Estructura multi-capa de pared de recipiente de contención de fluidos.

Estructura multi-capa de pared de recipiente de contención de fluidos,

de modo que la pared se constituye de una sucesión de capas (29, 30) de un material sólido, dejando entre capas sucesivas un huelgo (6, 9, 10, 11) donde se introduce cierta cantidad de fluido no agresivo, teniendo cada huelgo (6, 9, 10, 11) una presión intermedia entre la presión del interior del recipiente y la del medio circundante exterior, de manera las sucesivas presiones de los huelgos entre capas, tienen valores descendente hacia el exterior.

ESTRUCTURA MULTI-CAPA DE PARED DE RECIPIENTE DE CONTENCIÓN

DE FLUIDOS

SECTOR DE LA TÉCNICA

La invención se encuadra en el campo de los conductos y recipientes de fluidos a presión, bien esféricos, bien de cuerpo cilindrico, típicamente rematados por casquetes esféricos, o de otra geometría, teniendo al menos una tubería de trasiego de fluido, que atraviesa la pared del recipiente y puede tener una estructura de pared como la del propio recipiente. También es aplicable la invención a paredes con otras formas geométricas, tanto curvadas como planas, aunque las aplicaciones industriales fundamentales son en paredes cilindricas o esféricas. En la geometría más extendida, que es la cilindrica, se usará la tensión circunferencial, o tensión de aro, como variable caracterizadora del estado de sobrecarga en el que se encuentra el material.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La invención no parece tener antecedentes inmediatos, pues no se conocen ni se ven en la industria ni en el transporte paredes múltiples entre cuyas capas se ajuste la presión, y eventualmente la temperatura, bien por medios activos, bien por medios pasivos.

En cuanto a documentos de invenciones, se pueden citar los siguientes, sin considerar a ninguno de ellos como propiamente antecedente:

ES228785 trata de una vasija para reactor nuclear, teniendo internamente otra vasija, comúnmente denominada barrilete, mediante la cual se encauza el movimiento del fluido refrigerante adecuadamente dentro de la primera vasija, que es propiamente la vasija de presión, a la cual no es mecánicamente solidaria la vasija interior o barrilete.

También los submarinos son artilugios que se prestan a tener varias vasijas de presión dentro de la propia vasija exterior del submarino, como se detalla en el documento ES2255002, que trata de un depósito de gases licuados a presión dentro del propio submarino, destinándose una segunda vasija intermedia a recoger las fugas de la más interna.

WO2012143740 describe un depósito con dos capas, pero sin fluido presurizado intermedio, por lo cual la pared interior es la que soporta toda la

diferencia de presiones entre la interior y la circundante; estando la pared exterior destinada a mitigar los efectos de una fuga de gas inflamable desde el recipiente interior.

WO2012161006, que presenta un recipiente con una segunda pared formada por filamentos arrollados alrededor de la primera.

WO2012161793, que describe un recipiente de alta presión, rodeado de una capa exterior extraíble, como envuelta aislante y protectora, sin efectos para contribuir a soportar la presión interior.

US2012285654, en la cual se presenta un recipiente con varias capas, pero no están destinadas a repartir el soporte de la presión, sino a canalizar debidamente el flujo de gas en un almacenamiento térmico, teniendo la disposición estructural acorde a ese fin.

Existen además numerosos documentos describiendo paredes multicapa hechas de resinas y materiales poliméricos y de estructura molecular escogida, pero entre capa y capa no se produce ningún ajuste de presión, ni de temperatura, y no tienen relación alguna con la invención descrita aquí. Se trata de paredes o paneles o vidrios laminados, con varias capas sólidas superpuestas, como se describe por ejemplo en el documento "Stability of multilayered composites plates", cuya identificación digital es http://dx.doi.org/10.1016/0015-0568(75)90005-6.

Por otra parte, son sobradamente conocidos los dispositivos de refrigeración internos, de paredes diversas, sobre todo las llamadas camisas de los motores de combustión interna, pero en ningún caso tienen nada que ver con el uso de la presión para fijar condiciones de contorno para las ecuaciones de comportamiento del material, lo que haría más fácil y eficiente la fabricación de paredes para almacenamientos y tubos de trasiego de fluidos a alta presión.

PROBLEMA TÉCNICO A RESOLVER

Los recipientes y conducciones de alta presión requieren unos espesores de pared que pueden llegar a ser tan gruesos que resulten casi imposibles de fabricar, especialmente si el fluido a contener está además a alta temperatura. Como variable para caracterizar el problema en los casos cilíndricos, que son los más comunes en estas aplicaciones, se usa el concepto de tensión de aro, que efectivamente actúa en sentido circunferencial; y cuando la presión alta está en el interior, como es lo habitual, provoca la hinchazón de la pared del recipiente,

pudiendo llegar a su rotura. Para ello dicha tensión de aro, que denotaremos con A, debe estar limitada en función del límite elástico del material para las condiciones de temperatura en las que tenga que funcionar. En un recipiente cilindrico, si la sobrepresión en el interior del recipiente la denotamos con P, y R0 representa el radio interior de la sección recta del cilindro, y R* el radio exterior, el valor de A depende de la razón entre radios, que denominamos Z

Z = R*/R0

cumpliéndose

A = P ((Z2 +1)/(Z2 -1))

Esto permite determinar el valor de Z si conocemos P y el valor de A con el que se quiere trabajar, pues

(A -P) Z2 = A + P

La cual conviene resolver introduciendo el parámetro N, mayor que 1,

N = A/P

Lo que lleva a

Z = ((N+1)/(N-1))1/2

Sobre la que conviene dar algunos ejemplos. Un valor alto de presión, pero razonable, es 200 bar (o atmósferas,) y un valor de tensión de aro A con el que se puede diseñar un depósito (no muy caliente) es 1.000 bar, lo que conduce a N = 5, que lleva a Z = 1,225. Es decir, si el radio interior fuera 1 metro, el espesor tendría que ser 22,5 cm.

Un valor elevado en las aplicaciones de alta presión es N = 2, que lleva a Z = 1,73. Esto significa que para un radio de 1 metro, el espesor tendría que ser de 72 cm, lo que resulta muy caro.

Para N = 10, que sería un valor moderado de la presión, Z = 1,1. Por debajo de este valor de Z, o por encima de este valor de N, se considera que la pared es delgada, y en ese caso, llamando S al espesor de la pared, se tiene

A/P = R0/S

Pero el caso de pared delgada es muy limitado de aplicación, porque la diferencia de presiones a soportar, P, ha de ser menor que la décima parte de la tensión de aro seleccionada para esa aplicación, A.

Por ejemplo, ya se ha mencionado que para recipientes de gas a baja temperatura, A puede cifrarse en 1.000 bar, de modo que si la presión de almacenamiento es de 200 bar, el valor de la razón N es 5, y Z vale 1,225. Esto significa que el espesor es S = 0,225R0.

El caso empeora si el gas está a alta temperatura, de 400 °C o más, como puede ser el fluido que se caliente en una central solar, pues el acero de la pared, o el material de que se trate, presenta un límite elástico inferior, por problemas de fluencia, cuando aumenta mucho su temperatura. Por tal motivo, el valor de A ha de reducirse, a 600 bar, lo que conduce a un valor N = 3; y ello lleva a que Z = 1,41; y el espesor es por tanto S = 0,41 R. Con un radio de 2 m, el espesor sería de 82 cm, verdaderamente impracticable.

El problema a resolver es encontrar una estructura de pared distinta de la pared maciza convencional, que sea construible, haciendo frente a los requisitos de recipiente de alta presión, y eventualmente de alta temperatura.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

La invención consiste en estructurar la pared del recipiente o del conducto en una sucesión de capas de material sólido, más delgadas que el espesor requerido si la pared se hiciera de una sola capa, o espesor de referencia, dejando entre capas sucesivas un huelgo o volumen hermético entre ellas, e introduciendo en dichos huelgos cierta cantidad del fluido a almacenar, o de otro fluido no agresivo para las capas dichas, manteniendo en cada uno de dichos huelgos una presión intermedia entre la presión del interior del recipiente y la del medio circundante exterior, y siendo las sucesivas presiones de los huelgos entre capas, de valor descendente hacia el exterior; seleccionándose como prescripción básica del montaje el escalonamiento con espesores uniformes; por lo que habiendo M capas, dichas capas son de igual espesor, que es el espesor de referencia dividido por M; y la presión en el volumen o huelgo contenido entre la capa n, o n-sima, empezando a contar desde el interior, y la capa siguiente hacia el exterior, corresponde al valor del producto de la diferencia de presiones P entre el interior del recipiente o conducto y el exterior, por la fracción cuyo numerador es la diferencia entre el número de capas M y el número de orden de la capa más interna que confina dicho huelgo o volumen, n, y su denominador es el número total de capas, M; lo...

1 -Estructura multi-capa de pared de recipiente de contención de fluidos, caracterizada por que

- la pared se constituye de una sucesión de capas (29, 30) de un material sólido, dejando entre capas sucesivas un huelgo (6, 9, 10, 11) o volumen hermético entre ellas, de tal forma que al introducir en el huelgo (6, 9, 10, 11) cierta cantidad de fluido no agresivo, su diseño permite mantener para cada uno de dichos huelgos (6, 9, 10, 11) una presión intermedia entre la presión del interior del recipiente y la del medio circundante exterior,

- y siendo las sucesivas presiones de los huelgos entre capas, de valor descendente hacia el exterior; seleccionándose un escalonamiento uniforme en espesor; por lo que habiendo M capas, dichas capas son de igual espesor; y

- la presión en el volumen o huelgo contenido entre la capa n, o n-sima, empezando a contar desde el interior, y la capa siguiente hacia el exterior, corresponde al valor del producto de la diferencia de presiones P entre el interior del recipiente o conducto y el exterior, por la fracción cuyo numerador es la diferencia entre el número de capas M y el número de orden de la capa más interna que confina dicho huelgo o volumen, n, y su denominador es el número total de capas, M.

2 - Estructura multi-capa de pared de recipiente de contención de fluidos, según reivindicación primera, caracterizada por que el establecimiento de las correspondientes presiones se hace con bombas o compresores (13) que inyectan en cada huelgo (6, 9, 10, 11) el fluido necesario para mantener la presión debida, medida con el manómetro correspondiente (26, 27, 28).

3 - Estructura multi-capa de pared de recipiente de contención de fluidos, según reivindicación primera, caracterizada por que el establecimiento de las correspondientes presiones se efectúa a través de válvulas reductoras de la presión (18) en cada conducto (15) de llenado de cada huelgo, ajustada cada una de dichas válvulas al nivel de presión del huelgo correspondiente (9, 10, 11)

tomando el fluido para rellenar dichos huelgos de la propia acometida principal (8) del fluido a alta presión.

4 - Estructura multi-capa de pared de recipiente de contención de fluidos, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que comprende válvulas de alivio (14), que liberan el fluido a un depósito auxiliar de baja presión, o a la atmósfera.

- Estructura multi-capa de pared de recipiente de contención de fluidos, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que en cada ramal (15) de alimentación de fluido a los diversos volúmenes o huelgos (9, 10, 11) entre capas, se dispone una válvula todo o nada (16), que se abre cuando se inyecta o se extrae fluido, y queda herméticamente cerrada cuando la presión es la de consigna del volumen correspondiente.

6 - Estructura multi-capa de pared de recipiente de contención de fluidos, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que comprende unas válvulas de alivio (14), que liberan el fluido de los huelgos (9, 10, 11) a un depósito auxiliar de baja presión, o a la atmósfera, para lo cual cada huelgo, así como el interior del recipiente, van provistos de manómetros (25, 26, 27, 28), con los cuales se puede ordenar la apertura de cada válvula de alivio de cada huelgo hasta llegar al nivel de presión proporcional a la presión interior, según la especificación correspondiente a dicho huelgo.

7 - Depósito de contención de fluidos que comprende una estructura multi-capa de pared de recipiente de contención de fluidos, según lo especificado en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que, el depósito es de sección cilindrica de radio R0, con una presión P respecto del exterior, y usando un material cuya tensión de aro máxima en esa aplicación es A, se fija que la presión en el primer huelgo o huelgo más interior, tiene un valor que es función del radio seleccionado R-i exterior de la primera capa, la cual tiene pues una razón de radios Zt definida por

Zi = FVRo

con lo cual se genera un parámetro característico de la capa, denominado H1 determinado por

Hi = ((Zi2 + 1)/(2AZi2/P)) - ((Zi2 - 1)/(2Zi2))

el cual determina a su vez la razón de radios Ze de la capa exterior a ese huelgo, y en ella se da el mismo valor máximo de la tensión de aro A, siendo

Ze2 = (1 + H1)/(1 - H1)

y a su vez se obtiene que la presión en ese huelgo es P1 = AH1

lo cual define unívocamente la primera capa, a la cual se le añade el huelgo, de espesor despreciable comparado con el radio R1 exterior de dicha primera capa; que es a su vez el radio interior de la capa exterior, siendo el radio exterior Re de la capa exterior

Re = RrZe

pudiendo aplicarse de nuevo la partición a dicha capa exterior, dividiéndose ésta en una capa desde R1 hasta R2, más otra exterior desde R2 a Re, con presión en la cara de radio R1 de valor P1, determinándose el parámetro H2 a partir de la razón de radios Z2, más su parámetro caracterizador H2,

Z2 = R2/R1

H2 = ((Z22 + 1)/(2AZ22/P1)) - ((Z22 - 1)/(2Z22))

P2 = AH

y siendo el nuevo radio exterior Re Re = R2'Ze

Ze = (1 + H2)/(1 - H2)

de donde se obtiene la definición completa de la segunda y la tercera capa; o capa exterior, pudiendo volver a partir esta capa exterior en dos, repitiendo la prescripción.

8 - Depósito de contención de fluidos que comprende una estructura multi-capa de pared de recipiente de contención de fluidos, según la reivindicación 7, caracterizado por que, se considera una superficie cilindrica de

su pared, que puede ser la superficie del interior del recipiente, o la cara interior de una capa adyacente a un huelgo interior de la pared, de radio RD, y en dicha superficie cilindrica se aplica una presión PD, usando en las capas de la pared un material cuya tensión de aro máxima en esa aplicación es A, y dicha pared o corona circular de pared está sometida a una presión PF en una superficie cilindrica de radio RF que es la cara exterior de la capa más externa de las dos capas que conforman la pared entre dichos radios RD y RF, ubicándose el radio del huelgo intermedio entre ellos en RM, definidos estos dos últimos radios por

Rm = ZqRd

Rf = ZfRm

siendo las razones de los radios de cada capa, de más adentro, ZD, y de más afuera, ZF, los dados por la expresión

ZF2 = ZD2 = (2 (1+Hd)+ ( 4 (1+Hd)2+4 (4 Hf+3 -Hd)-(1 + Hd) )1/2)/(2(4Hf+3 -Hd))

siendo correspondientemente HD = Pq/A y Hf = PF/A; que son valores dados por las condiciones de contorno, y siendo la presión en el huelgo intermedio

Pm= Hm'A

en la cual su parámetro HM está determinado por Hm=(1+Hd+Hf+HdHf)1/2-1

y en caso de que el huelgo tuviera un espesor no despreciable, hM, habría que corregir la definición del radio RF según se indica

RF = Zf(Rm + hM)

9 - Depósito de contención de fluidos que comprende una estructura multi-capa de pared de recipiente de contención de fluidos, según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 8, caracterizado por que, teniendo el depósito una sección de radio R0, con una presión P respecto del exterior, y usando un material cuya tensión de aro máxima en esa aplicación es A, se reparte la presión P en M tramos iguales, siendo M el número de capas, y llamando huelgo j al que se encuentra al exterior de la capa j, se tienen los valores de la presión Pj en el huelgo j y el parámetro Nj asociado

Pj = P-(M-j)/M

Nj = N-M/(M-j) = A/Pj

siendo el espacio interior del recipiente el que hace de huelgo 0 en la condición de contorno interior, es decir

P0=P

N = A/P

y por conveniencia de escritura se define el parámetro Hj como el inverso de Nj Hj = 1/Nj

siendo HM = 0, por tomarse presión nula en el exterior del todo; con lo cual en cada capa se puede expresar su tensión de aro máxima, siempre la misma, como función de la razón de sus radios, Zj,y las presiones Pj^ y Pj

A = PH((Zj2 + 1)/(Zj2 -1)) - Pj (2 Zj2/(Zj2 - 1))

1 = Hj.1((Zj2 + 1)/(Zj2 - 1)) - Hj (2 Zj2/(Zj2 - 1))

de la cual se obtiene la definición de las sucesivas razones entre radios mayor y menor de cada capa

Zj2 = (1 + Hj.1)/(2-Hj + 1 - Hh)

con lo que queda unívocamente definido el conjunto de las M capas, por las presiones en los sucesivos huelgos, y los radios de sus capas, comenzando por

Ri = Ro'Zi

R2 = R1 "Z2

y así sucesivamente; y en caso de que los huelgos sean de espesor no despreciable, en cada huelgo, número de orden j, se diferencia entre su radio interno, Rj¡ y radio externo Rje, llamando hj al espesor del huelgo que se sitúa más afuera de la capa j, siendo

Ri¡= Ro'Zi

Ríe = Ri¡ +

R2¡ = Rle'Z2

R2e = R2¡ + h2

y así sucesivamente.

- Depósito de contención de fluidos que comprende una estructura multi-capa de pared de recipiente de contención de fluidos, según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, caracterizado por que siendo f el coeficiente de dilatación lineal del material de la capa y E su módulo de elasticidad, el escalonamiento de temperaturas que se impone corresponde a que la diferencia de temperatura Dn entre la cara interior de la capa enésima y su cara exterior, es

Dn = (Pni - Pne)/(f E)

siendo Pni y Pne respectivamente las presiones en la cara interior y exterior de dicha capa n-sima.

11 - Depósito de contención de fluidos que comprende una estructura multi-capa de pared de recipiente de contención de fluidos, según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, caracterizado por que cuando la temperatura en su interior está por debajo de la existente en el exterior circundante, se añade un huelgo exterior adicional (22) y una capa exterior (23) adicional, de material aislante térmico sin propiedades de resistencia mecánica, manteniendo el huelgo adicional exterior a la temperatura del interior del recipiente, y con presión igual a la exterior circundante, efectuando la refrigeración del fluido de dicho huelgo exterior mediante dispositivos al uso.

12 - Depósito de contención de fluidos que comprende una estructura multi-capa de pared de recipiente de contención de fluidos, según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11, caracterizado por que cuando hay una conexión de penetración tipo racor entre dos conductos, o un conducto y un recipiente, en el huelgo más interno de la pared del conducto exterior se impone una presión más alta que la del fluido que se almacena o se trasiega dentro de esos conductos.