ES2896352A1 - Dispositivo de obtención de energía a partir del flujo de fluidos circulantes en tuberías - Google Patents

Abstract

Sistema de generación de energía a partir del flujo de un fluido que se compone de un dispositivo generador de vórtices emplazado en el seno de una tubería (11) y que a su vez, comprende un mástil (10) y un elemento obstructor (12) que experimenta una deformación cuando el flujo laminar y estacionario, incide sobre su superficie. Como consecuencia de las fuerzas que actúan sobre el cuerpo obstructor (12), se origina una calle de vórtices de Von Kármán aguas abajo del mismo, dando lugar a un movimiento oscilatorio en el conjunto de la estructura. La conversión de la energía mecánica en eléctrica se realiza gracias a un sistema (7) que incorpora un material piezoeléctrico (4) que logra traducir las vibraciones inducidas en el mástil (8) en un potencial eléctrico aprovechable.

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo de obtención de energía a partir del flujo de fluidos circulantes en tuberías

SECTOR DE LA TÉCNICA

La presente patente versa sobre un sistema para la obtención de energía eléctrica, dentro del campo de las renovables, a partir del movimiento vibracional de un dispositivo instalado en tuberías que induce una calle de vórtices de Von Kármán cuando una corriente de agua incide sobre él, a través de un sistema piezoélectrico que transforma la energía cinética del flujo en un potencial eléctrico aprovechable.

El objeto de la invención que se reporta, es proporcionar un aparato para la generación de energía eléctrica destinada al accionamiento de las diferentes válvulas y otros elementos auxiliares que requieran de corriente eléctrica para su funcionamiento y que puedan encontrarse en redes de distribución e instalaciones similares que dispongan de tuberías, lo que supone un aprovechamiento finalista e insitu, evitando las infraestructuras necesarias para un abastecimiento a media distancia en aquellos tramos más aislados. En su diseño se hace coincidir el fenómeno físico de la generación de la calle de vórtices de Von Kármán, caracterizada por el desprendimiento de vórtices de manera alterna y regular, aguas abajo del dispositivo, con el principio de acoplamiento electromagnético en determinados materiales gracias al efecto piezoeléctrico que presentan.

El planteamiento de este nuevo sistema busca la sincronía de la frecuencia de oscilación natural del elemento obstructor situado en el seno del fluido con la frecuencia a la que se generan los vórtices de carácter turbulento.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los albores del siglo XX han traído nuevas formas de entender cómo gestionar los recursos energéticos. La creciente toma de conciencia sobre la contaminación ambiental ha llevado a desarrollar nuevas tecnologías centradas en el aprovechamiento y ahorro energético a través de fuentes de energía alternativas, entre las que se engloban las conocidas energías renovables, como la solar, eólica, undimotriz o incluso las piezoeléctricas o electromagnéticas que permiten la generación de energía eléctrica de una manera menos perniciosa para el medio ambiente.

En este contexto, el nacimiento de nuevas fuentes de energía puede surgir tras el análisis de determinados fenómenos físicos que a priori resultan indeseables. Ejemplo de ello, es la aparición de la calle de vórtices de Von Kármán cuando un elemento obstructor se antepone a un flujo de carácter laminar. Como consecuencia, se induce un flujo turbulento que produce fuerzas transversales sobre el cuerpo que obligan a una oscilación perpendicular a la dirección del flujo, provocando vibraciones. Estas fuerzas periódicas que se establecen, pueden causar el colapso de determinadas estructuras como ya sucedió con las chimeneas de la central termoeléctrica de Ferrybridge (Inglaterra, 1965) o el fenómeno de excitación lateral sincrónica causado en el puente de Millenium Bridge (Inglaterra, 2000) como consecuencia de la resonancia de la frecuencia natural de la estructura y la originada por las cargas verticales del paso de los viandantes, lo que llevó a su cierre y posterior remodelación.

Este movimiento vibratorio producido en el cuerpo obstructor como consecuencia de los vórtices generados aguas abajo del mismo, pudiera ser empleado como fuente de generación energética a través de un sistema que transformara la energía mecánica en energía eléctrica.

Tomando como referencia esta nueva fuente de aprovechamiento energético, el documento US20110273032 presenta un dispositivo generador de vórtices de Von Kármán y hace uso de imanes permanentes para la conversión energía estructural -eléctrica. A partir de la incorporación de una lámina metálica en el seno de un campo magnético, gracias al movimiento de carácter oscilatorio originado por el citado fenómeno de turbulencia, consigue producir una corriente eléctrica.

Asimismo, la patente de invención WO2014/135551-A1 describe un dispositivo que entra en resonancia y que lleva acoplado a su estructura una serie de elementos piezoeléctricos que son activados a partir del movimiento vibratorio de la estructura. Al entrar en resonancia, se desplazan de una posición a la opuesta, al encontrar el terminal imantado otro de signo contrario, generando de esta forma, energía eléctrica.

Por otro lado, encontramos en el documento CA2772905, un sistema que genera energía eléctrica a través de un dispositivo que induce una calle de vórtices de Von Kármán, cuando una corriente de agua incide sobre él, produciendo un movimiento vibracional y oscilatorio en un sistema piezoeléctrico. Otro ejemplo similar se recoge en CA2640868, basado igualmente en el fenómeno de piezoelectricidad para la obtención de energía a partir de los flujos producidos en los pozos de petróleo y de gas. El sistema cuenta con un dispositivo compuesto por un cilindro dispuesto de forma transversal al flujo que oscila debido al efecto de desprendimiento de vórtices.

De igual modo, sirva como antecedente, US2011025880 presenta un sistema de generación eléctrica enfocado para fluidos líquidos mediante el uso de elementos piezoeléctricos. En tal sentido, la patente WO-2012/017106-A1 hace también uso de piezoeléctricos para la transformación de energía mecánica oscilatoria en eléctrica.

Gran parte de los antecedentes referidos presentan elementos mecánicos e incluso eléctricos que deben instalarse en instalaciones hostiles, propensos a un acelerado ritmo de deterioro y de difícil acceso, encareciendo y complicando las tareas de instalación, mantenimiento y reparación. El sistema objeto de interés de la presente invención pretende proporcionar una solución fiable, económica y sencilla a estas deficiencias que pudieran presentar otras patentes similares.

Los aspectos científico-técnicos requeridos para abordar el desarrollo de la presente patente se sustentan en los fundamentos y principios físicos que se detallan a continuación.

El primer fundamento físico es el desprendimiento de vórtices en fluidos y la conocida como “calle de vórtices o torbellinos de Von Kármán” que describe el patrón de vórtices que se repite aguas abajo de un elemento obstructor en el seno de un flujo laminar no turbulento, originado por la separación no estacionaria de la capa límite. Este fenómeno característico de sistemas que circulan con un gradiente de presión adverso, se origina al obligar al cuerpo, el paso de flujo de carácter laminar a turbulento y como consecuencia, se induce sobre él, además de las fuerzas transversales y alternantes que giran dextrógira y levógiramente, una componente de arrastre. Considerando las fuerzas laterales que actúan sobre el dispositivo despreciables, se asumirá que dicha fuerza en relación al campo de velocidades, comparte la misma dirección pero en sentido contrario; es decir, produce una desaceleración.

Esta fuerza que produce una torsión estacionaria en el cuerpo obstructor, guarda una relación de dependencia directa con la densidad del fluido, la rapidez del dispositivo relativa al fluido así como con su geometría y con el coeficiente de arrastre que a su vez, depende inversamente del número de Reynolds. No obstante, su estimación presenta numerosas complicaciones debido a la irregularidad de los vórtices y a la variación de este coeficiente durante cada período. Se conoce que para el caso particular de un cuerpo de sección circular, liso y flujo continuo (no oscilatorio) para valores de Reynolds comprendidos en un intervalo 2 • 102 < Re < 4 • 10" (régimen subcrítico), el coeficiente de arrastre puede considerarse constante e independiente del número de Reynolds y de la rugosidad del cuerpo.

Si bien para la presente invención, la componente inercial de las fuerzas en línea que actúan sobre un cuerpo obstructor en un flujo oscilatorio que describe la ecuación de Morison, puede considerarse despreciable al no cumplirse la condición del parámetro de difracción D/L < 0.05, adoptándose la hipótesis de flujo continuo (no oscilatorio).

Del mismo modo, es preciso destacar la acción de la conocida como fuerza de sustentación sobre el cuerpo obstructor, en dirección constante y perpendicular a las líneas de corriente incidentes y cuyo sentido varía con alternancia en el tiempo. Dicha componente depende al igual que la fuerza de arrastre, de la densidad del fluido, de la rapidez y de las características geométricas del elemento, así como del coeficiente de sustentación.

Como segundo fundamento cabe referirse al fenómeno de la resonancia. Si la frecuencia de oscilación natural de un elemento estructural posicionado en un flujo laminar lograra sintonizarse con la frecuencia de desprendimiento de vórtices de carácter turbulento, explicaría un movimiento vibratorio en el cuerpo que describe una oscilación armónica producida por la energía del flujo.

Es bien conocido que este principio resulta un efecto indeseable y que pretende evitarse en áreas diversas. En tal sentido, en caso de que una formación de soldados cruzara un puente marchando y los estímulos periódicos generados por sus pasos acompasados llegaran a coincidir con la frecuencia de oscilación natural de la estructura, el sistema entraría en resonancia y podría llegar a producirse su colapso. Del mismo modo, en el sector mecánico y naval, en motores de buques y embarcaciones de gran tonelaje existe un punto crítico en el que a partir de determinadas revoluciones por minuto de giro del cigüeñal, entran en resonancia con la frecuencia natural de oscilación y como consecuencia, comienzan a originarse bruscamente vibraciones que obligan a sobrepasar este límite de inmediato. Sin embargo, en otras ocasiones existe un interés manifiesto en la búsqueda intencionada de este fenómeno, como ocurre en la fabricación de ciertos instrumentos musicales, altavoces y determinados microscopios o incluso en el proceso de reconocimiento de mosquitos hembras que efectúan los machos, gracias a la resonancia de la frecuencia natural de vibración de sus antenas con la frecuencia de aleteo de las de género contrario.

Como tercer fundamento se contempla la piezoelectricidad, cuyo comportamiento se presenta en determinados cristales como en el cuarzo o la turmalina y que permite generar una diferencia de potencial entre dos de sus caras al ser sometidos a tensiones mecánicas entre ellas (efecto piezoeléctrico directo). Desde un punto de vista molecular, previo a someter al cristal a una tensión de compresión o de cizallamiento, los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas coinciden. Tras aplicar una carga, la estructura reticular interna se deforma, desalineando estos centros y generando pequeños dipolos, originando variaciones del momento dipolar. Los polos opuestos que se encuentran en contacto quedan cancelados y aparece una nueva distribución de cargas en la superficie del material que genera una polarización y consecuentemente, un campo eléctrico. No obstante, resulta relevante destacar que su comportamiento es irreversible y la presencia de voltaje entre dos de sus caras origina una deformación.

Basta con comprobar el número de publicaciones anuales relativas a este fenómeno y el continuo desarrollo de aplicaciones piezoeléctricas, como los notorios avances en familias de piezocerámicos como el PZT (Titanato de Zirconato de Plomo) o el Titanato de Bario y en polímeros como PVDF (Polifluoruro de Vinidileno) para analizar la importancia que juega este mercado de creciente expansión.

Algunas de sus aplicaciones las encontramos en los encendedores eléctricos (el golpeo del cristal piezoeléctrico que incorporan en su interior genera un arco eléctrico, capaz de generar una chispa que lo encienda), así como en los sensores de vibración (las vibraciones de presión producidas por la vibración induce un pulso de corriente que es proporcional a la tensión ejercida) o en las pastillas piezoeléctricas de una guitarra (conversión de una vibración mecánica en una señal eléctrica preparada para ser amplificada). Del mismo modo, con los transductores es posible obtener energía eléctrica a partir de energía mecánica.

No se ha encontrado hasta el momento, ningún generador eléctrico instalado en tuberías como mecanismo de alimentación de sistemas auxiliares que integre los principios y fundamentos físicos previamente citados; es decir, que busque el fenómeno de resonancia de la frecuencia de oscilación natural y la frecuencia de desprendimientos de vórtices turbulentos como principio de funcionamiento apoyado del fenómeno físico de piezoelectricidad.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

En relación al estado de la técnica previamente expuesto, el sistema objeto de interés de la presente invención, constituye una respuesta satisfactoria a la problemática basada en la generación de un potencial eléctrico, prevaliéndose del flujo circulante en tuberías y proporcionando una alternativa esencialmente sencilla, sostenible energéticamente y por su puesto, económica.

El sistema que se describe se materializa en un elemento obstructor (12), cuya sección longitudinal se aproxima a un arco ojival con punta redondeada; o si se quiere, un cono imperfecto con curvatura hacia el vértice, dispuesto perpendicularmente a las líneas de corriente del flujo laminar que transita por la tubería (11) en cuestión. Este cuerpo obstructor que induce una calle de vórtices de Von Kármán aguas abajo del mismo, queda suspendido en el seno de la tubería valiéndose de un elemento prismático de sección circular, al que se referirá de ahora en adelante, como mástil o vástago (10). Su comportamiento en cierto grado elástico, permite liberarlo de pequeños desplazamientos respecto a su posición de equilibrio a ambos lados de su eje de simetría (14 y 15), cuando actúa sobre él una fuerza de arrastre en la misma dirección a la del flujo, motivando un movimiento oscilatorio en el conjunto de la estructura. De esta forma, el mástil actúa como una barra en voladizo, permaneciendo fijo en uno de sus extremos y en su extremo libre, unido con el elemento obstructor sometido a la carga del flujo.

Cuando el flujo, de carácter laminar y estacionario, incide sobre el cuerpo obstructor, genera aguas abajo una calle de vórtices de Von Kámán que a su vez, le transfiere a la estructura dos tipos de esfuerzos: una componente de arrastre y otra de sustentación. La fuerza de arrastre que actúa en la misma dirección a la del flujo y que produce una desaceleración del mismo, carece de interés en cuanto al proceso de obtención de un potencial eléctrico aprovechable pues tan solo genera una torsión estacionaria. En contraste, la denominada de sustentación, en dirección perpendicular a las líneas de corriente, mantiene constante la dirección de aplicación de la fuerza y cambia sinusoidalmente su sentido, pudiendo generar una diferencia de potencial a través de un sistema piezoeléctrico.

Bajo la hipótesis de un flujo laminar y estacionario, la frecuencia con la que cambia la fuerza de sustentación motivada por la aparición de una serie de vórtices, según la fórmula de Kármán, guarda una relación de dependencia directa con la velocidad del fluido aguas arriba del cuerpo obstructor (velocidad de corriente no perturbada), del número de Strouhal e inversa con la longitud característica del elemento en el seno del fluido que se aproximará según el diámetro del dispositivo en función de la altura y de la amplitud de oscilación que describe el generador de vórtices al entrar en resonancia.

f l(34 , ,D (y'),Sx)

Donde:

St es el número de Strouhal.

7$ es la velocidad del fluido aguas arriba del elemento obstructor.

D (y) es el diámetro del dispositivo oscilador en función de la altura.

Sx es la amplitud de oscilación o el desplazamiento a ambos lados del eje de simetría que recoge el dispositivo en dirección a la del fluido.

De igual modo, esta deformación solidaria al movimiento del cuerpo obstructor (12) que describe el dispositivo, se conoce que depende directamente de la carga aplicada en el extremo libre del elemento obstructor que actúa como una barra en voladizo, de la longitud del elemento oscilador e inversamente del módulo de Young y del momento de inercia del cuerpo con geometría cilíndrica-cónica.

Donde:

: es la carga aplicada en el extremo del dispositivo generador de vórtices.

L es la longitud del conjunto del mástil (8) y del dispositivo generador de vórtices (12). E es el módulo de Young.

< es el momento de inercia del sistema que describe el movimiento oscilatorio.

Como todo elemento estructural, el sistema vástago-dispositivo generador de vórtices (10 y 12 respectivamente) consta de varias configuraciones espaciales de oscilación. En lo que concierne a la presente invención, el mástil queda introducido por uno de sus extremos, en un cuerpo cilíndrico (7), el cuál permanece perfectamente inmóvil junto a la brida instalada en el acceso a la tubería. El modo de oscilación objeto de la invención es en el que uno de sus extremos permanece estático frente al opuesto, donde se emplaza el dispositivo generador de vórtices que sufre una deformación máxima. El valor de su frecuencia, guarda una relación de dependencia con las siguientes variables.

fn = (p(E,l,a,p/L)

Donde:

E es el módulo de Young.

< es el momento de inercia de la sección de la estructura oscilante.

a es la constante de amortiguamiento.

p/L es la densidad del conjunto mástil-cuerpo obstructor por unidad de longitud.

Cuando la frecuencia de oscilación natural del sistema mástil-generador de vórtices /&, queda acoplada con la frecuencia de desprendimiento de vórtices turbulentos /#, el sistema entra en resonancia, generando un movimiento notablemente oscilatorio que a través de una serie de elementos piezoeléctricos, podría transformarse en energía eléctrica. Con esta finalidad, se incluye en el desarrollo de la presente invención, una carcasa cilíndrica (7), previamente mencionada, que descansa sobre una brida (6) instalada en el acceso a la tubería y que incorpora un material cerámico con alta piezoelectricidad (4) que rodea el mástil a modo de anillo.

De este modo, cuando las vibraciones del mástil (10) motivadas por la generación de una calle de vórtices aguas abajo del cuerpo obstructor, incidan alternativamente sobre la corona circular de material piezoeléctrico (4) que permanecerá inmóvil respecto a la brida roscada (6), será posible la conversión energía mecánica-eléctrica. Resulta destacable reseñar que con objeto de optimizar el rendimiento del proceso de conversión de la energía mecánica en energía eléctrica podría ser interesante que el mástil (10) o el generador de vórtices (12) presentara también un comportamiento piezoeléctrico, ya que si se analiza el rendimiento para el caso de resonancia, cuando ambas frecuencias coinciden, se obtienen resultados favorables en términos de absorción energética.

De manera concreta, bajo el cometido de rectificación de la respuesta oscilatoria eléctrica así como para las tareas de filtrado y acondicionamiento energético, el sistema objeto de invención, incorpora un módulo electrónico (3) destinado a la ejecución de las mismas. El sistema en cuestión, queda ubicado cercano al bloque que incluye el material piezoeléctrico (4) de modo que no interfiera a la estructura ni dificulte su instalación.

La generación de un patrón de vórtices o remolinos aguas abajo del cuerpo obstructor, cuya frecuencia pudiera llegar a sintonizarse con la frecuencia de oscilación natural de la estructura (10 y 12), está íntimamente ligada con el número de Reynolds. Se conoce que para valores del número de Reynolds comprendidos entre 50 < fíe < 5 • 10', aparecen efectos no estacionarios y los vórtices se desprenden progresivamente conforme aumenta este parámetro, con sentidos alternos de rotación formando la conocida calle de vórtices de Von Kármán.

Por su parte, tanto la estructura del mástil (10) como la del cuerpo obstructor (12) deberán estar fabricados de materiales con elevada resistencia mecánica a la rotura y consecuentemente con bajo módulo de Young. Para ello los materiales candidatos podrían someterse a un tratamiento de endurecimiento superficial mediante procesos de nitruración y carburación, así como a un tratamiento térmico de temple-revenido, entre otros. De igual modo, resulta destacable la necesidad de disponer de materiales semirrígidos que permitan cierto grado de flexibilidad, favorables al movimiento oscilatorio al que está sometido la estructura. En cuanto a la superficie de ambos elementos, podrían presentar cierto grado de rugosidad. Una rugosidad relativa más elevada conlleva el desplazamiento de la zona de transición de la capa límite para valores más bajos del número de Reynolds, provocando que la caída del coeficiente de arrastre, se produzca con anterioridad, favoreciendo el desprendimiento anticipado de la capa límite y con él, un aumento de la vorticidad. No obstante, es necesario destacar que cuanto mayor sea la rugosidad del cuerpo obstructor (12), si bien la caída del coeficiente de arrastre es más temprana también resulta menos acusada a medida que ésta aumenta.

En cuanto a la altura del mástil (10) tiene que salvar la distancia de acceso a la tubería (11) y la del elemento obstructor (12) debe de ser tal que la velocidad máxima del flujo circulante incida en el extremo del dispositivo, aumentando de este modo la eficiencia del proceso de absorción energética. Bajo la condición de un flujo laminar y estacionario, el perfil de velocidades disminuye conforme se aproxima a las paredes del conducto y se incrementa en dirección al centro de la tubería. A partir de la ecuación diferencial y debido a la naturaleza de la viscosidad que dicta un perfil parabólico de flujo, se tiene que la velocidad máxima depende de los siguientes términos, según la ley de Hagen-Poiseuille (para un flujo laminar, estacionario, incompresible y uniformemente viscoso a través de un conducto cilíndrico de sección circular constante).

! máx ( ( V, #, AP/Ax)

Donde:

? es la viscosidad del flujo.

D es el diámetro.

AP/Ax es el gradiente de presión para una sección longitudinal de la tubería.

Tomando como referencia este valor, con objeto de que el cuerpo obstructor reciba en su extremo en voladizo la velocidad máxima así como para asegurarse de que en todas sus secciones, actué la componente de sustentación de forma sincronizada para que pueda comenzar a oscilar, la longitud del dispositivo (12) podría aproximarse a la del radio de la tubería (11).

Los inventores han considerado no necesario la implementación de un sistema electromecánico o incluso electromagnético, presente en patentes similares mencionadas en el estado de la técnica, para gestionar la capacidad de orientación y posicionamiento del dispositivo con la dirección del flujo del fluido, sirviéndose de una estrategia para incrementar el rango de velocidades para el que la estructura entra en resonancia. A diferencia de los antecedentes previamente expuestos, en este caso es bien conocida la velocidad del flujo, o en su caso el caudal que circula por la tubería. De modo que es posible trazar la distribución que sigue el diámetro en función de la altura, puesto que la velocidad del flujo en cada sección es perfectamente conocida. De esta forma, se consigue reducir al máximo la inclusión de elementos mecánicos susceptibles de degaste y fatiga mecánica.

En términos de fatiga, el elemento más vulnerable a sufrir fallo mecánico por estar sometida a la carga cíclica por flexión que ejerce el tránsito del fluido, es la varilla que hace las veces de estructura del conjunto mástil-cuerpo obstructor (10 y 12).

El presente sistema de generación de energía está destinado a ser empleado en redes de distribución de fluidos, así como en redes de abastecimiento urbanas e instalaciones que dispongan de tuberías, pudiendo ser éstas de gran diámetro (cuyo diámetro superen los 600 mm), en los que actualmente no existe mecanismo alguno de aprovechamiento similar al que se plantea. Asimismo, resulta de interés remarcar, que a diferencia de otros medios de generación de energía eléctrica a partir del flujo de fluidos, como los que involucran turbinas hidroeléctricas impelidas por propulsores, el sistema objeto de invención no adolece de las pérdidas, en términos de presión y caudal, que estas últimas restan al flujo.

Debido a la facilidad estructural del sistema objeto de interés, las tareas de transporte, mantenimiento e instalación en el emplazamiento final, resultan esencialmente sencillas y consecuentemente económicas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Con el fin de complementar la descripción que se procede a efectuar y con objeto de contribuir a una mejor comprensión de las características del sistema que se describe en la presente invención y de acuerdo al modelo de realización preferente del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de ilustraciones en donde, con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado lo siguiente.

La figura 1 muestra una vista de la sección frontal de un sistema de obtención de energía a partir del flujo transitante por una tubería, llevado a cabo de acuerdo con el objeto de la presente invención en trámite.

La figura 2 muestra una representación esquemática que se corresponde con la sección longitudinal de la tubería en la que se dispone el dispositivo favorecedor de una calle de vórtices aguas abajo del mismo, pudiéndose observar, las dos posibles posiciones que podría adoptar el elemento obstructor cuando entrase en resonancia.

Las figuras 3 y 4 muestran respectivamente, una vista en planta y en sección (según el plano de corte A que se indica en la figura 3) del sistema de fijación del mástil y de conversión de energía mecánica en eléctrica a través del emplazamiento de un material piezoeléctrico.

A continuación se proporciona una lista de los distintos elementos representados en las figuras que integran la invención.

1 ^ Pavimento.

2 ^ Tapa de arqueta en fundición.

3 ^ Módulo electrónico.

4 ^ Material piezoeléctrico.

5 ^ Sistema de fijación brida-instalaciones de acceso a la tubería de gran diámetro.

6 ^ Brida roscada.

7 ^ Cuerpo cilíndrico hueco que aloja el material piezoeléctrico.

8 ^ Vástago o mástil cilíndrico (en su extremo superior).

9 ^ Válvula de acceso.

10 ^ Vástago o mástil cilíndrico (en su extremo inferior).

11 ^ Tubería.

12 ^ Elemento o cuerpo obstructor.

13 ^ Líneas de corriente de flujo laminar y estacionario.

14 ^ Estimación del desplazamiento del cuerpo obstructor (en dirección contraria a las de las líneas de corriente).

15 ^ Estimación del desplazamiento del cuerpo obstructor (en dirección favorable a las de las líneas de corriente).

16 ^ Calle de vórtices de Von Kármán.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

A la vista de las mencionadas figuras y de acuerdo con la enumeración adoptada, puede observarse en ellas, un ejemplo preferente de la presente invención, la cuál comprende los elementos que se indican y describen con mayor detalle, a continuación.

Tal y como puede observarse en las figuras 1 a 4, una posible realización preferente del sistema de generación de energía en cuestión, comprende esencialmente, los siguientes elementos.

• Un dispositivo generador de vórtices que describe un movimiento oscilatorio cuando sobre la estructura actúan las fuerzas hidrodinámicas producidas por la acción de un flujo laminar y estacionario. A su vez, como elementos integrantes de este dispositivo, se encuentran los siguientes.

o Un cuerpo obstructor (12) localizado en su totalidad, en el seno de la tubería (11). En cuanto a su geometría, su sección debe ser diseñada para maximizar el efecto de la fuerza de sustentación que produce el flujo. Consecuentemente y tal como se recoge en la descripción de la invención, su superficie puede determinarse por la revolución alrededor de su eje de un arco ojival o elíptico, asemejándose a un cono imperfecto que presenta una curvatura hacia el vértice, así como a un semielipsoide. Con objeto de proteger frente al desgaste, un dispositivo que opera sumergido, en parte, en fluidos y con el fin de que actúe como medio protector contra la corrosión del elemento en cuestión que trabaja en condiciones de inmersión se propone la aplicación de un recubrimiento en la superficie del cuerpo (como podrían ser los de base de resina epoxi).

o Un vástago o mástil cilindrico (10) que posibilita el emplazamiento del cuerpo obstructor (12) en el seno de la tubería (11). Éste se encuentra acoplado con el elemento obstructor (12), presentando internamente ambos una varilla de material flexible y resistente a la rotura (como podría ser la fibra de carbono) que los mantiene ligados, formando la estructura generadora de vórtices. Tanto para la fabricación del mástil (10) como para la del cuerpo obstructor (12), los materiales candidatos deben presentar una buena resistencia a la deformación bajo cargas cortantes y de torsión, peso ligero, con buen comportamiento frente a la corrosión y al desgate, así como una alta estabilidad dimensional y elasticidad, cuyas propiedades podrían encontrarse en polímeros reforzados con fibra de carbono, fibra de vidrio (CFRP y GFRP respectivamente), determinados aceros y resina acetálica.

Una brida roscada (6), comúnmente fabricada en acero al carbono, acoplada en el acceso a las instalaciones donde se ubica el generador de vórtices, sobre la que queda asentado perfectamente inmóvil, un cuerpo cilíndrico hueco (7) que dispone en su interior de un elemento piezoeléctrico, siendo detallado éste último, a continuación. Así, el diámetro normalizado de la brida (6), dependerá del diámetro de las instalaciones de acceso a la tubería (11), pudiendo estar comprendido en un intervalo no limitante de (80 mm, 400 mm).

Un cuerpo cilíndrico hueco (7), situado sobre una brida (6) y que aloja en su interior el material piezoeléctrico (4), así como un anillo tórico no referenciado, a través del cuál, se introduce el conjunto vástago cilíndrico (10) - cuerpo obstructor (12) en las instalaciones de acceso a la tubería (11), hasta completar su instalación en el seno del conducto (11). La fricción continuada del anillo tórico no referenciado con el material piezoeléctrico en cuestión, motivada por las fuerzas actuantes sobre el elemento obstructor (12), posibilitan la transformación de la energía mecánica o estructural del sistema oscilatorio, en energía eléctrica.

Una unidad electrónica (3) diseñada para acometer las tareas de rectificación de onda, filtrado y acondicionamiento energético, ubicada en un pequeño módulo junto a la brida (6) con objeto de no dificultar su montaje y de modo que no interfiera al movimiento vibratorio de la estructura. Así como para la conexión a los sistemas de alimentación auxiliares de las infraestructuras críticas de control o al punto de destino, se dispondrán de unos cables de conexionado que serán debidamente canalizados.

A fin de precisar los aspectos dimensionales que conciernen a la presente invención, las dimensiones del cuerpo obstructor (12) deben ser tales que la velocidad máxima del flujo que circula por el conducto incida sobre uno de sus extremos, aumentando de este modo, el rendimiento del proceso de absorción energética. Por consiguiente, teniendo en cuenta que el diámetro de una tubería (11), que en términos ilustrativos y no limitativos, podría considerarse de gran diámetro, suele comprender un intervalo (600 mm, 2000 mm), la cota de este dispositivo, podría delimitarse al intervalo no limitante de (300 mm, 1000 mm). Del mismo modo, en referencia a la altura del mástil (10), el otro integrante del generador de vórtices, debe ser tal que pueda salvar la altura de la instalación de acceso hasta la tubería de gran diámetro (11), pudiendo estar acotada en un intervalo no limitante, tal que (400 mm, 850 mm). De esta forma, el dispositivo generador de vórtices podría alcanzar una altura máxima de 2850 mm aproximadamente.

Por su parte, en la figura 2, el flujo de carácter laminar y estacionario (13) incide sobre el dispositivo generador de vórtices, proyectando un perfil parabólico de velocidades que atiende a la ley de Hagen-Poiseuille y que en función del tipo de red y del diámetro de la tubería en cuestión, es posible conocer el caudal que transita por ella y consecuentemente la velocidad media, que podría aproximarse al intervalo ilustrativo de (0.2 m s_1, 3 m s_1). De este modo y tal y como ya se ha descrito previamente, se inducen sobre la estructura dos tipos de fuerzas, una de arrastre y otra de sustentación en dirección perpendicular a las líneas de flujo. Ésta última, cambia alternativamente de signo, pero la dirección se mantiene constante, haciéndose posible que esta componente de sustentación, producto de la acción de la calle de vórtices de Von Kármán (16) y de las oscilaciones generadas (14 y 15) sea transformada a través de un sistema piezoeléctrico (7), en energía eléctrica.

Claims (9)

REIVINDICACIONES

1. - Dispositivo de obtención de energía a partir del flujo de fluidos circulantes en tuberías, que describe un movimiento oscilatorio cuando sobre el dispositivo actúan las fuerzas hidrodinámicas producidas por la acción de un flujo laminar y estacionario de fluidos circulantes en tuberías.

2. - Dispositivo de obtención de energía a partir del flujo de fluidos circulantes en tuberías, según la reivindicación 1, caracterizado porque consta de un cuerpo obstructor (12) localizado en su totalidad, en el seno una tubería.

3. - Dispositivo de obtención de energía a partir del flujo de fluidos circulantes en tuberías, según la reivindicación 1, caracterizado porque consta de un vástago o mástil que posibilita el emplazamiento del cuerpo obstructor (12) en el seno de la tubería (11). Éste se encuentra acoplado con el elemento obstructor (12).

4. - Dispositivo de obtención de energía a partir del flujo de fluidos circulantes en tuberías, según la reivindicación 1, caracterizado porque consta de una brida roscada (6), acoplada en el acceso a las instalaciones donde se ubica el dispositivo de obtención de energía, sobre la que queda asentado perfectamente inmóvil.

5. - Dispositivo de obtención de energía a partir del flujo de fluidos circulantes en tuberías, según la reivindicación 1 y 4, caracterizado porque consta de un cuerpo cilíndrico hueco (7), situado sobre una brida (6) y que aloja en su interior el material piezoeléctrico, que motivado por las fuerzas actuantes sobre el mástil (10) y transmitidos al elemento obstructor (12), posibilitan la transformación de la energía mecánica o estructural del sistema oscilatorio, en energía eléctrica.

6. - Dispositivo de obtención de energía a partir del flujo de fluidos circulantes en tuberías, según la reivindicación 1, caracterizado porque consta de una unidad electrónica (3) diseñada para acometer las tareas de rectificación de onda, filtrado y acondicionamiento energético.

7. - Dispositivo de obtención de energía a partir del flujo de fluidos circulantes en tuberías, según la reivindicación 1, caracterizado porque dimensiones del cuerpo obstructor (12) deben ser tales que la velocidad máxima del flujo que circula por el conducto incida sobre uno de sus extremos.

8. - Dispositivo de obtención de energía a partir del flujo de fluidos circulantes en tuberías, según la reivindicación 1, caracterizado porque la altura del mástil (10), debe ser tal que pueda salvar la altura de la instalación de acceso hasta la tubería (11).

9.- Dispositivo de obtención de energía a partir del flujo de fluidos circulantes en tuberías, según la reivindicación 1, caracterizado porque el flujo de carácter laminar y estacionario (13) incide sobre él, formando oscilaciones (14 y 15) y concibiendo, a través de un sistema piezoeléctrico (7), energía eléctrica.