Motor de vórtice

El concepto de motor de vórtice o motor de vórtice atmosférico ( AVE ), propuesto independientemente por Norman Louat ^{[ 1 ]} y Louis M. Michaud, ^{[ 2 ]} busca reemplazar las grandes chimeneas físicas con un vórtice de aire creado por una estructura más corta y menos costosa. El AVE induce vorticidad a nivel del suelo, lo que resulta en un vórtice similar a un tornado terrestre o marino que ocurre naturalmente .

La patente de Michaud afirma que la principal aplicación consiste en que el flujo de aire a través de las rejillas de la base acciona turbinas de aire de baja velocidad, generando un veinte por ciento de energía eléctrica adicional a partir del calor que normalmente se desperdicia en las centrales eléctricas convencionales. Es decir, la principal aplicación propuesta para el motor de vórtice es como un « ciclo de fondo » para grandes centrales eléctricas que requieren torres de refrigeración.

La aplicación propuesta por Louat en sus reivindicaciones de patente consiste en proporcionar una alternativa menos costosa a una torre de tiro ascendente solar física . En esta aplicación, el calor se obtiene mediante una gran superficie de terreno calentada por el sol y cubierta por una superficie transparente que atrapa el aire caliente, a modo de invernadero . Se crea un vórtice mediante paletas deflectoras colocadas en un ángulo con respecto a la tangente del radio exterior del colector solar . Louat estimó que el diámetro mínimo del colector solar debería ser de 44 metros (144 pies) o más para recolectar "energía útil". Una propuesta similar consiste en eliminar la cubierta transparente. ^{[ 3 ]} Este esquema impulsaría el vórtice de la chimenea con agua de mar caliente o aire caliente de la capa superficial ambiente de la tierra. En esta aplicación, la aplicación se asemeja mucho a un remolino de polvo con una turbina de aire en el centro. 

Desde el año 2000, los investigadores croatas Ninic y Nizetic (de la Facultad de Ingeniería Eléctrica, Ingeniería Mecánica y Arquitectura Naval de la Universidad de Split ) también han desarrollado esta tecnología ^{[ 4 ]} y patentes. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

El equipo de investigación solar de la Universiti Teknologi PETRONAS (UTP), Malasia, dirigido por el Prof. Hussain H. Al-Kayiem, desarrolló el primer prototipo experimental de una tecnología de generación de energía por vórtice solar (SVPG) que utiliza la energía solar como fuente de calor. ^{[ 7 ]} El prototipo básico fue sometido a una serie de desarrollos y mejoras de rendimiento mediante la integración con almacenamiento de energía térmica sensible (TES) y la modificación del diseño del generador de vórtice. El equipo llevó a cabo y publicó una evaluación experimental, un análisis teórico y simulaciones computacionales de la SVPG, y recopiló los hallazgos en un libro que resume los fundamentos de esta tecnología. ^{[ 8 ]}

(Aplicable principalmente a la patente de Michaud)

En funcionamiento, el vórtice expulsa centrípetamente el aire exterior más denso y frío (37), formando así una gran chimenea de aire caliente a baja presión (35). Utiliza aproximadamente el veinte por ciento del calor residual de la central eléctrica para impulsar el movimiento del aire. Dependiendo de las condiciones meteorológicas, una central de gran tamaño puede crear una chimenea virtual de entre 0,2 y 15 kilómetros (0,12 y 9,32 millas) de altura, liberando eficientemente el calor residual de la central a la atmósfera superior más fría con una estructura mínima. 

El vórtice se inicia encendiendo brevemente un calentador difuso (83) y accionando eléctricamente las turbinas (21) como ventiladores. Esto desplaza aire ligeramente calentado hacia la zona del vórtice (2). La diferencia de temperatura entre el aire y el vórtice debe ser mínima, ya que las grandes diferencias aumentan la mezcla con el aire ambiente frío y reducen la eficiencia. El calor puede provenir de los gases de combustión, los gases de escape de las turbinas o pequeños calentadores de gas natural.

El aire en la arena asciende (35). Esto atrae más aire (33, 34) a través de las rejillas de ventilación (3, 5), lo que provoca la formación de un vórtice (35). En las primeras etapas, el flujo de aire externo (31) se restringe lo menos posible abriendo las rejillas de ventilación externas (25). La mayor parte de la energía térmica se utiliza inicialmente para iniciar el vórtice.

En la siguiente fase de arranque, el calentador (83) puede apagarse y las turbinas (21) pueden ser desviadas mediante rejillas (25). En este momento, el calor a baja temperatura proveniente de una central eléctrica externa impulsa la corriente ascendente y el vórtice a través de una torre de refrigeración transversal convencional (61).

A medida que el aire sale de las rejillas (3, 5) con mayor rapidez, el vórtice aumenta su velocidad. El impulso del aire genera fuerzas centrífugas en el interior del vórtice, lo que reduce la presión y lo estrecha aún más. Este estrechamiento incrementa la velocidad del vórtice, ya que la conservación del impulso provoca que gire más rápido. La velocidad de giro está determinada por la velocidad del aire que sale de las rejillas (33, 34) y el ancho del área de juego (2). Un área de juego más ancha y una mayor velocidad de las rejillas generan un vórtice más rápido y compacto.

El aire caliente (33, 34) procedente de la torre de refrigeración transversal (61) entra en la zona de vórtice de hormigón (2) a través de dos anillos de lamas deflectoras (3, 5; la altura se ha exagerado para mayor claridad) y asciende (35). El anillo superior de lamas (5) sella el extremo de baja presión del vórtice con una gruesa cortina de aire de velocidad relativamente alta (34). Esto aumenta considerablemente la diferencia de presión entre la base del vórtice (33) y el aire exterior (31). A su vez, esto incrementa la eficiencia de las turbinas de potencia (21).

El anillo inferior de lamas (3) transporta grandes masas de aire (33) casi directamente al extremo de baja presión del vórtice. Este anillo inferior de lamas (3) es crucial para obtener altos flujos másicos, ya que el aire que pasa por él (33) gira más lentamente y, por lo tanto, presenta menores fuerzas centrípetas y una mayor presión en el vórtice.

Las turbinas neumáticas (21) ubicadas en las constricciones a la entrada de la torre de enfriamiento (61) impulsan los generadores eléctricos. Los generadores comienzan a funcionar solo en las últimas etapas del arranque, cuando se forma un fuerte diferencial de presión entre la base del vórtice (33) y el aire exterior (31). En ese momento, las rejillas de derivación (25) están cerradas.

La pared (1) y el saliente (85) retienen la base del vórtice (35) en condiciones de viento ambiente, protegiendo el movimiento del aire a baja velocidad (33) en la base del recinto y suavizando el flujo de aire turbulento. La altura de la pared (1) debe ser de cinco a treinta veces la altura de las rejillas (3, 5) para retener el vórtice en condiciones normales de viento.

Para garantizar la seguridad y el desgaste del recinto (2), la velocidad máxima prevista de la base del vórtice (33) es de aproximadamente 3 metros por segundo (9,8 pies/s) . El vórtice resultante debería asemejarse más a un gran remolino de polvo lento que a un tornado violento. En zonas deshabitadas, podrían permitirse velocidades mayores para que el vórtice pueda sobrevivir a vientos ambientales más fuertes. 

La mayoría de los componentes numerados sin nombre son un sistema de rejillas internas y bombas de agua para controlar la velocidad del aire y la calefacción al arrancar el motor.

En los primeros estudios no estaba del todo claro que esto pudiera hacerse viable debido a la perturbación del vórtice por el viento cruzado. ^{[ 9 ] [ 10 ]} Esto motivó estudios posteriores con validación empírica en túnel de viento del modelo CFD, que concluyen: "Las simulaciones a escala real sometidas a viento cruzado muestran que la capacidad de generación de energía no se ve afectada por los vientos cruzados". ^{[ 11 ]}

Michaud construyó un prototipo en Utah con su colega Tom Fletcher. ^{[ 12 ]}

Además, según la solicitud de patente de Michaud, el diseño se prototipó inicialmente con un  "remolino de fuego" de 50 cm propulsado por gasolina.

El laboratorio de túnel de viento de la Universidad de Western Ontario, gracias a una inversión inicial del Centro de Energía de OCE, está estudiando la dinámica de una versión de un metro del motor de vórtice de Michaud. ^{[ 13 ]}

Breakout Labs, la empresa del fundador de PayPal, Peter Thiel, patrocinó una prueba AVE con una subvención de 300 000 dólares (2012). ^{[ 14 ]} Los resultados preliminares (2015) fueron publicados en The Atlantic. ^{[ 15 ]}

El término "motor de vórtice" también se refiere a un nuevo tipo de motor de combustión interna. ^{[ 16 ]}

• Torre de tiro ascendente solar
• tromba terrestre
• Tromba marina

• Motor de vórtice atmosférico
• Impulsar una ciudad con tornados