Dispositivo de compresión de fluifo gaseoso.

Dispositivo de compresión de fluido gaseoso, que comprende:

- una entrada para el fluido gaseoso que va a comprimirse,

- una primera envuelta (31),

- un primer émbolo (71) que está montado para poder moverse dentro de la primera envuelta y que delimita, de una forma estanca frente a fluidos, una primera cámara (11) y una segunda cámara (12) en el interior de dicha primera envuelta,

- una salida para el fluido gaseoso comprimido que está conectada a dicha primera cámara, estando la entrada conectada a dicha primera cámara,

- una segunda envuelta (32),

- un segundo émbolo (72) que está montado para poder moverse dentro de la segunda envuelta y que delimita, de una forma estanca frente a fluidos, una tercera cámara (13) y una cuarta cámara (14) en el interior de dicha segunda envuelta,

- un primer circuito de intercambio (21) que establece una comunicación de fluido entre la primera cámara y la cuarta cámara, que tiene un primer intercambiador de calor (5) para transportar calorías a un sumidero de calor,

- un segundo circuito de intercambio (22) que establece una comunicación de fluido entre la segunda cámara y la tercera cámara, que tiene un segundo intercambiador de calor (6) para transportar calorías a partir de una fuente de calor,

- un pasaje de transferencia (29) que establece una comunicación de fluido de la primera cámara a la segunda cámara, con un dispositivo de antirreflujo interpuesto,

y en el que el primer y el segundo émbolos están conectados mediante un elemento de conexión mecánica (19), por medio de lo cual un movimiento de avance y retroceso de los émbolos da como resultado una compresión del fluido gaseoso en el sentido de la salida.

Dispositivo de compresión de fluido gaseoso

Sector de la técnica

La invención se refiere a dispositivos para comprimir fluido gaseoso, y en particular se refiere a compresores térmicos regenerativos.

Estado de la técnica

Hay varias soluciones técnicas ya existentes para comprimir un gas a partir de una fuente de calor.

En primer lugar, existen dispositivos que están basados en el acoplamiento de un motor térmico y un compresor convencional. Estas soluciones usan un motor térmico (en general, un motor de combustión interna) para convertir el calor en energía mecánica o eléctrica (por medio de un generador) , y a continuación transferir esta energía a un compresor o bien de forma directa a través de un sistema de transmisión mecánica, o bien de forma indirecta a través de un motor. Estas soluciones son complejas y generan contaminación, y requieren un mantenimiento significativo.

También existen unas soluciones específicas para determinados fluidos (procesos termoquímicos) que pueden utilizarse solo en unos contextos específicos, tales como los sistemas de compresión de amoníaco que se usan en ciclos de refrigeración (refrigeradores o bombas de calor de absorción) . Las desventajas de las bombas de calor de absorción son la eficiencia termodinámica limitada y los problemas de seguridad planteados por un fluido perjudicial e inflamable, lo que vuelve a las mismas de un interés muy limitado para el calentamiento residencial.

También hay dispositivos denominados compresores térmicos. Un compresor térmico es un dispositivo que realiza ciclos de admisión, compresión, descarga y expansión de un gas (ciclo convencional de un compresor alternativo mecánico, por ejemplo) , no a partir de una fuente mecánica por medio de un acoplamiento a un motor externo sino de forma directa a partir de una fuente de calor que se transmite mediante un intercambiador integrado.

En estos compresores térmicos, tal como los que se describen en las patentes de EE. UU. 2.157.229 y 3.413.815, el calor recibido se transmite de forma directa al fluido que va a comprimirse, lo que elimina la necesidad de cualquier elemento mecánico en las etapas de compresión y de descarga.

En un compresor térmico, unos medios mecánicos tales como un émbolo móvil dan lugar a que una porción del fluido que va a comprimirse pase, durante diferentes etapas del ciclo, a través de diferentes intercambiadores de calor que delimitan una zona fría y una zona caliente. Las variaciones en la presión están causadas por los intercambios de calor a un volumen esencialmente constante.

Estos dispositivos también se caracterizan por la presencia de un intercambiador de calor regenerativo a través del cual fluye una porción del fluido, en un sentido y a continuación en el otro, durante diferentes etapas en el ciclo. Estas tecnologías de intercambiador de calor regenerativo siguen estando poco desarrolladas y siguen siendo costosas, y generan una caída de presión significativa.

Estos dispositivos están diseñados como sistemas de única fase, estando limitado el nivel de compresión. Para determinadas aplicaciones de compresión, sería necesario multiplicar el número de compresores de única fase mediante la colocación de tres o cuatro en una disposición en serie, y establecer un mecanismo para sincronizar de forma mecánica las diversas fases. Una implementación de este tipo sería costosa y compleja, y las pérdidas mecánicas se verían aumentadas por la proliferación de los dispositivos mecánicos. También existe el riesgo de filtración que resulta de la presencia del mecanismo de sincronización.

Además, estos sistemas no son autoaccionados. El movimiento del elemento de desplazamiento ha de controlarse mediante un sistema mecánico externo que asegure el movimiento de avance y retroceso del émbolo. Esto 55 comporta una complejidad adicional y el mismo problema de filtración que con los compresores mecánicos abiertos.

Otro ejemplo se describe en la patente de EE. UU. 2010/212311.

Objeto de la invención

El fin de la invención es la provisión de mejoras a la técnica anterior mediante la resolución de algunas o la totalidad de las desventajas que se han mencionado en lo que antecede.

Por lo tanto, la invención propone un dispositivo de compresión de fluido gaseoso que comprende:

-una primera envuelta,

- una entrada para el fluido gaseoso que va a comprimirse, -un primer émbolo que está montado para poder moverse dentro de la primera envuelta y que delimita, de una forma estanca frente a fluidos, una primera cámara y una segunda cámara en el interior de dicha primera envuelta, -una salida para el fluido gaseoso comprimido que está conectada a dicha segunda cámara, estando la entrada conectada a dicha primera cámara, -una segunda envuelta, -un segundo émbolo que está montado para poder moverse dentro de la segunda envuelta y que delimita, de una forma estanca frente a fluidos, una tercera cámara y una cuarta cámara en el interior de dicha segunda envuelta, -un primer circuito de intercambio que establece una comunicación de fluido entre la primera cámara y la cuarta cámara, que tiene un primer intercambiador de calor para transportar calorías a un sumidero de calor, -un segundo circuito de intercambio que establece una comunicación de fluido entre la segunda cámara y la tercera cámara, que tiene un segundo intercambiador de calor para transportar calorías a partir de una fuente de calor, -un pasaje de transferencia que establece una comunicación de fluido de la primera cámara a la segunda cámara, con un dispositivo de antirreflujo interpuesto, y en el que el primer y el segundo émbolos están conectados mediante un elemento de conexión mecánica, por medio de lo cual un movimiento de avance y retroceso de los émbolos da como resultado una compresión del fluido gaseoso en el sentido de la salida.

En virtud de estas disposiciones, dos fases de compresión se combinan de una forma simple mediante la conexión mecánica de los émbolos y la comunicación de fluido entre cámaras; el nivel resultante de compresión puede ser apropiado para determinados circuitos de fluido de transferencia de calor.

En diversas realizaciones de la invención, pueden usarse una o más de las siguientes disposiciones.

En un aspecto de la invención, la primera y la segunda envueltas están formadas en el interior de un cilindro cerrado que tiene un eje primario, con dicha primera y dicha segunda envueltas estando dispuestas en sentido axial una después de la otra; y el elemento de conexión mecánica es un vástago que conecta de forma rígida el primer y el segundo émbolos, con dichos émbolos pudiendo moverse a lo largo del eje primario. Esta es una solución particularmente compacta y simple para integrar dos fases de compresión en una unidad.

En otro aspecto de la invención, tanto el primer circuito de intercambio como el segundo circuito de intercambio pasan adicionalmente a través de un intercambiador de calor de contracorriente de dos corrientes de tal modo que los fluidos gaseosos se desplazan en flujos de contracorriente cuando se mueven el primer y el segundo émbolos. Por lo tanto, es posible usar un intercambiador de calor convencional para la función regenerativa, lo que simplifica en gran medida el diseño de la función regenerativa con respecto a la técnica anterior.

En otro aspecto de la invención, el segundo intercambiador de calor comprende un circuito de admisión y un circuito de salida, ambos de los cuales pasan a través de un intercambiador de calor economizador con flujos de contracorriente. Esto optimiza la efectividad de la transferencia de calor a partir de la fuente de calor.

En otro aspecto de la invención, el pasaje de transferencia se enfría mediante un circuito de enfriamiento auxiliar.

Esto baja la temperatura del gas cuando este sale de la primera fase de compresión, con el fin de obtener una temperatura moderada al entrar en la segunda fase de compresión.

En otro aspecto de la invención, el pasaje de transferencia está dispuesto dentro del primer émbolo como una abertura con una válvula de retención. Esto elimina la necesidad de tubos externos que conecten la primera y la segunda cámaras.

En otro aspecto de la invención, el dispositivo de compresión comprende adicionalmente un sistema de accionamiento para accionar los émbolos que comprende una cámara auxiliar, un émbolo auxiliar que separa de forma hermética la primera cámara con respecto a la cámara auxiliar, un volante de inercia, un vástago de conexión 55 que conecta dicho volante de inercia al émbolo auxiliar, estando el émbolo auxiliar conectado de forma... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo de compresión de fluido gaseoso, que comprende:

-una entrada para el fluido gaseoso que va a comprimirse, -una primera envuelta (31) , -un primer émbolo (71) que está montado para poder moverse dentro de la primera envuelta y que delimita, de una forma estanca frente a fluidos, una primera cámara (11) y una segunda cámara (12) en el interior de dicha primera envuelta, -una salida para el fluido gaseoso comprimido que está conectada a dicha primera cámara, estando la entrada conectada a dicha primera cámara, -una segunda envuelta (32) , -un segundo émbolo (72) que está montado para poder moverse dentro de la segunda envuelta y que delimita, de una forma estanca frente a fluidos, una tercera cámara (13) y una cuarta cámara (14) en el interior de dicha segunda envuelta, -un primer circuito de intercambio (21) que establece una comunicación de fluido entre la primera cámara y la cuarta cámara, que tiene un primer intercambiador de calor (5) para transportar calorías a un sumidero de calor, -un segundo circuito de intercambio (22) que establece una comunicación de fluido entre la segunda cámara y la tercera cámara, que tiene un segundo intercambiador de calor (6) para transportar calorías a partir de una fuente de calor, -un pasaje de transferencia (29) que establece una comunicación de fluido de la primera cámara a la segunda cámara, con un dispositivo de antirreflujo interpuesto, y en el que el primer y el segundo émbolos están conectados mediante un elemento de conexión mecánica (19) , por 25 medio de lo cual un movimiento de avance y retroceso de los émbolos da como resultado una compresión del fluido gaseoso en el sentido de la salida.

2. Dispositivo de compresión de fluido gaseoso de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha primera y dicha segunda envueltas (31, 32) están formadas en el interior de un cilindro cerrado (1) que tiene un eje primario (X) , con dicha primera y dicha segunda envueltas estando dispuestas en sentido axial una después de la otra, y en el que el elemento de conexión mecánica es un vástago (19) que conecta de forma rígida el primer y el segundo émbolos, con dichos émbolos pudiendo moverse a lo largo del eje primario.

3. Dispositivo de compresión de fluido gaseoso de acuerdo con una u otra de las reivindicaciones 1 o 2, en el que tanto el primer circuito de intercambio como el segundo circuito de intercambio (21, 22) pasan adicionalmente a través de un intercambiador de calor de contracorriente de dos corrientes (4) , de tal modo que los fluidos gaseosos se desplazan en flujos de contracorriente cuando se mueven el primer y el segundo émbolos.

4. Dispositivo de compresión de fluido gaseoso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el segundo intercambiador de calor (6) comprende un circuito de admisión y un circuito de salida, ambos de los cuales pasan a través de un intercambiador de calor economizador (7) con flujos de contracorriente.

5. Dispositivo de compresión de fluido gaseoso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la primera envuelta se enfría mediante un circuito de enfriamiento auxiliar (8) . 45

6. Dispositivo de compresión de fluido gaseoso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el pasaje de transferencia (29) está dispuesto dentro del primer émbolo como una abertura con una válvula de retención (29b) .

7. Dispositivo de compresión de fluido gaseoso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, que comprende adicionalmente un sistema de accionamiento (9) para accionar los émbolos que comprende una cámara auxiliar (10) , un émbolo auxiliar (79) que separa de forma hermética la primera cámara (11) con respecto a la cámara auxiliar (10) , un volante de inercia (77) , un vástago de conexión (78) que conecta dicho volante de inercia al émbolo auxiliar, estando el émbolo auxiliar conectado de forma mecánica al primer y el segundo émbolos (71, 72) , 55 por medio de lo cual el movimiento de avance y retroceso de los émbolos puede ser automantenido por dicho sistema de accionamiento.

8. Dispositivo de compresión de fluido gaseoso de acuerdo con la reivindicación 7, que comprende adicionalmente un motor eléctrico que está acoplado al volante de inercia, impartiendo dicho motor un movimiento de rotación inicial 60 al volante de inercia de motor de tal modo que se inicia el accionamiento autónomo.

9. Dispositivo de compresión de fluido gaseoso de acuerdo con la reivindicación 8, en el que el motor puede controlarse en modo de generador mediante una unidad de control, por medio de lo cual el volante de inercia de motor puede ralentizarse y la velocidad de rotación del volante de inercia de motor puede regularse.

10. Dispositivo de compresión de fluido gaseoso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 9, en el que el dispositivo comprende adicionalmente un segundo cilindro que está dispuesto en el extremo del cilindro cerrado (1) y sobre el eje principal (X) , con dicho segundo cilindro incluyendo:

-una tercera envuelta (33) , -un tercer émbolo (73) que está montado para poder moverse dentro de la tercera envuelta y que delimita, de una forma estanca frente a fluidos, una quinta cámara (15) y una sexta cámara (16) en el interior de dicha tercera envuelta, -una cuarta envuelta (34) , -un cuarto émbolo (74) que está montado para poder moverse dentro de la cuarta envuelta y que delimita, de una forma estanca frente a fluidos, una séptima cámara (17) y una octava cámara (18) en el interior de dicha cuarta envuelta, -un tercer circuito de intercambio (23) que establece una comunicación de fluido entre la quinta cámara y la octava cámara, que tiene un tercer intercambiador de calor (5b) para transportar calorías a un sumidero de calor, -un cuarto circuito de intercambio (24) que establece una comunicación de fluido entre la sexta cámara y la séptima cámara, que tiene un cuarto intercambiador de calor (6b) para transportar calorías a partir de una fuente de calor, -un segundo pasaje de transferencia (28) que establece una comunicación de fluido entre la quinta cámara (15) y la sexta cámara (16) , con un dispositivo de antirreflujo (28a) interpuesto, en el que el tercer y el cuarto émbolos están unidos al vástago (19) , y en el que la salida a partir de la segunda cámara está conectada a la quinta cámara.

11. Dispositivo de compresión de fluido gaseoso de acuerdo con la reivindicación 10, en el que la sección transversal interior de la tercera y la cuarta envueltas (33, 34) es más pequeña que la sección transversal interior de la primera y la segunda envueltas (31, 32) .

12. Sistema térmico que comprende un circuito de transferencia de calor y un compresor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores. 30