ES2227756T3 - Dispositivo para el suministro de vapor al aire de admision que se suministra a una maquina de combustion interna. - Google Patents

Abstract

SE DESCRIBE UN PROCEDIMIENTO PARA INYECTAR VAPOR EN EL AIRE DE ADMISION QUE ALIMENTA UNA MAQUINA DE COMBUSTION INTERNA. EL DISPOSITIVO LLEVA UN SISTEMA DE HUMEDECIMIENTO EN FORMA DE DEPOSITO HORIZONTAL QUE ES ATRAVESADO POR EL AIRE DE ADMISION Y DE UN LIQUIDO QUE SE TRATA DE EVAPORAR, A CORRIENTE CRUZADA Y/O EN EL MISMO SENTIDO. AL ESTAR REALIZADO EL DISPOSITIVO DE HUMEDECIMIENTO COMO DEPOSITO HORIZONTAL, EL SISTEMA RESULTA ESPECIALMENTE PLANO. EL PRINCIPIO DE FLUJO CRUZADO Y/O EN EL MISMO SENTIDO EN EL SISTEMA DE HUMEDECIMIENTO ASEGURA UN BUEN GRADO DE RENDIMIENTO DE GENERACION DE VAPOR.

Description

Dispositivo para el suministro de vapor al aire de admisión que se suministra a una máquina de combustión interna.

La presente invención se refiere a un dispositivo para el suministro de vapor al aire de admisión que se suministra a una máquina de combustión interna con las características del preámbulo de la reivindicación 1.

Un dispositivo conformado de esta manera se conoce del documento WO 95/23286. Mediante el suministro de vapor al aire de admisión se reduce drásticamente el nivel de las emisiones de óxido de nitrógeno en una máquina de combustión interna, así como se eleva al mismo tiempo el grado de aprovechamiento del combustible. Mediante una evaporación directa del líquido en el aire obtenido de admisión es posible como ventaja especial obtener una autorregulación de la cantidad de vapor en el aire de admisión, de manera que por tanto no es necesaria ninguna regulación separada de la cantidad de aire en el aire de admisión.

En el dispositivo conocido, el precalentador está conectado bien al agua de refrigeración o a los gases de escape de la máquina de combustión interna, para transmitir la energía que se encuentra en el agua de refrigeración o en los gases de escape al líquido.

En cuanto a lo relacionado a la conformación del mecanismo de humectación en el dispositivo conocido, éste está conformado como torre de humectación, que el aire de admisión y el líquido recorren en direcciones opuestas, es decir a contracorriente, introduciéndose en la torre de humectación el líquido en el extremo superior y el aire de admisión en el extremo inferior. El líquido se dispersa a través de un inyector en la torre de humectación en una niebla que se precipita hacia abajo a través de la torre de humectación y a la vez fluye el aire de admisión comprimido y con ello calentado que fluye hacia arriba a través de la torre de humectación. Con esto una parte de la humedad se evapora y acompaña al aire de admisión fuera de la torre de humectación hacia la cámara de combustión de la máquina de combustión interna, por ejemplo un motor diesel con turboalimentador.

La evaporación del líquido en una mezcla gaseosa de esta manera trae consigo la ventaja de que tiene lugar con temperatura fundamentalmente más bajas como en el caso en el que sólo hay agua presente. Cuando tiene lugar una fuerte evaporación con una temperatura relativamente baja, es posible emplear para el proceso de evaporación energía de bajo nivel, que por ejemplo puede tener su origen en el agua de refrigeración y /o en los gases de escape de la máquina de combustión interna. Como se ha mencionado el mecanismo de humectación está conformado en el dispositivo conocido como torre de humectación, es decir como contenedor de pie. Esta forma de construcción del mecanismo de humectación se adecua especialmente bien para la conducción del aire de admisión y del líquido en la contracorriente. Una forma de construcción de este tipo del mecanismo de humectación puede, sin embargo, conducir a veces a problemas de espacio, en particular en condiciones estrechas como se pueden encontrar por ejemplo en barcos.

Del documento US 1854607A se conoce un mecanismo de refrigeración por agua para una máquina de combustión interna en el que el agua de refrigeración se rocía en la corriente de aire de la máquina de combustión interna para su refrigeración. Una parte del aire de admisión humedecido de esta manera es suministrado al carburador de la máquina de combustión interna. El mecanismo de humectación está conformado en este dispositivo como tubo, a través del que fluye el aire de admisión y en el que está dispuesto un tubo interior que presenta perforaciones a través de las que el agua de refrigeración es rociada en el aire de admisión.

Del documento WO 94/29579A se conoce un refrigerador para la refrigeración del aire procedente del compresor, en el que en el dispositivo de humectación se rocía para refrigerar agua a contracorriente en el aire procedente del compresor. Un aglomerador y un colector de gotas están montados a continuación del mecanismo de rociado. El mecanismo de humectación está conformado aquí como contenedor en estado vertical.

La invención tiene como objetivo crear un dispositivo del tipo indicado al comienzo, construido en relación a sus dimensiones en altura de manera especialmente compacta.

Este objetivo se consigue conforme a la invención con un dispositivo del tipo indicado mediante las características caracterizadoras de la reivindicación 1.

Mediante la forma de construcción yacente del mecanismo de humectación se eliminan los problemas de espacio mostrados previamente. Se ha determinado conforme a la invención que una forma de construcción yacente de este tipo se adecua sólo condicionadamente para una conducción de contracorriente del líquido y del aire de admisión, ya que aquí resulta un rendimiento relativamente peor en relación con la producción de vapor. Esto es comprensible, ya que en una forma de construcción yacente en una conducción a contracorriente el líquido es guiado paralelamente al eje longitudinal del contenedor yacente, sin embargo, mediante la gravedad desciende relativamente rápido hacia el fondo del contenedor, de manera que sólo está presente un breve trayecto de contacto entre el líquido y el aire de admisión. Para evitar en la producción de vapor este rendimiento relativamente mínimo, la solución conforme a la invención propone además que el contenedor yacente sea recorrido por el aire de admisión y por el líquido en corriente cruzada y /o corriente paralela.

Cuando se habla aquí de un "contenedor yacente", se quiere decir con ello también posiciones de contenedor mínimamente inclinadas que alcanzan hasta una posición de 45º con la horizontal.

Con "corriente cruzada" (cross-flow) se quiere decir que el líquido y el aire de admisión se encuentran bajo un ángulo que preferentemente asciende a 90º, sin embargo también puede desviarse de esto y por ejemplo puede estar en una región entre 45º y 135º en relación a la dirección de corriente del aire de admisión, si se parte de un recorrido horizontal de la corriente del contenedor. Naturalmente también puede desviarse mínimamente la dirección de corriente del aire de admisión de la horizontal.

Con "corriente paralela" se quiere decir que el aire de admisión y el líquido en esencia recorren el contenedor en esencia paralelamente, siendo aquí también posibles desviaciones de la paralelidad hasta un ángulo de 45º con respecto a la dirección de la corriente del aire de admisión.

En una corriente cruzada ideal, es decir con un líquido introducido por arriba en el contenedor y un aire de admisión que recorre el contenedor horizontalmente, el trayecto de contacto entre los dos medios se corresponde como máximo con la altura del contenedor. Mediante el aire de admisión que se encuentra con el líquido introducido se arrastra, sin embargo, el líquido en la dirección longitudinal del contenedor, de manera que el trayecto real de contacto es más largo. Mediante esto se logra un rendimiento relativamente bueno.

Con la corriente paralela, en la que el líquido y el aire de admisión son guiados paralelamente uno hacia el otro en la misma dirección a través del contenedor yacente, no surgen los problemas que tienen lugar con una conducción de corriente cruzada, ya que el líquido introducido es arrastrado por la corriente de aire admisión y conducido a través de la longitud del contenedor, de manera que resulte aquí un trayecto de contacto relativamente largo que conduce a un buen rendimiento.

En los dos casos se consigue en cualquier caso una forma de construcción que ahorra espacio en relación a la altura del dispositivo, sin que comparado con el estado de la técnica se tenga que aceptar un empeoramiento del rendimiento en la formación de vapor.

El mecanismo de humectación presenta al menos un bloque de cuerpo de relleno. Con ello se continúa incrementando la eficacia de humectación. Materiales apropiados de cuerpo de relleno son conocidos y no tienen que ser enumerados en detalle en este lugar.

Convenientemente están dispuestos en la dirección de la corriente de aire uno detrás de otro varios bloques de cuerpo de relleno en el contenedor. En una conducción de corriente en la corriente cruzada, cada bloque de cuerpo de relleno puede ser solicitado desde arriba a través de un inyector pertinente con una niebla correspondiente de líquido. Estos bloques de cuerpo de relleno dispuestos uno detrás de otro son recorridos por el aire de admisión en dirección horizontal, teniendo lugar en cada región de bloque de cuerpo de relleno una correspondiente evaporación de líquido. En esta forma de realización resultan adicionalmente posibilidades de control, ya que, en caso de que se desee, hacer funcionar a mínimo potencia o detener determinados bloques de cuerpo de relleno.

El contenedor está equipado además con un colector de gotas en la región del lado de descarga del contenedor y después del bloque del cuerpo de relleno.

En una variante de la invención presenta el mecanismo de humectación al menos un inyector conectado a la primera conexión para la distribución del líquido en el contenedor. Este inyector está dispuesto, dependiendo de la conducción de la corriente (corriente cruzada o corriente paralela), en la región superior o en la región delantera (región de entrada) del contenedor yacente. El líquido se rociará en forma de niebla con ayuda del inyector que se precipita hacia abajo, entrando en contacto aquí con el aire de admisión y se recolecta en el fondo del mecanismo de humectación. Partiendo de esto puede ser conducido de vuelta a través de un conducto hacia un tanque de líquido, del que se extrae el líquido también.

Ya que el contenedor en forma de construcción yacente posee convenientemente una longitud relativamente grande se ha mostrado como especialmente favorable, en la conducción del líquido en corriente cruzada, disponer varios inyectores en la región superior del contenedor en dirección de la corriente del aire de admisión una detrás de otra, de manera que al aire de admisión en su camino a través del contenedor en secciones correspondientes del contenedor siempre se le suministra nuevo líquido. De esta manera puede evaporarse una cantidad especialmente de líquido.

En cuanto al líquido empleado se trata preferentemente de agua, de manera que al aire de admisión de la máquina de combustión interna se le suministra vapor de agua. Naturalmente se puede evaporar en lugar de agua también cualquier otro líquido deseado y apropiado. También el inyector que dispersa el líquido puede por ejemplo ser sustituido por una disposición a través de la que o mediante la que, dependiendo de su forma de realización, fluya el líquido hacia el fondo del mecanismo de humectación.

Además en relación a otros detalles del dispositivo se toma como referencia el documento WO 95/23286 mencionado previamente, cuya publicación se elabora con referencia a la presente solicitud.

La invención se explica a continuación en detalle a partir de dos ejemplos de realización en unión con el dibujo. Muestra la:

Figura 1 una representación esquemática de una máquina de combustión interna con un dispositivo conectado a ella para el suministro de vapor al aire de admisión conforme a una primera forma de realización de la invención; y

Figura 2 el mecanismo de humectación de un dispositivo para el suministro de vapor al aire de admisión de la máquina de combustión interna conforme a una segunda forma de realización de la presente invención.

La figura 1 muestra una máquina de combustión interna 1 con seis cilindros 2. En cuanto a la máquina de combustión interna se trata de un motor diesel con turboalimentador. El turboalimentador comprende una turbina 3, que está conectada al lado de los gases de escape del motor 1 a través de un conducto de gases de escape 4. La turbina está unida a través de un árbol 5 a un compresor 6 e propulsa a éste para comprimir el aire suministrado al motor 1 en el lado de admisión del mismo a través de un primer conducto de aire 7. Entre el compresor 6 y el motor 1 está dispuesto un mecanismo de humectación 8 que sirve para suministrar vapor de agua al aire de admisión antes de que este sea suministrado a través de un segundo conducto de aire 9 al motor. El vapor de agua se produce de agua de un tanque 10, que se suministra al mecanismo de humectación 8 a través de un intercambiador de calor 11. En el intercambiador de calor 11 se calienta el agua mediante el agua de refrigeración del motor que circula a través de un conducto 12 a través del intercambiador de calor 11 y se calienta.

A partir de ahora se explicará la conformación del mecanismo de humectación 8. Éste está conformado como contenedor yacente. Está dividido en dirección de su eje longitudinal en tres compartimentos que contienen respectivamente un bloque de cuerpo de relleno 18, por tanto en la dirección de corriente del aire de admisión, es decir en la figura 1 de izquierda a derecha, están dispuestos tres bloques de cuerpo de relleno 18 uno detrás de otro.

En la región terminal, a la izquierda en la figura 1, del contenedor se encuentra una conexión para el conducto de aire de admisión 7 procedente del compresor 6. A través de esta conexión se introduce aire de admisión comprimido y calentado en el contenedor, de manera que aquél recorre éste aproximadamente de forma horizontal y paralela a su eje longitudinal.

En la región superior del contenedor se encuentran tres conexiones para el conducto de agua 16 procedente del intercambiador de calor 11. Estas conexiones conducen a tres inyectores 17, encontrándose cada inyector respectivamente por encima de un bloque de cuerpo de relleno 18. El agua suministrada se distribuye a través de los inyectores 17 en forma de niebla que fluye a través del correspondiente bloque de cuerpo de relleno 18 y a la vez entra en contacto con el aire de admisión que recorre horizontalmente el bloque de cuerpo de relleno. Mediante esto una parte de la niebla de agua se evapora y es conducida con el aire de admisión, que a través de una salida, dispuesta en la figura 1 en la región terminal derecha del contenedor, llega al conducto 9, con el que el aire provisto de vapores se suministra a la máquina de combustión interna.

La parte de agua no evaporada se colecta en el fondo del contenedor y se conduce a través de un conducto 13 hacia un tanque 10. Desde este tanque se conducirá el agua al intercambiador de calor 11.

Con ello en el mecanismo de humectación 18 se encuentran entre sí agua calentada y aire de admisión calentado y comprimido en corriente cruzada.

El dispositivo funciona de la siguiente manera:

El aire de admisión se comprime en el compresor 6 que es propulsado a través del árbol 5 por la turbina 3 que a su vez es propulsada por los gases de escape del motor 1. El aire de admisión comprimido y con ello calentado en la figura 1 se introduce por la izquierda en el mecanismo de humectación 8 y recorre éste en dirección horizontal. A la vez atraviesa él los bloques de cuerpo de relleno 18 previstos y es conducido a través del agua colectada en el fondo del mecanismo de humectación 8. El agua se toma del tanque 10 y se conduce a través del intercambiador de calor 11 hacia la parte superior del mecanismo de humectación 8, donde se rociará a través de los tres inyectores 17 sobre los bloques de cuerpo de relleno 18. Mientras que el agua se precipita hacia abajo a través de los bloques de cuerpo de relleno 18, fluye a través del aire de admisión que recorre horizontalmente los bloques de cuerpo de relleno. Una parte del agua se evapora y acompaña al aire de admisión fuera del mecanismo de iluminación 8 hacia la cámara de combustión del motor 1. En comparación con la corriente de agua que se evapora, se suministra por consiguiente una corriente de agua significativamente más grande al mecanismo de humectación. En consecuencia la energía de evaporación se extrae del agua real. Cuando la evaporación del agua se lleva a cabo en una mezcla de gas de esta manera, la evaporación tiene lugar a temperaturas esencialmente más bajas, como en este caso, en el que sólo hay agua presente. Esto implica que la evaporación está cerca del punto en el que se suministra el aire del mecanismo de humectación 8, tiene lugar a una temperatura muy baja y asciende a través del mecanismo de humectación 8 en la dirección de la corriente del aire de admisión con parte creciente de humedad y por tanto con una presión parcial creciente. Si una fuerte evaporación tiene lugar a una temperatura relativamente baja es posible emplear para el proceso de evaporación una energía de nivel más bajo. La energía de este tipo de nivel mas bajo se obtiene en grandes cantidades como calor excedente del motor 1 en el agua de refrigeración o en los gases de escape. Con ello el agua de refrigeración, los gases de escape o los dos pueden ser empleados para precalentar el agua en el intercambiador de calor 11, antes de que ésta se suministre al mecanismo de humectación 8.

Hay que mencionar todavía que el combustible se suministra al motor 1 a través de un conducto de combustible 14. Además el motor está conectado a un generador 15.

La figura 2 muestra otra forma de realización del dispositivo conforme a la invención, que se diferencia del dispositivo de la figura 1 sólo por un mecanismo de humectación 8 conformado de otra manera. En la figura 2 se muestra por ello sólo una parte de todo el dispositivo que se refiere al mecanismo de humectación 8.

También en la forma de realización de la figura 2 está conformado el mecanismo de humectación 8 como contenedor yacente. En esta forma de realización el contenedor del mecanismo de humectación 8 es recorrido por el aire de admisión comprimido y calentado y por el agua en corriente paralela. Como muestra la figura 2, los dos medios se introducen por la región terminal, a la izquierda en la figura 2, del contenedor en éste. A la vez el agua calentada a través del intercambiador de calor 11 se suministra a través del conducto 16 y llega a través de una conexión a un inyector 17 dispuesto en la región de la pared del contenedor, en la que el agua se distribuye como niebla rociada. Esta niebla rociada desciende hacia abajo y es arrastrada a la vez, sin embargo, por el aire de admisión que fluye hacia adentro. Mediante el contacto de los dos medios se evapora una parte del agua y fluye con el aire de admisión a través de un colector de gotas 19 dispuesto corriente abajo en el contenedor. A través de este colector de gotas se separan las gotas conducidas en la corriente de aire y no evaporadas, se recogen en la parte inferior del colector de gotas y llegan junto con el agua no evaporada en la parte restante del contenedor a través de un conducto de descarga 13 a un tanque de agua 10. De este tanque de agua 10, se extrae el agua suministrada a través del intercambiador de calor 11. El aire de admisión que conduce el vapor de agua es expulsado del contenedor a través del conducto 9 y suministrado a la máquina de combustión interna.

Claims (6)

1. Dispositivo para el suministro de vapor al aire de admisión que se suministra a una máquina de combustión interna (1) con un mecanismo de humectación (8) que posee una primera conexión al suministro de líquido hacia el mecanismo de humectación (8) y una segunda conexión al suministro de aire de admisión hacia el mecanismo de humectación (8), provocando el mecanismo de humectación (8) el suministro de vapor al aire de admisión mediante contacto del aire de admisión y el líquido entre sí, mientras éstos fluyen por el mecanismo humectador (8), con un precalentador, conformado mediante un intercambiador de calor (11) recorrido por agua de refrigeración o por los gases de escape de la máquina de combustión interna (1), para el líquido, que está conectado a la primera conexión del mecanismo de humectación (8) y precalienta el líquido antes del suministro al mecanismo de humectación (8), y con un compresor (6), conectado a la segunda conexión del mecanismo de humectación (8), para comprimir el aire de admisión, estando dispuesto en el mecanismo de humectación (8) al menos un cuerpo pasado por el aire de admisión y por el líquido, caracterizado porque el mecanismo de humectación (8) está conformado como contenedor alargado dispuesto de forma yacente y es recorrido por el aire de admisión, que pasa horizontalmente por el contenedor, y por el líquido en corriente cruzada y /o corriente paralela, porque el cuerpo es un bloque de cuerpo de relleno (18) recorrido por el líquido y el aire de admisión y porque en el contenedor está montado un colector de gotas (19) después del bloque de cuerpo de relleno (18).

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque el mecanismo de humectación (8) presenta al menos un inyector (17) conectado a la primera conexión para la distribución del líquido en el contenedor.

3. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque en la dirección de la corriente de aire están dispuestos varios bloques de cuerpo de relleno (18) uno detrás de otro.

4. Dispositivo según la reivindicación 2 ó 3, caracterizado porque están dispuestos alternativamente un rociado de los inyectores y un bloque de cuerpo de relleno uno detrás de otro.

5. Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el líquido para la humectación se descarga en su conjunto desde arriba sobre un bloque de cuerpo de relleno recorrido horizontalmente.

6. Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque varios bloques de cuerpo de relleno están instalados separadamente uno detrás de otro y son solicitados respectivamente por separado desde arriba con líquido.