Tanque de almacenamiento térmico de un fluido presurizado y su procedimiento de construcción.

Tanque de almacenamiento térmico de un fluido presurizado y su procedimiento de construcción ya sea el fluido gas o líquido a altas presiones y temperaturas,

que comprende una capa externa de hormigón postensado de alta resistencia (1), una capa intermedia de hormigón refractario postensado (2) que actúa como barrera térmica entre el fluido/gas y el hormigón postensado (1) y donde para el postensado del hormigón se utiliza un sistema de tendones de acero (6) con machones de anclaje (7), comprendiendo los tendones uno o más cordones (12) de postensado anclados en sus extremos al hormigón y puestos en tensión por medios hidráulicos, así como por placas de anclaje (14), vainas (10), trompetas (13) y cuñas. El tanque de alma cenamiento de vapor puede contar con una capa intermedia formada por una capa metálica (11) que evita la permeabilidad del fluido a través de las capas de hormigón.

TANQUE DE ALMACENAMIENTO TÉRMICO DE UN FLUIDO PRESURIZADO Y SU PROCEDIMIENTO DE CONSTRUCCiÓN

Sector técnico de la invención La presente invención se encuadra dentro de los sistemas de almacenamiento térmico de un fluido, sea en forma de vapor o líquido. Más concretamente se trata de una estructura en forma de tanque de almacenamiento de hormigón que soporta altas presiones y altas temperaturas.

Antecedentes de la invención Existe la necesidad en varias tecnologías de suministrar grandes estructuras de almacenamiento o confinamiento a presión con gran resistencia a la compresión. En particular para la generación de energía a partir de la energía nuclear, donde la energía nuclear es convertida en energía eléctrica, se necesitan grandes estructuras de confinamiento en caso de fallos o malfuncionamientos con los correspondientes problemas de emisiones radiactivas a la atmósfera. Para ello se recurre a estructuras con requerimientos muy específicos, como es el caso de los reactores de agua a presión, PWR (Pressurized Water Reactor, de sus siglas en inglés) , donde los componentes operan en condiciones de altas presiones. Estos reactores nucleares PWR están formados por una estructura de confinamiento de hormigón, generalmente de forma cilíndrica con una cúpula semiesférica en su parte superior, teniendo ambos prácticamente el mismo espesor de hormigón. Contienen una galería, generalmente en la parte inferior de la estructura, para el acceso a los anclajes de los tendones. Para asegurar que la estructura es impermeable a gases y líquidos, se pone un recubrimiento metálico de unos milímetros de espesor en la cara interna del depósito. Otra tecnología que requiere grandes estructuras para confinar líquidos o gases es la industria termosolar. Si bien la radiación solar es una fuente térmica de elevada temperatura y elevada energía en origen, la utilización de la misma en las condiciones del flujo que llega a la superficie terrestre limita prácticamente todo su potencial de conversión en trabajo, por la drástica reducción de la temperatura disponible en el fluido. Por esta razón se hace uso en las centrales solares termoeléctricas de sistemas de concentración que permiten lograr mayores densidades de flujo y con ello temperaturas más elevadas, para convertir la energía térmica en electricidad mediante un ciclo Rankine de agua/vapor.

Para dar soporte a estas plantas termosolares durante los periodos de baja o nula radiación, se utilizan sistemas de almacenamiento térmico, siendo los más utilizados los que utilizan sales fundidas o acumuladores de vapor. Los sistemas de almacenamiento con acumuladores de vapor del estado del arte, utilizan la generación directa de vapor siendo el único fluido de trabajo la mezcla bifásica agua/vapor. En el caso de las plantas solares de receptor central, el agua es calentada en lo alto de una torre hasta alcanzar la temperatura de saturación para su posterior entrada en la turbina y/o almacenaje en el acumulador de vapor. A día de hoy estos acumuladores de vapor son de acero al carbono. También existen actualmente vasijas que utilizan hormigones pretensados y/o postensados para varios propósitos, como son el confinamiento de agua, aceite, gas natural, o para aplicaciones nucleares, pero siendo las presiones del orden de algunas decenas de bares en los casos más críticos. Estas estructuras de hormigón postensado que han estado utilizándose en aplicaciones nucleares barajan presiones 10 veces menores que las que se requieren en estas aplicaciones termosolares. También las temperaturas de trabajo que se requieren en energía solar son mayores que las aplicadas en los reactores nucleares. En el caso de los reactores nucleares, las estructuras de confinamiento están compuestas de una capa externa de hormigón y una capa interna de acero. El calor desprendido de la vasija del reactor es conducido a través de la capa de acero al hormigón, que está expuesto al ambiente a presión atmosférica. Si este hormigón se calienta excesivamente pueden ocurrir fenómenos de agrietamiento por los excesivos gradientes térmicos generados en la capa de hormigón. Para resolver este problema se introducirá una capa intermedia de hormigón refractario. En el caso de los hormigones refractarios usados en el estado de la técnica, se pueden aplicar temperaturas 5 a 6 veces superiores a las requeridas, sin embargo, éstos hormigones refractarios no están sometidos a compresión. Por otra parte, la utilización de la capa de acero en los reactores nucleares se debe a la necesidad de que no se trasmitan contaminantes al hormigón, y por ende al exterior, en el caso de alguna fuga radiactiva. Existen una serie de patentes y documentos que hacen referencia a estos sistemas de almacenamiento. La patente US4265066 Prestressed Concrete Pressure Vessels presenta un depósito de hormigón de forma cilíndrica que cuenta con unas cavidades en el interior de su capa externa. Las cavidades pueden ser cilíndricas y contienen cables de postensado para aplicar fuerzas dentro de la estructura. Al permitir y realmente inducir controladamente un agrietamiento en las porciones exteriores de la pared gruesa de la vasija, el recipiente a presión de contención alivia y mejora la resistencia a las presiones internas muy altas y tensiones debidas a las altas temperaturas internas y los fuertes gradientes de temperatura. La patente EP0465272A 1 Nuclear Reactor Pressure Vessel presenta un recipiente de presión para un sistema de reactor nuclear que comprende una pieza de acero a modo de revestimiento interior, una capa aislante intermedia y una capa exterior de hormigón postensado. La parte correspondiente al recipiente exterior puede ser una estructura de fundición de una sola pieza o puede ser una estructura de hormigón que contiene tendones dispuestos en diversas orientaciones para efectuar el postensado. La patente US3893270 Pressure Vessel presenta una estructura de contención que comprende una pared vertical de forma cilíndrica de hormigón y que incluye una zona generalmente hemisférica en forma de cierre. Una pluralidad de cables o tendones de postensado alargados se extienden de manera continua dentro de la pared. Los tendones se extienden en una trayectoria helicoidal a través de las paredes del segmento cilíndrico y forman un ángulo con la horizontal de entre aproximadamente 35°-55°. En la misma línea de depósitos para reactores nucleares también se encuentran los documentos US4175005 Component Nuclear Containment Structure, con depósito de acero y contenedor de hormigón; US3424239 Nuclear Reactor Pressure Vesse/, US3396865 Synthesis Pressure Vesse/, que comprende un depósito con una capa que conduce la temperatura rodeada por una capa con alta resistencia química y aislante térmico y medios para enfriar; el documento US2011 0020758 Novel Reactor for Carr y ing Out Ver y High Temperature and High Pressure Reactions donde el reactor de la invención tiene dos depósitos rodeando la zona de reacción, un depósito interno constituido por un material refractario y un depósito externo rodeando el depósito interno y constituido por material aislante y el documento US6757351 Modified Large Natural Circulation Reactor que comprende un depósito formado por una capa de cemento de aluminato dispuesta entre un revestimiento de acero sin aislar y un recipiente reactor de pretensado de hormigón. Las patentes descritas anteriormente se basan en la combinación de varias capas en la estructura de confinamiento, no haciendo referencia al tipo de unión entre éstas. Sin embargo, existen una serie de patentes relacionadas con todo tipo de estructuras de almacenamiento de fluidos o gases (depósitos, vasijas, tanques ... ) que describen estos sistemas de unión, particularmente para anclajes de elementos metálicos en hormigón. Según la bibliografía existente, el anclaje más utilizado en la industria nuclear para las estructuras de confinamiento es el anclaje tipo perno. La patente US2525821 Insulation of Thermal Vessels presenta una vasija con un sistema aislante refractario más un elemento metálico con una sucesión de anclajes tipo pernos con patillas en los extremos, combinados con anclajes planos. La patente US4625478 Liner for Tower Silo and Method of Installing Same presenta un silo que utiliza uniones atornilladas entre el recubrimiento metálico exterior y la pared del depósito, estando estas uniones repartidas a ambos lados de las uniones longitudinales de las chapas que conforman el elemento metálico. En la misma línea se encuentran los documentos siguientes: la patente US5431295 Storage Module for Nuclear Waste with Improved Liner, que presenta un sistema de anclajes en forma de T combinados con anclajes tipo "cola de milano" para evitar la separación entre las distintas capas que componen la estructura de almacenamiento...

1. Tanque de almacenamiento térmico de un fluido presurizado, ya sea líquido o gas, caracterizado porque comprende una capa externa de hormigón postensado con una resistencia característica superior a 50MPa (1) y una capa interna de hormigón refractario postensado (2) con una resistencia característica superior a 10 MPa.

2. Tanque de almacenamiento térmico de un fluido según reivindicación 1 caracterizado porque el hormigón refractario postensado (2) tiene una porosidad inferior al 25%.

3. Tanque de almacenamiento térmico de un fluido presurizado según reivindicación 1 caracterizado porque el hormigón refractario postensado (2) tiene una conductividad térmica inferior a 0.5 W/mK.

4. Tanque de almacenamiento térmico de un fluido presurizado según reivindicación 1 caracterizado porque el hormigón refractario postensado (2) tiene un coeficiente de dilatación térmica con valores comprendidos entre 2-3*10-6 °C-1.

5. Tanque de almacenamiento térmico de un fluido presurizado según reivindicación 1 caracterizado porque el tanque también cuenta con una capa metálica (11) unida solidariamente a la cara interna del hormigón refractario postensado (2) .

6. Tanque de almacenamiento de un fluido presurizado según reivindicación 5 caracterizado porque la capa metálica (11) es de acero.

7. Tanque de almacenamiento térmico de un fluido presurizado según reivindicación 6 caracterizado porque la capa metálica (11) es de acero al carbono con un espesor de hasta 30 mm.

8. Tanque de almacenamiento térmico de un fluido presurizado según reivindicación 5 caracterizado porque la capa metálica (11) se encuentra anclada al hormigón refractario postensado (2) mediante chapas rigidizadoras (18) unidas a la cara externa de la capa metálica (11) Y embebidas en el hormigón refractario postensado (2) , donde la geometría de las chapas (18) es tal que las chapas (18) tienen la dimensión perpendicular a la capa metálica (11) inferior a la dimensión paralela a la capa metálica (11) .

9. Tanque de almacenamiento térmico de un fluido presurizado según reivindicación 5 caracterizado porque la capa metálica (11) posee en su cara interna unos anillos metálicos (16) .

10. Tanque de almacenamiento térmico de un fluido presurizado según reivindicación

caracterizado porque el hormigón refractario postensado (2) posee en su cara interna una imprimación o recubrimiento cerámico impermeable al fluido o gas almacenado.

11. Tanque de almacenamiento térmico de un fluido presurizado según reivindicación 1 caracterizado porque para el postensado del hormigón (1) se utiliza un sistema de tendones de acero (6) con machones de anclaje (7) de los tendones (8) al hormigón comprendiendo los tendones uno o más cordones (12) de postensado anclados en sus extremos al hormigón y puestos en tensión por medios hidráulicos, así como por placas de anclaje (14) , vainas (10) , trompetas (13) y cuñas.

12. Tanque de almacenamiento térmico de un fluido presurizado según reivindicación 11 caracterizado porque los cordones (12) se encuentran alojados en las vainas (10) a lo largo de todo su trazado.

13. Tanque de almacenamiento térmico de un fluido presurizado según reivindicación 1 caracterizado porque el tanque tiene forma cilíndrica con dos semi-elipsoides en sus extremos, el cuerpo semielipsoidal de hormigón postensado (3) y el cuerpo semielipsoidal de hormigón refractario postensado (4) .

14. Tanque de almacenamiento térmico de un fluido presurizado según reivindicación 1 caracterizado porque el tanque tiene forma cilíndrica con un casquete superior pIano.

15. Tanque de almacenamiento térmico de un fluido presurizado según reivindicación 1 caracterizado porque el tanque tiene forma esférica.

16. Tanque de almacenamiento térmico de un fluido presurizado según reivindicación 1 caracterizado porque el tanque tiene una sección horizontal con forma poligonal.

17. Procedimiento de construcción del tanque de almacenamiento descrito en las reivindicaciones anteriores que comprende las siguientes etapas: Tras unas tareas previas en las que se nivela y compacta el fondo de excavación y preparación del terreno:

-En primer lugar se extiende la capa de hormigón sobre la que se comienzan a colocar los encofrados y las armaduras de la cimentación; durante esta actividad se actúa por tongadas o capas.

-Alcanzada la cota superior de la cimentación, se retiran los encofrados y se procede al relleno y compactación de tierras en el trasdós de la zapata.

-Posteriormente se ejecuta la construcción del muro exterior con encofrado deslizante o trepante con posibilidad de realizar la trepa en la cara exterior, dejando fijo el encofrado interior, y viceversa; se realiza por tramos de va

rios metros; se colocan las armaduras pasivas que se conectan con las del

tramo anterior, así como las armaduras activas (en concreto las vainas, que se soportarán mediante perchas) ; se vierte o bombea un hormigón autocompac

tante, -Tras ello, se procede a la colocación de todos los elementos de anclaje activos así como los tendones más exteriores dentro de las vainas, y a su correspondiente tensado parcial (no hasta el 100% de la capacidad de tensado) mediante gatos hidráulicos; éstos son posteriormente protegidos con una lechada de inyección. -A continuación, se ejecutan en paralelo la capa metálica o recubrimiento metálico y el muro de hormigón refractario postensado; para el casquete inferior, se usan separadores que mantienen la capa metálica a una distancia con respecto de la base igual al espesor del refractario sobre el que apoya, para el posterior vertido. -Una vez terminado el casquete inferior, se sueldan las chapas que conforman las virolas verticales de la capa metálica para, una vez soldada y colocada la virola, verter o bombear el hormigón refractario en dicho tramo. -La compactación del hormigón se lleva a cabo mediante elementos mecánicos manuales en el casquete inferior y con elementos mecánicos o vibradores en la pared vertical. -En paralelo a la ejecución de la capa metálica y muro de hormigón refractario, se colocan los posibles elementos internos que pueda contener el tanque (tuberías, soportes, ...) . -Con todo el cuerpo del tanque ejecutado, se sigue con la construcción del casquete superior mediante la soldadura del último elemento de la capa metálica; ésta debe ser ejecutada con encofrado a doble cara. -Con el mismo sistema de ejecución, se colocan las armaduras pasivas y activas del muro exterior para su posterior hormigonado. -Una vez se ha ejecutado todo el tanque, se realiza la última etapa de postensado que incluye los tendones más interiores del muro exterior, comprimiendo a la capa metálica y al muro refractario, y los tendones del casquete superior; esta última etapa de postensado se realiza también con gatos hidráulicos e inyectando una lechada de protección.

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FIGURA 1

FIGURA 2

FIGURA 3

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FIGURA 4

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FIGURA 7