ES2315481T3 - Evacuacion de fluidos residuales. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la eliminación de fluidos residuales, que comprende: (a) dirigir el fluido residual que tiene un primer potencial de energía osmótica desde una fuente a través de un tubo de alimentación (20) en una cámara de mezcla mayor (40) situada en un cuerpo de agua (28) que tiene un segundo potencial de energía osmótica; (b) introducir agua desde el cuerpo de agua (28) en la cámara de mezcla (40); (c) mezclar en el interior de la cámara de mezcla (40) el fluido residual con agua del cuerpo de agua para formar una mezcla de fluido residual/agua, accionándose la mezcla por lo menos en parte mediante la diferencia de potencial de energía osmótica entre el fluido residual y el agua en el cuerpo de agua, teniendo la cámara una longitud suficiente para facilitar la mezcla substancial del fluido residual con el agua del cuerpo de agua (28); y (d) permitir que la mezcla de fluido residual/agua fluya al interior del cuerpo de agua desde una abertura (44) en la cámara; caracterizado porque también comprende la etapa de inyectar una corriente menor de un aditivo en la cámara, seleccionándose el aditivo entre el grupo que consiste en por lo menos uno de entre peróxido de hidrógeno, desinfectante, y cultivo microbiano.
Description
Evacuación de fluidos residuales.
En muchas actividades humanas es necesario
evacuar fluidos residuales y/o productos residuales en fluidos, y
esto a veces se consigue mezclando estos fluidos residuales en un
cuerpo de agua mayor. Un ejemplo excelente de este tipo de
evacuación de fluidos residuales se puede apreciar en la evacuación
de salmueras que se generan como un producto de procesos de
desalinización de agua de mar. Estas salmueras típicamente se
bombean de vuelta al océano, donde tienden a depositarse en el
fondo y recogerse en grandes fondos sin dispersarse en el cuerpo de
agua mayor.
En esta memoria, el término "fluido
residual" debe interpretarse como que incluye no solamente
fluidos, sino también fluidos que contienen material sólido o en
partículas en el mismo.
Otros ejemplos incluyen (1) la evacuación de
salmueras coproducidas con petróleo en la producción de crudo en
plataformas submarinas, (2) la evacuación de fluidos de perforación
basados en agua de plataformas de crudo submarinas, (3) la
evacuación de residuos líquidos tratados de barcos y plataformas de
perforación, y (4) la evacuación de líquidos salados en lagos de
agua fresca tal como se realiza en desagües de alcantarilla en
grandes ciudades alrededor de los Grandes Lagos de Norteamérica.
Esto solamente una lista representativa de ejemplos donde se
requiere en la evacuación de fluidos residuales, pero, por supuesto,
hay muchos otros.
Aunque se pudiera pensar que estas corrientes
residuales se pueden simplemente "verter al mar", o solamente
desecharse simplemente vertiéndolas en el cuerpo de agua mayor sin
mezclar las, los trabajadores que deben tratar estos fluidos
residuales han reconocido que los residuos se mezclan lentamente con
el agua que los rodea, o incluso nunca se integrarán completamente
excepto a un plazo muy largo. Más bien tienden a formar lagunas
donde no hay corrientes para moverlos o largas colas donde hay una
corriente.
Una manera de afrontar este problema es instalar
equipos de bombeo y mezcla para diluir las corrientes residuales
con grandes volúmenes de agua. Esta solución, en teoría, se puede
utilizar, pero los costes son demasiado altos. El equipo de mezcla
es caro, especialmente cuando se construye para tratar con agua
salada corrosiva y resistente en el océano. Sin embargo, el mayor
gasto es a menudo de gran consumo de energía que se requiere para
mover los grandes volúmenes de líquido y mezclarlos
completamente.
La presente invención se refiere a la evacuación
de fluidos residuales, y en un aspecto, a sistemas de generación de
energía hidráulica concomitantes, que exploten de una manera
eficiente el potencial de energía osmótica entre dos cuerpos de
fluidos o agua que tienen diferentes concentraciones de sal.
La energía absorbida desde el sol en el ciclo
del agua provoca un aumento que concomitante en la energía latente
o entalpía del agua evaporada. Aunque la mayoría se disipa como
calor en la atmósfera, hay energía almacenada no disipada, la
llamada "energía libre de mezcla" (o "calor de mezcla") de
agua fresca en el agua de mar. La energía libre de mezcla refleja
un aumento en la entropía del agua (u otro solvente) cuando se
transforma desde un estado de agua pura o fresca en un estado de
agua diluida o salada. Los solventes tales como el agua tienen una
tendencia natural a migrar desde un área con una concentración de
solutos relativamente baja (entropía menor) a un haya de
concentración de solutos relativamente alta (entropía mayor). Así,
se crea un gradiente de entropía siempre que dos cuerpos de agua u
otro solvente que tienen diferentes concentraciones de solutos se
llevan en contacto entre sí y empiezan a mezclarse. Este gradiente
de entropía se puede observar y medir físicamente en el fenómeno
conocido como ósmosis.
Es un aspecto importante de esta invención
proporcionar un procedimiento simple bajo coste de dispersión de
fluidos residuales en un cuerpo de agua mayor. Es otro aspecto de
esta invención proporcionar un procedimiento de dispersión que no
consuma energía. Es un tercer aspecto proporcionar un procedimiento
que pueda recuperar energía útil a partir de la fuerza de
accionamiento termodinámica que provoca la mezcla de fluidos de
diferentes composiciones.
Ventajosamente, el procedimiento y el aparato de
la presente invención no requieren el uso de una membrana
semipermeable u otro material especialmente formulado, ni requiere
calentamiento o enfriamiento de los fluidos residuales o la
solución de agua (sal). La presente invención puede mezclar de una
manera efectiva y recuperar energía cuando se utiliza una amplia
variedad de fluidos residuales, incluyendo pero no estando limitado
a salmueras, residuos líquidos de río tratados o no tratados,
residuos líquidos de agua residual tratada o efluente, residuos
líquidos de drenaje de tormenta, y/o residuos líquidos de agua
fresca parcialmente contaminada. Así, la presente invención es
adecuada a la eliminación de residuos a gran escala mediante mezcla
y, opcionalmente, la producción de energía en una gran variedad de
localizaciones geográficas y bajo una gran variedad de
condiciones.
Según una realización, la presente invención
proporciona un procedimiento para mezclar de manera turbulenta
diferentes fluidos miscibles utilizando las diferencias en el
potencial osmótico entre los mismos. En una realización, un fluido
con una salinidad relativamente baja se conduce a través de un
primer tubo. El fluido de salinidad relativamente baja se contacta
directamente a continuación con el agua de salinidad relativamente
alta en un segundo tubo cerrado para formar una mezcla. El segundo
tubo está en comunicación fluida con la fuente de agua de salinidad
relativamente alta a través de una o más aberturas. El contacto del
fluido y el agua de diferente salinidad provoca la corriente
ascendente de la mezcla en el interior del segundo tubo. Esto
provoca una mezcla significativa. La mezcla se puede pasar a
continuación a través de una unidad de generación de energía para
generar energía mecánica y/o eléctrica.
El sistema, en una realización, puede comprender
un tubo de subida situado en la fuente de agua de salinidad
relativamente alta. El tubo de subida está conectado de manera
fluida con la fuente de agua de salinidad relativamente alta a
través de una o más aberturas en el tubo de subida en una primera
profundidad. El tubo de subida termina en una profundidad en la
fuente de agua de salinidad relativamente alta en una segunda
profundidad menor que la primera profundidad. Un tubo de bajada
está previsto que tiene un primer extremo conectado a la fuente de
fluido de salinidad relativamente baja y un segundo extremo de
descarga el fluido de salinidad relativamente baja desde la fuente
de fluido de salinidad relativamente baja al tubo de subida hasta
que el fluido de salinidad relativamente baja y el agua de
salinidad relativamente alta forma una mezcla que asciende en el
interior del tubo de subida. Se pueden prever medios para generar
energía a partir de la mezcla que sube.
La invención también comprende el aparato del
procedimiento descrito anteriormente, pero en el que el fluido
residual tiene una densidad mayor que el cuerpo de agua mayor en el
cual se mezcla, y la dirección de flujo de la mezcla resultante de
las diferencias de potencial osmótico se invierte.
\vskip1.000000\baselineskip
La figura 1A es una representación esquemática
de un proceso de ósmosis directa convencional a través de una
membrana semipermeable;
La figura 1B es una representación esquemática
de un proceso de ósmosis inversa convencional a través de una
membrana semipermeable;
La figura 2 es una representación esquemática de
un aparato de corriente ascendente de tubo para su utilización
según una realización de la presente invención, donde el fluido
residual tiene una densidad menor;
La figura 3 es una representación esquemática de
un aparato de corriente ascendente de tubo para su uso según otra
realización de la presente invención, donde el fluido residual tiene
una densidad mayor;
La figura 4 una representación esquemática de
una realización de un dispositivo de mezcla de fluido residual que
tiene las características y las ventajas según la presente
invención;
La figura 5 es una representación esquemática de
una realización alternativa de un dispositivo de mezcla de fluido
residual que tiene las características y las ventajas según la
presente invención;
La figura 6 es una representación esquemática de
una realización alternativa adicional de un dispositivo de mezcla
de fluido residual que tiene las características y las ventajas
según la presente invención;
La figura 7A es una representación esquemática
de una realización alternativa adicional de un dispositivo de
mezcla de fluido residual que tiene las características y las
ventajas según la presente invención;
La figura 7B es una vista lateral del tubo de
subida de la figura 7A, que muestra las ranuras en el lado del tubo
de subida;
La figura 7C es una vista en sección desde abajo
del soporte del árbol de la figura 7A;
La figura 7D es una vista en sección de este
encima del tambor de aspas de la figura 7A;
La figura 8A es una representación esquemática
de una realización alternativa adicional de un dispositivo de
mezcla de fluido residual que tiene las características y las
ventajas según la presente invención;
La figura 8B es una vista lateral del tubo de
subida de la figura 8A que muestra dos juegos de ranuras en el lado
del tubo de subida;
La figura 8C es una vista en sección desde abajo
del soporte del árbol de la figura 8A;
La figura 8D es una vista en sección de este
encima del tambor de aspas de la figura 8A;
la figura 9A es una vista esquemática de un tubo
de subida con un extremo inferior abierto con una realización
alternativa de un tubo de bajada que tiene una pluralidad de
orificios en los lados y el extremo de salida, que tiene las
características y las ventajas según la presente invención;
La figura 9B es una vista en sección desde abajo
del tubo de subida y el extremo de salida del tubo de bajada de la
figura 9A;
la figura 10A es una vista esquemática de un
tubo de subida con un extremo inferior abierto con una realización
alternativa del tubo de bajada con una pluralidad de tubos
inferiores secundarios que tienen orificios en los lados y el
extremo de salida, que tiene las características y las ventajas
según la presente invención;
La figura 10B es una vista en sección desde
abajo del tubo de subida y el extremo de salida del tubo de bajada
de la figura 10A, que muestra la pluralidad de tubos inferiores
secundarios y los orificios en los extremos de salida de los tubos
inferiores secundarios;
la figura 11 es una vista esquemática de un tubo
de subida con un extremo inferior abierto con una realización
alternativa del tubo de bajada con una pluralidad de tubos
inferiores secundarios, que tiene las características y las
ventajas según la presente invención;
La figura 12 es una vista esquemática de un tubo
de bajada con un buje rotativo y salidas de radios sin tubo de
subida;
La figura 13 es una vista esquemática de un tubo
de bajada con un buje rotativo y salidas de radios con un tubo de
subida, que tiene las características y ventajas según la presente
invención;
La figura 14 es una vista esquemática de una
porción de un tubo de subida que comprende una pluralidad de tubo
de subidas concéntricos, que tiene las características y las
ventajas según la presente invención;
La figura 15 es una representación esquemática
de un tubo de subida modificado que tiene las características y las
ventajas según la presente invención;
La figura 16 es una ilustración esquemática de
una posible realización comercial a gran escala de un dispositivo
de mezcla de fluido residual que tiene las características y las
ventajas según la presente invención;
La figura 17 es una vista en sección del
conjunto de turbina y generador del dispositivo de mezcla de fluido
residual de la figura 12;
la figura 18 es una vista esquemática de un tubo
de subida con un extremo inferior abierto, con una realización
alternativa del tubo de bajada rotativo, que se extiende
substancialmente en el tubo de subida, y que tiene orificios y
turbinas montadas en el mismo, que tiene las características y las
ventajas según la presente invención;
la figura 19A es una vista esquemática de un
tubo de subida con un extremo inferior zarpado, con una realización
alternativa del tubo de bajada rotativo, que se extiende
substancialmente en el tubo de subida, y que tiene orificios y
turbinas montados en el mismo, que tiene las características y las
ventajas según la presente invención;
La figura 19B es una vista lateral del tubo de
subida mostrado en la figura 19A;
La figura 20 es una vista esquemática de un tubo
de subida con un extremo inferior abierto, con una realización
alternativa del tubo de bajada rotativo, que se extiende
substancialmente en el tubo de subida, y que tiene orificios y
turbinas montados en el mismo, con un tubo de subida rotativo y un
tubo de bajada, que tiene las características y las ventajas según
la presente invención;
La figura 21 es una vista esquemática de un
aparato de corriente ascendente de tubo de subida según la presente
invención, en el que se utiliza un tornillo helicoidal rotativo para
generar la energía en lugar de una pluralidad de aspas del
ventilador, que tiene las características y las ventajas según la
presente invención;
La figura 22A es una vista lateral de una
realización alternativa de una aspa de ventilador utilizada según
la presente invención; y
La figura 22B es una vista esquemática que
muestra la porción inferior de la aspa de ventilador y mostrada en
la figura 22A de los dibujos.
\vskip1.000000\baselineskip
Tal como se ha descrito en la sección de
antecedentes anterior, cuando fluidos solventes que tienen
diferentes potenciales osmóticos contactan, se produce la mezcla de
los fluidos y se libera energía. Esta energía liberada se produce
cuando un fluido se transforma desde su estado original a su estado
diluido con agua salada. Así, se crea un gradiente de entropía
siempre que en dos cuerpos de fluido que tienen diferentes
concentraciones de soluto se llevan en contacto entre sí y empiezan
a mezclarse. Este gradiente de entropía se puede observar
físicamente y medir en el fenómeno bien conocido como ósmosis.
Como el término "ósmosis" está asociado con
una membrana, el término "hidrocrasis" se utiliza como un
término para la situación cuando los fluidos solventes que tienen
diferentes potenciales osmóticos contactan y se mezclan entre sí en
ausencia de una membrana.
Líquidos residuales acuosos, tales como
salmueras generadas mediante un producto derivado de desalinización
de agua de mar, se mezclan con agua de mar en un generador
hidrocrático, tal como se describe en la patente US 6.313.545, que
se incorpora aquí por referencia. Este generador, tal como se
describe en la patente, es capaz de mezclar continuamente más de 30
volúmenes de agua de mar con cada volumen de agua fresca
suministrada al generador, mientras se genera energía para otros
usos.
Cuando se aplica a líquidos residuales con
densidades menores que el agua de mar, la mezcla se realiza en el
generador tal como se describe en la patente US 6.313.545. El
líquido residual se lleva a través de un primer conducto o manguera
(el tubo de alimentación) que cuelga en vertical en el agua de mar.
Los fluidos residuales que abandonan el flujo del tubo de
alimentación hacia arriba a través del tubo de mezcla se arrastran
y se mezclan con un volumen mayor de agua de mar y crean un gran
volumen de líquido mezclado que fluye al exterior de la parte
superior del tubo de mezcla.
La mezcla se produce debido a la bien conocida
puerto de accionamiento termodinámica de los líquidos miscibles de
diferentes composiciones que se mezclen entre sí. Como los dos
líquidos están en movimiento, el comportamiento dinámico fluido
determinará las condiciones turbulentas que proporciona el mecanismo
para que los líquidos se mezclen de una manera rápida y eficiente.
La energía se puede generar a partir del flujo combinado de los
líquidos mezclados mediante la incorporación de un conjunto de
turbina apropiado en el interior del tubo de mezcla. La rotación de
las aspas de la turbina se puede aprovechar para girar una
dínamo.
Cuando se aplican a líquidos residuales con
densidades mayores que el agua de mar, la mezcla se realiza tal
como se ha descrito para líquidos de densidad menor, excepto que los
líquidos de densidad mayor se llevan a través del tubo de
alimentación a la abertura superior del tubo de mezcla de diámetro
mayor. Ahora, el flujo neto es hacia abajo, accionado mediante la
densidad. Otra vez, debido a la tendencia de los líquidos a
mezclarse, un volumen de agua de mar mayor se retirará en el
extremo superior abierto del tubo de mezcla. El flujo combinado
mezclado emergerá del extremo inferior abierto de tubo de mezcla.
Otra vez, se puede generar energía a partir del flujo combinado
utilizando un conjunto de turbina apropiado.
Cuando se aplican en algunas corrientes
residuales, se puede desear mezclar algunos aditivos en el residuo.
Un ejemplo de este aditivo es peróxido de hidrógeno, añadido en
cantidades pequeñas como desinfectante o para mejorar la oxidación
de los materiales orgánicos disueltos. Otro ejemplo de este aditivo
es una pequeña porción de un cultivo microbiano activo para digerir
compuestos de traza orgánica. Otros de estos aditivos serán
evidentes para los expertos en la materia. Un aditivo de este tipo
se puede inyectar en una corriente de residuos menor antes de la
mezcla o en la corriente residual combinada que fluye a través del
tubo de mezcla. La mezcla que se produce en el generador
hidrocrático asegura que el aditivo se dispersará bien en el
producto líquido combinado.
La figura 1A ilustra esquemáticamente la ósmosis
directa convencional a través de una membrana semipermeable. La
ósmosis directa se produce en el flujo de agua 10 (u otro solvente)
a través de una membrana 12 permeable de manera selectiva desde una
concentración menor de soluto 14 a una concentración mayor de soluto
14. La figura 1B ilustra la condición de ósmosis inversa, en la
cual el agua (u otro solvente) 10 bajo la influencia de una presión
externa es forzada a través de una membrana 12 permeable de manera
selectiva desde una concentración mayor de soluto 14 a una
concentración menor de soluto 14, extrayendo o sacando el solvente
puro 10 del soluto 14. La ósmosis inversa es muy utilizada en la
purificación de agua y en plantas de desalinización en todo el
mundo. La ósmosis inversa consume energía de trabajo.
Una representación esquemática de de un aparato
para desechar fluidos residuales mediante la mezcla de estos
fluidos en un cuerpo de fluido mayor, tal como agua de mar, se
ilustra en la figura 2 de los dibujos. El aparato está construido
utilizando materiales resistentes a la corrosión adecuados. En esta
ilustración esquemática, el océano, o incluso cualquier otro cuerpo
de agua mayor o fluido, se representa mediante el espacio 28 y
tiene una superficie superior 30. Un tubo de subida 40 está
previsto, y puede comprender un tubo de cloruro de polivinilo
(PVC). Las dimensiones el tubo de subida 40, en la práctica,
variarán mucho dependiendo de las circunstancias. Unas dimensiones
mayores serán necesarias para deshacerse de grandes volúmenes de
fluido residual, y viceversa. Solamente como ejemplo ilustrativo,
el tubo de subida 40 puede tener un diámetro interno (i.d.) de 15
cm (6 pulgadas) y tener una longitud aproximadamente de 1,5 m. En
algunas realizaciones, tal como se describirá posteriormente, la
parte superior del tubo de subida 40 se puede dejar abierta y sin
obstrucciones, tal como se ilustra en la figura 2. En otras
aplicaciones, tal como se describirá, se puede fijar una turbina en
la parte superior del tubo de subida 40 para convertir la energía de
flujo cinética en energía de trabajo mecánica. El tubo de bajada 20
puede tener un tubo (PVC) de diámetro interno de 1,8 cm (1/2
pulgadas) y una longitud de 1 m. Dos codos de 90º y una pieza corta
de conducto se fijaron al extremo del tubo de bajada 20, de manera
que se hizo que el fluido residual saliera hacia arriba en el tubo
de subida 40 desde el tubo de bajada 20. El aparato se puede fijar,
por ejemplo, a un flotador 48 mediante cables de soporte de nailon
50, y el extremo de salida 44 del tubo de subida 40 se puede
colocar aproximadamente a 15 cm por debajo de la superficie 30 del
agua salada.
\newpage
En el ejemplo ilustrativo de la figura 2, el
tubo de bajada 20 está conectado a un depósito 25 que contiene el
fluido residual que se desecha en el cuerpo de agua mayor 28. El
depósito 25 se mantiene preferiblemente en un nivel constante
mediante el llenado continuo con fluido residual y permitiendo que
el exceso fluya por el desagüe 27, de manera que el índice de flujo
del fluido residual a través del tubo de bajada 20 se mantiene
esencialmente constante.
El tubo de bajada 20 se llenan con fluido
residual para evacuar burbujas de aire. La altura del depósito se
puede ajustar a continuación para establecer una cabeza de presión
que determina el índice de flujo del fluido residual en el tubo de
bajada 20. El fluido residual fluye a continuación desde el depósito
25 a través del tubo de bajada 20 y se introduce en la porción
inferior del tubo de subida 40.
La figura 2 muestra cuatro puntos de referencia
en el aparato: el punto 1 es el depósito de fluido residual; el
punto 2 es el extremo de salida 44 del tubo de subida; el punto 3
está inmediatamente por encima del extremo de salida 24 del tubo de
bajada 20; y el punto 4 está en el interior del tubo de subida 40
por debajo del extremo de salida 24 del tubo de bajada 20.
La figura 3 muestra una realización de la
invención en la que la densidad del fluido residual es mayor que la
del cuerpo de agua circundante. La figura 3 muestra el tubo de
bajada 20 abierto en la parte superior del tubo de subida 40, y el
fluido residual de densidad mayor y el flujo hacia abajo del agua de
densidad menor al como se indica mediante las flechas.
La figura 4 es una ilustración esquemática
simple y una posible realización de un dispositivo de desecho de
fluido residual 100. El dispositivo 100 comprende generalmente un
tubo de bajada 20 y un tubo de subida 40, y un generador de planta
de energía 60. El dispositivo particular representado en la figura 4
se puede adaptar para aplicaciones en aguas profundas a gran escala
o para la evacuación de residuos fluidos a pequeña o media escala
instalaciones de generación de energía en aguas costeras poco
profundas, tal como se desee. Por ejemplo, la profundidad del agua
representada en la figura 4 puede ser de 10 a 50 m o más, teniendo
el tubo de subida 40 de 1 a 5 m de diámetro.
En una realización preferida, el fluido residual
se introduce en el tubo de bajada 20 para accionar el dispositivo.
La corriente de entrada del fluido residual se puede conducir a
través del tubo de bajada 20 mediante la aplicación de presión en
el extremo de entrada 22 del tubo de bajada 20. La presión se puede
proporcionar mediante una estación de bombeo o con una presión de
cabeza hidrostática resultante desde un depósito de fluido con una
elevación mayor. La presión aplicada en el extremo de entrada 22 del
tubo de bajada 20 solamente es necesario que sea suficientemente
alta para superar la cabeza hidrostática en el extremo de salida 24
del tubo de bajada 20.
Cuando el fluido residual se introduce en el
tubo de bajada 20, el agua de más fluye en el tubo de subida 40,
provocando la corriente ascendente en el tubo de subida 40 que se
puede utilizar para mezclarse con el fluido residual y generar
energía con el generador de energía 60. Parte de este efecto de
corriente ascendente es debido a la flotabilidad del fluido
residual en el tubo de subida 20, ya que el fluido residual tiene
una densidad menor que el agua de mar. Además, el aparato y el
procedimiento también pueden utilizar la energía disponible a
partir de los diferentes potenciales osmóticos del fluido residual y
el agua de mar. La cantidad de corriente ascendente, la mezcla y la
energía que se generan en el dispositivo dependen en parte de las
dimensiones particulares del tubo de subida 40 y del tubo de bajada
20 y el índice de flujo del fluido residual en el tubo de bajada
20.
Tal como se muestra en la figura 4, el tubo de
bajada 20 tiene un extremo de entrada 22 y un extremo de salida 24.
El extremo de entrada 22 está conectado a un suministro 25 de fluido
residual. El extremo de salida 24 del tubo de bajada 20 está
abierto de manera que el fluido residual se descarga a través del
extremo de salida 24 del tubo de bajada 20 en el tubo de subida 40.
En realizaciones alternativas, el extremo de salida 24 del tubo de
bajada 20 se puede conectar a una cámara de mezcla intermedia (no
representada) que a continuación se descarga en el tubo de subida
40.
Aunque el tubo de bajada 20 puede tener
cualquiera de una variedad de diámetros, un criterio es elegir un
diámetro para el tubo de bajada 20 que minimice la resistencia al
flujo de fluido a través del tubo de bajada 20. La resistencia al
flujo a través de un tubo disminuye al aumentar el diámetro del
tubo. Eligiendo un diámetro mayor para el tubo de bajada 20, por lo
tanto, minimizar la resistencia del tubo para un índice de flujo
dado.
Otro criterio en la elección del diámetro del
tubo de bajada 20 es maximizar la cantidad y la eficiencia del
proceso de mezcla y la energía generada mediante el generador de
energía 60. Cuando el diámetro del tubo de bajada 20 supera un
cierto valor respecto al tubo de subida 40, la eficiencia de la
generación de energía disminuye al aumentar el diámetro del tubo de
bajada 20. Por lo tanto, hay un punto óptimo en la relación del
diámetro del tubo de bajada 20 respecto al diámetro del tubo de
subida 40, y por lo tanto la relación del área del tubo de bajada
20 respecto al área del tubo de subida 40, para maximizar la
eficiencia de la generación de energía.
En la realización del aparato mostrada en la
figura 4, el extremo de salida 24 del tubo de bajada 20 está
situado en el interior del tubo de subida 40. En esta realización,
el extremo de salida 24 del tubo de bajada 20 está preferiblemente
orientado de manera que el extremo de salida 24 del tubo de bajada
20 apunta hacia arriba.
El tubo de subida 40 en tiene un extremo
inferior 42 y un extremo de salida 44. En la realización de la
figura 4, el extremo inferior 42 y el extremo de salida 44 del tubo
de subida 40 están abiertos. En otras realizaciones, el extremo
inferior 42 del tubo de subida 40 puede contener aspas u otros
medios para dirigir el flujo de fluido.
Aunque los diámetros del extremo inferior 42 y
del extremo de salida 44 de la realización del tubo de subida 40
mostrado en la figura 4 son iguales, el extremo inferior 42 y el
extremo de salida 44 del tubo de subida 40 pueden tener diámetros
diferentes en otras realizaciones. Por ejemplo, el tubo de subida
puede estar afilado de manera positiva o negativa para formar una
boquilla o difusor. Alternativamente, el tubo de subida 40 puede
tener una porción inferior en forma de cuello para formar un flujo
acelerado a través de la misma.
En la realización de la figura 4, el extremo de
salida 44 del tubo de subida 40 está fijado a un sistema de
flotación para situar el tubo de subida 40 a una profundidad
predeterminada. Otros medios de posicionamiento del tubo de subida
40 a una profundidad predeterminada también se pueden utilizar en
lugar del sistema de flotación. El sistema de flotación mostrado en
la figura 4 comprende uno o más flotadores 48 y uno o más cables de
soporte 50. Los flotadores 48 pueden estar formados de Styrofoam®, o
pueden comprender una pluralidad de bolsas de aire, tambores,
cuatro material adecuado capaz de producir flotación.
En algunas realizaciones, el extremo inferior 42
del tubo de subida 40 está fijado a cables de amarre 52. Los cables
de amarre 52 se extienden del extremo inferior 42 del tubo de subida
40 a unos anclajes 56 fijados en el fondo del océano. Los cables de
amarre 52 y los anclajes 56 mantienen el tubo de subida 40 en una
posición predeterminada en el fondo del océano. La fuerza de
elevación del flotador 48 transmitida a través de los cables de
soporte 50 mantiene el tubo de subida 40 en la posición vertical
predeterminada deseada. El tubo de bajada 20 también está fijado a
cables de amarre 52 que se extienden en anclajes 56 en el fondo del
océano. Los cables de amarre 52 y los anclajes 56 sujetan el tubo
de bajada 40 en posición. El tubo de bajada 20 está dispuesto de
manera que descarga el fluido residual en el tubo de subida 40.
Un aumento en el diámetro del tubo de subida 40
aumentar la cantidad de corriente ascendente en el tubo de subida
40 y, por lo tanto, aumenta el efecto de mezcla y la producción de
energía. Sin embargo, el aumento del diámetro del tubo de subida 40
aumentar tanto el tamaño como el coste del aparato. Además, el
aumento del área del tubo de subida 40 permite el uso de un tubo de
bajada 20 con un área mayor sin perder eficiencia. La relación del
área del tubo de bajada 20 respecto al área del tubo de subida 40,
por lo tanto, es el parámetro que se debe optimizar más que
solamente el diámetro del tubo de subida 40 o del tubo de bajada
20.
El tubo de bajada 20 y el tubo de subida 40
preferiblemente no están sometidos a presiones excesivamente altas.
En la realización mostrada en la figura 4, el tubo de subida 40
contiene el agua de mar que entra desde el extremo inferior 42 del
tubo de subida 40 y el fluido residual se descarga desde el extremo
de salida 24 del tubo de bajada 20. Como el tubo de subida 40 es
accionado con bajas presiones, el tubo de subida 40 se puede
construir preferiblemente con materiales relativamente baratos y
ligeros, tales como plástico, PVC, hormigón ligero, y similares. El
tubo de bajada 20 se puede someter a presiones mayores que el tubo
de subida 40, aunque típicamente pequeñas. Así, se pueden utilizar
materiales baratos para el tubo de subida 40 y para el tubo de
bajada 20. Materiales adecuados incluyen cloruro de polivinilo
(PVC), fibra de vidrio, polietileno (PE), polipropileno (PP),
hormigón, gunita y similares. Alternativamente, también se pueden
utilizar otros materiales tales como acero inoxidable o titanio.
Como el tubo de subida 20 y el tubo de bajada 40 están generalmente
expuestos agua con una salinidad relativamente alta, puede ser
preferible formar el tubo de bajada 20 y el tubo de subida 40 a
partir de materiales resistentes a la corrosión del agua salada. Si
se elige acero inoxidable como material de construcción, es
preferible seleccionar una aleación de acero inoxidable que sea
resistente a la corrosión mediante agua salada.
El extremo de salida 44 del tubo de subida 40 se
puede extender en o por encima de la superficie del mar o se puede
colocar en cualquier profundidad por debajo de la superficie del
mar. En una realización, el extremo de salida 44 del tubo de subida
40 está situado en la zona fótica para mejorar el crecimiento de los
organismos en la zona fótica mediante cultivo marino.
La longitud del tubo de subida 40 puede variar,
dependiendo de una serie de factores. La longitud es preferiblemente
suficiente para permitir una mezcla completa de fluido residual con
el agua salada, pero no es tan larga para provocar un arrastre
innecesario sobre el flujo del agua. La longitud óptima se
determinará como la que permita una mezcla y/o producción de
energía óptimas para un intervalo dado de índices de flujo de fluido
residual de entrada. La longitud del tubo de subida 40 se puede
también elegir basada en un deseo de facilitar el cultivo marino,
la promoción del crecimiento de organismos en el mar mediante la
transferencia de nutrientes a partir de profundidades ricas en
nutrientes agua pobre en nutrientes en profundidades menores.
El generador de energía 60 genera electricidad a
partir del flujo de la mezcla de fluido residual/agua en el
interior del tubo de subida 40. La figura 4 muestra una forma
simplificada de un generador de energía 60 que comprende una o más
turbinas con propulsores 62 fijados a un árbol 64. El árbol 64 está
conectado a un generador eléctrico 66. Cuando la mezcla de fluido
residual/agua asciende en el tubo de subida 40, la corriente
ascendente gira los propulsores 62, que a su vez hacen rotar el
árbol 64 para accionar el generador eléctrico 66, generando así
energía. Se pueden prever uno o más soportes de árbol 68 para
soportar el árbol 64 para minimizar el bamboleo del árbol 64
mientras el agua de la corriente ascendente gira uno o más
propulsores 62 fijados al árbol 64.
Las hélices 62 en el árbol 64 pueden estar en el
interior del tubo de subida 40, por encima del extremo de salida 44
del tubo de subida 40, o en el interior del tubo de subida 40 y por
encima del extremo de salida 44 del tubo de subida 40. En la
realización de la figura 4, los propulsores 62 están situados en el
interior del tubo de subida 40 por debajo del soporte de árbol
medio 68. De una manera similar, el generador eléctrico 66 se puede
situar convenientemente por encima o por debajo de la superficie del
agua en el cual está situado el tubo de subida 40. En la
realización mostrada en la figura 4, el generador eléctrico 66 está
situado por encima de la superficie del agua para minimizar los
gastos de mantenimiento.
La realización mostrada en la figura 4 se puede
modificar de manera que el fluido residual se introduce en el
extremo superior del tubo de subida 40, que en este caso, sería el
tubo "inferior". Esta disposición se utilizaría cuando el
fluido residual tiene una densidad que es mayor que la del agua de
mar u otro cuerpo de fluido en el cual el fluido residual se
mezcla. En esta realización, el fluido sería así hacia abajo hacia
la base del tubo 40, donde la mezcla saldría. Además, los
propulsores 62 tendrían un funcionamiento inverso de manera que
rotar y al mediante la mezcla que fluye hacia abajo de agua de mar y
fluido residual. Diferentes de las inversiones apropiadas tal como
se han descrito, la estructura y el funcionamiento sería
sustancialmente el mismo que el dispositivo mostrado en la figura 4
de los dibujos.
La figura 5 muestra una realización alternativa
de un dispositivo de mezcla de fluido residual y generador de
energía 60. En este caso, el generador de energía 60 comprende
propulsores 62 fijados al árbol 64 tanto por encima como por debajo
del soporte del árbol medio 68. El árbol 64 está fijado al generador
eléctrico 66, que genera energía eléctrica cuando el árbol 64 rota
debido al flujo de fluido en el tubo de subida 40. Se pueden
realizar modificaciones estructurales para tener en cuenta la
inversión de la dirección de flujo cuando el fluido residual tiene
una densidad mayor, tal como se describe con referencia a la figura
4.
La figura 6 muestra un generador de energía 60
del cual uno o más ventiladores en espiral 70 están montados sobre
el árbol 64. Se pueden prever opcionalmente soportes del árbol 68
para minimizar el bamboleo del árbol 64. Uno o más ventiladores en
espiral 70 se pueden fijar al árbol 64 por encima del soporte del
árbol medio 68, por debajo del soporte del árbol medio 68, o por
encima y por debajo del soporte del árbol medio 68. Uno o más
ventiladores en espiral 70 se pueden montar sobre el árbol 64 en el
extremo de salida 44 del tubo de subida 40. En una realización
alternativa, uno o más ventiladores en espiral 70 se pueden montar
en el interior del tubo de subida 40 y sobre el extremo de salida
44 del tubo de subida 40. En la realización de la figura 6, el
ventilador en espiral 70 está fijado al extremo de salida 44 del
tubo de subida 40.
El ventilador en espiral 70 comprende una
pluralidad de aspas en espiral 72. El flujo de la mezcla de fluido
hasta el tubo de subida 40 contacta con la popularidad de aspas en
espiral 72, girando uno o más ventiladores en espiral 70 montados
sobre el árbol 64, rotando el árbol 64 y accionando el generador
eléctrico 66, generando energía eléctrica.
Se pueden realizar modificaciones estructurales
del dispositivo en la figura 6 para tener en cuenta la inversión de
la dirección de flujo cuando el fluido residual tiene la densidad
mayor, tal como se ha descrito con referencia a la figura 4.
La figura 7A muestra el extremo inferior 42 del
tubo de subida 40 cerrado. El tubo de bajada 20 pasa a través del
extremo inferior cerrado 42 del tubo de subida 40. Aunque la figura
7A muestra que el tubo de bajada 20 está fijado a uno o más cables
de amarre 52 que están fijados anclajes 56 en el fondo del océano,
el tubo de bajada 20 también se puede soportar mediante el extremo
inferior cerrado 42 del tubo de subida 40. El extremo inferior
cerrado 42 del tubo de subida 40 de la figura 7A ayuda a mantener el
tubo de bajada 20 en posición sin la necesidad de cables de amarre
52 y anclajes 56.
El tubo de subida 40 comprende una pluralidad de
ranuras 76, tal como se muestra en la figura 7B, abiertas al mar
circundante para permitir que el agua de mar entre en el tubo de
subida 40. Uno o más soportes de árbol 68 están fijados al tubo de
subida 40. Una posible realización de un soporte de árbol adecuado
68 se muestra en la figura 7C. El soporte de del árbol 68 comprende
uno o más elementos transversales hidrodinámicos 78 y un cojinete
80. Los elementos transversales 78 están fijados al tubo de subida
40 en un primer extremo y al cojinete 80 en un segundo extremo,
suspendiendo así el cojinete 80 en el interior del tubo de subida
40. El cojinete 80 puede tener una variedad de diseños, tales como
cojinetes de bolas, cojinetes de compresión, y similares. Los
elementos transversales 78 son preferiblemente en forma
hidrodinámica, para no ralentizar el flujo del tubo de subida 40.
El soporte del árbol 68 soporta el árbol 64, minimizando el bamboleo
del árbol 64 cuando el árbol 64 rota.
El generador de energía 60 en la figura 7A
comprende un tambor de aspas 90 en el interior del tubo de subida
40. El tambor de aspas 90 comprende una pluralidad de anillos 92
conectados mediante una pluralidad de aspas curvadas 94. La figura
7D muestra una vista en sección del tambor de aspas 90. Cada aspa
curvada 94 está fijada mediante un primer borde 96 a cada una de la
pluralidad de anillos 92. Las aspas curvadas 94 forman una curva
helicoidal cuando se ve lateralmente, tal como se muestra en la
figura 7A, mejorando la eficiencia en la transferencia de energía
desde el flujo de agua a través de la ranuras 76 en el tubo de
subida 40, comparada con la eficiencia de las aspas curvadas 94 que
no están orientadas con una curva helicoidal. La figura 7D muestra
las aspas curvadas 94 fijadas el anillo 92 desde arriba, tal como
se muestra en la figura 7A. La figura 7D también muestran la
superficie curvada preferida de las aspas curvadas 94, así como la
orientación helicoidal de las aspas curvadas 94 tal como se ven
desde arriba.
El tambor de aspas 90 se puede fijar al árbol
94. Cuando en el agua de mar se retira al interior del tubo de
subida 40 a través de la ranuras 76, el agua que entra contacta con
las aspas curvadas 94, rotando el tambor de aspas 90, que a su vez
rota el árbol 64. El árbol rotativo 64 gira el generador eléctrico
66, generando energía a partir del agua que asciende en el tubo de
subida 40.
Se pueden realizar modificaciones estructurales
del dispositivo en la figura 7 para tener en cuenta de inversión de
la dirección de flujo cuando el fluido residual tiene una densidad
mayor, tal como se ha descrito con referencia a la figura 4. El
extremo superior del tubo 40 se podría cerrar y el extremo inferior
abrir para facilitar el flujo hacia abajo.
La figura 8A muestra dos tambores de aspas 90,
un primer tambor de aspas 90 por debajo del soporte del árbol medio
68 y un segundo tambor de aspas 90 por encima del soporte del árbol
medio 68. En la figura 8B, se aprecia que hay dos series de ranuras
76 en el tubo de subida 40 y dos tambores de aspas 90. En otra
realización, hay dos tambores de aspas 90 como en la realización
mostrada en la figura 8A, pero el tubo de subida 40 comprende
solamente una única serie de ranuras 76 en el tubo de subida 40,
como en la realización del tubo de subida 40 mostrada en la figura
7B. Se pueden realizar modificaciones estructurales del dispositivo
en la figura número hecho para tener en cuenta la inversión de la
dirección de flujo cuando el fluido residual tiene una densidad
mayor, tal como se ha descrito con referencia la figura 7.
La figura 9A muestra una pluralidad de orificios
110 presentes en el lado del tubo de bajada 20. La figura 9B
muestra una vista del extremo de salida 24 del tubo de bajada 20 de
la figura 9A sellado excepto para un único orificio 110. Se pueden
prever una pluralidad de orificios 110. El fluido residual que fluye
a través del tubo de bajada 20 de la figura 9A fluye fuera de la
pluralidad de orificios 110 y en el tubo de subida 40. Se pueden
realizar modificaciones estructurales del dispositivo en la figura 9
para tener en cuenta la inversión de la dirección de flujo cuando
el fluido residual tiene una densidad mayor, tal como se ha descrito
anteriormente.
Las figuras 10A y 10B muestra en el tubo de
bajada 20 separado en una pluralidad de tubos inferiores secundarios
120. Puede haber una pluralidad de orificios 110 en los tubos
inferiores secundarios 120, similares a la realización del tubo de
bajada 20 mostrado en la figura 9A. La figura 10B muestra una vista
en sección del tubo de bajada 20 de la realización de la figura 10A
desde abajo, en la cual cada uno de los cinco tubos inferiores
secundarios 120 está cerrado excepto por un único orificio 110. En
la realización del tubo de bajada 20 de las figuras 10A y 10B, el
fluido residual que se introduce en el tubo de bajada 20 sale por
los orificios 110 para entrar en el tubo de subida 40. Se pueden
realizar modificaciones estructurales del dispositivo en la figura
10 para tener en cuenta la inversión de la dirección de flujo
cuando el fluido residual tiene una densidad mayor, tal como se ha
descrito anteriormente.
En otras realizaciones, el tubo de bajada 20 (o
tubo "superior" en aquellas situaciones donde el flujo se
invierte debido a los diferenciales de densidad del fluido) se puede
separar en una pluralidad de tubos inferiores secundarios 120, como
en la realización del tubo de bajada 20 de la figura 10A, pero no
hay orificios 110 en los tubos inferiores secundarios 120, y los
extremos de salida 24 de los tubos inferiores secundarios 120 están
abiertos. En esta realización del tubo de bajada 20 (no
representado), el fluido residual que se introduce en el tubo de
bajada 20 sale por los extremos de salida abiertos 24 de los tubos
inferiores secundarios 120 para entrar en el tubo de subida 40.
La figura 11 muestra un tubo de bajada 20 que se
separa en una pluralidad de tubos inferiores secundarios 120. Se
pueden realizar modificaciones estructurales del dispositivo en la
figura 11 para tener en cuenta la inversión de la dirección de
flujo cuando el fluido residual tiene una densidad mayor, tal como
se ha descrito anteriormente.
La figura 12 muestra otra realización del tubo
de bajada 20, en la cual el tubo de bajada 20 termina en un buje
122. El buje 122 forma un tapón sobre el tubo de bajada 20 y rota
libremente sobre el tubo de bajada 20. Una pluralidad de salidas
radiales 124 están conectadas de manera fluida con empuje 122. La
pluralidad de salidas radiales 124 emergen en aproximadamente un
ángulo recto desde el buje 124 y a continuación se doblan según un
segundo ángulo antes de terminar en una descarga radial 126. La
descarga radial 126 puede tener un extremo abierto un extremo
parcialmente cerrado, donde el agua desde el tubo de bajada 20 se
descarga. La realización del tubo de bajada 20 mostrada en la
figura 12 es similar a un aspersor de césped rotativo. El buje 122
está fijado al árbol 64, que a su vez está conectado con el
generador eléctrico 66. En la realización mostrada en la figura 12,
no hay ningún tubo de subida 40.
Cuando la mezcla de residuo fluido y agua de mar
fluye a través del tubo de bajada 20 se descarga al exterior de las
salidas radiales 124, el buje 122, el árbol 64 y el generador
eléctrico 66 rotan, generando energía eléctrica. La energía
generada mediante el generador eléctrico 66 tiene casi
exclusivamente a partir de la energía cinética a partir del residuo
fluido que sale de la pluralidad de descargas radiales 126, porque
no hay ningún tubo 40 comercios para generar energía a partir de la
energía hidrocrática generada a partir de la mezcla de residuo
fluido del tubo de bajada 20 con agua de alta salinidad.
Se pueden realizar modificaciones estructurales
del dispositivo en la figura 12 para tener en cuenta la inversión
de la dirección de flujo cuando el fluido residual tiene una
densidad mayor, tal como sea apropiado.
La figura 13 muestra otra realización del tubo
de bajada 20 similar a la realización de la figura 12, con un buje
122, una pluralidad de salidas radiales 124, y una pluralidad de
descargas radiales 126 en los extremos de las salidas radiales 124.
La realización de la figura 13 difiere de la realización de la
figura 12 en el hecho de que las descargas radiales 126 descargan
el fluido residual desde el tubo de bajada 20 en un tubo de subida
40 con un extremo inferior abierto 42 y una pluralidad de
propulsores 62 fijados al árbol 64. El residuo fluido que sale por
las descargas radiales 126 en el tubo de subida 40 provoca la
corriente ascendente y la mezcla en el tubo de subida 40, rotando
también los propulsores, que a su vez accionan el árbol 64. El
árbol 64 acciona un generador eléctrico 66 (no representado), que
genera energía eléctrica.
En la figura 13, el árbol 64 es rotado mediante
la descarga de fluido residual desde las descargas radiales 126
rotando el buje 122 y mediante la corriente ascendente en el tubo de
subida 40, girando los propulsores 62, que a su vez rotan del árbol
64. La energía generada mediante el proceso de mezcla en la
realización de la figura 13 es por lo tanto una combinación de
energía cinética a partir de la rotación del buje 122, el árbol 64,
y el generador eléctrico (no representado) a partir del residuo
fluido expulsado desde las descargas radiales 126 y desde la
energía hidrocrática generada a partir de la corriente ascendente en
el tubo de subida 40 a partir de la mezcla del residuo fluido desde
las descargas radiales 126 que se mezclan con el agua de alta
salinidad que entra en el tubo de subida 40 desde el extremo
inferior 42. Se pueden realizar modificaciones estructurales del
dispositivo en la figura 13 para tener en cuenta la inversión de la
dirección de flujo cuando el fluido residual tiene una densidad
mayor, tal como sea apropiado.
La figura 14 ilustra otra realización del tubo
de subida 40, en la cual hay una pluralidad de tubos superiores
anidados 40 que tienen diámetros aumentados. El extremo inferior 42
de cada uno de la pluralidad de tubos superiores anidados 40 está
abierto. El residuo fluido se introduce en el tubo de bajada 20,
provocando la corriente ascendente y la mezcla con agua de mar en
la pluralidad de tubos superiores 40 cuando el agua de alta
salinidad entra en los extremos inferiores abiertos 42 de los tubos
superiores anidados 40. Se pueden realizar modificaciones
estructurales del dispositivo en la figura 14 para tener en cuenta
de inversión de la dirección de flujo cuando el fluido residual
tiene una densidad mayor. Esto requeriría que los tubos superiores
anidados tengan diámetros aumentados hacia abajo, más que en una
dirección hacia arriba.
Cualquiera de las realizaciones de generadores
de energía 60 se puede combinar con la realización de los tubos
superiores anidados 40 de la figura 14. Por ejemplo, en una
realización, los propulsores 62 de las figuras 4 y 5 se pueden
utilizar como generador de energía 60 en combinación con los tubos
superiores anidados 40 de la figura 14. En otra realización, el
generador de energía 60 puede comprender uno o más ventiladores en
espiral 70, tal como se muestra en la figura 6.
La figura 15 muestra otra realización del tubo
de subida 40 para mezclar y un generador de energía 60. En la
realización de la figura 15, una pluralidad de turbinas 130 está
montada sobre un árbol separado entre una pluralidad de estatores
132. Los estatores 132 dirigen el flujo de agua a las aspas de las
turbinas 130 para aumentar la eficiencia de las mismas. El árbol 64
está conectado a un generador eléctrico 66 (no representado).
Cuando las mezclas del residuo fluido y el agua de mar que asciende
en el tubo de subida 40, la mezcla ascendente gira las turbinas
130, que a su vez rotan el árbol 64 y el generador eléctrico 66,
generando energía.
En la realización mostrada en la figura 15, la
porción del tubo de subida 40 que rodea las turbinas 130 y los
estatores 132 comprende una boquilla 134 y un expansor 136. La
boquilla 134 reduce el diámetro del tubo de subida 40 en la porción
del tubo de subida 40 alrededor de las turbinas 130 y los estatores
132 del diámetro del resto del tubo de subida 40. Reduciendo el
diámetro del tubo de subida 40 con la boquilla 134 la porción del
tubo de subida 40 que rodea las turbinas 130, la mezcla de residuo
fluido y agua ascendente es forzada en un área menor y se acelera a
una velocidad de flujo mayor se mejora el proceso de mezcla y se
puede aprovechar de una manera más eficiente mediante las turbinas
130. Las boquilla 134 y los estatores 132 también se pueden
utilizar con otras realizaciones el generador de energía 60
representado aquí. Se pueden realizar modificaciones estructurales
del dispositivo en la figura 15 para tener en cuenta la inversión de
la dirección de flujo cuando el fluido residual tiene una densidad
mayor, tal como se ha descrito anteriormente.
La figura 16 es una ilustración esquemática de
una posible realización comercial a gran escala de un dispositivo
de mezcla de fluido residual y agua de mar 200 que tiene las
características y las ventajas de la presente invención. Aunque no
se representa una escala particular, los expertos en la materia
reconocerán que el dispositivo 200 es ventajosamente adecuado para
su uso a gran escala en aguas profundas a 100-500 m
o más por debajo del nivel del mar. El tubo de subida 240 se
extiende hacia arriba y termina en cualquier punto conveniente por
debajo del nivel del mar. El diámetro del tubo de subida puede ser
de 3-20 m o más, dependiendo de la capacidad
deseada el dispositivo 200. Este diseño particular está
preferiblemente adaptado para minimizar el impacto ambiental y, por
lo tanto, no produce la corriente ascendente de agua rica en
nutrientes de las profundidades del océano.
El agua de más se introduce en el dispositivo de
este un tubo de entrada elevado 215 a través de un tamiz de filtro
o rejilla 245. El filtro retira la vida marina y/o otros objetos no
deseados o suciedad que podría impactar de manera adversa en el
funcionamiento del generador 200 o producir daños en la población de
la vida marina local. Si se desea, el tubo de entrado 215 se puede
aislar para minimizar la pérdida de calor de las aguas de la
superficie del sifón en agua más fría en o cerca de la profundidad
total del océano. Ventajosamente, esto segura que la temperatura y,
por lo tanto, la densidad del agua de mar evacuación al generador
200 no es demasiado fría y densa para evitar o inhibir la corriente
ascendente en el tubo de subida 240.
El agua de mar se pasa a través de una planta de
energía de turbinas hidráulicas 260 del tipo utilizado para generar
energía hidráulica en una instalación típica hidroeléctrica. El
conjunto de turbinas de generador se muestra en mayor detalle en la
vista en sección de la figura 16. El agua entra en la turbina 261
través de una serie de lamas 262, llamadas compuertas de
ventanilla, que están dispuestas en un anillo alrededor de la
entrada de la turbina. La cantidad de agua que entra en la turbina
161 se puede regular abriendo o cerrando las compuertas de
ventanilla 262 tal como se requiera. Esto permite que los operadores
mantengan la turbina girando a una velocidad constante incluso bajo
cargas eléctricas y/o índices de flujo hidráulicos que varían
mucho. El mantenimiento de una velocidad precisa es deseable, ya que
es la velocidad de rotación la que determina la frecuencia de la
electricidad producida.
La turbina está acoplada a un generador
eléctrico 266 mediante un árbol largo 264. El generador 266
comprende un "rotor" giratorio grande 267 y un "estator"
estacionario 268. El anillo externo del rotor 200 entre siete está
formado por una serie de células de hierro envueltas en cobre o
"polos", cada uno de los cuales actúa como un electro imán. El
estator 268 está comprendido de una manera similar de una serie de
bobinas de cobre orientadas en vertical dispuestas en las ranuras
de un núcleo de hierro. Al girar el motor 267, su campo magnético
induce una corriente en las bobinas del estator, generando así
electricidad de corriente alterna (CA).
Con referencia otra vez a la figura 16, el agua
de mar se descarga desde la turbina en el tubo de subida 240. El
residuo fluido se introduce en la base del tubo de subida 240
mediante el tubo de bajada 220. La mezcla del residuo fluido en el
agua de mar salada libera el potencial de energía hidrocrática u
osmótica del residuo fluido según los principios descritos
anteriormente, produciendo una caída depresión concomitante (de
hasta 190 metros de altura piezométrica) a través de la turbina
hidráulica 260. Esta caída en la presión en conjunción con el flujo
de agua inducido que asciende a través del tubo de subida 240
permite la mezcla completa de fluido residual y el agua de mar, así
como la generación de una hidroenergía significativa para
aplicaciones de producción de energía comerciales, sin afectar de
manera adversa al cultivo marino de los alrededores.
Con referencia la figura 18 que los dibujos,
esta realización muestra un tubo de subida 40 que tiene un extremo
inferior abierto 42 y un extremo de salida abierto 44. Un tubo de
bajada 20 está previsto que entra en el tubo de subida 40 través
del extremo inferior 42, y se extiende en un punto aproximadamente a
mitad de camino a lo largo de la longitud del tubo de subida, donde
está sellado mediante un tapón 302. Un árbol 64 se extiende hacia
arriba desde el tapón 302, extendiéndose a un generador, no
representado en la figura 18, pero que es substancialmente similar
a los generadores mostrados en alguna de las figuras descritas
anteriormente.
Aunque en la realización mostrada en la figura
18 el tubo de bajada 20 se muestra como que se extiende hasta un
punto aproximadamente a mitad de camino en la longitud del tubo de
subida 40, en la práctica, esta construcción puede variar
ampliamente según las condiciones, la longitud del tubo de subida
40, y otros parámetros del aparato. Así, el tubo de bajada 20 se
puede extender solamente una corta distancia en el tubo de subida
40, o se puede extender más allá de su punto medio, a una altura
seleccionada.
El tubo de bajada 20 comprende una porción
externa 304, situada fuera del tubo de subida 40, y una porción
interna 306, situada en el interior del tubo de subida 40. La
porción externa 304 y la porción interna 306 del tubo de bajada 20
están conectadas entre sí mediante un conector rotativo 308, cual,
en la realización mostrada en la figura 18 está en el nivel del
extremo inferior abierto 42. Sin embargo, este conector rotativo
308 se podría configurar sobre el tubo de bajada 20 en cualquier
posición vertical apropiada del tubo de bajada 20.
El conector rotativo 308 permítela rotación de
la porción interna 306 respecto a la porción externa 304, tal como
se describirá.
La porción interna 306 tiene una pluralidad de
aberturas radiales 310, que se pueden colocar de manera aleatoria
en la porción interna 306, o colocarse de manera específica, tal
como por debajo de una turbina 62, según la configuración del
generador seleccionada. El agua fresca que entra en el tubo de
bajada 20 desde una fuente o depósito de suministro pasa a través
del conector rotativo 308, y el interior de la porción interna 306,
donde debe salir a través de una de las aberturas radiales. El tapón
302 montado en el extremo superior de la porción interna 306 evita
que cualquier agua o líquido desde el tubo de bajada 20 salga de la
porción interna 306, excepto a través de las aberturas radiales
310.
La porción interna 306 y el árbol 64 están
fijados apropiadamente en posición mediante soportes del árbol 68
para evitar el bamboleo o su desplazamiento axial, tal como ya se ha
descrito anteriormente en otras realizaciones.
En funcionamiento, el fluido residual que sale
del tubo de bajada 20 a través de las aberturas radiales 310 se
mezcla con agua de mayor salinidad que entra en el extremo inferior
42 del tubo de subida 40. La energía producida mediante la mezcla
del agua de mayor salinidad y de menor salinidad acciona la turbina
62, que a su vez rota la porción interna 306, el tapón 302 y el
árbol 64. Esta realización permite una selección precisa de las
aberturas 310 para liberar el agua fresca en el tubo de subida 40,
de una manera que es fija respecto a los turbina 62. Como las
aberturas radiales 310 y las turbina 62 son ambas rotativas, la
posición precisa de la mezcla, y su efecto óptimo de accionamiento
de la turbina 62, se pueden explotar para mejorar la eficiencia y
así la energía producida mediante el aparato de la invención. Esto
se consigue mediante el uso del conector rotativo 308, que
permítela rotación relativa de la porción interna 306, pero que
asegura que no se produzca ningún escape de agua fresca del tubo de
bajada 20 en la posición del conector rotativo 308.
La figura 19 muestra una variación del aparato
mostrado en la figura 18, que incluye el tubo de subida 40, el tubo
de bajada 20 que tiene una porción externa 304, y una porción
interna 306, estando conectadas las porciones externa e interna 304
y 306 respectivamente mediante el conector rotativo 308. Un tapón
302 está previsto en el extremo superior de la porción interna 306,
y una serie de turbinas 62 están montadas sobre la porción interna
306, que tiene una pluralidad de aberturas radiales 310 colocadas de
manera selectiva. El aparato en la figura 19 difiere de la
realización mostrada en la figura 18 por la existencia de una pieza
de cierre 320 sobre el extremo inferior 42 del tubo de subida 40.
Como la piel sobre cierre 320 evita que el agua de mar entre en el
extremo inferior 42 del tubo de subida 40, están previstos una
pluralidad de orificios 322 en posiciones en la pared del tubo de
subida 40, tal como se muestra en la figura 19B, a través de los
cuales el agua de mar se introduce en el interior del tubo de subida
40. Una ventaja de la realización mostrada en las figuras 19A y 19B
es que el agua de mar se puede introducir en el punto de máxima
eficiencia, facilitando así el control de los puntos guardias
precisas en las cuales el agua de mar, así como el fluido residual,
se introducen primero y se dejan mezclar. Este factor, acoplado con
la orientación de las turbina 62 en la porción interna 306, se
puede utilizar hacer más eficiente el aparato. Como era el caso
respecto a la figura 18, el fluido residual solamente se deja que
salga a través de las aberturas radiales entre el conector rotativo
308 y el tapón 302, en una posición, un índice de flujo y una
orientación que se pueden controlar y manipular ventajosamente.
En la figura 20 de los dibujos, se muestra otra
realización se muestra una variación de las representadas en las
figuras 18 y 19. En esta realización, está previsto un tubo de
subida 40, así como un tubo de bajada 20 que incluye una porción
externa 304, una porción interna 306 que tiene una pluralidad de
aberturas radiales 310, y un tapón 302. En el extremo inferior 42,
está prevista una pieza de cierre 320. En la realización mostrada
en la figura 20, el dispositivo rotativo 308 está colocado en el
exterior del tubo de subida 40 y la pieza de cierre de 320 para
permitir la rotación de la porción interna 306 que el tubo de bajada
40 y del tubo de subida 20, en respuesta a la producción de energía
que provoca la rotación de la turbina 62. Así, la rotación
alrededor del conector 308 como resultado de las fuerzas sobre las
turbina 62 hace rotar así la pieza de cierre 320, el tubo de subida
40 y la porción interna 306 del tubo de bajada 20.
Como era el caso en la realización mostrada en
la figura 19A y 19B, el agua de mar entrará en el tubo de subida
40, no a través del extremo inferior 42, sino que a través de una
serie de orificios 322 del tipo mostrado en la figura 19B.
Alternativamente, en lugar de tener una pluralidad de orificios 322,
se pueden prever una o más hendiduras en la pared del tubo de
subida 40, tal como las mostradas en las figuras 7B u 8B de los
dibujos.
La realización de la figura 20 es otra variación
mediante la cual se puede controlar y explotar la posición precisa
de entrada del fluido residual y el agua de mar respectivamente en
el tubo de subida 40 para derivar la energía y potencia máxima que
sigue a la hidrocrasis y la energía liberada de esta manera.
La figura 21 de los dibujos muestra una
variación de la invención que no utilizan ni aspas ni turbinas en
el árbol 64, sino un tornillo helicoidal 330 montado sobre el árbol,
y que se hace rotar en respuesta a la energía liberada mediante la
mezcla de los fluidos con diferentes salinidades. Estas fuerzas que
actúan sobre el tornillo helicoidal 330 hacen rotar el árbol 64,
que a su vez transmite las fuerzas rotativas al generador para su
uso tal como se han descrito anteriormente.
La figura 22A de los dibujos muestra una
realización alternativa para suministrar fluido residual desde el
tubo de bajada 20 a una posición precisa respecto a las aspas del
ventilador. Tal como se muestra en la figura 22A, una porción
interna 306 del tubo de bajada 20 tiene una pluralidad de aspas del
ventilador 62, también llamadas turbinas, montadas sobre el mismo.
En lugar de salir de la porción interna 306 a través de una
pluralidad de aberturas, el fluido residual en la porción interna
306 se suministra través de un tubo de ventilador 336 que está
montado en el lado inferior 338 del aspa de ventilador 62. Hacia la
extremidad externa 340 del aspa de ventilador 62, el tubo de
ventilador 376 incluye una sección en forma de U 342, que termina en
una salida 344. Así, el fluido residual entra través de la porción
interna 306, fluye a lo largo del tubo de ventilador 336, en el
interior de la sección en forma de U 342, y sale a través de la
salida 344. En la realización mostrada en las figuras 22A y 22B, el
fluido residual fluye así desde el conducto interior a través de una
serie de conductos menores situados por debajo que las aspas del
ventilador 62 (o tornillo helicoidal, si esta realización se
utiliza), al borde externo de las aspas del ventilador 62. La
dirección de flujo se invierte de manera que el fluido residual
sale en una dirección de flujo que está dirigida hacia el centro del
tubo de subida 40.
La realización mostrada en las figuras 22A y 22B
permite que el aparato aproveche, una vez más, el control de las
áreas de salida del fluido salino y residual, señalando así la
posición de la reacción para la máxima producción de energía y/o el
uso de esta energía de una manera que rota las aspas del ventilador
de una manera óptima. Como en las otras realizaciones, la porción
interna 306 del tubo de bajada 20 está fijada a un árbol rotativo,
que a su vez se fija a un generador o mecanismo de energía que
utiliza o almacena la energía así producida.
En las realizaciones descritas anteriormente, el
tubo de subida 40 está preferiblemente situado en un cuerpo de agua
de alta salinidad y de alto potencial osmótico negativo, tal como un
océano o un mar. El agua de alta salinidad y alto potencial
osmótico negativo entran el tubo de subida 40 en una relación mayor
de 8:1 de agua salada respecto al fluido residual, más
preferiblemente 30:1 de agua salada respecto a residuo fluido, y más
preferiblemente aproximadamente 34:1 o mayor. La mezcla del residuo
fluido de bajo potencial osmótico negativo con el agua de mar de
alto potencial osmótico negativo en el tubo de subida 40 provoca el
ascenso y la evacuación del agua de mar al interior del tubo de
subida 40 a través de las aberturas. La corriente ascendente provoca
la mezcla completa en el tubo de subida 40 que rota los propulsores
62, los ventiladores en espiral 70 o las turbinas 130, 261, que
están fijadas a un árbol de accionamiento 64, 264. El árbol rotativo
64, 264 gira al generador eléctrico 66, 266, generando energía
eléctrica a partir de la diferencia en el potencial osmótico entre
el residuo fluido introducido en el tubo de bajada 20 y el agua de
alta salinidad que entra en el tubo de subida 40 a través de las
aberturas en el tubo de subida 40. La mezcla del fluido residual y
el agua de mar puede, tal como se ha descrito anteriormente,
también producirse a partir del hecho de que el fluido residual
tiene una densidad mayor que el agua de mar. Se utilizan procesos
correspondientes, pero con una inversión de la dirección de
flujo.
Como el procedimiento depende de tener
soluciones de diferentes potenciales osmóticos que salen del tubo de
bajada 20 y entran el tubo de subida 40, es preferible que la
fuente de residuo fluido que sale del tubo de bajada 20 y la fuente
de agua de alta salinidad que entran el tubo de subida 40 continúen
teniendo diferentes potenciales osmóticos a lo largo del tiempo, de
manera que la generación de energía continua a lo largo de un largo
período de tiempo. Por ejemplo, si el cuerpo de agua de alta
salinidad que rodea el tubo de subida 40 es pequeño, el residuo
fluido que sale del tubo de bajada 20 puede diluir el agua de alta
salinidad después de salir del tubo de subida 40, reduciendo la
diferencia en el potencial osmótico entre el residuo fluido y el
agua de alta salinidad. Al reducir la diferencia en el potencial
osmótico entre el residuo fluido que sale del tubo de bajada 20 y
el agua de alta salinidad que entran el tubo de subida 40, se reduce
la cantidad de energía disponible. Por lo tanto, es generalmente
ventajoso que el cuerpo de agua de alta salinidad tenga un volumen
grande. La posición del tubo de subida 40 en un cuerpo de agua
grande que tiene una alta salinidad, tal como el océano, es por lo
tanto una realización preferida, pero la invención ciertamente no
está limitada a esta aplicación.
Alternativamente, la invención se puede operar
entre cuerpos de agua salada que tienen diferente salinidad o entre
aguas a diferentes profundidades del mismo cuerpo de agua. Por
ejemplo, la salinidad que la temperatura del agua de mar se conoce
que varía con la profundidad y la posición. En las islas de Hawai, a
una profundidad de 1000 metros, la temperatura del agua ambiente es
de aproximadamente 1,6ºC, con una salinidad de aproximadamente 34,6
ppt. La temperatura superficial este aproximadamente 26,6ºC con una
salinidad de aproximadamente 35,5 ppt. Así, existe un potencial de
energía osmótica (aunque pequeño) entre las aguas superficiales y
las aguas a una profundidad de 100 metros.
Aunque la presente invención se describe en el
contexto de la generación de energía mediante el contacto directo y
la mezcla de residuo fluido con agua de mar en un aparato situado en
el océano, debe entenderse que el aparato y el procedimiento no
están limitados a esta realización. Las técnicas y los conceptos
aquí descritos también son aplicables a una variedad de
situaciones, donde estén disponibles soluciones acuosas que tienen
diferentes potenciales osmóticos. Por ejemplo, en una realización,
el aparato y el procedimiento se pueden aplicar a una salmuera
concentrada a partir de una planta de desalinización que se mezcla
con la salmuera menos concentrada en agua de mar. En otra
realización, un efluente de aguas residuales, una corriente de agua
fresca, se puede mezclar con agua de mar. Si se desea, una membrana
osmótica o un plenum de intercambio de agua osmótico se puede
prever en el extremo de salida del tubo de bajada y/o en la salida
(superior) del tubo de subida para aumentar la eficiencia de la
producción de energía. El aparato y el procedimiento se pueden
aplicar así una amplia gama de aplicaciones en las cuales están
disponibles dos soluciones de diferente potencial osmótico.
Se pretende que el alcance de la presente
invención aquí descrita no esté limitado mediante las realizaciones
particulares descritas anteriormente, sino que se debe determinar
solamente mediante una lectura imparcial de las reivindicaciones
adjuntas.
Claims (16)
1. Procedimiento para la eliminación de fluidos
residuales, que comprende:
(a) dirigir el fluido residual que tiene un
primer potencial de energía osmótica desde una fuente a través de
un tubo de alimentación (20) en una cámara de mezcla mayor (40)
situada en un cuerpo de agua (28) que tiene un segundo potencial de
energía osmótica;
(b) introducir agua desde el cuerpo de agua (28)
en la cámara de mezcla (40);
(c) mezclar en el interior de la cámara de
mezcla (40) el fluido residual con agua del cuerpo de agua para
formar una mezcla de fluido residual/agua, accionándose la mezcla
por lo menos en parte mediante la diferencia de potencial de
energía osmótica entre el fluido residual y el agua en el cuerpo de
agua, teniendo la cámara una longitud suficiente para facilitar la
mezcla substancial del fluido residual con el agua del cuerpo de
agua (28); y
(d) permitir que la mezcla de fluido
residual/agua fluya al interior del cuerpo de agua desde una
abertura (44) en la cámara;
caracterizado porque también comprende la
etapa de inyectar una corriente menor de un aditivo en la cámara,
seleccionándose el aditivo entre el grupo que consiste en por lo
menos uno de entre peróxido de hidrógeno, desinfectante, y cultivo
microbiano.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que el fluido residual tiene una densidad mayor que el agua en
el cuerpo de agua y el fluido residual se dirige mediante el tubo de
alimentación (20) en una porción superior de la cámara, provocando
de esta manera el flujo hacia abajo a través de la cámara (40) del
fluido residual y el agua desde el cuerpo de agua (28) al mezclarse
para formar la mezcla fluido residual/agua.
3. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que el fluido residual tiene una densidad menor que el agua en
el cuerpo de agua y el fluido residual se dirige mediante el tubo de
alimentación (20) en una porción inferior (3) de la cámara (40),
provocando así el flujo hacia arriba través de la cámara (40) y del
agua desde el cuerpo de agua (28) al mezclarse para formar la
mezcla fluido residual/agua.
4. Procedimiento según la reivindicación 1, que
también comprende la etapa de recuperar energía a partir del flujo
de la mezcla fluido residual/agua mediante la colocación de una
turbina (60) en la cámara para capturar la energía a partir de la
mezcla que fluye.
5. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que el fluido residual comprende un producto de salmuera a
partir de la desalinización de agua de mar.
6. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que el fluido residual comprende una salmuera separada a partir
de petróleo el transcurso de la producción de crudo.
7. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que el fluido residual comprende una corriente de agua de
desecho municipal o industrial tratada.
8. Procedimiento según la reivindicación 8, en
el que el aditivo se inyecta en la cámara aguas arriba del tubo de
alimentación en el agua introducida en la cámara a partir del cuerpo
de agua antes de que el agua contacte con el residuo fluido para el
proceso de mezcla.
9. Procedimiento según la reivindicación 8, en
el que el aditivo se inyecta en la cámara aguas abajo del tubo de
limitación en la mezcla de residuo fluido/agua que sufre la mezcla
en la cámara después de que el agua contacte con el residuo fluido
para el proceso de mezcla.
10. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que el cuerpo de agua es agua de mar.
11. Procedimiento según la reivindicación 4, en
el que el tubo de alimentación (20) tiene una porción interna (306)
y una porción externa (304), estando dispuesta dicha porción interna
(306) en el interior de la cámara de mezcla y que tiene unas
abertura radiales (310) para permitir que el fluido residual salga
del tubo de alimentación, en el que dicha porción interna (306)
está conectada de manera rotativa con dicha porción externa (304)
para que dicha turbina (60) y porción interna (306) roten.
12. Dispositivo de eliminación de fluidos
residuales, que comprende:
un tubo de alimentación (29) para dirigir el
fluido residual que tiene un primer potencial de energía osmótica
desde una fuente (25) a través del tubo de alimentación (20);
\newpage
una cámara de mezcla (40) para su colocación en
un cuerpo de agua (28) que tiene un segundo potencial de energía
osmótica, recibiendo la cámara de mezcla (40) el tubo de
alimentación (20) de manera que el fluido residual se puede
introducir en la misma;
una abertura (44) en la cámara de mezcla en una
posición alejada del tubo de alimentación (20);
en el que la mezcla se produce en el interior de
la cámara de mezcla (40) entre el fluido residual y el agua (28)
del cuerpo de agua para formar una mezcla de fluido residual/agua,
accionándose la mezcla por lo menos en parte mediante la diferencia
de potencial de energía osmótica entre el fluido residual y el agua
en el cuerpo de agua (28), teniendo la cámara (40) una longitud
suficiente para facilitar la mezcla substancial del fluido residual
con el agua del cuerpo de agua (28);
caracterizado porque también comprende
medios para inyectar una corriente menor de un aditivo en la cámara,
seleccionándose dicho aditivo entre el grupo que consiste en
peróxido de hidrógeno, desinfectante y cultivo microbiano.
13. Dispositivo según la reivindicación 12, en
el que el fluido residual tiene una densidad mayor que el agua en
el cuerpo de agua y el fluido residual se dirige mediante el tubo de
alimentación a una porción superior de la cámara, provocando así el
flujo hacia abajo a través de la cámara del fluido residual y el
agua del cuerpo de agua al mezclarse para formar la mezcla de
fluido residual/agua.
14. Dispositivo según la reivindicación 12, en
el que el fluido residual tiene una densidad menor que el agua en
el cuerpo de agua y el fluido residual se dirige mediante el tubo de
alimentación a una porción inferior de la cámara, provocando así el
flujo hacia arriba través de la cámara del fluido residual y el agua
del cuerpo de agua al mezclarse para formar la mezcla de fluido
residual/agua.
15. Dispositivo según la reivindicación 12, que
también comprende una turbina (62) en la cámara para recuperar
energía a partir del flujo de la mezcla de fluido residual/agua para
capturar la energía de la mezcla que fluye.
16. Dispositivo según la reivindicación 15, en
el que el tubo de alimentación (20) tiene una porción interna (306)
y una porción externa (304), estando dispuesta dicha porción interna
(306) en el interior de la cámara de mezcla que tiene unas
aberturas radiales (310) para permitir que el fluido residual salga
del tubo de alimentación, en el que dicha porción interna (306)
está conectada de manera rotativa con dicha porción externa (304)
para que dicha turbina (60) y porción interna (306) roten.
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