ES2472725B1

ES2472725B1 - Unidirectional Multiple Expansion Piston Machine

Info

Publication number: ES2472725B1
Application number: ES201300066A
Authority: ES
Inventors: Román RIVAS GOROSTIAGA
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-01-02
Filing date: 2013-01-02
Publication date: 2015-07-15
Anticipated expiration: 2033-01-02
Also published as: ES2472725A2; ES2472725R1

Abstract

Esta máquina aúna los conceptos de multiexpansión y equicorriente.#Dentro de cada cilindro tiene lugar una secuencia de procesos en una vuelta de cigüeñal.#Durante la carrera de descenso el vapor es admitido por la parte alta una porción de la carrera quedando el resto, cuando cierra la válvula de admisión, para la expansión del vapor. Al llegar el pistón abajo se abre la válvula de sumidero. A la vez que se producía esto en la zona alta del pistón, la cara inferior del pistón empuja hacia la siguiente etapa el vapor que había sido transferido anteriormente.#En la carrera de ascenso, y con el sumidero abierto, el vapor pasa de la zona alta a la baja del pistón a presión y temperatura constante. En la última parte del ascenso, el sumidero cierra y el vapor que queda arriba se precomprime.This machine combines the concepts of multiexpansion and equicorriente. # Within each cylinder a sequence of processes takes place in a crankshaft turn. # During the descent race the steam is admitted by the high part a portion of the race remaining the rest, when you close the intake valve, for steam expansion. When the piston reaches the bottom, the sump valve opens. While this occurred in the upper part of the piston, the lower face of the piston pushes the steam that had been previously transferred to the next stage. # In the ascent race, and with the sump open, the steam passes from the high and low piston zone at constant pressure and temperature. In the last part of the ascent, the sump closes and the steam that remains above is precompressed.

Description

MÁqUINA DE PISTÓN DE EXPANSiÓN MÚLTIPLE UNIDIRECCIONAL UNIDIRECTIONAL MULTIPLE EXPANSION PISTON MACHINE

Technical sector

La presente invención pretende enmarcarse dentro del sector de producción de energía por medio de máquinas de expansión, preferentemente el campo donde el fluido es vapor de agua a presiones y temperaturas moderadas con potencias The present invention aims to be framed within the energy production sector by means of expansion machines, preferably the field where the fluid is water vapor at moderate pressures and temperatures with powers

pequeñas donde las turbinas padecen de rendimientos muy bajos. small where the turbines suffer from very low yields.

Esta máquina permite realizar la expansión de los fluidos compresibles de forma multietapa manteniendo el flujo en una misma dirección durante todo el proceso, características claves para la consecución de un rendimiento isentrópico This machine allows the expansion of compressible fluids in a multistage way keeping the flow in the same direction throughout the process, key characteristics for achieving isentropic performance

elevado. high.

La energía termosolar necesita de máquinas de expansión efectivas para el vapor de agua generado. Actualmente las turbinas de vapor copan el mercado, pero las instalaciones pequeñas no encuentran el motor adecuado. Solar thermal energy requires effective expansion machines for the generated water vapor. Currently steam turbines take over the market, but small installations do not find the right engine.

Estado de la técnica State of the art

Las máquinas de vapor de pistón, hace más de cincuenta años que quedaron The piston steam machines, more than fifty years left

obsoletas para la propulsión de barcos o locomotoras y para la generación de obsolete for the propulsion of ships or locomotives and for the generation of

energía eléctrica. Los motores diesel, en pequeñas y medianas potencias, y las turbinas, para las grandes potencias, superaron en eficiencia a las máquinas de expansión múltiple y a las de equicorriente. La figura 1 muestra la máquina de electric power. Diesel engines, in small and medium powers, and turbines, for large powers, outperformed in efficiency the machines of multiple expansion and those of equicorriente. Figure 1 shows the machine

vapor de triple expansión utilizada en los barcos "Liberty" durante la segunda triple expansion steam used in "Liberty" ships during the second

guerra mundial. Su construcción en masa debido a unas circunstancias muy concretas también marcó su final. En la figura 2 vemos el dibujo principal de la World War. Its mass construction due to very specific circumstances also marked its end. In figure 2 we see the main drawing of the

patente de la máquina de equicorriente de Stumpf. El vapor entra por la parte superior del cilindro y lo abandona cuando el pistón descubre las galerias de Stumpf equi-current machine patent. The steam enters the upper part of the cylinder and leaves it when the piston discovers the galleries of

exhaustación, manteniendo el flujo en una única dirección. Esta máquina era de gran rendimiento siempre que las condiciones de vapor fueran muy moderadas porque sólo permitía una expansión. exhaustion, keeping the flow in only one direction. This machine was of great performance as long as the steam conditions were very moderate because it only allowed an expansion.

Los motores diesel, en sus versiones más sofisticadas, pueden llegar a Diesel engines, in their most sophisticated versions, can reach

aprovechar hasta el 50% de la energia disponible en el combustible gracias a las altas temperaturas de combustión y sobre todo a que el proceso se realiza en el take advantage of up to 50% of the energy available in the fuel thanks to the high combustion temperatures and especially since the process is carried out in the

seno del fluido operante. Son máquinas volumétricas de pistón, que han demostrado un gran rendimiento isentrópico en los procesos de compresión y expansión. Su desarrollo técnico en sus más de cien años de historia parece sine of the operating fluid. They are volumetric piston machines, which have demonstrated great isentropic performance in the compression and expansion processes. His technical development in his more than one hundred years of history seems

estar llegando a su cénit porque su dependencia de los combustibles derivados be reaching its zenith because its dependence on derived fuels

del petróleo y la generación de contaminantes como el CO2 y los NOx están obligando a buscar otro tipo de soluciones. of oil and the generation of pollutants such as CO2 and NOx are forcing to find other solutions.

Por otro lado, las turbinas de vapor siguen usándose de forma masiva para la generación de energía eléctrica. Cuando los combustibles no pueden quemarse dentro del fluido operante o cuando las potencias necesarias son tan grandes que los motores diesel no son adecuados por su complejidad o mantenimiento ¡nasumible, las turbinas de vapor son la opción elegida. Incluso en las plantas que utilizan el gas natural como combustible y las turbinas de gas como motor principal, el ciclo de Rankine sigue siendo el mejor modo de aprovechar el calor residual de las turbinas de gas. On the other hand, steam turbines are still used massively for electric power generation. When fuels cannot be burned into the operating fluid or when the necessary powers are so large that diesel engines are not adequate due to their complexity or needless maintenance, steam turbines are the chosen option. Even in plants that use natural gas as fuel and gas turbines as the main engine, the Rankine cycle remains the best way to take advantage of the waste heat from gas turbines.

Hoy día, vuelve a abrirse un nicho dentro de la generación de energía que muy bien podria ser ocupado por las máquinas de pistón para la expansión del vapor. La biomasa es un nuevo combustible que debe ser quemado en una caldera. El sol como fuente de energía es una de las opciones con mayor proyección en el futuro inmediato. Estas fuentes de energía pueden calentar el fluido motor a unas temperaturas que casan perfectamente con los ciclos de vapor. La turbina de vapor se presenta, por tanto, como el motor a utilizar. El problema o la oportunidad, según se mire, vienen dados por el bajo rendimiento isentrópico de la turbina de vapor para potencias por debajo de los 5 MW y por rendimientos desastrosos en el campo de 1 MW o menos. Today, a niche is reopened within the power generation that could very well be occupied by the piston machines for steam expansion. Biomass is a new fuel that must be burned in a boiler. The sun as a source of energy is one of the most projected options in the immediate future. These energy sources can heat the motor fluid to temperatures that perfectly match the steam cycles. The steam turbine is therefore presented as the engine to be used. The problem or the opportunity, as it is looked at, is given by the low isentropic performance of the steam turbine for powers below 5 MW and by disastrous yields in the field of 1 MW or less.

Las enseñanzas que nos dejan la historia de la técnica y el conocimiento de la termodinámica dicen lo siguiente: ~EI vapor tiene un grado de expansión muy grande si lo comparamos con el aire, Esto significa que la expansión múltiple es necesaria si queremos aprovechar todo su potencial sin exagerar la longitud de los cilindros, -7Las temperaturas que podemos conseguir en calderas de combustión o solares no son muy elevadas, por lo que debemos procurar que la temperatura a la que se realiza el mayor intercambio de calor sea la del vapor saturado, minimizando el sobrecalentamiento. El sobrecalentamiento no eleva demasiado el rendimiento al ser muy poca la cantidad de calor sensible absorbido por el vapor en comparación con el calor de evaporación a temperatura constante. -7Cuando utilizamos vapor en la zona de saturación, debido a su alta conductividad térmica, éste pierde o gana mucho calor cuando los flujos entrante y saliente comparten las mismas galerías de paso. Una galería fría roba calor al flujo entrante, restándole energía, y recíprocamente, la misma galería caliente entrega calor al flujo saliente, perdiéndose definitivamente esta energía. Por tanto, el flujo debe mantener una dirección única. Los pasos de entrada y salida deben ser diferentes, usados sólo para lo que su nombre indica, y situados lo más alejados que sea posible. Este diseño se llama de flujo equicorriente, unidireccional o uniflujo. -7La máquina de expansión múltiple o compound -figura 1-tiene varios cilindros, cada cilindro un pistón, y cada pistón una o dos caras de trabajo. Hacen falta dos carreras, una hacia fuera y otra hacia dentro de la tapa para completar la expansión parcial en cada cilindro. En la carrera hacia fuera el vapor se admite hasta el cut-off, después se expande parcialmente hasta el final de la carrera. Cuando el pistón regresa el vapor es empujado a presión constante hacia la siguiente etapa y en la última parte de la carrera se precomprime el vapor para igualar la presión de admisión. En las máquinas compound, típicamente, las galerías de admisión y expulsión son las mismas o están muy próximas, produciéndose grandes pérdidas por intercambios de calor indeseables. En definitiva, la máquina de expansión múltiple cumple con una de las condiciones necesarias para aprovechar la energía del vapor a presiones de hasta 30 bar, cual es la expansión repartida en dos, tres y hasta cuatro cilindros, pero al ser el flujo de dirección cambiante se perdía mucha energía. ?La máquina compound tiene varios cilindros para conseguir un grado de expansión de alrededor de 3 en cada cilindro o 27 en tolal. El vapor todavía se podría expandir más como en las turbinas de vapor, pero a costa de un volumen de máquina demasiado grande para el posible aprovechamiento. Históricamente se ha optado por una solución intermedia: al terminar la carrera de expansión de la última etapa, el vapor, en lugar de ser expulsado por el empuje del pistón, es literalmente succionado por el vacio del condensador, evitando el trabajo de expulsión y mejorando un poco el rendimiento gracias a esta "táctica". -7La máquina de equicorriente o uniflujo -figura 2-ideada por Stumpf tiene el diseño necesario para conseguir que el flujo del vapor mantenga una dirección invariable y que las galerías de admisión y expulsión sean distintas y alejadas en el sentido longitudinal. Cuando el grado de expansión necesario no es muy grande esta máquina tiene un gran rendimiento. Su problema radica en que al acabar la carrera hacia fuera y descubrirse las galerías de exhaustación, el vapor expandido no abandona el cilindro por la acción de un pistón sino que es succionado por el vacío del condensador. La carrera hacia dentro se utiliza sólo para precomprimir el vapor e igualar presiones antes de la siguiente admisión. El que el vapor salga del cilindro por la acción succionadora del condensador inhabilita este vapor para una ulterior expansión, La máquina de Stumpf es por tanto de equicorriente y de una sola expansión. Al poder realizarse con esta máquina una sola expansión, queda limitada por la longitud del cilindro. The teachings that leave us the history of the technique and the knowledge of thermodynamics say the following: ~ Steam has a very large degree of expansion when compared with air, This means that multiple expansion is necessary if we want to take advantage of all its potential without exaggerating the length of the cylinders, -7The temperatures we can achieve in combustion or solar boilers are not very high, so we must ensure that the temperature at which the greatest heat exchange is carried out is that of saturated steam, minimizing overheating. Overheating does not raise the performance too much as the amount of sensible heat absorbed by the steam is very small compared to the heat of evaporation at a constant temperature. -7When we use steam in the saturation zone, due to its high thermal conductivity, it loses or gains a lot of heat when the incoming and outgoing flows share the same passage galleries. A cold gallery steals heat from the incoming flow, subtracting energy, and reciprocally, the same hot gallery delivers heat to the outgoing flow, definitely losing this energy. Therefore, the flow must maintain a unique direction. The entry and exit steps must be different, used only for what its name indicates, and located as far away as possible. This design is called equicorrent, unidirectional or uniform flow. -7The multiple expansion machine or compound -figure 1-has several cylinders, each cylinder a piston, and each piston one or two working faces. It takes two runs, one out and one in the lid to complete the partial expansion in each cylinder. In the race out the steam is admitted until the cut-off, then partially expands until the end of the race. When the piston returns the steam is pushed at constant pressure to the next stage and in the last part of the stroke the steam is precompressed to equalize the intake pressure. In compound machines, typically, the admission and expulsion galleries are the same or are very close, producing large losses due to undesirable heat exchanges. In short, the multiple expansion machine meets one of the necessary conditions to take advantage of the steam energy at pressures of up to 30 bar, which is the expansion spread over two, three and up to four cylinders, but as the flow is changing direction A lot of energy was lost. ? The compound machine has several cylinders to achieve an expansion degree of about 3 in each cylinder or 27 in tolal. Steam could still expand more like steam turbines, but at the cost of a machine volume too large for possible use. Historically, an intermediate solution has been chosen: at the end of the expansion stage of the last stage, the steam, instead of being expelled by the thrust of the piston, is literally sucked by the vacuum of the condenser, avoiding the work of expulsion and improving a little performance thanks to this "tactic". -7The equicorrent or single-flow machine -figure 2-devised by Stumpf has the necessary design to ensure that the steam flow maintains an invariable direction and that the intake and expulsion galleries are different and distant in the longitudinal direction. When the necessary degree of expansion is not very large, this machine has great performance. Its problem is that when the race is finished out and the exhaustion galleries are discovered, the expanded steam does not leave the cylinder by the action of a piston but is sucked by the vacuum of the condenser. The inward stroke is used only to precompress the steam and equalize pressures before the next admission. The fact that the steam leaves the cylinder by the suctioning action of the condenser disables this steam for a further expansion. The Stumpf machine is therefore equicorrent and of a single expansion. As a single expansion can be performed with this machine, it is limited by the length of the cylinder.

Aunando todas estas premisas, una máquina de pistón, de expansión múltiple y de equicorriente tendría las siguientes tres cualidades que harían de ella una máquina muy eficiente: 1.-Máquina de pistón.-Las máquinas volumétricas son las de mayor rendimiento isentrópico. 2.-Multietapa.-La expansión en varios cilindros permite obtener un grado de expansión elevado con una máquina de dimensiones moderadas. 3.-Equicorriente.-Si toda la expansión se consigue hacer en una sola dirección la eficiencia se mantiene en valores óptimos. Combining all these premises, a piston, multiple expansion and equicorrent machine would have the following three qualities that would make it a very efficient machine: 1. -Piston machine.-Volumetric machines are the ones with the highest isentropic performance. 2.-Multistage.-The expansion in several cylinders allows to obtain a high degree of expansion with a machine of moderate dimensions. 3.-Equicorrent.-If all the expansion is achieved in one direction, efficiency is maintained at optimal values.

Descripción detallada de los componentes de la invención Detailed description of the components of the invention

La invención consiste en el conjunto de los dispositivos que permiten realizar una expansión multietapa y de equicorriente. Por supuesto, los conceptos de multíexpansión y equicorriente son de sobra conocidos. Esta invención se basa fundamentalmente en la válvula de transferencia montada sobre el pistón y los mecanismos que fuerzan su apertura y cierre. The invention consists of the set of devices that allow multistage and equicidal current expansion. Of course, the concepts of multi-expansion and equicorrent are well known. This invention is fundamentally based on the transfer valve mounted on the piston and the mechanisms that force its opening and closing.

Perspectiva de conjunto de máquina de triple expansión (Figura 3) Perspective of triple expansion machine assembly (Figure 3)

La figura 3 muestra una perspectiva exterior de conjunto. Figure 3 shows an external perspective of the whole.

La denominación de los componentes señalados en la figura 3 es la siguiente: 1.-Entrada de vapor de alta presión. The designation of the components indicated in Figure 3 is as follows: 1. High-pressure steam inlet.

2.-Salida de vapor hacia el condensador. 3.-Cilindro de Alta Presión. 4.-Cilindro de Media Presión 5.-Cilindro de Baja Presión. 6.-Eje de levas. 2.-Steam outlet to the condenser. 3.-High Pressure Cylinder. 4.-Medium Pressure Cylinder 5.-Low Pressure Cylinder. 6.-Cam shaft.

7.-Balancín de válvula de admisión de alta presión. 8.-Resorte cierre de válvula de admisión de baja presión. 9.-Tubos de comunicación entre expulsión de Alta Presión y admisión de Media Presión. 10.-Tubos de comunicación entre expulsión de Meida Presión y admisión de 7.-High pressure intake valve rocker. 8.-Spring closing of low pressure inlet valve. 9.-Communication tubes between High Pressure ejection and Medium admission Pressure. 10.-Communication tubes between expulsion of Meida Pressure and admission of

Baja Presión .. Low pressure ..

11 .-Tren alternativo. 11.-Alternative train.

12.-Bancada. 13.-Cigüeñal. 14.-Volante inercia. 12.-Bench. 13.-Crankshaft. 14.-Flywheel inertia.

15.-Transmission belt.

Perspectiva de conjunto de máquina de triple expansión seccionada (Figura 4) Perspective of triple sectioned expansion machine assembly (Figure 4)

En esta perspectiva seccionada se puede apreciar las diferencias en diámetros típicas de las máquinas de multiexpansión. En las culatas vemos las válvulas de admisión que abren hacia arriba gracias al sistema de balancín-leva. Los pistones presentan la característica esencial de esta invención: están In this sectioned perspective you can see the differences in typical diameters of multiexpansion machines. In the cylinder heads we see the intake valves that open upwards thanks to the rocker-cam system. The pistons have the essential feature of this invention: they are

ranurados y una válvula de sumidero deja al descubierto estas ranuras desde el punto muerto bajo hasta casi llegar al punto muerto alto para permitir la grooves and a sump valve exposes these grooves from the low dead point to near the high dead point to allow

transferencia del vapor de la región alta hacia la baja provocando que el flujo de vapor continúe siempre hacia abajo. Steam transfer from the upper to the lower region causing the steam flow to always continue down.

4.-Cilindro de media presión . 4.-Medium pressure cylinder.

5.-Cilindro de baja presión. 7.-Balancín de válvula de admisión de alta presión. 5.-Low pressure cylinder. 7.-High pressure intake valve rocker.

16.-Balancín de válvula de admisión de media presión. 16.-Medium pressure intake valve rocker.

17.-Balancin de válvula de admisión de baja presión. 17.-Low pressure intake valve balance.

18.-Leva de válvula de admisión de alta presión. 18.-High pressure inlet valve cam.

19.-Resorte de cierre de válvula de alta presión. 20.-Válvula de admisión de alta presión. 21.-Pistón de alta presión. 19.-High pressure valve closing spring. 20.-High pressure intake valve. 21.-High pressure piston.

22.-Válvula de sumidero sobre pistón. 22.-Piston sump valve.

23.-Camón de apertura de válvula de sumidero. 24.-Rodeles de apertura de válvula de sumidero. 25.-Prensa de vástago de alta presión .. 23.-Drain sump valve opening. 24.-Sump valve opening rollers. 25.-High pressure rod press ..

Alzado y planta de Pistón Ranurado con su vástago y Válvula de Sumidero con su vástago hueco y camones de giro (Figura 5 y Figura 6) Raised and grooved Piston plant with its stem and Sump Valve with its hollow rod and turn tables (Figure 5 and Figure 6)

El pistón es un conjunto de dos piezas principales. Por un lado está el pistón de vástago con cabeza ranurada, y, por otro, tenemos la válvula de sumidero que The piston is a set of two main parts. On one side is the piston rod with grooved head, and, on the other, we have the sump valve that

está montada sobre el pistón. Este conjunto permite un empuje sobre el vástago It is mounted on the piston. This set allows a push on the stem

y, a través de la biela, al eje motor durante la carrera descendente. En la carrera and, through the connecting rod, to the drive shaft during the downward stroke. In the race

ascendenle el sumidero queda abierto y el vapor es transferido desde la parte raise the sump is open and the steam is transferred from the part

superior del pistón hacía la parte inferior sin sufrir ningún proceso termodinámico, upper piston towards the bottom without undergoing any thermodynamic process,

Figura 5: Figure 5:

21 .-Pistón ranurado. 22.-Válvula de sumidero ranurada. 21.-Grooved piston. 22.-Slotted sump valve.

23.-Camones de apertura de válvula de sumidero. Estos camones tienen el 23.-Drain valves of sump valve. These trucks have the

perfil necesario para atacar los rodetes de forma tangencial y hacer que la válvula gire los 15° necesarios. Están en la región baja del cilindro profile necessary to attack the impellers tangentially and make the valve rotate the necessary 15 °. They are in the lower region of the cylinder

26.-Vástago de pistón. 27.-Rosca de fijación a cruceta. 26.-Piston rod. 27.-Crosshead fixing thread.

28.-Ranuras de paso de vapor. 29.-Ranuras para tejas de unión entre válvula de sumidero y el vástago hueco con los camones de giro. 28.-Steam passage slots. 29.-Grooves for connecting tiles between sump valve and hollow rod With the spinners.

30.-Camones de cierre de válvula de sumidero. Estos camones tienen el perfil necesario para atacar los rodetes de forma tangencial y hacer que la válvula gire los 15° necesarios. Están en el carter de la máquina. 31 .-Tejas de unión entre válvula de sumidero y vástago hueco. 30.-Drain valves of sump valve. These trucks have the profile necessary to attack the impellers tangentially and make the valve rotate the 15th necessary. They are in the carter of the machine. 31.-Union tiles between sump valve and hollow rod.

32.-Ranuras de paso de vapor. 32.-Steam passage slots.

Figura 6: Sección de conjunto de pistón y válvula de sumidero. Figure 6: Section of piston assembly and sump valve.

33.-Válvula de sumidero con su vástago hueco. 34 .-Pistón y vástago macizo. 33.-Sump valve with its hollow stem. 34.-Piston and solid rod.

Perspectiva seccionada del pistón ranurado y de la válvula de sumidero mostrando el montaje (Figura 7) Sectional perspective of the slotted piston and the sump valve showing the assembly (Figure 7)

La válvula de sumidero (7) está montada sobre la cabeza del pistón (21). Tiene un grado de libertad de 15° y es movida por 3 piezas en forma de teja (31) que The sump valve (7) is mounted on the piston head (21). It has a degree of freedom of 15 ° and is moved by 3 pieces in the form of a tile (31) that

atraviesan tres ranuras (35) en la cabeza del pistón con forma de teja también cross three grooves (35) in the tile-shaped piston head also

pero con el doble de longitud de arco para permitir el movimiento de la válvula but with twice the arc length to allow valve movement

de sumidero. Las tres tejas enlazan con un cilindro hueco (33) que recubre el of sump. The three tiles link with a hollow cylinder (33) that covers the

vástago (34) del pistón . piston rod (34).

Perspectiva de conjunto pistón y válvula de sumidero mostrando los camones de apertura y cierre (Figura 8) Perspective of the piston and sump valve assembly showing the opening and closing couplings (Figure 8)

El cilindro hueco (33) esta ajustado sin apriete sobre el vástago del pistón. Los The hollow cylinder (33) is adjusted without tightening on the piston rod. The

camones (23) superiores se encargan de girar la válvula de sumidero 15° para que las ranuras de la cabeza del pistón queden abiertas. Los camones inferiores Upper couplings (23) are responsible for rotating the sump valve 15 ° so that the piston head grooves are open. The bottom curtains

(30) hacen la labor contraria: cuando el pistón alcanza casi el punto muerto alto (30) do the opposite work: when the piston reaches almost the high dead center

hacen que la válvula de sumidero tape las ranuras del pistón. They cause the sump valve to plug the piston grooves.

Perspectiva de cilindro de alta presión alcanzando el punto muerto bajo (Figura High pressure cylinder perspective reaching low dead center (Figure

lD. lD.

Cuando el pistón llega hasta el punto muerto bajo los camones de apertura (23) tocan a los rodetes (24) que hacen que la válvula de sumidero (22) gire 15° When the piston reaches the neutral point under the opening couplings (23) they touch the impeller (24) that causes the sump valve (22) to rotate 15 °

descubriendo las ranuras 28). Los rodetes de apertura (24) se encuentran montados sobre la tapa inferior del discovering the slots 28). The opening impellers (24) are mounted on the lower cover of the

cilindro cylinder

Perspectiva de cilindro de alta presión alcanzando el punto muerto alto (Figura High pressure cylinder perspective reaching high dead center (Figure

1Q) 1Q)

Antes de que el pistón llegue hasta el punto muerto alto, los camones de cierre Before the piston reaches the high dead center, the closing couplings

(30) tocan a los rodetes (36) que hacen que la valvula de su midero (22) gire 15' cerrando las ranuras (28) del pistón. Los rodetes de cierre (36) estan montados bajo la tapa inferior del cilindro, (30) touch the impeller (36) that makes the valve of its meter (22) turn 15 ' closing the grooves (28) of the piston. The closing impellers (36) are mounted under the lower cylinder cover,

dentro del volumen de carter. within the volume of carter.

Descripción del funcionamiento de la máquina de expansión múltiple y equicorriente Description of the operation of the machine of multiple expansion and equicorriente

La máquina expansiona el vapor u otro fluido comprensible en dos o más cilindros. Dentro de cada cilindro tiene lugar un proceso de expansión del vapor con la cualidad principal de que el vapor siempre sigue el mismo sentido. La expansión se realiza en dos o más etapas, pasando el vapor de un cilindro a otro hasta completar el grado de expansión necesario para un buen rendimiento. The machine expands steam or other fluid understandable in two or more cylinders. Within each cylinder a steam expansion process takes place with the main quality that the steam always follows the same direction. The expansion is carried out in two or more stages, passing the steam from one cylinder to another until completing the degree of expansion necessary for good performance.

Los procesos que tienen lugar dentro de cada cilindro se completan en una vuelta de cigüeñal que comprende una carrera de descenso y otra de ascenso The processes that take place inside each cylinder are completed in a crankshaft turn that includes a descent and ascent stroke

del pistón. of the piston.

Carrera de descenso: Región alta: Durante un 25% o 35% de la carrera de descenso se admite vapor Descent race: High region: Steam is admitted for 25% or 35% of the descent race

a plena presión con la valvula de admisión abierta. Tras el cut-off o cierre de la at full pressure with the intake valve open. After the cut-off or closing of the

válvula de admisión el resto de la carrera es de expansión . Al llegar el pistón intake valve the rest of the run is expansion. When the piston arrives

abajo se abre la valvula de sumidero. Región baja: El vapor de la parte baja esta a la presión de fin de expansión de la down the drain valve opens. Low region: The steam from the lower part is at the end of expansion pressure of the

etapa que corresponde al cilindro. Al bajar el pistón con la válvula de sumidero cerrada, el vapor es empujado a presión constante hacia el siguiente cilindro para continuar con la siguiente expansión. stage corresponding to the cylinder. When lowering the piston with the sump valve closed, the steam is pushed at constant pressure to the next cylinder to continue with the next expansion.

Carrera de ascenso: Casi toda la carrera de ascenso se realiza con la válvula de sumidero abierta. Así, al subir el pistón, el vapor se va transfiriendo de la región alta a la baja sin cambio significativo de presión. Puede haber una pequeña caída de presión a causa de la laminación al atravesar las ranuras de pistón. Ascent Race: Almost the entire ascent race is performed with the drain valve open. Thus, when the piston rises, the steam is transferred from the high to the low region without significant change in pressure. There may be a small pressure drop to cause of lamination when passing through the piston grooves.

La transferencia acaba poco antes de llegar al punto muerto alto, entonces la The transfer ends shortly before reaching the high dead center, then the

válvula de sumidero cierra y en la última parte de la carrera de ascenso se produce una compresión hasta igualar la presión de admisión. Sump valve closes and in the last part of the ascent stroke a compression occurs until the intake pressure is equalized.

Descripción de todo la secuencia empezando en el punto muerto alto: Description of the entire sequence starting at the high dead center:

PMA + O' de manivela.-Figura 11 La manivela (37) está en posición de PMA (punto muerto alto). La válvula de admisión (20) está abierta por el balancin. El pistón (21) está en su punto más alto con el sumidero cerrado. El vapor (38) a plena presión (PA) entra en el cilindro empujando el pistón. En la región baja (41) del cilindro está el vapor que ha sido transferido a la parte PMA + O 'crank.-Figure 11 The crank (37) is in the PMA position (high neutral). The intake valve (20) is open by the balance. The piston (21) is at its highest point with the sump closed. The steam (38) at full pressure (PA) enters the cylinder pushing the piston. In the lower region (41) of the cylinder is the steam that has been transferred to the part

inferior del pistón durante la carrera de ascenso, listo para salir por el tubo de bottom of the piston during the ascent race, ready to exit through the tube

expulsión (39) a presión baja (PB) ejection (39) at low pressure (PB)

PMA + 30' de manivela.-Figura 12 La manivela (37) está en posición de PMA + 30'. La válvula de admisión (20) sigue abierta por el balancin. El pistón (21) está bajando con el sumidero cerrado. El vapor (38) a plena presión (PA) entra en el cilindro empujando el PMA + 30 'of crank.-Figure 12 The crank (37) is in the position of PMA + 30'. The intake valve (20) is still open by the balance. The piston (21) is going down with the sump closed. The steam (38) at full pressure (PA) enters the cylinder pushing the

pistón. piston.

En la región baja (41) el vapor que ha sido transferido a la parte inferior del pistón durante la carrera de ascenso, está siendo expulsado por el tubo PB (39). In the lower region (41) the steam that has been transferred to the lower part of the piston during the ascent race, is being ejected by the PB tube (39).

PMA + 60' de manivela .-Figura 13 La manivela (37) está en posición de PMA + 60'. La válvula de admisión (20) cierra (cut-off). El vapor (38) a plena presión (PA) deja de pasar al cilindro, esperando a la siguiente admisión. El vapor en la región alta (40) del cilindro PMA + 60 'crank.-Figure 13 The crank (37) is in the PMA + 60 'position. The intake valve (20) close (cut-off). The steam (38) at full pressure (PA) stops passing into the cylinder, Waiting for the next admission. The steam in the upper region (40) of the cylinder

comienza su expansión empujando el pistón (21). It begins its expansion by pushing the piston (21).

En la región baja (41) el vapor sigue en expulsión por el tubo PB (39). In the lower region (41) the steam is still ejected by the PB tube (39).

PMA + 90' de manivela.-Figura 14 La manivela (37) está en posición de PMA + 90'. La válvula de admisión (20) está cerrada. El vapor (38) a plena presión (PA), esperando a la siguiente admisión. El vapor en la región alta (40) en proceso de expansión empujando el pistón (21). En la región baja (41) el vapor sigue en expulsión por el tubo PB (39). PMA + 90 'crank.-Figure 14 The crank (37) is in the PMA + 90 'position. The intake valve (20) is closed. Steam (38) at full pressure (PA), waiting for the next admission. The steam in the high region (40) in the process of expansion pushing the piston (21). In the lower region (41) the steam is still ejected by the PB tube (39).

PMA + 120' de manivela.-Figura 15 PMA + 120 'crank.-Figure 15

No cambia nada con respecto a la anterior posición. Nothing changes with respect to the previous position.

La manivela (37) está en posición de PMA + 120'. La válvula de admisión (20) está cerrada. El vapor (38) a plena presión (PA), esperando a la siguiente admisión. El vapor en la región alta (40) en proceso de expansión empujando el pistón (21). En la región baja (41) el vapor sigue en expulsión por el tubo PB (39). The crank (37) is in the PMA + 120 'position. The intake valve (20) is closed. Steam (38) at full pressure (PA), waiting for the next admission. The steam in the high region (40) in the process of expansion pushing the piston (21). In the lower region (41) the steam is still ejected by the PB tube (39).

PMA + 150' de manivela.-Figura 16 y Figura 17 La manivela (37) está en posición de PMA + 150'. La válvula de admisión (20) está cerrada. El vapor (38) a plena presión (PA), esperando a la siguiente admisión. El camón de apertura (23) es accionado por el rodete de apertura (24), provocando el giro de la válvula de sumidero (22).y dejando al descubierto las ranuras del pistón (28). El proceso de expansión en la región alta (40) termina después de alcanzar la presión de la siguiente etapa, que debe ser la PMA + 150 'crank.-Figure 16 and Figure 17 The crank (37) is in the PMA + 150 'position. The intake valve (20) is closed. Steam (38) at full pressure (PA), waiting for the next admission. The opening camon (23) is operated by the opening impeller (24), causing the sump valve to rotate (22) and exposing the piston grooves (28). The expansion process in the upper region (40) ends after reaching the pressure of the next stage, which should be the

misma que hay en la región baja del cilindro. En la región baja la expulsión termina porque han quedado comunicadas las dos same as in the lower region of the cylinder. In the lower region the expulsion ends because the two have been communicated

regiones del cilindro. La presión en la región baja es PB, presión de la siguiente cylinder regions. The pressure in the low region is PB, pressure as follows

etapa (39). Esto cambiaría en caso de ser la última expansión, pues en este stage (39). This would change if it was the last expansion, because in this

caso el tubo PB (39) comunica con el vacio del condensador. case the PB tube (39) communicates with the condenser vacuum.

PMA + 180° de manivela.-Figura 18 La manivela (37) está en posición de PMA + 180°, que es el PMB , punto muerto bajo. La válvula de admisión (20) está cerrada. El vapor (38) a plena presión (PA), esperando a la siguiente admisión. La válvula de sumidero (22) está PMA + 180 ° crank.-Figure 18 The crank (37) is in the position of PMA + 180 °, which is the PMB, low dead center. The intake valve (20) is closed. The steam (38) at full pressure (PA), waiting for the next admission. The sump valve (22) is

abierta y comienza la transferencia de vapor de la reg ión alta a la baja a presión open and the transfer of steam from the high to low pressure region begins

contante PB. PB counter.

PMA + 210° de manivela.-Figura 19 La manivela (37) está en posición de PMA + 210°. La válvula de admisión (20) está cerrada. El vapor (38) a plena presión (PA), esperando a la siguiente admisión. La válvula de sumidero (22) está abierta durante casi toda la carrera PMA + 210 ° Crank. - Figure 19 The crank (37) is in the position of PMA + 210 °. The intake valve (20) is closed. The steam (38) at full pressure (PA), waiting for the next admission. The sump valve (22) is open for most of the run

ascendente y el vapor se transfiere a la zona baja a presión constante PB. rising and the steam is transferred to the low zone at constant pressure PB.

PMA + 240° de manivela.-Figura 20 La manivela (37) está en posición de PMA + 240°. La válvula de admisión (20) está cerrada. El vapor (38) a plena presión (PA), esperando a la siguiente admisión. La válvula de sumidero (22) está abierta durante casi toda la carrera PMA + 240 ° Crank. - Figure 20 The crank (37) is in the PMA + 240 ° position. The intake valve (20) is closed. The steam (38) at full pressure (PA), waiting for the next admission. The sump valve (22) is open for most of the run

rising and the steam is transferred to the low zone at constant pressure PB.

PMA + 270° de manivela.-Figura 21 La manivela (37) está en posición de PMA + 270°. La válvula de admisión (20) está cerrada. El vapor (38) a plena presión (PA), esperando a la siguiente admisión. La válvula de sumidero (22) está abierta y el vapor se transfiere a la zona baja a presión constante PB. PMA + 270 ° Crank. - Figure 21 The crank (37) is in the PMA + 270 ° position. The intake valve (20) is closed. The steam (38) at full pressure (PA), waiting for the next admission. The sump valve (22) is open and the steam is transferred to the low zone at constant pressure PB.

PMA + 300° de manivela.-Figura 22 La manivela (37) está en posición de PMA + 300°. La válvula de admisión (2) está cerrada. El vapor (4) a plena presión (PA), esperando a la siguiente admisión. La válvula de sumidero (22) está a punto de cerrar. Casi todo el vapor ha sido transferido de la región alta (40) a la región baja (41). El camón de cierre PMA + 300 ° Crank. - Figure 22 The crank (37) is in the PMA + 300 ° position. The intake valve (2) is closed. The steam (4) at full pressure (PA), waiting for the next admission. The sump valve (22) is about to close. Almost all steam has been transferred from the upper region (40) to the lower region (41). The closing camon

(30) está a punto de alcanzar los rodetes de cierre. (30) is about to reach the closing impellers.

PMA + 330° de manivela.-Figura 23 y Figura 24 La manivela (Fig. 23, pos. 37) está en posición de PMA + 330°. La válvula de admisión (Fig. 23, pos.20) está cerrada. El vapor (Fig. 23, pos. 38) a plena PMA + 330 ° Crank. - Figure 23 and Figure 24 The crank (Fig. 23, pos. 37) is in the PMA + 330 ° position. The intake valve (Fig. 23, pos. 20) is closed. The steam (Fig. 23, pos. 38) at full

presión (PA), esperando a la siguiente admisión. La válvula de sumidero (Fig. pressure (PA), waiting for the next admission. The sump valve (Fig.

23, pos. 22) se ha cerrado por la acción de los camones de cierre (Fig. 24, pos. 30) y los rodetes de cierre (Fig. 24, pos. 36). Casi todo el vapor ha sido transferido de la región alta (Fig. 23, pos 40) a la región baja (Fig. 23, pos. 41). En la región alta (Fig. 23, posAO) se comprime el resto del vapor para igualar la presión de admisión PA 23, pos. 22) It has been closed by the action of the closing lugs (Fig. 24, pos. 30) and the closing impeller (Fig. 24, pos. 36). Almost all steam has been transferred from the upper region (Fig. 23, pos. 40) to the lower region (Fig. 23, pos. 41). In the high region (Fig. 23, posAO) the rest of the steam is compressed to equalize the inlet pressure PA

Cuando llegue de nuevo al PMA se habrá completado la secuencia completa. El When you get back to WFP, the complete sequence will be completed. He

resumen es como sigue: Summary is as follows:

Posición Manivela Crank Position: Región Alta Región Baja Sumidero High Region Low Region Sink

PMA PMA: Admisión Comienzo expulsión Cerrado Admission Start Expulsion Closed

PMA+300 PMA + 300: Admisión Expulsión Cerrado Admission Expulsion Closed

PMA+600 PMA + 600: Fin Admisión Expulsión Cerrado End Admission Expulsion Closed

PMA+900 PMA + 900: Expansión Expulsión Cerrado Expansion Expulsion Closed

PMA+120° Expansión Expulsión Cerrado PMA+150o Fin Expansión Fin Expulsión Abre PMA + 120 ° Expansion Expulsion Closed PMA + 150o End Expansion End Expulsion Opens

Posición Manivela Región Alta Región Baja Sumidero PMA+180o Comienza transferencia Abierta PMA+210o Transferencia de región alta a baja Abierta PMA+240o Transferencia de región alta a baja Abierta PMA+270o Transferencia de región alta a baja Abierta PMA+300o Fin transferencia de región alta a baja Cerrando PMA+330o Comprimiendo Listo para expulsión Cerrado Position Crank High Region Low Region Sink PMA + 180o Open transfer PMA + 210o Open region transfer high to low Open PMA + 240o High to low region transfer Open PMA + 270o High to low region transfer Open PMA + 300o End region transfer high to low Closing PMA + 330o Compressing Ready for expulsion Closed

La máquina puede tener dos o más cilindros. Todos los cilindros cumplen la The machine can have two or more cylinders. All cylinders meet the

misma secuencia, pasando el vapor expandido en una etapa sin cambios de presión hacia la siguiente etapa. Esto es diferente cuando acaba la expansión same sequence, passing the expanded steam in one stage without pressure changes to the next stage. This is different when the expansion ends

de la última etapa. Como el tubo de salida de vapor no va a la siguiente etapa, of the last stage. Since the steam outlet tube does not go to the next stage,

sino que comunica con el vado del condensador, el vapor es absorbido y no es necesaria la transferencia de la zona alta a la baja durante la carrera de ascenso . Por esto en el último cilindro la válvula de sumidero puede abrir y cerrar cerca del punto muerto bajo porque el vapor sale de forma muy rápida en cuanto se abre la comunicación de la galería de exhaustaci6n. but it communicates with the condenser ford, the steam is absorbed and the transfer of the high to the low zone is not necessary during the ascent run. This is why in the last cylinder the sump valve can open and close near the low dead center because the steam leaves very quickly as soon as the exhaust gallery communication is opened.

Ejemplo de aplicación: Máquina de triple expansión con parámetros típícos Application example: Triple expansion machine with typical parameters

of the Rankine cycle, represented in Figure 3.

La máxima presión a la que han trabajado las máquinas de expansión múltiple es de alrededor de 35 bar. En la tabla siguiente muestro unos valores teóricos The maximum pressure at which the multiple expansion machines have worked is around 35 bar. In the following table I show some theoretical values

de cómo se desarrollaria la expansión múltiple desde la presión de 35 bar hasta la presión del condensador. how multiple expansion would develop from the pressure of 35 bar to the pressure of the condenser.

La última expansión tiene la particularidad de que no acaba como las anteriores, The last expansion has the peculiarity that it does not end like the previous ones,

con expulSión controlada por la cara baja del pistón, sino que al acabar la with expulsion controlled by the lower face of the piston, but at the end of the

expansión se abren las galerías que comunican con el condensador. La presión del condensador es más baja que la alcanzada al terminar la última expansión, por lo que el vapor es aspirado en un proceso repentino a volumen constante. expansion galleries that communicate with the condenser open. The pressure of the condenser is lower than that reached at the end of the last expansion, so the steam is sucked in a sudden process at a constant volume.

Posición Figura 3 Position Figure 3: P absoluta (bar) T (OC) v (m' /kg) u (kJ/kg) i (kJ/kg s (J/kg/K) x (1/1) Absolute p (bar) T (OC) v (m '/ kg) u (kJ / kg) i (kJ / kg s (J / kg / K) x (1/1)

Salida condensador vacio, (NO CONTEMPLADO EN LAS FIGURAS) Empty condenser output, (NOT CONTAINED IN THE FIGURES): 0.147 53.6 0.001 224 224 750 O 0.147 53.6 0.001 224 224 750 OR

Salida bomba (NO CONTEMPLADO EN LAS FIGURAS) Pump output (NOT CONTAINED IN THE FIGURES): 35.3 53.6 0.001 224 227 750 O 35.3 53.6 0.001 224 227 750 OR

Salida generador vapor (NO CONTEMPLADO Steam generator output (NOT CONTEMPLATED: 35.3 243 0.0565 2599 2798 6121 1 35.3 243 0.0565 2599 2798 6121 one

EN LAS FIGURAS IN THE FIGURES

Salida Departure

sobrecalentador superheater

vapor (NO CONTEMPLADO steam (NOT CONTEMPLATED: 353 300 0,06764 2739 2975 643924 Sobrec. 353 300 0.06764 2739 2975 643924 Over

EN LAS FIGURAS) IN THE FIGURES)

Posición Figura 3 Position Figure 3: P absoluta (bar) T ("C) v (m' i1<g) u (kJ/kg) i (kJi1<g s (Ji1<g/K) x (111 ) Absolute p (bar) T ("C) v (m 'i1 <g) u (kJ / kg) i (kJi1 <g s (Chi1 <g / K) x (111)

Tubo alta presión Pos 1 High pressure pipe Pos 1: 353 300 0,06764 2739 2975 6439.24 Sobrec. 353 300 0.06764 2739 2975 6439.24 Over

Tubo media presión Pos 9 Medium pressure pipe Pos 9: 11 3 185 0.17 2542 2734 6439.24 0976 11 3 185 0.17 2542 2734 6439.24 0976

Tubo baja presión Pos 10 Low pressure pipe Pos 10: 3.94 143 0.43 2377 2546 6439.24 0 91 3.94 143 0.43 2377 2546 6439.24 0 91

Final carrera Final race

cilindro baja presión antes de low pressure cylinder before: 1 35 108 1.1 2227 2376 643924 086 1 35 108 1.1 2227 2376 643924 086

abrir el sumidero open the sump

Exhauslación a Exhaustion to

volumen ele ele volume: 0. 14 7 536 1 1 465 481 1534 0 108 0. 14 7 536 eleven 465 481 1534 0 108

Pos 2 Pos 2

En este típico ciclo de vapor para máquina de pistón el vapor es ligeramente sobrecalentado y al ser expandido en tres etapas aparece agua que no afecta demasiado a las máquinas de pistón y sirve para minimizar los rozamientos de la válvula de sumidero. El grado de expansión total es 16, siendo las expansiones parciales en cada cilindro de 2.52. In this typical steam cycle for the piston machine, the steam is slightly overheated and when expanded in three stages, water appears that does not affect the piston machines too much and serves to minimize the friction of the sump valve. The degree of total expansion is 16, with partial expansions in each cylinder of 2.52.

Rendimiento Teórico = Qc-Q! (2975-227)-(2227-465)-(481-224) 26.5% Qc (2975-227) Theoretical Performance = Qc-Q! (2975-227) - (2227-465) - (481-224) 26.5% Qc (2975-227)

El rendimiento teórico es bueno teniendo en cuenta las bajas temperaturas a las que se trabaja en las instalaciones termosolares o de biomasa. Lo que pretende la invención aquí presentada es obtener el máximo rendimiento de expansión, ya que el rendimiento de ciclo depende en gran medida de las temperaturas de foco caliente y frío. Theoretical performance is good considering the low temperatures at which you work in solar thermal or biomass installations. The aim of the invention presented here is to obtain the maximum expansion performance, since the cycle performance depends largely on the hot and cold focus temperatures.

Claims

1.-Unidirectional multiple expansion piston machine for steam type

Closed cylinder, top by cylinder head with steam inlet valve and bottom by bottom cap with steam outlet hole and centrally traversed by a concentric double rod connecting the piston with the connecting rod foot by means of

typical double-acting steam engine crosshead (figure 4), characterized

essentially because the piston is a grooved piston assembly (21) and a

superimposed valve (22) in the form of a slotted plate, named

sump, along with the drives that rotate a certain angle

the sump valve in one direction and in the opposite. Angular position

Relative between piston and sump valve causes the piston and valve grooves to overlap or coincide.

--: La válvula de sumidero (22) está sujeta a un vástago hueco (33) concéntrico al vástago que sujeta el pistón. El vástago hueco de la válvula de sumidero dispone de una doble leva montada en su exterior en una posición elevada (23) de tal manera que cuando el pistón se aproxima al punto muerto bajo, esta doble leva entra en contacto con un rodete (24) situado sobre la tapa inferior del cilindro haciendo que la válvula de sumidero gire descubriendo las ranuras del The sump valve (22) is attached to a hollow rod (33) concentric to the rod that holds the piston. The hollow rod of the sump valve has a double cam mounted on its outside in an elevated position (23) such that when the piston approaches the low dead center, this double cam comes into contact with an impeller (24) located on the bottom cover of the cylinder causing the sump valve to rotate discovering the grooves of the

piston. -The hollow stem of the sump valve has another double cam mounted outside in a low position (30) so that when the piston is

Approaches the high dead center, this double cam comes into contact with a runner

(36) located under the bottom cover of the cylinder causing the sump valve

turn covering the piston grooves.

2. Unidirectional multiple expansion piston machine according to claim 1, characterized by the arrangement of steam inlet from the top of the cylinder and steam outlet from the bottom of the cylinder.

--: La entrada de vapor viene controlada por una válvula de admisión (20) en culata que abre durante una porción de la carrera de descenso. Esta válvula The steam inlet is controlled by an inlet valve (20) in the cylinder head that opens during a portion of the descent stroke. This valve

it opens upwards when the movement of the crankshaft, transmitted with a ratio of 1: 1 to a cam shaft and a rocker, pushes it. -The steam outlet at the bottom of the cylinder is always open and

connected to exhaustion or to the admission of another cylinder.

3. Unidirectional multiple expansion piston machine, according to claims 1 and 2, characterized by the arrangement of two or more cylinders with the lower outlet of each cylinder connected to the upper inlet of the next.

--: Esta disposición se caracteriza porque todos los cilindros tienen la misma This arrangement is characterized because all cylinders have the same

stroke but different diameter. Growing the diameter in the downstream direction of the expanding steam flow.

--: El primer cilindro tiene la entrada de vapor conectada al generador de vapor. The first cylinder has the steam inlet connected to the steam generator.

--: El último cilindro tiene su salida conectada a la exhaustación o a un condensador. The last cylinder has its outlet connected to the exhaust or to a condenser.