ES2266794T3 - Obtencion de energia a partir del flujo de un fluido. - Google Patents
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Abstract
Aparato para la obtención de energía a partir de un flujo de fluido, comprendiendo dicho aparato: un motor que puede ser impulsado por un fluido (300); una disposición de direccionamiento de un fluido (100, 500) conformada para definir un canal en el flujo de un fluido primario, que dispondrá también de un estrangulamiento para la aceleración del flujo (100), conformado de manera que el fluido primario se acelere al pasar a través del estrangulamiento, y estando la disposición de direccionamiento del fluido, conformada para comunicar una componente de flujo rotacional al fluido primario que entra al estrangulamiento de aceleración del flujo y creando de esta manera, al pasar a través de dicho estrangulamiento de flujo, en el fluido primario un gradiente de presión radial; un conducto (200) para el direccionamiento del flujo de un fluido impulsor, siendo el fluido impulsor un fluido y el fluido primario fluidos diferentes, estando el conducto en comunicación fluida con el motor que puede ser impulsado por un fluido (300) y con una parte del canal que presente un flujo de fluido acelerado; en el que el flujo del fluido impulsor a través del conducto, mediante el flujo rotacional del fluido primario en el estrangulamiento de aceleración del flujo (100) actúa para accionar el motor que puede ser impulsado por un fluido (300), y el conducto (200) suministra a la disposición de direccionamiento de fluido impulsor, de manera que el fluido impulsor es arrastrado sustancialmente a lo largo del eje central del flujo rotacional; por lo que la disposición de direccionamiento del fluido comprende por lo menos un deflector de fluido (500, 510, 512, 522, 524) corriente arriba del estrangulamiento de aceleración del flujo, pudiéndose poner en funcionamiento dicho por lo menos un deflector de fluido para comunicar momento angular al fluido primario.
Description
Obtención de energía a partir de flujo de un
fluido.
La presente invención se refiere a aparatos para
la obtención de energía a partir de un flujo de fluido como puede
ser una corriente de marea.
La demanda energética va en aumento en todo el
planeta. Al mismo tiempo existe, sin embargo, una toma de conciencia
creciente acerca de la contaminación medioambiental debida a las
fuentes de energía tradicionales como la quema de combustibles
fósiles. En consecuencia, es deseable controlar las fuentes de
energía renovables como la energía existente en las corrientes
marinas o fluviales y en las corrientes de marea y emplear esta
energía obtenida para generar electricidad de una manera mucho menos
perniciosa para el medio ambiente.
Las instalaciones para la obtención de energía a
partir de corrientes de marea convencionales involucran turbinas
impelidas por propulsores. Dichas instalaciones adolecen del
inconveniente de que la parte mecánica, e incluso la eléctrica,
deben instalarse bajo el agua, en un entorno hostil propenso a
deterioros, y de difícil acceso y, por ello, su reparación, resulta
de elevado coste. Más aún, a menudo es necesario incorporar dichas
turbinas a una presa para proporcionar la carga hidrostática
necesaria (es decir, la diferencia del nivel de agua entre el
influjo y el reflujo del mecanismo de obtención de energía), y las
presas resultan económicamente caras y son medioambientalmente
perjudiciales.
Una solución a estas deficiencias se
proporcionaba en el documento WO 99/6620, en el que se describe un
dispositivo en el que un motor de impulsión por fluido, tal como una
turbina, está por encima del nivel del agua. Una parte de la
corriente de marea incidente se hace pasar por un canal que dispone
de un estrangulamiento para la aceleración del flujo, y la
circulación de un fluido por un conducto que conecta el motor con
una parte del canal cuyo flujo está acelerado hace funcionar el
motor. Sin embargo, la velocidad de la corriente de influjo en el
estrangulamiento es moderadamente lenta (aproximadamente 5 m/s), de
manera que sólo una turbina de agua a baja velocidad puede hacer
funcionar este dispositivo. El diámetro del estrangulamiento no
puede reducirse más para incrementar la aceleración del flujo sin
introducir pérdidas de energía por fricción inaceptables.
La solicitud de patente GB 0.206.623.1 en
trámite da a conocer un dispositivo en el que la turbina está de
nuevo dispuesta por encima del nivel del agua, pero es impulsada por
un fluido diferente del que circula por el estrangulamiento de
aceleración del flujo. Este sistema presenta la ventaja de que el
motor puede funcionar con aire comprimido (fluido de transmisión) en
lugar de con agua. Los turbogeneradores accionados por aire
comprimido a dos o tres atmósferas son mucho más económicos de
construir y mantener que las turbinas de agua de baja carga
hidrostática y presentan una capacidad de salida comparable debido a
su pequeño diámetro y su alta velocidad. La utilización de dichos
turbogeneradores accionados por aire elimina la necesidad de
numerosos soportes resistentes al agua y de una caja de engranajes.
El sistema de la aplicación en trámite utiliza dos circuitos de
impulsión, primario y secundario (de presión en dos etapas).
La introducción de un fluido de transmisión
gaseoso como el aire directamente en el circuito de impulsión
primario (es decir, el circuito del flujo de fluido que pasa por el
estrangulamiento de aceleración del flujo) es imposible en los
sistemas de obtención de energía conocidos. Ello se debe a que es
necesario generar unas presiones de succión elevadas para
suministrar aire directamente al canal de aceleración y generar una
presión diferencial lo bastante grande como para que la turbina
funcione satisfactoriamente. Se requiere realizar un trabajo para
llevar el fluido impulsor (aire) desde la superficie del agua hasta
el punto de entrada del estrangulamiento de aceleración del flujo
dispuesto más abajo. En particular, la presión de succión debe ser
superior a la presión hidrostática correspondiente a la profundidad
h a la que se encuentra el canal de aceleración del flujo. Las
elevadas presiones de succión requeridas son difíciles de conseguir
en un estrangulamiento de aceleración de fluido común (basado en el
efecto Bernoulli) con las relativamente lentas corrientes de marea
de las que se desea obtener la energía.
La presente invención proporciona un aparato
para la obtención de energía a partir de un flujo de fluido, que
comprende:
un motor de impulsión por fluido; una
disposición de direccionamiento de un flujo constituido por un canal
definido en el flujo de un fluido primario que dispondrá también de
un estrangulamiento para la aceleración del flujo, construido de
forma que el fluido primario se acelere al circular por el
estrangulamiento, y además la disposición de direccionamiento del
flujo, estará diseñado para comunicar una componente rotacional al
fluido primario que entrará al estrangulamiento de aceleración del
flujo y, al circular por dicho estrangulamiento, creará en el fluido
primario un gradiente de presión radial; un conducto para
direccionamiento del flujo de fluido impulsor, siendo el fluido
impulsor un fluido diferente del fluido primario, estando el
conducto en comunicación fluida con el motor y con una parte del
canal con el flujo de fluido acelerado; en el que la circulación del
fluido impulsor por el conducto, gracias a la componente rotacional
del flujo de fluido primario que circula por el estrangulamiento de
aceleración del flujo tiene como consecuencia la impulsión del
motor, y el conducto suministra a la disposición de direccionamiento
del fluido impulsor, que es empujado sustancialmente a lo largo del
eje central del flujo rotacional; por lo cual la disposición de
direccionamiento del fluido presenta por lo menos un deflector de
fluido corriente arriba del estrangulamiento de aceleración del
flujo, que comunique momento angular al fluido primario.
El aparato de la presente invención mitiga los
inconvenientes del procedimiento anterior y proporciona un sistema
capaz de introducir fluido impulsor directamente en el
estrangulamiento de aceleración del flujo, incluso a grandes
profundidades hidrostáticas, siendo el fluido impulsor un fluido
diferente del fluido primario. Ello se consigue gracias a una
disposición de direccionamiento del fluido operable que comunique
momento angular (es decir, flujo rotacional) al fluido primario al
entrar en el estrangulamiento de aceleración del flujo. El flujo
rotacional producido por la disposición de direccionamiento del
flujo juntamente con la reducción de presión inducida en el
estrangulamiento provoca en el fluido primario un efecto de
realimentación positiva que genera una reducción de presión
notablemente mayor que la que se consigue con el efecto Bernoulli
solamente, a lo largo de todo un camino de presión baja que se
corresponde con el eje de rotación del fluido en el
estrangulamiento. El fluido impulsor penetra a lo largo de todo este
camino de baja presión y efectúa su transmisión por todo el
estrangulamiento de aceleración del flujo. El fluido impulsor actúa
como impulsor del motor tras haber circulado por todo el
estrangulamiento de aceleración del flujo. Además, como la
disposición de direccionamiento del fluido comprende por lo menos un
deflector de fluido dispuesto corriente arriba del estrangulamiento
de aceleración del flujo, se consiguen ventajosamente la
estimulación de la formación de vórtices en el lugar adecuado y la
intensificación del flujo rotacional en el canal de aceleración del
flujo, lo que a su vez mejora la succión.
Es ventajoso que el deflector o los deflectores
de fluido sean una estructura estática. Ello evita la necesidad de
tener partes móviles bajo el agua y los elevados costes de
mantenimiento correspondientes.
Las formas de realización preferidas comprenden
un depósito colector de aire para recoger el fluido impulsor del
flujo saliente del estrangulamiento. Este simple mecanismo colector
de aire facilitado por el flujo rotacional del fluido primario que
pasa por el estrangulamiento permite obtener energía utilizando un
circuito menos complejo. También permite recircular el fluido
impulsor por una trayectoria sencilla en el flujo, desde la salida
del estrangulamiento hacia el motor y directamente hacia atrás para
la entrada del estrangulamiento.
A continuación se describen algunas formas de
realización de la presente invención a título de ejemplo, haciendo
referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
la Figura 1 es una vista esquemática de un
aparato para la obtención de energía para consumo a partir de un
flujo de fluido, según un primer ejemplo de forma de realización de
la presente invención;
la Figura 2 es una ilustración esquemática de un
volumen cilíndrico de fluido que muestra la velocidad de un flujo de
marea a lo largo del eje z al que se le ha comunicado una componente
de velocidad angular;
la Figura 3 es una vista esquemática de un
aparato para la obtención de energía para consumo a partir de un
flujo de fluido, según un segundo ejemplo de forma de
realización;
la Figura 4A es una vista esquemática de un
estator de palas en ángulo fijo correspondiente a un primer
dispositivo deflector adecuado para su utilización en el aparato de
la Figura 1;
la Figura 4B ilustra esquemáticamente la sección
de una única pala del estator de la Figura 4A;
la Figura 5 es una vista esquemática que ilustra
una vista en sección de un segundo dispositivo deflector;
la Figura 6 es una vista esquemática que ilustra
una vista en alzado del segundo dispositivo deflector de la Figura
5;
la Figura 7A es una vista esquemática de un
tercer ejemplo de forma de realización de la invención en la que se
utiliza una aleta para inhibir el movimiento rotacional más allá de
la garganta de la disposición de direccionamiento del fluido;
la Figura 7B ilustra esquemáticamente una vista
frontal de una sección transversal de un deflector de fluido del
aparato de la Figura 7A;
la Figura 7C ilustra esquemáticamente una vista
de una sección transversal del elemento inhibidor del movimiento
rotacional de la forma de realización de la Figura 7A;
la Figura 8 es una vista esquemática de un
cuarto ejemplo de forma de realización de la invención en la que la
disposición de direccionamiento del fluido presenta un afluente con
un deflector de fluido a cada extremo de la entrada de aire.
La Figura 1 es una vista esquemática de un
aparato para la obtención de energía para consumo a partir de un
flujo de fluido, según un primer ejemplo de forma de realización de
la presente invención. El aparato comprende una disposición de
direccionamiento del fluido 100, un conducto 200, un motor de
impulsión por fluido 300, un depósito colector de fluido 400 y un
par de deflectores de fluido 500.
La disposición de direccionamiento del fluido
100 es una estructura cilíndrica. En la vista en sección transversal
de la estructura cilíndrica mostrada en la figura 1, se puede
apreciar que la silueta de la pared interior de disposición de
direccionamiento del fluido parece un perfil aerodinámico. La pared
interior forma un canal por el que circula el fluido. El canal se
reduce para formar un estrangulamiento para la aceleración del flujo
por el que pasa el fluido afluente antes de ser expulsado corriente
abajo al final de la disposición de direccionamiento del fluido
cerca del depósito colector del fluido 400. Una disposición de
direccionamiento del fluido 100 que dispone de un estrangulamiento
para la aceleración del flujo se conoce como un "Venturi", ya
que su principio general de funcionamiento es parecido al del
contador Venturi que se utiliza para medir el ritmo de circulación
del flujo de fluido.
Debido a la continuidad, el volumen de fluido
que pasa a través de la relativamente ancha boca de acceso a la
disposición de direccionamiento del fluido 100 por unidad de tiempo
es igual al volumen de fluido que pasa a través de la parte estrecha
del canal (es decir, el estrangulamiento de aceleración del flujo)
por unidad de tiempo. De ello se deduce que la velocidad del fluido
al circular por el estrangulamiento es superior a la velocidad del
fluido al entrar en la boca de acceso a la disposición de
direccionamiento del fluido 100. Según el teorema de Bernoulli:
P + ½\rhov^{2} + \rhogh = constante,
siendo P la presión estática, v la velocidad del
fluido, \rho la densidad del fluido, g la aceleración de la
gravedad y h la altura por debajo de la superficie de
referencia (en este caso, el nivel del agua). De ello se deduce que
una disminución de la presión efectiva \rhogh en el
estrangulamiento provoca un aumento de la velocidad del fluido. Se
denominará flujo de fluido primario al flujo de fluido que circula
por la disposición de direccionamiento del fluido 100.
El teorema de Bernoulli se aplica en general a
sistemas cuyas líneas de corriente siguen un perfil de velocidades
de tipo laminar. Los perfiles de velocidades de tipo laminar se
originan a velocidades de flujo bajas en canales de pequeño
diámetro, mientras que en canales con velocidades de circulación del
flujo elevadas predominan los flujos turbulentos. Sin embargo, en un
estrangulamiento de un canal se reducirá la presión al aumentar la
velocidad media del fluido, incluso si los flujos que circulan son
turbulentos, tal como establece el teorema de Bernoulli. Ello se
debe a que la conservación del volumen del fluido requiere la
aceleración del flujo al reducirse el paso. Es posible demostrar,
tanto numéricamente como por experimentación directa, que el teorema
de Bernoulli es igualmente aplicable a sistemas con flujos
turbulentos como a sistemas con flujos de perfil de velocidades
laminares.
El conducto 200 proporciona un recorrido
diferente para el flujo de fluido de direccionamiento del flujo
impulsor. El fluido impulsor (que es aire en esta forma de
realización particular) se dirige por la parte 200a del conducto
hacia una entrada 200c cerca de la boca de acceso a la disposición
de direccionamiento del fluido. La entrada 200c proyecta el aire
hacia el estrangulamiento de aceleración del flujo en una
trayectoria sustancialmente axial. La entrada 200c formada por el
conducto está a una altura h por debajo de la superficie del agua.
El aire circula por el canal que forma la disposición de
direccionamiento del flujo 100, y se expande al pasar por la zona de
presión reducida en el estrangulamiento de aceleración del flujo. La
expansión del aire en el estrangulamiento provoca un incremento de
presión en el agua del entorno. El trabajo que realiza el fluido
primario de resistencia contra el aumento de presión debido al aire
en expansión transmite energía al aire y genera una carga de presión
hidrostática por toda la disposición de direccionamiento del flujo
100. El aire que sale por el estrangulamiento de aceleración del
fluido continuará circulando a lo largo de todo el eje del vórtice
durante un tiempo tras salir del estrangulamiento de aceleración del
fluido y alcanzará de este modo el depósito colector 400, en el que
será recogido para su circulación posterior hacia el motor de
impulsión por fluido 300. La componente rotacional en el flujo de
fluido primario que ya ha circulado por el estrangulamiento de
aceleración del flujo será finalmente eliminada por turbulencia en
la disposición de direccionamiento del fluido.
El aire comprimido circula junto con el fluido
primario (en este caso, agua) por el estrangulamiento de aceleración
y es recogido en el depósito colector 400. En esta forma de
realización particular, el depósito colector está adyacente a la
zona posterior de la disposición de direccionamiento del fluido 100
y recoge el fluido impulsor corriente abajo del estrangulamiento. El
depósito colector dispone de unas placas radiales que sirven para
eliminar, por lo menos en parte, la componente rotacional del fluido
impulsor entrante.
En formas de realización alternativas en las que
la zona posterior de la disposición de direccionamiento del fluido
sea lo suficientemente larga, el fluido impulsor puede recogerse por
una rendija en la parte superior de la zona posterior de la
disposición de direccionamiento del fluido que conduzca el fluido
impulsor hacia un depósito colector dispuesto más arriba por una
tubería de escape que conecte la rendija con el depósito colector.
En otras formas de realización alternativas, se dispone de una
cascada de bandejas colectoras dispuestas a diferentes niveles (es
decir, a distintas distancias del eje central de la disposición de
direccionamiento del fluido) que interceptan el fluido impulsor que
se eleva (por ejemplo, aire) al salir del estrangulamiento de
aceleración del flujo. Cada bandeja colectora está conectada a una
tubería vertical de calibre estrecho que se eleva desde la bandeja
colectora hasta un depósito colector común.
Haciendo referencia a la forma de realización de
la Figura 1, el aire comprimido del depósito colector 400 circula
hacia arriba por la parte 200b del conducto y a continuación es
conducido hacia la turbina 300. La turbina 300 es impulsada por el
flujo de aire que circula procedente del depósito colector 400 hacia
la entrada 200c por el estrangulamiento de aceleración del flujo. El
aire a la entrada de la disposición de direccionamiento del fluido
100 está a una presión P_{1} = P_{0} +
\rhogh - p, siendo P_{0} la presión
atmosférica, y p la presión de succión desarrollada en el
estrangulamiento. Por otra parte, la presión a la salida de la
disposición de direccionamiento del fluido es P_{2} =
P_{0} + \rhogh. En consecuencia, la presión del
aire a través de la turbina es \rhogh - (\rhogh -
p) = p. El aire es bombeado para abajo hacia la
entrada 200c a una presión P_{1} y vuelve a salir de la
disposición de direccionamiento del fluido a una presión
P_{2}. Dado que P_{2} > P_{1}, el
motor 300 puede funcionar gracias a la diferencia de presiones. Sin
embargo, la realización de la turbina depende del cociente de
presiones P_{2}/P_{1}, más que de la diferencia de
presiones. Un cociente de presiones P_{2}/P_{1} =
4 resulta adecuado, aunque la eficiencia se incrementa para
cocientes mayores.
Tal como se muestra en la figura 1, en el
Venturi se crea una carga de presión hidrostática. Dicha carga de
presión hidrostática se crea por la presencia de un obstáculo en el
agua. El obstáculo puede estar constituido por la propia disposición
de direccionamiento del fluido 100 (como en la forma de realización
de la figura 8 descrita más abajo). Sin embargo, en la forma de
realización de la Figura 1, la carga de presión hidrostática está
creada por un dique (no representada en la figura) situado corriente
arriba del Venturi.
La presión P_{1} a la entrada 200c
debería ser lo suficientemente alta para que el aire no llegue a
disolverse en el fluido. La presión a la entrada 200c puede ser
inferior a la presión atmosférica P_{0} (P_{0}
equivale aproximadamente a 10 m de columna de agua) debido a la
presión de succión p. A presión atmosférica, una cierta
cantidad de aire estará disuelta en el agua. Sin embargo, si se
reduce la presión a aproximadamente 0,25 atmósferas, por lo menos
una parte del aire disuelto escapará de la disolución. Si la presión
se sigue reduciendo a aproximadamente 0,15 atmósferas y su
temperatura es de aproximadamente 20º centígrados, el agua hervirá.
Para reducir la probabilidad de formación espontánea de burbujas de
aire (proceso conocido como "cavitación") la presión debería
ser por lo menos de 0,2 atmósferas (equivalente a 2 metros de
columna de agua). Ello significa que la presión P_{1}
debería ser equivalente a por lo menos 2 metros de columna de agua,
en cuyo caso p = (P_{0} + \rhogh -
2\rhog), siendo P_{0} = 1,013 \cdot 10^{5}
N/m^{2}, \rho_{agua} = 1.000 kg/m^{3}, g = 9,8
m/s^{2}; es decir, h_{1atm} =
P_{0}/\rhog = 10,34 m de columna de agua. Para el
funcionamiento satisfactorio de la turbina se requiere un cociente
de presiones por lo menos de 4. Si se satisface dicha condición, es
posible obtener energía eléctrica para consumo independientemente de
la profundidad a la que se encuentre el sistema Venturi, aunque
cocientes superiores a esta cifra mejoran la eficiencia de la
turbina.
Obsérvese que la succión es un valor de presión
negativa, por lo que un valor de succión de -0,6 bar correspondería
a una presión de 1-0,6 bar, si la succión se
aplicara a un volumen que de otro modo estaría a presión
atmosférica. Si el valor de succión fuese de -0,75 bar (1 bar es
aproximadamente una atmósfera), y el Venturi estuviera a una altura
h = 7,5 m por debajo del nivel del agua, la presión
hidrostática en el Venturi cancelaría exactamente la succión de aire
hacia el Venturi, de manera que no habría aire a la entrada que
pudiera realizar trabajo (asumiendo que el aire se pierde al salir
por la parte posterior del Venturi 100). En cambio, si el Venturi
estuviera justo debajo de la superficie del agua, la presión
hidrostática sería despreciable. En ese caso, se obtendría un
cociente de presiones (P_{2}/P_{1}) de 1/0,25 si
el aire fuera conducido hacia una turbina y a continuación
redirigido a la boca de entrada del Venturi para su
realimentación.
Si h = 12 m, la succión debe ser inferior
a 19,5 m, de lo contrario el aire escapará de la disolución (ya que
el valor de P_{1} será demasiado bajo). En este caso, el
aire a la entrada estará a 0,25 bar (es decir, 0,25 atmósferas o 2,5
m de columna de agua), mientras que el aire a la salida estará a
P_{2} = 10 m (presión atmosférica) + 12 m (profundidad
h) = 22 m. En consecuencia, el cociente de presiones será de
22/2,5.
Considérese un Venturi funcionando a la presión
de succión alcanzable solamente por efecto Bernoulli. Sea el
cociente del diámetro del Venturi en el punto más ancho del canal
respecto al diámetro del Venturi en el punto más estrecho (garganta)
del canal igual al valor típico 4. Si la velocidad de la corriente
de agua al pasar por la entrada del Venturi es v = 5 m/s (que
es una velocidad alta para una corriente de marea), la velocidad de
la corriente de agua al pasar por la garganta del Venturi será 20
m/s. La succión viene dada por 0,05v^{2} = 0,05 \cdot 400
= 20 m, que equivale aproximadamente a 2 atmósferas. Dado que 5 m/s
es una velocidad alta para una corriente de marea y que el obstáculo
que el Venturi presenta a la corriente de marea tenderá a reducir la
velocidad de la corriente, se apreciará que una presión de succión
de 2 atmósferas es un límite superior de la succión alcanzable por
efecto Bernoulli solamente. Pero una buena eficiencia de
transferencia de potencia requiere unas presiones de succión
superiores a 2 atmósferas. Claramente se necesitan unas presiones de
succión superiores a las que se obtienen por efecto Bernoulli
solamente.
En el dispositivo de la Figura 1 se alcanzan
unas presiones de succión altas gracias a la utilización de los
deflectores 500 que comunican momento angular a una parte del flujo
de marea entrante justo antes de que penetre en la disposición de
direccionamiento del fluido 100. La Figura 2 ilustra
esquemáticamente un volumen cilíndrico de fluido que se desplaza con
una velocidad de marea en la dirección del eje z al que se ha
comunicado una componente de velocidad angular \omega. Para
comunicar momento angular al volumen de fluido representado en la
Figura 2, se han empleado deflectores 500 como los que se aprecian
en la Figura 1. Sin embargo, los deflectores 500 son opcionales,
puesto que se observa que puede generarse una componente rotacional
del flujo espontáneamente en el canal del Venturi debida a pequeñas
inestabilidades en el fluido. La Figura 3, que se describe más
abajo, es un ejemplo de forma de realización basado en la formación
espontánea de vórtices.
En el ejemplo de la forma de realización
reflejado en la Figura 1, los deflectores 500 corresponden a un
estator con una disposición estática de palas en ángulo fijo, como
ilustra el esquema de la Figura 4. El estator es parecido en su
estructura a un turboventilador de un motor a reacción, aunque el
estator tiene menos palas. Cada pala presenta una forma casi
triangular con un muy pequeño ángulo ápice y dispone de un borde de
entrada 610 y de un borde de salida 620. La tubería de aire 220c
entra en el estator por una apertura central 630. La Figura 4B
ilustra esquemáticamente una única pala vista desde la base del
triángulo, con el ápice alejándose del ojo. Desde este punto de
vista la pala se parece a un corto arco de circunferencia de un gran
círculo, con su inicio en el borde de entrada 610 y su final en el
borde de salida 620 de cada pala. El fluido primario se acerca
inicialmente en paralelo a la superficie de la pala, pero enseguida
el arco de circunferencia modifica su trayectoria por un lado. De
este modo, el deflector comunica momento angular al fluido primario
que fluye a través de él. Las palas comunican momento angular
r\omega (siendo r el radio de la sección transversal circular del
fluido) al agua entrante y la obliga a girar solidariamente como si
de un sólido rígido se tratase (es decir, de un modo coherente, de
forma que la velocidad angular es constante para toda el agua que
entra en el sistema). Una ventaja de utilizar palas estáticas en
lugar de palas adjuntas a una turbina es que las palas fijas pueden
desengancharse y retirarse fácilmente del agua para su limpieza. La
limpieza es necesaria debido a la suciedad habitual del entorno
submarino en el que están instaladas las estructuras de los
dispositivos para la obtención de energía para consumo. En formas
de realización alternativas, se emplean deflectores sin palas con un
contorno adecuado. En una de estas formas de realización
alternativas, un objeto sólido se dispone de manera que obstruye el
paso del fluido primario que entra a la disposición de
direccionamiento del fluido 100. Si un objeto sólido como el
mencionado obstruye la mitad de la boca de entrada de la disposición
de direccionamiento del fluido, pero está a una cierta distancia de
la boca de entrada (es decir, a una cierta distancia corriente
arriba de la boca de entrada), la corriente tenderá a circular por
el estrangulamiento de aceleración del flujo paralelo al eje central
del estrangulamiento, pero únicamente por un lado. Ello transmite
una componente rotacional al fluido primario que entra en el
estrangulamiento de aceleración del flujo. Dado que los remolinos
giran de forma natural en el sentido de las agujas del reloj en el
hemisferio norte (debido al sentido de rotación de la Tierra), es
necesario determinar qué lado de la boca de entrada debe
bloquearse.
En la Figura 2, la corriente de marea entrante
se desplaza con una velocidad lineal v a lo largo del eje z.
Si se asume que no se producen pérdidas por rozamiento, la energía
cinética (y por lo tanto, la velocidad resultante v) del
volumen cilíndrico de agua antes y después de la modificación de su
trayectoria es la misma, aunque se reduce la componente axial de la
velocidad v_{rz} del volumen cilíndrico de agua, y adquiere
en cambio una componente tangencial de la velocidad v_{rt}.
Dado que la energía se conserva, se deduce que v^{2} =
v_{rz}^{2} + v_{rt}^{2}. La velocidad angular
del volumen cilíndrico de fluido hace que aparezca una fuerza
centrífuga en el sistema de referencia no inercial del fluido. La
fuerza centrífuga crea una presión diferencial, por lo que aumenta
la presión entre el centro del volumen cilíndrico y su
circunferencia.
Puede comprobarse fácilmente que el aumento de
presión debido a la fuerza centrífuga es igual a
v_{rt}^{2}/2g =
r^{2}\omega^{2}/2g para una distancia radial
r. Los deflectores 500 han obligado a toda el agua que entra
en la disposición de direccionamiento del fluido 100 a adquirir una
velocidad angular \omega por lo menos inicialmente en la boca de
entrada a la disposición de direccionamiento del fluido 100. Por lo
tanto, el aumento de presión debido a la fuerza centrífuga es mayor
en los puntos de la circunferencia, es decir, cerca de la pared
interior del canal formada por la boca de entrada a la disposición
de direccionamiento del fluido 100. A medida que el fluido progresa
por la parte del canal con flujo acelerado guiado por la influencia
de v_{rz}, el incremento de presión debido a la fuerza
centrífuga, de dependencia radial, mitiga por lo menos en parte, la
reducción de presión (asociada al efecto Bernoulli) debida al
aumento de v_{rz} inducido por la circulación del fluido
por el estrangulamiento de aceleración. Como consecuencia de ello,
la aceleración que experimenta el flujo de agua al circular por el
estrangulamiento, se reduce siguiendo una dependencia radial, según
la magnitud de la fuerza centrífuga a la distancia radial
correspondiente.
Los fenómenos competidores de gradiente de
presiones asociado a la fuerza centrífuga y reducción de presión
asociada al efecto Bernoulli en el estrangulamiento producen un
efecto de estrechamiento artificial del canal en la zona del
estrangulamiento. En consecuencia, el valor v_{rz} en los
puntos del eje central del vórtice es significativamente mayor que
el valor v_{rz} en las paredes del canal.
A continuación se considera qué le ocurre al
volumen cilíndrico del fluido en rotación de la Figura 2 al circular
por el estrangulamiento de aceleración del flujo de la disposición
de direccionamiento del flujo 100. Suponiendo que el volumen
cilíndrico de fluido gira solidariamente como un sólido rígido y si
se desprecian los efectos de cualquiera remolinos de segundo orden
que pudieran formarse, el momento angular debe conservarse a medida
que el diámetro del canal se reduce. Para un sólido rígido que gira
con una velocidad angular \omega, su momento angular es
proporcional a r^{2}\omega; si el momento angular se
conserva: r_{1}^{2}\omega_{1} =
r_{2}^{2}\omega_{2}. Puesto que el radio r se
reduce (r_{2} < r_{1}) a medida que el fluido
circula hacia el punto menos ancho del estrangulamiento de
aceleración del flujo, la velocidad angular debe incrementarse
(\omega_{2} > \omega_{1}) por conservación del momento
angular.
Por otro lado, la presión debida a la fuerza
centrífuga aumenta con la distancia radial y crea una resistencia al
movimiento del fluido que obliga a un desplazamiento del fluido
desde las zonas más externas del canal hacia el centro, a medida que
el canal se vuelve más estrecho. La reducción del momento de inercia
debida a este flujo de masa de fluido que se desplaza hacia el
centro del canal causa un aumento de la velocidad angular del fluido
(de forma análoga a lo que ocurre cuando una patinadora encoge sus
brazos hacia su cuerpo para conseguir aumentar su velocidad de giro)
por conservación del momento angular. Suponiendo que
r^{2}\omega es constante y puesto que la presión debida a
la fuerza centrífuga viene dada por
r^{2}\omega^{2}/2g, se deduce que la presión
debida a la fuerza centrífuga adopta una expresión del tipo
k\omega, en la que k es una constante. Y puesto que
\omega crece más para r pequeñas que para r grandes,
se deduce que la presión debida a la fuerza centrífuga también crece
más para r pequeñas.
En consecuencia, la comunicación de una
velocidad angular al fluido primario a la entrada de la disposición
de direccionamiento del fluido conduce a la formación de un vórtice
en el canal según un mecanismo de realimentación positiva por el que
el agua en rotación crea un efecto de bloqueo que es mayor a
distancias radiales mayores. Este efecto de bloqueo a su vez obliga
a la masa del fluido a desplazarse hacia el centro del flujo, lo que
reduce su momento de inercia y comporta un incremento de la
velocidad angular del fluido por conservación del momento angular.
Este aumento de la velocidad angular incrementa todavía más la
presión debida a la fuerza centrífuga cerca de las paredes del
estrangulamiento de aceleración del flujo (es decir, a distancias
radiales grandes).
El mecanismo de realimentación positiva progresa
hasta que (por lo menos en teoría) la presión a lo largo del eje es
prácticamente cero, de manera que no sería posible continuar
reduciendo la presión. El mecanismo de realimentación positiva
inducido al comunicar una velocidad angular al flujo de fluido en la
boca de entrada de la disposición de direccionamiento del fluido 100
origina de este modo una gran presión de succión a lo largo de todo
el eje del estrangulamiento de aceleración del flujo. Dicha gran
presión de succión se alcanza independientemente de cuál sea la
velocidad de la corriente primaria v y la profundidad
h a la que se encuentre el estrangulamiento de aceleración de
fluido. En el primer ejemplo de la forma de realización de la Figura
1, se emplean los deflectores de flujo de fluido 500 para comunicar
momento angular al fluido primario en la boca de entrada del
Venturi.
La comunicación de momento angular al fluido en
la boca de entrada del Venturi 100 incrementa significativamente la
presión de succión con respecto a la presión de succión que se
alcanzaría por efecto Bernoulli solamente (es decir, sin rotación
del fluido primario). Cuando el movimiento del fluido entrante
presenta una componente rotacional, es posible superar la presión
hidrostática a la entrada 200c con mayor facilidad, y el Venturi 100
puede colocarse a una profundidad h mayor sin tener que hacer
circular el aire hacia abajo hasta la entrada 200c del conducto con
la ayuda de una bomba auxiliar. Si el fluido impulsor (es decir, el
aire) se introdujera directamente en un flujo de fluido primario (es
decir, el agua) sin componente rotacional en la boca de entrada del
Venturi 100, el aire no se desplazaría hacia el eje del Venturi y
estorbaría la circulación del flujo de agua, que se volvería más
turbulento e incrementaría enormemente las pérdidas en la garganta y
en la zona posterior del Venturi 100.
Tal como se ha mencionado anteriormente, aunque
los deflectores 500 sirven para inducir deliberadamente la formación
de un vórtice en el estrangulamiento de aceleración del flujo
gracias al mecanismo de realimentación positiva, los deflectores no
son esenciales para lograr esa formación de un vórtice, ya que
incluso la presencia de pequeños desequilibrios en el flujo del
fluido primario que circula por el Venturi 100 puede bastar para
inducir el mecanismo de realimentación positiva. Por este motivo,
una forma de realización alternativa que no forma parte de la
invención comprende todos los componentes estructurales de la Figura
1, salvo los deflectores de flujo de fluido 500. En dicha forma de
realización, la parte del conducto de entrada de aire 200c estaría
colocada de manera que a la práctica coincidiría con el eje central
del vórtice formado en el Venturi 100. El eje central del vórtice
espontáneamente formado no debe coincidir necesariamente con el eje
central del estrangulamiento de aceleración del fluido en el
Venturi. No obstante, la simetría del canal de Venturi va a tener
una fuerte influencia en la formación espontánea del vórtice, en el
sentido de que si el canal presenta una sección transversal con
simetría rotacional, con mucha probabilidad el eje central del
vórtice y el del propio canal coincidirán. Es más, la posición de
la entrada del conducto 200c puede ajustarse in situ para
alinearla a la práctica con el eje central del vórtice y permitir
con ello la circulación del fluido impulsor por el Venturi. Sin
embargo, incluso aunque la entrada del conducto de aire 200c no
coincida exactamente con el eje de rotación del fluido primario, el
aire será siempre "comprimido" hacia el eje, debido a que el
efecto "de compresión" puede más que la capacidad de expansión
del aire. Ello se debe a que en el eje está siempre la presión más
baja, cuando el agua está en rotación.
La Figura 3 es una vista esquemática de un
aparato para la obtención de potencia para consumo a partir de un
flujo de fluido según un segundo ejemplo de forma de realización y
no forma parte de la invención. Esta segunda forma de realización es
un ejemplo más de forma de realización en la que no se emplean
deflectores de fluido para crear un fluido con componente
rotacional. Es más, en esta forma de realización el fluido impulsor
(aire) no se suministra a la boca de entrada del Venturi mediante un
tramo de conducto (200a, 200c en la Figura 1) alimentado por el
influjo de la turbina 300. En lugar de ello, la entrada de fluido
impulsor se debe a la formación espontánea de un remolino 120 que se
extiende desde la superficie del agua hasta la boca de entrada del
Venturi 100. Desde la atmósfera a ras de la superficie del agua se
succiona aire hacia el centro del remolino y las burbujas de aire
son arrastradas hacia abajo por el agua turbulenta del remolino
hasta la boca de entrada del Venturi 100, en la que son succionadas
por el estrangulamiento de aceleración de fluido hacia el depósito
colector 400. En la Figura 3 puede apreciarse que el radio
R_{V} del remolino en la superficie del agua es mucho mayor
que el radio del vórtice en la boca de entrada del Venturi. El flujo
de aire comprimido procedente del depósito colector a la salida del
Venturi 100 hasta una parte del conducto 200 y hacia la turbina 300
sirve para impulsar la turbina. Sin embargo, la forma de realización
de la Figura 3 se diferencia de la de la Figura 1 en la que el flujo
de aire comprimido procedente de la turbina 300 no se recircula de
nuevo hacia la boca de entrada al Venturi 100.
En formas de realización de la invención como la
que se ilustra esquemáticamente en la Figura 1 es probable alcanzar
una presión axial (es decir, la presión cerca del eje central del
vórtice) cercana a cero en el estrangulamiento de aceleración de
fluido en el Venturi 100 como resultado de la componente rotacional
del flujo de fluido, independientemente de la profundidad h
bajo la superficie del agua del dispositivo de direccionamiento del
flujo y del conducto para la entrada de aire 200c. El dispositivo
resulta por ello adecuado para funcionar a grandes profundidades.
Algunas formas de realización de la invención emplean el flujo de
agua con componente rotacional en el Venturi para lograr presiones
de succión altas, lo que significa que la presión a la salida de la
turbina será baja. Las presiones de succión altas alcanzables
significan que es factible un cociente de presiones
(P_{2}/P_{1}) de 4, incluso en condiciones de
grandes profundidades bajo el agua, manteniendo la eficiencia.
Algunas formas de realización de la invención
utilizan típicamente una única etapa de amplificación de presión, la
amplificación de presión que proporciona el estrangulamiento de
aceleración del flujo. El fluido impulsor (por ejemplo, aire) se
conduce directamente hacia el Venturi 100. El Venturi 100 no
requiere boquillas ni tubuladuras de entrada para funcionar
efectivamente, lo que reduce la resistencia del flujo. Dada la alta
velocidad a la que circula el fluido primario por el Venturi, en
estos sistemas es menos probable que la suciedad resulte un
problema.
El mecanismo de realimentación positiva inducido
por la combinación del estrangulamiento de aceleración del flujo y
el flujo con componente rotacional comunicada mediante la
disposición de direccionamiento del fluido proporciona un modo
realista de alcanzar la presión de succión requerida para el
funcionamiento eficiente de la turbina. Si la disposición de
direccionamiento del fluido 100 está ubicado a suficiente
profundidad, el fluido transmisor (en este caso, aire) estará a una
presión lo bastante alta como para ser utilizado para impulsar la
turbina 300. Si, por el contrario, la disposición de
direccionamiento del fluido está únicamente a una corta distancia
bajo el agua, el impulso efectivo de la turbina de aire 300 es
debido más a la succión creada que a la compresión del aire. Puesto
que la presión diferencial alcanzable por succión es
comparativamente pequeña (ya que el agua empieza a formar espuma y
presiones de succión aproximadamente 0,75 x 10^{5} N/m^{2}), una
turbina de aire como ésta tendría que trabajar sobre una presión
diferencial de aproximadamente 1 atmósfera, lo que no resultaría muy
eficiente. Por lo tanto, es preferible el funcionamiento del
dispositivo a profundidades significativamente por debajo del nivel
del agua (h >> 12 m), que su funcionamiento en aguas
poco profundas.
En general, la eficiencia de la disposición de
direccionamiento del fluido 100 está relacionada con su coeficiente
superficial. El coeficiente superficial es la razón entre la
superficie transversal en la parte más ancha del canal formado por
la dispositivo de direccionamiento de direccionamiento del flujo 100
y la superficie transversal en la parte más estrecha (es decir, la
garganta) del estrangulamiento de aceleración del flujo. Un
coeficiente superficial típico sería, por ejemplo, 3,5, con un
diámetro de 0,75 m la garganta. El coeficiente superficial se
seleccionará de manera apropiada siguiendo criterios de ingeniería,
pesos y costes. En general, a menor coeficiente superficial, mayor
eficiencia de la disposición de direccionamiento del fluido. Sin
embargo, el coeficiente superficial elegido para la mayor eficiencia
posible dependerá de la velocidad de la corriente del fluido de
entrada. Gracias al mecanismo de realimentación positiva inducido
por los deflectores del flujo 500, no se requiere una gran
diferencia entre el área de la superficie transversal en la garganta
del estrangulamiento de aceleración del flujo y el área de la
superficie transversal en el punto más ancho. Cuanto más ancha es la
garganta, menos resistencia ofrece al paso del flujo del fluido
primario, de manera que un dispositivo que emplea el mecanismo de
realimentación positiva ofrece una eficiencia mejorada con respecto
a los otros dispositivos conocidos.
Habida cuenta de que la zona de baja presión a
lo largo del eje del canal formado por el estrangulamiento de
aceleración del flujo teóricamente presenta una sección transversal
de radio muy pequeño, se deduce que la boquilla del conducto de
entrada 200c en el que el fluido impulsor entra en la disposición de
direccionamiento del flujo también debiera tener un radio pequeño
(es decir, de 0,1 m o menos). Para facilitar la expulsión del fluido
por una válvula de salida de pequeño diámetro, el fluido impulsor
debería presentar una viscosidad baja. Un fluido impulsor como el
aire es adecuado para escapar por válvulas de salida de pequeño
diámetro, mientras que el agua presenta una viscosidad demasiado
alta. Puesto que la potencia suministrada por una turbina está
relacionada con la masa del fluido impulsor que pasa por ella por
unidad de tiempo, la densidad del aire resulta un factor importante
para la determinación de la energía obtenida. Puesto que la densidad
del aire es superior en aguas profundas, la boquilla para la entrada
de aire 200c al Venturi 100 puede tener un diámetro más pequeño si
el Venturi 100 está instalado a mayor profundidad. Para que el
dispositivo de obtención de energía para consumo funcione de la
manera más efectiva, el fluido impulsor debería entrar directamente
a la zona de presión baja a lo largo del eje central del vórtice.
Aunque, si el fluido impulsor no entrase por el mismo eje, la propia
presión diferencial debida a la rotación del fluido debería
arrastrarlo hacia el eje.
La Figura 5 ilustra esquemáticamente una vista
en sección de otra posible estructura para los deflectores 500 de la
Figura 1. En este caso, los deflectores están constituidos por
paredes estáticas 510 y 512, que obstruyen la corriente de agua
entrante (por la izquierda de la figura). Una de las paredes 510 es
una formación en forma de L y la otra es una pared recta 512. El
agua de la corriente entrante pasa por un hueco entre la pared en
forma de L 510 y la pared recta 512, y la obstrucción del flujo que
constituyen las paredes favorece la formación de un remolino 120 en
el interior del espacio definido por esas paredes. El remolino gira
en sentido horario en este caso y está indicado por una flecha. La
Figura 6 muestra una vista lateral en alzado de una estructura
deflectora de paredes estáticas como la de la Figura 5. En este caso
el sentido de giro del fluido primario está indicado por el símbolo
de una cruz (el más cercano a la pared 512), que indica que el flujo
del fluido primario circula en sentido perpendicular al plano de la
hoja y entrando en el papel; y por el símbolo de una punto (el más
cercano a la pared 510), que indica que el flujo del fluido primario
circula en sentido perpendicular al plano de la hoja y saliendo del
papel. El empleo de deflectores de fluido de paredes estáticas como
los mostrados en las Figuras 5 y 6 es adecuado para aguas
relativamente poco profundas.
La figura 7A ilustra esquemáticamente un tercer
ejemplo de forma de realización de un aparato de obtención de
energía. En esta forma de realización, el depósito colector 400 está
en la parte posterior del Venturi. El depósito colector 400 incluye
una bandeja colectora 412 que se extiende por el canal del Venturi y
que está conectada a un depósito colector 410 mediante un canal
estrecho 414 que se extiende por una rendija en el cuerpo de la
sección posterior del Venturi hacia abajo hasta el canal Venturi. El
aparato comprende un deflector primario 520 dispuesto en la boca de
entrada del Venturi que comunica una componente rotacional al fluido
que entra en el estrangulamiento de aceleración del fluido 110 y un
elemento inhibidor de rotación 120 dispuesto más allá del
estrangulamiento de aceleración del fluido 110, entre el deflector
primario 520 y el depósito colector 410. El elemento inhibidor de
rotación 120 sirve para anular la componente rotacional del flujo de
fluido que circula por el estrangulamiento de aceleración del fluido
hacia la bandeja colectora de fluido impulsor 412. La Figura 7B
ilustra esquemáticamente una vista frontal en sección transversal
del deflector de fluido primario 520. Las palas del deflector son
estructuralmente idénticas a las descritas en relación con las
Figuras 4A y 4B. La Figura 7C ilustra esquemáticamente una vista en
sección transversal del elemento inhibidor de rotación 120 que
incluye una aleta vertical para cancelar, por lo menos en parte, la
rotación del fluido saliente del estrangulamiento de aceleración del
fluido antes de continuar circulando por la zona posterior del
Venturi 100 hacia la bandeja colectora 412. El aire procedente de la
superficie del agua se suministra en la boca de entrada al Venturi
mediante un conducto que conecta con una tubería de entrada de aire
210.
La tubería de entrada de aire 210 a la boca de
entrada del Venturi estará generalmente a la presión atmosférica
P_{0}, por lo que el depósito colector de aire 410,
dispuesto a una profundidad H_{depósito} estará a una
presión (P_{0} + \rhogH_{depósito}).
Posiblemente sea necesario aplicar una pequeña presión positiva
p_{entrada}, tal que p_{entrada} <<
\rhogH_{depósito}, a la entrada 210 para que el aire
circule hacia la tubería de entrada y hacia el Venturi 100. La
circulación del aire desde el depósito colector 410 hacia la tubería
de entrada 210 hace funcionar la turbina 300.
La Figura 8 ilustra esquemáticamente un aparato
para la obtención de energía para consumo a partir de un flujo de
fluido según una cuarta forma de realización de la invención. En
esta forma de realización, la disposición de direccionamiento del
fluido 100 está constituido por un canal central 116 que se extiende
hasta formar un abocinamiento 112, 114 corriente arriba del
estrangulamiento de aceleración del flujo. El Venturi 100 presenta
simetría axial y la entrada de aire 200c está dispuesta
esencialmente en el eje del abocinamiento 112, 114. Unas palas
idénticas 522, 524 están dispuestas en el abocinamiento de tal forma
que el agua entrante circula por las palas al entrar en el Venturi
100. Las palas 522, 524 están ligeramente desviadas respecto al
radio del canal en el que están dispuestas, de manera que comunican
momento angular al agua antes de que entre en el estrangulamiento de
aceleración del flujo del canal principal del Venturi. La presión en
la tubería de entrada del aire 200c será inferior a la atmosférica
(es decir, a 0,25P_{0}) debido a la succión creada en el canal de
Venturi.
En la forma de realización de la Figura 8 el
canal Venturi se extiende hacia arriba hacia la superficie del agua
desde el estrangulamiento 116 hasta la parte posterior 118, y el
diámetro del canal va incrementándose hacia la parte posterior. La
obstrucción que presenta el Venturi al agua entrante provoca una
diferencia en el nivel del agua corriente arriba y corriente abajo
del Venturi. Dicha diferencia del nivel del agua \DeltaH se
conoce como carga hidrostática. El aire a presión atmosférica
P_{0} entra en la turbina 300 y circula hacia abajo por el
conducto 220 hacia la entrada de aire 220c, en la que se mezcla con
el agua y es succionada hacia el canal Venturi 116. Las burbujas de
aire arrastradas por la corriente de agua se expanden a medida que
se elevan por el canal Venturi y favorecen la circulación del agua y
el aire por el estrangulamiento de aceleración del flujo. El aire en
expansión ayuda a empujar el agua por el canal Venturi. El flujo de
aire por el estrangulamiento de aceleración del flujo hace funcionar
la turbina 300.
En algunas formas de realización de la
invención, el motor impulsado por fluido 30 podría ser una turbina
del tipo de paletas rotativas o un motor de tipo alternativo como un
émbolo en un cilindro. En un ejemplo de forma de realización, a la
salida del motor impulsado por fluido está dispuesto un
intercambiador de calor que recibe aire frío generado por expansión
a través del motor impulsado por fluido. El intercambiador de calor
se emplea para congelar en seco, por lo menos en parte, el aire
potencialmente húmedo (que se ha mezclado con el flujo de fluido que
pasa por el dispositivo direccionador del fluido) que recibe el
depósito colector antes de pasar por el motor. El secado del aire
antes de hacerlo pasar hacia la entrada del motor impulsado por
fluido es particularmente ventajoso en instalaciones marinas.
Considerando el ejemplo de la turbina, a medida que el aire se
expande por la turbina, cualquier traza de vapor de agua presente en
el afluente de aire se expandirá y enfriará hasta congelarse y hacer
precipitar la sal del agua de mar. Si no se realiza ninguna acción
(como por ejemplo un presecado del aire), las palas de la turbina a
alta velocidad pueden estar constantemente bombardeadas por pequeños
cristales de hielo y sal, que podrían erosionarlas rápidamente.
En otro ejemplo de forma de realización, un
intercambiador de calor está conectado a un circuito de intercambio
de calor (por ejemplo, un circuito de agua fría) de una instalación
cercana como pueda ser una instalación de acondicionamiento de aire.
En esta forma de realización, la expansión del motor impulsado por
fluido provoca un enfriamiento que puede ser utilizado en la
instalación cercana. Esta ventaja se añade a la obtención de energía
para consumo generada por el motor.
Claims (18)
1. Aparato para la obtención de energía a
partir de un flujo de fluido, comprendiendo dicho aparato:
un motor que puede ser impulsado por un fluido
(300);
una disposición de direccionamiento de un fluido
(100, 500) conformada para definir un canal en el flujo de un fluido
primario, que dispondrá también de un estrangulamiento para la
aceleración del flujo (100), conformado de manera que el fluido
primario se acelere al pasar a través del estrangulamiento, y
estando la disposición de direccionamiento del fluido, conformada
para comunicar una componente de flujo rotacional al fluido primario
que entra al estrangulamiento de aceleración del flujo y creando de
esta manera, al pasar a través de dicho estrangulamiento de flujo,
en el fluido primario un gradiente de presión radial;
un conducto (200) para el direccionamiento del
flujo de un fluido impulsor, siendo el fluido impulsor un fluido y
el fluido primario fluidos diferentes, estando el conducto en
comunicación fluida con el motor que puede ser impulsado por un
fluido (300) y con una parte del canal que presente un flujo de
fluido acelerado;
en el que el flujo del fluido impulsor a través
del conducto, mediante el flujo rotacional del fluido primario en el
estrangulamiento de aceleración del flujo (100) actúa para accionar
el motor que puede ser impulsado por un fluido (300), y el conducto
(200) suministra a la disposición de direccionamiento de fluido
impulsor, de manera que el fluido impulsor es arrastrado
sustancialmente a lo largo del eje central del flujo rotacional; por
lo que
la disposición de direccionamiento del fluido
comprende por lo menos un deflector de fluido (500, 510, 512, 522,
524) corriente arriba del estrangulamiento de aceleración del flujo,
pudiéndose poner en funcionamiento dicho por lo menos un deflector
de fluido para comunicar momento angular al fluido primario.
2. Aparato según la reivindicación 1, en el
que dicho por lo menos un deflector puede ponerse en funcionamiento
para comunicar velocidad angular sustancialmente constante del flujo
rotacional a la totalidad del fluido primario que entra en el
estrangulamiento de aceleración del fluido.
3. Aparato según las reivindicaciones 1 ó 2,
en el que dicho por lo menos un deflector es una estructura estática
(510, 512).
4. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, en el que dicho por lo menos un deflector es
un estator con palas (610, 620) dispuestas de manera que comuniquen
momento angular al fluido que pasa por las palas.
5. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende por lo menos un depósito
colector de fluido (410) para recoger el fluido impulsor corriente
abajo del estrangulamiento de aceleración del flujo, estando el
depósito colector de fluido (410) en comunicación fluida con el
motor de flujo que puede ser impulsado por un fluido.
6. Aparato según la reivindicación 5, en el
que dicho por lo menos un depósito colector de fluido (410) recoge
fluido por un orificio que se extiende a través de la pared de la
disposición de direccionamiento del fluido hacia el interior del
canal.
7. Aparato según las reivindicaciones 5 ó 6,
en el que el depósito colector de fluido (410) comprende un elemento
inhibidor de rotación (120) destinado a detener por lo menos
parcialmente la rotación del fluido afluente.
8. Aparato según las reivindicaciones 5 ó 6,
que comprende un elemento inhibidor de rotación (120) dispuesto
entre el estrangulamiento de aceleración del flujo y el depósito
colector de fluido.
9. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que existe una única etapa de
amplificación de presión del flujo de fluido, estando la
amplificación de presión prevista por el estrangulamiento de
aceleración del flujo.
10. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el fluido primario comprende
agua.
11. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el fluido impulsor comprende
aire.
12. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la disposición de
direccionamiento del fluido está dispuesta por debajo de la
superficie del fluido primario y el motor que puede ser impulsado
por un fluido está dispuesto por encima de la superficie del fluido
primario.
13. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el motor que puede ser
impulsado por un fluido comprende una turbina.
14. Aparato según la reivindicación 13, que
comprende un intercambiador de calor en el recorrido del flujo de
fluido impulsor a un escape del fluido impulsor de la turbina.
15. Aparato según la reivindicación 14, en el
que el intercambiador de calor está dispuesto para enfriar el fluido
impulsor.
16. Aparato según la reivindicación 14, en el
que el intercambiador de calor está dispuesto para enfriar otro
fluido impulsor en comunicación con una instalación externa.
17. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende una barrera para crear
una diferencia de niveles en el fluido primario a lo largo de la
disposición de direccionamiento del fluido.
18. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el eje central del flujo
rotacional es sustancialmente perpendicular a la superficie del
fluido primario.
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