WO2013072533A1 - Bomba de pistones axiales con aprovechamiento energético. - Google Patents

Bomba de pistones axiales con aprovechamiento energético. Download PDF

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Antonio PERÈZ CRIVILLÈ
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Bolsaplast, S.L.
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Definitions

  • the present invention relates to an axial piston pump with energy use, which allows to reduce its energy consumption by taking advantage of the pressure presented by a residual fluid in the pump drive.
  • the pump of the invention is applicable in installations that require supply of pressurized fluids, and especially in those applications or installations that use the pressurized fluid supplied by the pump and discard a residual fluid at a pressure lower than the working pressure; for example in seawater desalination plants by reverse osmosis. Background of the invention.
  • a drum of cylinders that is rotatably driven by a drive shaft and has a group of axial cylinders, in circular arrangement around the geometric axis of said drum.
  • a fluid distribution plate fixed, facing and parallel to one end of the cylinder drum; said distributor plate having a fluid inlet and a fluid outlet, angularly offset and located in the rotation path of the drum cylinders.
  • the fluid inlet and outlet nozzles defined in the distributor plate are conveniently located so that the reciprocating movement of the pistons causes the filling of the corresponding cylinders farther away from the distributor plate. with fluid coming from the inlet and in a diametrically opposite turning area the pressure drive of the fluid contained in the corresponding cylinders towards the outlet.
  • seawater is supplied at a high pressure, of the order of 60 kilograms per square centimeter, releasing the installation at a slightly lower pressure but sufficient to justify its use in energy recovery.
  • a high pressure of the order of 60 kilograms per square centimeter
  • different hydraulic devices and circuits have been designed to date, which in addition to Present high costs and constructive manufacturing complexity, provide reduced performance.
  • the applicant of the present invention is unaware of the existence of a background that satisfactorily solves the problem presented.
  • the axial piston pump with energy use, object of this invention has some technical features designed to provide more efficient operation and lower energy consumption through a simple and durable construction that allows the use of residual pressurized fluids, as happens in water treatment plants, in which a flow of fluid rejected by the reverse osmosis membrane is produced.
  • the axial piston pump is of the type that includes a housing in which they are housed: - a drum of cylinders that is rotatably driven by a drive shaft and has a group of axial cylinders, in circular arrangement in around the geometric axis of said drum, - an inclined plate facing a first end of the drum of cylinders and arranged in an oblique position with respect to the axial direction of the drive shaft; - a plurality of pistons housed in the respective drum cylinders with the possibility of displacement in axial direction and provided at one of its ends with a foot or support for sliding on the inclined plate and -a fluid distribution plate, fixed, facing and parallel to one end of the cylinder drum; said distributor plate having an inlet of the fluid to be propelled and an outlet of pressurized fluid angularly offset and located in the rotation path of the drum cylinders
  • the pistons are formed respectively in a front piston, connected by an intermediate rod, connecting with the foot or rear sliding support, forming rear chambers in said cylinders;
  • the cylinders have at their rear end a wall through which the piston rods are arranged in a sealed manner, the aforementioned rear chambers being defined, which are communicated with auxiliary inlets and outlets of the residual pressure fluid, and;
  • the auxiliary outlet of residual fluid is angularly offset with respect to the auxiliary inlet, both located in a certain area of the turn path of the communications of the rear chambers, causing the pressure of this residual fluid introduced by the auxiliary inlet the thrust partial of the pistons when driving the main fluid.
  • the rejection water enters the rear chamber, behind the piston of the piston, and pushes said piston forward during the flow of water from the main flow as the rear chamber expands during filling.
  • the rejection water or residual fluid has a high pressure of approximately 59 kilograms per square centimeter approximately, which reduces the effort to drive the main fluid to 60 kilograms per square centimeter of nominal pressure that It is usually used.
  • auxiliary inputs and outputs of residual fluid to the rear chambers are defined in an additional distributor plate, which is placed at the opposite end of the drum to the main fluid distributor plate. In this way the two fluid circuits that circulate inside the pump are completely separated by both sides of the drum drum.
  • auxiliary inputs and outputs of residual fluid to the rear chambers of the cylinders are made in the main fluid distributor plate. With this, all the connections of the flows of the two fluid circulations are made at the same end of the pump.
  • a technical advantage of this invention is that the rear chamber and the chamber formed in the front part of the cylinder are at a similar pressure so that there is no leakage from one chamber to another chamber through the joint or space between the pistons and the surrounding wall of the cylinder. This prevents contamination of salt water entering the cylinder with the brine or residual fluid from the rear chamber.
  • the mechanical adjustment between piston and cylinder, and the manufacturing materials of the piston are not critical.
  • FIG. 1 shows a partially sectioned elevation view of the pump.
  • FIG. 2 shows a sectioned detail of the piston housed in the cylinder and the rear chamber formed behind the piston of said piston.
  • FIG. 3 shows an elevation view of the fluid distribution plate with the fluid outlets and inlets to be propelled.
  • FIG. 4 shows an elevation view of the plate additional distributor of residual fluid under pressure, with the inputs and outputs of residual fluid with different configurations.
  • the pump of the invention comprises a housing (1) in which a drum (2) is housed which is rotatably driven by a drive shaft (21) and which has a group of axial cylinders (3), in circular arrangement around the geometric axis of said drum (2). Inside the housing there is an inclined plate (4) facing a first end of the drum (2) of cylinders (3) and arranged in an oblique position with respect to the axial direction of the drive shaft (21).
  • the pump comprises a plurality of pistons (5) housed in the respective cylinders (3) with the possibility of displacement in axial direction.
  • Each of the pistons (5) is formed by an anterior piston (51), an intermediate rod (52) in an armpit arrangement and a rear foot (53) sliding on the inclined plate (4).
  • Each cylinder (3) has at its rear a closing wall, with a sealed passage (22) arranged axially, and where the rod (52) can be inserted, defining a rear chamber (23) behind the piston (51) of said piston (5), as shown in figure 2.
  • the drum (2) has a main fluid distribution plate (6), fixed, facing and parallel to one end of the drum (2).
  • the distributor plate (6) has an inlet (61) of the fluid to be propelled and an outlet (62) of pressure fluid, angularly offset, as can be seen in Figure 3 and located in the rotation path of the drum cylinders (3) (2).
  • the input (61) and the output (62) have an arc-shaped configuration.
  • a additional distributor plate (7) fixedly positioned, facing and parallel to the first end of the drum (2).
  • This additional distributor plate (7) has an inlet (71) of residual fluid under pressure and an outlet (72) of residual fluid under pressure to and from the rear chambers (23) through corresponding conduits (24) of each rear camera (23).
  • This inlet (71) and the outlet (72) are communicated to the outside by mouths (13 and 14) of the housing (1).
  • the outlet (72) is formed by an alignment of circular arc holes.
  • the inlet (61) is connected by the inside of the housing (1) with an inlet (11) defined at one of the ends of said housing (1) and through which the fluid to be propelled enters the pump , for example seawater in figure 1.
  • the outlet (62) in the fluid distribution plate (6) is connected to an outlet (12) defined in the housing (1), and through which the pump supplies the pressurized fluid to a machine or application , in this case the membrane (M) of reverse osmosis mentioned above.

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Abstract

Bomba que comprende una carcasa (1) con: -un tambor (2) accionado por un eje motriz (21) y que dispone de unos cilindros (3) axiales, - un plato inclinado (4) enfrentado con un primer extremo del tambor (2); - unos pistones (5) alojados en los cilindros (3), - una placa distribuidora de fluido (6), fija, enfrentada a un extremo del tambor (2), con una entrada (61) y una salida (62) del fluido a impulsar. Los pistones (5) están conformados respectivamente en un émbolo (51) anterior, un vástago (52) intermedio y un pie (53) de deslizamiento sobre un plato inclinado (4), conformándose unas cámaras posteriores (23) en los citados cilindros (3). Los cilindros (3) presentan en sus extremos posteriores una pared por la que están dispuestos pasantes de forma estanca los vástagos (52), definiéndose las citadas cámaras posteriores (23), comunicadas con unas entradas y salidas auxiliares (71, 72) de fluido residual de presión, provocando el llenado de dichas cámaras posteriores (23) el empuje parcial del pistón en la impulsión del fluido.

Description

DESCRIPCIÓN
BOMBA DE PISTONES AXIALES CON APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO.
Objeto de la invención
La presente invención se refiere a una bomba de pistones axiales con aprovechamiento energético, que permite reducir su consumo energético mediante el aprovechamiento de la presión que presenta un fluido residual en el accionamiento de la bomba.
Campo de aplicación de la invención.
La bomba de la invención es aplicable en instalaciones que requieren suministro de fluidos a presión, y especialmente en aquéllas aplicaciones o instalaciones que utilizan el fluido a presión suministrado por la bomba y desechan un fluido residual a una presión inferior a la de trabajo; por ejemplo en instalaciones desalinizadoras de agua marina por osmosis inversa. Antecedentes de la invención.
Actualmente son ampliamente conocidas las bombas de pistones axiales que disponen de una carcasa en la que se encuentra alojados:
un tambor de cilindros que es accionado de forma giratoria por un eje motriz y que dispone de un grupo de cilindros axiales, en disposición circular en torno al eje geométrico del mencionado tambor.
un plato inclinado enfrentado con un primer extremo del tambor de cilindros y dispuesto en una posición oblicua respecto a la dirección axial del eje motriz,
- una pluralidad de pistones alojados en los respectivos cilindros del tambor con posibilidad de desplazamiento en dirección axial y provistos en uno de sus extremos de un pie o apoyo para su deslizamiento sobre el plato inclinado y,
una placa distribuidora de fluido, fija, enfrentada y paralela a un extremo del tambor de cilindros; disponiendo dicha placa distribuidora de una entrada de fluido y de una salida de fluido, desfasadas angularmente y situadas en la trayectoria de giro de los cilindros del tambor.
Dado que el plano de rotación de los pistones forma un ángulo con el plano de la placa distribuidora y que dichos pistones tienden a mantenerse en contacto con el plato inclinado por la acción de unos resortes o medios de empuje, la distancia entre uno cualquiera de los pistones y la placa distribuidora cambia constantemente durante la rotación del tambor de cilindros, de forma que durante media revolución los pistones se alejan de la placa distribuidora y durante la media revolución siguiente se acercan a dicha placa distribuidora.
Las bocas de entrada y salida de fluido definidas en la placa distribuidora se encuentran situadas convenientemente para que el movimiento alternativo de los pistones provoque en una determinada zona de giro, en la que se disponen mas alejados de la placa distribuidora el llenado de los cilindros correspondientes con fluido procedente de la boca de entrada y en una zona de giro diametralmente opuesto la impulsión a presión del fluido contenido en los cilindros correspondientes hacia la boca de salida.
Cabe mencionar que estas bombas son utilizadas en múltiples máquinas e instalaciones que requieren el suministro de fluido a presión siendo suministrada al eje motriz la totalidad de la potencia necesaria para su funcionamiento desde un elemento motor externo.
En determinadas aplicaciones, tales como máquinas o instalaciones desaladoras de agua marina por osmosis inversa, se suministra el agua marina a una presión elevada, del orden de 60 kilogramos por centímetro cuadrado, liberando la instalación a una presión ligeramente inferior pero suficiente para justificar su aprovechamiento en la recuperación de energía. Con la finalidad de recuperar parte de la energía utilizada inicialmente para el suministro de fluido a presión, a partir del fluido de rechazo- utilizado previamente y liberado a una presión inferior, se han diseñado hasta la fecha diferentes dispositivos y circuitos hidráulicos, que además de presentar unos elevados costes y complejidad constructiva de fabricación, proporcionan un rendimiento reducido.
El solicitante de la presente invención desconoce la existencia de antecedentes que resuelvan de forma satisfactoria la problemática expuesta.
Descripción de la invención
La bomba de pistones axiales con aprovechamiento energético, objeto de esta invención, presenta unas particularidades técnicas destinadas a proporcionar un funcionamiento más eficiente y con un menor consumo energético mediante una construcción sencilla y duradera que posibilita el aprovechamiento de fluidos residuales a presión, tal como sucede en plantas potabilizadoras, en las que se produce un caudal de fluido rechazado por la membrana de osmosis inversa.
La bomba de pistones axiales es del tipo de las que comprenden una carcasa en la que se encuentran alojados: -un tambor de cilindros que es accionado de forma giratoria por un eje motriz y que dispone de un grupo de cilindros axiales, en disposición circular en torno al eje geométrico del mencionado tambor, - un plato inclinado enfrentado con un primer extremo del tambor de cilindros y dispuesto en una posición oblicua respecto a la dirección axial del eje motriz; - una pluralidad de pistones alojados en los respectivos cilindros del tambor con posibilidad de desplazamiento en dirección axial y provistos en uno de sus extremos de un pie o apoyo para su deslizamiento sobre el plato inclinado y -una placa distribuidora de fluido, fija, enfrentada y paralela a un extremo del tambor de cilindros; disponiendo dicha placa distribuidora de una entrada del fluido a impulsar y de una salida de fluido a presión desfasadas angularmente y situadas en la trayectoria de giro de los cilindros del tambor.
De acuerdo con la invención:
- los pistones están conformados respectivamente en un émbolo anterior, conectado por un vástago intermedio, de conexión con el pie o apoyo de deslizamiento posterior, conformándose unas cámaras posteriores en los citados cilindros;
- los cilindros presentan en su extremo posterior una pared por la que están dispuestos pasantes de forma estanca los vástagos de los pistones, definiéndose las citadas cámaras posteriores, las cuales están comunicadas con unas entradas y salidas auxiliares del fluido residual de presión, y;
- la salida auxiliar de fluido residual, está desfasada angularmente respecto a la entrada auxiliar, situadas ambas en una zona determinada de la trayectoria de giro de las comunicaciones de las cámaras posteriores, provocando la presión de este fluido residual introducido por la entrada auxiliar el empuje parcial de los pistones al impulsar el fluido principal.
De esta forma el agua de rechazo entra en la cámara posterior, por detrás del émbolo del pistón, y empuja dicho émbolo hacia delante durante la impulsión del agua del flujo principal al expandirse la cámara posterior durante su llenado. Así, por ejemplo en desaladoras de agua, el agua de rechazo o fluido residual presenta una presión elevada, de unos 59 kilogramos por centímetró cuadrado aproximadamente, que reducen el esfuerzo de impulsar el fluido principal a los 60 kilogramos por centímetro cuadrado de presión nominal que se suele utilizar.
Además, la complejidad añadida sobre una bomba de pistones axiales convencional sin ningún tipo de aprovechamiento de fluido residual a presión, y las partes móviles no se incrementan en número.
En una realización las entradas y salidas auxiliares de fluido residual a las cámaras posteriores están definidas en una placa distribuidora adicional, la cual está colocada en el extremo opuesto del tambor a la placa distribuidora de fluido principal. De esta forma los dos circuitos de fluido que circulan por dentro de la bomba están completamente separados por ambos lados del tambor de cilindros.
En otra realización, las entradas y salidas auxiliares de fluido residual a las cámaras posteriores de los cilindros están realizadas en la placa distribuidora de fluido principal. Con ello todas las conexiones de los flujos de las dos circulaciones de fluido se realizan por el mismo extremo de la bomba.
Una ventaja técnica de esta invención consiste en que la cámara posterior y la cámara formada en la parte anterior del cilindro, se encuentran a una presión similar con lo que no se producen fugas de una cámara a otra cámara a través de la junta o espacio entre los émbolos y la pared circundante del cilindro. Así se evita la contaminación de agua salada de entrada en el cilindro con la salmuera o fluido residual de la cámara posterior. El ajuste mecánico entre émbolo y cilindro, y los materiales de fabricación del émbolo no son críticos.
Al no tener fugas en la recuperación energética, el rendimiento alcanzado es mayor que con otros sistemas que utilizan una bomba y un motor hidráulico aplicado al mismo eje (comprendiendo 5 pistones en el motor y 5 pistones en la bomba, por ejemplo) sometidos a presiones diferentes muy altas, por ejemplo 60 bares contra presión atmosférica. Descripción de las figuras.
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de facilitar la comprensión de las características de la invención, se acompaña a la presente memoria descriptiva un juego de dibujos en los que, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
- La figura 1 muestra una vista en alzado parcialmente seccionado de la bomba.
- La figura 2 muestra un detalle seccionado del pistón alojado en el cilindro y la cámara posterior formada tras el émbolo de dicho pistón.
- La figura 3 muestra una vista en alzado de la placa distribuidora de fluido con las salidas y entradas de fluido a impulsar.
- La figura 4 muestra una vista en alzado de la placa distribuidora adicional de fluido residual a presión, con las entradas y salidas de fluido residual con distintas configuraciones.
Realización preferente de la invención
Como se puede observar en las figuras referenciadas, la bomba de la invención comprende una carcasa (1) en que se encuentran alojado un tambor (2) que es accionado de forma giratoria por un eje motriz (21) y que dispone de un grupo de cilindros (3) axiales, en disposición circular en torno al eje geométrico del mencionado tambor (2). En el interior de la carcasa se encuentra un plato inclinado (4) enfrentado con un primer extremo del tambor (2) de cilindros (3) y dispuesto en una posición oblicua respecto a la dirección axial del eje motriz (21). La bomba comprende una pluralidad de pistones (5) alojados en los respectivos cilindros (3) con posibilidad de desplazamiento en dirección axial. Cada uno de los pistones (5) está conformado por un émbolo (51) anterior, un vástago (52) intermedio en disposición axila y un pie (53) posterior de deslizamiento sobre el plato inclinado (4). El giro del tambor (2) y el deslizamiento de los pies (53) por el plato inclinado (4) provocan un movimiento de avance y retroceso de los pistones (5) en el seno de los cilindros (3). Cada cilindro (3) presenta en su parte posterior una pared de cierre, con un pasaje estanco (22) dispuesto axialmente, y donde está introducido desplazable el vástago (52), definiéndose una cámara posterior (23) tras el émbolo (51) de dicho pistón (5), tal como se representa en la figura 2.
El tambor (2) presenta una placa distribuidora de fluido (6) principal, fija, enfrentada y paralela a un extremo del tambor (2). La placa distribuidora (6) dispone de una entrada (61) del fluido a impulsar y de una salida (62) de fluido a presión, desfasadas angularmente, tal como se puede observar en la figura 3 y situadas en la trayectoria de giro de los cilindros (3) del tambor (2). En este caso la entrada (61) y la salida (62) presentan una configuración arcoidal.
A su vez, en el primer extremo del tambor (2) se encuentra una placa distribuidora adicional (7), colocada de forma fija, enfrentada y paralela al primer extremo del tambor (2). Esta placa distribuidora adicional (7) presenta una entrada (71) de fluido residual a presión y una salida (72) de fluido residual a presión hacia, y desde las cámaras posteriores (23) a través de unos conductos (24) correspondientes de cada cámara posterior (23). Esta entrada (71) y la salida (72) se comunican al exterior por unas bocas (13 y 14) de la carcasa (1). En la figura 4 se observa una realización, en la que la salida (72) está conformada por un alineamiento de orificios circulares en arco.
Durante el giro del tambor (2) estos conductos (24) se ven enfrentados con la entrada (71) y la salida (72) de la placa distribuidora adicional (7) para que se produzca una entrada de fluido residual a presión por ejemplo de rechazo de una membrana (M) de osmosis inversa, alimentada por la propia bomba, así mostrado en la figura 1.
La entrada (61) se encuentra conectada por el interior de la carcasa (1) con una boca de entrada (11) definida en uno de los extremos de dicha carcasa (1) y a través de la cual accede a la bomba el fluido a impulsar, por ejemplo agua marina en la figura 1.
La salida (62) en la placa distribuidora de fluido (6) se encuentra conectada a una boca de salida (12) definida en la carcasa (1), y a través de la cual la bomba suministra el fluido a presión hacia una máquina o aplicación, en este caso la membrana (M) de osmosis inversa anteriormente citada.
Una vez descrita suficientemente la naturaleza de la invención, así como un ejemplo de realización preferente, se hace constar a los efectos oportunos que los materiales, forma, tamaño y disposición de los elementos descritos podrán ser modificados, siempre y cuando ello no suponga una alteración de las características esenciales de la invención que se reivindican a continuación.

Claims

REIVINDICACIONES
1.- Bomba de pistones axiales con aprovechamiento energético; del tipo de las que comprenden una carcasa (1 ) en la que se encuentran alojados: -un tambor (2) de cilindros (3) que es accionado de forma giratoria por un eje motriz (21 ) y que dispone de un grupo de cilindros (3) axiales, en disposición circular en torno al eje geométrico del mencionado tambor (2), - un plato inclinado (4) enfrentado con un primer extremo del tambor (2) de cilindros (3) y dispuesto en una posición oblicua respecto a la dirección axial del eje motriz (21 ); - una pluralidad de pistones (5) alojados en los respectivos cilindros (3) del tambor (2) con posibilidad de desplazamiento en dirección axial y provistos en uno de sus extremos de un pie (53) o apoyo para su deslizamiento sobre el plato inclinado (4) y - una placa distribuidora de fluido (6), fija, enfrentada y paralela a un extremo del tambor (2) de cilindros (3); disponiendo dicha placa distribuidora de fluido (6) de una entrada (61 ) del fluido a impulsar y de una salida (62) de fluido a presión, desfasadas angularmente y situadas en la trayectoria de giro de los cilindros (3) del tambor (2): caracterizada porque:
- los pistones (5) están conformados respectivamente en un émbolo (51 ) anterior, conectado por un vástago (52) intermedio, de conexión con el pie (53) o apoyo de deslizamiento posterior, conformándose unas cámaras posteriores (23) en los citados cilindros (3);
- los cilindros (3) presentan en su extremo posterior una pared por la que están dispuestos pasantes de forma estanca los vástagos (52) de los pistones (5), definiéndose las citadas cámaras posteriores (23), las cuales están comunicadas con unas entradas y salidas auxiliares (71 , 72) del fluido residual de presión, y;
- la salida auxiliar (72) de fluido residual, está desfasada angularmente respecto a la entrada auxiliar (71 ), situadas ambas en una zona determinada de la trayectoria de giro de las comunicaciones de las cámaras posteriores (23), provocando la presión de este fluido residual introducido por la entrada auxiliar (71 ) el empuje parcial de los pistones (5) al impulsar el fluido principal.
2. - Bomba, según la reivindicación 1 , caracterizada porque las entradas y salidas auxiliares (71 , 72) de fluido residual a las cámaras posteriores (23) están definidas en una placa distribuidora adicional (7), la cual está colocada en el extremo opuesto del tambor (2) a la placa distribuidora de fluido (6) principal.
3. - Bomba, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque las entradas y salidas auxiliares (71 , 72) de fluido residual a las cámaras posteriores (23) de los cilindros (3) están realizadas en la placa distribuidora de fluido (6) principal.
PCT/ES2012/000279 2011-11-18 2012-11-13 Bomba de pistones axiales con aprovechamiento energético. WO2013072533A1 (es)

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