este vapor para una ulterior expansión, La máquina de Stumpf es por tanto de equicorriente y de una sola expansión. Al poder realizarse con esta máquina una sola expansión, queda limitada por la longitud del cilindro.

Aunando todas estas premisas, una máquina de pistón, de expansión múltiple y de equicorriente tendría las siguientes tres cualidades que harían de ella una máquina muy eficiente: 1. Máquina de pistón. Las máquinas volumétricas son las de mayor rendimiento isentrópico. 2. Multietapa. La expansión en varios cilindros permite obtener un grado de expansión elevado con una máquina de dimensiones moderadas. 3. Equicorriente. Si toda la expansión se consigue hacer en una sola dirección la eficiencia se mantiene en valores óptimos.

Descripción detallada de los componentes de la invención La invención consiste en el conjunto de los dispositivos que permiten realizar una expansión multietapa y de equicorriente. Por supuesto, los conceptos de multíexpansión y equicorriente son de sobra conocidos....

1. Máquina de pistón de expansión múltiple unidireccional para vapor del tipo de cilindro cerrado, arriba por culata con válvula de admisión de vapor y abajo por tapa inferior con orificio de salida de vapor y atravesada centralmente por un vástago doble concéntrico que enlaza el pistón con el pie de biela por medio de cruceta típica de motores de vapor de doble efecto (figura 4) , caracterizado esencialmente porque el pistón es un conjunto de pistón ranurado (21) Y una válvula superpuesta (22) en forma de plato ranurado, nombrada válvula de sumidero, junto con los accionamientos que hacen girar un ángulo determinado la válvula de sumidero en un sentido y en el contrario. La posición angular

relativa entre pistón y válvula de sumidero hace que las ranuras de pistón y válvula se solapen o coincidan.

-La válvula de sumidero (22) está sujeta a un vástago hueco (33) concéntrico al vástago que sujeta el pistón. El vástago hueco de la válvula de sumidero dispone de una doble leva montada en su exterior en una posición elevada (23) de tal manera que cuando el pistón se aproxima al punto muerto bajo, esta doble leva entra en contacto con un rodete (24) situado sobre la tapa inferior del cilindro haciendo que la válvula de sumidero gire descubriendo las ranuras del

pistón. -El vástago hueco de la válvula de sumidero dispone de otra doble leva montada en su exterior en una posición baja (30) de tal manera que cuando el pistón se aproxima al punto muerto alto, esta doble leva entra en contacto con un rodete (36) situado bajo la tapa inferior del cilindro haciendo que la válvula de sumidero gire cubriendo las ranuras del pistón.

2. Máquina de pistón de expansión múltiple unidireccional, según la reivindicación 1, caracterizado por la disposición de entrada de vapor por la parte superior del cilindro y salida de vapor por la parte baja del cilindro.

-La entrada de vapor viene controlada por una válvula de admisión (20) en culata que abre durante una porción de la carrera de descenso. Esta válvula

abre hacia arriba cuando el movimiento del cigüeñal, transmitido con una relación de 1:1 a un eje de levas y a un balancín, la empuja . -La salida de vapor en la parte inferior del cilindro está abierta siempre y

conectada a la exhaustación o a la admisión de otro cilindro.

3. Máquina de pistón de expansión múltiple unidireccional, según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por la disposición de dos o más cilindros con la salida inferior de cada cilindro conectada a la entrada superior del siguiente.

-Esta disposición se caracteriza porque todos los cilindros tienen la misma

carrera pero distinto diámetro. Creciendo el diámetro en la dirección aguas abajo del flujo de vapor en expansión.

-El primer cilindro tiene la entrada de vapor conectada al generador de vapor.

-El último cilindro tiene su salida conectada a la exhaustación o a un condensador.