ES3037722A1 - SYSTEM FOR GENERATING AND ACCUMULATING COMPRESSED GAS - Google Patents
SYSTEM FOR GENERATING AND ACCUMULATING COMPRESSED GASInfo
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Abstract
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
SISTEMA PARA GENERAR Y ACUMULAR GAS COMPRIMIDOSYSTEM FOR GENERATING AND ACCUMULATING COMPRESSED GAS
Sector de la técnicaTechnology sector
La presente invención pertenece al campo de los sistemas compresores de gases mediante la combustión, en una cámara externa de ignición, de cualquier combustible sea este líquido, sólido o gaseoso y su instantánea acumulación de estos en un depósito a presión, sin necesitar, para dicha acumulación, pistones, émbolos, bielas o cigüeñales. El objeto principal de esta invención es almacenar los gases generados por la combustión del o de los combustibles disponibles y tras ser almacenados, a la presión pertinente según la aplicación, utilizarlos de forma dosificada, adaptándole al sistema objeto de esta invención, los pertinentes implementos para obtener energía eléctrica, movimiento, calor. Consiguiendo mucha más versatilidad y portabilidad que cualquier otro sistema conocido. The present invention pertains to the field of gas compression systems that utilize the combustion, in an external ignition chamber, of any fuel, whether liquid, solid, or gaseous, and its instantaneous accumulation in a pressurized tank, without requiring pistons, plungers, connecting rods, or crankshafts for said accumulation. The main objective of this invention is to store the gases generated by the combustion of the available fuel(s) and, after storage at the appropriate pressure for the application, to use them in a metered manner, adapting the system of this invention with the necessary implements to obtain electrical energy, motion, or heat. This achieves much greater versatility and portability than any other known system.
Antecedentes de la invenciónBackground of the invention
Por la configuración de los elementos de la invención que se presenta, un primer grupo de máquinas en las que podría tener antecedentes, son los motores térmicos de combustión externa. Estos son dispositivos que convierten la energía térmica en trabajo mecánico a través de un ciclo termodinámico, donde la combustión del combustible y la expansión del fluido de trabajo ocurren por separado. Al contrario de lo que sucede en los motores térmicos de combustión interna que realizan la combustión directamente dentro de los cilindros donde se produce el trabajo mecánico. Based on the configuration of the elements of the presented invention, a primary group of machines to which it might relate are external combustion engines. These are devices that convert thermal energy into mechanical work through a thermodynamic cycle, where fuel combustion and working fluid expansion occur separately. This contrasts with internal combustion engines, where combustion takes place directly within the cylinders, where mechanical work is produced.
En general la evolución de los motores térmicos de combustión externa ha sido la siguiente: In general, the evolution of external combustion engines has been as follows:
Pioneros (Siglo XVIII): Newcomen (1712) ingeniero británico, desarrollo la máquina de vapor que lleva su nombre. Este fue uno de los primeros motores de combustión externa ampliamente utilizados. Se empleó fundamentalmente para bombear agua de las minas. Watt (1769) mejoró significativamente el diseño de la máquina de Newcomen introduciendo un mecanismo de doble acción, convirtiéndola en un motor más eficiente. La máquina de vapor de Watt desempeñó un papel importante en la revolución industrial al proporcionar energía para gran variedad de aplicaciones. Pioneers (18th Century): Newcomen (1712), a British engineer, developed the steam engine that bears his name. This was one of the first widely used external combustion engines. It was primarily used to pump water from mines. Watt (1769) significantly improved Newcomen's design by introducing a double-acting mechanism, making it a more efficient engine. Watt's steam engine played a crucial role in the Industrial Revolution by providing power for a wide variety of applications.
Motor Stirling (1816): Robert Stirling patentó el motor Stirling, que utilizaba un ciclo termodinámico cerrado basado en la expansión y contracción de un gas (generalmente aire) a través de cambios de temperatura. Aunque inicialmente no fue ampliamente adoptado debido a la disponibilidad de motores de combustión interna, el motor Stirling ha sido objeto de investigación continúa debido a su eficiencia teórica y la posibilidad de utilizar diversas fuentes de calor. Stirling Engine (1816): Robert Stirling patented the Stirling engine, which used a closed thermodynamic cycle based on the expansion and contraction of a gas (usually air) through temperature changes. Although initially not widely adopted due to the availability of internal combustion engines, the Stirling engine has been the subject of ongoing research because of its theoretical efficiency and the possibility of using various heat sources.
Motores de aire caliente (Siglo XIX): Durante el siglo XIX, se desarrollaron y probaron varios diseños de motores de aire caliente. Estos motores operaban mediante la expansión y contracción del aire calentado, y se aplicaban en diversas áreas como bombas de agua, generadores y sistemas estacionarios. Hot Air Engines (19th Century): During the 19th century, several hot air engine designs were developed and tested. These engines operated by the expansion and contraction of heated air and were used in various applications, including water pumps, generators, and stationary systems.
Motores de gas (Siglo XIX): Paralelamente, se desarrollaron motores de gas, incluido el motor de gas Brayton. Estos motores operan con un ciclo abierto, donde el fluido de trabajo (generalmente aire) se mezcla con combustible y se quema continuamente, generando trabajo mecánico. Gas engines (19th century): In parallel, gas engines were developed, including the Brayton gas engine. These engines operate on an open cycle, where the working fluid (usually air) is mixed with fuel and burned continuously, generating mechanical work.
Aplicaciones en el Siglo XX: A medida que avanzaba el siglo XX, los motores de combustión externa, en particular los motores Stirling, encontraron aplicaciones en generadores de electricidad estacionarios, sistemas de calefacción y refrigeración, y en aplicaciones industriales. Su capacidad para funcionar con fuentes de calor externas, como la energía solar, los hizo atractivos para ciertos usos especializados. Investigación y Desarrollo en el Siglo XXI: En el siglo XXI, hay un creciente interés en los motores de combustión externa debido a la necesidad de fuentes de energía más limpias y sostenibles. La investigación se centra en mejorar la eficiencia y la viabilidad económica de estos motores, así como en desarrollar nuevas aplicaciones prácticas. La integración con tecnologías modernas y la exploración de nuevas formas de aprovechar la energía térmica son áreas clave de desarrollo. 20th Century Applications: As the 20th century progressed, external combustion engines, particularly Stirling engines, found applications in stationary electricity generators, heating and cooling systems, and industrial applications. Their ability to operate using external heat sources, such as solar energy, made them attractive for certain specialized uses. 21st Century Research and Development: In the 21st century, there is a growing interest in external combustion engines due to the need for cleaner and more sustainable energy sources. Research is focused on improving the efficiency and economic viability of these engines, as well as developing new practical applications. Integration with modern technologies and the exploration of new ways to harness thermal energy are key areas of development.
Un segundo grupo de máquinas, en las que podría tener antecedentes la invención que se presenta serían los compresores. Un compresor de aire es un dispositivo neumático que convierte la energía (usando un motor eléctrico, un motor diésel o de gasolina) en energía potencial almacenada en aire presurizado (es decir, aire comprimido). Mediante uno de varios métodos, un compresor de aire fuerza cada vez más aire al interior de un tanque de almacenamiento, aumentando la presión. Cuando la presión del tanque alcanza su límite superior diseñado, el compresor de aire se apaga. El aire comprimido, entonces, se mantiene en el tanque hasta que se usa. La energía contenida en el aire comprimido se puede utilizar para una variedad de aplicaciones, utilizando la energía cinética del aire a medida que se libera y el tanque se despresuriza. Cuando la presión del tanque alcanza su límite inferior, el compresor de aire se enciende nuevamente y vuelve a presurizar el tanque. Un compresor de aire debe diferenciarse de una bomba hidráulica porque funciona con cualquier gas/aire, mientras que las bombas funcionan con un líquido. A second group of machines, to which the presented invention might have its antecedents, would be compressors. An air compressor is a pneumatic device that converts energy (using an electric motor, a diesel engine, or a gasoline engine) into potential energy stored in pressurized air (i.e., compressed air). By one of several methods, an air compressor forces increasing amounts of air into a storage tank, raising the pressure. When the tank pressure reaches its designed upper limit, the air compressor shuts off. The compressed air is then held in the tank until needed. The energy contained in the compressed air can be used for a variety of applications, utilizing the kinetic energy of the air as it is released and the tank depressurizes. When the tank pressure reaches its lower limit, the air compressor restarts and repressurizes the tank. An air compressor should be distinguished from a hydraulic pump because it operates with any gas/air, whereas pumps operate with a liquid.
En general la evolución de los compresores térmicos de aire ha sido la siguiente: Compresores Manuales (Siglo XIX): En sus primeras etapas, los compresores eran operados manualmente. Los operadores utilizaban palancas o manivelas para comprimir el gas, un proceso que era laborioso y limitado en términos de eficiencia y capacidad. In general, the evolution of thermal air compressors has been as follows: Manual Compressors (19th Century): In their early stages, compressors were operated manually. Operators used levers or cranks to compress the gas, a process that was laborious and limited in terms of efficiency and capacity.
Compresores Mecánicos (Finales del Siglo XIX): Con el advenimiento de la Revolución Industrial, se desarrollaron compresores mecánicos que utilizaban motores para realizar la compresión de forma más eficiente. Estos compresores eran impulsados por energía hidráulica o, más tarde, por motores eléctricos y motores de combustión interna. Mechanical Compressors (Late 19th Century): With the advent of the Industrial Revolution, mechanical compressors were developed that used motors to perform compression more efficiently. These compressors were powered by hydraulic energy or, later, by electric motors and internal combustion engines.
Compresores Reciprocantes (Siglo XX): A lo largo del siglo XX, los compresores reciprocantes se volvieron comunes. Estos compresores utilizan un pistón en movimiento alternativo dentro de un cilindro para comprimir el gas. Fueron ampliamente utilizados en diversas aplicaciones, desde sistemas de refrigeración hasta procesos industriales. Reciprocating Compressors (20th Century): Throughout the 20th century, reciprocating compressors became commonplace. These compressors use a reciprocating piston within a cylinder to compress gas. They were widely used in various applications, from refrigeration systems to industrial processes.
Compresores Centrífugos y Axiales (Mediados del Siglo XX): A medida que avanzaba el siglo XX, se desarrollaron compresores centrífugos y axiales. Estos compresores son especialmente eficientes para grandes volúmenes de gas y son comunes en aplicaciones como la industria aeroespacial y la generación de energía. Centrifugal and Axial Compressors (Mid-20th Century): As the 20th century progressed, centrifugal and axial compressors were developed. These compressors are especially efficient for large volumes of gas and are common in applications such as the aerospace industry and power generation.
Compresores de Tornillo y Scroll (Finales del Siglo XX): A finales del siglo XX, los compresores de tornillo y scroll se volvieron más populares. Los compresores de tornillo utilizan rotores helicoidales para comprimir el gas, mientras que los compresores scroll utilizan espirales concéntricas. Estos diseños ofrecen ventajas en términos de eficiencia y operación más silenciosa. Screw and Scroll Compressors (Late 20th Century): In the late 20th century, screw and scroll compressors became more popular. Screw compressors use helical rotors to compress gas, while scroll compressors use concentric spirals. These designs offer advantages in terms of efficiency and quieter operation.
Tecnologías Actuales (Siglo XXI): En el siglo XXI, la tecnología de compresores ha continuado evolucionando con enfoques en eficiencia energética, reducción de emisiones y aplicaciones especializadas. Además, la integración de la automatización y el control digital ha permitido una operación más precisa y eficiente de los compresores en diversas aplicaciones. Current Technologies (21st Century): In the 21st century, compressor technology has continued to evolve with a focus on energy efficiency, emissions reduction, and specialized applications. Furthermore, the integration of automation and digital control has enabled more precise and efficient compressor operation in a variety of applications.
Un tercer grupo de antecedentes serían las turbinas de gas, son dispositivos que convierten la energía térmica de un flujo de gas en energía mecánica rotativa. Estas máquinas operan según el principio de la expansión de un gas a través de una serie de etapas de turbinas. La energía cinética resultante de la expansión del gas se convierte en energía mecánica, la cual puede ser utilizada para impulsar un generador eléctrico, una hélice en aplicaciones aeroespaciales, o realizar trabajo mecánico en otras aplicaciones. A third group of precedents would be gas turbines, which are devices that convert the thermal energy of a gas flow into rotary mechanical energy. These machines operate on the principle of gas expansion through a series of turbine stages. The kinetic energy resulting from the gas expansion is converted into mechanical energy, which can be used to drive an electric generator, a propeller in aerospace applications, or perform mechanical work in other applications.
En términos más técnicos, una turbina de gas consta de un compresor, una cámara de combustión y una turbina. El compresor aumenta la presión del aire antes de que entre en la cámara de combustión, donde se le añade combustible y se quema. El gas de alta temperatura y presión resultante se expande a través de la turbina, generando energía mecánica que impulsa el compresor y, si está acoplada a un generador, produce electricidad. In more technical terms, a gas turbine consists of a compressor, a combustion chamber, and a turbine. The compressor increases the pressure of the air before it enters the combustion chamber, where fuel is added and it is burned. The resulting high-temperature, high-pressure gas expands through the turbine, generating mechanical energy that drives the compressor and, if coupled to a generator, produces electricity.
Las turbinas de gas son comúnmente utilizadas en aplicaciones aeroespaciales, plantas de generación eléctrica, y procesos industriales que requieren una fuente de energía eficiente y versátil. Su diseño y rendimiento pueden variar según la aplicación específica, pero comparten el principio fundamental de convertir la energía térmica del gas en energía mecánica útil. Gas turbines are commonly used in aerospace applications, power generation plants, and industrial processes that require an efficient and versatile energy source. Their design and performance may vary depending on the specific application, but they share the fundamental principle of converting the thermal energy of gas into useful mechanical energy.
Por último, mencionar otro grupo de antecedentes: los motores propulsados por aire comprimido. Son sistemas de propulsión que utilizan aire comprimido como fuente de energía para generar movimiento y realizar trabajo mecánico. Estos motores operan mediante la expansión controlada de aire comprimido, lo que resulta en la generación de fuerza y movimiento. A diferencia de los motores de combustión interna, que utilizan la combustión de combustibles para generar energía, los motores de aire comprimido dependen de la liberación de la presión almacenada en el aire comprimido para impulsar pistones, rotores u otros elementos mecánicos. Este tipo de motores se ha utilizado en aplicaciones específicas, como vehículos ligeros y herramientas neumáticas, y a menudo se promueven por su carácter más limpio en términos de emisiones, aunque la eficiencia y la densidad de energía son consideraciones importantes en su desarrollo y aplicación práctica. Finally, another group of background technologies should be mentioned: compressed air-powered engines. These are propulsion systems that use compressed air as an energy source to generate motion and perform mechanical work. These engines operate through the controlled expansion of compressed air, resulting in the generation of force and movement. Unlike internal combustion engines, which use the combustion of fuels to generate energy, compressed air engines rely on the release of pressure stored in compressed air to drive pistons, rotors, or other mechanical elements. This type of engine has been used in specific applications, such as light vehicles and pneumatic tools, and is often promoted for its cleaner emissions, although efficiency and energy density are important considerations in its development and practical application.
Gracias a la descripción detallada de la invención, que se hará en los siguientes apartados, se podrán apreciar las diferencias más significativas que la propuesta guarda con los antecedentes que le preceden, pero a grandes rasgos se pueden enumerar dichas diferencias con cada grupo haciendo, de esta manera, hincapié en las grandes ventajas que la invención que se describe en esta memoria aporta. Thanks to the detailed description of the invention, which will be made in the following sections, the most significant differences that the proposal has with the antecedents that precede it can be appreciated, but in broad terms these differences can be listed with each group, thus emphasizing the great advantages that the invention described in this report brings.
Respecto a las máquinas de combustión externa: ambos sistemas comparten el esquema general de diseño referente a la disposición de la cámara de combustión de forma externa. La gran diferencia de estas máquinas con la invención objeto de esta memoria es que aquellas precisan de dos cámaras para su funcionamiento, mientras que el sistema que se propone solo precisa una. Por otro lado, este grupo de máquinas, necesitan grandes tiempos de espera para alcanzar temperatura y presión, sin embargo, la invención que se presenta ofrece la gran ventaja de que las combustiones son inmediatas y la disposición de los gases producto de la combustión, para un uso práctico, también puede serlo de forma inmediata. Otra diferencia notable es que la propuesta de esta invención no tiene pistones, ni elementos mecánicos para realizar el proceso de almacenamiento de los gases producto de la combustión a presión con lo cual se abaratan costes de fabricación y de mantenimiento al no precisar lubricaciones costosas, ni complicados sistemas de refrigeración. Regarding external combustion engines: both systems share the general design scheme concerning the external arrangement of the combustion chamber. The main difference between these engines and the invention described herein is that the former require two chambers to operate, while the proposed system requires only one. Furthermore, this group of engines requires long waiting times to reach the required temperature and pressure; however, the presented invention offers the significant advantage of immediate combustion, and the combustion gases can also be disposed of immediately for practical use. Another notable difference is that this invention does not have pistons or mechanical elements for storing the combustion gases under pressure, thus reducing manufacturing and maintenance costs by eliminating the need for expensive lubrication and complex cooling systems.
Respecto a los compresores: en este caso la invención comparte la parte del esquema general de diseño referente al almacenamiento de gases. Pero si el proceso de la compresión se realiza mediante energía eléctrica la portabilidad será un inconveniente añadido que se solventa con la invención que se presenta, pues no necesita energía eléctrica para el proceso de almacenamiento y por lo tanto puede utilizarse y transportarse fácilmente a cualquier punto geográfico que se precise y en el que no cuente con energía eléctrica. En el caso de que los compresores generen el aire comprimido mediante la intervención de motores térmicos, la eficiencia del sistema decae enormemente. Otra gran ventaja añadida de la invención que se presenta, pues al no necesitar pistones, bielas, cigüeñales para funcionar, sería más eficiente, al tener menos perdidas de energía por rozamientos de multitud de piezas móviles. Regarding compressors: in this case, the invention shares the part of the general design scheme related to gas storage. However, if the compression process is carried out using electrical energy, portability becomes an additional drawback, which is overcome by the presented invention. This invention does not require electrical energy for the storage process and can therefore be easily used and transported to any geographical location where electricity is unavailable. If the compressors generate compressed air using internal combustion engines, the system's efficiency drops significantly. Another major advantage of the presented invention is that, by not requiring pistons, connecting rods, or crankshafts to operate, it would be more efficient, resulting in less energy loss due to friction from numerous moving parts.
Respecto a las turbinas de gas: en ambos casos son máquinas que utilizan el concepto de compresión de los gases de combustión, pero en las turbinas de gas se realiza una combustión sin almacenamiento de gases mediante mecanismos muy complejos y tanto la obtención como el aprovechamiento de la energía tras las pertinentes combustiones se realiza de forma inmediata y por lo tanto en aplicaciones que requieran una dosificación de la energía, con estas turbinas no sería posible y sin embargo con la invención que se propone si se podría, siendo por tanto, esta invención mucho más versátil. Regarding gas turbines: in both cases they are machines that use the concept of compression of combustion gases, but in gas turbines combustion is carried out without gas storage through very complex mechanisms and both the obtaining and use of energy after the relevant combustions is done immediately and therefore in applications that require energy dosing, with these turbines it would not be possible and however with the proposed invention it would be possible, making this invention much more versatile.
Respecto a los motores de aire comprimido: el único punto de coincidencia entre ambos sistemas es que los dos cuentan con un almacenamiento de gases a presión. Sin embargo, difieren en la forma de conseguir almacenar el aire en el depósito de aire/gases, ya que los motores de aire comprimido necesitan un compresor externo y precisan de un largo tiempo de espera para su llenado. En cambio, el tiempo de llenado de la propuesta de esta invención es casi inmediato. Por otra parte, cabe destacar que este tipo de motores, para lograr una autonomía mediana, necesitan grandes depósitos en los que almacenar el aire a alta presión (200 a 300 bares) con los consiguientes riesgos en caso de colisiones accidentales de los vehículos en los que se instale. Mientras que el almacenamiento del generador propuesto estaría a una presión media, de 20 bares. Con el motor de aire comprimido se consiguen estándares aceptables de reducción de contaminación, al utilizar la energía cinética de un elemento inocuo pero dado que el aire almacenado en el depósito a presión se inyectaría de forma secuencial en cada pistón de un motor convencional de combustión interna modificado para el uso con aire comprimido, esta utilización le resta argumentos favorables, pues al igual que el motor de combustión interna, seguirían siendo necesarias lubricaciones y, por tanto, mucha merma de eficiencia por rozamientos de pistones, bielas y cigüeñal. Circunstancias que como se ha dicho, la invención que se presenta solventa al no disponer de elementos mecánicos que precisen lubricaciones. Regarding compressed air engines: the only point of convergence between the two systems is that they both have a pressurized gas storage system. However, they differ in how they store the air in the air/gas tank, since compressed air engines require an external compressor and a long waiting time for filling. In contrast, the filling time for the system proposed in this invention is almost instantaneous. Furthermore, it should be noted that these types of engines, to achieve a moderate operating range, require large tanks to store air at high pressure (200 to 300 bar), with the consequent risks in the event of accidental collisions of the vehicles in which they are installed. Meanwhile, the storage of the proposed generator would be at a medium pressure of 20 bar. The compressed air engine achieves acceptable pollution reduction standards by utilizing the kinetic energy of a harmless element. However, since the air stored in the pressurized tank would be injected sequentially into each piston of a conventional internal combustion engine modified for use with compressed air, this application diminishes its advantages. Like the internal combustion engine, lubrication would still be necessary, resulting in significant efficiency losses due to friction between pistons, connecting rods, and the crankshaft. As mentioned, the presented invention overcomes these limitations by not having any mechanical components that require lubrication.
Resumiendo, las ventajas de la invención que se propone respecto a los antecedentes del estado de la técnica conocido serían las siguientes: In summary, the advantages of the proposed invention compared to the known prior art would be the following:
- Sencilla fabricación y costes reducidos de la misma. - Simple manufacturing and reduced costs.
- Dosificación a demanda de la energía potencial de los gases almacenados. - Fácil y económico mantenimiento al no necesitar lubricaciones, ni refrigeraciones costosas. - On-demand dosing of the potential energy of stored gases. - Easy and economical maintenance as it does not require lubrication or costly cooling.
- Gran eficiencia al no haber piezas mecánicas intermediarias. - High efficiency due to the absence of intermediate mechanical parts.
- Gran portabilidad. - Great portability.
- Gran versatilidad: de las aplicaciones en las que se puede utilizar (multipropósito) y de los combustibles que se pueden usar en la cámara de combustión, solidos, líquidos o gaseosos (multicombustible) y abierto a futuros combustibles más ecológicos y sostenibles. Posibilidad de trabajar en entornos sin presencia de oxígeno, empleando los combustibles adecuados. - High versatility: from the applications in which it can be used (multipurpose) to the fuels that can be used in the combustion chamber—solid, liquid, or gaseous (multifuel)—and open to future, more environmentally friendly and sustainable fuels. It can operate in oxygen-free environments using the appropriate fuels.
- Sistema silencioso, los gases quedan almacenados. - Silent system, gases are stored.
- Escalable. - Scalable.
Descripción de la invenciónDescription of the invention
La creciente sensibilidad hacia las problemáticas medioambientales, intensificada por las sucesivas cumbres climáticas, ha catalizado una revisión exhaustiva de los protocolos de fabricación de componentes en diversos sectores industriales. En este contexto, se está impulsando la búsqueda de sistemas más eficientes, sostenibles y respetuosos con el medio ambiente. Esta renovada atención hacia la ecoeficiencia no solo responde a las demandas de la sociedad contemporánea, sino que también refleja un compromiso global por mitigar el impacto ambiental de las actividades humanas. La búsqueda de sistemas más eficientes y sostenibles no solo se limita al ámbito industrial, sino que también está involucrando a instituciones académicas y al sector de la investigación. Universidades e industrias están colaborando estrechamente, invirtiendo en proyectos innovadores y en el desarrollo de tecnologías que promuevan la sostenibilidad. Esta sinergia entre el conocimiento académico y la experiencia industrial es fundamental para impulsar avances significativos hacia un futuro más verde y sostenible. The growing awareness of environmental issues, intensified by successive climate summits, has catalyzed a comprehensive review of component manufacturing protocols across various industrial sectors. In this context, the search for more efficient, sustainable, and environmentally friendly systems is being driven. This renewed focus on eco-efficiency not only responds to the demands of contemporary society but also reflects a global commitment to mitigating the environmental impact of human activities. The pursuit of more efficient and sustainable systems is not limited to the industrial sphere but is also engaging academic institutions and the research sector. Universities and industries are collaborating closely, investing in innovative projects and the development of technologies that promote sustainability. This synergy between academic knowledge and industrial experience is fundamental to driving significant progress toward a greener and more sustainable future.
Un ejemplo de catarsis es la que está viviendo el mundo del motor, pues hoy en día, más que nunca, se encuentra especialmente bajo escrutinio debido a su mala reputación de ser un sector particularmente ineficiente en términos de consumo de recursos y emisiones contaminantes. Un dato conocido que corrobora lo dicho es que los motores de combustión interna tienen una eficiencia del 20% y en el mejor de los casos del 30%, es decir que entre el 70% y el 80% de la densidad energética de los combustibles utilizados en los motores de combustión interna, se pierde en rozamientos y calor, sin aprovecharse. An example of catharsis is what the automotive world is currently experiencing, as today, more than ever, it is under intense scrutiny due to its poor reputation as a particularly inefficient sector in terms of resource consumption and pollutant emissions. A well-known fact that corroborates this is that internal combustion engines have an efficiency of 20%, and at best 30%. This means that between 70% and 80% of the energy density of the fuels used in internal combustion engines is lost to friction and heat, without being utilized.
No es de extrañar que esta atención renovada ha desencadenado un impulso significativo hacia la innovación y el desarrollo de tecnologías más limpias y eficientes en la industria automotriz. Fabricantes de automóviles, junto con universidades y otras entidades de investigación, están redoblando esfuerzos para diseñar vehículos más eco amigables y avanzar hacia una movilidad más sostenible. It's no surprise that this renewed attention has sparked a significant push toward innovation and the development of cleaner, more efficient technologies in the automotive industry. Automakers, along with universities and other research institutions, are redoubling their efforts to design more eco-friendly vehicles and move toward more sustainable mobility.
El objetivo de esta invención es aportar un sistema que no solo sea eficiente, sino también multipropósito, es decir, que pueda aplicarse no solo en la industria del automóvil, sino que también lo sea en otros ámbitos como el ocio, la salud y las actividades tanto submarina como aeroespacial. Por su simplicidad en el diseño, este sistema es además fácil de construir y económicamente asequible en su fabricación. El sistema para generar y acumular gas comprimido objeto de la invención comprende una cámara de explosión o combustión, un depósito acumulador de gases a presión, una válvula antirretorno entre la cámara de explosión o combustión y el depósito acumulador, una electroválvula configurada para gestionar la salida de un flujo de gases del depósito acumulador, y un primer inyector conectado con un primer depósito de combustible, donde la cámara de explosión o combustión está configurada para recibir mediante el primer inyector un primer combustible desde el primer depósito de combustible, y donde un elemento a elegir entre una bujía y un segundo inyector conectado con un segundo depósito de combustible está configurado para generar una combustión/explosión en la cámara de explosión o combustión. The objective of this invention is to provide a system that is not only efficient but also multipurpose, meaning it can be applied not only in the automotive industry but also in other fields such as leisure, healthcare, and underwater and aerospace activities. Due to its simple design, this system is also easy to build and economically affordable to manufacture. The system for generating and storing compressed gas that is the subject of the invention comprises an explosion or combustion chamber, a pressurized gas storage tank, a non-return valve between the explosion or combustion chamber and the storage tank, a solenoid valve configured to manage the flow of gases from the storage tank, and a first injector connected to a first fuel tank. The explosion or combustion chamber is configured to receive fuel from the first fuel tank via the first injector, and a component, selectable between a spark plug and a second injector connected to a second fuel tank, is configured to generate combustion/explosion in the explosion or combustion chamber.
El sistema para generar y acumular gas comprimido objeto de la invención adicionalmente comprende un manómetro configurado para medir la presión optima del depósito acumulador, una válvula de seguridad configurada para la salida de gases del depósito acumulador en caso de exceso de presión, y un sensor de bajada de presión en el depósito acumulador configurado para detectar una bajada de presión en el depósito acumulador. The system for generating and accumulating compressed gas that is the subject of the invention further comprises a pressure gauge configured to measure the optimum pressure of the accumulator tank, a safety valve configured for the release of gases from the accumulator tank in case of excess pressure, and a pressure drop sensor in the accumulator tank configured to detect a pressure drop in the accumulator tank.
El sistema para generar y acumular gas comprimido objeto de la invención adicionalmente puede comprender una cámara de caldeo que contiene un líquido en contacto con la cámara de combustión, y un circuito de tuberías configurado para recibir el líquido de la cámara de caldeo. The system for generating and accumulating compressed gas that is the subject of the invention may further comprise a heating chamber containing a liquid in contact with the combustion chamber, and a pipe circuit configured to receive the liquid from the heating chamber.
Al situar la cámara de combustión de forma externa se consigue uno de los objetivos principales de esta invención, cual es el de poder realizar combustiones con cualquier combustible con buena densidad energética dentro de ella, ya sean sólidos, líquidos o gaseosos, incluidos todos los que -a futuro- sean inventados con mejores cualidades ecológicas. By placing the combustion chamber externally, one of the main objectives of this invention is achieved, which is to be able to carry out combustions with any fuel with good energy density inside it, whether solid, liquid or gaseous, including all those that -in the future- will be invented with better ecological qualities.
De esta manera se consigue, por un lado, una fácil adaptación del sistema a la aplicación que se vaya a utilizar y, por otro, fácil adaptación del sistema al combustible más abundante o asequible en la zona geográfica donde se utilice la aplicación que cuente con este generador y acumulador. This way, on the one hand, easy adaptation of the system to the application to be used and, on the other hand, easy adaptation of the system to the most abundant or affordable fuel in the geographical area where the application that has this generator and accumulator is used.
Respecto a este aspecto, un ejemplo de problemática y solución que aportaría el sistema que se presenta, sería el siguiente: en zonas o lugares con carencia o ausencia de oxígeno (el espacio exterior a la tierra o en entornos submarinos) con la utilización de la cámara de combustión externa, se podría optar por la utilización de combustibles sólidos (sodio) agua y tras la reacción química (ambos dentro de la cámara de combustión) los gases generados, serian acumulados a presión para su posterior uso. Otro ejemplo sería poder utilizar hidrógeno en la cámara de combustión, de esta invención, sin temor a las nefastas consecuencias que genera su utilización, respecto a su combustión errática, que trae de cabeza a los fabricantes, en los motores de combustión interna. Regarding this aspect, an example of a problem and a solution that the presented system would offer is the following: in areas or locations with a lack or absence of oxygen (outer space or underwater environments), with the use of an external combustion chamber, one could opt for the use of solid fuels (sodium) and water. After the chemical reaction (both inside the combustion chamber), the generated gases would be accumulated under pressure for later use. Another example would be the possibility of using hydrogen in the combustion chamber of this invention without fear of the disastrous consequences of its erratic combustion, which plagues manufacturers of internal combustion engines.
Dos realizaciones de la invención difieren en dos aspectos, uno en que una primera realización sólo tiene un depósito de combustible y la segunda realización tiene dos. El segundo aspecto es que la primera realización tiene bujía de encendido y la segunda realización no tiene dicha bujía, esto es así porque la segunda realización está concebida para la reacción de un sólido, como se puso en el ejemplo de más arriba, sodio con agua y esta reacción no necesita chispa para que ambos elementos reaccionen químicamente entre sí. En la realización con una sola entrada de combustible, una vez inyectado el combustible, mezclado óptimamente con aire, en la cámara de combustión, se producirá la ignición de la mezcla al producirse la chispa en la bujía. En los motores de combustión interna, mientras está “encendido” el motor, continuamente se están produciendo explosiones al realizar los pertinentes ciclos (el otto: admisión, compresión, expansión y escape), en el sistema propuesto, la orden de entrada de combustible se dará cuando se produzca una bajada de presión en el depósito acumulador de gases y por tanto, no se producirán explosiones continuamente solo se producirán combustiones cuando se produzca una bajada de la presión tasada en el depósito acumulador de gases. Two embodiments of the invention differ in two aspects: first, the first embodiment has only one fuel tank, while the second embodiment has two. Second, the first embodiment has a spark plug, while the second does not. This is because the second embodiment is designed for the reaction of a solid, such as sodium with water in the example above, and this reaction does not require a spark for the two elements to react chemically. In the embodiment with a single fuel inlet, once the fuel, optimally mixed with air, is injected into the combustion chamber, the mixture will ignite upon sparking the spark plug. In internal combustion engines, while the engine is "running", explosions are continuously occurring as the relevant cycles are performed (the Otto cycle: intake, compression, expansion and exhaust). In the proposed system, the fuel intake command will be given when there is a drop in pressure in the gas accumulator tank and therefore, explosions will not occur continuously; combustion will only occur when there is a drop in the rated pressure in the gas accumulator tank.
La forma de la cámara de combustión podría ser esférica y la del depósito acumulador de gases a presión cilíndrica con semiesferas en ambos extremos. The combustion chamber could be spherical in shape, and the gas accumulator tank could be cylindrical with hemispheres at both ends.
Los gases generados, tras las pertinentes combustiones, salen hacia el depósito acumulador a través de una válvula antirretorno o de retención que comunica dicho depósito con la cámara de combustión. Si el depósito acumulador de gases estuviera totalmente vacío, automáticamente se llevarán a cabo una o varias combustiones sucesivas, es decir, tantas como sea preciso para llenarlo de gases a la presión prefijada según la aplicación en la que este sistema se vaya a utilizar. Posteriormente, solo serán necesarias combustiones esporádicas en el caso de que la presión disminuya, con el objetivo de mantener siempre la presión estipulada en el depósito acumulador de gases. The gases generated after combustion flow into the accumulator tank through a non-return or check valve that connects the tank to the combustion chamber. If the gas accumulator tank is completely empty, one or more successive combustions will automatically take place—as many as necessary to fill it with gas to the preset pressure, depending on the application for which the system will be used. Subsequently, only sporadic combustions will be required if the pressure drops, in order to maintain the specified pressure in the gas accumulator tank.
Las dimensiones de la parte acumuladora del sistema objeto de la invención dependen de la aplicación en la que se vaya a utilizar y la forma del depósito acumulador puede ser cilíndrica con semiesferas en los extremos, semejante a una botella de submarinista, aunque escalable según la aplicación para la que se use todo el sistema. The dimensions of the accumulator part of the system that is the subject of the invention depend on the application in which it is to be used and the shape of the accumulator tank can be cylindrical with hemispheres at the ends, similar to a scuba tank, although scalable according to the application for which the whole system is used.
Por ejemplo, si el sistema objeto de esta invención se adaptara a un automóvil, el cual fuera movido por motores eléctricos y estos a su vez se alimentasen gracias a la electricidad que les aporta un pack de baterías, el funcionamiento combinado de los elementos del sistema objeto de esta invención sería el siguiente: cuando el nivel de tensión eléctrica, de dichas baterías, bajara a un nivel prefijado, se enviaría una señal a la electroválvula proporcional, del depósito acumulador de gases, para que esta se abriera y dejase salir un flujo de gases. Esta salida de flujo de gases estaría en intimo contacto con la entrada de una pequeña turbina (del tipo de turbocompresores) de alta eficiencia, y permitiría aprovechar al máximo la energía cinética del flujo de gases y, estando la turbina, unida mediante un eje a un generador eléctrico axial, la energía cinética del caudal de gases, que salen del acumulador a través de la válvula, se convertiría en energía eléctrica para elevar el nivel de tensión del pack de baterías a su nivel óptimo. De esa manera, el pack de baterías se mantendría siempre en un nivel de tensión eléctrica adecuado. Por consiguiente, adaptando el sistema objeto de esta invención, por ejemplo, al automóvil de este ejemplo se conseguiría prescindir de toda la mecánica ineficiente (rozamientos de multitud de piezas, lubricaciones) del motor de combustión interna, de un sistema híbrido convencional y tendríamos una nueva hibridación más eficiente y económica, tanto por la fabricación, como por el mantenimiento y además, se conseguiría reducir aproximadamente en un 75% la cantidad de baterías necesarias (y por consiguiente una gran alivio de peso) respecto a las que precisaría, si ejemplo mencionado fuera un automóvil totalmente eléctrico. For example, if the system of this invention were adapted to a car powered by electric motors, which in turn were powered by electricity from a battery pack, the combined operation of the system's components would be as follows: when the voltage level of the batteries drops to a preset level, a signal would be sent to the proportional solenoid valve in the gas storage tank, causing it to open and release a flow of gases. This gas flow would be in close contact with the inlet of a small, high-efficiency turbine (of the turbocharger type), allowing the kinetic energy of the gas flow to be fully utilized. Since the turbine is connected by a shaft to an axial electric generator, the kinetic energy of the gas flow exiting the storage tank through the valve would be converted into electrical energy to raise the battery pack's voltage level to its optimum. In this way, the battery pack would always maintain an appropriate voltage level. Therefore, by adapting the system that is the subject of this invention, for example, to the car in this example, it would be possible to do away with all the inefficient mechanics (friction of many parts, lubrication) of the internal combustion engine of a conventional hybrid system and we would have a new hybridization that is more efficient and economical, both in terms of manufacturing and maintenance, and in addition, it would be possible to reduce the amount of batteries needed by approximately 75% (and therefore a great weight reduction) compared to what would be required if the aforementioned example were a fully electric car.
El depósito acumulador de gases dispone de dos elementos, uno es el indicador de presión (puede ser digital o analógico: manómetro) que iría dispuesto siempre a la vista del usuario y otro sería el sensor de presión, dispositivo que traduce una bajada de presión en el depósito acumulador de gases en una señal eléctrica que actúa sobre la inyección de combustible. Siguiendo con el ejemplo del vehículo anterior y suponiendo que el depósito acumulador de gases este lleno, si el sensor de presión situado en el depósito acumulador, detecta una bajada de presión, se envía una señal eléctrica para que se produzca la inyección de combustible y se proceda a cargar la cámara de combustión con la cantidad pertinente de combustible, cuando se produzca la chispa y tras la explosión de la mezcla, los gases generados, pasarán a través de la válvula antirretorno y se recargará el depósito acumulador de gases a la presión requerida. Solo se producirán explosiones en la cámara de combustión cuando la tensión de las baterías baje de un nivel de tensión determinado, por lo tanto, estas combustiones o explosiones no se producen de forma continuada y además son explosiones silenciosas (desde el exterior al sistema) puesto que los gases no salen al aire en escape libre, sino que son contenidos en el depósito acumulador de gases a presión. Al ilustrar esta memoria con el ejemplo del automóvil se hace constar que se han obviado muchos detalles de ingeniería automotriz porque, como es de comprender, no es el objeto de esta. The gas accumulator tank has two components: a pressure gauge (which can be digital or analog, like a pressure gauge) that is always visible to the user, and a pressure sensor. This sensor translates a drop in pressure in the gas accumulator tank into an electrical signal that triggers fuel injection. Continuing with the previous vehicle example, and assuming the gas accumulator tank is full, if the pressure sensor in the accumulator tank detects a pressure drop, it sends an electrical signal to inject fuel and charge the combustion chamber with the appropriate amount of fuel. When the spark ignites and the mixture explodes, the resulting gases pass through the non-return valve, recharging the gas accumulator tank to the required pressure. Explosions in the combustion chamber will only occur when the battery voltage drops below a certain level. Therefore, these combustions or explosions are not continuous and are also silent (from the outside of the system) since the gases are not released into the air in a free exhaust but are contained in the pressurized gas accumulator tank. By illustrating this with the example of a car, it should be noted that many details of automotive engineering have been omitted because, as is understandable, they are not the focus of this document.
Breve descripción de los dibujosBrief description of the drawings
Para completar la descripción que seguidamente se realizará y con el objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña a la presente memoria descriptiva, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: To complete the description that follows and to aid in a better understanding of the characteristics of the invention, a set of drawings is included with this descriptive report, in which, for illustrative and non-limiting purposes, the following has been represented:
Figura 1.- Muestra la vista esquemática de la realización del sistema objeto de la invención para un combustible con bujía. Figure 1.- Shows the schematic view of the embodiment of the system subject to the invention for a spark plug fuel.
Figura 2.- Muestra una vista esquemática de la realización del sistema objeto de la invención para dos combustibles sin bujía. Figure 2.- Shows a schematic view of the embodiment of the system that is the subject of the invention for two fuels without a spark plug.
Figura 3.- Muestra la vista esquemática del sistema objeto de la invención que, a su vez se corresponde con la reivindicación 3. En esta figura se muestran los elementos necesarios para que además de las funciones de la reivindicación 2 se le añada la de calefactar un circuito con el fin de proporcionar calor. Figure 3.- Shows the schematic view of the system that is the subject of the invention, which in turn corresponds to claim 3. This figure shows the elements necessary so that, in addition to the functions of claim 2, the function of heating a circuit in order to provide heat is added.
Las referencias numéricas empleadas en las figuras son: The numerical references used in the figures are:
1. cámara de explosión o combustión, 1. explosion or combustion chamber,
2. depósito acumulador, 2. accumulator tank,
3. válvula antirretorno, 3. non-return valve,
4. manómetro, 4. pressure gauge,
5. electroválvula, 5. solenoid valve,
6. primer inyector, 6. First injector,
7. bujía, 7. spark plug,
8. válvula de seguridad, 8. safety valve,
9. sensor de presión, 9. Pressure sensor,
10. primer depósito de combustible, 10. First fuel tank,
11. segundo inyector, 11. Second injector,
12. segundo depósito de combustible, 12. Second fuel tank,
13. circuito de tuberías, y 13. pipe circuit, and
14. cámara de caldeo. 14. heating chamber.
Realización preferente de la invenciónPreferred embodiment of the invention
El sistema para generar y acumular gas comprimido objeto de la invención comprende: The system for generating and storing compressed gas that is the subject of the invention comprises:
- una primera parte generadora de gas que comprende una cámara de explosión o combustión (1), configurada para recibir el combustible y tal que en su interior se realiza la explosión o combustión de un combustible para generar un gas a presión, - a first gas-generating part comprising an explosion or combustion chamber (1), configured to receive the fuel and such that the explosion or combustion of a fuel takes place inside it to generate a pressurized gas,
- una segunda parte acumuladora de gas que comprende un depósito acumulador (2) configurado para recibir el gas procedente de la cámara de explosión o combustión (1) a través de una válvula antirretorno (3). - a second gas accumulator part comprising an accumulator tank (2) configured to receive the gas from the explosion or combustion chamber (1) through a non-return valve (3).
El sistema para generar y acumular gas comprimido objeto de la invención está configurado para que en el interior del depósito acumulador (2), siempre haya gas a una presión tal que dicha presión sea la requerida para la aplicación en la que se vaya a usar. Para controlar la presión en el interior del depósito acumulador (2) sistema para generar y acumular gas comprimido comprende un sensor de presión (9), configurado para detectar si el nivel de presión del depósito acumulador (2) está por debajo del nivel de presión requerido, en cuyo caso este sensor de presión (9) envía una señal para que un primer inyector (6) de combustible introduzca dicho combustible en la cámara de explosión o combustión (1). The system for generating and storing compressed gas, which is the subject of the invention, is configured so that the gas inside the storage tank (2) is always at a pressure required for the intended application. To control the pressure inside the storage tank (2), the system for generating and storing compressed gas comprises a pressure sensor (9) configured to detect if the pressure level in the storage tank (2) falls below the required pressure level. If this pressure sensor (9) does so, it sends a signal to a first fuel injector (6) to introduce the fuel into the combustion chamber (1).
Para que se produzcan los gases en la cámara de explosión o combustión (1) es necesario que el combustible realice la combustión/explosión para lo que el sistema objeto de esta invención presenta distintas realizaciones. En una primera realización el sistema para generar y acumular gas comprende una bujía (7) y en una segunda realización comprende un segundo inyector (11) configurado para inyectar un segundo combustible que reacciona con el primer combustible, de la segunda realización, teniendo lugar la combustión/explosión. For gases to be produced in the combustion chamber (1), the fuel must undergo combustion/explosion. The system of this invention has several embodiments for this purpose. In a first embodiment, the system for generating and accumulating gas comprises a spark plug (7), and in a second embodiment, it comprises a second injector (11) configured to inject a second fuel that reacts with the first fuel of the second embodiment, resulting in combustion/explosion.
Cada inyector (6, 11) del sistema objeto de la invención está conectado con un depósito de combustible (10, 12) Each injector (6, 11) of the system that is the subject of the invention is connected to a fuel tank (10, 12)
Una vez que en la cámara de explosión o combustión (1) se produce una combustión, los gases pasan al depósito acumulador (2), y son almacenados allí hasta que sean requeridos por la aplicación pertinente. En el caso de una demanda de flujo de gases comprimidos desde el depósito acumulador (2), el sistema para generar y acumular gas comprimido comprende una electroválvula (5) que abre la salida del citado depósito acumulador (2) para que salga un flujo de gases, el cual se gestiona pertinentemente con los implementos adecuados a los fines requeridos. Al producirse esa salida de gases desde el depósito acumulador (2), se producirá una bajada de presión en el interior del citado depósito acumulador (2), que será detectada por el sensor de presión (9), de modo que el sistema para generar y acumular gas comprimido iniciaría el proceso de inyección de combustible, combustión en la cámara de explosión o combustión (1) y almacenamiento de los gases. En el caso de que tras una combustión se detecte una presión en el depósito acumulador (2) que exceda de la tasada, el depósito acumulador (2) comprende una válvula de seguridad (8) configurada para aliviar el citado exceso de presión. Once combustion occurs in the combustion chamber (1), the gases pass into the storage tank (2) and are stored there until required by the relevant application. In the event of a demand for compressed gas flow from the storage tank (2), the system for generating and storing compressed gas includes a solenoid valve (5) that opens the outlet of the storage tank (2) to release a gas flow, which is then managed appropriately using suitable equipment. When this gas flow is released from the storage tank (2), a pressure drop occurs inside the tank, which is detected by the pressure sensor (9). The system then initiates the process of fuel injection, combustion in the combustion chamber (1), and gas storage. In the event that after combustion a pressure is detected in the accumulator tank (2) that exceeds the rated pressure, the accumulator tank (2) comprises a safety valve (8) configured to relieve the said excess pressure.
Con esta visión general quedan descritas las dos grandes ventajas que proporciona el sistema objeto de la invención: la versatilidad a la hora de poder elegir cualquier combustible de los actuales (abierto a nuevos combustibles más ecológicos que puedan emplearse en un futuro), pudiendo ser combustibles sólidos, líquidos o gaseosos (multicombustible) y la segunda ventaja es el amplio abanico de aplicaciones en las que se puede utilizar esta invención, especialmente en aquellos ámbitos carentes de oxígeno (el espacio exterior) o con limitaciones en la utilización de oxígeno (submarinos). Además de estas dos grandes ventajas, la gran importancia de resultar un sistema mucho más económico, eficiente y fácil de fabricar y mantener que en las aplicaciones convencionales (automoción, generación de electricidad). Sistema escalable. This overview outlines the two major advantages of the system that is the subject of this invention: its versatility in being able to use any of the currently available fuels (with the option to incorporate new, more environmentally friendly fuels that may be used in the future), including solid, liquid, or gaseous fuels (multi-fuel capability); and the wide range of applications for this invention, especially in environments lacking oxygen (outer space) or with oxygen limitations (submarines). In addition to these two major advantages, the system is significantly more economical, efficient, and easier to manufacture and maintain than conventional applications (automotive, electricity generation). It is also a scalable system.
El sistema para generar y acumular gas comprimido puede emplearse de una manera adicional y es para calefactar un traje de submarinista, por ejemplo, mediante un circuito de tuberías (13) de pequeño grosor, que reciben agua calefactada desde una cámara de caldeo (14) que está en contacto con la cámara de combustión (1) del sistema objeto de esta memoria. The system for generating and accumulating compressed gas can be used in an additional way and is to heat a diving suit, for example, by means of a circuit of small-thickness pipes (13), which receive heated water from a heating chamber (14) that is in contact with the combustion chamber (1) of the system that is the subject of this report.
Claims (3)
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Family Applications (1)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| BA2A | Patent application published |
Ref document number: 3037722 Country of ref document: ES Kind code of ref document: A1 Effective date: 20251006 |