ES1295974U - Máquina hidráulica o pneumática - Google Patents
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Abstract
Máquina hidráulica o neumática, que parte de una fuente de fluido a alta presión, caracterizada por que comprende dos o más cilindros (3) conectados a la fuente de alta presión y a un depósito de baja presión (2), teniendo los cilindros (3) sendos pistones (4) conectados a un cigüeñal (5), a su vez conectado a un generador (6) que alimenta una bomba (8) de elevación de la presión del fluido del depósito de baja presión (2)
Description
DESCRIPCIÓN
Máquina hidráulica o pneumática
SECTOR DE LA TÉCNICA
La presente invención se refiere a una máquina hidráulica o neumática que puede servir como sistema de generación de electricidad u obtener otro tipo de trabajo, a partir de la presión o de la altura hidráulica, y que ofrece un rendimiento especialmente elevado. Se basa en la realización consecutiva de transformaciones entre energía eléctrica a hidráulica, de hidráulica a mecánica con fuerza y potencia y de mecánica a eléctrica opcionalmente.
ESTADO DE LA TÉCNICA
Se conoce en el estado de la técnica la existencia de saltos eléctricos en los que el agua acumulada en una presa pasa por una turbina para generar electricidad. Se conoce también de sistemas de acumulación en los que se aprovechan las horas en las que la electricidad tiene un menor precio para generar la energía necesaria para para subir de nuevo el agua a la presas o embalses. Este tipo de sistema generador de electricidad tiene un alto rendimiento en la bajada, pero una vez que el agua sobrepasa la turbina, es necesario consumir una alta cantidad de energía para devolverla a la presa. En consecuencia, el rendimiento global es considerablemente peor.
Por otro lado, la forma más común de obtener un trabajo o potencia ha sido la utilización de motores de combustión interna de dos o cuatro tiempos. Estos motores utilizan un combustible, generalmente de origen fósil (petróleo, gas licuado de petróleo...) con la consabida emisión de dióxido de carbono, óxidos de nitrógeno, etc., altamente contaminantes y perjudiciales contra el medio ambiente. Estos motores de explosión no suelen superar el 40% de rendimiento.
Un motor de ciclo Otto o termodinámico bajo el que funcionan la mayoría de los motores de gasolina de combustión interna, con sus ciclos de cuatro tiempos (admisión, compresión, explosión y escape) suele tener un rendimiento de 20-30%, con lo que
pierde debido al rozamiento y a la temperatura, la mayor parte de la energía. En el caso de motores diésel, el rendimiento es algo mayor (30-40%) pero insuficiente.
Según algunas mediciones, por cada litro o mil centímetros cúbicos de un combustible líquido como la gasolina que se quema en el interior de un cilindro en motores de gasolina de combustión interna, solo se aprovecha realmente la energía producida por doscientos a trescientos centímetros cúbicos de esos mil centímetros cúbicos de ese combustible que se consume.
Además, las condiciones de trabajo implican motores pesados, que requieren mucha lubricación con aceites, igualmente provenientes del petróleo. Estos aceites deben ser tratados cuando alcanzan su vida útil.
Es evidente que el derroche de energía y el desaprovechamiento en el uso de estos combustibles fósiles para obtener un trabajo resulta en un enorme gasto económico y un problema medio ambiental, así como las contaminaciones producidas por los cambios y el reciclaje de los aceites lubricantes del motor que también son derivados del petróleo.
El solicitante no conoce ninguna solución con tan buen rendimiento como la que se reivindica en la presente invención.
BREVE EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
La invención consiste en una máquina hidráulica o neumática según las reivindicaciones adjuntas.
Esta máquina ha sido ideada y estudiada en principio para ser utilizada entre otros usos, en la propulsión de embarcaciones, accionamiento de grandes bombas de fluidos, como propulsor de bombas de agua en desalinizadoras y centros de bombeo para agricultura; con el fin de bajar los altos costes energéticos que suponen estos, así como la contaminación ambiental. Sin embargo, es igualmente aplicable en otros usos, como se detallará más adelante. El conjunto puede ser instalado en centros de bombeo, en instalaciones fijas o en una plataforma rodante o un camión para ser utilizado como generador móvil.
La máquina también ha sido concebida y estudiada para ser utilizada como propulsora de generadores de energía eléctrica, con el fin de bajar los altos costes energéticos que suponen estos en la actualidad. El conjunto puede ser instalado en instalaciones fijas (naves convencionales) y también puede estar acoplado sobre una plataforma rodante o un camión para ser utilizado como generador móvil.
Parte de una fuente de alta presión, como puede ser un depósito de líquido a presión, por ejemplo, por altura hidrostática, o una bomba y comprende dos o más cilindros hidráulicos o neumáticos de alto rendimiento conectados a la fuente de alta presión y a un depósito de baja presión.
Los cilindros tienen sendos pistones conectados a un cigüeñal, a su vez conectado a un generador que alimenta una bomba de elevación de la presión del líquido del depósito de baja presión. El generador tiene una salida para recuperar ese trabajo además de la derivación a la bomba.
El líquido a presión puede provenir de unas centralitas hidráulicas o neumáticas, las cuales son accionadas mediante una fuente externa de energía, por ejemplo un grupo de baterías, o de la red eléctrica, o de motores eléctricos, preferiblemente, o mediante motores de combustión interna.
Las centralitas pueden ser más o menos simples o complejas. Los fluidos con los que pueden funcionar son: agua, mezcla de agua y glicol, aceite mineral, emulsión de agua y aceite, derivados de distintos tipos de siliconas liquidas, etc. Se prefieren los derivados de distintos tipos de siliconas liquidas ya que en caso de que ocurra alguna fuga o derrame de líquido la una máquina, estas siliconas no resultan ser tóxicas ni perjudiciales para el medio ambiente. También se prefieren los fluidos a base de agua y glicol cuando la máquina de la presente invención se emplea en empresas alimentarias, ya que tanto si se da alguna fuga o no, estos líquidos resultan no ser tóxicos para los trabajadores ni para los alimentos ni contaminantes con el medio ambiente.
Las centralitas suministran fluido a presión, en este caso, a los cilindros de alto rendimiento que accionan y hacen girar un cigüeñal que a su vez acciona un generador eléctrico que está acoplado en un extremo final de dicho cigüeñal, generando así una
corriente eléctrica; no obstante, el cigüeñal puede estar acoplado directamente a la propulsión de embarcaciones, al accionamiento de grandes bombas de fluidos, o como propulsor de bombas de agua en desalinizadoras y centros de bombeo para agricultura.
Preferiblemente, la máquina también comprende una reductora entre el cigüeñal y el generador.
Preferiblemente el conjunto está en una carcasa abierta, sobre la que el cigüeñal está portado por rodamientos partidos y/o por rodamientos con grasa, cerrados herméticamente.
Otras soluciones particulares se incluyen en las reivindicaciones dependientes y se describen en detalle más adelante.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, se acompaña un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente.
La figura 1: Es un esquema de un ejemplo de realización.
La figura 2: Es un esquema de un segundo ejemplo de realización.
La figura 3: Es una vista general del cigüeñal en su bancada, según un ejemplo de realización.
La figura 4: Es un ejemplo de cigüeñal A) en despiece, B) montado.
La figura 5: Es un ejemplo de muñequilla de unión del pistón al cigüeñal.
La figura 6: Es un ejemplo de muñón de bancada.
La figura 7: Es un ejemplo de conexión trifásica del generador y la bomba.
La figura 8: Es un ejemplo de cilindro A) en vista en perspectiva, B) en sección.
MODOS DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
A continuación se pasa a describir de manera breve un modo de realización de la invención, como ejemplo ilustrativo y no limitativo de ésta.
En la figura 1 se aprecia un ejemplo del sistema, que parte de una fuente de alta presión, en este caso un depósito (1) de fluido, normalmente agua, que está a presión o en altura. Por ejemplo, puede ser un salto eléctrico, un depósito profundo, de forma que la parte inferior tiene una gran altura hidrostática. El depósito (1) posee una salida hacia dos o más cilindros (3), con sendos pistones (4) conectados a un cigüeñal (5).
Cada cilindro (3) tiene una entrada de fluido desde el depósito (1) y una salida hacia un depósito de baja presión (2). Así, el líquido entra en la cámara del cilindro (3), impulsa el pistón (4) y provoca el giro del cigüeñal (5). Los demás cilindros (3) producen el retorno del pistón (4) y la evacuación del líquido para reiniciar el ciclo. Preferiblemente se disponen tres cilindros (3) desfasados 120° en el cigüeñal (5).
Generalmente, todo el conjunto puede estar montando en un chasis o una bancada, lo suficientemente resistente para que esté sometido a diferentes tipos de fuerza. Los cilindros (3) se fijarán al chasis mediante una base con taladros pasantes para tornillos de fijación a un refuerzo en el chasis. En esa base se disponen orejetas de fijación del extremo del cilindro (3) mediante un pasador que hace de eje de la articulación.
Los cilindros (3) son uno de los componentes principales de esta invención. Tiene como misión convertir el caudal de fluido a presión, que recibe de la válvula distribuidora y que ésta, a su vez, recibe de la fuente de alta presión, creando un movimiento de entrada y salida de su vástago, en un movimiento lineal alternativo.
Consta en su interior de un pistón (4) con sellos en su perímetro para independizar ambos lados al contactar con la camisa. Se ha de considerar que el cilindro (3) puede tener doble acción, de forma que el fluido entra a ambos lados del pistón que remata el vástago.
Para coordinar la entrada y salida de fluido de los cilindros (3), se puede usar una centralita electrónica, un autómata de control, un árbol de levas u otro sistema que abra y cierre las consiguientes válvulas (11) de conexión a los cilindros (3), sin que sea relevante el método utilizado. Las válvulas (11) serán generalmente electroválvulas con una bobina de accionamiento, por ser la solución más sencilla (figura 8).
Uno o más imanes en los pistones (4) pueden asistir en el control de la apertura y cierre de la entrada y salida a cada cilindro (3). Cuando un sensor magnético en la camisa respectiva detecta el paso produce la apertura o cierre correspondiente.
El cigüeñal (5) está conectado a un generador (6), normalmente a través de una reductora (7) que reduce las revoluciones por minuto a cambio de aumentar el par. Este generador (6) produce la correspondiente energía eléctrica, generalmente alterna y trifásica, pero puede también producir electricidad en corriente continua. Es preferible disponer un volante de inercia (9) para estabilizar la salida de potencia conectado al cigüeñal (5), antes o después de la reductora (7). Igualmente se puede instalar uno o más embragues para desconectar los elementos.
La conexión del cigüeñal (5) a la reductora (7) o al generador (6) se realizará normalmente por machihembrado.
El generador (6), preferiblemente trifásico, tendrá rendimientos elevados, fácilmente superiores al 90%, estando disponibles en el comercio generadores (6) con rendimientos del 97%.
Para iniciar el funcionamiento del sistema puede ser necesario un impulso externo, generalmente una máquina eléctrica (10) que ayude al generador (6) a alcanzar las revoluciones necesarias para la producción óptima de electricidad. El generador (6) alimenta a una bomba (8) de reposición del líquido al depósito (1) a partir, normalmente, del depósito de baja presión (2).
La fuente eléctrica para el arranque inicial de la máquina puede provenir de la red de donde está instalada, de baterías recargables, del vehículo de arrastre de la plataforma donde está instalada. Las fuentes también pueden ser renovables.
Una vez el sistema funciona a pleno rendimiento, se puede desconectar la máquina eléctrica (10). Por otro parte, el generador (6) puede no conectarse a la bomba (8) hasta que el sistema está en régimen de trabajo. Este régimen de trabajo se puede detectar según las revoluciones por minuto del cigüeñal (5), del generador (6) o midiendo la potencia eléctrica de salida de éste.
El generador (6) puede ser sustituido por una máquina como una bomba, una transmisión de un vehículo (buque, tren, camión...) con la correspondiente caja de cambios o equipo similar.
El líquido fluye a los cilindros (3), al depósito de baja presión (2) y de vuelta al depósito (1) por medio de tuberías y una serie de válvulas automáticas, electroválvulas, sensores y otros componentes de regulación, como las que necesita un circuito hidráulico para su correcto funcionamiento.
Se ha de considerar que el sistema puede tener varios elementos de cada tipo: varios depósitos (1), varios generadores (6 ) . sin que se salga de la invención si no se modifica el funcionamiento aquí descrito.
En la figura 2, se aprecia que la bomba (8) está directamente conectada a los cilindros (3), a través de válvulas (11), sin que sea necesario el depósito (1). La propia bomba (8) hace de fuente de alta presión.
En cuanto a la construcción, se pueden utilizar dos o más tipos de materiales. Por ejemplo: fabricar en acero los muñones de apoyo que van sobre la bancada de soporte de todos los elementos y en titanio los muñones o muñequillas donde van solidarios o enroscados las puntas del vástago del pistón de cada cilindro. Este sistema permite eliminar una parte dañada del cigüeñal sin la necesidad de desechar todo.
La bancada (12), o chasis, representada consta principalmente de una estructura horizontal (121) formada por perfiles metálicos de un grueso calculado, para formar un armazón soldado de forma rectangular (figura 3). Unos perfiles interiores taladrados sirven de apoyo a una serie de soportes (122) del cigüeñal (5). Cada soporte (122) posee forma trapezoidal con perfiles de acero reforzados, y se remata en muñones de
bancada (123) de agarre del cigüeñal (5). Por otro lado, la bancada (12) sirve de apoyo a los cilindros (3), por medio de orejetas (124).
Dado que las condiciones de funcionamiento son más sencillas, principalmente temperatura y presión de operación, los materiales pueden ser ligeros, de forma que la máquina pierde poca energía en su movimiento.
Así, como se aprecia en la figura 4, el cigüeñal (5) puede estar formado por piezas ensambladas, de forma que la reparación es sencilla y el montaje y la manipulación no requiere maquinaria complicada. Esto permite, por ejemplo, que las zonas de mejores condiciones de trabajo pueden ser de materiales menos resistentes, más ligeros.
La conexión de las diferentes piezas del cigüeñal (5) se realizará por machihembrado. Estas piezas tendrán elementos excéntricos (dientes, lóbulos...) que aseguren la transmisión del par entre la parte macho (eje estriado macho) y la hembra. Igualmente, aunque es menos preferido, pueden fijarse entre sí por pasadores o tornillos que atraviesan orificios transversales alineados.
Las barras de conexión de cada cilindro (3) al cigüeñal (5) pueden ser desmontables, estando acopladas por un machihembrado estriado a los brazos del cigüeñal (5). Cualquier holgura se puede cerrar con una arandela y una tuerca de apriete y agarre de un tornillo pasante de fijación.
Otro de los puntos a favor de la máquina sería la utilización de rodamientos en las muñequillas (13) de conexión de los cilindros (3) al cigüeñal (5), y en los muñones de bancada (123) y de vástago del cilindro, los cuales pueden ser rodamientos partidos. Este tipo de rodamientos puede ser sustituido una vez dañado, sin tener que desmontar el cigüeñal. Así se disminuye así el tiempo de reparación y la mano de obra.
En las figuras 5 y 6 se aprecian sendos ejemplos de muñequillas (13) y de muñones de bancada (123). Ambos poseen rodamientos (131) partidos (representados en sus dos formas, desacoplados y acoplados) y retenes (132) que impiden la salida de grasa del interior del elemento. Los rodamientos (131) y retenes (132) están dispuestos en ranuras apropiadas en cada mitad del elemento correspondiente.
La función de estos retenes (132) es impedir la entrada de polvo y humedad en la muñequilla (13) o muñón de bancada (123) y, a la vez, impedir la salida de grasa al exterior.
En los rodamientos se puede incluir sendos sensores de temperatura, con el fin de tener controladas las condiciones de trabajo de cada rodamiento.
Cuando se utilizan rodamientos con grasa, cerrados herméticamente para no tener que engrasar durante toda su vida útil de trabajo, no necesita "cárter de aceite”, quedando el cigüeñal accesible totalmente a los operarios para su control y cualquier tipo de reparación.
Otra de las ventajas de utilizar rodamientos, en vez de un cárter, es la posibilidad de incorporar sensores de temperatura en cada rodamiento.
La cantidad de muñones de apoyo de bancada y de muñequillas va en proporción a los cilindros (3) que van a accionar el cigüeñal (5). Como ejemplo con cuatro cilindros (3), el cigüeñal (5) montado tiene cuatro muñequillas.
En la figura 7 se muestra un ejemplo de alimentación eléctrica. A partir de una línea trifásica (RST), se dispone dos series de contactores accionados por sendos solenoides (14) o grupos de solenoides. Estos contactores permiten alimentar la bomba (8) desde el generador (8) o de la red, según la potencia generada, relacionada con las revoluciones del cigüeñal (5). Cuando se detecta que la potencia o las revoluciones son las deseadas, se modifica la conexión, cambiando el estado de todos los conectores.
Claims (6)
1. Máquina hidráulica o neumática, que parte de una fuente de fluido a alta presión, caracterizada por que comprende dos o más cilindros (3) conectados a la fuente de alta presión y a un depósito de baja presión (2), teniendo los cilindros (3) sendos pistones (4) conectados a un cigüeñal (5), a su vez conectado a un generador (6) que alimenta una bomba (8) de elevación de la presión del fluido del depósito de baja presión (2).
2. Máquina hidráulica o neumática, según la reivindicación 1, caracterizada por que comprende una reductora (7) entre el cigüeñal (5) y el generador (6).
3. Máquina hidráulica o neumática, según la reivindicación 1, caracterizada por que el cigüeñal (5) está portado por rodamientos partidos.
4. Máquina hidráulica o neumática, según la reivindicación 1, caracterizada por que el cigüeñal (5) está portado por rodamientos con grasa, cerrados herméticamente.
5. Máquina hidráulica o neumática, según la reivindicación 1, caracterizada por que el cigüeñal (5) está conectado a un volante de inercia (9).
6. Máquina hidráulica o neumática, según la reivindicación 1, caracterizada por que el cigüeñal (5) es desmontable.
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