WO2017093826A1 - Sistema hidraulico reciprocante - Google Patents

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WO2017093826A1
WO2017093826A1 PCT/IB2016/056662 IB2016056662W WO2017093826A1 WO 2017093826 A1 WO2017093826 A1 WO 2017093826A1 IB 2016056662 W IB2016056662 W IB 2016056662W WO 2017093826 A1 WO2017093826 A1 WO 2017093826A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pistons
hydraulic system
bathyscaphe
reciprocating
bodies
Prior art date
Application number
PCT/IB2016/056662
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English (en)
French (fr)
Inventor
Marco Antonio RUEDA RINCON
Original Assignee
Rueda Rincon Marco Antonio
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Filing date
Publication date
Application filed by Rueda Rincon Marco Antonio filed Critical Rueda Rincon Marco Antonio
Publication of WO2017093826A1 publication Critical patent/WO2017093826A1/es

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B17/00—Other machines or engines
    • F03B17/02—Other machines or engines using hydrostatic thrust
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B17/00—Other machines or engines
    • F03B17/02—Other machines or engines using hydrostatic thrust
    • F03B17/04—Alleged perpetua mobilia

Definitions

  • the system belongs to the technical field of hydraulics, particularly it refers to a hydraulic system and more specifically to a hydraulic system comprising pistons or bodies of variable density that move to perform a job and / or produce electrical, pneumatic and hydraulic energy of Environment friendly way.
  • Sources and alternatives of non-polluting energy have been developed in order to replace hydrocarbons, coal and radioactive materials in power generation processes.
  • generation systems have been developed that use energy from the sun, wind, tides, waves and forces such as magnetism, buoyancy and terrestrial gravity.
  • none of the existing technologies are able to compete with the large power plants.
  • the hydroelectric generation process which is the least polluting of large generation systems, uses very high water flows that make it vulnerable, when there is a shortage of said resource.
  • the floating body chamber When the floating body chamber is filled with water, its weight is not guaranteed to be a sufficient ballast to submerge at the same ascent rate, because its density still full of water is similar to that of this fluid.
  • the density of the solid body (outer shell) that configures the buoyant body For it to submerge, the density of the solid body (outer shell) that configures the buoyant body must be very high. In the same proportion that is increased The weight of the body decreases the net thrust force, and consequently the rising power. It is not a substitute for large-scale power generation due to the low power achieved and water consumption.
  • the power plant described in WO2014035267 consumes water and air for the piston refill process. It would not have applications for large energy productions because it consumes water.
  • the air recharge system is very slow because it is sucked from the atmosphere by the drainage water, through very small ducts. If pressurized air was supplied to increase performance it would be necessary to produce it by other means consuming energy.
  • the speed of the floating body cannot be regulated, because it has a fixed volume camera and can only be reconfigured at the end of its ascent and / or descent stroke. It is necessary to brake the pistons and keep them standing while recharging. As the system is described, it is difficult to synchronize more than one pair of pistons to obtain continuous movement in the machine.
  • Pistons or bodies of varying density that exchange their internal content between water, air or a gas.
  • the new self-sufficient reciprocating system when configured as a bathyscaphe buoyant capsule, with a sealed gas chamber, it does not consume water, air or natural resources.
  • the new self-sufficient reciprocating system when configured as a bathyscaphe buoyant capsule, with a sealed gas chamber, it does not consume water, air or natural resources.
  • it incorporates notable differences from the systems that are known today and resolves all the aforementioned problems.
  • the buoyant bodies, of this new reciprocating hydraulic system differ from those already existing, because they have independent chambers for gas and water, which allows air and / or gas to be managed, compressed and / or expanded inside of your camera independently, while the liquid or water fills or simultaneously vacates another independent chamber.
  • Figure 1 Piston valve type butterfly. Front, side and top view.
  • Figure 2. Top view and elevation elevation of a bathyscaphe type piston.
  • Figure 3 Top view and elevation elevation of a bathyscaphe with guides.
  • Figure 4. Closed hydraulic system with ducts joined by its lower part.
  • Figure 7. Perspective view of a rotary hydraulic system.
  • Figure 8. Side view of a rotating prototype for power generation.
  • the driving mechanism of this innovative reciprocating hydraulic system is made up of two buoyant physical bodies, which when moored to make them a slave to each other, forces them to move, at the same time and in the opposite direction in two vertical columns of a liquid, by the principles and laws of Archimedes, Newton, Pascal and Boyle Mariotte.
  • buoyant bodies move within two vertical cylinders, they become pistons, their operation resembles that of reciprocating pumps, with the novelty that their pistons do not need connecting rods or levers, and only use the thrust of the fluid and the earth's gravity as forces to achieve a synchronized reciprocating movement. These differences allow the piston to develop great strokes, an effect that is not possible in existing devices.
  • the bodies move freely in the liquid column of a reservoir, guided by an open vertical structure or armor, similar to a system of sliding guide rails for elevators, the configuration of the reciprocating hydraulic system resembles that of the cable cars and It works by the principle of compensated load.
  • the new reciprocating hydraulic system uses the thrust force exerted by the liquid, on the buoyant body filled with a gas, when it is submerged; and the force of gravity to lower it when the buoyant body fills with the liquid.
  • the buoyant force makes it rise and helps the force of gravity to make it descend.
  • the closed prototype hydraulic prototypes are ideal for the production of pneumatic and hydraulic energy and the open prototype hydraulic prototypes for motor configuration.
  • the optimum is to configure production processes in chain, where both systems intervene.
  • the system is ideal for recirculation, treatment and efficient use of water; electrical generation, and aeration of wastewater and for other applications, among which are:
  • the reciprocating hydraulic system can be configured so that its buoyant bodies move within a fluid duct or in the liquid column, without the need for a duct, they can be grouped into two categories: • Closed duct systems: which use tubes or cylinders to displace buoyant bodies such as pistons.
  • Open duct systems which use sliding guides for the movement of buoyant bodies in the water column.
  • Closed duct systems are characterized in that the floating body behaves like a piston, which uses the ducts as cylinders for its displacement and the open duct systems because the floating body behaves as a water immersion vehicle, underwater type or bathyscaphe, which is forced to follow a vertical path within a structural guide.
  • the system also has the conventional accessories required by traditional pumping equipment, compressors and / or engines, of which references are made in some cases.
  • the configuration of the reciprocating hydraulic system of the present invention comprises at least the following parts:
  • Buoyant Bodies There are two types of buoyant or floating bodies that are very simple and easy to implement. The first is used exclusively in closed duct systems and the second has application in both hydraulic systems.
  • the buoyant body is the driving part and the most important element of the reciprocating hydraulic system. It is characterized in that it can change its configuration so that its density is greater or less than that of the liquid in which it moves.
  • Figures 1, 2 and 3 represent several possible configurations of the bodies, not the only ones.
  • the two buoyant bodies are shown in their extreme positions; (1 i) in the lower part of the descent race and (1 s), in the upper part of the ascent race.
  • the buoyant body can be a kind of bathyscaphe or cylindrical capsule characterized by having two chambers separated by an internal disk (2), similar to that of a hypodermic syringe. In figure (1 and 2) you can see the bathyscaphe with its gas chamber (3) and water chamber (4).
  • the bathyscaphe shell is composed of a cylindrical body (5) with an aerodynamic bottom (6). Inside the cylinder there is a disk (2), which acts as a floating lid of the gas chamber and at the same time becomes a moving bottom of the water chamber. The inner surface of the cylinder must be burnished to make it easier for the disc to move like a piston.
  • the disc moves along the internal walls of the bathyscaphe body, guided by an endless screw (7).
  • the disk travels, like a piston to compress or expand the gas inside a sealed chamber.
  • a chamber (4) is filled and filled with water, which disappears when the gas expands.
  • the bottom of the gas chamber has a nipple or appendix (8) for the refill of the gas and the support brackets (9 and 43) to tie the chains, ropes or tie ropes of the two bathyscaphe (10), for its displacement in open or closed ducts.
  • a circular crown (12) that serves as a stop to the disk and at the same time as a support for the endless screw.
  • the circular crown can have radii (13), centered on a stop bushing (14) or bearing, in which the head of (20) of the worm (7) rotates.
  • a bushing or cylindrical roller bearing (15) can also be used to center the screw and facilitate its rotation. This crown must have an aerodynamic shape to facilitate the movement of the bathyscaphe
  • the screw can be driven by a single motor (22) slave to the bathyscaphe, which is coupled directly to the head (20) or base of the screw and traveling with the capsule, which is responsible for rotating the screw in both directions.
  • the screw can also be driven by two independent motors that are located at the ends of the ascending and descending runs of the bathyscaphe.
  • the bathyscaphe can be configured with its water chamber and engine, above or below, it is most convenient that both the water chamber and the engine be located below to take advantage of the turbulence of the water flow to cool the engine already at the same time impel the capsule with the water jet that comes out of this chamber.
  • This configuration is ideal for handling water with moderate suspended solids, because they are less likely to adhere and scratch the walls of the bathyscaphe cylinder. It also allows us to install a net of compensation or transfer of gas from the chamber of one of the bathyscaphs to that of its counterpart, to minimize the power of the motors that drive the worm.
  • a pulley is used that is attached to the upper pinion, through which a flexible pipe (of pvc or other material) passes that does not deface when passing through the pulley, which is attached to the appendages or nipples (8 ) recharging the gas chamber.
  • a flexible pipe of pvc or other material
  • the thickness of the shell wall must be very small, but not so much that it deforms with the pressures generated by the hydrostatic head. A very large thickness can make the bathyscaphe very heavy, decreasing the efficiency of the system.
  • the internal chamber can be filled with a highly compressible gas such as C0 2 , which expands or compresses, in order to make the bathyscaphe lighter or heavier. This gas does not discharge into the atmosphere.
  • This camera can also be empty.
  • the simplest way to configure a piston is from a special butterfly valve, which, when closed, behaves like a sliding plug or piston.
  • Figure (3) shows the cylindrical body (27) of the piston valve (26), with its o-ring rings (1 1) or gaskets on its outer face, an internal disk (28), with offset axis (29 ) what makes butterfly; a mechanism of rotation of the butterfly (30), and a system of mooring (10) of the pistons that makes them depend on each other.
  • Figure (6) shows these pistons at their upper (26s) and lower (26i) ends.
  • This valve differs from the conventional ones because the mechanism that controls the closing or opening of the butterfly, goes inside the body, and because it has mooring supports at the base of the valve body (43).
  • the command or rotation mechanism which closes or opens the butterfly, can be mechanical or electrical.
  • Figure (3) shows a mechanical rotation mechanism (31). Basically it is a rack (32) that rotates the axis of the butterfly disc (29), through a terminal pinion (33), when the piston valve finds a stop (41), at the end of its upward and / or downward stroke .
  • the tips of the zipper must be cylindrical so that it can move tightly through terminal bushings.
  • the figure shows a long zipper, but in reality it is very short and can be housed all inside the valve body, protruding from the body only a little of its cylindrical ends.
  • valve finds the upper stop (41 s) it causes the rack to move down to open the valve and when the valve finds the lower stop (41 i) it moves it up to close it.
  • the rotation mechanism (37) of the butterfly can be a submersible electric motor (38) that is located in the axis of the disk (29) of the butterfly.
  • the work of the motor is not continuous and the energy it consumes is low, it can be operated wirelessly, with a rechargeable battery system.
  • the thickness of the cylindrical body of the valve (27) must be as low as possible, but sufficient to accommodate the rack and pinion mechanism (32) or the gearbox (39) and / or the pinions that transmit the movement of the motor to the axis of the valve disc (29).
  • the mooring or restraint brackets (43) are simple anchoring hooks from which the gems (10) that connect the two pistons are fastened.
  • the special butterfly valve can be used as a top of a bottomless canister or cylinder and the barrel is conditioned with the necessary guides and moorings, so that it moves in open duct systems.
  • the body shape does not necessarily have to be cylindrical.
  • the worm screw can be replaced by a tubular rod that attaches to a fixed plate, half the length of the rod, which acts as a piston.
  • the shaft crosses the bottom by a hermetic sliding bushing and can be operated pneumatically, hydraulically or electrically, when it reaches the end of its upward or downward stroke.
  • This bathyscaphe can have a closed or open gas chamber and discharge the air into the atmosphere.
  • these buoyant bodies must be stopped to load and / or unload them, they must have push, braking, pneumatic and hydraulic networks, which makes the operation more complicated.
  • the ducts of the buoyant bodies can be closed ducts, such as hydraulic pipes, or open as vertical cylindrical cages; or simply sliding or sliding guides.
  • the closed ducts serve as cylinders for a piston to move inside and move the mass of a fluid, or a gas, that is inside the duct and above the piston.
  • the buoyant body displaces water to the sides of the bathyscaphe.
  • the closed ducts (40), for these hydraulic systems, are vertical hydraulic tubes (40d and 40s), made of any rigid material, which serve as chambers or cylinders for the displacement of two pistons (1 or 26) inside .
  • the pistons, together with the tubes, make up two single-acting reciprocating twin and siamese pumps, which can work alternately, as aspirants and impellers when they are tied and synchronized.
  • the tubes should have a uniform geometric section (at least in the piston stroke), and their inner surface should be burnished, preferably.
  • cylinders can be built in one piece, modularly or as wear shirts that facilitate their subsequent repair.
  • the type of material depends mainly on the liquid to be pumped and the working pressure. Remember that with these types of pumps very high pressures can be achieved.
  • the ducts or cylinders can work independently with their open ends, without interconnecting, joined in their entire exterior length, (above, in the middle or at the bottom) in order to maintain the parallelism and form a rigid structure of support.
  • the ducts or cylinders can also be joined with a kind of box as will be seen later.
  • a kind of H-shaped open box (figure 6) can be formed at its lower ends, to install the pulleys and facilitate the passage of the guayas or ropes (10) from one pipeline to another.
  • the ducts can have stops (41) lower (41 i) and upper (41 s) adhered to the internal diameter, which can serve to push the rack (32), in the case of butterfly valve type pistons, and / or can serve as supports for lower (42i) and upper (42s) magnetized crowns to stop the body in its maintenance.
  • the open ducts or guides (24) can be similar to cylindrical cages of bars or vertical stops; or structures similar to those of reinforced steel, but without stirrups or straps, at least between the bars where the rings move sliders (23) and the support bracket (9) of the bathyscaphe to the transmission chain (25). They are responsible for guiding the buoyant body in its ascent and descent trajectory.
  • the air ducts that carry the air at the end of the downward stroke can serve as guides.
  • the box is a connecting element formed by curved ducts that communicate and connect the internal cavities of the cylinders. They can serve as a mooring structure for the two pipelines of the hydraulic system and at the same time serve as a transmission box (44) or lubrication box (36).
  • the box can have any geometric shape and be constructed of any rigid material that resists the pressures and stresses that are generated inside. Its shape must adapt to the mechanisms, pulleys, gears (45) and / or differential rigs that are installed inside.
  • the ducts are joined by forming an arc at the top, or a U at the bottom, half of a tubular toroid can be used to form a closed box.
  • a closed lubrication box (36) is formed and it would not be strictly necessary to tie the pistons, pulleys, gems and deferential rigs could be dispensed with.
  • the suction (46) and discharge (47) remain at the bottom.
  • the ascending piston pushes, through the lubricant (35) that separates the bathyscaphs, the other piston so that it descends. The one who goes up draws the fluid and the one who goes down discharges it.
  • a closed U-box can also be configured, and the hydraulic system can be favored by the laws of communicating vessels, if you work with a positive suction head.
  • the box is no longer just lubrication but also gear (44) and can accommodate the transmission or movement conversion mechanisms, differential gear (45) such as planetary gears, pulleys, pinions, in addition to its lubricant, etc., whose objective is to change or reverse the direction, direction, speed or power of the pushing force.
  • differential gear such as planetary gears, pulleys, pinions
  • the pump or compressor that is configured can work outside the water, as long as the head that feeds them is positive.
  • Suction (46) and discharge (47) must be at the same level, on the opposite side of the boxes.
  • Closed boxes (44 or 36) can only be used with bathyscaphe type pistons.
  • the function of mooring the pistons could be performed by the lubricating fluid and chains, guayas, pulleys, sprockets could be dispensed with, as already mentioned.
  • the mooring of the buoyant bodies ensures that the two buoyant bodies can be synchronized and work at the same speed.
  • the mooring enslaves a buoyant body with the other and can be done with a chain (25), a guava or a rope (10).
  • a chain 25
  • a guava or a rope
  • the liquid that separates the two buoyant bodies could perform the function of mooring, as indicated in the previous section.
  • one piston is placed at the end of its upward stroke (1 s) and the other at the end of its downward stroke (1 i). In that position they are joined with a mooring element (10 or 25), by the lower or middle part of the buoyant body.
  • the length of this element must be exact to cover the stroke of the pistons and must contemplate the passage through the pinions or pulleys.
  • the mooring system can be made with guayas or chains, but in the case of closed duct systems it is preferable to use synthetic, resistant, flexible and low density ropes, so that the weight of the same does not stop the ascending piston. Tying the pistons in the manner indicated forces them to move in the opposite direction and work in displaced cycles; while one ascends the other descends.
  • the mooring system is an endless chain of transmission (25) between two sprockets (52), similar to the chains of the bicycles.
  • the electromagnetic brake mechanism is simple to implement in closed hydraulic systems. It is only necessary to magnetize the circular stop crowns (41) at the end of the piston stroke, in the pump duct or cylinder.
  • Figure 3 shows a configuration with poles (41 i and 41 s) on the walls of the cylinders and poles with opposite polarity on the head and base of the piston (42 ⁇ and 42 s ). Something similar can be implemented in open duct system
  • Closed duct systems are configured to move liquid or gaseous fluids in transfer, pumping or compression processes and open duct systems to transform reciprocating motion into a uniform circular motion in order to replace engines and turbines. 5.2.1. Configuration of water or gas compressor systems
  • Closed duct systems are ideal for configuring prototypes for liquid pumping or gas compression. These prototypes differ in the type of piston they use: butterfly valve or bathyscaphe.
  • the discharge (47) is always at the top of each duct and the suction (46) must be up, when configured as a compressor system, in order to suck air.
  • the suction When configured as a pumping system the suction may be down.
  • the butterfly valve When working as a pumping system, the butterfly valve can go down open, if you want to pump the same fluid; or it can come down closed when you want to pump another fluid or compress a gas.
  • the throttle valve If the throttle valve falls open, it must be closed as soon as its downward stroke ends, so that it becomes a compact plug-type piston. In this way a chamber (30) can be formed below the valve, to store the gas that is introduced at the time it is closed or reaches the lower stop (41 i).
  • the air supplied is stored below the valve, in the chamber (30) that is formed, when it is closed.
  • This confined air has the effect of a large ball that rises and drives the valve, which pumps the water or air above it, in a similar way as Geyser or Mamut pumps do.
  • the air is supplied slowly to slow down the piston that goes down until the other ram finds the upper stop and releases the air that caused it to rise.
  • the air flow to the lower piston can be increased until the calculated flow is completed so that it rises to the expected speed.
  • the air produced by this or another hydraulic prototype can be stored in an accumulator and supplied by the pneumatic duct (49), for its own consumption or for other reciprocating systems.
  • the operation of reciprocating systems with bathyscaphe is simple because they do not need to be supplied with air for operation.
  • the air or gas is inside the bathyscaphe and is expanded or compressed to vary the density of the bathyscaphe to make it rise or fall.
  • the bathyscaphe can be used in the four configurations, figure (4, 5, 6 and 7), as prototypes of liquid pumping or air compression (first three figures) or to generate a rotary movement that can be used in rotary machines.
  • Prototypes configured with independent cylinders or those that join at the bottom, must always have their suction (46) and discharge (47), at the top, when bathyscaphe is used as pistons. Just enough that in the descending cycle, the piston sucks air or sucks water. When the prototype works as a submerged pump, the hydrostatic head inside the cylinder contributes to the lowering of the piston.
  • FIGS (7 and 8) a motor prototype configured as a reciprocating hydraulic motor (50) is shown. Its conformation and operation resembles that of an internal combustion or combustion engine, where the crankshaft is replaced by a lower shaft (54) and the cam shaft by an upper shaft (53).
  • the pistons are replaced by bathyscaphs (1); the arm, the crankshaft wrists and the cams disappear and in their replacement, pinions (52) are used on both axes, which rotate freely in one direction and engaged in the other direction; the cranks are replaced by endless chains (25); the block would be formed by the guides (24) of the bathyscaphe and the bed supports of the axles can be a rigid structure, connecting rod type, which separates the axes and resists the stresses of tension and compression. It is not shown by saturation of the drawing.
  • This prototype can be configured to independently use the torque generated on each axis for a different device.
  • the two axes rotate in opposite directions.
  • the ideal is to use both torques to produce a great power, in a single axis, and generate a uniform and continuous movement.
  • fixed sprockets (55) are used, distributed along the lower axis, which are connected with two free sprockets (52) on the upper axis, (or vice versa) through a transmission case formed by a pair of double sprockets (56), located between the two axes, whose purpose is to convert the direction of rotation of one axis to the same direction of rotation of the other axis, in order to potentiate one of the torques to move a single equipment, such as a generator.
  • double sprockets (56) are used, which can go in a transmission boxes, to which two endless chains are coupled ( 57), which interconnect the pinions of the upper and lower axes.
  • the alternative movement of the bathyscaphs becomes a uniform rotational movement when the bathyscaphs are synchronized, similarly as the carriage pistons are synchronized.
  • buoyant body With this ingenious system, the buoyant body is able to reverse the direction of its movement and move in a reciprocating and uniform way.
  • buoyant bodies By tying and enslaving the pistons in pairs, buoyant bodies can change their density and travel at the same speed but in the opposite direction.
  • the new bathyscaphe type capsule with built-in motor can control the speed of the reciprocating system at any time, without stopping buoyant bodies. More than one bathyscaphe can be joined to configure a buoyant body.
  • buoyant bodies can change their density in the course of their ascent and / or descent races, without the bodies having to reach the end of their races and stop them for a prolonged period, to reverse the direction of your movement. According to the search for the state of the art there is no process, to change the density of a buoyant body in motion, without having to stop the body to reverse its movement.
  • the process begins by closing the butterfly, of the piston valve that descends, before it reaches the bottom stop and immediately and in a controlled manner supplying air to this piston, to decrease its speed.
  • the air flow is regulated so that the other piston can continue rising until it reaches the top stop, where it opens its butterfly to discharge the air into the atmosphere.
  • the pistons change the direction of their movement and the one who begins his ascent can continue to receive air at a higher flow rate until he completes his load.
  • the air chamber is not confined in a closed container.
  • the power of the system is determined by the volume of air that can be confined in the cylinder below the closed valve and the hydrostatic head of the water column. Air can access this chamber at any time and the pistons do not need to stop during recharging.
  • the air is supplied by a pneumatic duct (49) of a large diameter.
  • valve In hydraulic systems configured as compressors, the valve must lower closed. In these cases and for mechanically driven prototypes, the rack must be retained for a moment, until the valve closes, while the piston starts its downward movement. This is easily achieved with a magnetic brake that is placed on the top and attracts the steely tip of the zipper.
  • the density of the bathyscaphe changes when the gas inside its sealed chamber is compressed and / or expanded.
  • the bathyscaphe piston compresses the gas, an open chamber is formed in its outer part that is filled with water; when it expands the water chamber disappears.
  • the density change process can be started before they end their ascending and / or descending races, because the motor can be driven at any time to change its density. This allows them to slow down slowly without having to stop them before they reverse the direction of their movement.
  • their densities can also be changed, before they reach the end of their careers. This is achieved with a motor coupling, telescopic type, that rotates the worm screws, in the final ascent and / or descent path.
  • a condition for this hydraulic system to function properly is that the Net thrust force always prevails over the net force exerted by the earth's gravity on the descending body.
  • the pushing force must be large enough, so that the body rises with great power and can drag or push its antagonistic partner, with the help of the force of gravity, in its descent race.
  • the synchronization of the buoyant bodies is achieved by mooring them in pairs and by installing them on opposite sides, and at the end of the chain or rope that holds them: one at the end of their ascending career and the other at the end of their descending career. Mooring them in this way forces the body to go up, drag or push the body down and it is guaranteed that they always work in displaced cycles, while one ascends the other descends.
  • This creative design of buoyant bodies a uniform and continuous movement in the axis of the machines can be achieved.
  • the bathyscaphs must be installed in extreme and opposite positions, on one side and another of the sprockets of the driving mechanism, as shown in Figure 7.
  • a bathyscaphe begins to ascend, pull the endless chain, which drags and immerses its antagonistic partner, on the other side of the chain that descends.
  • buoyant bodies that act on the same axis, (crankshaft simulation of an internal combustion engine), is done in a similar way as the cylinders of a vehicle are synchronized.
  • the reciprocating compressor hydraulic system to produce the air needed by this system and the pumping system in its normal operation. After this start-up, no external source is required, because the hydraulic compressor system can produce enough air to supply other hydraulic pumping systems and for their own consumption.
  • the self-sufficiency of a reciprocating hydraulic compressor system is achieved by providing that in a single stroke of the piston a flow rate greater than that required by the same compressor and the pumping system to which it is to be coupled can be produced.
  • the buoyant body To obtain a very large thrust force, it is necessary for the buoyant body to have a very low total density. In the case of using air to recharge the pistons and pump water, a very large net thrust force can be obtained, because the density of the water is approximately 1000 times greater than the density of the air.
  • the hydraulic system can be optimized and / or repowering by configuring systems in series, in parallel, or by joining their cameras in different ways. You can also configure equipment or machines other than those described here.
  • a series system uses the discharge of a pump to feed the suction of another pump.
  • several pumps are coupled to a single suction and / or discharge manifold. From the same collector, other pumps can be sucked to distribute the fluid and / or raise the water to a greater height.
  • an aqueduct With reciprocating hydraulic pumps, an aqueduct can be designed that works backwards, whose energy dissipation chambers become re-pumping stations to raise the water to a greater height.
  • a box can be common for more than two pumping chambers.
  • the piston of an ascending chamber can pull several adjacent pistons or in turn a descending piston can be pulled by several pistons.
  • the ascending piston can also be helped in its ascending stroke with sets of pulleys coupled to other reciprocating machines.
  • the reciprocating system works more efficiently submerged, because the positive head can help submerge the descending piston, however this system can work with a negative suction head, because the force pushed can be so large in one of the cylinders, which can pull and suction hard through the other duct or cylinder.
  • mercury can be used as a fluid to obtain a thrust force 13.8 times larger than that of water. In these cases you must work in totally closed circuits and ensure that no leaks of this element will be presented to the environment. In this case, the pump body is immersed with open ducts in a controlled mercury reservoir, leaving the suction and discharge into another reservoir of water or other liquid.
  • the reciprocating system is applicable to various productive sectors and is friendly to the environment.
  • the following are mainly mentioned: in situ hydroelectric generation, wastewater treatment plants (WWTP), large-scale drinking water production, from seawater, by the process of Reverse osmosis or pervaporation and RAS Pisciculture systems.
  • a mega reciprocating hydraulic pump can be used to return, in an economical way, the water to the reservoirs of the hydroelectric generation dams, after passing through the generation turbine.
  • Mega hydraulic pumping machines have multiple applications in the industry: flood care, irrigation systems, storage and aeration of water in high places, reservoir control, oxygenation of contaminated rivers, etc.
  • Mega vacuum pumps can be used in food preservation and dehydration systems; flash evaporation processes and seawater pervaporation to obtain drinking water.
  • Mega rotary equipment or engines can be coupled to a turbine starting a new hydraulic power generation system without water consumption, which can compete and take out the thermoelectric power plants, nuclear and even the traditional hydraulic system, to use the water dam for human consumption and agribusiness.
  • a configuration of a reciprocating equipment for maintaining the constant pressure of a water network is explained, which has innumerable advantages over the systems, traditional for its simplicity, capacity, autonomy and economy.
  • it can be installed in drinking water aqueducts, in urban and rural fire networks, in irrigation districts and is not limited to residential, or small, systems. industries like traditional systems.
  • a conventional constant pressure hydraulic system is generally composed of one or more centrifugal pumps, a submerged storage tank and / or an elevated tank at atmospheric pressure, a hydropack or hydropneumatic system, a distribution network, a compressor, a quarter of a machines, an electrical control panel, pressure switches, etc.
  • the constant pressure water supply system to a proposed home or fire network in its simplest configuration, could be a reciprocating pump battery, connected in parallel to a distribution network.
  • the prototype hydraulic system can be a bathyscaphe with a built-in motor as shown in figure 4 or 5.
  • the piston bathyscaphe at the bottom rises and only stops when the demand ceases. In its ascent in addition to pumping water, it pushes or pulls the piston that is at the top to recharge the other chamber of the twin pump.
  • the piston When all the water stored in the discharge duct of the pump has been consumed, the piston reaches its upper stop and a control system causes the worm screws to rotate to change the density of the two bathyscaphs.
  • the speed of rotation of the engine depends on the water consumption.
  • the bathyscaphs can stop for a moment because the demand for water can be met by another series of pumps coupled to the same water collector or by a traditional hydropneumatic system with diaphragm or storage membrane. The cycle is repeated continuously.
  • This system would work permanently, even in case of failure of the electrical interconnection system, because the system is powered by a rechargeable motor.
  • Another preferred embodiment is a system for electricity generation that can meet the demand for a home.

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Abstract

La presente invención se refiere a un sistema hidráulico reciprocante. Dicho sistema es un mecanismo motriz, que aprovecha las fuerzas de flotación y de gravedad terrestre para mover en sentido contrario y simultáneamente dos cuerpos físicos, a lo largo de una columna vertical de líquido, con el fin de realizar un trabajo y/o producir energía de manera amigable con el medio ambiente. El sistema se puede configurar para que los cuerpos se muevan como pistones dentro de sendos ductos sumergidos en un reservorio; o se desplacen como submarinos, por una columna de agua, guiados por una estructura vertical abierta. Cuando los pistones se desplazan por ductos conforman dos bombas reciprocantes gemelas, simétricas y siamesas y cuando lo hacen en conductos abiertos conforman máquinas rotativas. El efecto reciprocante se consigue al reconfigurar los cuerpos, cuando finalizan sus carreras ascendente y descendente, con el fin de cambiar sus densidades. El movimiento uniforme se logra al sujetar los cuerpos por su base, con guayas, correas y/o cadenas que pasan a través de poleas o piñones que invierten el sentido de las fuerzas. Los cuerpos se sincronizan para que uno suba mientras el otro baja. El cuerpo que asciende jalona o sumerge al que desciende.

Description

SISTEMA HIDRAULICO RECIPROCANTE
1. CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN
El sistema pertenece al campo técnico de la hidráulica, particularmente se refiere a un sistema hidráulico y más específicamente a un sistema hidráulico que comprende pistones o cuerpos de densidad variable que se mueven para realizar un trabajo y/o producir energía eléctrica, neumática e hidráulica de manera amigable con el medio ambiente.
2. ESTADO DE LA TÉCNICA
Se han desarrollado fuentes y alternativas de energía no contaminante con el fin de reemplazar los hidrocarburos, el carbón y los materiales radioactivos en los procesos de generación eléctrica. Con este objetivo se han desarrollado sistemas de generación que utilizan la energía del sol, el viento, las mareas, el oleaje y fuerzas como el magnetismo, la flotabilidad y la gravedad terrestre. Sin embargo, ninguna de las tecnologías ya existentes está en la capacidad de competir con las grandes centrales de generación eléctrica. En particular el proceso de generación hidroeléctrica, que es el menos contaminante de los grandes sistemas de generación, utiliza flujos muy elevados de agua que lo hace vulnerable, cuando existe escasez de dicho recurso.
El dispositivo que se describe en la patente US2005188691 y que corresponde a un sistema y proceso que utiliza la energía de un gas confinado en un cuerpo, se limita a una sola cámara para almacenar el agua y/o el gas, la cual se mueve cuando se le suministra aire al final de la carrera inferior; aire que debe ser producido con energía externa al sistema. Aunque con un solo cuerpo de densidad variable se puede obtener un movimiento reciprocante, no se puede garantizar que la velocidad y la potencia de ascenso sean igual a la de descenso, lo que no permite aprovechar el tiempo de descenso, superior al 50% del ciclo, para realizar un trabajo. Entre más grande sea el cuerpo flotante más tiempo se pierde; entre más larga la carrera mayor presión de aire se requiere, porque la presión hidrostática aumenta con altura de la columna de agua. Los ductos y boquillas reducidos causan grandes pérdidas de presión.
La producción de aire tiene un costo adicional para el sistema y lo más probable es que se tengan que utilizar recursos naturales o energía de fósiles. Al llenar de agua la cámara del cuerpo flotante, no se garantiza que su peso sea un lastre suficiente para sumergirla a la misma velocidad de ascenso, porque su densidad aún lleno de agua, es similar a la de este fluido. Para que se sumerja, la densidad del cuerpo sólido (coraza exterior) que configura el cuerpo boyante, debe ser muy alta. En la misma proporción que se aumente el peso del cuerpo se disminuye la fuerza neta de empuje, y por consiguiente la potencia de ascenso. No es un sustituto para generación eléctrica a gran escala por la baja potencia conseguida y por el consumo de agua.
El dispositivo descrito en la patente GB2340553, que corresponde a un sistema de bombeo con un flotador boyante, es una aplicación típica de energía mareomotriz y/o undimotriz, que trabajan con cambio del nivel del líquido. Si este sistema se lleva a la práctica, simulando las mareas u olas en tanques o contenedores localizados por fuera de reservorios, sobre un nivel de piso más alto, es necesario consumir agua. Para grandes aplicaciones el costo de la infraestructura sería oneroso, porque tendrían que construirse con resistencias muy elevadas para soportar las tensiones que producirían grandes fuerzas de empuje, las cuales terminarían desprendiendo la bomba. Los procesos de carga y descarga de agua serían muy lentos a través de ductos, boquillas o canales estrechos. Se trata de un flotador, más no de un pistón, de densidad variable que acciona una bomba reciprocante sumergible. Para que no se produzcan grandes tensiones sobre la base de la bomba, el pistón debe viajar libremente dentro de la misma. No es un sustituto para generación eléctrica a gran escala por el desperdicio de agua.
La planta de fuerza que se describe en la patente WO2014035267 consume agua y aire para el proceso de recarga del pistón. No tendría aplicaciones para grandes producciones de energía porque consume agua. El sistema de recarga de aire es muy lento porque es succionado de la atmósfera por el agua de drenaje, a través de ductos muy reducidos. Si se suministrara aire a presión para aumentar el rendimiento sería necesario producirlo por otro medio consumiendo energía. La velocidad del cuerpo flotante no se puede regular, porque tiene una cámara de volumen fijo y solo se puede reconfigurar al final de su carrera de ascenso y/o descenso. Es necesario frenar los pistones y mantenerlos parados mientras se recargan. Tal como se describe el sistema, es difícil sincronizar más de una pareja de pistones para obtener un movimiento continuo en la máquina.
La mayoría de los dispositivos analizados son máquinas teóricas, concebidas para realizar un trabajo o producir energía eléctrica, consumiendo agua que debe ser bombeada o suministrada por una fuente más elevada, que en la mayoría de los casos se descarga al ambiente, sin darle otro uso. Otros dispositivos consumen además aire, el cual tiene que ser producido con energía auxiliar externa. Los mecanismos configurados con cigüeñal y/o brazos como palancas acortan la carrera del cuerpo flotante, limitando el trabajo que puedan hacer en su ascenso, disminuyendo el rendimiento de la máquina y aumentando los consumos de recursos naturales en cada recarga del sistema. Todos los cuerpos flotantes están conformados por una sola cámara, la cual comparten alternadamente el aire y el agua. Ninguno de los sistemas se puede configurar para conseguir una velocidad de ascenso igual a la de descenso. Aunque existen documentos de patentes que divulgan la generación de energía aprovechando las mismas fuerzas de flotación y de gravedad terrestre que utiliza el sistema hidráulico reciprocante autosuficiente de la presente invención, se desconoce la existencia de sistemas hidráulicos, que se puedan configurar como bombas, compresores o motores hidráulicos para ser utilizados en las múltiples aplicaciones agro industriales, incluida la generación eléctrica a gran escala, sin consumir recursos naturales, como el agua y sin contaminar el medio ambiente.
3. DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA INVENCIÓN
El sistema hidráulico de la presente invención se encuentra caracterizado porque comprende:
• Pistones o cuerpos de densidad variable (boyantes) que intercambian su contenido interno entre agua, aire o un gas.
• Dos o más cuerpos boyantes tipo pistón, interconectados y desfasados entre sí, y configurados para que cuando uno ascienda el otro descienda.
• Sistema neumático que introduce aire a los pistones cuando éstos están en la parte inferior de la carrera, o mecanismos que expande y comprime un gas dentro de una cámara cerrada del cuerpo boyante.
A diferencia de los documentos mencionados, cuando el nuevo sistema reciprocante autosuficiente, se configura como una cápsula boyante tipo batiscafo, con cámara sellada de gases, no consume agua, aire ni recursos naturales. Además de esta ventaja, incorpora notables diferencias frente los sistemas que hoy se conocen y resuelve todos los inconvenientes antes mencionados.
Los cuerpos boyantes, de este nuevo sistema hidráulico reciprocante, difieren de los ya existentes, porque tienen cámaras independientes para el gas y para el agua, lo que permite que el aire y/o el gas se pueda manejar, comprimir y/o expandir dentro de su cámara independientemente, mientras el líquido o agua llena o desocupa simultáneamente otra cámara independiente. El batiscafo cuando tiene un motor incorporado, que viaja con él, puede regular su velocidad en cualquier punto de su carrera ascendente y descendente. Solo se recarga o se le hace vacío en la puesta en marcha de la planta.
El no consumir agua, ni recursos naturales, además de ser amigable con el medio ambiente, le da a este sistema la posibilidad de convertirse en la solución ideal para sustituir todos los grandes sistemas de generación eléctrica, como la térmica, nuclear, e incluso la generación hidroeléctrica convencional, con lo cual el agua que llega a los grandes embalses se puede utilizar para los distritos de riego, la ganadería y el consumo humano.
4. BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
El fin de los dibujos es ilustrar las diferentes configuraciones tanto de los cuerpos flotantes sumergibles (pistones, cámaras submarinas), así como de los diferentes prototipos de sistemas hidráulicos reciprocantes.
Se presentan ocho figuras que hacen referencia al sistema hidráulico: tres de las cuales (1 , 2 y 3) son prototipos del cuerpo boyante; tres (4, 5 y 6) hacen referencia sistemas hidráulicos en cilindros o ductos cerrados y dos (7 y 8) representan sistemas hidráulicos rotatorios.
Cada figura representa:
Figura 1 . - Pistón tipo válvula mariposa. Vista frontal, lateral y superior.
a) Pistón con motor eléctrico
b) Pistón con cremallera
Figura 2. - Vista superior y corte en elevación de un pistón tipo batiscafo.
Figura 3. - Vista superior y corte en elevación de un batiscafo con guías.
Figura 4. - Sistema hidráulico cerrado con ductos unidos por su parte inferior.
Figura 5. - Sistema hidráulico cerrado con ductos unidos por su parte superior.
Figura 6. - Sistema hidráulico cerrado con ductos independientes.
Figura 7. - Vista en perspectiva de un sistema hidráulico rotatorio.
Figura 8. - Vista lateral de un prototipo rotatorio para generación eléctrica.
5. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
El mecanismo motriz de este novedoso sistema hidráulico reciprocante, lo conforman dos cuerpos físicos boyantes, que al amarrarlos para hacerlos esclavo uno del otro, los obliga a moverse, al mismo tiempo y en sentido contrario en sendas columnas verticales de un líquido, por los principios y leyes de Arquímedes, Newton, Pascal y Boyle Mariotte.
Cuando los cuerpos boyantes se desplazan dentro de dos cilindros verticales, se convierten en pistones, su funcionamiento se asemeja al de las bombas reciprocantes, con la novedad que sus pistones no necesitan bielas ni palancas, y solo utilizan el empuje del fluido y la gravedad terrestre como fuerzas para conseguir un movimiento reciprocante sincronizado. Estas diferencias le permiten al pistón desarrollar grandes carreras, efecto que no es posible en los dispositivos ya existentes. Cuando los cuerpos se desplazan libremente en la columna del líquido de un reservorio, guiados por una estructura o armadura vertical abierta, similar a un sistema de rieles guías de corredera para ascensores, la configuración del sistema hidráulico reciprocante se asemeja a la de los teleféricos y funciona por el principio de carga compensada.
El nuevo sistema hidráulico reciprocante utiliza la fuerza de empuje ejercida por el líquido, sobre el cuerpo boyante lleno de un gas, cuando este se encuentra sumergido; y la fuerza de gravedad para hacerlo descender cuando el cuerpo boyante se llena con el líquido. Al esclavizar dos cuerpos boyantes iguales, que se pueden reconfigurar para cambiar su densidad durante su carrera de ascenso y/o descenso, se logra un movimiento reciprocante y uniforme. La fuerza de flotación lo hace ascender y ayuda a la fuerza de gravedad para hacerlo descender.
Al atar los dos cuerpos, de la forma que se describirá más adelante, se garantiza que los dos cuerpos se mueven a la misma velocidad alternadamente, en sentido contrario y de manera sincronizada e ininterrumpida. Esto es posible porque la fuerza de empuje ejercida sobre el primer cuerpo en ascenso, de densidad mucho menor a la del líquido en que está sumergido, es suficiente para empujar a este en ascenso y sumergir el segundo cuerpo, de densidad un poco mayor (casi igual) a la del mismo líquido, con un bajísimo consumo de energía para sus mecanismos y componentes auxiliares, la cual puede ser suplida por la misma u otra máquina configurada con este prototipo de sistema reciprocante. Esta característica hace que el sistema sea versátil, auto sostenible e ideal para configurar sistemas productivos en cadena, alrededor de una mega máquina.
Los prototipos hidráulicos de conductos cerrados, son ideales para la producción de energía neumática e hidráulica y los prototipos hidráulicos de conductos abiertos, para configuración de motores. Lo óptimo es configurar procesos de producción en cadena, donde intervengan ambos sistemas.
El sistema es ideal para la recirculación, tratamiento y uso eficiente del agua; generación eléctrica, y aireación de aguas residuales y para otras aplicaciones, entre las cuales se encuentran:
• Mega Equipos de bombeo para almacenar y recircular agua en reservorios, con el fin suplir las necesidades del sector agropecuario e industrial; mitigar los efectos de intensos veranos e impulsar el desarrollo sostenible de actividades como la Piscicultura, generación eléctrica en situ y osmosis inversa.
• Mega Máquinas de vacío para deshidratación y conservación de alimentos, o para producción de agua potable.
• Mega Compresores de aire o gases para procesos de aireación en aguas residuales, procesos PSA, filtración molecular por membrana, etc.
• Mega Motores como sustituto de motores eléctricos, a combustibles o a propulsión a chorro (wáter jet) en las embarcaciones marítimas.
Como el sistema hidráulico reciprocante se puede configurar para que sus cuerpos boyantes se muevan dentro de un ducto con fluido o en la columna del líquido, sin necesidad de ducto, se pueden agrupar en dos categorías: • Sistemas de conductos cerrados: que utilizan tubos o cilindros para el desplazamiento de los cuerpos boyantes como pistones.
• Sistemas de conductos abiertos: que utilizan guías de corredera para el desplazamiento de los cuerpos boyantes en la columna de agua.
Dentro de estos grupos se pueden configurar varios prototipos hidráulicos, que se diferencian por el tipo y forma de sus cuerpos flotantes, la manera como se enlazan, por la manera que se unen sus guías o por el trabajo que realizan.
Los sistemas de conductos cerrados, se caracterizan porque el cuerpo flotante se comporta como un pistón, que utiliza los conductos como cilindros para su desplazamiento y los sistemas de conductos abiertos porque el cuerpo flotante se comporta como vehículo de inmersión acuática, tipo submarino o batiscafo, que es obligado a seguir una trayectoria vertical dentro de una guía estructural.
La selección del prototipo de sistema hidráulico reciprocante, que se adapte a las necesidades particulares o empresariales, depende de muchos factores, donde la calidad del fluido y el tipo de energía o trabajo a producir, juegan un papel importante.
La construcción de un prototipo hidráulico reciprocante es muy simple, solo se necesita disponer de un reservorio de agua en tierra o almacenamiento en estructura reforzada elevada. Las tuberías, cadenas, guayas, cadenas, herrajes y accesorios son de fabricación estandarizada y los cuerpos boyantes son fáciles de construir. El arranque y operación de los sistemas que utilicen batiscafos con motor incorporado recargable, lo puede hacer un técnico con conocimientos básicos de hidráulica.
Para comprender mejor este sistema hidráulico reciprocante, se presentan ocho (8) dibujos donde aparecen los números de referencia de cada uno sus componentes básicos. Los mecanismos pueden hacer parte de uno o varios prototipos y los números que los identifican se relacionan más adelante en el cuadro de figuras y ejemplos.
El sistema también tiene los accesorios convencionales que requieren los equipos de bombeo, compresores y/o motores tradicionales, de los cuales se hacen referencias en algunos casos.
5.1. Partes principales del sistema
La configuración del sistema hidráulico reciprocante de la presente invención comprende mínimo las siguientes partes:
• Dos cuerpos boyantes
• Dos conductos o guías de los cuerpos boyantes
• Una caja estructural, de engranajes, de lubricación y/o de unión
• Sistemas de amarre de los cuerpos boyantes
5.1.1. Cuerpos Boyantes Existen dos tipos de cuerpos boyantes o flotantes muy simples y fáciles de implementar. El primero se usa exclusivamente en los sistemas de conducto cerrado y el segundo tiene aplicación en los dos sistemas hidráulicos.
El cuerpo boyante, es la parte motriz y el elemento más importante del sistema hidráulico reciprocante. Se caracteriza porque puede cambiar su configuración para que su densidad sea mayor o menor a la del líquido en que se mueve.
Las figuras 1 , 2 y 3 representan varias configuraciones posibles de los cuerpos, no siendo las únicas. En las figuras 4, 5, 6, 7 y 8 se muestran los dos cuerpos boyantes en sus posiciones extremas; (1 i) en la parte inferior de la carrera de descenso y (1 s), en la parte superior de la carrera de ascenso.
a) Cuerpo boyante tipo batiscafo
El cuerpo boyante puede ser una especie de batiscafo o cápsula cilindrica que se caracteriza por tener dos cámaras separadas por un disco interno (2), semejante al de una jeringa hipodérmica. En la figura (1 y 2) se puede apreciar el batiscafo con su cámara de gas (3) y cámara de agua (4).
La coraza del batiscafo está compuesta por un cuerpo cilindrico (5) con un fondo aerodinámico (6). Dentro del cilindro hay un disco (2), que hace las veces de tapa flotante de la cámara de gas y a la vez se convierte en fondo móvil de la cámara de agua. La superficie interna del cilindro debe ser bruñida para facilitar que el disco se desplace como un pistón.
El disco se mueve a lo largo de las paredes internas del cuerpo del batiscafo, guiado por un tornillo sin fin (7). El disco se desplaza, como un pistón para comprimir o expandir el gas dentro de una cámara sellada. Cuando el gas es comprimido se forma una cámara (4) que se llena de agua, la cual desaparece cuando el gas se expande. El fondo de la cámara de gas tiene un niple o apéndice (8) para la recarga del gas y los soportes de sujeción (9 y 43) para atar las cadenas, cuerdas o guayas de amarre de los dos batiscafo (10), para su desplazamiento en conductos abiertos o cerrados.
En la parte superior del cuerpo cilindrico del batiscafo puede ir una corona circular (12) que sirve de tope al disco y a la vez de soporte para el tornillo sin fin. La corona circular puede tener radios (13), centrados en un buje tope (14) o rodamiento, en el cual gira la cabeza del (20) del tornillo sin fin (7). En la parte inferior del tornillo también puede ir un buje o rodamiento de rodillos cilindricos de empuje (15) para centrar el tornillo y facilitar su giro. Esta corona debe tener una forma aerodinámica para facilitar el desplazamiento del batiscafo
Se puede utilizar un fuelle que cubra todo el tornillo, o un sello hidráulico (16) lado acople al motor, para que el gas no se escape por los pasos del tornillo.
Para que el disco o plato se desplace por el cilindro y no gire junto con el tornillo se utilizan dos ejes pasantes (18), que tienen bujes guías (19), y que están soportados a la base y a los radios (21 ), los cuales pueden estar protegidos por fuelles o sellos hidráulicos El tornillo se puede accionar por un solo motor (22) esclavo al batiscafo, que se acopla directamente en la cabeza (20) o base del tornillo y que viaja con la cápsula, el cual se encarga de hacer girar el tornillo en ambos sentidos. El tornillo también puede ser accionado por dos motores independientes que se localizan en los extremos de las carreras ascendente y descendente del batiscafo. Cuando el motor viaja en el cuerpo boyante, este se puede accionar, en cualquier instante de la carrera, para controlar la velocidad del batiscafo.
Aunque el batiscafo se puede configurar con su cámara de agua y motor, por encima o por debajo, lo más conveniente es que tanto la cámara de agua y el motor se localicen por debajo para aprovechar la turbulencia del flujo de agua para refrigerar el motor y a la vez impulsar la cápsula con el chorro de agua que sale de esta cámara. Esta configuración es ideal para manejar agua con moderados sólidos suspendidos, porque estos tienen menos posibilidades de adherirse y rayar las paredes del cilindro del batiscafo. También nos permite instalar una red de compensación o traspaso del gas de la cámara de uno de los batiscafos a la de su homólogo, para minimizar la potencia de los motores que accionan el tornillo sin fin. Para este fin se utiliza una polea que va unida al piñón superior, por donde pasa una tubería flexible, (de pvc u otro material) que no se desfigure al pasar por la polea, la cual se se acopla a los apéndices o niples (8) de recarga de la cámara de gases. Con esta red de compensación o traspaso el gas que sale de una cámara pasa a la otra y la potencia de los motores disminuye.
El espesor de la pared de la coraza debe ser muy reducido, pero no tanto que se deforme con las presiones que se generan por la cabeza hidrostática. Un espesor muy grande puede hacer muy pesado el batiscafo, disminuyendo la eficiencia del sistema.
La cámara interna se puede llenar con un gas altamente compresible como el C02, el cual se expande o se comprime, con el fin de hacer más liviano o pesado el batiscafo. Este gas no se descarga a la atmósfera. Esta cámara también puede estar al vacío.
Batiscafos para conductos cerrados
Cuando el batiscafo se desplaza dentro de ductos o cilindros figura (1 ), su superficie externa debe tener la contextura, la dimensión justa y la holgura necesaria, para que con sus empaques, o-ring (1 1 ) y/o anillos hagan un sello perfecto con los ductos. Los soportes de sujeción (43) van en el fondo (6).
Batiscafos para conductos abiertos.
Cuando el batiscafo se desplaza en un sistema de conductos abiertos, la superficie externa de esta carcaza, debe tener guías deslizantes (23) fig. (2), para que se mueva verticalmente dentro de la estructura (24) o guías correderas, atado a la cadena de transmisión (25) por sus soportes de sujeción (9).
b) Cuerpo boyante tipo válvula mariposa
La forma más simple de configurar un pistón es a partir de una válvula especial tipo mariposa, que al cerrarse se comporta como un tapón deslizante o pistón.
La figura (3) muestra el cuerpo cilindrico (27) de la válvula-pistón (26), con sus anillos o- ring (1 1 ) o empaques en su cara exterior, un disco interno (28), con eje descentrado (29) que hace de mariposa; un mecanismo de rotación de la mariposa (30), y un sistema de amarre (10) de los pistones que los hace depender uno del otro. La figura (6) muestra estos pistones en sus extremos superior (26s) e inferior (26i).
Esta válvula se diferencia de las convencionales porque el mecanismo que comanda el cierre o apertura de la mariposa, va dentro del cuerpo, y porque tiene unos soportes de amarre en la base del cuerpo de la válvula (43).
El mecanismo comando o de rotación, que cierra o abre la mariposa, puede ser mecánica o eléctrica.
La figura (3) muestra un mecanismo de rotación mecánico (31 ). Básicamente es una cremallera (32) que hace rotar el eje del disco mariposa (29), a través de un piñón terminal (33), cuando la válvula pistón encuentra un tope (41 ), al final de su carrera ascendente y/o descendente. Las puntas de la cremallera deben ser cilindricas para que pueda desplazarse de manera estanca por bujes terminales. La figura muestra una cremallera larga, pero en la realidad es muy corta y puede alojarse toda dentro del cuerpo de la válvula, sobresaliendo del cuerpo solo un poco de sus extremos cilindricos.
Cuando la válvula encuentra el tope superior (41 s), este hace que la cremallera se desplace hacia abajo para abrir la válvula y cuando la válvula encuentra el tope inferior (41 i) la desplaza hacia arriba para cerrarla.
En grandes aplicaciones, el mecanismo de rotación (37) de la mariposa puede ser un motor eléctrico sumergible (38) que se localiza en el eje del disco (29) de la mariposa. Como el trabajo del motor no es continuo y la energía que consume es baja, se puede operar inalámbricamente, con un sistema de baterías recargables.
El espesor del cuerpo cilindrico de la válvula (27) debe el mínimo posible, pero suficiente para alojar el mecanismo de cremallera y piñón (32) o la caja reductora (39) y/o los piñones que transmiten el movimiento del motor al eje del disco de la válvula (29). Los soportes de amarre o sujeción (43) son simples ganchos de anclaje de donde se sujetan las guayas (10) que unen los dos pistones.
c) Otros cuerpos boyantes.
Aunque las dos formas descritas anteriormente son las más simples y no requieren mecanismos complejos para reconfigurar el cuerpo boyante, existen otras variantes que complementan la válvula de mariposa, o reemplazan el batiscafo, pero que necesitan de energía neumática y/o hidráulica.
Como por ejemplo, la válvula de mariposa especial se puede utilizar como tapa de una caneca o cilindro sin fondo y el barril se acondiciona con las guías y amarres necesarios, para que se desplace en sistemas de conductos abiertos. La forma del cuerpo no tiene que ser necesariamente cilindrica.
En el batiscafo se puede reemplazar el tornillo sin fin por un vástago tubular que se acopla a un plato fijo, en la mitad de la longitud del vástago, que hace de pistón. El eje traspasa el fondo por un buje deslizante hermético y puede ser accionado neumática, hidráulica o eléctricamente, cuando llega al final de su carrera ascendente o descendente. Este batiscafo puede tener cámara de gas cerrada o abierta y descargar el aire a la atmósfera. Como estos cuerpos boyantes se deben frenar para cargarlos y/o descargarlos, deben disponer de mecanismos de empuje, de frenado, redes neumáticas e hidráulicas, lo que hace más complicado la operación.
5.1.2. Conductos o guías de los cuerpos boyantes
Como ya se dijo, los conductos de los cuerpos boyantes pueden ser ductos cerrado, como tubería hidráulica, o abiertos como jaulas cilindricas verticales; o simplemente guías de corredera o deslizantes. Los conductos cerrados sirven de cilindros para que se desplace un pistón en su interior y mueva la masa de un fluido, o de un gas, que se encuentre dentro del ducto y por encima del pistón. En los sistemas de conductos abiertos el cuerpo boyante desplaza el agua a los lados del batiscafo.
a) Conductos cerrados
Los conductos cerrados (40), para estos sistemas hidráulicos, son tubos hidráulicos verticales (40d y 40s), fabricados de cualquier material rígido, que hacen las veces de cámaras o cilindros para el desplazamiento de sendos pistones (1 o 26) por su interior. Los pistones junto con los tubos, conforman dos bombas gemelas y siamesas reciprocantes de un solo efecto, que pueden trabajar alternadamente, como aspirante e impelente cuando se amarran y sincronizan. Los tubos deben tener sección geométrica uniforme (al menos en la carrera del pistón), y su superficie interior debe ser bruñida, preferiblemente.
Estos cilindros pueden ser construidos en una sola pieza, modularmente o como camisas de desgaste que faciliten su posterior reparación. El tipo de material depende principalmente del líquido a bombear y de la presión de trabajo. Recordemos que con estos tipos de bombas se pueden conseguir presiones muy altas.
Los ductos o cilindros pueden trabajar independientemente con sus extremos abiertos, sin que se interconecten, unidos en toda su longitud exterior, (por arriba, por el medio o por su parte inferior) con el fin de mantener el paralelismo y conformar una estructura rígida de soporte. Los ductos o cilindros también pueden unirse con una especie de caja como se verá más adelante.
Cuando los ductos no se interconectan se puede formar una especie de caja abierta en forma de H (figura 6) en sus extremos inferiores, para instalar las poleas y facilitar el paso de las guayas o cuerdas (10) de un ducto a otro.
Los ductos pueden tener topes (41 ) inferior (41 i) y superior (41 s) adherido al diámetro interno, los cuales pueden servir para empujar la cremallera (32), en el caso de pistones tipo válvula de mariposa, y/o pueden servir de soportes para coronas imantadas inferior (42i) y superior (42s) para frenar el cuerpo en su mantenimiento.
b) Conductos abiertos
Los conductos abiertos o guías (24) pueden ser semejantes a jaulas cilindricas de barrotes o parales verticales; o estructuras semejantes a las de acero reforzado, pero sin estribos o flejes, por lo menos entre los barrotes por donde se mueven las argollas deslizantes (23) y el soporte de sujeción (9) del batiscafo a la cadena de transmisión (25). Son los responsables de guiar el cuerpo boyante en su trayectoria de ascenso y descenso.
Si se utilizan barriles o batiscafo de cámara abierta de gas, los conductos neumáticos que llevan el aire al final de la carrera descendente pueden servir de guías.
5.1.3. Cajas de Unión, engranajes v/o lubricación
La caja es un elemento de unión conformada por ductos curvos que comunican y unen las cavidades internas de los cilindros. Pueden servir de estructura de amarre de los dos ductos del sistema hidráulico y a la vez servir como caja de transmisión (44) o de lubricación (36).
La caja puede tener cualquier forma geométrica y ser construida de cualquier material rígido que resista las presiones y los esfuerzos que se generan en su interior. Su forma debe adaptarse a los mecanismos, poleas, engranajes (45) y/o aparejos diferenciales que se instalen en su interior. Cuando los ductos se unen formando un arco por su parte superior, o una U por su parte inferior, se puede utilizar la mitad de un toroide tubular para conformar una caja cerrada.
Cuando los ductos se unen por la parte superior (figura 5), se forma una caja cerrada de lubricación (36) y no sería estrictamente necesario amarrar los pistones, se podría prescindir de poleas, guayas y aparejos deferenciales. En este caso la succión (46) y descarga (47) quedan en la parte inferior. El pistón que asciende empuja, por medio del lubricante (35) que separa los batiscafos, al otro pistón para que descienda. El que sube aspira el fluido y el que baja lo descarga.
Cuando los cilindros se unen por la parte inferior también se puede configurar una caja cerrada en U, y el sistema hidráulico puede favorecerse por las leyes de vasos comunicantes, si trabaja con cabeza de succión positiva. En estos casos la caja ya no es solo de lubricación sino de engranaje (44) y puede alojar los mecanismos de transmisión o conversión de movimiento, aparejos diferenciales (45) como engranajes planetarios, poleas, piñones, además de su lubricante, etc., cuyo objetivo sea cambiar o invertir el sentido, la dirección, la velocidad o la potencia de la fuerza de empuje. Igual que en el caso anterior, no sería necesario amarrar los pistones, pero la succión máxima de la bomba o compresor sería de una atmósfera, cuando se maneja agua.
Cuando los ductos se interconectan, la bomba o compresor que se configure puede trabajar por fuera del agua, siempre y cuando la cabeza que los alimenta sea positiva. La succión (46) y descarga (47) deben estar al mismo nivel, en el lado opuesto de las cajas.
La cajas cerradas (44 o 36) solo se pueden utilizar con pistones tipo batiscafo. La función de amarre de los pistones la podría realizar el fluido lubricante y se podría prescindir de cadenas, guayas, poleas, piñones, como ya se mencionó.
Los prototipos que trabajan con pistones tipo válvula de mariposa, cuyos cilindros no se pueden interconectar con caja cerrada, podrían unir sus cilindros estructuralmente con una caja abierta (48) para albergar las poleas o piñones y facilitar el paso de las guayas, cuerdas o cadenas. En estos prototipos no pueden utilizar cajas cerradas. 5.1.4. Amarre y freno de los cuerpos boyantes
El amarre de los cuerpos boyantes garantiza que los dos cuerpos boyantes se puedan sincronizar y trabajen a la misma velocidad.
El amarre esclaviza un cuerpo boyante con el otro y se puede hacer con una cadena (25), una guaya o una cuerda (10). Cuando los cilindros del sistema se unen por medio de una caja cerrada, el líquido que separa los dos cuerpos boyantes, podría hacer la función de amarre, tal como se indicó en el apartado anterior.
Para amarrarlos se coloca un pistón al final de su carrera ascendente (1 s) y el otro al final de su carrera descendente (1 i). En esa posición se unen con un elemento de amarre (10 o 25), por la parte inferior o media del cuerpo boyante. La longitud de este elemento debe ser exacta para cubrir la carrera de los pistones y debe contemplar el paso por los piñones o poleas.
El sistema de amarre, se puede realizar con guayas o cadenas, pero en los casos de sistemas de conductos cerrados es preferible utilizar cuerdas sintéticas, resistentes, flexibles y de baja densidad, para que el peso de las mismas no frene al pistón que asciende. El amarrar los pistones de la manera indicada los obliga a que se desplacen en sentido contrario y trabajen en ciclos desplazados; mientras uno asciende el otro desciende.
En sistemas que se desplazan libremente en la columna del líquido guiados por una estructura abierta, el sistema de amarre lo constituye una cadena sin fin de transmisión (25) entre dos piñones (52), similar a las cadenas de las bicicletas.
Como los sistemas necesitan un mecanismo de frenos para el cambio de motor y/o mantenimiento, se hace una descripción abreviada de un sistema de freno electromagnético.
El mecanismo de freno electromagnético es sencillo de implementar en sistemas hidráulicos cerrados. Solo es necesario imantar las coronas circulares topes (41 ) al final de la carrera de los pistones, en el ducto o cilindro de la bomba. En la figura 3 se muestra una configuración con polos (41 i y 41 s) en las paredes de los cilindros y polos con polaridad opuesta en la cabeza y base del pistón (42¡ y 42s). Algo similar puede implementarse en sistema de conductos abiertos
5.2. Configuración de sistemas hidráulicos reciprocantes
En este aparte se describen algunos de los prototipos hidráulicos reciprocantes que se pueden configurar con los tipos de cuerpos boyantes y de ductos que se han venido describiendo. La configuración depende del uso que se le vaya a dar al sistema.
Los sistemas de conducto cerrado se configuran para mover fluidos líquidos o gaseosos en procesos de trasvase, bombeo o compresión y los de conducto abierto para transformar el movimiento reciprocante en un movimiento circular uniforme con el fin de reemplazar motores y turbinas. 5.2.1. Configuración de Sistemas compresores de agua o gases
Los sistemas de conducto cerrado son ideales para configurar prototipos de bombeo de líquidos o compresión de gases. Estos prototipos se diferencian por el tipo de pistón que utilizan: válvula de mariposa o batiscafo.
a) Prototipos con pistón tipo válvula de mariposa
Con pistones tipo válvula de mariposa los cilindros no se pueden unir con cajas cerradas y solo admiten cajas abiertas estructurales; por esta razón solo se puede configurar un prototipo de sistema reciprocante, ver figura (6). Este prototipo siempre debe amarrar sus pistones y necesita flujo de aire para su operación. Su estructura siempre tiene que estar sumergida y sus ductos de succión (40s) pueden profundizarse muchos metros para conseguir una mayor eficiencia. Se pueden emplear como sistemas de bombeo de líquidos o compresores de gases.
En estos prototipos la descarga (47) siempre está en la parte superior de cada ducto y la succión (46) debe estar arriba, cuando se configura como un sistema compresor, con el fin de succionar aire. Cuando se configura como un sistema de bombeo la succión puede estar abajo.
Cuando trabaja como sistema de bombeo, la válvula de mariposa puede bajar abierta, si se quiere bombear el mismo fluido; o puede bajar cerrada cuando se quiere bombear otro fluido o comprimir un gas.
Si la válvula de mariposa baja abierta, debe cerrarse tan pronto finaliza su carrera descendente, con el fin de que se convierta en pistón compacto tipo tapón. De esta manera se puede conformar una cámara (30) por debajo de la válvula, para almacenar el gas que se introduce en el momento que esta se cierre o llegue al tope inferior (41 i).
El aire que se suministra se va almacenando por debajo de la válvula, en la cámara (30) que se conforma, cuando esta se encuentra cerrada. Este aire confinado hace el efecto de una gran bola que sube e impulsa la válvula, la cual bombea el agua o aire que está por encima de la misma, de manera similar como lo hacen las bombas Geyser o Mamut.
Inicialmente se suministra el aire lentamente para ir frenando el pistón que baja hasta que el otro pisón encuentre el tope superior y libere el aire que lo hacía subir. En este momento se puede aumentar el caudal de aire al pistón inferior hasta que se complete el flujo calculado para que suba a la velocidad prevista.
El aire producido por este u otro prototipo hidráulico puede ser almacenado en un acumulador y suministrado por el ducto neumático (49), para su autoconsumo o para otros sistemas reciprocantes.
b) Prototipos con pistón tipo batiscafo
La operación de los sistemas reciprocantes con batiscafo es sencilla porque no necesitan que se les suministre aire para su funcionamiento. El aire o gas está dentro del batiscafo y es expandido o comprimido para variar la densidad del batiscafo para hacerlo subir o bajar. El batiscafo se puede usar en las cuatro configuraciones, figura (4, 5, 6 y 7), como prototipos de bombeo de líquidos o compresión de aire (tres primeras figuras) o para generar un movimiento rotatorio que puede ser utilizado en máquinas rotativas.
Los prototipos configurados con cilindros independientes o los que se unen por su parte inferior, deben tener siempre su succión (46) y descarga (47), en la parte superior, cuando se utilizan batiscafo como pistones. Solo basta que en el ciclo descendente, el pistón succione aire o succione agua. Cuando el prototipo trabaja como bomba sumergida, la cabeza hidrostática en el interior del cilindro contribuye para el descenso del pistón.
Cuando los ductos se unen por la parte superior (figura 5), formando un arco entre los dos cilindros, pueden utilizar la caja que se forma con la unión (36) para contener el lubricante para los pistones. El mismo lubricante (49) sirve de elemento de amarre de los pistones, pero en esta configuración en vez se jalonarse se empujan. El pistón que asciende empuja al que desciende, a la vez que succiona agua; el que baja descarga el agua a la atmósfera.
Cuando los cilindros se unen por la parte inferior formando una caja de engranajes (44) en forma de U, totalmente hermética el lubricante podría servir como elemento de unión de los pistones batiscafo y no sería estrictamente necesario utilizar guayas o cadenas. Este prototipo, a diferencia del anterior, si se puede configurar como sistema compresor de aire o de gases.
5.2.2. Configuración de Sistemas como equipos rotatorios
En este aparte solo se describirá la configuración de un prototipo de sistema de conductos abiertos, para convertir el movimiento reciprocante del cuerpo boyante en un movimiento rotativo uniforme, aunque con un sistema hidráulico reciprocante cerrado se puede lograr el mismo objetivo. El batiscafo es ideal para configurar este tipo de mecanismo motriz.
En las figuras (7 y 8) se muestra un prototipo motriz configurado como motor hidráulico reciprocante (50). Su conformación y funcionamiento se asemeja a la de un motor a explosión o de combustión interna, donde el cigüeñal es reemplazado por un eje inferior (54) y el eje de levas por un eje superior (53).
Los pistones son sustituidos por batiscafos (1 ); el brazo las muñequillas del cigüeñal y las levas desaparecen y en su reemplazo se utilizan piñones (52) en ambos ejes, que giran libremente en un sentido y engranados en el otro sentido; las bielas son reemplazadas por cadenas sin fin (25); el bloque lo conformarían las guías (24) del batiscafo y los soportes de bancada de los ejes puede ser una estructura rígida, tipo biela, que separe los ejes y resista los esfuerzos de tensión y compresión. No se muestra por saturación del dibujo.
Este prototipo se puede configurar para utilizar independientemente el torque que se genera en cada eje para un equipo diferente. Los dos ejes giran en sentido opuestos.
Lo ideal es utilizar ambos torques para producir una gran potencia, en un solo eje, y generar un movimiento uniforme y continuo. Con este fin se utilizan piñones fijos (55), distribuidos a lo largo del eje inferior, que se enlazan con sendos piñones libres (52) en el eje superior, (o viceversa) a través de una caja de transmisión conformada por una pareja de piñones dobles (56), localizada entre los dos ejes, cuyo fin es convertir el sentido de giro de un eje al mismo sentido de giro del otro eje, con el fin de potencializar uno de los torques para mover un solo equipo, como por ejemplo un generador.
A continuación se explica cómo se puede configurar el sistema para conseguir un movimiento rotatorio uniforme, en el sentido de las agujas del reloj, tomando como referencia la figura 7. Con este fin se instalan los piñones (52) del eje superior para trabajen engranados cuando los batiscafos del lado izquierdo (1 ) suben y queden libres cuando estos mismos batiscafos descienden. En el eje inferior estos mismos piñones se instalan a la inversa, para que queden engranados cuando los batiscafos del lado derecho asciendan.
Al instalar los piñones de esa manera, el eje superior gira en el sentido de las agujas del reloj y el eje inferior en sentido contrario. Para convertir el sentido de giro del eje inferior (54) al sentido de giro del eje superior (53) se utilizan piñones dobles (56), los cuales pueden ir en una cajas de transmisión, a la que se acoplan dos cadena sin fin (57), que interconectan los piñones de los ejes superior e inferior.
El movimiento alternativo de los batiscafos se convierte en un movimiento rotatorio uniforme cuando se sincronizan los batiscafos, de manera similar como se sincronizan los pistones de los carros.
5.3. Funcionamiento del sistema hidráulico reciprocante
Para que un cuerpo se sumerja y/o emerja dentro de un líquido, fácilmente y de manera alternativa, debe cambiar su densidad al terminar sus carreras descendente y/o ascendente. Por lo general esta densidad se puede cambiar si se introduce aire o saca el agua de la cámara del cuerpo; pero ese cambio de densidad no es suficiente para garantizar que el cuerpo baje y suba a la misma velocidad.
Con este ingenioso sistema se logra que el cuerpo boyante invierta el sentido de su movimiento y se mueva de forma reciprocante y uniforme. Al amarrar y esclavizar los pistones por parejas, los cuerpos boyantes pueden cambiar su densidad y viajar a la misma velocidad pero en sentido contrario. La nueva cápsula tipo batiscafo con motor incorporado puede controlar la velocidad del sistema reciprocante en cualquier momento, sin necesidad de parar los cuerpos boyantes. Se puede unir más de un batiscafo para configurar un cuerpo boyante.
Este aparte de la descripción se centrará en mostrar cómo se puede cambiar el sentido del movimiento, la densidad y como se deben sincronizar los cuerpos boyantes para lograr un movimiento reciprocante uniforme.
5.3.1 Cambio del sentido de movimiento
Lo novedoso de este sistema hidráulico reciprocante, es que los cuerpos boyantes pueden cambiar su densidad en el trayecto de sus carreras de ascenso y/o descenso, sin que los cuerpos tengan que llegar al final de sus carreras y pararlos por un periodo prolongado, para invertir el sentido de su movimiento. De acuerdo con la búsqueda del estado de la técnica no existe un proceso, para cambiar la densidad de un cuerpo boyante en movimiento, sin que se tenga que parar el cuerpo para reversar su movimiento.
En la actualidad el cambio de densidad del cuerpo que debe sumergirse y emerger de manera alternada, se lleva a cabo en el momento que los cuerpos finalizan sus carreras ascendente y/o descendente, frenándolos mientras se llenan y/o desocupan. Este proceso puede tomar mucho tiempo, sobre todo cuando se trata de cuerpos boyantes de gran volumen, lo cual disminuye la eficiencia de una máquina reciprocante.
a) En Prototipo válvula de mariposa:
El proceso se inicia cerrando la mariposa, de la válvula pistón que desciende, antes de que esta llegue al tope inferior y suministrando inmediatamente y de manera controlada aire a este pistón, para disminuir su velocidad. El flujo de aire se regula para que el otro pistón pueda seguir en ascenso hasta que llegue al tope superior, donde abre su mariposa para descargar el aire a la atmósfera. En este momento los pistones cambian el sentido de su movimiento y el que inicia su ascenso puede seguir recibiendo aire a mayor caudal hasta que complete su carga.
Todo esto es posible porque la cámara de aire no está confinada en un recipiente cerrado. La potencia del sistema lo determinan el volumen de aire que se pueda confinar en el cilindro por debajo de la válvula cerrada y la cabeza hidrostática de la columna de agua. El aire puede acceder en cualquier momento a esta cámara y no se necesita que los pistones paren durante la recarga. El aire se suministra por un ducto neumático (49) de un gran diámetro.
En sistemas hidráulicos configurados como compresores, la válvula debe bajar cerrada. En estos casos y para los prototipos de accionamiento mecánico se debe retener la cremallera por un instante, hasta que la válvula se cierre, mientras el pistón inicia su movimiento de descenso. Esto se logra fácilmente con un freno magnético que se coloca en el tope y atrae la punta acerada de la cremallera.
En los prototipos de válvula de mariposa motorizada, el cierre y/o apertura de la mariposa y la velocidad de los pistones se puede controlar en cualquier momento, al liberar o suministrar un poco de aire a uno o los dos pistones, en cualquier trayecto de su carrera. b) En Prototipo batiscafo:
La densidad del batiscafo cambia cuando se comprime y/o expande el gas que se encuentra dentro de su cámara sellada. Cuando el pistón del batiscafo comprime el gas, se conforma una cámara abierta en su parte exterior que se llena de agua; cuando lo expande la cámara de agua desaparece.
Cuando los batiscafos tienen motor incorporado, el proceso de cambio de densidad se puede iniciar antes de que estos finalicen sus carreras ascendente y/o descendente, porque el motor se puede accionar en cualquier momento para cambiar su densidad. Esto permite frenarlos lentamente sin tener que pararlos antes de que inviertan el sentido de su desplazamiento. Cuando los batiscafos no viajan con el motor incorporado, también se puede cambiar sus densidades, antes de que lleguen al final de sus carreras. Esto se consigue con un acople de motor, tipo telescópico, que haga girar los tornillos sin fin, en el trayecto final de ascenso y/o descenso.
5.3.2 Sincronización del movimiento reciprocante
Una condición para que este sistema hidráulico funcione correctamente, es que la fuerza Neta de empuje siempre prevalezca sobre la fuerza neta ejercida por la gravedad terrestre sobre el cuerpo en descenso. La fuerza de empuje debe ser lo suficientemente grande, para que el cuerpo suba con gran potencia y pueda arrastrar o empujar a su pareja antagónica, con la ayuda de la fuerza de gravedad, en su carrera de descenso.
La sincronización de los cuerpos boyantes se consigue al amarrarlos por pareja y al instalarlos en lados opuestos, y al final de la cadena o cuerda que los sujeta: uno al final de su carrera ascendente y el otro al final de su carrera descendente. Al amarrarlos de esta manera se obliga que el cuerpo que sube, arrastre o empuje al cuerpo que baja y se garantiza que siempre trabajen en ciclos desplazados, mientras uno asciende el otro descienda. Con este diseño creativo de los cuerpos boyantes, se puede lograr un movimiento uniforme y continuo en el eje de las máquinas.
En los sistemas de conductos abiertos es más fácil de conseguir un movimiento continuo, porque se pueden acoplar varias parejas de batiscafos sobre un mismo eje, sincronizados para que trabajen en ciclos desplazados.
Para conseguir el movimiento alternativo y reciprocante los batiscafos se deben instalar en posiciones extremas y opuestas, a un lado y otro de los piñones del mecanismo motriz, como se aprecia en la figura 7. Cuando un batiscafo comienza a ascender, jalona la cadena sinfín, la cual arrastra y sumerge a su pareja antagónica, al otro lado de la cadena que baja.
La sincronización de varios cuerpos boyantes que actúan sobre un mismo eje, (símil del cigüeñal de un motor de combustión interna), se hace de una manera similar como se sincronizan los cilindros de un vehículo.
Cuando hay varios batiscafos actuando sobre un mismo eje, es necesario sincronizarlos, para que siempre haya por lo menos uno ejerciendo un torque sobre el eje. Todas las parejas se instalan para que trabajen en diferente ciclo.
5.3.3. Arranque del sistema
El arranque de un sistema motriz, de bombeo o de compresión con batiscafo es muy fácil, porque no requiere de fuente externa de aire. En este caso se instalan los dos batiscafos, con la cámara de gases comprimida, en extremos opuestos de la cadena de transmisión. Para arrancar este sistema basta con expandir el gas de cámara sellada de los batiscafos sumergidos a mayor profundidad, en el orden previsto para que actúen sobre el eje conductor y el eje conducido.
El arranque de un sistema de bombeo con válvulas tipo mariposa es más complicado porque se necesita disponer de una fuente externa de aire con una presión superior a la cabeza hidrostática, que suministre inicialmente el caudal necesario para llenar la cámara del sistema hidráulico.
Si el suministro de de aire por una fuente externa resulta muy costoso, lo primero que hay que arrancar es el sistema hidráulico compresor reciprocante, para producir el aire que necesita este sistema y el sistema de bombeo en sus operación normal. Después de este arranque no se requiere fuente externa, porque el sistema hidráulico compresor, puede producir suficiente aire para suministrar a otros sistemas hidráulicos de bombeo y para su autoconsumo. La autosuficiencia de un sistema compresor hidráulico reciprocante, se consigue previendo que en una sola carrera del pistón se pueda producir un caudal mayor del que necesita el mismo compresor y el sistema de bombeo al cual se va a acoplar.
Para obtener una fuerza de empuje muy grande, es necesario que el cuerpo boyante tenga una densidad total muy baja. En el caso de utilizar aire para recargar los pistones y bombear agua, se puede obtener una fuerza neta de empuje muy grande, debido a que la densidad del agua es aproximadamente 1000 veces mayor que la densidad del aire.
5.4 Configuraciones mixtas del sistema hidráulico
El sistema hidráulico se puede optimizar y/o repotenciar configurando sistemas en serie, en paralelo, o uniendo sus cámaras de diferente forma. También se pueden configurar equipos o máquinas diferentes a las aquí descritas.
Un sistema en serie utiliza la descarga de una bomba para alimentar la succión de otra bomba. En la configuración en paralelo, se acoplan varias bombas a un solo colector de succión y/o descarga. De un mismo colector pueden succionar otras bombas para distribuir el fluido y/o subir el agua a mayor altura.
Con bombas hidráulicas reciprocante, se puede diseñar un acueducto que trabaje al revés, cuyas cámaras de disipación de energía se conviertan en estaciones de re bombeo para subir el agua a mayor altura.
En los sistemas híbridos, una caja puede ser común para más de dos cámaras de bombeo. En esta última configuración, de cajas comunes, el pistón de una cámara ascendente pueda jalonar varios pistones adyacentes o a su vez un pistón descendente pueda ser jalonado por varios pistones. El pistón ascendente también puede ser ayudado en su carrera ascendente con juegos de poleas acopladas a otras máquinas reciprocantes.
El sistema reciprocante trabaja más eficientemente sumergido, porque la cabeza positiva puede ayudar a sumergir el pistón descendente, sin embargo este sistema puede trabajar con cabeza de succión negativa, porque la fuerza se empuje puede ser tan grande en uno de los cilindros, que puede jalonar y succionar con fuerza por el otro ducto o cilindro.
Aunque el sistema hidráulico cerrado requiere que el agua esté libre de sólidos suspendidos, se pueden configurar sistemas para agua con moderados sólidos suspendidos. Otra aplicación del sistema hidráulico reciprocante, es un motor a propulsión a chorro o waterjet. Estos motores se configuran para que la succión de la bomba jalone la embarcación y su descarga la impulse a través de una tobera de propulsión. El motor no necesita combustibles ni energía y solo utilizaría agua del embalse, que sería devuelta al mismo cauce, sin causar daño al medio ambiente.
En aplicaciones especiales, se puede utilizar el mercurio como fluido para obtener una fuerza de empuje 13.8 veces más grande que la del agua. En estos casos se debe trabajar en circuitos totalmente cerrados y garantizar que no se presentarán escapes de este elemento al medio ambiente. En este caso se sumerge el cuerpo de la bomba con ductos abiertos en un depósito controlado de mercurio, dejando la succión y la descarga en otro reservorio de agua u otro líquido.
5.5 Campos de aplicación
El sistema reciprocante es aplicable a varios sectores productivos y es amigable con el medio ambiente. Entre los sectores a los que se puede aplicar se mencionan principalmente: la generación hidroeléctrica in situ, las plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAR), la producción de agua potable a gran escala, a partir del agua de mar, por el proceso de osmosis inversa o pervaporación y los sistemas RAS de Piscicultura.
Una mega bomba hidráulica reciprocante puede utilizarse para devolver, de una manera económica, el agua a los embalses de las represas de generación hidroeléctricas, después de pasar por la turbina de generación. Las mega máquinas de bombeo hidráulicos tienen múltiples aplicaciones en la industria: atención de inundaciones, sistemas de riego, almacenamiento y aireación de agua en sitios altos, control de embalses, oxigenación de ríos contaminados, etc. Las mega bombas de vacío pueden utilizarse en sistemas de conservación y deshidratación de alimentos; procesos de evaporación flash y pervaporación de agua de mar para obtener agua potable. Los mega equipos rotativos o motores pueden acoplarse a una turbina dando inicio a un nuevo sistema hidráulico de generación eléctrica sin consumo de agua, el cual puede competir y sacar de servicio las centrales termoeléctricas, nuclear y aún el sistema hidráulico tradicional, para utilizar el agua represada para consumo humano y agroindustria.
5.6 Realizaciones preferentes de la invención
Tanto los dibujos y las realizaciones preferentes son ejemplos que ilustran, pero no limitan la invención (pueden existir otras formas diferentes de realizaciones), por lo tanto el alcance de la invención está determinado por las reivindicaciones que se detallan más adelante y los desarrollos que legalmente sean equivalentes, más que por los ejemplos dados.
5.6.1 Sistema hidráulico reciprocante en una red para mantener una presión constante.
A modo de ejemplo de realización preferente, se explica una configuración de un equipo reciprocante para mantener la presión constante de una red de agua, el cual tiene innumerables ventajas sobre los sistemas, tradicionales por su simplicidad, capacidad, autonomía y economía. Además de consumir poca energía eléctrica y de mantener la presión más constante en el circuito de distribución, puede ser instalado en acueductos de agua potable, en redes de contraincendios urbanas y rurales, en distritos de riego y no está limitado a sistemas residenciales, o pequeñas industrias como los sistemas tradicionales.
Un sistema hidráulico a presión constante convencional, generalmente está compuesto por una o varias bombas centrífugas, un tanque de almacenamiento sumergido y/o un tanque elevado a presión atmosférica, un sistema hidropack o hidroneumático, una red de distribución, un compresor, un cuarto de máquinas, un tablero de control eléctrico, presóstatos, etc.
Aunque un sistema a presión constante más moderno solo requiere el tanque de almacenamiento y una bomba, cuya velocidad es regulada electrónicamente, de acuerdo con la demanda de agua, sigue presentando algunos inconveniente y no ofrece la garantía de un sistema a presión constante configurado con bombas hidráulicas reciprocantes.
El sistema de suministro de agua a presión constante a una red domiciliaria o de contraincendios propuesto, en su configuración más sencilla, podría ser una batería de bombas reciprocantes, conectada en paralelo a una red de distribución.
El prototipo de sistema hidráulico puede ser un batiscafo con un motor incorporado como se muestra figura 4 o 5.
Cuando haya consumo de agua, el batiscafo pistón que está en la parte inferior sube y solo se detiene cuando la demanda cese. En su ascenso además de bombear agua, empuja o jalona el pistón que se encuentra en la parte superior para recargar la otra cámara de la bomba gemela.
Cuando se haya consumido toda el agua almacenada en el ducto de descarga de la bomba, el pistón llega a su tope superior y un sistema de control hace que los tornillos sin fin giren para cambiar la densidad de los dos batiscafos. La velocidad de giro del motor depende del consumo de agua. En este caso los batiscafos pueden parar por un instante porque la demanda de agua puede ser suplida por otra serie de bombas acopladas al mismo colector de agua o por un sistema tradicional hidroneumático con diafragma o membrana de almacenamiento. El ciclo se repite de ininterrumpidamente.
Este sistema trabajaría permanentemente, aún en caso de falla del sistema de interconexión eléctrica, porque el sistema se acciona con motor recargable.
Otro ejemplo de realización preferente es un sistema para generación eléctrica que pueda suplir la demanda de una vivienda.
Hoy en día existen plantas eléctricas de emergencia portátiles que se podrían acoplar a un prototipo hidráulico reciprocante rotativo, o mini turbinas que se pueden acoplar a un circuito cerrado a presión constante como el descrito.

Claims

REIVINDICACIONES
1 . Sistema hidráulico reciprocante caracterizado porque comprende:
a. pistones o cuerpos boyantes, intercambiando su contenido interno entre agua, aire o gas.
b. dos o más pistones interconectados desfasados entre sí; y
c. un sistema neumático que introduce aire a los pistones, cuando éstos están en su carrera ascendente o descendente.
d. Cadenas, guayas, poleas y piñones
e. Conductos guías para los pistones
f. Un elemento de unión conformado por ductos curvos que comunican y unen las cavidades internas de los ductos.
g. Ejes con poleas o piñones
h. Cajas de lubricación, reductoras, multiplicadoras de velocidad o para conversión de movimientos.
2. El sistema hidráulico reciprocante de acuerdo con la reivindicación 1 , en donde los cuerpos boyantes son cápsulas cilindricas tipo batiscafo, caracterizado porque dicho batiscafo comprende:
a. dos cámaras separadas por un disco interno (2), una cámara de gas (3) y una cámara de agua (4);
b. una coraza que comprende un cuerpo cilindrico (5);
c. un tornillo sin fin (7);
d. un disco que se mueve a lo largo de las paredes internas del cuerpo del batiscafo, guiado por el tornillo sin fin (7);
e. una superficie interna bruñida para facilitar el desplazamiento del disco como pistón para comprimir o expandir el gas dentro de una cámara sellada en donde el fondo de la cámara de gas tiene un niple o apéndice (8) y los soportes de sujeción (9 y 43) para atar las cadenas, cuerdas o guayas de amarre de los dos batiscafo (10), para su desplazamiento en conductos abiertos o cerrados y donde en la parte exterior de la carcasa tiene empaques para hacer sello hidráulico en su desplazamiento por conductos cerrados.
3. El sistema hidráulico reciprocante de acuerdo con la reivindicación 2, en donde en la parte superior del cuerpo cilindrico del batiscafo se dispone una corona circular (12) que sirve de tope al disco y a la vez de soporte para el tornillo sin fin (7), adicionalmente la corona circular tiene radios (13), centrados en un buje tope (14) o rodamiento, en el cual gira la cabeza (20) del tornillo sin fin (7) y en la parte inferior del tornillo se dispone un buje o rodamiento de rodillos cilindricos de empuje (15) para centrar el tornillo y facilitar su giro.
4. El sistema hidráulico reciprocante de acuerdo con la reivindicación 1 , caracterizado porque los cuerpos boyantes son válvulas mariposa y porque además comprende:
a. Empaques (1 1 ) en la cara exterior;
b. Un disco interno giratorio (28), con un eje (29), que hace de mariposa; c. Un mecanismo de rotación de la mariposa (30); y d. Un sistema de amarre (10) de los pistones (26s/26i) que los hace depender uno del otro, en donde el mecanismo que comanda el cierre o apertura de la mariposa, está dispuesto dentro del cuerpo, y además comprende unos soportes de amarre en la base del cuerpo de la válvula (43).
5. El sistema hidráulico reciprocante de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque los cuerpos boyantes son válvulas mariposa cuyos mecanismos de rotación de la mariposa se seleccionan entre:
a. Un motor incorporado en el eje de la mariposa
b. Un mecanismo de rotación por cremallera
6. El sistema hidráulico reciprocante de acuerdo con la reivindicación 1 , caracterizado porque los conductos guías para los pistones se unen para formar una caja de lubricación o de engranajes.
7. El sistema hidráulico reciprocante de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque los batiscafos son guiados verticalmente por las guías para los batiscafos.
8. El sistema hidráulico reciprocante de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque además comprende una tubería semirrígida o manguera flexible para la recarga del gas o para el traspaso de este de una cámara a otra.
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