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