ES2222930T3 - Produccion de energia hidraulica para sistema de tratamiento de las aguas. - Google Patents
Produccion de energia hidraulica para sistema de tratamiento de las aguas.Info
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Abstract
Un sistema de generación de potencia hidráulica, que comprende: una carcasa (142) que incluye una entrada (144) y una salida (146); caracterizada porque dicho sistema comprende adicionalmente un rotor (112) colocado de forma giratoria dentro de la carcasa (142) donde el rotor (112) es girado por un flujo de líquido a través de la carcasa (142); una tobera de turbina (140) mantenida fijamente dentro de la carcasa (142), donde la tobera de turbina (140) comprende una punta (158) y una pluralidad de columnas (160), la punta (158) accionable para incrementar la velocidad del líquido desviando el flujo de líquido hacia afuera hacia la pared interior de la carcasa (142), las columnas accionables para dirigir el flujo de líquido a través de una pluralidad de canales (162) al rotor para girar el rotor (112); y un estator generador (114) colocado fijamente para rodear el rotor (112) para inducir la producción de electricidad cuando el rotor (112) es girado.
Description
Producción de energía hidráulica para sistema de
tratamiento de las aguas.
La presente invención se refiere generalmente a
un sistema de tratamiento del agua y, más particularmente a un
método y sistema para proporcionar potencia eléctrica a un sistema
de tratamiento del agua a través de la generación de potencia
hidroeléctrica.
Con el paso de varios años, la gente ha sido más
consciente con la salud cuando va a consumir agua de suministros de
agua públicos o pozos privados. Desafortunadamente, el mundo de hoy
está cada vez más contaminado, no existe nada igual que el agua
naturalmente pura. Los suministros de agua contienen contaminantes
microbiológicos y químicos que pueden encontrarse en la naturaleza o
son el resultado de actividad humana. A medida que el agua fluye en
corrientes, reside en lagos, y se filtra a través de las capas del
suelo y rocas en el suelo, el agua se disuelve y absorbe
naturalmente los contaminantes que se producen. Adicionalmente, las
fuentes de origen humano de contaminantes de agua puede resultar de
escorrentía de precipitación, fundición de nieve y migración
subterránea de lugares de evacuación.
Un suministro constante, limpio de agua potable
es esencial para cada comunidad. La gente en ciudades grandes con
frecuencia bebe agua que sale de fuentes de agua de superficies
tales como lagos, ríos y depósitos. A veces estas fuentes están
próximas a la comunidad y otras veces, el agua potable se obtiene de
fuentes a muchas millas. En áreas rurales, la gente es más probable
que beba agua subterránea que es bombeada de pozos públicos o
privados. Estos pozos sacan acuíferos que pueden ser solamente de
una pocas millas de ancho, o pueden cubrir los límites de muchos
estados. Aunque se han realizado esfuerzos por limitar los niveles
de contaminantes en el agua subterránea y agua de superficie, está
presente algún nivel de contaminantes en todo el agua potable.
Como resultado de la conciencia incrementada de
la contaminación del agua, el público desead tener purificada el
agua que consume. Varios tipos diferentes de sistemas de tratamiento
del agua se han desarrollado para incrementar la pureza de agua
potable para el público que consume. Estos sistemas eliminan
típicamente alguno o todos los contaminantes encontrados en
suministros de agua potable en un esfuerzo para proporcionar agua
libre de contaminación. Algunos de estos sistemas utilizan una
unidad de filtro a base de carbono y una unidad de luz ultravioleta
(UV) para filtrar y descontaminar el agua antes de ser distribuida
para consumo. La unidad de filtro a base de carbono utiliza material
inerte para filtrar fuera contaminantes de partículas y orgánicos.
La radiación ultravioleta que es emitida de la unidad de luz
ultravioleta es utilizada para neutralizar microorganismos
perjudiciales presentes en el agua.
Con el fin de activar la unidad de luz
ultravioleta y una pluralidad de otros sistemas en el sistema de
tratamiento del agua, se requiere una fuente de potencia. Los
sistemas de tratamiento del agua convencional utilizan potencia a
partir de una salida eléctrica estándar o una fuente de potencia de
batería para proporcionar la energía necesaria para conducir todos
los componentes en el sistema de tratamiento del agua, incluyendo la
unidad de luz ultravioleta. En el caso de sistemas de tratamiento
del agua activados por salidas eléctricas, el sistema tiene
portabilidad limitada y deja de funcionar cuando existe una
interrupción en el suministro de potencia de salida eléctrica. Los
sistemas de tratamiento del agua accionados de fuentes de potencia
de batería contienen solamente un suministro finito de energía que
es agotado a través del funcionamiento o almacenamiento del sistema
de tratamiento del agua y deben disponerse fácilmente baterías de
sustitución para mantener el sistema de tratamiento del agua
accionable. Si se desea una fuente de potencia de batería a largo
plazo, se requieren baterías más grandes de manera que pueden añadir
peso y tamaño considerable al sistema de tratamiento del
agua.
agua.
Algunos sistemas de tratamiento del agua
existentes son capaces de utilizar tanto las salidas eléctricas
estándar como las fuentes de potencia de batería donde la fuente de
potencia de batería puede ser rellenada por la fuente de potencia de
salida eléctrica. Aunque estos sistemas de tratamiento del agua no
requieren baterías de sustitución, la capacidad y el tamaño de las
baterías dictan la longitud de funcionamiento del sistema de
tratamiento del agua mientras que funcionan en la fuente de batería.
Una fuente de salida eléctrica debe utilizarse también sobre una
base regular para rellenar las baterías. Además, estos sistemas de
tratamiento del agua requieren circuitos eléctricos adicionales y
componentes para funcionar desde las dos fuentes de potencia
diferentes.
El documento
US-A-4.443.707 describe un sistema
de generación hidroeléctrico, que produce potencia cambiando la
energía potencial del agua a energía cinética para accionar una
turbina que está conectada coaxialmente a un generador.
El documento
US-A-5.389.821 describe una
instalación de tratamiento de agua de drenaje/aguas cloacales para
producir potencia eléctrica y para regular el flujo de agua en una
red de drenaje.
El documento DE 19808328 A describe un complejo
de ingeniería civil para edificios que incorporan la generación de
potencia de agua y tratamiento del agua.
El documento
US-A-4.555.637 describe un
turbogenerador de alta velocidad que combina funcionalmente, en una
máquina, un generador eléctrico y una turbina de expansión.
Por las razones precedentes, existe una necesidad
para un sistema de tratamiento del agua que contiene un suministro
de potencia interno que no requiere fuente de potencia eléctrica y
puede producir potencia para funcionar el sistema de tratamiento del
agua.
La presente invención describe un sistema de
generación de potencia hidráulica para uso en conjunto con un
sistema de tratamiento del agua que supera los problemas asociados
con la técnica anterior. Las formas de realización del sistema de
generación de potencia hidráulica no requieren fuente de potencia
externa para proporcionar potencia para uso por el sistema de
tratamiento del agua. El sistema de generación de potencia
hidráulica es accionable para producir electricidad cuando el agua
está fluyendo a través del sistema de tratamiento del agua.
Esta presente invención proporciona un sistema de
generación de potencia hidráulica, que comprende:
una carcasa que incluye una entrada y una salida;
caracterizado porque dicho sistema comprende, además,
un rotor colocado de forma giratoria dentro de la
carcasa donde el rotor es girado por un flujo de líquido a través de
la carcasa;
una tobera de turbina mantenida fijamente dentro
de la carcasa, donde la tobera de turbina comprende una punta y una
pluralidad de columnas, la punta accionable para aumentar la
velocidad del líquido desviando el flujo de líquido hacia fuera
hacia la pared interior de la carcasa, las columnas accionables para
dirigir el flujo de líquido a través de una pluralidad de canales al
rotor para girar el rotor; y
un estator generador colocado fijamente para
rodear el rotor para inducir la producción de electricidad cuando el
rotor es girado.
La presente invención proporciona también un
método de suministrar electricidad que utiliza un flujo de líquido,
comprendiendo el método:
proporcionar una carcasa que incluye una entrada
y salida; caracterizado porque dicho método comprende además
suministrar el flujo de líquido a la entrada de
la carcasa, donde el líquido fluye a través de la carcasa a la
salida;
hacer girar un rotor que está colocado en la
carcasa y rodeado por un estator generador,
donde en el rotor gira como un
resultado del líquido que fluye a través de la
carcasa;
dirigir el flujo de líquido hacia fuera hacia la
pared interior de la carcasa con una punta de una tobera de turbina
para incrementar la velocidad del flujo de fluido;
dirigir el flujo de líquido al rotor a través de
una pluralidad de columnas incluidas con la tobera de turbina para
incrementar además la velocidad del flujo de líquido; y
generar electricidad con el rotor y el estator
generador, donde la rotación del rotor induce la generación de
electricidad.
Las formas de realización preferidas actualmente
pueden adaptarse fácilmente para uso en una variedad de sistemas de
tratamiento de agua que requieren una fuente de potencia, tal como
sistemas de tratamiento de agua portátil, sistemas de tratamiento de
agua montados en el grifo, sistemas de tratamiento de agua montados
debajo del contador, alojan en conjunto sistemas de tratamiento de
agua y sistemas de tratamiento del agua de localización remota.
Aquellos técnicos en la materia reconocerán también que el sistema
de generación de potencia hidráulica podría adaptarse para uso con
otros varios sistemas que requieren electricidad durante las
actividades que incluye fluir agua u otros fluidos.
Puesto que el sistema de tratamiento de agua
preferido actualmente contiene un suministro de potencia autónomo,
no se requiere suministro de potencia de salida eléctrica estándar.
Adicionalmente, puesto que el sistema de tratamiento del agua es
capaz de suministrar sus propias necesidades de potencia, puede
proporcionar también una fuente de potencia para cargar un
dispositivo de almacenamiento de energía utilizado para el sistema
de tratamiento del agua. El dispositivo de almacenamiento de energía
puede aumentar el funcionamiento proporcionando potencia para tales
cosas como indicadores y monitores durante los tiempos cuando el
agua no está fluyendo. En las formas de realización actualmente
preferidas, el sistema de generación de potencia hidráulica puede
proporcionar potencia para requerimientos de potencia iniciales, el
inicio de lámpara UV, indicadores y dispositivos de supervisión.
Estas y otras características y ventajas de la
invención serán aparentes después de la consideración de la
siguientes descripción detallada de las formas de realización
preferidas actualmente, vistas en conjunto con los dibujos adjuntos.
La descripción precedente se ha proporcionado solamente por medio de
introducción. Nada en esta sección debería tomarse como una
limitación en las siguientes reivindicaciones, que define el alcance
de la invención.
La figura 1 ilustra un sistema de tratamiento del
agua acoplado a un sistema de generación de potencia hidráulica (no
de acuerdo con la presente invención).
La figura 2 ilustra una sección transversal de la
tobera ilustrada en la figura 1.
La figura 3 ilustra un sistema de tratamiento del
agua y el sistema de generación de potencia hidráulica ilustrado en
la figura 1 girado 90 grados con una porción del sistema de
generación de potencia hidráulica seccionado (no de acuerdo con la
presente invención).
La figura 4 ilustra una sección transversal de
otra sistema de generación de potencia hidráulica (no de acuerdo con
la presente invención).
La figura 5 ilustra una sección transversal de la
tobera ilustrada en la figura 4 tomada a lo largo de la línea
5-5 (no de acuerdo con la presente invención).
La figura 6 ilustra el sistema de generación de
potencia hidráulica ilustrado en la figura 4 girado 90 grados con
una porción del sistema de generación de potencia hidráulica
seccionado (no de acuerdo con la presente invención).
La figura 7 representa una vista en sección
transversal de otro sistema de generación de potencia hidráulica
acoplado al sistema de tratamiento del agua (no de acuerdo con la
presente invención).
La figura 8 representa una vista superior del
sistema de generación de potencia hidráulica ilustrado en la figura
7 (no de acuerdo con la presente invención) con una porción de la
carcasa del estator seccionada.
La figura 9 representa una vista en sección
transversal de una forma de realización del sistema de generación de
potencia hidráulica.
Las figuras 1 a 8 son explicadas a continuación,
aunque no se procura protección para los sistemas de tratamiento del
agua de estas figuras.
La figura 1 es una vista lateral de un sistema de
tratamiento del agua 10 conectado con un sistema de generación de
potencia hidráulica 12. El sistema de generación de potencia
hidráulica 12 incluye una tobera 14, una carcasa 16, un impulsor 18
y una salida de carcasa 20. La tobera 14 está acoplada con el
sistema de tratamiento del agua 10 por un conducto 22. El conducto
22 puede estar formado de plástico de PVC o material similar y puede
acoplarse a la tobera 14 por conexión roscada, ajuste por fricción o
algún otro mecanismo de conexión similar.
Durante el funcionamiento, el agua presurizada
fluye desde el sistema de tratamiento del agua 10 dentro del sistema
de generación de potencia hidráulica 12 a través de la tobera 14
como se ilustra por la flecha 24. La tobera 14 es acoplada con la
carcasa 16 de manera que el agua fluye a través de la tobera 14 y se
fuerza a través de la carcasa 16 hasta la salida de carcasa 20.
Alternativamente el sistema de generación de potencia hidráulica 12
puede colocarse dentro del sistema de tratamiento de agua 10 o
colocarse para recibir un suministro de agua presurizada antes de
que el agua entre en el sistema de tratamiento del agua 10.
La figura 2 ilustra una sección transversal de
una tobera 14. La tobera preferida 14 es una tobera sónica que
aumenta la velocidad de agua presurizada que fluye a través del
mismo. La tobera 14 puede ser capaz de incrementar la velocidad del
agua a la velocidad sub-sónica. La tobera 14 está
formada de acero inoxidable u algún otro material rígido similar e
incluye una entrada de tobera 26 y una salida de tobera 28. La
entrada de tobera 26 está acoplada al sistema de tratamiento del
agua 10 como se describe previamente. La salida de tobera 28 está
acoplada a la carcasa 16 por ajuste por fricción, ajuste por encaje
elástico, conexión roscada o algún otro mecanismo de acoplamiento
similar capaz de formar una conexión hermética al agua entre ellos.
La tobera 14 puede penetrar la carcasa 16 en cualquier localización
que proporciona alineación adecuada de la tobera 14 con el impulsor
18, como se describirá a continuación.
La tobera 14 incluye un paso 30 que proporciona
flujo de agua a través del mismo. El paso 30 está formado para ser
un primer diámetro predeterminado 32 en la entrada de tobera 26 y un
segundo diámetro predeterminado 34 en la salida de tobera 28. El
segundo diámetro predeterminado 34 puede ser aproximadamente el
veintiséis por ciento del primer diámetro predeterminado 32. El paso
30 permanece el primer diámetro predeterminado 32 para una longitud
predeterminada de la tobera 14. La porción restante del paso 30 está
configurada cónicamente estrechando cónicamente de manera uniforme
el paso 30 al segundo diámetro predeterminado 34. El paso 30 de la
tobera 14 en la figura 2 se estrecha cónicamente en un ángulo de
aproximadamente 18 grados entre el primer diámetro predeterminado 31
y el segundo diámetro predeterminado 34.
La configuración del paso 30 determina la
velocidad del agua que sale de la tobera 14. Adicionalmente, la
velocidad del agua en la salida de tobera 28 es dependiente de la
presión de la fuente de agua y la contra-presión
hacia debajo de la tobera 14. Un intervalo predeterminado deseable
de la velocidad en la salida de la tobera 28 puede determinarse
utilizando un intervalo esperado de presión previsto por el sistema
de tratamiento del agua 10 (ilustrado en la figura 1) en la entrada
de la tobera 26. Por ejemplo, en un sistema de agua doméstico, la
presión del suministro de agua está en un intervalo de
aproximadamente 137,88 x 10^{3} a 413,64 x 10^{3} Pa (veinte a
sesenta
libras-por-pulgada-cuadrada
(PSI)). El paso 30 proporciona también una corriente de agua
continua y uniforme en la salida de la tobera 28. Durante el
funcionamiento el agua que fluye a través de la tobera 14 fluye
dentro de la carcasa 16 dentro de un intervalo predeterminado de
alta velocidad con una trayectoria predeterminada.
Con referencia de nuevo a la figura 1, la carcasa
16 forma un conducto que puede estar compuesto de plástico o algún
otro material estanco al agua similar capaz de formar un paso rígido
para el agua. La carcasa 16 puede incluir una porción translúcida
como se ilustra en la figura para permitir la visión del interior de
la carcasa 16. La carcasa 16 está formada para abarcar el impulsor
18 que está en comunicación fluida con el agua a medida que el agua
fluye a través de la carcasa 16 después de que sale de la salida de
tobera 28.
El impulsor 18 incluye una pluralidad de paletas
42 que están sujetadas rígidamente a un cubo 44. Las paletas 42
están colocadas en la carcasa 16 de manera que el agua que fluye
desde la tobera 14 choca sobre las paletas 42 del impulsor 18 en un
ángulo predeterminado. El ángulo predeterminado es determinado a
base de la presión esperada del agua en la entrada de tobera 26, la
presión de refuerzo en la salida de tobera 28 y las
revoluciones-por-minuto (RPM) del
impulsor 18. Durante el funcionamiento, el agua que fluye actúa en
el impulsor 18 provocando que gire en una dirección individual
dentro de la carcasa 16. Como se describe en detalle a continuación,
a medida que el impulsor 18 gira, el sistema de generación de
potencia hidráulica 12 convierte la energía en el agua que fluye a
energía giratoria, que se convierte entonces a electricidad. El
impulsor 18 es sumergido en el agua que fluye a través de la carcasa
16.
La figura 3 ilustra el sistema de tratamiento de
agua representado en la figura 1 girado 90 grados con una porción de
la carcasa 16 seccionada. Como se ilustra, el impulsor 18 es
sujetado coaxialmente a un generador 46 por un árbol que se extiende
longitudinalmente 48. El árbol 48 puede ser acero inoxidable o algún
otro material rígido similar que está acoplado rígidamente con el
impulsor 18. El cubo 44 del impulsor 18 está acoplado coaxialmente a
un extremo del árbol 48 y un árbol generador 50, que es parte del
generador 46, se acopla coaxialmente al otro extremo. El
acoplamiento rígido del árbol 48 al impulsor 18 y al generador 46
puede ser mediante soldadura, ajuste con prensa u otra conexión
rígida similar.
El árbol giratorio 48 se extiende
perpendicularmente para penetrar la carcasa 16 a través de una junta
estanca al agua 52 realizada de caucho u otro material similar. La
junta hermética al agua 52 es acoplada a la carcasa 16 y se forma
para permitir que el árbol 48 gire libremente sin el escape de agua
desde dentro de la carcasa 16. El árbol 48 se extiende
longitudinalmente al generador 46 que se coloca adyacente a la
carcasa 16. Aunque no se ilustra la superficie exterior del
generador 46 puede acoplarse a la carcasa 16, mediante por ejemplo,
tuercas y pernos, remaches, u otro mecanismo similar capaz de
acoplar fijamente la carcasa 16 y el generador 46.
Durante el funcionamiento, a medida que el agua
fluye a través de la carcasa 16 y el impulsor 18 gira, los árboles
48, 50 giran de forma correspondiente, provocando que se produzca
electricidad desde el generador 46. Alternativamente, un acoplado
magnético (no mostrado) es utilizado en lugar del árbol 48 para
eliminar la necesidad de penetración de la carcasa 16. Cuando se
utiliza un acoplador magnético, el impulsor 18 incluye imanes con
resistencia magnética suficiente para acoplar rígidamente imanes
similares colocados en el árbol generador 50 fuera de la carcasa 16.
Durante el funcionamiento, cuando el impulsor 18 gira, la atracción
magnética de los imanes orientados en el impulsor y los imanes
orientados en el árbol generador 50 provocan rotación del árbol
generador 50 generando así electricidad del generador 46.
El generador 46 puede ser un generador de imán
permanente capaz de generar corriente continua (DC) o corriente
alterna (AC). Alternativamente, el generador 46 puede ser capaz de
generar tanto corriente AC como DC. La electricidad es transferida
desde el generador 46 por una pluralidad de conductores 54 que
pueden ser alambres, buses u otros materiales similares capaces de
conducir electricidad. El nivel de tensión de la electricidad
producida es una función de las
revoluciones-por-minuto del impulsor
18. Como se describe previamente, la velocidad del agua que fluye
desde la tobera 14 puede designarse dentro de un intervalo
predeterminado controlando así la tensión emitida de la electricidad
generada por el generador 46.
La corriente alterna o continua producida por el
generador 46 puede utilizarse para activar el sistema de tratamiento
de agua 10 y puede utilizarse también para cargar un dispositivo de
almacenamiento de energía (no mostrado) tal como, por ejemplo, una
batería o condensadores. La rotación del impulsor 18 o la duración
de la electricidad que es producida puede proporcionar también un
mecanismo para mediciones a base de flujo tales como, velocidades de
flujo o la cantidad de agua que ha fluido a través del sistema de
tratamiento de agua 10. La rotación del impulsor 18 o la duración de
la electricidad que se produce puede combinarse con la fuerza
electromagnética de refuerzo (EMF) del generador 46 para
proporcionar las mediciones a base de flujo. Aquellos técnicos en la
materia reconocerían que el sistema de generación de potencia
hidráulica 12 puede utilizarse también en otros sistemas además del
sistema de tratamiento del agua 10.
La figura 4 ilustra una vista en sección
transversal de otra forma de realización del sistema de generación
de potencia hidráulica 12. Esta forma de realización es acoplada de
forma similar al sistema de tratamiento de agua 10 como en la forma
de realización ilustrada en la figura 1 e incluye una tobera 14, una
carcasa 16, un impulsor 18 y una salida de carcasa 20. Similar a la
forma de realización descrita previamente, la tobera 14 proporciona
agua a alta velocidad que se dirige en el impulsor giratorio 18. Sin
embargo, en esta forma de realización, el impulsor 18 no está
sumergido en el agua dentro de la carcasa 16 durante el
funcionamiento. Como tal el agua desde la tobera 14 forma una
corriente que es pulverizada en el impulsor 18.
La tobera 14 puede ser una tobera sónica similar
a la tobera descrita previamente 14 ilustrada en la figura 2. La
tobera 14 penetra la carcasa 16 y se acopla a la misma por una placa
de montaje 56. La placa de montaje 56 está colocada poniendo en
contacto de manera adyacente la superficie exterior de la carcasa
16. Aquellos técnicos en la materia reconocerían que existen otros
métodos que podrían utilizarse para acoplar la tobera 14 con la
carcasa 16.
La figura 5 ilustra una vista en sección
transversal de la tobera 14 montada en la placa de montaje 56. La
placa de montaje 56 incluye una ranura longitudinal 58 y una pareja
de orejetas 60 que permiten el ajuste de la tobera 14 hasta una
posición óptima en relación con el impulsor 18. La tobera 14 puede
montarse fijamente a la carcasa 16 cuando la posición óptima se
consigue insertando tornillos roscados en las orejetas 60. La placa
de montaje 56 proporciona una posición deseada predeterminada de la
tobera 14 cuando los dispositivos de sujeción tales como, por
ejemplo, tornillos roscados, remaches o pasadores montan fijamente
la placa de montaje 56 en la carcasa 16.
Con referencia de nuevo a la figura 4, la
posición deseada de la tobera 14 es tal que la tobera 14 se extiende
longitudinalmente en la carcasa 16. La carcasa 16 incluye una
cavidad de carcasa 62 que se define por las paredes interiores de la
carcasa 16 como se ilustra en la figura 4. La cavidad de carcasa 62
es un espacio de aire que incluye un impulsor 18 colocado dentro.
Durante el funcionamiento, el agua es pulverizada desde la tobera 14
dentro de la cavidad de la carcasa 62 con una trayectoria
predeterminada para golpear el impulsor 18 en un ángulo
predeterminado. El ángulo predeterminado está basado en el RPM
deseado del impulsor 18 y el intervalo de la presión de agua
suministrada a la tobera 14 desde el sistema de tratamiento del agua
10. El funcionamiento comparativo de la tobera 14 y el impulsor 18
no están limitados para funcionamiento con agua presurizada y
podrían utilizarse de un modo similar otros fluidos tales como, por
ejemplo, aire.
Como se ilustra, además, en la figura 4, el
impulsor 18 incluye una pluralidad de hojas 64. Cada una de las
hojas 64 están acopladas fijamente a un cubo del impulsor 66 en un
extremo e incluye una paleta 68 formada en el extremo opuesto. El
cubo del impulsor 66 está acoplado fijamente a un árbol 48 como se
describe previamente anteriormente. Estos técnicos en la materia
reconocerían que la cantidad de hojas 64 y el tamaño del impulsor 18
variaría dependiendo de la aplicación.
La figura 6 ilustra el sistema de generación de
potencia hidráulica 12 ilustrado en la figura 5 girado 90 grados con
una porción de la carcasa 16 seccionada para propósitos
ilustrativos. Como se ilustra, el sistema de generación de potencia
hidráulica 12 incluye la carcasa 16 acoplada al generador 46 con el
árbol 48 como en las formas de realización descritas previamente.
Adicionalmente, el árbol 48, que es giratorio, se extiende
longitudinalmente desde el impulsor 18 dentro del generador 46 a
través de la junta hermética al agua 52.
Alternativamente, el árbol 48 podría modificarse
con un acoplador magnético, como se describe previamente, eliminando
por lo tanto la penetración de la carcasa 16 y la junta hermética al
agua 52. Como se ilustra, el árbol 48 coloca de forma giratoria el
impulsor 18 en el espacio de aire dentro de la cavidad de carcasa 62
con las paletas 68 que giran por lo tanto alrededor del árbol
48.
Como se ilustra en la figura 6, cada una de las
paletas 68 están formadas en una configuración parabólica que
incluye una ranura 70. La configuración parabólica de las paletas 68
proporciona un receptor uniforme de la energía presente en la
pulverización del agua desde la tobera 14 (ilustrada en la figura
5). Las ranuras 70 permiten que pase la energía del agua de
pulverización a la siguiente paleta 68 a medida que gira el impulsor
18. El paso de transición de la energía en el agua de pulverización
a la siguiente paleta 68 aumenta al máximo la eficiencia de la
transferencia de energía desde el agua al impulsor 18.
Alternativamente, las hojas 64 podrían formarse en otras formas y
configuraciones que son conductoras hasta la transferencia eficiente
de energía desde otros fluidos pulverizados desde la tobera 14. Por
ejemplo, cuando el fluido es aire, las hojas 64 pueden formarse como
paletas, aletas u otra estructura similar capaz de trasladar la
energía desde el aire que fluye hasta la rotación del impulsor
18.
Durante el funcionamiento, después que la
corriente de agua golpea el impulsor 18 en un ángulo predeterminado,
el agua cae por la gravedad como se indica por la flecha 72 hacia la
salida de la carcasa 20. Como tal, el agua se acumula en la salida
de la carcasa 20 y se canaliza por lo tanto fuera de la carcasa 16.
Puesto que el impulsor 18 no es sumergido dentro del agua, la masa
de la energía transferida desde la corriente de agua al impulsor 18
está provista como la fuerza giratoria al árbol 48.
La rotación del árbol 48 provoca la rotación de
una porción del generador 46. Una forma de realización del generador
46 incluye un rotor 76, un primer estator 78, y un segundo estator
80 colocado dentro de una carcasa del generador 82. El rotor 76 está
acoplado fijamente al árbol 48 y gira con el mismo. El primero y
segundo estatores 78, 80 están acoplados fijamente a la carcasa del
generador 82 y rodean circunferencialmente el árbol 4. El rotor 76
está colocado entre el primero y segundo estatores 78, 80 para
formar el generador 46.
El rotor 76 puede estar en la forma de un disco
que incluye una pluralidad de imanes permanentes 84. Los imanes
permanentes 84 son colocados de forma uniforme en posiciones
predeterminadas dentro del rotor 76 para cooperar de forma operativa
con el primero y segundo estatores 78, 80. Cada uno de los primero y
segundo estatores 78, 80 en esta forma de realización pueden formar
también discos que incluyen una pluralidad de bobinas 86. Las
bobinas 86 están colocadas de forma uniforme dentro del primero y
segundo estatores 78, 80 para cooperar de forma operativa con los
imanes permanentes 84. Las bobinas 86 pueden conectarse
eléctricamente para formar uno o más arrollamientos que son
accionables para generar electricidad. El número de polos y el
diseño del primero y segundo estatores 78, 80 son dependientes de un
número de factores. Los factores incluyen: la resistencia del campo
gaussiano formado por los imanes permanentes 84 y el EMF de
refuerzo, así como el RPM deseado y la salida de potencia deseada
del generador 46.
En esta forma de realización, la rotación del
rotor 76 provoca que se genere flujo magnético por los imanes
permanentes 84 para girar de forma similar produciendo por lo tanto
electricidad en el primero y segundo estatores 78, 80. El rotor 76 y
el primero y segundo estatores 78, 80 cooperan de forma operativa
para generar corriente alterna (AC). La corriente AC puede
rectificarse y estabilizarse por el generador 46 para suministrar
tanto corriente AC como corriente continua (DC). Alternativamente,
los imanes permanentes 84 pueden colocarse en el primero y segundo
estatores 78, 80 de manera que el generador 46 es accionable para
generar corriente continua (DC). Alternativamente, el generador 46
es similar al generador 46 descrito con referencia a la figura
3.
Durante el funcionamiento, el agua presurizada
puede suministrarse desde el sistema de tratamiento del agua 10
(ilustrado en la figura 1) al sistema de generación de potencia
hidráulica 12. El sistema de generación de potencia hidráulica 12
puede suministrar agua al sistema de tratamiento de agua 10 o
colocarse dentro del sistema de tratamiento de agua 10. El agua se
suministra desde el sistema de tratamiento del agua 10 hasta la
tobera 14, como se describe previamente.
El agua presurizada fluye a través de la tobera
14 y se pulveriza con alta velocidad dentro de la cavidad de la
carcasa 62 golpeando por lo tanto las paletas 68 en el impulsor 18
en un ángulo de incidencia predeterminado. Cuando el agua golpea las
paletas 68, la energía en el agua de pulverización se traslada al
impulsor 18 provocando rotación en una dirección individual. A
medida que el impulso 18 gira, una porción del agua de pulverización
se pulveriza también a través de las ranuras 70 y golpea otra de las
paletas 68 en el impulsor 18. Siguiendo la colisión el agua con las
paletas 68 y la transferencia de energía que se acompaña, el agua
cae por la gravedad a la salida de la carcasa 20 y fluye fuera de la
carcasa 16. Por consiguiente, en la cavidad de la carcasa 62 queda
un espacio de aire durante el funcionamiento y no se llena
completamente con agua durante el funcionamiento.
La rotación del impulsor 18 provoca la rotación
del árbol 48 girando por lo tanto el rotor 76 del generador 46. En
esta forma de realización, el rotor 76 gira en aproximadamente 2400
revoluciones por minuto (RPM). La rotación del rotor 76 induce la
generación de electricidad que se suministra al sistema de
tratamiento del agua 10. Como se describe previamente, el intervalo
del nivel de tensión producido por el generador 46 está basado en el
intervalo de velocidad del agua que fluye a través de la tobera 14.
Por consiguiente, el intervalo de tensión del generador puede
seleccionarse mediante la sección de un intervalo predeterminado de
velocidad para el agua que fluye a través de la tobera 14.
La figura 7 ilustra una vista en sección
transversal de un sistema de generación de potencia hidráulica 12
que está acoplado preferentemente con el sistema de tratamiento del
agua 10. Como se ilustra, el sistema de generación de potencia
hidráulica 12 incluye una carcasa de rotor 102 y una carcasa de
estator 104. La carcasa de rotor 102 forma un conducto que puede
estar compuesto de plástico u otro material rígido similar e incluye
una entrada 106 y una salida 108. Durante el funcionamiento la
entrada 106 recibe el agua que fluye como se ilustra por la flecha
110 y la salida 108 canaliza el agua que fluye al sistema de
tratamiento de agua 10. Alternativamente, el sistema de generación
de potencia hidráulica 12 puede colocarse dentro del sistema de
tratamiento del agua 10 o colocarse para recibir agua que fluye
fuera del sistema de tratamiento del agua 10. Como se describe
previamente, el flujo de agua a través del sistema de generación de
potencia hidráulica 12 puede controlarse por el sistema de
tratamiento del agua 10. Como se ilustra en la figura 7, la carcasa
del rotor 102 contiene un rotor 112 y la carcasa de estator 104
contiene un estator 114. El rotor 112 de este sistema de generación
de potencia hidráulica puede ser un rotor de imán permanente de doce
polos que tiene seis combinaciones de polo norte/sur. Como se indica
en detalle a continuación, el estator 114 de este sistema puede ser
un anillo anular diseñado con ocho combinaciones de polo norte/sur.
El rotor 112 y el estator 114 funcionan de forma cooperativa para
producir electricidad durante el funcionamiento. Como se conoce en
la técnica, un estator contiene un arrollamiento estacionario que
puede configurarse para contener cualquier número de polos
dependientes de la magnitud de la tensión necesaria en la salida. El
número de polos en el arrollamiento descrito en la presente forma de
realización no debería interpretarse como una limitación en la
presente invención.
La figura 8 ilustra una vista superior del
sistema de generación de potencia hidráulica representado en la
figura 7 con la porción superior de la carcasa de estator 104
seccionada para propósitos ilustrativos. El estator 114 está
colocado fijamente en la carcasa del estator 104 para rodear
circunferencialmente la carcasa del rotor 102. El estator 114
incluye un núcleo 116, una pluralidad de polos salientes 118 y una
pluralidad de bobinas 120. El núcleo 116 puede estar compuesto de
hierro, acero u otro material similar y está formado para incluir
los polos salientes 118. En esta forma de realización, pueden estar
ocho polos salientes 118 que son rodeados cada uno por bobinas
120.
Los polos salientes 118 están formados en el
estator 114 de manera que rodean circunferencialmente la carcasa del
rotor 102. Cada uno de los polos salientes 118 incluyen un extremo
formado que es conocido en la técnica como una zapata polar 122. Las
zapatas polares 122 están localizadas adyacentes a la carcasa del
rotor 102. Las zapatas polares 122 conducen un flujo magnético
constante formado por el rotor 112 a través de las bobinas 120. Las
bobinas 120 pueden ser alambre u otro material similar capaz de
conducir electricidad y que es envuelto alrededor de los polos
salientes 118. Aunque no se ilustran, las bobinas 120 son conectadas
eléctricamente para formar el arrollamiento. Como se conoce en la
técnica, el número de vueltas de alambre utilizado para cada bobina
120 se determina por los requerimientos de tensión y potencia, las
revoluciones mínimas y máximas del rotor 112, la
contra-presión máxima permisible, la inductancia
requerida y el gaussiano magnético.
Con referencia a la figura 7, el estator 114 es
colocado de forma transversal perpendicular al eje central de la
carcasa del rotor 102. Puesto que el estator 114 es colocado fuera
de la carcasa del rotor 102, se aísla de comunicación fluida con el
agua que fluye dentro de la carcasa del rotor 102. La carcasa del
estator 104 se acopla fijamente a la carcasa del rotor 102
proporcionando por lo tanto una posición predeterminada en la
carcasa del rotor 102 para el estator 114. En este sistema, la
carcasa del estator 104 es acoplada con la superficie exterior de la
carcasa del rotor 102 por un ajuste por fricción. Estos técnicos en
la materia reconocerían que existen otras varias formas de
acoplamiento de la carcasa del rotor 102 y la carcasa de estator
104.
En este sistema de generación de potencia
hidráulica 12, el rotor 112 incluye un imán permanente 124 que puede
formarse de metal, metal sinterizado, metal extruido o material
cerámico. El imán permanente 124 forma un flujo magnético constante
y está acoplado con un árbol de rotor 126. El árbol de rotor 126,
que es giratorio, se extiende longitudinalmente desde extremos
opuestos del imán permanente 124 y puede estar compuesto de acero
inoxidable u otro material resistente a la corrosión rígido. El imán
permanente 124 está formado con su eje central coaxial con el árbol
del rotor 126. La superficie exterior del imán permanente 124 puede
formarse en una configuración de línea de corriente para incluir al
menos una hoja de rotor 128. El imán permanente 124 de este sistema
está formado en una configuración de tambor giratorio con un puente
helicoidal individual que forma la hoja del rotor 128.
Alternativamente, la hoja del rotor 128 podría ser palas de turbina
u otros dispositivos similares capaces de inducir rotación del rotor
112 cuando se somete a agua que fluye.
Como se ilustra en la figura 7, el rotor 112 está
colocado dentro de la carcasa del rotor 102 coaxial con el eje
central de la carcasa del rotor 102. Un extremo del árbol del rotor
126 del rotor 112 está insertado en un primer collar 130 y el otro
extremo del árbol del rotor 126 está insertado en un segundo collar
132. En este sistema, los extremos del árbol del rotor 126 aumentan
en diámetro para formar una esfera sólida para facilitar la sujeción
al primer collar 130 y al segundo collar 132. El primer collar 130 y
el segundo collar 132 están formados de plástico u otro material
similar y crean una columna transversal perpendicular al eje central
de la carcasa del rotor 102. El primer collar 130 y el segundo
collar 132 contienen cada uno un cojinete 134 u otro dispositivo
similar para permitir al árbol del rotor 126 girar libremente.
Adicionalmente, el primer collar 130 y el segundo collar 132 están
acoplados a la carcasa del rotor 102 en una distancia predeterminada
entre sí de manera que el rotor 112 puede suspenderse entre
ellos.
El rotor 112 está colocado en la carcasa del
rotor 102 de manera que el agua que fluye a través de la carcasa del
rotor 102 choca sobre la hoja del rotor 128 que forma una parte del
rotor 112. La hoja del rotor 128 actúa como una paleta, provocando
que el agua que fluye actúe en el rotor 112. El agua que fluye
provoca que el rotor 112 gire en una dirección individual alrededor
del eje central de la carcasa del rotor 102. El rotor 112 está
colocado dentro del estator 114 de manera que el eje del rotor 112
está concéntrico con el del estator 114. El rotor 112 coopera de
forma operativa con el estator 144 para formar el generador. Durante
el funcionamiento, a medida que el agua está fluyendo y el rotor 112
está girando, el flujo magnético constante generado por el rotor 112
gira también y penetra dentro del estator 114 creando por lo tanto
de forma intrínseca potencia. Un intersticio de aire de una
distancia específica debe mantenerse entre el rotor 112 y el estator
114 para permitir el flujo magnético constante desde el rotor 112
para inducir la generación de electricidad desde el estator 114. En
estos sistemas, el "intersticio de aire" entre el imán
permanente 124 del rotor 112 y las zapatas polares 122 del estator
114 constan de agua que fluye y la carcasa del rotor 102. El flujo
de fluido y la carcasa del rotor 102 no afectan el flujo magnético
constante. Por consiguiente, el flujo magnético constante giratorio
del rotor giratorio 112 induce la producción de electricidad desde
las bobinas 120 del estator 114.
A medida que el agua fluye a través de la carcasa
del rotor 102 provocando que el rotor 112 gire, el flujo magnético
constante giratorio es impartido en el arrollamiento del estator 114
y se produce electricidad. La electricidad fluye a través de los
conductores 54 para activar un dispositivo que puede ser un sistema
de tratamiento de agua 10. El sistema de generación de potencia
hidráulica 12 ilustrado en las figuras 7 y 8 produce corriente
alterna (AC) que puede utilizarse para activar el sistema de
tratamiento de agua 10. Alternativamente, el sistema de generación
de potencia hidráulica 12 puede producir corriente continua (DC)
colocando el imán permanente en el estator 114. En un sistema
alternativo adicional, el sistema de generación de potencia
hidráulica 12 suministra tanto corriente AC como DC al sistema de
tratamiento de agua 10 rectificando y estabilizando la corriente
alterna (AC). La corriente DC puede utilizarse también para cargar
un dispositivo de almacenamiento de energía (no mostrado). La
rotación del rotor 112 y la duración durante la que se produce la
electricidad puede utilizarse también para proporcionar mediciones a
base de flujo tales como, la velocidad de flujo de la cantidad de
agua que fluye a través del sistema de tratamiento de agua 10.
Las formas de realización ejemplares de la
invención son indicadas a continuación con referencia a las
configuraciones específicas, y los técnicos en la técnica
reconocerán varios cambios y podrían hacerse modificaciones a las
configuraciones específicas, con tal que permanezcan dentro del
alcance de las reivindicaciones. Las formas de realización
preferidas actualmente pueden utilizarse con cualquier sistema de
tratamiento de agua que requiere un suministro de potencia e incluye
un flujo de agua; sin embargo, las formas de realización están
diseñadas para un sistema de tratamiento de agua para uso
residencial o portátil. Aquellos técnicos en la materia reconocerían
también que las formas de realización podrían utilizarse con fluidos
distintos de agua y el uso del término "agua" e "hidro" no
debería interpretarse como una limitación.
La figura 9 ilustra una vista en sección
transversal de una forma de realización del sistema de generación de
potencia hidráulica 12 que es similar en concepto a la forma de
realización previa descrita con respecto a las figuras 7 y 8.
Esta forma de realización incluye un rotor 112,
un estator 114 y una tobera de turbina 140 colocada en una carcasa
142. La carcasa 142 forma un conducto que incluye una entrada 144 y
una salida 146. A medida que el agua o algún otro fluido fluye
dentro de la entrada 144 como se ilustra por la flecha 148, el agua
fluye a través de la carcasa 142 y se canaliza fuera de la carcasa
142 por la salida 146. En una forma de realización, el sistema de
generación de potencia hidráulica 12 puede colocarse dentro de un
sistema de tratamiento de agua 10 (ilustrado en la figura 1),
siguiendo el sistema de tratamiento de agua 10 o suministrando agua
al sistema de tratamiento de agua 10.
La carcasa 142 puede formarse de plástico o
material rígido similar capaz de canalizar el agua. La carcasa 142
de esta forma de realización incluye una primera sección 152 y una
segunda sección 154 para facilitar el conjunto y mantenimiento. La
primera y segunda secciones 152, 154 pueden acoplarse fijamente
mediante encolado, ajuste por fricción, conexión roscada o algún
otro medio de proporcionar una conexión rígida similar. La carcasa
142 forma un paso 156 para el flujo de agua a través del mismo.
Dentro del paso 156 está colocada fijamente la tobera de turbina
140.
La tobera de turbina 140 de esta forma de
realización puede ser generalmente cónica en configuración y puede
formarse de plástico o algún otro material rígido similar. La tobera
de turbina 140 puede formarse integralmente para incluir una punta
158 y una pluralidad de columnas 160. La punta 158 puede localizarse
centralmente en el paso 156 y sirve para dirigir el agua que fluye
hacia fuera hacia la pared interior de la carcasa 142. Las columnas
160 están acopladas fijamente a la pared interior de la carcasa 142
mediante, por ejemplo ajuste por fricción, ajuste por encaje
elástico, conexión roscada u otra conexión rígida similar.
Las columnas 160 soportan fijamente la tobera de
turbina 140 en el paso 156 e incluyen una pluralidad de canales 162
para permitir que el agua fluya a través de la carcasa 142. El
tamaño de los canales 162 puede ajustarse para controlar la
velocidad del agua que fluye. Como en la tobera 14, descrita
previamente con referencia a la figura 2, puede determinarse un
intervalo predeterminado de velocidad. El intervalo predeterminado
de velocidad está basado en el intervalo de presión esperado del
agua que fluye en la entrada 144 así como la
contra-presión del sistema de generación de potencia
hidráulica 12. Adicionalmente, las columnas 160 pueden orientarse en
una configuración predeterminada para actuar como paletas para
dirigir el agua que fluye. El agua que fluye puede dirigirse, por
ejemplo, para actuar sobre el rotor 112 de una manera
predeterminada, para eliminar turbulencia, para ajustar caída de
presión o para aumentar la eficiencia de funcionamiento.
El rotor 112 de esta forma de realización incluye
un rotor de turbina 164, un árbol de rotor 166 y un imán permanente
168. El rotor 112 está colocado de forma giratoria dentro del paso
156 de manera que el agua que fluye en el paso 156 provoca la
rotación del rotor 112 alrededor de un eje central 170 de la carcasa
142. La rotación del rotor 112 se produce cuando el agua que fluye
actúa sobre el rotor de turbina 164. El rotor de turbina 164 puede
formarse de acero inoxidable, aluminio, plástico u otro material
rígido similar que es capaz de resistir las fuerzas giratorias y la
fuerza del agua que fluye. El rotor de turbina 164 incluye al menos
una pala de turbina 172 y un cuerpo 174.
La pala de turbina 172 está colocada para recibir
energía del agua que fluye a través de las columnas 160. La pala de
turbina 172 puede ser una pluralidad de paletas, un puente
helicoidal u otro mecanismo formado en el cuerpo 174 que es capaz de
convertir la energía del agua que fluye a energía giratoria. La pala
de turbina 172 de esta forma de realización se forma integralmente
con el cuerpo 174 y se extiende hasta que se coloca adyacente a la
pared interior de la carcasa 142. El cuerpo 174 puede formarse para
definir una cavidad 176 que rodea circunferencialmente una porción
del árbol del rotor 166. Debería indicarse por el lector que la
profundidad de los canales 162 son menores que la profundidad de la
pala de turbina 172 con respecto a la pared interior de la carcasa
142. La profundidad diferencial proporciona la circulación del agua
que fluye como se describirá más tarde.
El árbol del rotor 166 es giratorio y puede
formarse integralmente con el rotor de turbina 164 o, el árbol del
rotor 166 puede acoplarse fijamente al mismo por ajuste con prensa,
conexión roscada o mecanismo de acoplamiento similar. El árbol del
rotor 166 puede ser de acero inoxidable u otro material rígido
similar que puede extenderse longitudinalmente a través del imán
permanente 168. El imán permanente 168 puede ser un imán extruido
que puede formarse de metal, metal sinterizado, material cerámica o
algún otro material similar con propiedades magnéticas. El imán
permanente 168 puede acoplarse fijamente al árbol de rotor 166 por
ajuste por fricción, moldeo u otro mecanismo similar. El rotor 112
se mantiene de forma giratoria en posición por una pluralidad de
cojinetes 178.
Los cojinetes 178 rodean circunferencialmente una
porción del árbol del rotor 166 en extremos opuestos del imán
permanente 168. Los cojinetes 178 puede ser grafito de carbono,
Teflón, cojinetes de bola, cerámica, polietileno de alto peso
molecular (UHMW)u otros cojinetes similares capaces de
resistir la rotación del árbol del rotor 166. En esta forma de
realización, los cojinetes 178 son lubricados por agua presente en
el paso 156. Adicionalmente, el agua que fluye es accionable para
enfriar los cojinetes 178 como se describirá a continuación. Los
cojinetes 178 están acoplados fijamente y se mantienen en posición
por el estator 114.
El estator 114 de esta forma de realización
incluye una pluralidad de paletas de guía de salida 180, una aleta
182, una pluralidad de bobinas 184 y una tapa 186. Como se ilustra
en la figura 9, el estator 114 está colocado fijamente en el paso
156 por las paletas de guía de salida 180. Las paletas de guía de
salida 180 están acopladas fijamente con la pared interior de la
carcasa 142 mediante, por ejemplo, pegamento, ajuste por fricción,
ajuste por encaje elástico, o mecanismo de acoplamiento rígido
similar. Las paletas de guía de salida 180 se extienden
longitudinalmente paralelas con la pared interior de la carcasa 142
y proporciona canales para el flujo de agua a través de los mismos.
Las paletas de guía de salida 180 están formadas para canalizar el
agua que fluye a la salida 146 para reducir turbulencia, burbujas de
aire, contra-presión y otro comportamiento similar
del agua que fluye que puede efectuar una operación eficiente. La
aleta 182 está formada de manera similar para canalizar el agua que
fluye a la salida 146.
Las bobinas 184 están formadas en un núcleo (no
mostrado) para rodear de manera circunferencial el rotor 112 y forma
un arrollamiento. Las bobinas 184 son separadas del rotor 112 por un
intersticio de aire 188. Las bobinas 184 están acopladas fijamente
con las paletas de guía de salida 180. Además, las bobinas 184
pueden acoplarse fijamente con los cojinetes 178 y la aleta 182. Las
bobinas 184 pueden acoplarse fijamente a las paletas de guía de
salida 180, los cojinetes 178 y la aleta 182 mediante, por ejemplo,
pegamento o estando formados integralmente con ellos. En esta forma
de realización, las bobinas 184 están colocadas dentro del paso 156,
pero son estancas al agua para evitar comunicación de fluido con el
siguiente agua. Las bobinas 184 pueden hacerse estancas al agua por
ejemplo, rellenado con epoxi, moldeando por inyección con caucho ó
plástico, sellando de forma ultrasónica o aislando de otra manera
del agua por un mecanismo estanco al agua similar. En una forma de
realización alternativa, las bobinas 184 pueden localizarse fuera de
la carcasa 142 como en la forma de realización descrita previamente
con referencia a las figuras 7 y 8.
Las bobinas 184 son estancas al agua también por
la tapa 186. La tapa 186 está colocada para sellar el extremo de las
bobinas 184 que es adyacente al rotor de turbina 164 como se ilustra
en la figura 9. La tapa 186 puede acoplarse de forma separable a las
bobinas 184 por conexión roscada o puede acoplarse de forma fija a
las bobinas por pegamento o formación integral con ellas. La tapa
186 está formada para rodear parcialmente el cojinete 178 y extiende
radialmente una distancia predeterminada que es igual al radio del
estator 114. La distancia predeterminada de la tapa 186 se extiende
más próxima a la pared interior de la carcasa 142 que el cuerpo 174
rotor de turbina 164. La diferencia en la distancia desde la pared
interior de la carcasa 142 a la tapa 186 y el cuerpo 174
proporciona circulación del agua que fluye como se describirá a
continuación.
Durante el funcionamiento, el agua que fluye a
través de la entrada 144 y dentro del paso 156 experimenta un
aumento predeterminado en la velocidad a medida que el agua
presurizada fluye a través de los canales 162. El agua que fluye es
dirigida por las columnas 160 para conseguir un ángulo de incidencia
predeterminado en la pala de turbina 172 que imparte rotación en el
rotor 112. En esta forma de realización, el rotor 112 gira en
aproximadamente 15.000 revoluciones por minuto (RPM). Debido a la
profundidad diferencial del canal 162, la pala de turbina 172 y la
tapa 182, el agua que fluye es circulado dentro de la cavidad 176.
La circulación del agua que fluye a través de la cavidad 176
proporciona refrigeración y lubricación del cojinete colocado de
forma adyacente 178.
La revolución del rotor 112 dentro del estator
114 produce electricidad cuando está funcionando el sistema de
generación de potencia hidráulica 12. El sistema de generación de
potencia hidráulica 12 es capaz de generar corriente alterna (AC).
En formas de realización alternativas, el sistema de generación de
potencia hidráulica 12 puede producir corriente (DC) si el imán
permanente 168 está colocado en el estator 114. Alternativamente, el
sistema de generación de potencia hidráulica 12 puede diseñarse para
producir tanto la corriente AC como la corriente DC por
rectificación y estabilización de la corriente AC. Como se describe
previamente, el número de polos y el tamaño y configuración de las
bobinas 184 es dependiente de la contra-presión, el
RPM's requerido y la salida de energía objetivo del sistema de
generación de potencia hidráulica 12.
Con referencia a la figura 9, otra forma de
realización del sistema de generación de potencia 12 descrito en
conjunto con las formas de realización de estas figuras es
accionable para suministrar niveles de tensión y corriente
múltiples. Los niveles de tensión y corriente múltiples son
suministrados conmutando las bobinas del sistema de generación de
potencia hidráulica 12 entre una configuración en serie y una
configuración en paralelo. Aunque no se ilustra, un microprocesador
u otra unidad de control similar que pueden detectar la salida de
tensión y corriente del sistema de generación de potencia hidráulica
12 y la tensión y corriente presentes necesitan del sistema de
tratamiento de agua 10 pueden utilizarse para conmutar
selectivamente las bobinas entre las series y configuraciones
paralelas. La conmutación selectiva de las bobinas puede aplicarse a
las formas de realización que producen corriente continua (DC) o
corriente alterna (AC).
Por ejemplo, algunas fuentes de luz ultravioleta
(UV) requieren una corriente alterna predeterminada relativamente
baja para activación inicial y un nivel de tensión relativamente
alta. Siguiendo la activación inicial, la fuente de luz UV requiere
una corriente alterna relativamente alta pero requiere que un nivel
de tensión relativamente bajo permanezca activado.
Por consiguiente, durante el funcionamiento,
cuando el sistema de generación de potencia hidráulica 12 está
generando electricidad, las bobinas son colocadas selectivamente en
una configuración en serie por el microprocesador. La configuración
en serie genera una corriente alterna predeterminada en un nivel de
tensión predeterminado que es capaz de activar inicialmente la
fuente de luz UV. Siguiendo la activación inicial de la fuente de
luz UV, las bobinas están configuradas de nuevo selectivamente hasta
una configuración paralela para proporcionar una corriente alterna
predeterminada en un nivel de tensión predeterminado capaz de
mantener activación de la fuente de luz UV. La conmutación de las
bobinas del sistema de generación de potencia hidráulica 12, como se
describe previamente, puede proporcionar varios requerimientos de
tensión y corriente de cualquier dispositivo eléctrico en el sistema
de tratamiento de agua 10.
En otra forma de realización, el sistema de
generación de potencia hidráulica 12 descrito en conjunto con las
formas de realización descritas previamente pueden estar provistas
con una pluralidad de tomas que representan los diferentes grupos de
bobinas formadas en los arrollamientos. Las tomas son accionables
para suministrar una pluralidad de diferentes niveles de tensión
predeterminados conectando eléctricamente diferentes números de
bobinas para formar los arrollamientos. El sistema de tratamiento
del agua 10 puede configurarse para conmutar operativamente entre
las tomas durante el funcionamiento utilizando un microprocesador o
algún otro dispositivo similar. Por consiguiente, en el ejemplo de
fuente de luz UV descrita previamente una derivación puede
utilizarse para activación inicial y otra derivación puede
utilizarse para funcionamiento continuo. Adicionalmente diferentes
tomas pueden utilizarse en una base en curso para accionar
dispositivos eléctricos diferentes en el sistema de tratamiento de
agua 10 dependiendo de los requerimientos de potencia de los
dispositivos eléctricos.
En todavía otra forma de realización del sistema
de generación de potencia hidráulica 12 descrito en conjunto con las
formas de realización descritas previamente, la fuerza
electromagnética trasera (EMF) que está presente se reduce
ventajosamente. Como se conoce en la técnica, el EMF de refuerzo de
un generador de imán permanente se incrementa por concentradores de
flujo que están formados por la laminaciones de metal en el núcleo
del generador. Los concentraciones de flujo son accionables para
mejorar la eficiencia de generación del generador, pero el EMF de
refuerzo de suministro debe superarse para girar el rotor.
En la aplicación del sistema de generación de
potencia hidráulica 12 hasta un sistema de tratamiento de agua 10,
algunas fuentes de luz UV tienen requerimientos de potencia variados
durante el inicio y el funcionamiento. Utilizando las formas de
realización descritas previamente del sistema de generación de
potencia hidráulica 12 y no se incluyen los concentradores de flujo,
pueden emplearse los requerimientos de funcionamiento de la fuente
de luz UV.
Durante el funcionamiento, antes de la activación
del sistema de tratamiento de agua 10, la carga giratoria (EMF de
refuerzo) en el sistema de generación de potencia hidráulica 12
puede ser relativamente bajo. La carga giratoria puede ser
relativamente baja puesto que el sistema de generación de potencia
hidráulica 12 de esta forma de realización no incluye los
concentradores de flujo y el sistema de tratamiento de agua 10 no
está utilizando potencia. Como tal, cuando el agua fluye a través
del sistema de generación de potencia hidráulica 12, el rotor es
accionable para acelerar hasta un RPM relativamente alto
predeterminado en un periodo de tiempo relativamente corto.
El RPM relativamente alto suministra una tensión
predeterminada en una corriente alterna predeterminada (AC) que es
capaz de activar inicialmente, por ejemplo, la fuente de luz UV en
el sistema de tratamiento de agua 10. Siguiendo la activación
inicial de la fuente de luz UV, la carga giratoria en el sistema de
generación de potencia hidráulica 12 es incrementada reduciendo
lentamente por lo tanto el RPM del rotor. El RPM más lento del rotor
proporciona una tensión baja predeterminada con una corriente
alterna predeterminada correspondiente (AC) permitiendo así la
activación continuada de la fuente de luz UV. El lector reconocería
que la capacidad "en el instante" proporcionada por el sistema
de generación de potencia hidráulica 12 de esta forma de realización
puede eliminar la necesidad de dispositivos de almacenamiento de
energía para accionar la fuente de luz UV en el sistema de
tratamiento del agua 10.
Las presentes formas de realización preferidas
del sistema de generación de potencia hidráulica 12 proporcionan una
posición de fuente de electricidad sola para el sistema de
tratamiento de del agua 10. El sistema de generación de potencia
hidráulica 12 proporciona una conversión eficiente de la energía
presente en el agua que fluye a través del sistema de tratamiento de
agua 10 a energía eléctrica. La energía eléctrica puede
suministrarse por las formas de realización del sistema de
generación de potencia hidráulica 12 para emplear la energía
particular necesita del sistema de tratamiento de agua 10. Como
aquellos técnicos en la materia reconocerían, la aplicación del
sistema de generación de potencia hidráulica 12 no está limitado a
sistemas de tratamiento de agua 10 y podrían aplicarse
ventajosamente para otros fluidos tales como, por ejemplo, aire.
Claims (38)
1. Un sistema de generación de potencia
hidráulica, que comprende:
una carcasa (142) que incluye una entrada (144) y
una salida (146); caracterizada porque dicho sistema
comprende adicionalmente
un rotor (112) colocado de forma
giratoria dentro de la carcasa (142) donde el rotor (112) es girado
por un flujo de líquido a través de la carcasa
(142);
una tobera de turbina (140) mantenida fijamente
dentro de la carcasa (142), donde la tobera de turbina (140)
comprende una punta (158) y una pluralidad de columnas (160), la
punta (158) accionable para incrementar la velocidad del líquido
desviando el flujo de líquido hacia afuera hacia la pared interior
de la carcasa (142), las columnas accionables para dirigir el flujo
de líquido a través de una pluralidad de canales (162) al rotor para
girar el rotor (112); y
un estator generador (114) colocado fijamente
para rodear el rotor (112) para inducir la producción de
electricidad cuando el rotor (112) es girado.
2. El sistema de generación de potencia
hidráulica de la reivindicación 1, donde la tobera de turbina (140)
es accionable para incrementar la velocidad del líquido y dirigir el
flujo de líquido para conseguir un ángulo predeterminado de
incidencia del líquido sobre el rotor (112).
3. El sistema de generación de potencia
hidráulica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones
precedentes, donde el rotor (112) comprende un árbol (166) y un
rotor de turbina (164).
4. El sistema de generación de potencia
hidráulica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones
1-3, donde el rotor de turbina (164) incluye un
puente helicoidal.
5. El sistema de generación de potencia
hidráulica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 - 3,
donde el rotor de turbina (164) incluye una pluralidad de palas de
turbina.
6. El sistema de generación de potencia
hidráulica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones
precedentes, donde el estator generador (114) está colocado
fijamente para rodear la carcasa adyacente al rotor (112).
7. El sistema de generación de potencia
hidráulica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 - 5,
donde el estator generador (114) está colocado fijamente dentro de
la carcasa (142) para rodear el rotor (112).
8. El sistema de generación de potencia
hidráulica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones
precedentes, donde el rotor (112) comprende un imán permanente
(168).
9. El sistema de generación de potencia
hidráulica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 - 7,
donde el estator generador (114) comprende un imán permanente
(168).
10. El sistema de generación de potencia
hidráulica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones
precedentes, donde la rotación del rotor (112) es accionable para
proporcionar mediciones a base de flujo del líquido.
11. El sistema de generación de potencia
hidráulica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones
precedentes, donde en la entrada (144) se suministra líquido desde
un sistema de tratamiento del agua.
12. El sistema de generación de potencia
hidráulica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones
precedentes 1 a 8 y las reivindicaciones 10 u 11, donde la
electricidad es corriente alterna.
13. El sistema de generación de potencia
hidráulica de la reivindicación 12, donde la corriente alterna se
rectifica para proporcionar corriente continua.
14. El sistema de generación de potencia
hidráulica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 y
9 a 11, donde la electricidad generada es corriente continua.
15. El sistema de generación de potencia
hidráulica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones
precedentes, que comprende además una pluralidad de tomas y una
fuente de luz ultravioleta activada con la electricidad producida,
donde las tomas se pueden accionar para proporcionar niveles de
tensión diferentes de electricidad para activar inicialmente y a
continuación continua para activar la fuente de luz
ultravioleta.
16. El sistema de generación de potencia
hidráulica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones
precedentes que comprende adicionalmente una pluralidad de bobinas
(184) y una fuente de luz ultravioleta se activa con la electricidad
producida, y las bobinas (184) son conmutables a partir de una
configuración paralela hasta una configuración en serie para
proporcionar una primera tensión para activación inicial de la
fuente de luz ultravioleta para continuar la activación de la fuente
de luz ultravioleta.
17. El sistema de generación de potencia
hidráulica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones
precedentes, donde el rotor (112) del sistema de generación de
potencia hidráulica es accionable en la ausencia de concentradores
de flujo que se aceleran hasta un primer RPM para activar
inicialmente una fuente de luz ultravioleta con una primera tensión,
donde la activación continuada de la fuente de luz ultravioleta es
accionable para reducir la rotación del rotor (112) hasta una
segunda RPM y produce una segunda tensión.
18. Un método de suministro de electricidad que
utiliza un flujo de líquido, comprendiendo el método:
proporcionar una carcasa (142) que incluye una
entrada (144) y una salida (146); caracterizada porque dicho
método comprende adicionalmente
suministrar el flujo de líquido a la entrada de
la carcasa (142), donde el líquido fluye a través de la carcasa
(142) a la salida (146);
hacer girar un rotor (112) que está colocado en
la carcasa (142) y rodeado por un estator generador (114), donde el
rotor (112) gira como resultado del líquido que fluye a través de la
carcasa (142);
dirigir el flujo de líquido hacia fuera hacia la
pared interior de la carcasa (142) con una punta (158) de una tobera
de turbina (140) para incrementar la velocidad del flujo de
fluido;
dirigir el flujo de líquido al rotor (112) a
través de una pluralidad de canales (162) incluidos con la tobera de
turbina (140) para aumentar adicionalmente la velocidad del flujo de
líquido; y
generar electricidad con el rotor (112) y el
estator generador, donde la rotación del rotor (112) induce a la
generación de electricidad.
19. El método de la reivindicación 18, que
comprende adicionalmente el acto de dirigir el flujo de líquido al
rotor (112) con una tobera de turbina (140).
20. El método de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 18 ó 19, que comprende además el acto de
canalizar el líquido a la salida (146) con una pluralidad de paletas
de guía de salida (180).
21. El método de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 18 a 20, comprendiendo, además, el acto de
hacer circular el líquido hasta un cojinete por rotación del rotor
para enfriar y lubricar el cojinete (178).
22. El método de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 18 a 21, donde la electricidad generada es
corriente alterna.
23. El método de acuerdo con la reivindicación
22, que comprende adicionalmente el acto de rectificar la corriente
alterna para proporcionar corriente continua.
24. El método de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 18 a 21, donde la electricidad generada es
corriente continua.
25. El método de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 18 a 24, que comprende adicionalmente el acto
de cargar un dispositivo de almacenamiento de energía.
26. El método de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 18 a 25, que comprende además el acto de
ajustar los niveles de tensión y corriente de la electricidad con
una pluralidad de bobinas (184) en respuesta a las necesidades de
tensión y corriente de la activación inicial y activación continuada
de una fuente de luz ultravioleta que es activada por la
electricidad generada.
27. El método de acuerdo con la reivindicación
26, que comprende adicionalmente el acto de conmutar las bobinas
(184) entre una configuración paralela y una configuración en
serie.
28. El método de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 18 a 27, que comprende adicionalmente el acto
de conectar eléctricamente las bobinas (184) con una pluralidad de
tomas para proporcionar una pluralidad de niveles de tensión.
29. El método de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 18 a 28, que comprende adicionalmente los actos
de acelerar el rotor (112) del sistema de generación de potencia
hidráulica en la ausencia de concentradores de flujo a un primer RPM
para generar una primera tensión para activar inicialmente una
fuente de luz ultravioleta y que reduce el rotor hasta un segundo
RPM, y generando, por lo tanto, una segunda tensión, por activación
continuada de la fuente de luz ultravioleta.
30. El método de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 18 a 29, donde las columnas (160) comprenden
canales (162) para permitir que el líquido fluya a través de la
carcasa (142); y el tamaño de los canales (162) se ajusta para
controlar la velocidad del flujo de líquido.
31. El método de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 18 a 29, que comprende el acto de ajustar la
orientación de las columnas (160) para alternar la dirección del
flujo de líquido y el ángulo de incidencia del flujo de líquido en
el rotor (122).
32. El método de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 18 a 31, donde el líquido es agua potable.
33. El sistema de generación de potencia
hidráulica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a
17, donde el estator generador (114) comprende una pluralidad de
paletas de guía de salida (180) y una aleta (182), las paletas de
guía de salida (180) y la aleta (182) ambas accionables para
canalizar el flujo de líquido a la salida (146).
34. El sistema de generación de potencia
hidráulica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a
17 ó 33, donde la carcasa, (142) comprende una primera sección (152)
y una segunda sección (154), estando la primera sección (152)
acoplada fijamente con la segunda sección (154) para proporcionar
montaje y mantenimiento.
35. El sistema de generación de potencia
hidráulica de la reivindicación 34, donde el rotor (112) y el
estator de generador (114) están dispuestos en la segunda sección
(154) y la tobera de turbina está dispuesta en la primera sección
(152).
36. El sistema de generación de potencia
hidráulica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a
17, o las reivindicaciones 33 a 35, donde el líquido es agua
potable.
37. El sistema de generación de potencia
hidráulica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a
17 o las reivindicaciones 32 a 36, que comprende adicionalmente un
cojinete que rodea circunferencialmente una porción del árbol del
rotor (166), donde el rotor incluye una pluralidad de palas de
turbina adyacentes a los canales de manera que la profundidad de las
palas de turbina es mayor que la profundidad de los canales para
proporcionar circulación de una porción del flujo de líquido para
enfriar y lubricar los cojinetes a medida que se gira el rotor.
38. El método de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 18 a 32, donde el rotor incluye una pluralidad
de palas de turbina dispuestas adyacentes a los canales de manera
que la profundidad de la turbina es mayor entonces que la
profundidad de los canales, comprendiendo dicho método
adicionalmente circular una porción del flujo de líquido con las
palas de turbina para enfriar y lubricar un cojinete que rodea
circunferencialmente una porción del árbol del rotor.
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