ES2940624T3 - Generador de vórtice - Google Patents

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Eoghan Clifford
Sean Mulligan
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National University of Ireland Galway NUI
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Abstract

Un aparato generador de vórtice que comprende un conducto de entrada de fluido, un tanque de fluido que comprende: un primer puerto de entrada de fluido, un segundo puerto de entrada de fluido y un puerto de salida de fluido. Se proporciona una turbina fuera del tanque de fluido en comunicación fluida con el puerto de salida de fluido. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Generador de vórtice
La presente invención se refiere a un generador de vórtice.
En particular, la invención se refiere a un generador de vórtice para mezclar fluidos, un aparato de trabajo de fluido que comprende un generador de vórtice, y un sistema de trabajo de fluido que comprende un aparato de trabajo de fluido.
Antecedentes
La mezcla efectiva de diferentes fluidos es un requisito en diferentes industrias, por diferentes razones.
Por ejemplo, la mezcla de aire y agua (un proceso denominado "aireación") en un tratamiento de aguas residuales ayuda a la efectividad del proceso de tratamiento. También son de clara importancia la mezcla de combustible y aire para mejorar la combustión y la mezcla efectiva de materiales en procesos industriales e ingeniería química.
De forma adicional, cuando corresponda, la recuperación de energía de los procesos de mezclado ayuda a compensar el coste de operar el aparato de mezclado. Por ejemplo, ha habido un aumento notable en la popularidad de la recuperación de energía de la caída natural de aguas residuales en los sistemas de alcantarillado urbano y desagües de plantas de tratamiento de aguas residuales. Por ejemplo, el documento JP 2010174678 A se refiere a un dispositivo de recuperación de energía hidráulica. También existe un gran interés en el desarrollo de la generación de microhidroelectricidad en sitios de baja altura debido a su abundancia natural.
Sin embargo, una de las principales barreras para la explotación de estos sitios hidroeléctricos de baja altura es que las tecnologías hidroeléctricas convencionales no pueden aprovechar de manera eficiente la energía de estas fuentes de fluido.
Por ende, un aparato que puede procesar fluidos para lograr una mezcla mejorada, o trabajar con fluidos para recuperar energía de un sistema con una alta eficiencia, o ambos, resulta altamente deseable.
Sumario
De acuerdo con la presente invención, se proporciona un aparato como se indica en las reivindicaciones adjuntas. Otras características de la invención se pondrán de manifiesto a partir de las reivindicaciones dependientes y de la siguiente descripción.
En consecuencia, se proporciona un aparato generador de vórtice que comprende: un conducto de admisión de fluido y un tanque de fluido que comprende: un primer puerto de entrada de fluido, un segundo puerto de entrada de fluido y un puerto de salida de fluido. Se proporciona una turbina fuera del tanque de fluido en comunicación fluida con el puerto de salida de fluido.
El tanque de fluido puede definir una cámara de turbulencia sustancialmente cilíndrica, centrada en un eje de rotación de fluido; el segundo puerto de entrada de fluido, estando también centrados el puerto de salida de fluido y la turbina en el eje de rotación de fluido.
El segundo puerto de entrada de fluido y el puerto de salida de fluido pueden estar centrados en el eje de rotación de fluido en lados opuestos del tanque de fluido. El puerto de salida de fluido puede estar separado entre el segundo puerto de entrada de fluido y la turbina.
Un conducto de salida de fluido está en comunicación fluida con el puerto de salida de fluido.
La turbina se encuentra dentro del conducto de salida de fluido.
El conducto de salida de fluido tiene una sección de pared divergente alrededor de la turbina.
El conducto de salida de fluido puede comprender además, en serie con la sección de pared divergente: una sección de pared paralela; y una sección de pared convergente que termina en una salida de conducto.
El conducto de admisión de fluido puede estar: en comunicación fluida con el primer puerto de admisión de fluido; provisto sustancialmente en una tangente a una pared lateral del tanque de fluido; y alineado para suministrar fluido a una superficie interna de la pared lateral de fluido para inducir así un remolino alrededor del eje de rotación de fluido. Un árbol puede extenderse desde la turbina.
El árbol puede extenderse desde la turbina, a través del puerto de salida de fluido, a través del tanque de fluido y a través del segundo puerto de entrada de fluido.
El puerto de salida de fluido puede comprender una boca extendida que se extiende hacia una entrada de la turbina.
La boca extendida puede comprender una salida que tiene un diámetro menor que el diámetro de la entrada de la turbina.
Se puede proporcionar un orificio de ventilación en la pared del conducto. El orificio de ventilación puede estar aguas abajo de la salida de la boca extendida y puede estar aguas arriba de la entrada de la turbina. También se puede proporcionar un aparato de trabajo de fluido que comprenda un generador de vórtice de acuerdo con la presente invención.
El aparato de trabajo de fluido puede comprender además: un aparato de suministro de fluido en comunicación de flujo con el conducto de admisión de fluido; comprendiendo el aparato de suministro de fluido una bomba de fluido.
También se puede proporcionar un sistema de trabajo de fluido que comprenda un aparato de trabajo de fluido de acuerdo con la presente invención. El sistema puede comprender además: un primer depósito de fluido; estando la bomba de fluido en comunicación fluida con el primer depósito de fluido para extraer así fluido del depósito de fluido; una segunda fuente de fluido; y estando el segundo puerto de entrada de fluido en comunicación fluida con la segunda fuente de fluido.
La salida del conducto de salida de la cámara de turbulencia puede estar sumergida debajo de la superficie del primer fluido en el primer depósito de fluido para suministrar así una mezcla del primer fluido y el segundo fluido al primer depósito de fluido.
El sistema de trabajo de fluido puede comprender además una estructura de soporte que mantiene la cámara de turbulencia por encima del nivel de la superficie del fluido en el primer depósito de fluido.
Por ende, se proporciona un aparato configurado para la mezcla de fluidos y/o también que puede proporcionar un núcleo de un sistema de recuperación de energía.
Breve descripción de los dibujos
A continuación, se describirán los ejemplos de la presente invención en relación con los dibujos adjuntos, en los que:
la figura 1 muestra una vista en sección de un generador de vórtice de acuerdo con la presente invención; la figura 2 muestra una vista en sección a lo largo de la línea B-B que se muestra en la figura 1;
la figura 3 muestra una vista en sección a lo largo de la línea C-C que se muestra en la figura 2;
la figura 4 muestra una vista en sección D-D que se muestra en la figura 1;
la figura 5 muestra una vista E-E mostrada en la figura 4;
la figura 6 muestra un ejemplo de un sistema de trabajo de fluido que incluye el generador de vórtice de la presente invención;
la figura 7 muestra otro ejemplo de un sistema de trabajo de fluido que incluye un generador de vórtice de la presente invención;
la figura 8 muestra una vista en planta del sistema que se muestra en la figura 7;
la figura 9 muestra un ejemplo alternativo de una parte de un sistema de trabajo de fluido que incluye el generador de vórtice de la presente invención;
la figura 10 muestra otro ejemplo alternativo de una parte de un sistema de trabajo de fluido que incluye el generador de vórtice de la presente invención;
las figuras 11 a 15 muestran secciones de ejemplos alternativos de carcasas de turbulencia que forman parte de un generador de torbellino de la presente invención;
las figuras 16 a 19 muestran ejemplos adicionales de sistemas de trabajo de fluido que incluyen generadores de vórtice de la presente invención; y
las figuras 20, 21 muestran otro ejemplo de un generador de vórtice.
Descripción detallada
Las figuras 1 a 5 muestran diferentes vistas en sección de un generador de vórtice 10 de acuerdo con la presente invención. La figura 6 muestra el generador de vórtice 10 como parte de un aparato de trabajo de fluido 12, que a su vez es parte de un sistema de trabajo de fluido 14, de acuerdo con la presente invención. En el contexto de la presente invención, un "aparato de trabajo de fluido" y un "sistema de trabajo de fluido" son conjuntos y/o disposiciones en los que una parte del aparato o sistema realiza trabajo sobre un fluido, y/o en los que el fluido trabaja sobre una parte del aparato o sistema. Dicho de otra forma, un "aparato de trabajo de fluido" y un "sistema de trabajo de fluido" son conjuntos y/o disposiciones en los que se puede extraer energía (por ejemplo, energía potencial o energía cinética) de un fluido, y/o en los que el aparato o sistema procesa el fluido.
El aparato generador de vórtice 10 comprende un conducto de admisión de fluido 16 que comprende una admisión/entrada 18. El conducto de admisión de fluido 16 está acoplado, o es integral con, una carcasa de turbulencia 20. El conducto de admisión de fluido 16 puede comprender una válvula de control operable para regular el flujo de fluido a través del conducto de admisión de fluido 16. La carcasa de turbulencia 20 comprende un tanque de fluido 22 y un primer puerto de entrada de fluido 24 que define dónde termina el conducto de admisión de fluido 16 y comienza el tanque de fluido 22. Es decir, el tanque de fluido 22 proporciona la geometría esencial de la carcasa de turbulencia 20, que puede proporcionarse como una cámara de turbulencia sustancialmente cilíndrica. Dicho de otra forma, el tanque de fluido 22 es una carcasa que está configurada para inducir remolinos en el fluido que pasa a través del tanque de fluido.
El tanque de fluido 22 puede comprender paredes que definen un volumen cerrado. En algunos ejemplos, el tanque de fluido 22 puede sellarse de modo que pueda presurizarse. En otros ejemplos, el tanque puede tener una abertura a la atmósfera, tal que el fluido en el tanque pueda tener una superficie libre.
La carcasa de turbulencia 20 comprende además un segundo puerto de entrada de fluido 26 y un puerto de salida de fluido 28. El puerto de entrada de fluido 26 puede comprender una válvula de control operable para regular el flujo de fluido a través del puerto de entrada 26.
El generador de vórtice 10 comprende además una turbina 30, donde la turbina 30 se proporciona fuera del tanque de fluido 22. Se pueden proporcionar paletas 29 en el puerto de salida de fluido 28. Las paletas 29 pueden configurarse para dirigir el fluido hacia la turbina 30 y para inducir remolinos en la cámara 22. Las paletas 29 pueden ser paletas estáticas (es decir, inamovibles, fijas) o variable (es decir, su ángulo con respecto a las paredes de la salida 28 y/o la turbina es ajustable). La turbina 30 puede comprender uno o más palas de turbina 31. La turbina 30 se proporciona en comunicación fluida con el puerto de salida de fluido 28. La turbina 30 se puede proporcionar inmediatamente aguas abajo del puerto de salida de fluido 28.
El tanque de fluido 22 (y por ende la cámara de turbulencia 20) define un eje de rotación de fluido 32. Es decir, el tanque de fluido 22 define una cámara de turbulencia 20 sustancialmente cilíndrica centrada en un eje de rotación de fluido 32. El segundo puerto de entrada de fluido 26, el puerto de salida de fluido 28 y la turbina 30 están centrados en el eje de rotación de fluido 32. Es decir, el segundo puerto de entrada de fluido 26, el puerto de salida de fluido 28 y la turbina 30 son concéntricos y coaxiales con el eje de rotación de fluido 32.
El conducto de admisión de fluido 16 está en comunicación fluida con el primer puerto de entrada de fluido 24, donde el conducto de admisión de fluido 16 se proporciona sustancialmente en una tangente a una pared lateral del tanque de fluido 22, estando alineado el conducto de admisión de fluido 16 para suministrar fluido a una superficie interna 33 de la pared lateral del tanque de fluido 22 para así inducir el remolino y la circulación alrededor del eje de rotación de fluido 32.
Por ende, la forma de la superficie interna 33 y el conducto de entrada 16 del tanque de fluido 22 define la trayectoria del fluido que pasa a través del tanque 22, estando configurada la superficie para promover la generación de un vórtice alrededor del eje de rotación de fluido 32.
El segundo puerto de entrada de fluido 26 y el puerto de salida de fluido 28 están centrados en el eje de rotación de fluido 32 en extremos opuestos del tanque de fluido 22, estando separado el puerto de salida de fluido 28 entre el segundo puerto de entrada de fluido 26 y la turbina 30.
Se proporciona un conducto de salida de fluido 34 en comunicación fluida con el puerto de salida de fluido 28. La turbina 30 está ubicada dentro del conducto de salida de fluido 34. El conducto de salida 34 puede extenderse más allá del extremo de la turbina 30, de modo que la turbina 30 quede completamente encerrada dentro del conducto de salida 34. Es decir, el conducto de salida 34 puede limitar la turbina 30. El conducto 34 tiene una salida 39.
Se puede proporcionar un recubrimiento alrededor de las palas de turbina 31. Es decir, se puede proporcionar una cubierta alrededor de la pala o palas giratorias 31 de la turbina, con un pequeño espacio libre entre las palas cubiertas y la cubierta/conducto 34. En tal ejemplo, el recubrimiento se asienta en el conducto 34 y, por tanto, puede ubicar la turbina 30 en el conducto.
El conducto de salida 34 se extiende desde el puerto de salida de fluido 28, con una sección de pared divergente de manera que la salida del conducto 39 sea más grande que el puerto de salida de fluido 28. La turbina 30 está ubicada dentro de la sección de pared divergente del conducto de salida 34. Es decir, el conducto de salida 34 puede ser troncocónico. Dicho de otra forma, el conducto de salida de fluido 34 tiene una sección de pared divergente alrededor de la turbina 30.
El conducto de salida 34 también puede extenderse para comprender una sección de pared paralela 36 que se extiende lejos de la sección divergente/troncocónica 34. El conducto de salida 34 puede comprender además una sección de pared convergente 38 que se extiende "aguas abajo" desde la sección de pared paralela 36, estrechándose hacia la salida del conducto 39. Por ende, la sección divergente 34, la sección de pared paralela 36 y la sección de pared convergente 38 pueden proporcionarse en serie, como se muestra en la figura 6.
Durante el uso, la salida del conducto 39 puede estar ubicada debajo de la superficie de un depósito de fluido, por ejemplo, un depósito del primer fluido. Tal disposición permite mezclar y, según proceda, airear.
En otros ejemplos, por ejemplo, generación de energía, la salida del conducto 39 puede desembocar en un espacio libre, separado de una fuente del primer fluido, por ejemplo encima de un depósito de primer fluido.
En otros ejemplos, la salida del conducto 39 puede suministrar el fluido mixto a un tanque o cámara o reactor para su posterior procesamiento.
La superficie interna 33 del conducto de salida 34, y las secciones del conducto 36, 38, puede comprender además paletas helicoidales para dirigir flujos mixtos primero y segundo a lo largo de las secciones del conducto.
Un árbol 40 se extiende desde la turbina 30. El árbol 40 soporta y transporta el impulsor 30.
El árbol 40 se extiende desde la turbina 30 a través del puerto de salida de fluido 28, a través del tanque de fluido 22 y a través del segundo puerto de entrada de fluido 26. Se puede acoplar un generador 44 al extremo del árbol 40. En otros ejemplos, el árbol 40 puede estar acoplado a un sistema de engranajes para la transmisión a un generador 44 en una ubicación diferente. Alternativamente, el árbol de toma de energía 40 puede estar acoplado a una bomba u otro medio de recuperación de energía que pueda utilizar la salida rotacional del árbol 40 en funcionamiento. Por ende, el árbol 40 puede, en algunos ejemplos, ser el árbol de "toma de energía".
El generador 44 puede funcionar para trabajar en sentido inverso para convertir energía eléctrica en energía mecánica e impartir rotación desde los impulsores de turbina 31 al fluido para mezclar.
Alternativamente, el árbol 40 puede acoplarse solo a la turbina 30 y montarse sobre un cojinete para permitir que la turbina 30 gire libremente. En otro ejemplo, se puede proporcionar un freno o embrague para proporcionar una carga de frenado en el árbol 40 o la turbina 30, limitar la libertad de rotación de la turbina 30 y, por lo tanto, reducir artificialmente el giro rotacional máximo de la turbina 30. Alternativamente, la turbina 30 puede montarse de forma giratoria por cualquier medio adecuado.
El segundo puerto de entrada de fluido 26 puede comprender una carcasa 46 provista en la parte superior del tanque de fluido 22, con el generador 44, u otro medio de recuperación de energía, montado en la parte superior de la carcasa 46.
Dado que el generador de vórtice tiene una serie de aplicaciones, su modo de funcionamiento puede variar.
El generador de vórtice puede emplearse en comunicación de flujo con una primera fuente de fluido y una segunda fuente de fluido. La primera fuente de fluido puede ser una fuente de líquido, donde la fuente es una fuente de flujo libre (por ejemplo, de un río, o por un conducto desde un depósito elevado) o bombeada bajo presión (por ejemplo, de una fuente presurizada o bombeada). El primer fluido también puede ser un gas, suministrado desde una fuente presurizada o bombeada. La segunda fuente de fluido puede ser la atmósfera/entorno local, aspirando aire gaseoso bajo la acción del primer fluido, o un líquido retenido en un depósito aspirado al tanque de fluido por la acción del primer fluido, o gas o líquido de una fuente presurizada o bombeada suministrado al tanque de fluido/turbulencia independiente de las características de flujo del primer fluido. El primer fluido puede ser más denso que el segundo fluido.
Por ende, en funcionamiento en un primer ejemplo, un primer fluido 50, proporcionado como un líquido de flujo libre o bombeado, se suministra al conducto de admisión de fluido 16 y viaja a través del conducto de admisión de fluido 16 hacia el tanque de fluido 22 donde pasa al puerto de salida de fluido 28. Cuando el primer fluido 50 alcanza un nivel suficientemente alto (por ejemplo, como se ilustra en las figuras 1, 2), el fluido se arremolinará alrededor del eje de rotación 32 en el tanque de fluido 22. Por ende, el impulso del primer fluido 50 induce un remolino cuando el primer fluido 50 pasa a través del conducto de admisión de fluido 16 hacia el tanque de fluido 22 y alrededor de la superficie interna 33 del tanque de fluido 22. Al mismo tiempo, un segundo fluido 52 (por ejemplo, un gas y, en particular, aire) se introduce en el segundo puerto de entrada de fluido 26 desde una segunda fuente de fluido (p. ej., el entorno circundante). El segundo fluido 52 se aspira por el hecho de que el primer fluido 50 pasa a través del conducto de salida de fluido 28. Cuando el primer nivel de fluido 50 alcanza una altura predeterminada en el conducto de admisión 16 y el tanque de fluido 22, el remolino en el tanque de fluido 22 y la interacción con el segundo fluido 52 genera un vórtice (indicado generalmente como "54" en la figura 1 y la figura 2). El vórtice 54 se manifiesta como un chorro giratorio/de turbulencia de alta velocidad del primer fluido 50 alrededor de un núcleo, vacío, o columna de segundo fluido 52 que se extiende desde el segundo puerto de entrada de fluido 26 hasta el puerto de salida de fluido 28.
Si la velocidad de flujo del primer fluido 50 en el tanque 22 es demasiado alta, llenando por lo tanto el tanque de fluido 22 más rápido de lo que puede vaciarse a través del puerto de salida 28, luego el primer nivel de fluido sube para desconectar el segundo puerto de entrada de fluido 26. En este punto, el vórtice 54 colapsará, obstruyendo el flujo hacia el tanque de fluido 22 hasta que haya drenado suficiente fluido a través del puerto de salida 28 para que se restablezca el vórtice. De esta manera, el caudal máximo a través del generador de vórtice 10 es autolimitante.
En un segundo ejemplo, el primer fluido 50 puede ser un líquido de una fuente bombeada o presurizada (por ejemplo, un suministro de combustible) y el segundo fluido 52 puede ser un gas de una fuente bombeada o presurizada (por ejemplo, aire). Se puede proporcionar una válvula u otro dispositivo de regulación de flujo para controlar el suministro del primer fluido 50. Asimismo, se puede proporcionar una válvula u otro dispositivo de regulación de flujo para controlar el suministro del segundo fluido 52. Como tal, el modo de funcionamiento es similar al primer ejemplo, excepto que el flujo de aire se puede regular más cuidadosamente para mantener una relación de aire-combustible y para ayudar a mantener el núcleo/vacío del vórtice.
En ambos ejemplos, cuando el vórtice 54 se forma y gira alrededor del eje de rotación de fluido 32, el primer fluido 50 y el segundo fluido 52 salen por la salida de fluido 28. El remolino del primer fluido 50 que sale del vórtice 54 imparte movimiento de rotación a la turbina 30 a medida que el flujo pasa por las palas de turbina 31. El primer fluido 50 se mezcla con el segundo fluido 52 por las palas 31.
En el caso de un líquido y un gas, esto da como resultado que se formen burbujas de gas en el primer fluido 50 (líquido). Las palas 31 y el gas pueden actuar para atomizar el líquido, generando una pulverización. El primer fluido 50, ya en un estado totalmente turbulento, golpea las palas de turbina 31 y arrastra el núcleo/vacío central del segundo fluido 52 (gas), y el impacto del impulsor y la cizalladura del flujo dan como resultado que el primer y el segundo fluido 52 se mezclen cuando salen del conducto 34.
En los ejemplos en los que el conducto 34 puede configurarse para garantizar que la velocidad general del fluido en el conducto 34 sea mayor o igual que la velocidad terminal ascendente de la burbuja de gas más grande para garantizar que las burbujas se transporten fuera de la salida del conducto 39, en lugar de flotar hacia la turbina 30.
En el caso de que el primer fluido 50 y el segundo fluido 52 sean ambos líquidos, el flujo de líquidos separados puede interrumpirse por la turbina 30 que promoverá la mezcla de los dos líquidos.
La mezcla de fluidos 50, 52 luego pasa por el conducto 34, 36 para salir por el conducto de salida 34.
En los ejemplos en los que está presente el árbol 40, y dado que la turbina 30 está fijada al árbol 40, la rotación de la turbina 30 da como resultado la rotación del árbol 40. Por ende, en los ejemplos donde está presente, el árbol giratorio 40 puede funcionar para hacer girar el medio de recuperación de energía (p. ej., el generador 44) debido al vórtice 54 generado en el tanque de fluido 22.
Por ende, las palas 31 del impulsor proporcionan la rotación del árbol 40 para permitir la generación de energía o el funcionamiento de otro dispositivo (p. ej., una bomba para un sistema diferente), pero también proporcionan la mezcla del primer fluido 50 y el segundo fluido 52.
Por tanto, el conducto de admisión de fluido 16, el tanque de fluido 22 y la turbina 30 pueden formar la base de un dispositivo de mezcla de fluidos que mezcla los fluidos 50, 52.
También el conducto de admisión de fluido 16, el tanque de fluido 22 y la turbina 30 pueden formar además la base de un aparato de recuperación de energía o generación de energía si se proporciona un dispositivo de recuperación de energía (p. ej., un generador) 44 sobre un árbol acoplado a la turbina giratoria 30.
La ubicación de la turbina 30 con respecto al lugar donde se forma el vórtice 54 proporciona una ventaja clave del aparato de la presente invención. El flujo dentro del tanque de fluido 22 está en un estado subcrítico. A medida que pasa a través de la salida de fluido 28, pasa a un estado supercrítico. Las perturbaciones aguas abajo de la salida de fluido 28, por ejemplo inducidas por la turbina 30, no pueden viajar desde la región supercrítica de regreso a la región subcrítica (aguas arriba). Por tanto, las perturbaciones del flujo en la turbina 30 no pueden afectar al vórtice 54, maximizando por tanto la transferencia de energía desde el flujo del vórtice 54 a la turbina 30.
Además, el conducto divergente 34 promueve la conversión del flujo de vórtice subcrítico del primer fluido 50 que sale de la cámara de turbulencia 20 en un flujo de chorro anular turbulento supercrítico para girar de manera óptima la turbina 30, lo que es beneficioso para la generación/recuperación de energía, disipación de energía y/o mezcla de fluidos.
En la figura 6 se muestra un ejemplo de cómo se puede usar el generador de vórtice 10 de la presente invención. La figura 6 muestra el aparato de trabajo de fluido 12 que comprende el generador de vórtice 10 como se ha descrito anteriormente. Se denomina aparato de trabajo de fluido porque la función principal de este dispositivo es trabajar los fluidos que pasan a través del generador de vórtice, con un beneficio adicional de generar electricidad o recuperar energía del sistema. El aparato de trabajo de fluido 12 comprende un aparato de suministro de fluido 70 en comunicación de flujo con el conducto de admisión de fluido 16. El aparato de suministro de fluido 70 en este ejemplo comprende una bomba de fluido 72. En funcionamiento, la bomba de fluido 72 extraerá fluido de una fuente de fluido, a través de un conducto 74 y lo suministrará al conducto de admisión de fluido 16. Después de esto, el funcionamiento del generador de vórtice 10 es como se ha descrito anteriormente.
La figura 6 muestra el aparato de trabajo de fluido 12 en el contexto de un sistema de trabajo de fluido 14. El sistema de trabajo de fluido 14 comprende un primer depósito de fluido 80, por ejemplo, una fuente de agua salada o aguas residuales, estando la bomba de fluido 72 en comunicación fluida con el primer depósito de fluido 80 a través del conducto de admisión 74 para así extraer fluido del depósito de fluido 80. El sistema de trabajo de fluido 14 comprende además una segunda fuente de fluido 82, que en este ejemplo es la atmósfera circundante, y el segundo puerto de entrada de fluido 26 se proporciona en comunicación fluida con la segunda fuente de fluido 82.
La salida del conducto de salida 39 de la cámara de turbulencia está sumergida debajo de la superficie del primer fluido 50 en el primer depósito de fluido 80 para suministrar así la mezcla del primer fluido 50 y el segundo fluido 52 al primer depósito de fluido 80. Por ende, como puede verse, la mezcla de fluido 50 y aire 52 formada en un vórtice 54 y luego trabajada por la turbina 30 proporciona un fluido aireado que sale del conducto 34. Dicho de otra forma, el acto de hacer colapsar el vórtice del fluido 80 y el fluido 82 en la turbina 30 crea burbujas que se bombean por la acción de la turbina 30 a través del conducto 34 y hacia el depósito de fluido 80, promoviendo los procesos deseados en el depósito de fluido 80.
El sistema de trabajo de fluido 14 puede comprender además una estructura de soporte 86, por ejemplo un pontón, que mantiene la cámara de turbulencia/tanque 22 por encima del nivel de la superficie del fluido en el primer depósito de fluido 80.
Las figuras 7, 8 muestran un ejemplo del sistema de trabajo de fluido 14 que comprende el aparato de fluido 12 provisto de un colector de distribución 90 ubicado a la salida de la columna de burbujas. Las figuras 7, 8 muestran una vista lateral y en planta respectivamente del sistema 14 modificado. Las características del sistema 14 (p. ej., el aparato de suministro de fluido 70) se omiten de la figura 8 para mayor claridad.
El colector de distribución 90 está en comunicación fluida con la salida del conducto de salida 39 en un acoplamiento de flujo 92. En este ejemplo, el colector de distribución 90 comprende una columna 94 que se aleja del acoplamiento 92. Unos brazos 96 se extienden lejos de la columna 94. La columna 94 y los brazos 96 son huecos y proporcionan un paso de flujo para el fluido y las burbujas que pasan a lo largo del conducto 34. Se pueden proporcionar aberturas 98 (no mostradas) a lo largo de la columna 94 y los brazos 96 para distribuir el fluido y las burbujas dentro del primer depósito de fluido 80. También se pueden proporcionar salidas de fluido 100 en los extremos de los brazos 96.
Las figuras 9, 10 muestran otros ejemplos del aparato de fluido 12. En estos ejemplos, se proporciona un tubo de control de flujo en comunicación fluida con la salida del conducto de salida 39. La figura 9 muestra un tubo de control de flujo 110 en forma de "L" con una sola salida 112. La figura 10 muestra un tubo de control de flujo 114 en forma de "T" con un par de salidas 116. En ejemplos alternativos, se puede proporcionar un tubo de control de flujo con tres o más salidas. Las salidas pueden estar dispuestas para alejar el flujo de la salida del conducto de salida 39 en la misma dirección o en direcciones diferentes.
El colector 90 y los tubos de control de flujo 110, 114 brindan flexibilidad para maximizar la distribución de fluidos mixtos y/o controlar la dirección general del flujo y la distribución de fluidos mixtos en el fluido receptor.
En un ejemplo donde los fluidos que se mezclan son un líquido y un gas (p. ej., agua y aire), el colector 90 y los tubos de control de flujo 110, 114 brindan flexibilidad para maximizar la eficiencia de transferencia de gas (p. ej., oxígeno) y/o controlar la dirección general del flujo y la distribución de fluidos mixtos en el fluido receptor.
Las figuras 11 a 15 ilustran ejemplos de diferentes configuraciones de entrada. La figura 11 es la misma que se muestra en la figura 3, proporcionada para facilitar la referencia a los ejemplos que se muestran en las figuras 12 a 15. En todos los ejemplos, el conducto de admisión 16 comprende una parte que es tangente a la carcasa de turbulencia 20, proporcionando así un conducto de flujo que se extiende aguas arriba del puerto de entrada 24 de la carcasa.
En la figura 12, se proporciona un conducto de entrada 216 que comprende una primera parte recta 218 que está alineada con una dirección radial de la carcasa 22 y una parte curva 220 que sigue la curvatura de la pared exterior de la carcasa 22 durante aproximadamente el 25 % de la circunferencia de la pared exterior antes de terminar en el puerto de entrada 24.
La figura 13 muestra un ejemplo similar al de las figuras 3, 11, con paletas de guía adicionales 129 provistas alrededor, y separadas de, la periferia del puerto de salida 28. Por ende, en este ejemplo, las paletas de guía 29 se pueden proporcionar anidadas dentro (es decir, radialmente hacia adentro) de las paletas de guía adicionales 129.
La figura 14 muestra otro ejemplo, similar al de las figuras 3, 11, en el que se proporciona una paleta de guía curvada/pared 140 que se extiende desde el puerto de entrada 24 radialmente hacia dentro, y separada de, la pared de la carcasa 22, para extenderse aproximadamente la mitad de la circunferencia de la cámara 22. Esto proporciona un canal de flujo 142 entre la pared 140 y la carcasa 22 para promover el remolino alrededor de la pared de la carcasa 22.
La figura 15 muestra otro ejemplo en el que se proporcionan dos conductos de admisión 16 tangencialmente a la cámara principal de vórtice 22, estando ambos en comunicación fluida con la primera fuente de fluido. En ejemplos alternativos, se pueden proporcionar tres o más conductos de admisión 16, cada uno en comunicación fluida con la primera fuente de fluido.
En los ejemplos anteriores, el aparato de trabajo de fluido y el sistema de trabajo de fluido comprenden un único generador de vórtice 10. Sin embargo, tanto en aplicaciones hidroeléctricas como de tratamiento/mezcla, también se puede disponer una serie de generadores de vórtice en configuración en paralelo o en serie con el fin de proporcionar ventajas de generación de energía acumulada o tratamiento de aireación. Por ende, el aparato de trabajo de fluido y el sistema de trabajo de fluido pueden comprender dos o más generadores de vórtice 10.
Por ejemplo, como se muestra en la figura 16, se pueden proporcionar dos generadores de vórtice 10, 10' "en paralelo". Es decir, cada uno tiene un conducto de admisión 16, 16' alimentado desde la misma primera fuente de fluido, y que escapa a los respectivos conductos de salida de fluido 34.
Alternativamente, como se muestra en la figura 17, se pueden proporcionar dos generadores de vórtice 10, 10' "en serie". Es decir, cada uno tiene un conducto de admisión 16, 16'. Sin embargo, solo la entrada 16 del primer generador de vórtice 10 está en comunicación fluida directa con la primera fuente de fluido. El conducto de salida 34 del primer generador de vórtice 10 está en comunicación fluida con el conducto de entrada 16' del segundo generador de vórtice 10'.
En un ejemplo adicional, mostrado en la figura 18, varios pares de generadores de vórtice 10, 10', con sus respectivos conductos de admisión 16, 16' están en comunicación fluida con la primera fuente de fluido a través de un cubo/conducto 150. Los conductos 152 van desde el cubo 150 hasta las entradas 16, 16'. Como se muestra, los pares o generadores de vórtice 10, 10' se pueden proporcionar uno frente al otro a través del cubo 150.
En un ejemplo adicional, mostrado en la figura 19, varios pares de generadores de vórtice 10, 10' están dispuestos en serie, en un sistema similar al de la figura 17. Es decir, un primer par de generadores de vórtice 10a, 10a' tienen cada uno un conducto de admisión 16a, 16a' en comunicación fluida directa con la primera fuente de fluido. Las salidas 34 del primer par de generadores de vórtice 10a, 10a' alimentan las entradas 16b, 16b' del segundo par de generadores de vórtice 10b, 10b'. Las salidas 34 del segundo par de generadores de vórtice 10b, 10b' alimentan las entradas 16c, 16c' del tercer par de generadores de vórtice 10c, 10c'. Las salidas 34 del tercer par de generadores de vórtice 10c, 10c' alimentan las entradas 16d, 16d' del cuarto par de generadores de vórtice 10d, 10d'.
Un generador de vórtice de la presente invención se puede aplicar a una serie de aplicaciones, por ejemplo: Tratamiento de fluidos (aireación y mezcla) para plantas de tratamiento de aguas residuales, sistemas de tratamiento de aguas residuales domésticos, acuicultura y acuarios; procesamiento de alimentos, minería, mezcla química, inyección de combustible, agitación industrial, procesos de homogeneización; separación de arena de aguas pluviales y residuales, generación de energía hidroeléctrica ya sea a escala doméstica o industrial, recuperación de energía hidroeléctrica a partir de aguas residuales, sistemas de alcantarillado, plantas de tratamiento de agua, agua industrial procesada y plantas de desalinización (p. ej., descarga de concentrado de agua salada).
Por ende, se proporciona un aparato configurado para la mezcla de fluidos y/o también que puede proporcionar un núcleo de un sistema de recuperación de energía.
La energía recuperada se puede utilizar de varias maneras, incluyendo (a) para compensar los costes totales de energía en un sistema de tratamiento que comprende el aparato de la presente invención; (b) alimentada directamente a la parte alimentada del sistema, por ejemplo la bomba de fluido 72, para compensar así el uso de energía; y/o (c) almacenada en un banco de baterías. El almacenamiento de energía local puede permitir un uso inverso del sistema convirtiendo la energía eléctrica en energía mecánica haciendo funcionar el generador 44 en reversa para proporcionar mezcla usando el impulsor de turbina 31 (por ejemplo, en el ejemplo del sistema de aireación de la figura 6, entre ciclos de aireación.)
El generador de vórtice, que también puede denominarse "turbina de chorro anular" ya que, para funcionar, debe comprender una turbina, por tanto, proporciona una turbina hidroeléctrica de baja altura (baja presión) de alta eficiencia que funciona sobre la base de un flujo de fase dual (es decir, se permiten dos fluidos separados en las cámaras de la turbina).
La turbina de chorro anular está configurada para funcionar en respuesta a ubicaciones de baja altura (baja presión) para la generación de energía hidroeléctrica. También se puede usar para proporcionar un dispositivo de aireación efectivo que compense el uso de energía mediante el uso de un sistema de recuperación de energía.
Por ende, la turbina de chorro anular proporciona una turbina de impulso de baja altura (o baja presión) en la que se extrae la energía cinética sin cambios posteriores en la presión del fluido en las palas de turbina 31. Como resultado, la eficiencia hidráulica de la turbina 30 es mayor que la de las tecnologías hidroeléctricas convencionales de baja altura.
En un ejemplo adicional, mostrado en las figuras 20, 21, el puerto de salida de fluido 28 comprende una boca extendida 280. De acuerdo con este ejemplo, el puerto de salida de fluido 28 se denomina alternativamente puerto de salida de fluido sobresaliente 28.
La boca extendida 280 se define por una pared 283 que se extiende desde la carcasa de turbulencia 20 alrededor del borde del puerto de salida de fluido 28 y parte del camino hacia la cavidad/volumen definido por el conducto 34. La boca extendida 280 comprende por tanto una entrada 282 y un paso de flujo 286 que se extiende a, y termina en, una salida 284. Es decir, la entrada 282 define una abertura de entrada a través de la cual el fluido del tanque de fluido 22 puede ingresar al paso de flujo 286. El paso de flujo 286 se extiende hacia el conducto de salida de fluido 34 y hacia una entrada 285 de turbina de la turbina 30. Dicho de otra forma, la salida 284 de la boca extendida define una abertura de salida 284 configurada para descargar fluido desde el paso de flujo 286 hacia el conducto de salida de fluido 34 y sobre la turbina 30.
La salida 284 puede tener un diámetro menor que el diámetro de rotación de la turbina 30. Es decir, la salida 284 puede tener un diámetro menor que el diámetro definido por las puntas de las palas giratorias de la turbina en la entrada 285 de turbina. La turbina puede variar/alterarse en diámetro a lo largo de su eje de rotación. Por ejemplo, el diámetro de la salida de turbina 287 puede ser mayor que el diámetro de la entrada 285 de turbina, siendo el diámetro de entrada de la turbina el diámetro de la cara aguas arriba de la turbina 30 que mira hacia la salida 284 de la boca extendida. En cualquier ejemplo, la boca extendida 280, que tiene un diámetro más pequeño que la entrada 285 de turbina, es así operable para restringir la formación de un chorro de fluido que se extiende desde el tanque 22 a la turbina 30 para que tenga un diámetro que sea más pequeño que el diámetro de la entrada 285 de turbina. Por tanto, la boca extendida 280 define un embudo o boquilla (es decir, un canal que define un chorro de fluido). De acuerdo con el presente ejemplo, la boca extendida 280 es coaxial con la turbina 30 y con el eje de rotación de fluido 32. El chorro anular de fluido resultante, por lo tanto, incidirá centralmente en la turbina 30.
El conducto de salida de fluido 34 puede comprender un orificio de ventilación 341. De acuerdo con el presente ejemplo, el orificio de ventilación 341 está ubicado entre la entrada 285 de turbina y la pared 283 que define la boca extendida 280. Es decir, el orificio de ventilación 341 se proporciona en la pared del conducto 34 aguas abajo de la salida 284 de boca extendida y aguas arriba de la entrada 285 de turbina. El orificio de ventilación 341 está configurado para permitir el intercambio de fluidos entre el espacio/volumen encerrado por el conducto de salida de fluido 34 y el entorno que rodea el exterior del conducto de salida de fluido 34. En particular, el orificio de ventilación 341 está configurado para permitir que un gas, tal como aire, pase a través del orificio de ventilación en respuesta a una diferencia de presión y/o cambio dentro del conducto. Es decir, el orificio de ventilación 341 se extiende entre el espacio encerrado dentro del conducto de salida de fluido 34 y el espacio exterior que rodea el conducto de salida de fluido 34.
Durante el funcionamiento, un chorro de fluido canalizado por medio de la boca extendida 280 se pasa (es decir, se suministra) a la turbina 30. La boca extendida 280 previene por tanto, o al menos reduce, que la parte del chorro de fluido que pasa en el hueco libre entre el impulsor de turbina y el conducto de salida 34 se extienda alrededor del impulsor de turbina. Por tanto, se reduce la "fuga de flujo" alrededor de la turbina. Dicho de otra forma, la disposición de la boca extendida 280 dirige el flujo hacia el núcleo central de la turbina y lejos del radio exterior de la turbina, por lo que puede reducirse la cantidad de fluido que evita la turbina 30. En consecuencia, se puede maximizar la cantidad de fluido que pasa a través de la turbina 30.
La turbina puede ser una turbina sin recubrimiento.
En un ejemplo alternativo, la turbina se puede proporcionar como una turbina con recubrimiento(es decir, con un recubrimiento que inhibe o previene el paso de fluido a la región de espacio libre). En tal ejemplo, la fuga puede reducirse aún más, aumentando así la eficiencia.
Durante el funcionamiento del generador de vórtice 10, la presión en el conducto de salida de fluido 34 puede cambiar. En particular, la presión puede caer por debajo de la presión ambiental, p. ej., volverse subatmosférica. En este caso, el fluido puede intercambiarse entre el espacio encerrado por el conducto de salida 34 y el espacio que rodea el conducto de salida 34 a través del orificio de ventilación 341 para mantener la presión equilibrada.
Por ende, la boca extendida 280 reduce la fuga de flujo, aumentando así la cantidad de fluido que pasa por la turbina. Como resultado, se incrementa el intercambio de energía entre el fluido y la turbina 30. También, al reducir las fugas de flujo, se puede reducir la probabilidad de bloqueo o daños a la turbina, ya que es menos probable que las partículas transportadas por el chorro anular queden atrapadas entre la turbina y el conducto de salida.
El orificio de ventilación 341 reduce un diferencial de presión entre el interior y el exterior que puede generarse, aumentando así aún más la eficiencia y reduciendo el potencial de cavitación.
La boca extendida 280 puede tener cualquier forma adecuada. De acuerdo con el presente ejemplo, la boca extendida 280 es sustancialmente cilíndrica, extendiéndose linealmente la pared 283 que la define a lo largo del eje de rotación de fluido 32 y con una sección transversal circular. De acuerdo con otros ejemplos, la boca extendida 280 puede tener diferentes formas que incluyen, por ejemplo, un embudo de forma troncocónica, en donde el paso de flujo 286 definido por la boca extendida converge desde la entrada 282 a la salida 284. De acuerdo con otros ejemplos más, el paso de flujo 286 diverge de la entrada 282 a la salida 284.
Se puede formar un hueco 288 entre el conducto de salida de fluido 34 y la boca extendida 280 que sobresale en el conducto de salida de fluido 34. En otros ejemplos, la boca extendida 280 puede estar unida al conducto de salida de fluido 34 y no se forma ningún hueco o se forma un hueco de tamaño reducido. En otro ejemplo, la pared 283 puede extenderse desde el conducto de salida de fluido 34 (p. ej., formarse integralmente entre sí) de manera que la pared del conducto de salida de fluido 34 se extienda para formar la pared 283 de la boca extendida 280 sin hueco entre ellos.
El orificio de ventilación 341 puede tener cualquier tamaño y forma adecuados. Por ejemplo, el orificio de ventilación puede ser una rendija circular o una ranura alargada. Puede proporcionarse solo un orificio de ventilación 341. En otros ejemplos, se puede proporcionar una pluralidad de orificios de ventilación 341. La pluralidad de orificios de ventilación 341 pueden estar igualmente espaciados alrededor de la circunferencia de la pared del conducto en la que se proporcionan.
Todas las características divulgadas en esta memoria descriptiva (incluidas las reivindicaciones adjuntas, resumen y dibujos), y/o todas las etapas de cualquier método o proceso así divulgado, pueden combinarse en cualquier combinación, excepto combinaciones donde al menos algunas de tales características y/o etapas son mutuamente excluyentes.
Cada característica divulgada en esta memoria descriptiva (incluidas las reivindicaciones adjuntas, resumen y dibujos) puede reemplazarse por características alternativas que sirvan para un propósito igual, equivalente o similar, a no ser que se indique expresamente lo contrario. Por tanto, a no ser que se indique expresamente lo contrario, cada característica divulgada es solo un ejemplo de una serie genérica de características equivalentes o similares.
La invención no se limita a los detalles de la(s) realización(es) anterior(es). La invención se extiende a cualquiera novedosa, o cualquier combinación novedosa, de las características divulgadas en esta memoria descriptiva (incluidas las reivindicaciones adjuntas, resumen y dibujos), o a cualquiera novedosa, o a cualquier combinación novedosa, de las etapas de cualquier método o proceso así divulgado.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Un aparato generador de vórtice (10) para mezclar fluidos, que comprende:
un conducto de admisión de fluido (16);
un tanque de fluido (22) que comprende:
un primer puerto de entrada de fluido (24) en comunicación fluida con el conducto de admisión de fluido (16), un segundo puerto de entrada de fluido (26), y
un puerto de salida de fluido (28);
una turbina (30) que comprende al menos una pala de turbina (31), proporcionándose la turbina
fuera del tanque de fluido (22)
en comunicación fluida con el puerto de salida de fluido (28);
en donde el aparato generador de vórtice (10) comprende un conducto de salida de fluido (34) en comunicación fluida con el puerto de salida de fluido (28) y en donde la turbina (30) está ubicada dentro del conducto de salida de fluido (34),
caracterizado por que el conducto de salida de fluido (34) tiene una sección de pared divergente alrededor de la al menos una pala de turbina (31) de la turbina (30).
2. Un aparato generador de vórtice (10) de acuerdo con la reivindicación 1, en donde:
el tanque de fluido (22) define una cámara de turbulencia sustancialmente cilíndrica (20),
centrada en un eje de rotación de fluido (32);
el segundo puerto de entrada de fluido (26),
el puerto de salida de fluido (28); y
la turbina (30)
estando también centrados en el eje de rotación de fluido (32).
3. Un aparato generador de vórtice (10) de acuerdo con la reivindicación 2, en donde:
el segundo puerto de entrada de fluido (26) y el puerto de salida de fluido (28)
están centrados en el eje de rotación de fluido (32) en lados opuestos del tanque de fluido (22); y
el puerto de salida de fluido (28) está separado entre el segundo puerto de entrada de fluido (26) y la turbina (30).
4. Un aparato generador de vórtice (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde: el conducto de salida de fluido (34) comprende, además, en serie con la sección de pared divergente:
una sección de pared paralela (36); y
una sección de pared convergente (38) que termina en una salida de conducto (39).
5. Un aparato generador de vórtice (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, en donde: el conducto de admisión de fluido (14) está:
provisto sustancialmente sobre una tangente en una pared lateral del tanque de fluido (22); y
alineado para suministrar fluido a una superficie interna de la pared lateral de fluido para inducir así un remolino alrededor del eje de rotación de fluido (32).
6. Un aparato generador de vórtice (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde un árbol (40) se extiende desde la turbina (30).
7. Un aparato generador de vórtice (10) de acuerdo con la reivindicación 6, en donde:
el árbol se extiende desde la turbina (30),
a través del puerto de salida de fluido (28),
a través del tanque de fluido (22), y
a través del segundo puerto de entrada de fluido (26).
8. Un aparato generador de vórtice (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 7, en donde el puerto de salida de fluido (28) comprende una boca extendida (280) que se extiende hacia una entrada (285) de la turbina (30); y
la boca extendida (280) comprende una salida (284) que tiene un diámetro menor que el diámetro de la entrada (285) de turbina.
9. Un aparato generador de vórtice (10) de acuerdo con la reivindicación 8, en donde
se proporciona un orificio de ventilación (341) en la pared del conducto (34) aguas abajo de la salida (284) de boca extendida y aguas arriba de la entrada (285) de turbina.
10. Un aparato de trabajo de fluido (12) que comprende un aparato generador de vórtice de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7.
11. Un aparato de trabajo de fluido (12) de acuerdo con la reivindicación 10, que comprende además:
un aparato de suministro de fluido (70) en comunicación de flujo con el conducto de admisión de fluido (16); comprendiendo el aparato de suministro de fluido (70) una bomba de fluido (72).
12. Un sistema de trabajo de fluido (14) que comprende un aparato de trabajo de fluido de acuerdo con la reivindicación 11, que comprende:
un primer depósito de fluido (80);
estando la bomba de fluido en comunicación fluida con el primer depósito de fluido (80) para así extraer fluido del depósito de fluido (80);
una segunda fuente de fluido (82); y
estando el segundo puerto de entrada de fluido (26) en comunicación fluida con la segunda fuente de fluido (82).
13. Un sistema de trabajo de fluido de acuerdo con la reivindicación 12, en donde
la salida del conducto de salida (39) de la cámara de turbulencia está sumergida debajo de la superficie del primer fluido en el primer depósito de fluido (80)
para suministrar así una mezcla del primer fluido y el segundo fluido al primer depósito de fluido (80).
14. Un sistema de trabajo de fluido de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 12, 13, que comprende: una estructura de soporte que mantiene la cámara de turbulencia (20) por encima del nivel de la superficie del fluido en el primer depósito de fluido (80).
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