ES2268616T3 - Motor stirling e instalacion de combustion de biomasa. - Google Patents

Abstract

Motor Stirling (1) con cuatro émbolos de trabajo (3) dispuestos girados en cada caso 90º entre sí, con un engranaje planetario (4) para la conversión del movimiento lineal del émbolo de trabajo (3) en un movimiento de rotación de un árbol secundario (5), estando dispuestos los centros de gravedad de los cuatro émbolos de trabajo (3) en un plano común perpendicular respecto del eje de giro del árbol secundario (5) común, y los émbolos de trabajo (3) están apoyados, con posibilidad de giro, para un guiado recto, sobre un cigüeñal (11) con dentado exterior formado como rueda planetaria, el cual circula al menos en una rueda hueca (13, 13') dentada por el interior, para la compensación completa de las fuerzas y momentos de inercia libres únicamente del árbol secundario (5) común están dispuestas al menos dos masas de compensación (14, 14') de tal manera que los émbolos de trabajo (3) y las piezas de transmisión que se mueven con los émbolos de trabajo (3) presentan un centro de gravedad común,situado en el eje del árbol secundario (5).

Description

Motor Stirling e instalación de combustión de biomasa.

La presente invención se refiere a un motor Stirling con cuatro émbolos de trabajo dispuestos girados en cada caso 90º entre sí, con un engranaje planetario para la conversión del movimiento lineal del émbolo de trabajo en un movimiento de rotación de un árbol secundario común, estando dispuestos los centros de gravedad de los cuatro émbolos de trabajo en un plano común perpendicular respecto del eje de giro del árbol secundario, y los émbolos de trabajo están apoyados, con posibilidad de giro, para un guiado recto, sobre un cigüeñal con dentado exterior formado como rueda planetaria, el cual circula en al menos una rueda hueca dentada por el interior. Además, la presente invención se refiere a una instalación de combustión de biomasa con una cámara de combustión.

En los motores Stirling o de gas caliente se confina gas de trabajo - sometido generalmente a elevadas presiones - y se lo somete, en un proceso cíclico, alternativamente, a un entorno caliente y uno frío, con lo cual en la presión del gas de trabajo se forman oscilaciones las cuales son trasformadas en energía mecánica por el émbolo. Para la conversión del movimiento lineal del émbolo de trabajo en un movimiento de rotación de un árbol secundario se conocen, por el estado de la técnica, diferentes tipos de engranaje, por ejemplo, mecanismo de biela y manivela de empuje o engranajes planetarios.

Por el documento DE 43 36 976 A1 y el documento US nº 5.678.406 A se conoce un motor Stirling del tipo mencionado al principio en el cual está previsto un engranaje planetario para la conversión del movimiento lineal del émbolo de trabajo en un movimiento de rotación de un árbol secundario, estando los vástagos del émbolo articulados, a través de un cigüeñal exterior, con un cigüeñal interior. El cigüeñal interior forma al mismo tiempo el nervio para una rueda planetaria dentada por fuera, la cual circula en una rueda hueca dentada por dentro. Con el fin de conseguir una compensación de masas completa es necesario, sin embargo, en los engranajes planetarios de este tipo que tanto el cigüeñal interior como también el cigüeñal exterior estén dotados con al menos un contrapeso como masa de compensación. Por consiguiente resulta una estructura del engranaje planetario comparativamente compleja con masas móviles relativamente grandes para la compensación de fuerzas y momentos de inercia libres.

Otro motor Stirling se conoce, por ejemplo, por el documento US nº 4.241.580 A, en la cual se da a conocer un motor Stirling con émbolo de trabajo que actúa de forma doble, en el cual está prevista una regulación de potencia mediante espacios variables.

Por otro lado se conocen motores de combustión interna convencionales de 2 y 4 tiempos con cuatro émbolos de levantamiento dispuestos girados en cada caso 90º entre sí. Un motor de combustión interna de este tipo se muestra, por ejemplo, en el documento DE 30 23 363 A1. Este motor de combustión interna presenta dos pares de émbolos de trabajo, los cuales están dispuestos, desplazados entre sí lateralmente, en un plano perpendicular respecto del eje de giro de dos árboles de accionamiento separados. Como consecuencia de ello sus ejes no se cortan en un punto del eje de giro principal de manera que aparecen aquí fuerzas y momentos de inercia libres.

Por el documento DE 23 05 811 A se conoce un engranaje planetario para un motor de combustión interna, en el cual como contrapeso para la manivela está previsto un volante excéntrico, para hacer posible el movimiento del émbolo fuera del punto muerto superior e inferior.

Además, se conoce por la patente US nº 6.349.684 B1 un mecanismo de cigüeñal para una máquina motriz de combustión interna, en el cual está formada de tal manera un engranaje planetario que en el punto superior del tiempo de combustión el primer cigüeñal se encuentra de la posición de 0º y el segundo cigüeñal se encuentra esencialmente en la posición de 90º, de manera que el primer y el segundo cigüeñales adoptan, al final del recorrido de trabajo, esencialmente una posición de 180º.

En el documento DE 31 14 459 A1 se da a conocer un mecanismo de manivela para una máquina de émbolo de levantamiento de otro tipo, en la cual está previsto un engranaje planetario para la transmisión del movimiento.

La presente invención se plantea el problema de crear un motor Stirling del tipo mencionado al principio con un engranaje estructurado de forma comparativamente sencilla, en el cual se consiga de forma fiable una compensación completa de las fuerzas y momentos de inercia libres, de manera que se haga posible un funcionamiento lo más libre de vibraciones posible. Además, debe ser posible un arranque automático del motor únicamente mediante el suministro de calor, de manera que el motor Stirling se pueda utilizar en especial también en relación con una instalación de combustión de biomasa.

Esto se alcanza en un motor Stirling del tipo mencionado al principio gracias a que para la compensación completa de las fuerzas y momentos de inercia libres están asignados, únicamente al árbol secundario común, dos masas de compensación de tal manera que los émbolos de trabajo y las piezas de transmisión que se mueven con los émbolos de trabajo presentan un centro de gravedad común, situado en el eje del árbol secundario. Por consiguiente, el centro de gravedad total del motor Stirling no se mueve.

Para conseguir una compensación completa de las fuerzas y momentos de inercia libres basta con que, en el motor Stirling con émbolos de trabajo dispuestos en cada caso girados 90º entre sí, el centro de gravedad del engranaje esté situado sobre el eje de giro del árbol secundario, y con que los dos ejes cilíndricos estén situados en un plano, no debiendo presentar para ello el cigüeñal dentado por el exterior ninguna masa de compensación - como en el caso del dispositivo conocido por el estado de la técnica -, sino que, con vistas a una estructuración constructivamente sencilla del engranaje, basta con que al cigüeñal interior, es decir, al árbol secundario común, estén asignadas al menos dos masas de compensación. Gracias a la disposición encadenada de los cuatro espacios de trabajo del motor Stirling, los cuales presentan en cada caso un ángulo de fase de esencialmente 90º entre sí, resulta un momento secundario total que es positivo para cualquier ángulo de giro, de manera que además se puede conseguir un arranque automático del motor Stirling en caso de suministro de calor.

Para una estructuración constructivamente sencilla del motor Stirling es favorable que estén previstos unos émbolos de trabajo que actúen de forma doble.

Además, es ventajoso para la estructuración constructivamente sencilla del motor Stirling que esté formada una masa de compensación en una sola pieza con el árbol secundario.

Para una lubricación fiable de las piezas de transmisión es favorable que mediante el dentado, entre el cigüeñal dentado por el exterior y la rueda hueca dentada por el interior, se transporte aceite. Por consiguiente se puede prescindir de una bomba de aceite separada para la circulación de aceite lubricante.

Cuando el cigüeñal presenta en ambas secciones finales un dentado exterior engarzado con dos ruedas huecas dentadas por el interior dispuestas por el lado final, resulta un apoyo equilibrado del cigüeñal. Evidentemente podría hacerse cargo también un único par de ruedas dentadas de la deseada transferencia de fuerzas así como de la función de guía recta de los émbolos, debiendo preverse entonces un cojinete adicional para evitar en ladeo del cigüeñal.

Para evitar de manera fiable un ladeo del cigüeñal es ventajoso que el cigüeñal esté apoyado, entre las dos ruedas huecas en las masas de compensación, preferentemente mediante rodamientos de agujas o de rodillos, excéntricamente respecto del árbol secundario.

Con vistas a un apoyo estáticamente sin problemas del árbol secundario es favorable que las masas de compensación estén apoyadas, por el lado interior, hacia el cigüeñal y, por el lado exterior, hacia una carcasa dispuesta con resistencia a la torsión, siendo un rodamiento un rodamiento libre y un rodamiento un rodamiento fijo.

La instalación de combustión de biomasa del tipo mencionado al principio está caracterizada porque en la cámara de combustión está previsto un motor Stirling según las reivindicaciones 1 a 7.

Dado que en el motor Stirling según la invención - como se ha descrito con anterioridad - no aparecen fuerzas o momentos de inercia libres, éste puede ser integrado sin necesidad de medios auxiliares, con arranque automático, en una instalación de combustión de biomasa, de manera que, en caso de suministro de calor desde la cámara de combustión de la instalación de combustión de biomasa, arranque de forma automática. Por consiguiente la potencia del motor Stirling se determina únicamente a través de la intensidad del suministro de calor, pudiendo ser utilizado éste, por ejemplo, para el accionamiento de un generador eléctrico.

Para una transmisión de calor eficiente al gas de trabajo es favorable que a los cilindros de trabajo del motor Stirling estén conectados tubos de calentador circulados por gas de trabajo para el calentamiento del gas de trabajo. Gracias e ello las llamas de la cámara de combustión pueden ceder, por un lado mediante la radiación de las llamas y por el otro por convección durante la circulación, su calor a los tubos de calentador, de manera que se hace posible un aprovechamiento del calor de radiación y un paso con poca resistencia de los gases de combustión calientes. Los gases de combustión poco refrigerados de la instalación de combustión de biomasa pueden además, tras la transmisión de calor a los tubos del calentador, continuar el camino usual, en instalaciones de combustión de biomasa convencionales, para la generación de calor.

Para poder equipar las instalaciones de combustión de biomasa también con posterioridad con el motor Stirling según la invención o, según se desee, pode conectar el motor Stirling durante el funcionamiento de la instalación de combustión de biomasa, es ventajoso que el motor Stirling se pueda integrar de forma modular en la cámara de combustión de la instalación de combustión de biomasa.

La invención se explica a continuación con mayor detalle a partir de un ejemplo de forma de realización representado en el dibujo, al cual no debe quedar sin embargo limitada. En detalle, en el dibujo:

la Fig. 1 muestra una vista parcialmente seccionada de un motor Stirling con un engranaje planetario;

la Fig. 2 muestra una vista en perspectiva del motor Stirling según la Fig. 1;

la Fig. 3 muestra una vista superior sobre el engranaje planetario junto con el émbolo de trabajo;

la Fig. 4 muestra una sección según la línea IV-IV en la Fig. 3;

la Fig. 5 muestra una vista en perspectiva, parcialmente seccionada, del engranaje planetario del motor Stirling junto con el émbolo de trabajo; y

la Fig. 6 muestra esquemáticamente, una vista en perspectiva, parcialmente seccionada, de una instalación de combustión de biomasa con un motor Stirling integrado.

En las Figuras 1 y 2 se muestra un motor Stirling 1, en el cual cuatro cilindros de trabajo 2, con émbolos de trabajo 3 apoyados de manera que se pueden desplazar dentro, están dispuestos girados en cada caso 90º entre sí, de manera que en una vista superior sobre el motor Stirling 1 resulta una así llamada disposición en X de los cilindros de trabajo o émbolos.

Los cuatro émbolos 3, los cuales están sujetos a dos vástagos del émbolo 3' dobles, están acoplados entre sí mediante un engranaje planetario 4 (compárese en especial la Fig. 4), con lo cual el movimiento lineal de los émbolos de trabajo 3 es convertido en un movimiento de rotación de un árbol secundario 5 y, al mismo tiempo, el movimiento desplazado en fase necesario, para el motor Stirling, entre los pares de émbolos así como el guiado recto exacto de los émbolos de trabajo 3 se consiguen en los cilindros de trabajo 2.

A los cilindros 2 se conectan en cada caso tubos de calentador 6 situados en el exterior, en los cuales el gas de trabajo que se encuentra en su interior es calentado y circular a un espacio de trabajo 2' caliente del cilindro de trabajo 2. Los tubos de calentador 6 desembocan en cada caso en un regenerador 7, a través del cual, en cada levantamiento del émbolo, en el cilindro de trabajo 2 se intercambia una parte del calor mediante carga del gas desde la zona 2' caliente a la zona 2'' fría (y viceversa).

El regenerador 7 está enchufado - de forma similar a un cilindro hueco - en cada caso aproximadamente en el centro del cilindro de trabajo 2. Cada regenerador 7 está conectado con los tubos de calentador 6 y un intercambiador de calor o refrigerador 8 y está relleno con cribas de metal. Por consiguiente, - dependiendo de la dirección en la cual circula el gas de trabajo - se refrigera el gas de trabajo que circular fuera de los tubos de calentador 6 o se calienta el gas que circula fuera del refrigerador 8. Los refrigeradores 8 están dispuestos en cada caso de forma anular alrededor de la parte interior, próxima al engranaje, de un cilindro de trabajo 2 entre el regenerador 7 y una carcasa de engranaje 9 y refrigera esta zona del cilindro de trabajo 2. Los refrigeradores 8 constan, por el lado del gas de trabajo, de un tubo, el cual conecta el regenerador 7 con el lado inferior del émbolo 3 del siguiente cilindro 2. Con ello, - dependiendo de la dirección en la cual circula el gas de trabajo - se refrigera el gas de trabajo que sale del regenerador 7 o se calienta el gas de trabajo que sale de la zona 2'' fría del siguiente cilindro 2.

Como medio refrigerante puede estar prevista agua, la cual está conectada con el circuito de agua de calefacción por ejemplo de una instalación de combustión de biomasa 20 (comp. la Fig. 6), y que hace de este modo posible el aprovechamiento del calor residual del motor con propósitos de calefacción.

La carcasa de engranaje 9 está refrigerada por agua, encapsulada estanca a la presión y contiene, además del engranaje 4, aceite lubricante, una bomba de aceite lubricante y, eventualmente, un dispositivo para regular la presión del gas.

A la carcasa de engranaje están sujetos por bridas los cuatro cilindros de trabajo 2 con refrigerador 8, el regenerador 7 y los tubos de calentador 6 así como un adaptador para la integración en una instalación de combustión de biomasa 20 (comp. la Fig. 7) y un generador de corriente 10.

Cuando el generador 10 sujeto por bridas está realizado asimismo estanco al gas y a la presión, entonces los vástagos del émbolo 3' constituyen la única conexión que obtura dinámicamente, las cuales no deben obturar sin embargo la totalidad de la presión, sino únicamente la diferencia de presión respecto de la carcasa de engranaje 9, la cual es relativamente baja.

La presión en la carcasa de engranaje 9 y en el generador 10 es aproximadamente igual de alta que la presión media de los cuatro volúmenes de gas de trabajo, oscilando esta presión de forma ventajosa sólo muy poco.

El generador de corriente 10 se hace funcionar, de forma ventajosa, acoplado a la red teniendo lugar el suministro de potencia a la red de corriente en correspondencia con el suministro de calor de la instalación de calefacción al gas de trabajo.

Con el fin de conseguir un motor Stirling con arranque automático, también tras una parada prolongada, cuya potencia está determinada únicamente por la intensidad del suministro de calor y la presión del gas, pudiendo hacer funcionar el motor sin fuerzas y momentos de inercia libres, los émbolos de trabajo 3 están acoplados entre sí mediante el engranaje planetario 4 representado en detalle en las Figuras 3 a 5.

El engranaje planetario 4 presenta un cigüeñal 11 en el cual están apoyados girables ambos vástagos del émbolo 3'. El cigüeñal 11 presenta en sus dos zonas del extremo en cada caso un dentado exterior 12, 12', pudiendo estar previsto, en lugar del dentado inferior, también únicamente un apoyo, por ejemplo mediante engranajes de bolas, para la absorción de la fuerza y para impedir un ladeo.

El cigüeñal 11 engarza con sus dentados 12, 12' del lado final engranados en una rueda hueca 13, 13' superior y una inferior, de manera que el cigüeñal 11 circula en las ruedas huecas 13, 13' a modo de una rueda planetaria. Al mismo tiempo el cigüeñal 11 arrastra consigo dos masas de compensación 14, 14', de manera que el centro de gravedad común de todas las piezas móviles se encuentra sobre el eje de giro del árbol secundario 5. Dado que, además, los centros de gravedad de los dos émbolos dobles 3 se encuentran en un plano perpendicular respecto del eje de giro, se consigue una compensación completa de las fuerzas y momentos de inercia.

El cigüeñal 11 está apoyado en las masas de compensación 14, 14' mediante unos rodamientos de bolas 15, 15', estando las masas de compensación 14, 14' apoyadas asimismo radialmente hacia fuera para un apoyo estáticamente perfecto en la carcasa de engranaje 9 dispuesta con resistencia a la torsión.

La rueda hueca 13' inferior está, además, rodeada por un tubo de aspiración 16, a través del cual se transporta aceite al interior de la carcasa de engranaje 9 mediante el dentado entre el cigüeñal 11 y la rueda hueca 13'. El aceite es pulverizado por consiguiente en el interior de la carcasa de engranaje 9, de manera que no es necesario prever una bomba de aceite separada.

En la Fig. 5 se pueden ver además que las masas de compensación 14, 14', además de su apoyo por el lado interior mediante rodamientos 15, 15', están apoyadas también radialmente por fuera en la carcasa de engranaje 9 mediante rodamientos 16, 16'. Como rodamientos 15, 15' ó 16, 16' pueden estar previstos, en especial, rodamientos de bolas o de agujas, estando dispuestos, para un apoyo dinámicamente perfecto, o bien los rodamientos 15, 15' como rodamientos libres y los rodamientos 16, 16' como rodamientos fijos (o viceversa).

En la Fig. 6 está dispuesto un motor Stirling 1 en una cámara de combustión 19 de una instalación de combustión de biomasa 20, de manera que las llamas de la cámara de combustión 19 ceden su calor, por un lado, mediante la radiación de las llamas y, por el otro, mediante convección durante la circulación en los tubos de calentador 6 del motor Stirling 1. Gracias a esta disposición se hace posible tanto un aprovechamiento del calor de radiación como también un paso con poco resistencia del gas de combustión caliente el cual, tras la transferencia de calor a los tubos de calentador, continua el camino usual, en instalaciones de combustión de biomasa convencionales, para la generación de calor.

Claims (10)

1. Motor Stirling (1) con cuatro émbolos de trabajo (3) dispuestos girados en cada caso 90º entre sí, con un engranaje planetario (4) para la conversión del movimiento lineal del émbolo de trabajo (3) en un movimiento de rotación de un árbol secundario (5), estando dispuestos los centros de gravedad de los cuatro émbolos de trabajo (3) en un plano común perpendicular respecto del eje de giro del árbol secundario (5) común, y los émbolos de trabajo (3) están apoyados, con posibilidad de giro, para un guiado recto, sobre un cigüeñal (11) con dentado exterior formado como rueda planetaria, el cual circula al menos en una rueda hueca (13, 13') dentada por el interior, para la compensación completa de las fuerzas y momentos de inercia libres únicamente del árbol secundario (5) común están dispuestas al menos dos masas de compensación (14, 14') de tal manera que los émbolos de trabajo (3) y las piezas de transmisión que se mueven con los émbolos de trabajo (3) presentan un centro de gravedad común, situado en el eje del árbol secundario (5).

2. Motor Stirling según la reivindicación 1, caracterizado porque están previstos unos émbolos de trabajo (3) que actúan de forma doble.

3. Motor Stirling según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la masa de compensación (14) está formada de una sola pieza con el árbol secundario (5).

4. Motor Stirling según la reivindicación 2, caracterizado porque mediante el dentado entre el cigüeñal (11) dentado por el exterior y la rueda hueca (13') dentada por el interior se transporta aceite.

5. Motor Stirling según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el cigüeñal (11) presenta, en ambas secciones finales, un dentado exterior (12, 12') para el engarce en dos ruedas huecas (13, 13'), dentadas por el interior, dispuestas en el lado final.

6. Motor Stirling según la reivindicación 5, caracterizado porque el cigüeñal (11) está apoyado entre las dos ruedas huecas (13, 13') en las masas de compensación (14, 14'), preferentemente mediante unos rodamientos de agujas o de rodillos (16, 16'), excéntricamente respecto del árbol secundario (5).

7. Motor Stirling según una de las reivindicaciones 3 a 6, caracterizado porque las masas de compensación (14, 14') están apoyadas, por el lado interior, hacia el cigüeñal (11) y, por el lado exterior, hacia una carcasa (9) dispuesta con resistencia a la torsión, siendo un rodamiento (15, 15'; 16, 16') un rodamiento libre y siendo un rodamiento (15, 15'; 16, 16') un rodamiento fijo.

8. Instalación de combustión de biomasa (20) con una cámara de combustión (19), caracterizada porque en la cámara de combustión (19) está previsto un motor Stirling (1) según una de las reivindicaciones 1 a 7.

9. Instalación de combustión de biomasa según la reivindicación 8, caracterizada porque los tubos de calentador (6) a través de los cuales fluye el gas de trabajo están conectados a los cilindros de trabajo (2) del motor Stirling para calentar el gas de trabajo.

10. Instalación de combustión de biomasa según la reivindicación 8 ó 9, caracterizada porque el motor Stirling (1) se puede integrar de forma modular en la cámara de combustión (19) de la instalación de combustión de biomasa (20).