WO2023007036A1 - Motor de flotabilidad - Google Patents

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Cayetano RIVERA SORIA
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    • F03B17/00—Other machines or engines
    • F03B17/02—Other machines or engines using hydrostatic thrust
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/06—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
    • F03G7/061—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the actuating element
    • F03G7/06112—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the actuating element using the thermal expansion or contraction of enclosed fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2220/00—Application
    • F05B2220/20—Application within closed fluid conduits, e.g. pipes

Definitions

  • a buoyancy motor based on the expansion suffered by bags filled with a fluid when receiving heat from a hot source and on the subsequent contraction of said bags when passing by a column of cold water, leaving said bags attached to a closed chain or in a loop and subjected to a continuous displacement by action of the expansion and contraction of the closed bags filled with a fluid.
  • the present invention is characterized by the special design and configuration of each and every one of the pieces, the particular arrangement of the elements that make it up in such a way that an engine capable of efficiently taking advantage of low-temperature heat sources is achieved, in addition it also allows can be used in the opposite direction operating as a heat pump.
  • the equipment designed for the energy use of low temperature heat sources are not very efficient, they are also not reversible and require valves, regulators and complex parts, being equipment with vibrations, inertia, with significant wear and maintenance.
  • the object of the present invention is to develop equipment that allows the energy use of a heat source with a low gradient, which also overcomes the previous drawbacks, developing a buoyancy motor such as the one described below and is included in its description. essentiality in the first claim.
  • the object of the present invention is a buoyancy motor characterized in that it comprises a conduit that forms a closed circuit that has at least two separate columns filled with a fluid, one of which is a hot column because it is close to a hot source and another one is a cold column because it is close to a cold source, where the column of hot fluid and the column of cold fluid are separated by a pressurized air cavity arranged at each end of each column.
  • the heat enters the cycle from the hot source towards the column of hot fluid and is expelled to the cold source from the column of cold fluid.
  • the motor can incorporate a regenerator that takes part of the heat that was destined for the cold source and passes it to the fluid that goes to the hot source. This increases the efficiency of the system since it reduces the heat absorbed from the hot source and the heat transmitted to the cold source without reducing the work obtained.
  • This regenerator would be a countercurrent heat exchanger between the Isobaric Compression and Isobaric Expansion stages. If this modification is applied, heat will only enter the cycle during isothermal expansion and heat will only be expelled during isothermal compression, which is thermodynamically optimal.
  • the fluid inside the hot and cold columns is water
  • the fluid inside the closed expandable and contractible bags filled with a fluid is preferably air or argon, although it is possible to use a fluid capable of evaporating and condensing in the temperature range in which it is desired to operate.
  • a fluid capable of evaporating and condensing in the temperature range in which it is desired to operate.
  • This engine design has the main advantage of being able to efficiently use low-temperature heat sources. This ability is due to several factors: • When the heat is transmitted through the walls of the bags or floats, the heat transfer area presented by the gas is very large and with very little thermal resistance.
  • Another advantage is that it is a reversible cycle, so this technology can be used to operate as a heat pump.
  • the engine does not require valves or regulators or complex parts. Its operation is simple, without vibrations, noise, or inertia, with minimal wear and maintenance as there are practically no moving parts in contact. By not handling high temperatures or pressures or high speeds, wear and maintenance would be minimal. It is safe and there is no risk of explosion or accident.
  • the newest feature is the use of sealed floats and water columns instead of sliding pistons. This greatly improves heat transfer and brings thermodynamic processes closer to being quasi-static.
  • This invention could be used as a complement to many current industries so as to improve their energy efficiency in a way considerable. All those that produce considerable waste heat could obtain an efficiency bonus.
  • the buoyancy motor object of the invention comprises a conduit (5) that forms a closed circuit in which a column of hot fluid or hot column (2) close to a hot source (1) can be distinguished. and on the other hand, a column filled with a cold fluid or cold column (4) close to a cold source (3), one column being separated from the other by a pressurized air cavity (15) at each end of each column, where A closed chain (6) runs inside the conduit (5) to which are attached a series of expandable and compressible sealed bags (7) that are filled with a fluid and where the sealed bags are arranged along the entire length of the conduit (5). length of the closed chain (6) preferably regular.
  • Figure 2 shows a complementary embodiment of the invention in which the engine includes a regenerator (12) consisting of a countercurrent heat exchanger (13) between the isobaric compression and isobaric expansion stages where part of the heat is taken. that was destined for the cold focus and passes it to the fluid that goes to the hot focus. This increases the efficiency of the system since it reduces the heat absorbed from the hot source and the heat transmitted to the cold source without reducing the work obtained.
  • a regenerator (12) consisting of a countercurrent heat exchanger (13) between the isobaric compression and isobaric expansion stages where part of the heat is taken. that was destined for the cold focus and passes it to the fluid that goes to the hot focus.
  • the fluid used in the sealed bags (7) can be air or argon, but it is also possible that it is a fluid capable of evaporating or condensing in the range of temperatures in which it is desired to operate.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Motor de flotabilidad que comprende un conducto (5) en circuito cerrado que cuenta con al menos dos columnas (2 y 4) separadas llenas de un fluido, una de ellas es una columna caliente (2) y otra de ellas es una columna fría (4) donde por el interior del conducto discurre una cadena (6) en circuito cerrado sobre la que están unidas una serie de bolsas estancas (7) expandibles y contraíbles llenas de un fluido de tal modo que las bolsas (7) sumergidas en la columna caliente (2) se expanden debido a la ganancia de temperatura mientras que las bolsas (7) sumergidas en la columna fría (4) se contraen, lo que redunda en una diferencia de flotabilidad dentro de los ramales, lo que produce un movimiento obteniendo un empuje. Es un motor que es capaz de aprovechar de modo eficiente fuentes de calor de baja temperatura de un modo sencillo y eficaz.

Description

MOTOR DE FLOTABILIDAD
DESCRIPCIÓN
OBJETO DE LA INVENCIÓN
Es objeto de la presente invención, tal y como el título de la invención establece un motor de flotabilidad basado en la expansión que sufren unas bolsas llenas de un fluido al recibir el calor de un foco caliente y en la posterior contracción de dichas bolsas al pasar por una columna de agua fría, quedando dichas bolsas unidas a una cadena cerrada o en bucle y sometidas a un continuo desplazamiento por acción de la expansión y contracción de las bolsas cerradas llenas de un fluido.
Caracteriza a la presente invención el especial diseño y configuración de todas y cada una de las piezas la disposición particular de los elementos que la forman de manera que se consigue un motor capaz de aprovechar de modo eficiente fuentes de calor de bajo temperatura, además también permite poder aprovecharse en sentido contrario operando como bomba de calor.
Por lo tanto, la presente invención se circunscribe dentro del ámbito de los sistemas o medios que buscan aprovechar gradientes muy bajos de temperatura.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En el estado de la técnica existen numerosas patentes de motores de flotabilidad, pero la mayor parte de ellos funciona con el movimiento de las olas o las mareas o inyectando aire comprimido que entra en una cadena de cangilones o directamente tratan de crear móviles perpetuos que obtienen energía de la gravedad. Obviamente, todas las patentes que representan móviles perpetuos han sido abandonadas, y el resto son dispositivos que no están relacionados con la presente invención.
Es decir, casi ninguno es una máquina térmica. Algunos ejemplos de patentes publicadas relacionadas con motores de flotabilidad son:
• US5944480A - Motor de flotabilidad y gravitación
• US20060156718A1 - Motor de flotabilidad
• EP0931930A3 - Motor de flotabilidad
• US20080216472A1 - Aparato de motor de flotabilidad
• CN204961154U - Nuevo motor de flotabilidad de agua que ahorra energía
Por otro lado, los equipos diseñados para el aprovechamiento energético de fuentes de calor de baja temperatura no son muy eficientes, además no son reversibles y requieren válvulas, reguladores y complejas piezas, siendo equipos con vibraciones, inercias, con un desgaste y mantenimiento importante.
La principal diferencia con equipos con la misma finalidad es la capacidad de aprovechar de modo eficiente gradientes muy bajos de temperatura. Actualmente no hay sistemas que logren esto de modo eficaz.
Por lo tanto, es objeto de la presente invención desarrollar un equipo que permite el aprovechamiento energético de fuente de calor con bajo gradiente, que además supere los anteriores inconvenientes, desarrollando un motor de flotabilidad como el que a continuación se describe y queda recogido en su esencialidad en la primera reivindicación.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Es objeto de la presente invención un motor de flotabilidad caracterizado porque comprende un conducto que conforma un circuito cerrado que cuenta con al menos dos columnas separadas llenas de un fluido, una de ellas es una columna caliente por estar próxima a un foco caliente y otra de ellas es una columna fría por estar próxima a un foco frío, donde la columna de fluido caliente y la columna de fluido frío están separadas por una cavidad de aire presurizado dispuesta en cada extremo de cada columna. Por el interior del conducto que conforma el circuito cerrado discurre una cadena en circuito cerrado sobre la que están unidas una serie de bolsas estancas expandibles y contraíbles distribuidas de manera regular a lo largo de toda la longitud de la cadena y llenas de un fluido de tal modo que las bolsas sumergidas en la columna caliente se expanden debido a la ganancia de temperatura mientras que las bolsas sumergidas en la columna fría se contraen, lo que redunda en una diferencia de flotabilidad dentro de los ramales, lo que produce un movimiento obteniendo un empuje igual a la diferencia del peso del agua desplazada por el volumen de las bolsas o flotadores de cada columna. Además, el motor sigue un ciclo termodinámico similar al ciclo de Ericsson y que consta de los siguientes procesos:
-Expansión Isobárica.
-Expansión Isoterma.
-Compresión Isobárica.
-Compresión isoterma.
El calor ingresa al ciclo desde el foco caliente hacia la columna de fluido caliente y es expulsado al foco frío desde la columna de fluido frío.
Además, el motor puede incorporar un regenerador que toma parte del calor que iba destinado al foco frío y lo pasa al fluido que se dirige al foco caliente. Esto aumenta la eficiencia del sistema puesto que reduce el calor absorbido del foco caliente y el transmitido al foco frío sin reducir el trabajo obtenido. Este regenerador sería un intercambiador de calor en contracorriente entre las etapas de Compresión isobárica y Expansión isobárica. Si esta modificación se aplica, el calor solo ingresará al ciclo durante la expansión isoterma y el calor solo será expulsado durante la compresión isoterma, lo cual es óptimo desde el punto de vista termodinámico.
En una forma de realización preferente el fluido que hay dentro de las columnas caliente y fría es agua,
Por otro lado, el fluido que dentro de las bolsas cerradas expandióles y contraíbles llenas de un fluido es preferentemente aire o argón, aunque cabe la posibilidad de emplear un fluido capaz de evaporarse y condensarse en el rango de temperaturas en que se desea operar. Al hacer esto, obtenemos que los flotadores que se encuentran en el ramal caliente contendrán la sustancia en estado gaseoso y por tanto los flotadores estarán hinchados y ocupando un gran volumen. Por otra parte, los flotadores que se encuentren el ramal frío contendrán la sustancia en estado líquido por lo que estarán colapsados y ocuparán un volumen muy pequeño.
Este cambio implica que a igualdad de tamaño en el motor se obtendrá muchísima más potencia. Sin embargo, hay que tener en cuenta que la eficiencia será menor que al utilizar un gas sin cambio de fase y además solo podrá utilizarse en el rango de temperaturas concreto en que la sustancia cambie de fase.
Será necesario seleccionar una sustancia que cambie de fase en el rango de temperaturas y presiones de cada diseño pero que absorba el mínimo calor posible durante su evaporación de modo que con la misma adición de calor se obtenga más trabajo.
Este diseño de motor tiene la ventaja principal de que es capaz de aprovechar de modo eficiente fuentes de calor de baja temperatura. Esta capacidad se debe a varios factores: • Al transmitirse el calor a través de las paredes de las bolsas o flotadores, el área de transferencia de calor que presenta el gas es muy grande y con muy poca resistencia térmica.
• Al desplazarse la cadena de flotadores relativamente lenta, los flotadores permanecen un tiempo largo en cada tramo por lo que tienen un tiempo suficiente para cada proceso termodinámico por lo que se consigue que se completen a pesar de los bajos gradientes.
• Este motor funciona a partir de calores muy bajos por lo que todas las pérdidas por la viscosidad del fluido en el tramo caliente y que disipan el trabajo en calor son mitigadas.
Otra ventaja es que es un ciclo reversible por lo que esta tecnología se puede utilizar para operar como bomba de calor.
Además, el motor no requiere válvulas ni reguladores o piezas complejas. Su funcionamiento es simple, sin vibraciones, ni ruido, ni inercias, con un desgaste y un mantenimiento mínimo al no haber prácticamente piezas móviles en contacto. Al no manejar altas temperaturas ni presiones ni altas velocidades, el desgaste y mantenimiento serían mínimos. Es seguro y no hay riesgo de explosión u accidente.
Solo utiliza materiales sencillos, baratos y abundantes por lo que es sostenible y no contaminante y al permitir utilizar calor de baja temperatura no requiere de combustiones.
La característica más novedosa es la utilización de flotadores estancos y columnas de agua en lugar de pistones deslizantes. Esto mejora mucho la transferencia de calor y hace que los procesos termodinámicos estén más cerca de ser cuasi estáticos.
Esta invención podría utilizarse como complemento a muchísimas industrias actuales de modo que mejorase su eficiencia energética de manera considerable. Todos aquellos que produzcan calores residuales considerables podrían obtener un plus de eficiencia.
En el caso de centrales térmicas esto es especialmente importante puesto que suelen desperdiciar un 60 o 70 % de la energía primaria disponible. En centrales nucleares donde no hay problemas de corrosión por enfriar los gases de escape o en centrales geotérmicas donde se manejan temperaturas bajas sería muy apropiado utilizar este motor.
También podría combinarse con colectores solares para producir trabajo a partir del calor del sol.
También se puede utilizar para funcionar juntamente con sistemas de refrigeración o aire acondicionado que suelen expulsar gran cantidad de aire moderadamente caliente de modo que se redujese el consumo de energía total de esas aplicaciones
Salvo que se indique lo contrario, todos los elementos técnicos y científicos usados en la presente memoria poseen el significado que habitualmente entiende un experto normal en la técnica a la que pertenece esta invención. En la práctica de la presente invención se pueden usar procedimientos y materiales similares o equivalentes a los descritos en la memoria.
A lo largo de la descripción y de las reivindicaciones la palabra “comprende” y sus vahantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención.
EXPLICACION DE LAS FIGURAS Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente.
En la figura 1 , podemos observar una representación esquemática del motor de flotabilidad objeto de la invención.
En la figura 2, podemos observar el mismo motor provisto de un regenerador.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN.
A la vista de las figuras se describe seguidamente un modo de realización preferente de la invención propuesta.
En la figura 1 podemos observar que el motor de flotabilidad objeto de la invención comprende un conducto (5) que conforma un circuito cerrado en el que se distingue una columna de fluido caliente o columna caliente (2) próxima a un foco caliente (1) y por otro lado una columna llena de un fluido frío o columna fría (4) próxima a un foco frío (3), quedando separadas una columna de la otra por una cavidad de aire presurizado (15) en cada extremo de cada columna, donde por el interior del conducto (5) discurre una cadena cerrada (6) a la que están unidas una serie de bolsas estancas (7) expandibles y comprensibles que están llenas de un fluido y donde las bolsas estancas están dispuestas a lo largo de toda la longitud de la cadena cerrada (6) preferentemente de forma regular.
Dentro del conducto (5) que conforma el circuito cerrado hay dispuestos una serie de piñones (14) o ruedas dentadas en las que engrana la cadena cerrada (6) en aquellos puntos donde se produce un cambio de dirección de la cadena cerrada (6). Los procesos térmicos que tienen lugar a lo largo del conducto (5) que conforma el circuito cerrado son:
- una expansión isobárica (8) que tiene lugar justo antes de la entrada a la columna caliente (2)
- una expansión isotérmica (9) que tiene lugar la columna caliente (2)
- una compresión isobárica (10) que tiene lugar a la saliente de la columna caliente (2)
- una compresión isotérmica (11) que tiene lugar en la columna fría (4) para comenzar a continuación de nuevo el ciclo térmico.
En la figura 2 se observa una realización complementaria de la invención en la que el motor incluye un regenerador (12) que consiste en un intercambiador de calor (13) en contracorriente entre las etapas de Comprensión isobárica y expansión isobárica donde se toma parte del calor que iba destinado al foco frío y lo pasa al fluido de que se dirige al foco caliente. Esto aumenta la eficiencia del sistema puesto que reduce el calor absorbido del foco caliente y el transmitido al foco frío sin reducir el trabajo obtenido.
El fluido empleado en las bolsas estancas (7) puede ser aire o argón, pero también cabe la posibilidad de que sea un fluido capaz de evaporarse o condensarse en el rango de temperaturas en que se desea operar.
Descrita suficientemente la naturaleza de la presente invención, así como la manera de ponerla en práctica, se hace constar que, dentro de su esencialidad, podrá ser llevada a la práctica en otras formas de realización que difieran en detalle de la indicada a título de ejemplo, y a las cuales alcanzará igualmente la protección que se recaba, siempre que no altere, cambie o modifique su principio fundamental.

Claims

REIVINDICACIONES
1.- Motor de flotabilidad caracterizado porque comprende un conducto (5) que conforma un circuito cerrado que cuenta con al menos dos columnas (2) y (4) separadas llenas de un fluido, una de ellas es una columna caliente (2) por estar próxima a un foco caliente (1) y otra de ellas es una columna fría (4) por estar próxima a un foco frío (3) donde la columna de fluido caliente y la columna de fluido frío están separadas por una cavidad de aire presurizado (15) dispuesta en cada extremo de cada columa, además, por el interior del conducto (5) que conforma el circuito cerrado discurre una cadena (6) en circuito cerrado sobre la que están unidas una serie de bolsas estancas (7) expandibles y contraíbles distribuidas a lo largo de toda la longitud de la cadena y llenas de un fluido de tal modo que las bolsas sumergidas en la columna caliente (2) se expanden debido a la ganancia de temperatura mientras que las bolsas estancas (7) sumergidas en la columna fría (4) se contraen, lo que redunda en una diferencia de flotabilidad dentro de los ramales, lo que produce un movimiento obteniendo un empuje igual a la diferencia del peso del agua desplazada por el volumen de las bolsas o flotadores de cada columna.
2.- Motor de flotabilidad según la reivindicación 1 caracterizado porque los procesos térmicos que tienen lugar a lo largo del conducto (5) que conforma el circuito cerrado son:
- una expansión isobárica (8) que tiene lugar justo antes de la entrada a la columna caliente (2)
- una expansión isotérmica (9) que tiene lugar la columna caliente (2)
- una compresión isobárica (10) que tiene lugar a la saliente de la columna caliente (2)
- una compresión isotérmica (11) que tiene lugar en la columna fría (4) para comenzar a continuación de nuevo el ciclo térmico.
3.- Motor de flotabilidad según la reivindicación 1 ó 2 caracterizado porque el fluido dentro de la columna caliente (2) y la columna fría (4) es agua.
4.- Motor de flotabilidad según la reivindicación 1 ó 2 ó 3caracterizado porque el fluido dentro de las bolsas estancas (7) es aire o argón.
5.- Motor de flotabilidad según la reivindicación 1 ó 2 ó 3 caracterizado porque el fluido dentro de las bolsas estancas (7) es un fluido capaz de evaporarse o condensarse en el rango de temperaturas en que se desea operar.
6.- Motor de flotabilidad según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el motor incluye un regenerador (12) que consiste en un intercambiador de calor (13) en contracorriente entre las etapas de comprensión isobárica y expansión isobárica donde se toma parte del calor que iba destinado al foco frío y lo pasa al fluido de que se dirige al foco caliente.
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