Lira de doble palanca para acomodar dilataciones térmicas longitudinales.

Lira de doble palanca para acomodar dilataciones térmicas longitudinales.

Configuración que contiene siete tramos, comenzando y acabando cada tramo en un giro de la tubería con un ángulo recto, pudiendo tener su desarrollo en un plano vertical, o en el plano horizontal, teniendo ese primer tramo un apoyo intermedio sobre el cual puede deslizar la tubería y girar algunos grados sexagesimales sobre él, llegando hasta un segundo giro que da pie al segundo tramo que tiene otro apoyo fijo que no permite desplazamiento perpendicular de la tubería, que sí puede deslizar sobre el apoyo y girar algunos grados sexagesimales sobre él; más un tercer tramo paralelo al primero, acabando dicho tercer tramo en un giro que conduce al tramo central de la lira, a partir del cual se hace el camino simétrico de vuelta a la dirección original de la conducción.

Lira de doble palanca para acomodar dilataciones térmicas longitudinales

SECTOR DE LA TÉCNICA

La invención hace referencia a sistemas de tuberías y elementos mecánicos en 5 general, que se montan a temperatura ambiente y trabajan a temperaturas muy diferentes de la ambiental, como son las refinerías de petróleo, las centrales térmicas y, en particular, en las centrales termosolares con grandes extensiones de captación solar, que implican grandes longitudes de tuberías de transporte de fluidos a alta temperatura. 10

PROBLEMA TÉCNICO A RESOLVER .

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En el ámbito de la ingeniería térmica es conocida la necesidad de introducir liras de dilatación en los conductos que transportan fluidos a alta temperatura, sea cual sea el proceso térmico que desempeñe la instalación o industria con 15 requisitos de alta temperatura. En efecto, las altas temperaturas de trabajo producen dilataciones en los cuerpos en las tres dimensiones, siendo especialmente relevante en el caso de las conducciones la elongación a lo largo de la dimensión más larga o dominante del circuito.

La ecuación que rige la dilatación libre de un cuerpo es la siguiente:

L = ·T·L

siendo L la longitud del cuerpo en cualquiera de sus tres dimensiones, L la dilatación en esa dimensión, el coeficiente lineal de dilatación térmica y T la variación de temperatura que origina la dilatación. 25

En la práctica, debido a las restricciones y sujeciones del sistema, la dilatación del cuerpo no es libre, originando dos efectos. Por un lado, la deformación no es homogénea en sus tres dimensiones, por lo que se introduce el concepto de deformada del sistema, conociéndose por tal la configuración geométrica del 30 sistema, sujeta a las restricciones, tras el aumento de temperatura. Por otro lado, se originan tensiones conocidas como tensiones térmicas, que son congruentes con la deformada del sistema y sus restricciones.

Como se deduce de la ecuación anterior, la dilatación libre es mayor cuanta más alta es la variación de temperatura; y la dilatación es especialmente acusada en la dimensión más larga del objeto (por lo común, tubería o conducción) .

En los casos en los que una dimensión es especialmente dominante y la 5 variación de temperatura respecto del reposo en frío es alta, la configuración de la deformada y las tensiones térmicas que se originan cobran gran importancia. Por ese motivo se introducen las llamadas liras de dilatación que, cada cierta longitud, compensan parcialmente las elongaciones.

Sin embargo, las liras de dilatación requieren de codos que cambian la dirección del flujo y aumentan la longitud que éste recorre, por lo que se incrementan las pérdidas de carga en el proceso de trasiego del fluido por ambos efectos. Más aún, las liras convencionales provocan deformaciones de flexión no despreciables, lo que puede llegar a fatigar la tubería y romperla, si los ciclos de 15 dilatación y contracción son frecuentes. Estos inconvenientes se ponen de manifiesto en cualquier ámbito, pero cobran gran importancia si las longitudes a recorrer por el fluido son elevadas, como es el caso de las centrales termosolares con extensos campos de captación solar.

Como ejemplo de problemática de los fenómenos de dilatación, supóngase un ramal de tubería que se tiende a temperatura ambiente con 100 m de longitud, tras lo cual hay un codo que conecta con el tramo vertical de la lira, que tiene 10 m de altura; siendo el coeficiente de dilatación lineal de 10-5 ºC-1. Eso lleva a que el factor de crecimiento sea de 0, 005; por tanto el ramal horizontal tiende a 25 extenderse hasta una longitud total de 100, 5 metros. Si admitimos que el ramal horizontal se extiende en línea recta desde el extremo opuesto a la lira, que consideramos extremo fijo, ocurrirá que el otro extremo, el de la lira, se habrá desplazado 0, 5 m; lo que supondrá un giro de 0, 05 radianes, que en principio parece aceptable. Sin embargo, si calculamos la distancia entre los dos 30 extremos del tramo vertical de la lira, suponiendo la expansión en recta horizontal del ramal principal, dicho tramo mediría 10, 013 m; pero con la dilatación debería medir 10, 05 m. Eso parece una exigua diferencia, pero supondría una contracción de 37 mm, que en una pieza de 10 m representa una deformación de 0, 0037 (0, 37 %) lo cual excede al valor de 0, 001 que suele ser el 35

límite elástico en frío (en caliente es mucho menos) . La tensión de compresión axial que experimentaría dicho tramo, de ser acero con un módulo de Young de 2·1011 N/m2, alcanzaría los 7, 4·108 N/m2 es decir unas 7500 atmósferas, cifra verdaderamente descomunal.

El objeto de la presente invención es mejorar los efectos de las liras sobre las tuberías, acotando las variaciones de la conducción deformada respecto de la conducción originalmente montada, para preservar la instalación, gracias a la introducción de apoyos de sustentación apropiados y al consiguiente trazado de la conducción. 10

Los autores no conocen ningún documento que presente una realización o una propuesta que se asemeje a la configuración adoptada para la lira, o contenga uno o dos o más puntos de apoyo que sirvan para establecer las condiciones de equilibrio según la regla de la palanca. Como referencia clásica 15 cabe citar la patente US5195784, y el documento más moderno US2011/0030828; pero en ningún caso están inspirados por el principio de la palanca ni proponen la geometría aquí propuesta.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN 20

La invención se aplica a una pieza longitudinal, en general una tubería, que va desde un punto fijo de arranque a un punto fijo de llegada, y que en operación se halla mucho más caliente, o mucho más fría, que a la temperatura a la que fue montada, y en dicha pieza o tubería se interrumpe la marcha original de su conducción interponiendo un dispositivo que contiene siete tramos de tubería de 25 la misma calidad y calibre que la conducción original, y comenzando y acabando cada tramo en un giro de la tubería con un ángulo cercano al ángulo recto, conduciendo el primer giro de la lira al primer tramo, que es perpendicular a su marcha original, pudiendo tener su desarrollo en un plano vertical, o en el plano horizontal, o con cualquier otra inclinación, teniendo ese primer tramo un apoyo 30 intermedio sobre el cual puede deslizar la tubería y girar algunos grados sexagesimales sobre él, llegando hasta un segundo giro que da pie al segundo tramo en el que el flujo de la conducción se hace paralelo a la dirección original de la tubería, teniendo dicho segundo tramo otro apoyo fijo que no permite desplazamiento perpendicular de la tubería, que sí puede deslizar sobre el apoyo y girar algunos grados sexagesimales sobre él, acabando dicho segundo tramo en un giro de ángulo recto que conduce al tercer tramo de la lira, y que aparece en dirección paralela a la del primer tramo de la lira, acabando dicho 5 tercer tramo en un nuevo giro en ángulo recto; que conduce al tramo central de la lira, a partir del cual se hace el camino simétrico de vuelta a la dirección original de la conducción, a través de otros tres tramos, no teniendo apoyo intermedio el tramo subsiguiente al tramo central, y sí teniéndolo los otros dos, simétricos en esta disposición geométrica respecto del segundo y primer tramos 10 de la primera parte de la lira.

La invención cabe aplicarla asimismo a un tubo que se contrae desde la temperatura de su montaje, por circular por su interior un fluido frío o incluso criogénico; usándose una lira de siete tramos, con los apoyos de brazos de 15 palanca emplazados en los tramos primero, segundo, sexto y séptimo por orden de circulación del fluido.

EXPLICACIÓN DE LAS FIGURAS

Las figuras, en general, no están a escala, pues los tamaños relativos de los 20 elementos son muy dispares; pero son representativas de la invención y de sus principios de funcionamiento.

La figura 1 muestra un esquema del desarrollo longitudinal de una conducción en la que se interpone una lira de la invención, aunque sólo se exhibe la mitad 25 del montaje, yendo desde el extremo de arranque de la conducción, a la izquierda, hasta el tramo central de la lira.

La figura 2 muestra el mismo esquema de la figura 1, marcando las acotaciones de los elementos geométricos relevantes para definir su configuración e 30 incluyendo la trayectoria deformada de la conducción, desarrollada de manera esquemática.

La figura 3 es una ampliación de la zona de la lira donde se especifican las relaciones que han de cumplir los elementos geométricos de la lira para acotar las deformaciones por dilatación en valores predeterminados....

- Lira de doble palanca para acomodar dilataciones térmicas longitudinales, que se aplica a una pieza longitudinal, en general una tubería (1) , que va desde un punto fijo de arranque (2) a un punto fijo de llegada, y que en operación se halla mucho más caliente que a la temperatura a la que fue montada, 5 caracterizada porque en dicha pieza o tubería (1) se interrumpe la marcha original de su conducción interponiendo un dispositivo que contiene siete tramos seguidos de tubería de la misma calidad y calibre que la conducción original, comenzando y acabando cada tramo en un giro de la tubería con un ángulo cercano al ángulo recto, conduciendo el primer giro de la lira al primer tramo (5) , 10 que es perpendicular a su marcha original, pudiendo tener su desarrollo en un plano vertical, o en el plano horizontal, o en un plano de inclinación cualquiera, teniendo ese primer tramo (5) un apoyo intermedio (7) sobre el cual puede deslizar la tubería y girar algunos grados sexagesimales sobre él, llegando hasta un segundo giro que da pie al segundo tramo (9) en el que el flujo de la 15 conducción se hace paralelo a la dirección original de la tubería, teniendo dicho segundo tramo otro apoyo fijo (10) que no permite desplazamiento perpendicular de la tubería, que sí puede deslizar sobre el apoyo y girar algunos grados sexagesimales sobre él, acabando dicho segundo tramo en un giro de ángulo recto que conduce al tercer tramo de la lira (11) , y que aparece en dirección 20 paralela a la del primer tramo de la lira (5) , acabando dicho tercer tramo en un nuevo giro en ángulo recto; que conduce al tramo central de la lira, a partir del cual se hace el camino simétrico de vuelta a la dirección original de la conducción, a través de otros tres tramos, no teniendo apoyo intermedio el tramo subsiguiente al tramo central, y sí teniéndolo los otros dos tramos, sexto y 25 séptimo, simétricos respectivamente en esta disposición geométrica respecto del segundo (9) y primer (5) tramos de la primera parte de la lira.

- Lira de doble palanca para acomodar dilataciones térmicas longitudinales, según reivindicación primera, caracterizada por que se aplica a un tubo que se 30 contrae desde la temperatura de su montaje, por circular por su interior un fluido frío o incluso criogénico; usándose una lira de siete tramos, con los apoyos de brazos de palanca (7, 10) emplazados en los tramos primero (5) , segundo (9) , sexto y séptimo por orden de circulación del fluido.

- Lira de doble palanca para acomodar dilataciones térmicas longitudinales, según reivindicaciones anteriores, caracterizada por que, a la temperatura de montaje, el ángulo (18) tras el primer codo (20) no es exactamente recto sino 90º + B; y el ángulo (17) entre los tramos segundo y tercero tampoco es recto sino 90º + A; siendo A y B ángulos pequeños elegibles por el proyectista; y, 5 denominando G al producto del coeficiente de dilatación térmica lineal por la variación de temperatura entre las condiciones de trabajo y de montaje; y se prescribe que la cota vertical H2 del apoyo del segundo tramo de la lira (10) es

) cos () cos () cos (1) (cos12BABAAsenLAHGH

siendo H la altura total de la lira y L la semi-longitud horizontal total de la tubería, 10 que es igual a la distancia, medida en horizontal, desde un extremo de la conducción hasta el punto medio de la lira, que coincide, en su localización, con la ordenada horizontal del punto medio entre los extremos fijos de la conducción; prescribiéndose que la ordenada horizontal L2 del apoyo del segundo tramo de la lira (10) , medida desde el tercer tramo de la lira, es 15

L2 = H1·G / tg (A)

siendo H1 la longitud, en altura, prescrita del tercer tramo de la lira en condiciones de montaje, cuyo valor es GHHGH121

y se especifica que la ordenada horizontal L3 del apoyo del primer tramo de la 20 lira (7) , medida desde la ordenada horizontal del apoyo del segundo tramo (10) es 2) (11) cos (213LAsenGHBHGHL

y la cota vertical H4 de dicho apoyo (7) como:

H4 = L1·G/tg (B) 25

siendo L1 = (L - L2 - L3) / (1+G) ,

y quedando establecidas por simetría las prescripciones de los tramos quinto, sexto y séptimo, señalándose que al prescribir la longitud de un tramo de conducción, o un segmento de tramo, que por un extremo o por ambos finaliza en un codo con ángulo de variación de la dirección de 90º sexagesimales, la longitud del tramo o segmento de tramo que ha de emplearse en las prescripciones es la suma de la parte recta del tramo más el radio de curvatura de cada codo que haya en sus extremos.