Procedimiento de estimación de la estanqueidad de una junta.

Procedimiento de estimación de la estanqueidad de una junta (9),

que comprende al menos las siguientes etapas:

- simular numéricamente una deformación por fluencia de la junta (9) mediante aplastamiento de la junta (9) entre dos asientos (103, 107);

- calcular, en al menos una superficie de contacto entre la junta (9) y uno de los dos asientos (103), una deformación plástica acumulada p de la junta (9), una tensión axial Smzz entre la junta (9) y dicho uno de los dos asientos (103), y una longitud de contacto Lc entre la junta (9) y dicho uno de los dos asientos (103), durante la simulación numérica;

- calcular un coeficiente de obstrucción de porosidades simulado Fnum, representativo de la estanqueidad de la junta (9) en dicha superficie de contacto entre la junta (9) y dicho uno de los dos asientos (103), de tal manera que:**Fórmula**

con

l, a y b: coeficientes cuyos valores dependen del material de la junta (9),

re y ri: respectivamente el radio exterior y el radio interior de la deformación de la junta, en m,

r: posición a lo largo del contacto entre la junta y dicho al menos uno de los dos asientos,

Lc ≥ re - ri, en m,

Smzz: tensión axial, en MPa,

sumbral: tensión umbral igual a 1 MPa,

p: deformación plástica acumulada,

pmax: valor máximo alcanzado por p durante la simulación,

p0: constante igual a 1,

y en el que la simulación numérica y los cálculos se ponen en práctica por ordenador.

Procedimiento de estimación de la estanqueidad de una junta Campo técnico

La invención se refiere a un procedimiento de estimación de la estanqueidad de una junta. Este procedimiento se aplica concretamente para todas las juntas usadas a alta temperatura, y será particularmente ventajoso para estimar la estanqueidad de juntas destinadas a usarse en un electrolizador a alta temperatura (EAT), entre una celda electroquímica y un ¡nterconector metálico del electrolizador.

Estado de ia técnica anterior

Un electrolizador a alta temperatura es un sistema electroquímico destinado a producir hidrógeno a partir de una electrólisis de vapor de agua realizada a una temperatura comprendida entre aproximadamente 600-C y 1000-C. Está constituido concretamente por celdas electroquímicas, generalmente de cerámica, y por interconectores metálicos apilados. Espacios formados entre las celdas y los interconectores forman cámaras que contienen gases (hidrógeno y oxígeno) procedentes de la reacción de electrólisis. Con el fin de evitar una recombinación entre el hidrógeno y el oxígeno formados, que puede producirse cuando se mezclan estos gases, y evitar también las fugas de estos gases hacia el exterior, es necesario que estas cámaras sean estancas.

Un electrolizador de este tipo, de tipo EAT, tiene la ventaja de no inducir emisión de CO2 y presenta un rendimiento teóricamente mejor que el de un electrolizador tradicional a baja temperatura, aportándose una parte de la energía necesaria para la electrólisis en forma de calor y no sólo en forma de electricidad.

Un objetivo de esta tecnología es realizar electrolizadores acoplados a fuentes térmicas de origen nuclear, geotérmico o incluso solar. No obstante, la gestión de los gases (vapor de agua, hidrógeno y oxígeno) y el mantenimiento de la estanqueidad a lo largo del tiempo son problemas importantes para la realización de tales electrolizadores. En efecto, las estanqueidades deben realizarse entre materiales de naturalezas diferentes (cerámica y metal) y ser eficaces a alta temperatura. Ahora bien, una celda electroquímica de cerámica es frágil y presenta un coeficiente de dilatación térmica significativamente inferior al de un ¡nterconector metálico. Por tanto, las conexiones estancas que tienen que realizarse deben realizarse con poca carga para no solicitar mecánicamente demasiado la celda electroquímica, ser suficientemente flexibles como para aguantar el diferencial de dilatación, y también presentar una buena resistencia a la fluencia para garantizar el mantenimiento de la estanqueidad a largo plazo a alta temperatura.

Las soluciones de referencia para realizar una estanqueidad de este tipo en un electrolizador EAT consisten en usar juntas a base de vidrio en estado pastoso. No obstante, el uso de este tipo de junta presenta un determinado número de Inconvenientes. En efecto, aunque durante el funcionamiento nominal del electrolizador las propiedades de estas juntas están generalmente bien adaptadas, aparecen problemas durante los regímenes transitorios, es decir, durante las fases de calentamiento y enfriamiento. En efecto, una junta de vidrio es frágil por debajo de su temperatura de transición vitrea y es susceptible de romperse si se solicita a tal temperatura, concretamente a causa de las dilataciones diferenciales que aparecen entre los interconectores y las celdas electroquímicas. Una junta de este tipo crea entonces una conexión rígida entre los elementos del electrolizador, generando tensiones durante los regímenes transitorios térmicos. Además, cuando las estanqueidades se realizan mediante tales juntas, el desmontaje de los componentes de la celda es difícil, incluso imposible, sin cambiar completamente la celda. La disposición vertical de tales juntas también puede plantear problemas ya que el vidrio entonces puede fluir, reducir la vida útil del ensamblaje, y no soportar las presiones de algunos bares que reinan en un electrolizador a alta temperatura Industrial. Finalmente, los vidrios usados para realizar estas juntas pueden no ser químicamente compatibles con los demás componentes de la celda y del ¡nterconector, lo que puede conllevar una corrosión importante de los asientos de juntas o incluso una contaminación con silicio de los electrodos del EAT.

Otra solución para realizar la estanqueidad entre las celdas de cerámica y los interconectores metálicos consiste en soldar el metal del ¡nterconector directamente sobre la cerámica.

No obstante, la obtención del anclaje del ¡nterconector sobre la cerámica así como las diferencias de dilatación térmica entre estos elementos hacen que esta operación sea muy difícil, concretamente cuando se realiza sobre elementos de grandes dimensiones, provocando generalmente el enfriamiento tras la solidificación de la soldadura la ruptura de la cerámica s¡ no se introduce ninguna flexibilidad en la estructura del ¡nterconector.

También se conoce usar otros tipos de juntas de compresión a base de mica o simplemente metálicas. No obstante, tales juntas necesitan un apriete exterior que debe controlarse y mantenerse su temperatura para obtener una estanqueidad eficaz sin ruptura de la celda durante el calentamiento. Por tanto, existe una necesidad de mejorar estas juntas de compresión con vistas a mejorar la estanqueidad entres las celdas de cerámica y los interconectores metálicos de un electrolizador EAT.

En "Present calcularon methods dedicated to bolted flanged connections", H. Zerres, International Journal of Pressure Vessels and Piping, volumen 81, páginas 211-216 se da a conocer un procedimiento conocido para estimar la estanqueidad de una junta en función de los parámetros de la junta.

Exposición de ia invención

Un objetivo de la presente invención es proponer un procedimiento que permita estimar a priori, mediante cálculo, la estanqueidad de una junta, con el fin de poder optimizar la estructura de esta junta sin tener que medir realmente esta estanqueidad en cada modificación de la estructura de la junta.

Para ello, se propone un procedimiento de estimación de la estanqueidad de una junta tal como se describe en la reivindicación 1.

Este procedimiento permite estimar a prior! la calidad de estanqueidad de una junta y de su mantenimiento a lo largo del tiempo a partir concretamente de las características geométricas de la junta. Así, es posible desarrollar y calificar nuevas juntas, por ejemplo metálicas para un electrolizador a alta temperatura, y verificar si la estanqueidad obtenida permite obtener una fuga aceptable, por ejemplo Interioro Igual a aproximadamente 10"^ Nml/mln/mm en el caso de una junta para electrolizador a alta temperatura, sin necesidad de poner en práctica ensayos y mediciones con la junta. Este procedimiento permite concretamente proponer nuevas soluciones de estanqueidad para un electrolizador de alta temperatura estableciendo un pliego de condiciones que deberá cumplir una junta para tener una fuga lo más pequeña posible, minimizándose la fuga cuando se trata de maxlmlzar el término Fnum.

El comportamiento mecánico de la junta y de los asientos podrá Identificarse con el fin de llevar a cabo las simulaciones. La junta puede tener un comportamiento vlscoplástlco y puede deformarse por fluencia entre los dos asientos cuyo el comportamiento puede ser elástico.

El término "asientos" se usa en este caso para designar los elementos entre los que está destinada a disponerse la junta. Por ejemplo, en el caso de un EAT, estos dos asientos corresponderán a una celda de cerámica y a un ¡nterconector metálico.

El procedimiento puede comprender además, tras la etapa de cálculo del coeficiente de obstrucción de porosidades simulado Fnum, una etapa de cálculo de un caudal máslco de fuga simulado Qmnum de un fluido en el interior de un espacio estanquelzado mediante la junta, de tal manera que:

n.Af

con

M: masa molar del fluido, en kg/mol

p: viscosidad dinámica del fluido, en Pa.s

R = 8,314 J/K/mol

T: temperatura del fluido, en K

P¡: presión en el espacio estanquelzado, en Pa

Pe: presión fuera del espacio estanquelzado, en Pa.

El procedimiento puede comprender además, cuando se desconocen los valores de los coeficientes X, a y p para el material de la junta, una determinación de los valores de los coeficientes X, a y p correspondientes al material de la junta obtenida realizando las siguientes etapas:

- medir un caudal másico Qm de un fluido que permite mantener este fluido a una presión P¡ sensiblemente constante en un espacio estanquelzado mediante una segunda junta que comprende dicho material durante una deformación por fluencia de la segunda junta mediante aplastamiento... [Seguir leyendo]

Procedimiento de estimación de la estanqueidad de una junta (9), que comprende al menos las siguientes etapas:

- simular numéricamente una deformación por fluencia de la junta (9) mediante aplastamiento de la junta (9) entre dos asientos (103, 107);

- calcular, en al menos una superficie de contacto entre la junta (9) y uno de los dos asientos (103), una deformación plástica acumulada p de la junta (9), una tensión axial Smzz entre la junta (9) y dicho uno de los dos asientos (103), y una longitud de contacto Lc entre la junta (9) y dicho uno de los dos asientos (103), durante la simulación numérica;

- calcular un coeficiente de obstrucción de porosidades simulado Fnum, representativo de la estanqueidad de la junta (9) en dicha superficie de contacto entre la junta (9) y dicho uno de los dos asientos (103), de tal manera que:

con

X, a y p: coeficientes cuyos valores dependen del material de la junta (9),

re y ri: respectivamente el radio exterior y el radio interior de la deformación de la junta, en m,

r: posición a lo largo del contacto entre la junta y dicho al menos uno de los dos asientos,

Lc = re - ri, en m,

Smzz: tensión axial, en MPa,

Oumbral: tensión umbral igual a 1 MPa,

p: deformación plástica acumulada,

pmax: valor máximo alcanzado por p durante la simulación,

p0: constante igual a 1,

y en el que la simulación numérica y los cálculos se ponen en práctica por ordenador.

Procedimiento según la reivindicación 1, que comprende además, tras la etapa de cálculo del coeficiente de obstrucción de porosidades simulado Fnum, una etapa de cálculo de un caudal másico de fuga simulado Qmnum de un fluido en el interior de un espacio estanqueizado mediante la junta (9), de tal manera que:

con

M: masa molar del fluido, en kg/mol p: viscosidad dinámica del fluido, en Pa.s R = 8,314 J/K/mol T: temperatura del fluido, en K

P¡: presión en el espacio estanqueizado, en Pa Pe: presión fuera del espacio estanqueizado, en Pa.

Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, que comprende además, cuando se desconocen los valores de los coeficientes X, a y [3 para el material de la junta (9), una determinación de los valores de los coeficientes X, a y j3 correspondientes al material de la junta (9) obtenida realizando las siguientes etapas:

- medir un caudal másico Qm de un fluido que permite mantener este fluido a una presión P¡ sensiblemente constante en un espacio estanqueizado mediante una segunda junta (10) que comprende dicho material durante una deformación por fluencia de la segunda junta (10) mediante aplastamiento de la segunda junta (10) entre dos asientos (102, 106),

- calcular un coeficiente de obstrucción de porosidades experimental Fexp, representativo de la estanqueidad de la segunda junta (10) en al menos una superficie de contacto entre la segunda junta (10) y uno de los dos asientos (102), de tal manera que:

M: masa molar del fluido, en kg/mol

p: viscosidad dinámica del fluido, en Pa.s

R = 8,314 J/K/mol

T: temperatura del fluido, en K

Qm: caudal másico del fluido, en kg/s

P¡: presión en el espacio estanqueizado, en Pa

Pe: presión fuera del espacio estanqueizado, en Pa,

y, tras el cálculo del coeficiente de obstrucción de porosidades simulado Fnum, una etapa de cálculo de los valores de los coeficientes X, a y [3 realizada mediante minimización de la separación entre los valores de lOS coeficientes Fnum y Fexp.

Procedimiento según la reivindicación 3, en el que la etapa de cálculo de los valores de los coeficientes X, a y [3 se realiza aplicando el método de los mínimos cuadrados.

Procedimiento según una de las reivindicaciones 3 ó 4, en el que la etapa de medición del caudal másico Qm se obtiene realizando:

- una primera etapa de aumento de la temperatura de la segunda junta (10) y de los asientos (102, 106);

- una segunda etapa de puesta en contacto y de puesta a presión de los asientos (102, 106) contra la segunda junta (10);

- una tercera etapa de mantenimiento de la presión ejercida por los asientos (102, 106) contra la segunda junta (10);

- una cuarta etapa de reducción de la presión ejercida por los asientos (102, 106) contra la segunda junta (10);

- una quinta etapa de separación de al menos uno de los asientos (102, 106) y de la segunda junta (10).

Procedimiento según la reivindicación 5, en el que la primera etapa de aumento de la temperatura se pone en práctica hasta alcanzar una temperatura comprendida entre aproximadamente 600-C y 1000-C, y/o en el que la presión ejercida por los asientos (102, 106) sobre la segunda junta (10) durante la tercera etapa

con

corresponde aun esfuerzo ejercido por al menos uno de los asientos (102, 106) sobre la segunda junta (10) comprendido entre aproximadamente 3 N/mm y 10 N/mm, y/o en el que la tercera etapa de mantenimiento de la presión ejercida por los asientos (102, 106) sobre la segunda junta (10) se pone en práctica durante un periodo comprendido entre aproximadamente 5 horas y 15 horas.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la etapa de simulación numérica se pone en práctica por medio de un software de cálculo mecánico mediante elementos finitos.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, que comprende además, antes de la etapa de

10 simulación numérica, una etapa de medición mediante perfllometría láser del perfil de la junta (9) y/o de los

asientos (103, 107), un mallado numérico de la junta (9) y/o de los asientos (103, 107), usado durante la etapa de simulación numérica, realizándose a partir del perfil medido de la junta (9) y/o de los asientos (103, 107).

15 9. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la longitud de contacto Le se obtiene

calculando, mediante extrapolación pollnómlca de la tensión axial Smzz expresada en función de una posición a nivel de dicha superficie de contacto entre la junta (9) y dicho uno de los dos asientos (103), los valores de dos abscisas correspondientes al valor máximo dividido entre 10 de la tensión axial Smzz, correspondiendo la longitud de contacto Le a la diferencia entre dichos valores de las dos abscisas.

10. Dispositivo (1000) de estimación de la estanqueidad de una junta (9), que comprende medios (100, 200) adecuados para poner en práctica un procedimiento de estimación de la estanqueidad de una junta (9) según una de las reivindicaciones anteriores.

25 11. Producto de programa informático que tiene en memoria un código ejecutable para la puesta en práctica de

un procedimiento de estimación de la estanqueidad de una junta (9) según una de las reivindicaciones 1 a

9.