ES2824205T3 - Dispositivo de compresión térmica de fluido gaseoso - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de compresión térmica de fluido gaseoso, que comprende: - una entrada (46) de fluido gaseoso a comprimir y una salida (47) de fluido gaseoso comprimido, - un recinto (2) de trabajo que encierra al fluido gaseoso, - una primera cámara (21) acoplada térmicamente a una fuente (6) caliente adaptada para aportar calorías al fluido gaseoso, - una segunda cámara (22) acoplada térmicamente a una fuente (5) fría para transferir las calorías del fluido gaseoso hacia la fuente fría, - un pistón (7) móvil montado en una camisa cilíndrica según una dirección (X) axial y que separa la primera cámara (21) y la segunda cámara (22) en el interior de dicho recinto de trabajo, siendo desplazado el pistón por un vástago (8) fijado al pistón, - un intercambiador (9) regenerador y canales de comunicación que ponen en comunicación fluida la primera y segunda cámaras, en el cual el vástago está dispuesto en un casquillo (17) cilíndrico fijado al recinto, y el vástago es guiado en traslación axial por un sistema (3) de guiado lineal con el fin de guiar el pistón sin contacto con respecto a la camisa, y - un anillo (18) de estanqueidad cilíndrico fijado en el casquillo cilíndrico y que rodea al vástago con un juego (e1) radial comprendido entre 2 y 20 μm, para limitar de forma importante el paso del fluido gaseoso a lo largo del vástago móvil desde y hacia una cámara (23) auxiliar, caracterizado porque el sistema (3) de guiado lineal es una vaina (31) cilíndrica con bolas, en la cual las bolas (31) ruedan sobre el casquillo y la vaina (30) se desplaza dos veces menos rápido que el vástago (8).
Description
DESCRIPCIÓN
Dispositivo de compresión térmica de fluido gaseoso
Sector de la técnica
La presente invención se relaciona con dispositivos de compresión de fluido gaseoso, y trata en particular de compresores térmicos regenerativos.
Estado de la técnica
Ya existen varias soluciones técnicas para realizar la compresión de un gas a partir de una fuente de calor.
En compresores térmicos tales como los descritos en los documentos US2,157,229 y US3,413,815, el calor recibido es directamente transmitido al fluido a comprimir, lo que permite evitar cualquier elemento mecánico para las etapas de compresión y de descarga
En los documentos US2,157,229 y US3,413,815, un pistón desplazador se monta móvil en un recinto para desplazar el fluido alternativamente hacia la fuente caliente o hacia la fuente fría. Este pistón desplazador está conectado a un vástago de control. El pistón desplazador y/o el vástago de control asociado están sujetos a rozamientos y a un desgaste, lo que limita la vida útil de dichos compresores o que necesitan un mantenimiento regular. Además, la eficacia de los intercambios térmicos en el seno del compresor así como el principio de control del desplazador se pueden mejorar adicionalmente.
Por tanto aparece una necesidad, en primer lugar de aumentar la vida útil y/o reducir las necesidades de mantenimiento. En segundo lugar, la necesidad de mejorar el rendimiento por una mejor eficacia de los intercambios térmicos en el seno del compresor es una preocupación constante. Además, es deseable perfeccionar el control del desplazamiento del pistón desplazador. Finalmente, hace falta responder a la necesidad de poder fabricar las piezas esenciales del compresor a un coste atractivo. Todas estas necesidades concurren en el objetivo de proponer un compresor térmico regenerativo que tenga un rendimiento mejorado y que sea al mismo tiempo competitivo y fácil de fabricar industrialmente. El documento JPH02245452 describe el dispositivo de guiado de un vástago de pistón que comprende un guiado lineal.
El documento JP H10-62024 describe la utilización de un anillo de estanqueidad y de un guiado lineal que permiten reducir el desgaste a la vez que se mantiene la eficacia de una bomba de calor.
El documento CN201992902 describe un enfriador que comprende un pistón guiado por una vaina cilíndrica con bolas y un sistema de estanqueidad entre el pistón y la pared del cilindro.
Objeto de la invención
Con este fin, se propone, en primer lugar, un dispositivo de compresión de fluido gaseoso que comprende:
- una entrada de fluido gaseoso a comprimir y una salida de fluido gaseoso comprimido,
- un recinto de trabajo que encierra el fluido gaseoso,
- una primera cámara, acoplada térmicamente a una fuente caliente adaptada para aportar calorías al fluido gaseoso,
- una segunda cámara acoplada térmicamente a una fuente fría para transferir calorías de fluido gaseoso hacia la fuente fría,
- un pistón montado móvil en una camisa cilíndrica según una dirección axial y que separa la primera cámara y la segunda cámara en el interior de dicho recinto de trabajo, siendo desplazado el pistón por el vástago fijado al pistón,
- un intercambiador regenerador y dos canales de comunicación que pone en comunicación fluida la primera y segunda cámaras,
en el cual el vástago está dispuesto en un casquillo cilíndrico fijado al recinto, y el vástago es guiado en traslación axial por un sistema de guiado lineal con el fin de guiar el pistón sin contacto con respecto a la camisa, caracterizado porque un anillo de estanqueidad cilíndrico fijado al casquillo cilíndrico rodea el vástago con un juego radial comprendido entre 2 y 20 pm, para limitar de forma importante el paso de fluido gaseoso a lo largo del vástago móvil desde y hacia una cámara auxiliar, además el sistema de guiado lineal es una vaina cilíndrica con bolas, en la cual las bolas ruedan sobre el casquillo y la vaina se desplaza dos veces menos rápido que el vástago.
Gracias a estas disposiciones, es posible disminuir significativamente los rozamientos, tanto a nivel del pistón con respecto a la camisa como a nivel del vástago con respecto a sus medios de estanqueidad asociados, y todo ello manteniendo un rendimiento de estanqueidad compatible con el ciclo alternado de las presiones puestas en juego. Se puede obtener, por tanto, una disminución del desgaste de las piezas en movimiento y disminuir la frecuencia de
las operaciones de mantenimiento incluso eliminarlas completamente. Además, gracias a la disminución de los rozamientos, se puede obtener una mejora del rendimiento.
En diversos modos de realización de la invención, se puede, posiblemente, haber recurrido además a uno u otro de los dispositivos siguientes.
Según un aspecto de la invención, el pistón puede presentar un borde exterior dispuesto de manera adyacente a la camisa y el borde exterior del pistón es guiado sin rozamiento en la camisa con un juego funcional entre el borde exterior y la camisa comprendido entre 5 um y 30 um, con preferencia próximo a 10 um; por lo cual se obtiene una ausencia de contacto y una ausencia de rozamiento a la vez que se asegura una estanqueidad suficiente en el modo dinámico en el transcurso del ciclo alternado.
Según otro aspecto de la invención, el dispositivo de compresión está desprovisto de lubricación líquida; por lo cual el dispositivo es simple y se evitan ciertos problemas inherentes a la utilización de lubricantes como contaminaciones o mezclas con el fluido de trabajo.
Según otro aspecto de la invención, el vástago puede ser enfriado por un dispositivo de deflexión del flujo de fluido gaseoso enfriado; por lo cual se evita un calentamiento del vástago y se limita la trasferencia de calorías del vástago de la zona caliente hacia la zona fría.
Según otro aspecto de la invención, el vástago puede presentar un diámetro superior a un cuarto del diámetro del pistón; de manera que la acción del diferencial de presión es suficiente para accionar el ciclo del dispositivo de autoaccionamiento; además se mejora la calidad del guiado.
Según otro aspecto de la invención, el dispositivo puede comprender además un dispositivo de autoaccionamiento que actúa sobre un extremo del vástago y que comprende una biela conectada al vástago y un volante de inercia conectado a la biela. De manera que el funcionamiento del dispositivo en régimen estable es autónomo.
Según otro aspecto de la invención, el dispositivo de autoaccionamiento está dispuesto en la cámara auxiliar llena del fluido gaseoso, estando interpuesto el anillo de estanqueidad entre la segunda cámara y la cámara auxiliar; de manera que se mejora la estanqueidad global del dispositivo provisto de su sistema de autoaccionamiento.
Según otro aspecto del dispositivo divulgado, que es independiente del guiado y de la estanqueidad del vástago, el rendimiento también se mejora por la limitación de intercambios térmicos conductivos directos entre la cámara caliente y la cámara fría.
De hecho, se propone una propuesta de un dispositivo de compresión de fluido gaseoso que comprende:
- una entrada de fluido gaseoso a comprimir y una salida de fluido gaseoso comprimido,
- un recinto de trabajo que encierra el fluido gaseoso, de manera general de revolución alrededor de un eje y delimitado por un primer cárter y un segundo cárter montados juntos,
el recinto de trabajo que comprende:
- una primera cámara, acoplada térmicamente a una fuente caliente adaptada para aportar calorías al fluido gaseoso a través del primer cárter,
- una segunda cámara acoplada térmicamente a una fuente fría para transferir calorías de fluido gaseoso hacia la fuente fría a través del segundo cárter,
- un pistón montado móvil en una camisa cilíndrica según una dirección axial y que separa la primera cámara y la segunda cámara, pudiendo ser desplazado el pistón por un vástago conectado al pistón, según un movimiento de vaivén axial,
- un intercambiador regenerador dispuesto alrededor del pistón y que pone en comunicación fluida la primera y segunda cámara,
- un canal de comunicación caliente que conecta al menos un orificio de la primera cámara con el intercambiador regenerador, teniendo este canal de comunicación caliente una forma general de revolución alrededor del eje, y en el cual una primera pantalla térmica, formada por una porción cilíndrica anular térmicamente aislante, se interpone entre el pistón y el canal de comunicación caliente, estando formado el canal de comunicación caliente por un intersticio radial formado entre la primera pantalla térmica y el primer cárter.
De manera que se limitan los efectos de conducción térmica, en especial en una porción axial intermedia, y que la gran mayoría de los intercambios térmicos entre las porciones caliente y fría transitan por el flujo físico de convección del fluido de trabajo.
Según un aspecto complementario, el primer Cárter es metálico y presenta una zona anular aislante en forma de porción anular axial de una conducción térmica más reducida; lo que limita aún más los efectos de conducción térmica según la dirección axial.
Según un aspecto complementario, la porción anular de coeficiente de conducción térmica más reducido se encierra en un aro; esto permite obtener una robustez mecánica satisfactoria.
Según un aspecto complementario, la porción anular de coeficiente de conducción térmica más reducido (que forma la zona anular aislante) se obtiene integralmente en el primer cárter disponiendo una pluralidad de huecos (ranuras) repartidos todos alrededor de la pantalla térmica; solución simple de geometría interna controlada.
Según un aspecto complementario, el intersticio que forma el canal de comunicación caliente puede presentar una anchura inferior a 4 milímetros, incluso inferior a 2 milímetros; de manera que el volumen que representa el canal de comunicación caliente es muy limitado, y por tanto el volumen de los gases calientes que comprende la primera cámara y los canales calientes del fluido de trabajo hasta el regenerador, cuando el pistón está en el punto más alto, es inferior a un 15% del volumen barrido por el pistón entre el punto más bajo y el punto más alto.
Según un aspecto complementario, el primer cárter tiene un extremo en forma de cúpula hemisférica, así como la parte superior de la pantalla térmica, así como la parte superior del pistón; lo cual es una forma óptima para resistir los esfuerzos de presión.
Según un aspecto complementario, el pistón puede comprender una parte superior de conducción térmica reducida; esto contribuye a la limitación de los flujos térmicos conducidos de la parte caliente hacia la parte fría.
Según un aspecto complementario, el primer cárter y el segundo cárter son montados entre sí directamente sin pieza intermedia; lo que es una solución simple y robusta;
Según un aspecto complementario, el primer cárter comprende un primer collarín de refuerzo dispuesto entre la porción superior en forma de cúpula y la zona de manguito aislante y un segundo collarín de refuerzo para servir de brida de fijación al segundo cárter; esto contribuye a la robustez mecánica del primer cárter.
Según otro aspecto del dispositivo divulgado, que es independiente del guiado y de la estanqueidad del vástago y de la limitación de los efectos de conducción térmica axial ya expuestos anteriormente, la segunda cámara y los canales fríos del fluido de trabajo se realizan en una sola pieza (denominada en este caso segundo cárter, o pieza estructural fría o “cooler’), siendo realizados los canales en forma de perforaciones obtenidas por mecanizado. De hecho, se propone una propuesta de un dispositivo de compresión de fluido gaseoso que comprende:
- una entrada de fluido gaseoso a comprimir y una salida de fluido gaseoso comprimido,
- un recinto de trabajo que encierra el fluido gaseoso, delimitado por un primer cárter y un segundo cárter montados juntos,
el recinto de trabajo que comprende:
- una primera cámara, acoplada térmicamente a una fuente caliente adaptada para aportar calorías al fluido gaseoso,
- una segunda cámara acoplada térmicamente a una fuente fría para transferir las calorías del fluido gaseoso hacia la fuente fría a través del segundo cárter,
- un pistón montado móvil en una camisa cilíndrica según una dirección axial y que separa la primera cámara y la segunda cámara, pudiendo ser desplazado el pistón por un vástago conectado al pistón, según un movimiento de vaivén axial,
- un intercambiador regenerador dispuesto alrededor del pistón y que pone en comunicación fluida la primera y segunda cámaras,
- al menos un canal de comunicación fría que conecta al menos la segunda cámara al intercambiador regenerador, comprendiendo este canal de comunicación fría una pluralidad de perforaciones axiales dispuestas en el segundo cárter alrededor de la segunda cámara.
De esta manera, se obtienen los conductos del canal de comunicación fría por mecanizado de una pieza maciza, lo que reduce el número de piezas necesario y reduce también los volúmenes muertos en la parte fría.
Según un aspecto complementario, los primeros canales fríos auxiliares que conducen el fluido de acoplamiento de la fuente fría se extienden paralelamente a la dirección axial, y los segundos canales fríos auxiliares se extienden perpendicularmente a la dirección axial y sirven de colector para los primeros canales fríos auxiliares que se conectan al mismo; el intercambiador térmico se obtiene por tanto fácilmente por la proximidad de los canales auxiliares con el canal frío del fluido de trabajo.
Según un aspecto complementario alternativo, todos los primeros canales auxiliares que conducen el fluido de acoplamiento de la fuente fría se extienden perpendicularmente en la dirección axial; los cuales son industrialmente fáciles de mecanizar y esto evita tener que taponar ciertos conductos;
Según un aspecto complementario, el segundo cárter 12 comprende una cavidad cilíndrica adaptada para recibir la parte baja del pistón y una garganta circular dispuesta en la base de la cavidad cilíndrica y que sirve de colector inferior conectando la salida inferior de las perforaciones; se obtiene por tanto una limitación de los volúmenes muertos por el volumen reducido del colector de los canales fríos;
Según un aspecto complementario, un deflector se dispone en la parte baja de la cavidad cilíndrica, dicho deflector delimita con el fondo de la segunda cámara un hueco en forma de disco que forma parte del canal de comunicación frío; por lo cual se evita un calentamiento del vástago y se limita la referencia de calorías debido al vástago de la zona caliente a la zona fría.
Según un aspecto complementario, el segundo cárter puede ser de una pieza monobloque que incluye la porción inferior de la camisa cilíndrica, el canal de comunicación frío y los diferentes canales fríos auxiliares, así como las entradas y salidas del fluido de trabajo; lo que reduce el número de piezas necesarias en la parte fría.
Según un aspecto complementario, además, el volumen de los gases fríos que comprende la segunda cámara y los canales fríos del fluido de trabajo hasta el regenerador, cuando el pistón está en el punto más bajo, es inferior a un 15% del volumen barrido por el pistón entre el punto más bajo y el punto más alto; lo que contribuye a mejorar la eficacia térmica.
Según otro aspecto del dispositivo divulgado, que es independiente del guiado y de la estanqueidad del vástago, de la limitación de los efectos de conducción térmica axial ya y de la estructura consecutiva de la pieza fría expuestas anteriormente, se propone mejorar el control de desplazamiento del pistón.
Con este fin, se propone un dispositivo de compresión de fluido gaseoso que comprende:
- una entrada de fluido gaseoso a comprimir y una salida de fluido gaseoso comprimido,
- un recinto de trabajo que encierra el fluido gaseoso,
- una primera cámara, acoplada térmicamente a una fuente caliente adaptada para aportar calorías al fluido gaseoso,
- una segunda cámara acoplada térmicamente a una fuente fría para trasferir las calorías del fluido gaseoso hacia la fuente fría,
- un pistón montado móvil en una camisa cilíndrica según una dirección axial y que separa la primera cámara y la segunda cámara, pudiendo ser desplazado el pistón por un vástago conectado al pistón, según un movimiento de vaivén axial,
- un intercambiador regenerador que pone en comunicación fluida la primera y segunda cámaras,
comprendiendo el dispositivo de compresión un dispositivo de autoaccionamiento que actúa sobre un extremo del vástago y que comprende por un lado una biela conectada al vástago y un volante de inercia conectado a la biela, y por otro lado un medio de recuperación elástica de doble efecto, conectado al vástago y que tiene un punto neutro correspondiente a una posición en las proximidades del punto medio de la carrera del pistón.
Gracias a estas disposiciones, el medio de recuperación elástica almacena cíclicamente, de forma alternativa, una cierta energía, en paralelo a la que es almacenada en el volante de inercia, lo que permite reducir los esfuerzos en los palieres del conjunto biela-volante y dimensionar este último de forma más precisa.
Según un aspecto complementario, el medio de recuperación elástica puede comprender dos resortes que trabajan de manera antagonista; se pueden por tanto evitar los recorridos muertos y la histéresis y/o compensar las dispersiones de las características de los resortes.
Según un aspecto complementario, el dispositivo de autoaccionamiento puede comprender un motor acoplado magnéticamente al volante de inercia; lo que permite dar un impulso inicial de puesta en marcha y regular a continuación la velocidad de rotación.
Según un aspecto complementario, el dispositivo de autoaccionamiento está dispuesto en una cámara auxiliar en la cual reina una presión media que es la semisuma de las presiones P1 de admisión y P2 de salida; se tienen por tanto intercambios equilibrados y limitados con la segunda cámara.
Finalmente, la invención tiene por objetivo igualmente un sistema térmico que comprende un circuito portador de calor y al menos un compresor según una de las características anteriores. El sistema térmico en cuestión puede estar destinado a extraer calorías en un lugar cerrado y en este caso es un sistema de climatización o de enfriamiento, pero el sistema térmico en cuestión puede también estar destinado a aportar calorías en un lugar
cerrado y en este caso es un sistema de calentamiento como por ejemplo de calentamiento residencial o de calentamiento industrial.
Otros aspectos, objetivos y ventajas de la invención aparecerán de la lectura de la descripción siguiente de modos de realización de la invención, dados a título de ejemplos no limitativos. La invención se comprenderá del mismo modo mejor en referencia a los dibujos adjuntos en los cuales:
Descripción de las figuras
- la figura 1 es una vista esquemática en sección axial de un dispositivo de compresión de fluido gaseoso según la invención,
- la figura 2 representa una vista en detalle parcial de guiado del vástago,
- la figura 3 representa una vista en perspectiva de una pieza fría comprendida en el dispositivo de la figura 1, - la figura 4 representa una vista en perspectiva de las partes calientes comprendidas en el dispositivo de la figura 1,
- la figura 5 representa una vista en perspectiva de la pieza fría de la figura 3, con una sección transversal y un arranque de la parte seccionada,
- la figura 6 representa un detalle que se refiere al anillo de estanqueidad,
- la figura 7 representa un detalle que se refiere a la interfaz pistón-camisa,
- la figura 8 representa un diagrama del ciclo termodinámico implementado en el dispositivo, en especial para el dispositivo de autoaccionamiento,
- la figura 9 representa un segundo modo de realización de la pieza fría,
- la figura 10 representa un segundo modo de realización que se refiere al dispositivo de autoaccionamiento, - la figura 11 representa el montaje de pistón,
- la figura 12 muestra una vista parcial del primer cárter que ilustra la porción de conductividad térmica más reducida.
En las diferentes figuras, las mismas referencias designan elementos idénticos o similares,
Descripción detallada de la invención
La figura 1 muestra un dispositivo 1 de compresión de fluido gaseoso, adaptado para admitir un fluido gaseoso (también denominado “fluido de trabajo”) por una entrada o admisión 46, a una presión P1 y proporcionar a una salida denominada 47 el fluido comprendido a una presión P2.
Como se representa en las figuras 1 a 12, el dispositivo está construido alrededor de una dirección X axial, que está dispuesta, con preferencia, verticalmente, pero no se excluye otra disposición. Según este eje se puede desplazar un pistón 7 montado móvil en al menos una camisa 50 cilíndrica. Dicho pistón separa herméticamente dos espacios cerrados, denominados respectivamente primera cámara 21, segunda cámara 22, estando incluidas estas dos cámaras en un recinto 2 de trabajo hermético (excepto las entradas/salidas mencionadas anteriormente. El recinto 2 de trabajo presenta un extremo 2h superior y un extremo 2b inferior. El pistón presenta una porción superior en forma de cúpula, por ejemplo hemisférica.
El recinto 2 de trabajo está delimitado por un primer cárter 11, dispuesto en la parte superior del montaje en contacto térmico con la fuente caliente al menos en una zona superior, y por un segundo cárter 12, dispuesto en la parte inferior, y enfriado por la fuente fría. Según los términos en la lengua inglesa, el primer cárter 11 se puede denominar “heatef’ y el segundo cárter 12 se puede denominar “cooler’. La camisa 50 cilíndrica se extiende a la vez en el segundo cárter y en el interior del primer cárter, en contacto con una pieza denominada “pantalla térmica” 35 la cual se tratará más adelante.
El primer cárter 11 está fabricado de un material de acero inoxidable o una aleación metálica suficientemente resistente para soportar la temperatura de la parte caliente. El segundo cárter 12 está realizado con preferencia en una aleación metálica ligera, siendo su temperatura de servicio menos elevada.
El primer cárter 11 y el segundo cárter 12 están, en el ejemplo ilustrado, montados entre sí directamente sin pieza intermedia. Sin embargo, podrían estar montados juntos con una (incluso varias) pieza intermedia.
La primera cámara 21, denominada también “cámara caliente”, está dispuesta por encima del pistón y acoplada térmicamente a una fuente 6 caliente adaptada para aportar calorías al fluido gaseoso. La primera cámara es de revolución con una porción cilíndrica de diámetro correspondiente al diámetro D1 del pistón y una porción hemisférica en la parte superior.
La fuente 6 caliente está dispuesta toda alrededor de la cámara 21 caliente, en particular en contacto con el primer cárter 11.
La segunda cámara 22, denominada también “cámara fría” está dispuesta por debajo del pistón y acoplada térmicamente a una fuente 5 fría para trasferir las calorías del fluido gaseoso hacia la fuente fría. La segunda cámara tiene forma general cilíndrica, de diámetro D1 correspondiente al diámetro del pistón.
Alrededor de la camisa 50 cilíndrica se dispone un intercambiador 9 regenerador, del tipo de los utilizados clásicamente en las máquinas termodinámicas de tipo máquina Stirling. Este intercambiador 9 (que denominaremos también simplemente “regenerador” a partir de ahora) comprende canales de fluido de sección reducida y elementos de almacenamiento de energía térmica y/o una red cerrada de hilos metálicos. Este regenerador 9 está dispuesto a una altura intermedia entre el extremo 2h superior y el extremo 2b inferior del recinto y presenta un lado 9a caliente hacia arriba y un lado 9b frío hacia abajo.
El lado 9a caliente está conectado (puesto en comunicación fluida) con la primera cámara 21, por medio de un canal 25 de comunicación caliente que comprende colectores 28, un pasaje 25 anular, el cual se une al orificio 24 situado en la parte superior de la primera cámara 21.
La porción superior del pasaje 25 anular permite al fluido contactar con el primer cárter 11, en su porción superior donde está particularmente caliente en contacto con la fuente caliente (muy buen acoplamiento térmico).
El canal 25 de comunicación caliente está formado por un intersticio radial de espesor reducido (<4 mm, incluso <2 mm, incluso próximo a 1 mm) formado entre el primer cárter 11 y una pieza que comprende una primera pantalla térmica. La primera pantalla 35 térmica, formada por una porción cilíndrica anular térmicamente aislante, se interpone entre el pistón 7 y el canal 25 de comunicación caliente, y por consiguiente el fluido de trabajo no calienta las partes laterales del pistón.
La primera pantalla 35 térmica está fabricada de cerámica o de un aislante de alta temperatura. Su grosor es sensiblemente constante en el ejemplo ilustrado.
La parte cilíndrica puede prolongarse por encima mediante una parte hemisférica con un espesor casi constante, estando configurada esta parte hemisférica para adaptarse a la superficie exterior del pistón cuando este último está en posición máxima alta; en la parte superior de la porción hemisférica se dispone un orificio 24 por el cual pasa el flujo de entrada y de salida de la primera cámara 21.
El lado 9b frío del regenerador 9 está conectado (puesto en comunicación fluida) con la segunda cámara 22, por medio de un canal de comunicación frío que comprende colectores 27 y canales 26 fríos en forma de perforaciones en el segundo cárter cuya disposición se precisará a continuación.
Como se desprende de las figuras, cuando el pistón se desplaza, la suma de los volúmenes de la primera y segunda cámaras 21, 22 es sensiblemente constante, excepto que el volumen ocupado por el vástago 8 es un poco menos importante cuando el pistón está en posición alta. Además, el volumen de fluido de trabajo contenido en el regenerador 9, los canales 26, 27 fríos y el canal 28, 25 de comunicación caliente es constante, y por consiguiente el volumen total del fluido gaseoso en el recinto 2 es casi constante.
Según la arquitectura constructiva ventajosa retenida, el volumen de los gases calientes que comprenden la primera cámara 21 y los conductos 25 calientes hasta el regenerador es, cuando el pistón está en el punto más alto, inferior a un 15% del volumen barrido por el pistón entre el punto más bajo y el punto más alto, incluso inferior a un 10%. Del mismo modo, el volumen de gases fríos, cuando el pistón está en el punto más bajo, que comprende el volumen residual de la segunda cámara 22 y los canales 26 de comunicación fría, es inferior a un 15% del volumen total barrido por el pistón, incluso inferior a un 10%.
Desde el punto de vista de su arquitectura estructural, el dispositivo comprende:
- el segundo cárter 12 que delimita la segunda cámara 22 gracias a la camisa mencionada anteriormente, con la parte inferior del pistón; esta pieza es relativamente maciza, y comprende además la entrada 46 y la salida 47 de fluido,
- el primer cárter 11, que delimita la primera cámara 21, gracias a la superficie interior de la pantalla 35 térmica con la parte superior del pistón 7h, y que comprende una zona de manguito aislante formada por una porción 37 de una conducción térmica más reducida, enfrentada a parte del regenerador (véase la figura 12),
- la pantalla 35 térmica que forma la camisa 50 sobre su superficie interior y que delimita sobre su superficie exterior la superficie radialmente interior del canal 25 de comunicación caliente,
- una pantalla 36 térmica auxiliar interpuesta entre el canal 25 de comunicación caliente y la porción de conducción 37 más reducida del primer cárter,
- un montaje 78 móvil que comprende el pistón 7 mencionado anteriormente y un vástago 8 fijado al pistón; dicho vástago 8 es de sección redonda de diámetro D2 y presenta un sistema 87 de centrado y de fijación sobre el eje del pistón;
- el regenerador 9 mencionado anteriormente, dispuesto en el interior de la pieza 11 estructural superior y alrededor de la camisa 50.
Por debajo del vástago 8 se dispone un sistema de control del desplazamiento del pistón, el cual está contenido en un cárter 13 auxiliar que delimita una tercera cámara 23 o cámara 23 auxiliar. El cárter 13 auxiliar está fijado a una zapata 10 que pertenece al primer cárter 11, por medio de tornillos pasantes por los agujeros 160.
De manera opcional, el dispositivo puede también comprender cómo sistema de control un dispositivo 4 de autoaccionamiento particular que será tratado más adelante,
Además, el segundo cárter 12, comprende un rebaje 12a axial que recibe sin juego un casquillo 17 cilíndrico cuya superficie cilíndrica interior está mecanizada con precisión. El casquillo está montado por presión en el rebaje 12a de la pieza 12 estructural inferior.
En este casquillo 17 se recibe un sistema 3 de guiado lineal que guía con precisión el vástago 8 con el fin de guiar el pistón 7 con precisión, con preferencia en contacto con respecto a la camisa como se precisará continuación.
En el ejemplo ilustrado, el sistema 3 de guiado lineal un dispositivo de cilindro con bolas, de tipo vaina 30 cilíndrica con bolas 31. Las bolas 31 ruedan sobre el casquillo y la vaina 30 se desplaza dos veces menos rápido que el vástago 8.
En cuanto a la función de estanqueidad con respecto al vástago móvil, se dispone un anillo 18 de estanqueidad cilíndrico fijado en el casquillo 17 cilíndrico, y distinto del sistema de guiado; este anillo 18 de estanqueidad rodea al vástago con un juego e1 radial comprendido entre 2 y 20 pm, para limitar de forma importante paso del fluido gaseoso al pasar a lo largo del vástago 8 móvil (véase la figura 6). Con preferencia, se contemplará de forma preferible, un juego e1 radial comprendido entre 10 y 15 pm.
Gracias al guiado de precisión del vástago, se obtiene por consiguiente un guiado de precisión del pistón, debido a la fijación rígida del pistón en el vástago. De forma más precisa, el pistón 7 presenta un borde 73, 74 exterior dispuesto de manera adyacente a la camisa 50 y el borde exterior del pistón es guiado sin rozamiento en la camisa con un juego e2 funcional entre el borde exterior de unión y la camisa comprendido entre 5 pm y 30 pm, con preferencia próximo a 10 pm (véase la figura 7). El borde exterior se obtiene, con preferencia, integralmente a la parte 71 baja del pistón pero podría ser conveniente cualquier otra solución.
Gracias a esta geometría precisa, se obtiene una estanqueidad satisfactoria en modo dinámico durante los movimientos de vaivén del pistón, cuya frecuencia de movimiento alternativa está comprendida entre varios hercios y varias decenas incluso varias centenas de hercios.
Además, esta disposición permite evitar cualquier desgaste por rozamiento o contacto; se puede por tanto prescindir de cualquier lubricación líquida de manera que el dispositivo está desprovisto de lubricación líquida.
A diferencia de un compresor volumétrico, en el presente compresor térmico son los intercambios térmicos que desplazan el pistón y no el vástago y su conjunto de bielas. Por consiguiente hay muy pocos esfuerzos radiales sobre el vástago y el pistón en el presente compresor térmico, lo que permite contemplar un guiado preciso y una ausencia de rozamiento como se indicó más arriba. Se alcanza por tanto una vida útil de varias decenas de millares de horas sin mantenimiento.
El fluido elegido como fluido de trabajo puede ser cualquier fluido adecuado, en particular cualquier gas ligero; el mismo puede ser amoniaco, pero la elección puede basarse en el CO2 por razones medioambientales.
Según un ejemplo de implementación de la invención, la temperatura de la parte fría se establece en las proximidades de 50 °C, mientras que la temperatura de la parte caliente se establece en las proximidades de 650 °C.
El manguito 37 aislante se obtiene por una pluralidad de huecos 38 separados por paredes 39 radiales como se ilustra en la figura 12, esta alternancia de huecos de las dos paredes radiales que se reproduce alrededor de toda la circunferencia del primer cárter de la parte superior del regenerador 9.
Alrededor de la zona de manguito aislante térmico, se dispone un aro 15, que tiene por objetivo reforzar la solidez mecánica del primer cárter a nivel de la zona de conductividad térmica más reducida. El extremo de las paredes 39 radiales es limitado radialmente hacia el interior por la presencia de este aro 15, que puede ser montado con un ligero pretensado y por consiguiente la robustez mecánica de esta porción intermedia del primer cárter 11 es satisfactoria.
Además, el primer cárter 11 comprende un primer collarín 11a de refuerzo dispuesto entre la porción superior en forma de cúpula y la zona de manguito aislante y un segundo collarín 11b de refuerzo para servir de brida de fijación al segundo cárter 12.
Se monta el primer cárter 11 en el segundo cárter 12 a nivel del plano P de interfaz por medio de una pluralidad de tornillos que atraviesan respectivamente los agujeros 110 en la parte baja de la pieza caliente (collarín 11b del primer cárter 11), y los agujeros 112 en la parte alta de la pieza fría, que pueden ser agujeros roscados.
El funcionamiento del compresor se asegura por el movimiento alternativo del pistón 7, así como por la acción de una válvula 46a de aspiración en la entrada 46, de una válvula 47a antirretorno de descarga en la salida 47.
Las diferentes etapas A, B, C, D descritas a continuación son representadas en las figuras 1 y 8.
Etapa A.
El pistón, inicialmente subido, se desplaza hacia abajo y el volumen de la primera cámara 21 aumenta mientras que el volumen de la segunda cámara 22 disminuye. Debido a ello, el fluido se empuja a través del regenerador 9 de la parte inferior hacia la parte superior, y se calienta durante su paso. La presión Pw aumenta de manera concurrente. Etapa B.
Cuando la presión Pw sobrepasa un cierto valor, la válvula 47a de salida se abre y la presión Pw se establece a la presión P2 de salida del fluido comprimido y el fluido es expulsado hacia la salida (la válvula 46a de entrada permanece por supuesto cerrada durante este tiempo). Esto se continúa hasta el punto muerto bajo del pistón. Etapa C.
El pistón se desplaza ahora desde la parte inferior hacia la parte superior y el volumen de la segunda cámara aumenta mientras que el primer volumen de la cámara disminuye. Debido a ello, el fluido es empujado a través del regenerador 9 de la parte superior hacia la parte inferior, y se enfría durante su paso, la presión Pw disminuye de manera concurrente. La válvula 47a de salida se cierra al principio de la subida.
Etapa D.
Cuando la presión Pw pasa por debajo de un cierto valor, la válvula 46a de entrada se abre y la presión Pw se establece a la presión P1 de entrada del fluido y el fluido es aspirado por la entrada 46 (la válvula 47a de salida permanece por supuesto cerrada durante este tiempo). Esto se continúa hasta el punto muerto alto del pistón. La válvula 46a de entrada se cerrará desde el comienzo del descenso del pistón.
Los movimientos del vástago 8 se pueden controlar por cualquier dispositivo de accionamiento adecuado dispuesto en la cámara 23 auxiliar. En el ejemplo ilustrado, se trata de un dispositivo 4 de autoaccionamiento que actúa sobre un extremo del vástago. Este dispositivo 4 de autoaccionamiento comprende un volante 42 de inercia, una biela 41 conectada a dicho volante por una conexión de pivote, por ejemplo un palier 43 de rodamiento. La biela 41 está conectada al vástago por otra conexión de pivote, por ejemplo un palier 44 de rodamiento.
En el ejemplo ilustrado, el dispositivo 4 de autoaccionamiento está albergado en una cámara 23 auxiliar llena del fluido gaseoso de trabajo a una presión denominada Pa. El anillo 18 de estanqueidad se interpone entre la segunda cámara 22 y la cámara 23 auxiliar. Cuando el dispositivo está en funcionamiento, la presión Pa en la cámara 23 auxiliar converge hacia una presión media sensiblemente igual a la semisuma de las presiones mínima P1 y máxima P2. Cuando el dispositivo se detiene después de un cierto tiempo, la presión Pa en la cámara auxiliar se hace igual a la presión reinante en la segunda cámara 22. De hecho, debido al juego funcional comprendido entre 2 y 20 micrómetros entre el anillo 18 y el vástago 8, una fuga muy pequeña no permite conservar un diferencial de presión a largo plazo, pero en régimen dinámico, está fuga muy pequeña no interfiere con el funcionamiento y sigue siendo insignificante.
Cuando el volante gira una vuelta, el pistón barre un volumen correspondiente a la distancia entre el punto muerto y el punto muerto bajo, multiplicado por el diámetro D1.
El diámetro D2 del vástago es superior a un cuarto del diámetro D1 del pistón, de manera que la presión ejercida por el pistón vale (Pw-Pa) x D2.
El ciclo termodinámico, tal y como se representa en la figura 8 proporciona un trabajo positivo al dispositivo de autoaccionamiento.
Como se ilustra en la figura 8, los esfuerzos ejercidos sobre el pistón proporcionan la energía al volante de inercia durante las etapas A, B, mientras que en las etapas C, D, es el volante de inercia el que proporciona la energía al
tren de pistones, sabiendo que el pistón debe en cualquier momento vencer los esfuerzos de rodamiento o rozamiento mínimo residuales. El balance de trabajo proporcionado por el ciclo completo es positivo; resulta que el desplazamiento de vaivén del pistón 7 puede ser autoaccionado por dicho sistema 4 de autoaccionamiento.
El trabajo de autoaccionamiento es proporcional a la sección del vástago y por consiguiente la sección del vástago será elegida de manera que genere suficiente trabajo. Se elegirá por ejemplo un diámetro D2 al menos igual a un cuarto del diámetro D1 del pistón.
Un motor eléctrico (no representado) está acoplado, en el ejemplo en este caso por medios magnéticos, con el volante de inercia. Este motor permite dar un impulso inicial para poner en marcha el ciclo. El motor sirve también para regular la velocidad del ciclo en régimen estable. El acoplamiento magnético entre el motor y el volante de inercia permite evitar cualquier problema de unión giratoria y de fuga potencial asociada.
Además, de forma ventajosa según un aspecto opcional representado en la figura 10, se dispone como suplemento un muelle 45 elástico de doble efecto, que funciona en paralelo al conjunto biela-volante mencionado anteriormente. Por ejemplo, este puede estar formado por un muelle que funciona en tracción y compresión y cuya longitud de equilibrio se elige para no ejercer ningún esfuerzo en un punto medio de la carrera del ciclo.
El medio de recuperación elástica almacena y restituye de forma cíclica la energía.
De forma alternativa, se pueden también disponer los resortes que trabajan de forma antagonista y por tanto los esfuerzos se equilibran en el punto medio de la carrera del ciclo.
De forma ventajosa, los esfuerzos soportados por el conjunto biela-volantes se disminuyen ya que una parte de los esfuerzos es soportada por el sistema de recuperación elástica.
Se pueden por tanto dimensionar de la manera más precisa los palieres 43, 44 lo cual coincide con la optimización del mecanismo de accionamiento y la ausencia de necesidad de mantenimiento.
Para minimizar las trasferencias térmicas por conducción, el pistón está construido en dos partes, como se ilustra en particular en la figura 11, una base 71 con características geométricas muy precisas como se indicó anteriormente (en especial el borde 73) y una cabeza 72 que está realizada de un material poco conductor térmicamente o de varias capas separadas por aislantes térmicos.
Además, el vástago 8 se enfría por un dispositivo 14 de deflexión del flujo de fluido gaseoso enfriado; este dispositivo guía al fluido de manera que el fluido gaseoso frío contacta con el vástago 8 y lo enfría.
El deflector 14 se presenta como un disco de diámetro D1 exterior con un orificio central de diámetro un poco superior al de D2 del vástago (véase la figura 2), de manera que se define por tanto un pasaje 14a, el cual obliga al fluido de trabajo frío a contactar con el vástago 8 de manera que lo enfría.
Los canales se realizan en forma de perforaciones obtenidas por mecanizado en la pieza 11 estructural inferior, es decir el primer cárter o el “cooler’. De manera preferida, el primer cárter y una pieza monobloque maciza como se representa en las figuras 3 y 5.
Los canales 26 fríos del fluido de trabajo gaseoso se forman en este lugar por perforaciones 16 que se extienden paralelamente a la dirección X axial y se disponen circunferencialmente unas al lado de las otras alrededor de la segunda cámara. Dichas perforaciones 16 comprenden perforaciones 67 de pequeño diámetro y perforaciones 66 de diámetro más grande en las zonas diametrales de conexión de la entrada 46 y de la salida 47.
Además, primeros canales 51 fríos auxiliares conducen el fluido de acoplamiento de la fuente fría extendiéndose paralelamente a la dirección axial y se disponen según un cuadrado en la cara de los agujeros 160 de la zapata 10; además, otros segundos canales 52 fríos auxiliares se extienden según Y1 perpendicularmente a la dirección axial y sirven de colector a los primeros canales 51 fríos auxiliares conectándose a los mismos (véase la figura 5). Además, otros segundos canales 53 fríos auxiliares extienden según Y2 perpendicularmente a X y a Y1.
Los primeros canales 51 fríos auxiliares y los segundos canales 52 fríos auxiliares se realizan del mismo modo por perforaciones a través de la pieza maciza formada por el primer cárter 11.
Además, la cámara fría comprende una ranura 55 inferior de diámetro superior al diámetro D del pistón que sirve de colector a los canales 26 fríos (perforaciones 16) para poner en comunicación dichos canales 26 fríos con el fondo 65 de la segunda cámara 22, (véanse las figuras 2 y 3).
Además, según una solución alternativa representada en la figura 9, se obtienen todos los primeros canales 57, 58 fríos auxiliares por perforaciones perpendicularmente a la dirección axial. Una primera serie 57 de perforaciones se dispone según Y2 unas por encima de otras y pasan a través del círculo sobre el que se disponen las perforaciones
16; una segunda serie 58 de perforaciones también se disponen unas por encima de otras según Y1, cruzando en ángulo recto las perforaciones 57 de la primera serie con comunicación fluida, y pasando, del mismo modo, a través del círculo sobre el cual se disponen las perforaciones 16. Esta variante presenta ciertos intereses referentes a la fabricación industrial de dicha pieza maciza y de su mecanizado.
Se ha de observar que las válvulas 46a, 47a de antirretorno pueden ser de cualquier tipo utilizado actualmente en los compresores y no son forzosamente dispuestas en las proximidades de la entrada y la salida 46, 47.
Se ha de observar que la disposición del dispositivo podría invertirse, es decir la parte fría arriba y la parte caliente abajo, pero ha de entenderse que la disposición según la vertical permite eliminar los efectos de la gravedad con respecto a la dirección radial del dispositivo y en particular con respecto al guiado del vástago y al guiado del pistón y a la eliminación de rozamientos.
Se ha de observar que para aumentar la tasa de compresión, es posible disponer en serie varios dispositivos de compresión tales como los descritos anteriormente.
Se ha de observar que la frontera entre el primer cárter y el segundo cárter podría situarse en una posición diferente. El manguito 37 aislante podría estar formado por una pieza específica interpuesta entre el primer y segundo cárteres.
Claims (9)
1. Dispositivo de compresión térmica de fluido gaseoso, que comprende:
- una entrada (46) de fluido gaseoso a comprimir y una salida (47) de fluido gaseoso comprimido,
- un recinto (2) de trabajo que encierra al fluido gaseoso,
- una primera cámara (21) acoplada térmicamente a una fuente (6) caliente adaptada para aportar calorías al fluido gaseoso,
- una segunda cámara (22) acoplada térmicamente a una fuente (5) fría para transferir las calorías del fluido gaseoso hacia la fuente fría,
- un pistón (7) móvil montado en una camisa cilíndrica según una dirección (X) axial y que separa la primera cámara (21) y la segunda cámara (22) en el interior de dicho recinto de trabajo, siendo desplazado el pistón por un vástago (8) fijado al pistón,
- un intercambiador (9) regenerador y canales de comunicación que ponen en comunicación fluida la primera y segunda cámaras,
en el cual el vástago está dispuesto en un casquillo (17) cilindrico fijado al recinto, y el vástago es guiado en traslación axial por un sistema (3) de guiado lineal con el fin de guiar el pistón sin contacto con respecto a la camisa, y
- un anillo (18) de estanqueidad cilindrico fijado en el casquillo cilindrico y que rodea al vástago con un juego (e1) radial comprendido entre 2 y 20 pm, para limitar de forma importante el paso del fluido gaseoso a lo largo del vástago móvil desde y hacia una cámara (23) auxiliar,
caracterizado porque el sistema (3) de guiado lineal es una vaina (31) cilindrica con bolas, en la cual las bolas (31) ruedan sobre el casquillo y la vaina (30) se desplaza dos veces menos rápido que el vástago (8).
2. Dispositivo de compresión según la reivindicación 1, en el cual el pistón presenta un borde (73) exterior dispuesto de manera adyacente a la camisa (50) y el borde exterior del pistón es guiado sin rozamiento en la camisa con un juego (e2) funcional entre el borde exterior y la camisa comprendido entre 5 pm y 30 pm, con preferencia próximo a 10 pm.
3. Dispositivo de compresión según una de las reivindicaciones 1-2, en el cual el anillo (18) de estanqueidad cilindrico es distinto del sistema (3) de guiado lineal.
4. Dispositivo de compresión según una de las reivindicaciones 1-3, caracterizado porque está desprovisto de lubricación liquida.
5. Dispositivo de compresión según una de las reivindicaciones 1-4, en el cual el vástago se enfria por un dispositivo (14) de deflexión del flujo del fluido gaseoso enfriado.
6. Dispositivo de compresión según una de las reivindicaciones 1-5, en el cual el vástago presenta un diámetro (D2) superior a un cuarto del diámetro (D1) del pistón.
7. Dispositivo de compresión según una de las reivindicaciones 1-6, que comprende además un dispositivo (4) de autoaccionamiento que actúa sobre un extremo del vástago y que comprende una biela conectada al vástago y un volante de inercia conectado a la biela.
8. Dispositivo de compresión según la reivindicación 7, en el cual el dispositivo (4) de autoaccionamiento está dispuesto en la cámara (23) auxiliar llena del fluido gaseoso, estando interpuesto el anillo (18) de estanqueidad entre la segunda cámara y la cámara auxiliar.
9. Sistema térmico que comprende el circuito portador de calor y al menos un compresor según una de las reivindicaciones anteriores.
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