ES2238719T3 - Dispositivo de valvula de carrete lineal para sistema de intercambiadores de trabajo. - Google Patents
Dispositivo de valvula de carrete lineal para sistema de intercambiadores de trabajo.Info
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Abstract
EN UN SISTEMA INTERCAMBIADOR DE TRABAJO SE EMPLEA UN DISPOSITIVO DE VALVULA DE CARRETE LINEAL PARA DIRIGIR EN EL EL FLUJO DEL FLUIDO. EL DISPOSITIVO COMPRENDE UN CILINDRO EN EL QUE SE ENCUENTRAN DISPUESTOS DE FORMA MOVIL UN PRIMERO Y UN SEGUNDO PISTONES, UNA ENTRADA DE ALTA PRESION SITUADA EN UN PUNTO PRACTICAMENTE CENTRAL A LO LARGO DEL CILINDRO, Y ORIFICIOS PARA EL INTERCAMBIADOR DE TRABAJO SITUADOS ENTRE LOS EXTREMOS RESPECTIVOS DEL CILINDRO Y DE LA ENTRADA DE ALTA PRESION. EN CADA EXTREMO DEL CILINDRO PUEDEN DISPONERSE SALIDAS DE BAJA PRESION, O, COMO VARIANTE, PROPORCIONARSE UNA UNICA SALIDA A BAJA PRESION. EL DISEÑO DEL DISPOSITIVO DE PISTON/CILINDRO PERMITE QUE CADA UNO DE LOS INTERCAMBIADORES DE TRABAJO PUEDA SER ALTERNATIVAMENTE PRESIONIZADO DEL TODO, PRESIONIZADO EN PARTE O TOTALMENTE DESPRESIONIZADO, PERO, EN CADA OCASION, SOLO PUEDE SER TOTALMENTE PRESIONIZADO O DESPRESIONIZADO UN UNICO INTERCAMBIADOR DE TRABAJO.
Description
Dispositivo de válvula de carrete lineal para
sistema de intercambiadores de trabajo.
La presente invención se refiere generalmente a
un dispositivo de válvula de carrete lineal para dirigir el flujo de
fluido en un sistema de intercambiadores de trabajo (energía) y, más
particularmente, a un dispositivo de válvula de carrete lineal que,
cuando está conectado con recipientes a presión de intercambiadores
de trabajo primero y segundo, dirige fluido a presión alta a uno o
ambos de los intercambiadores de trabajo y, alternativamente, dirige
fluido a presión baja desde el primero y/o el segundo intercambiador
de trabajo, en el que al menos uno de los intercambiadores de
trabajo primero y segundo está a presión alta y es capaz de permitir
el flujo en todo momento.
Un intercambiador de trabajo es un dispositivo
que recupera energía de fluido de una corriente y suministra esa
energía a otra corriente. Los intercambiadores de trabajo son bien
conocidos en la técnica anterior como es demostrado por la Patente
de EE.UU. no 3.489.159 anterior, de Cheng y otros, que describe un
método y aparato para comprimir y descomprimir fluidos. En una
realización, la invención de la patente antes mencionada es aplicada
a un proceso de ósmosis inversa.
Así, los intercambiadores de trabajo están siendo
usados actualmente en la industria de desalinización y
particularmente en relación con el proceso de ósmosis inversa usado
en esa industria. Tales intercambiadores de trabajo son usados para
recuperar energía de presión de la corriente de rechazo de un
proceso de ósmosis inversa, cuya corriente puede representar el 60%
o más de la energía total necesaria para bombear una corriente de
alimentación hasta las presiones necesarias para ósmosis inversa.
Sin embargo, en este momento no hay intercambiadores de trabajo
comercialmente disponibles para dispositivos de recuperación de
energía, y esto es debido a la complejidad, el tamaño y el alto
grado de mantenimiento asociados con tales dispositivos.
Durante la historia reciente, se han efectuado
intentos para usar intercambiadores de trabajo para la recuperación
de energía hidráulica de la corriente de rechazo de sistemas de
ósmosis inversa, y los resultados de tal esfuerzo son descritos en
la Patente de EE.UU. no 5.306.428 anterior, de Tonner. La patente de
Tonner describe un dispositivo de válvulas giratorias usado para
dirigir salmuera hacia/desde cámaras de intercambiadores de trabajo
diferentes. Sin embargo, el dispositivo de válvulas giratorias de
Tonner no está equilibrado hidráulicamente, y esta es una desventaja
importante. Específicamente, la falta de equilibrio hidráulico en el
dispositivo de Tonner causa desgaste excesivo en las superficies
selladoras debido a las cargas laterales ejercidas sobre el conjunto
rotatorio central, y también crea problemas de fugas internas y
externas entre las lumbreras de admisión y salida a presión alta y
las lumbreras de drenaje a presión baja. A su vez, esto reduce el
rendimiento del dispositivo de Tonner e impone límites de tamaño a
cualquier dispositivo que puede ser fabricado de modo realista.
Una desventaja importante adicional del
dispositivo de Tonner se refiere al hecho de que no tiene en su
funcionamiento un "período de superposición", o sea, un período
cuando la salmuera está fluyendo al interior de cada cilindro de
intercambiador de trabajo. Este es un problema crítico porque nunca
debe ser limitado el flujo de salmuera desde las membranas en un
sistema de ósmosis inversa.
El documento
EP-A-0.172.789 describe una bomba
accionada por fluido que comprende una caja incluyendo cilindros
primero y segundo. Émbolos primero y segundo están fijados
rígidamente entre sí y situados dentro de sus cilindros respectivos,
con los cilindros recibiendo alternativamente fluido comprimido para
hacer funcionar la bomba. Juntas selladoras flexibles primera y
segunda están dispuestas entre los émbolos y sus cilindros
respectivos para definir cámaras interior y exterior en cada uno de
los cilindros. Una válvula de carrete es movible entre una primera
posición para suministrar fluido motor a la cámara interior del
primer cilindro y una segunda posición para suministrar fluido motor
a la cámara interior del segundo cilindro. Bolas cargadas por
resorte, adaptadas para ajustar dentro de acanaladuras de la válvula
de carrete, están dispuestas para retener la válvula de carrete en
las posiciones primera y segunda. Retenedores de resortes primero y
segundo, que tienen resortes primero y segundo, están dispuestos en
extremos opuestos de la válvula de carrete para contacto con los
émbolos para cambiar la válvula de carrete entre las posiciones
primera y segunda con respecto al movimiento de émbolos.
El documento
US-A-3.622.250 describe una bomba
que tiene émbolos en extremos opuestos de la barra de émbolos, en la
que la barra de émbolos se extiende a través de un cuerpo de válvula
de carrete que separa los cilindros para los émbolos dispuestos
opuestamente. Un cuerpo de válvula piloto está montado en el cuerpo
de válvula de carrete y es sensible al movimiento alternativo de los
émbolos. Al final de una carrera de émbolo, la fuente de presión
conectada al cuerpo de válvula piloto está dirigida al interior del
cuerpo de válvula de carrete, al interior de una de un par de zonas
anulares en la barra de émbolos y de vuelta al interior de una
cámara extrema para el elemento de válvula piloto, moviendo de tal
modo el elemento de válvula piloto al extremo opuesto del cuerpo de
válvula piloto, invirtiendo a su vez el flujo de fluido desde la
fuente de presión al interior de las cámaras de émbolos. Al final de
cada semiciclo, este procedimiento es seguido secuencialmente. Los
émbolos están conectados de modo pivotante a la barra de émbolos
alrededor de ejes extendidos a 90º entre sí para permitir la
autocompensación de cualquier desajuste que pueda existir en la
estructura de bomba. El movimiento alternativo del elemento de
válvula piloto es amortiguado derivando parte del fluido de admisión
al extremo opuesto del elemento de válvula piloto, y el elemento de
válvula piloto es sujetado liberablemente por un imán en un extremo
del cuerpo de válvula piloto.
Además, en general, los dispositivos de válvulas
de la técnica anterior, usados para controlar sistemas de
intercambiadores de trabajo, continúan siendo complejos y caros,
siendo cargados por desventajas de funcionamiento (tal como
vacilación en el funcionamiento de las válvulas, produciendo la
parada involuntaria del sistema) y exigiendo sincronización y
control rigurosos de componentes múltiples dentro del sistema.
Así, en la técnica anterior existe una necesidad
para el desarrollo de un dispositivo menos complejo, menos costoso,
equilibrado y más consistente operativamente para controlar el flujo
de fluidos en sistemas de intercambiadores de trabajo.
La presente invención se refiere a un sistema
lineal de intercambiadores de trabajo como se especifica en la
reivindicación 1.
En general, el dispositivo de válvula de carrete
lineal de la realización preferida comprende dos émbolos conectados
por una barra situada dentro de un cilindro. El cilindro tiene
cuatro lumbreras o conexiones: una admisión a presión alta, una
lumbrera de primer intercambiador de trabajo, una lumbrera de
segundo intercambiador de trabajo y una salida de descarga de fluido
a presión baja. Durante el funcionamiento del dispositivo, la
admisión a presión alta está a una presión alta correspondiente a la
presión del fluido de rechazo, procedente (por ejemplo) de las
membranas de un sistema de ósmosis inversa, mientras que los
intercambiadores de trabajo primero y segundo varían entre la
presión alta antes mencionada y la presión baja asociada con la
salida de descarga, estando la última próxima a la presión
atmosférica. Los intercambiadores de trabajo varían de presión
desfasados, dependiendo de la situación del dispositivo de válvula
de carrete lineal, tal que al menos un intercambiador de trabajo
está a presión alta en todo momento. Además, moviendo el dispositivo
de válvula de carrete lineal en vaivén dentro del cilindro, las
lumbreras de intercambiadores de trabajo son descubiertas y cerradas
alternativamente, y esto dirige el flujo en la secuencia apropiada a
la lumbrera apropiada.
El dispositivo preferido de válvula de carrete
lineal está diseñado especialmente de modo que su funcionamiento
está equilibrado hidráulicamente de modo axial y así no es generado
empuje axial neto durante el funcionamiento del dispositivo. Como
resultado, la fuerza requerida para mover el dispositivo de válvula
de carrete lineal es solo la fuerza necesaria para superar la
fricción de las superficies selladoras asociadas con los émbolos. Es
decir, no hay fuerzas hidráulicas a superar, y esto permite que el
dispositivo de accionamiento asociado con la presente invención sea
de baja potencia. Con respecto a lo último, el dispositivo de
accionamiento puede ser de cualquier construcción capaz de producir
un movimiento lineal alternativo. Además, el dispositivo no tiene
limitaciones respecto al tamaño y al caudal, siendo debido esto a la
falta de empuje axial ejercido sobre el conjunto de émbolos del
dispositivo de válvula de carrete lineal.
Adicionalmente, como resultado de su diseño
único, el dispositivo preferido de válvula de carrete lineal
representa una mejora significativa respecto a los sistemas de
técnica anterior, y específicamente respecto a los sistemas de
válvulas de técnica anterior, porque el dispositivo es mucho menos
complejo, y por tanto mucho menos costoso, que los sistemas o
dispositivos de técnica anterior. Además, como resultado del diseño
y el funcionamiento únicos y relativamente simplistas del
dispositivo, no padece los problemas operativos o los problemas de
control/sincronización asociados con dispositivos de la técnica
anterior. Finalmente, el dispositivo preferido representa un avance
significativo respecto a los sistemas de válvulas giratorias de la
técnica anterior, tal como el descrito en la patente de Tonner,
porque puede proporcionar un dispositivo equilibrado más bien que
asimétrico.
Preferiblemente, el dispositivo de válvula de
carrete lineal tiene un cilindro, émbolos primero y segundo montados
dentro de él, y una barra que interconecta los émbolos primero y
segundo a fin de causar que los émbolos primero y segundo se muevan
a lo largo de una línea recta dentro del cilindro.
Convenientemente, el dispositivo de válvula de
carrete lineal aumenta y reduce uniformemente la presión en los
intercambiadores de trabajo mediante diseño detallado de los émbolos
empleados en el dispositivo de válvula de carrete lineal.
Los objetos anteriores y otros y la naturaleza de
la invención serán comprendidos más claramente por referencia a la
descripción detallada siguiente, las reivindicaciones adjuntas y los
dibujos unidos.
La Figura 1 es una representación esquemática de
un sistema de intercambiadores de trabajo de la técnica
anterior.
La Figura 2 es una tabla que ilustra el estado de
diversas válvulas empleadas en el sistema de técnica anterior de la
Figura 1.
La Figura 3 es una representación esquemática del
dispositivo de válvula de carrete lineal de la presente invención
usado en un sistema de intercambiadores de trabajo.
Las Figuras 4A-4B son
representaciones esquemáticas más detalladas del dispositivo de
válvula de carrete lineal de la presente invención en diversas
etapas de funcionamiento.
La Figura 5 es una vista lateral en corte
longitudinal de un diseño preferido para los émbolos empleados en el
dispositivo de válvula de carrete lineal de la presente invención,
que subraya el equilibrio hidráulico axial.
La Figura 6 es una vista lateral en corte
longitudinal del émbolo izquierdo de las Figura 4A y 4B.
La invención será descrita ahora con más detalle,
con referencia a las diversas figuras de los dibujos.
La Figura 1 es una representación esquemática de
un sistema de intercambio de trabajo de la técnica anterior. Como se
ve en ella, el sistema 10 de la técnica anterior comprende los
componentes siguientes: recipientes de recuperación de energía o
intercambiadores 22 y 24 de trabajo, bomba 50 de alimentación a
presión alta, conjunto 51 de membranas de ósmosis inversa, bomba 52
elevadora de presión de recuperación de energía, válvulas 53 y 56 de
retención de suministro de agua del mar, válvulas 54 y 57 de
retención de llenado de agua del mar, válvulas 60 y 63 de escape de
salmuera, válvulas 61 y 64 de descompresión, válvulas 55 y 58 de
compresión y válvulas 59 y 62 de llenado de salmuera.
La Figura 2 es una tabla que ilustra el estado de
las diversas válvulas empleadas en el sistema de técnica anterior de
la Figura 1. La tabla de la Figura 2 será utilizada para describir
la secuencia de operaciones llevadas a cabo en el sistema de técnica
anterior de la Figura 1.
Refiriéndose a las Figuras 1 y 2, la primera
etapa de funcionamiento del sistema 10 es descrita mejor como
"comprimir el intercambiador 22" y, durante esa etapa de
funcionamiento, las válvulas 55, 56 y 62 están abiertas mientras que
las válvulas restantes están cerradas. Como resultado, el
intercambiador 22 es comprimido, salmuera procedente del conjunto 51
de membranas de ósmosis inversa es suministrada al intercambiador 24
y el intercambiador 24 suministra fluido por vía de la válvula 56 y
la bomba 52 elevadora de presión al conjunto 51 de membranas de
ósmosis inversa.
La etapa siguiente de funcionamiento es descrita
mejor como "superponer el intercambiador 22" y, en esta etapa
de funcionamiento, las válvulas 53, 56, 59 y 62 están abiertas
mientras que las válvulas restantes están cerradas. Salmuera
procedente del conjunto 51 es suministrada a ambos intercambiadores
22 y 24, y los intercambiadores 22 y 24 suministran fluido, por vía
de las válvulas 53 y 56 respectivamente y por vía de la bomba 52
elevadora de presión, al conjunto 51.
La etapa siguiente de funcionamiento es descrita
mejor como "aislar el intercambiador 24" y, en esta etapa, las
válvulas 53 y 59 están abiertas mientras que las válvulas restantes
están cerradas. El intercambiador 22 continúa recibiendo la salmuera
desde el conjunto 51, y continúa suministrando fluido por vía de la
válvula 53 y la bomba 52 al conjunto 51, pero el intercambiador 24
no recibe ni suministra fluido.
La etapa siguiente de funcionamiento es descrita
mejor como "descomprimir el intercambiador 24" y, en esta
etapa, las válvulas 53, 59 y 64 están abiertas mientras que las
válvulas restantes están cerradas. El intercambiador 22 continúa
recibiendo salmuera desde el conjunto 51 y suministrando fluido al
conjunto 51, mientras que el intercambiador 24 es sometido a
descompresión por medio de la válvula 64 de descompresión.
La etapa siguiente de funcionamiento es descrita
mejor como "llenar el intercambiador 24" y, en esta etapa, las
válvulas 53, 57, 59 y 63 están abiertas mientras que las válvulas
restantes están cerradas. El intercambiador 22 continúa recibiendo
salmuera desde el conjunto 51 y suministrando fluido, por vía de la
válvula 53 y la bomba 52, al conjunto 51, mientras que sale fluido
del intercambiador 24 por vía de la válvula 63 de escape de salmuera
(es decir, el intercambiador 24 suministra una salida de salmuera a
presión baja como parte de una operación de llenado). Durante esta
etapa, la válvula 57 de retención de llenado de agua del mar está
abierta pero la válvula 54 de retención de llenado de agua de mar
está cerrada, impidiendo de tal modo que el agua a presión alta se
escape al área de llenado a presión baja asociada con el
intercambiador 24.
La etapa siguiente de funcionamiento es descrita
mejor como "comprimir el intercambiador 24" y, esta etapa, las
válvulas 53, 58 y 59 están abiertas mientras que las válvulas
restantes están cerradas. El intercambiador 22 continúa recibiendo
salmuera desde el conjunto 51 y suministrando fluido, por vía de la
válvula 53 y la bomba 52, al conjunto 51, mientras que el
intercambiador 24 es comprimido por vía de la válvula 58 de
compresión.
La etapa siguiente de funcionamiento es descrita
mejor como "superponer el intercambiador 24" y, en esta etapa,
las válvulas 59 y 62 están abiertas mientras que las válvulas
restantes están cerradas. Como en la etapa de "superposición"
anterior, ambos intercambiadores 22 y 24 están expuestos a la
entrada de salmuera a presión alta procedente del conjunto 51, y
ambos intercambiadores 22 y 24 suministran salida de fluido, por vía
de las válvulas 53 y 56 respectivamente y por vía de la bomba 52, al
conjunto 51.
La etapa siguiente de funcionamiento es descrita
mejor como "aislar el intercambiador 22" y, en esta etapa, las
válvulas 56 y 62 están abiertas mientras que las válvulas restantes
están cerradas. Así, no hay flujo de fluido entrante en, o saliente
de, el intercambiador 22, mientras que salmuera fluye al interior
del intercambiador 24 por vía de la válvula 62 y fluido fluye desde
el intercambiador 24, por vía de la válvula 56 y la bomba 52, al
conjunto 51.
La etapa siguiente de funcionamiento es
caracterizada mejor como "descomprimir el intercambiador 22" y,
en esta etapa, las válvulas 56, 61 y 62 están abiertas mientras que
las válvulas restantes están cerradas. Así, el intercambiador 24
continúa recibiendo salmuera, por vía de la válvula 62, desde el
conjunto 51, y suministrando fluido, por vía de la válvula 56 y la
bomba 52, al conjunto 51, mientras que el intercambiador 22 es
sometido a descompresión por vía de la válvula 61 de
descompresión.
La etapa final de funcionamiento es descrita
mejor como "llenar el intercambiador 22" y, en esta etapa, las
válvulas 54, 56, 60 y 62 están abiertas mientras que las válvulas
restantes están cerradas. El intercambiador 24 continúa recibiendo
salmuera desde el conjunto 51 y suministrando fluido, por vía de la
válvula 56 y la bomba 52, al conjunto 51, mientras que el
intercambiador 22 descarga salmuera por la válvula 60 (o sea, el
intercambiador 22 suministra una salida de salmuera a presión baja
como una parte de la operación de llenado). En esta etapa, la
válvula 54 de retención de agua del mar está abierta pero la válvula
57 de retención de llenado de agua del mar está cerrada, impidiendo
de tal modo que el agua a presión alta se fugue al área de llenado a
presión baja asociada con el intercambiador 22.
La Figura 3 es una representación esquemática del
dispositivo de válvula de carrete lineal de la presente invención
usado en un sistema de intercambiadores de trabajo. Como se ve en
ella, el sistema 70 de la Figura 3 comprende los componentes básicos
siguientes: recipientes de recuperación de energía o
intercambiadores 22 y 24 de trabajo, dispositivo 26 de válvula de
carrete lineal, bomba 50 de alimentación a presión alta, conjunto 51
de membranas de ósmosis inversa, bomba 52 elevadora de presión de
recuperación de energía, válvulas 53 y 56 de retención de suministro
de agua del mar y válvulas 54 y 57 de retención de llenado de agua
del mar.
Así, de acuerdo con la presente invención, el
dispositivo 26 de válvula de carrete lineal recibe salmuera, por la
admisión 12 a presión alta, desde el conjunto 51, y proporciona
salida de salmuera a presión baja por vía de las salidas 14 y 16 a
presión baja. Además, el flujo de fluido entre los intercambiadores
22 y 24, por una parte, y el dispositivo 26 de válvula de carrete
lineal, por otra parte, tiene lugar por vía de las lumbreras 18 y 20
de intercambiadores, respectivamente, de la Figura 4A. Así, el
empleo del dispositivo 26 de válvula de carrete lineal de la
presente invención reduce sustancialmente la complejidad de las
disposiciones de la técnica anterior sustituyendo las válvulas 55 y
58 de compresión, las válvulas 61 y 64 de descompresión, las
válvulas 60 y 63 de escape de salmuera y las válvulas 59 y 62 de
llenado de salmuera de la Figura 1 por el dispositivo 26 único de
válvula de carrete lineal de la Figura 3.
El funcionamiento del dispositivo 26 de válvula
de carrete lineal será descrito ahora con referencia a las Figuras
4A y 4B que son representaciones esquemáticas más detalladas del
dispositivo de válvula de carrete lineal de la presente invención en
sus diversas etapas de funcionamiento.
Como se ve en ellas, el sistema 70 comprende los
componentes siguientes: admisión 12 a presión alta, salidas 14 y 16
a presión baja, lumbreras 18 y 20 de intercambiadores de trabajo,
intercambiadores 22 y 24 de trabajo y dispositivo 26 de válvula de
carrete lineal.
El dispositivo 26 de válvula de carrete lineal
comprende los componentes siguientes: cilindro exterior o envoltura
27, cilindro interior 28, émbolos 30 y 32, barra 34 y pieza 36 de
accionamiento. La barra 34 interconecta los émbolos 30 y 32 de modo
que estos se mueven al unísono. En esta realización, la pieza 36 de
accionamiento está conectada a uno de los émbolos (al émbolo 30 en
la Figura 1) y en su otro extremo está conectada a un mecanismo
motor adecuado para mover los émbolos 30 y 32 al unísono dentro del
cilindro 28.
La admisión 12 a presión alta está conectada a
una fuente de fluido a presión alta, o sea, a la salida de salmuera
del conjunto 51 de membranas de ósmosis inversa (Figura 3). Las
salidas 14 y 16 a presión baja están conectadas a un drenaje a
presión baja para facilitar la descarga de salmuera a presión baja
desde el sistema 70 de intercambiadores de trabajo. Finalmente, las
lumbreras 18 y 20 de intercambiadores de trabajo están conectadas a
los intercambiadores 22 y 24 de trabajo, respectivamente, a fin de
dirigir salmuera hacia o desde los intercambiadores 22 y 24 de
trabajo respectivos.
Como se indica después, las salidas 14 y 16 a
presión baja pueden ser combinados en una salida única a presión
baja. Por ejemplo, los émbolos 30 y 32 pueden ser dimensionados de
tal manera que la barra 34 podría ser un eje hueco que conecta un
lado a presión baja del sistema 10 con el otro, permitiendo de tal
modo que el número de lumbreras a presión baja sea reducido a
una.
Durante el funcionamiento, la admisión 12 a
presión alta está en una presión correspondiente a la presión del
fluido que emana de la salida de salmuera del conjunto 51 de ósmosis
inversa (Figura 3) conectado a la admisión 12, mientras los
intercambiadores 22 y 24 de trabajo varían entre presión alta
(correspondiente a la presión en la admisión 12) y presión baja
(correspondiente a la presión en las salidas 14 y 16), con la última
estando próxima a la presión atmosférica en esta realización. Como
se explicará con más detalle después, los intercambiadores 22 y 24
de trabajo varían de presión desfasados, dependiendo de la situación
del dispositivo 26, tal que al menos uno de los intercambiadores 22
y 24 de trabajo está a presión alta en todo momento. Moviendo los
émbolos 30 y 32 en vaivén dentro del cilindro 28, las lumbreras 18 y
20 son descubiertas y cerradas alternativamente a fin de dirigir el
flujo de fluido en secuencia apropiada a la lumbrera apropiada.
El funcionamiento de la presente invención será
descrito ahora con más detalle con referencia a las Figuras 4A y 4B
en las que las posiciones de los émbolos 30 y 32 en diversas etapas
de funcionamiento son designada por los caracteres alfabéticos A, B,
... (indicando la posición del borde interior o derecho del émbolo
30) y A', B', ... (indicando la posición del borde interior o
izquierdo del émbolo 32).
Refiriéndose a la Figura 4A, en la etapa de
funcionamiento descrita como "llenar el intercambiador 24", los
émbolos 30 y 32 están en las posiciones A y A', respectivamente, y
el intercambiador 22 queda sometido a la presión alta procedente de
la admisión 12, mientras que el intercambiador 24 queda conectado a
la salida 16 a presión baja. Debería observarse que, en esta etapa
de funcionamiento, el flujo de fluido es entrante en el
intercambiador 22, pero saliente del intercambiador 24. Esto permite
que el intercambiador 24 sea llenado con agua de mar.
En la etapa de funcionamiento descrito como
"comprimir el intercambiador 24", los émbolos 30 y 32 son
movidos a las posiciones B y B', respectivamente, de modo que el
émbolo 32 bloquea el intercambiador 24 con respecto a la salida 16 a
presión baja y expone parcialmente el intercambiador 24 a la
admisión 12 a presión alta, mientras que el émbolo 30 está en una
posición tal que el intercambiador 22 queda expuesto a la entrada 12
a presión alta. Así, esta etapa representa el comienzo de la
compresión del intercambiador 24. El flujo es entrante en los
intercambiadores 22 y 24 pero no hay flujo en las salidas 14 y 16 a
presión baja.
En la etapa de funcionamiento que puede ser
descrita mejor como "superponer el intercambiador 24", los
émbolos 30 y 32 son movidos a las posiciones C y C',
respectivamente. Ambos intercambiadores 22 y 24 son expuestos a la
admisión 12 a presión alta y así el flujo de fluido es entrante en
ambos intercambiadores 22 y 24 pero no hay flujo en las salidas 14 y
16 a presión baja.
En la etapa de funcionamiento descrita mejor como
"aislar el intercambiador 22", los émbolos 30 32 son movidos a
las posiciones D y D', respectivamente. El intercambiador 22 de
trabajo es bloqueado por el émbolo 30 respecto al acceso a la
admisión 12 a presión alta, mientras que el intercambiador 24 de
trabajo tiene acceso completo a la admisión 12. Así, no hay flujo de
fluido entrante en, o saliente de, el intercambiador 22 mientras que
tiene lugar el flujo de fluido a presión alta entrante en el
intercambiador 24. No hay flujo en las salidas 14 y 16 a presión
baja.
En la etapa de funcionamiento descrita mejor como
"descomprimir el intercambiador 22", los émbolos 30 y 32 se
mueven a las posiciones E y E', respectivamente. El intercambiador
22 es expuesto parcialmente a la salida 14 a presión baja mientras
que el intercambiador 24 permanece expuesto completamente a la
admisión 12 a presión alta. El flujo de fluido es saliente del
intercambiador 22 y entrante en el intercambiador 24, sin ningún
flujo a través de la salida 16 a presión baja.
En la etapa de funcionamiento descrita mejor como
"llenar el intercambiador 22", los émbolos 30 y 32 se mueven a
las posiciones F y F', respectivamente. En esta etapa, el
intercambiador 22 es expuesto completamente a la salida 14 a presión
baja mientras que el intercambiador 24 queda expuesto completamente
a la admisión 12 a presión alta. El flujo de fluido permanece
saliente del intercambiador 22 y entrante en el intercambiador 24
mientras que hay flujo hacia fuera por la salida 14 a presión baja.
Esto permite que el intercambiador 22 sea llenado con agua de
mar.
mar.
Refiriéndose a la Figura 4B, en la etapa de
funcionamiento descrita mejor como "comprimir el intercambiador
22", los émbolos 30 y 32 son movidos a las posiciones G y G',
respectivamente. Así, el émbolo 30 bloquea el intercambiador 22 con
respecto a la salida 14 a presión baja pero expone parcialmente el
intercambiador 22 a la admisión 12 a presión alta, mientras que el
émbolo 32 está en una posición tal que el intercambiador 24 queda
expuesto a la admisión 12 a presión alta. Así, esta etapa representa
el comienzo de la compresión del intercambiador 22. El flujo es
entrante en los intercambiadores 22 y 24 pero no hay flujo en las
salidas 14 y 16 a presión baja.
En la etapa de funcionamiento descrita mejor como
"superponer el intercambiador 22", los émbolos 30 y 32 se
mueven a las posiciones H y H', respectivamente. La denominación
"superponer" pretende reflejar el hecho de que fluido a presión
alta procedente de la admisión 12 es suministrado a ambos
intercambiadores 22 y 24 de trabajo al mismo tiempo. Todavía no hay
flujo en las salidas 14 y 16 a presión baja.
En la etapa de funcionamiento caracterizada como
"aislar el intercambiador 24", los émbolos 30 y 32 se mueven a
las posiciones I y I', respectivamente. La lumbrera 20 es bloqueada
mientras que la lumbrera 18 es expuesta completamente a la admisión
12 a presión alta. Así, el intercambiador 22 de trabajo es expuesto
completamente al fluido a presión alta que entra por la admisión 12,
mientras que el intercambiador 24 de trabajo no lo es. Todavía no
hay flujo en las salidas 14 y 16 a presión baja.
En la etapa de funcionamiento caracterizada como
"descomprimir el intercambiador 24", los émbolos 30 y 32 son
movidos a las posiciones J y J', respectivamente. El intercambiador
22 queda expuesto completamente al fluido a presión alta en la
admisión 12, mientras que el intercambiador 24 es expuesto, por vía
de la salida 16 a presión baja, al drenaje a presión baja, y no hay
flujo hacia fuera por la salida 16 a presión baja.
Así, puede verse que, de acuerdo con la presente
invención, los émbolos 30 y 32 se mueven en vaivén dentro del
cilindro 28 y, como resultado, las lumbreras 18 y 20 (que comunican
con los intercambiadores 22 y 24 de trabajo, respectivamente) son
descubiertas y cerradas alternativamente, dirigiendo de tal modo el
flujo de fluido en secuencia apropiada a la lumbrera apropiada.
Debería observarse que la disposición de
lumbreras y el diseño único de la presente invención están
equilibrados hidráulicamente de modo axial y, por tanto, no es
generado empuje axial neto debido al funcionamiento de la invención.
Como resultado, la fuerza requerida para mover el dispositivo 26 de
válvula de carrete lineal es solo la fuerza necesaria para superar
la fricción de las superficies selladoras (no mostradas) asociadas
con los émbolos 30 y 32. Es decir, no hay fuerzas hidráulicas a
superar. Esto permite que se emplee un dispositivo motor (para
accionar los émbolos 30 y 32) que es de baja potencia. De hecho, el
dispositivo motor puede ser de cualquier construcción capaz de
producir un movimiento lineal alternativo de los émbolos 30 y 32 y
la barra 34, con una pausa en el movimiento teniendo lugar en los
límites exteriores del movimiento. Además, como resultado del diseño
único de la presente invención, puede ser dimensionada tal que las
condiciones del flujo a través del dispositivo 26 sean de
restricción hidráulica reducida, o sea, no hay limitaciones respecto
al tamaño y al caudal en el dispositivo como podrían resultar de la
falta de empuje axial sobre los émbolos 30 y
32.
32.
Debería subrayarse que el dispositivo 26 debe ser
construido mecánicamente tal que cada extremo del dispositivo 26 de
válvula de carrete (o sea, cada émbolo 30 y 32) cubra completamente
su lumbrera de intercambiador de trabajo. De este modo, es detenido
eficazmente el flujo hacia y desde el intercambiador de trabajo
servido por la lumbrera particular. Con respecto a lo último, no es
necesaria la selladura absoluta de la lumbrera pero el flujo debe
ser reducido significativamente; este es el significado de las
expresiones "aislar el intercambiador 22" y "aislar el
intercambiador 24" usadas anteriormente. Otra característica
significativa de la presente invención es que el dispositivo 26 de
válvula de carrete y el cilindro 28 asociado están diseñados tal que
ambas lumbreras 18 y 20 de intercambiadores de trabajo no son
cubiertas completamente por el dispositivo 26 de válvula de carrete
al mismo tiempo. Como se indicó antes, durante el funcionamiento del
dispositivo 26 hay momentos en los que ambas lumbreras 18 y 20 están
descubiertas parcialmente, y esto es denominado una
"superposición" en la discusión anterior, puesto que el fluido
a presión alta es capaz de fluir brevemente al interior de ambos
intercambiadores 22 y 24 de trabajo al mismo tiempo. En otras
palabras, de acuerdo con la presente invención, el porcentaje en el
que una lumbrera de intercambiador está abierta y el porcentaje en
el que la otra lumbrera de intercambiador está abierta deberían
sumar el 100% aproximadamente o mayor en todo momento. Esto asegura
que la corriente de salmuera procedente del conjunto 51 de membranas
de ósmosis inversa de la Figura 3 no es interrumpida completamente
en ningún momento, siendo esta una exigencia que es satisfecha por
la presente
invención.
invención.
Además, el diseño del dispositivo 26 de válvula
de carrete lineal de la presente invención (como se ve en las
Figuras 4A y 4B) es tal que nunca hay una conexión directa entre la
admisión 12 a presión alta y las salidas 14 y 16 a presión baja,
respectivamente. Es decir, si la admisión 12 a presión alta es
conectada a la lumbrera 18 de intercambiador, es bloqueado el
trayecto entre la lumbrera 18 de intercambiador y la salida 14 a
presión baja; de modo similar, si la admisión 12 a presión alta es
conectada a la lumbrera 20 de intercambiador, es bloqueado el
trayecto entre la lumbrera 20 de intercambiador y la salida 16 a
presión baja.
Refiriéndose además a la Figura 4, las barreras
44a, 44b, 46a y 46b impiden que el fluido a presión alta que entra
en el dispositivo 26 por la admisión 12 ocupe el espacio anular
entre el cilindro exterior 27 y el cilindro interior 28. Además, la
superficie del cilindro interior 28 está provista de ranuras
longitudinales 38, 40 y 42 ordenadas a lo largo de la superficie
circunferencial del cilindro 28. Las ranuras 40 sirven como un
trayecto por medio del cual el fluido a presión alta que entra por
la admisión 12 sigue al interior del cilindro 28, mientras que las
ranuras 38 y 42 sirven como un trayecto por medio del cual el fluido
a presión alta sale del cilindro 28 y entra en las lumbreras 18 y 20
de intercambiadores, respectivamente. Esta disposición única permite
un trayecto de flujo mejorado para el fluido a presión alta,
minimiza la caída de presión experimentada por el fluido y asegura
que las cargas son equilibradas hidráulicamente en toda la carrera
de los émbolos 30 y 32. Es decir, las últimas ventajas son
conseguidas como un resultado del hecho de que el fluido a presión
alta entra en, y sale de, el cilindro 28 del dispositivo 26
radialmente en lugar de por un lado o el otro del cilindro 28.
Como se mencionó antes, en una realización de la
invención, las salidas 14 y 16 a presión baja son mantenidas a
presión sustancialmente atmosférica mientras que la admisión 12 está
a presión mayor que la atmosférica. Sin embargo, en otra
realización, es posible mantener las salidas 14 y 16 a presión baja
a una presión sustancialmente mayor que la atmosférica, en cuyo caso
la admisión 12 a presión alta es mantenida a una presión aún mas
alta con respecto al nivel de presión en las salidas 14 y 16 a
presión baja.
En una realización tal de la invención, en la que
el nivel de presión en las salidas 14 y 16 es sustancialmente mas
alta que la presión atmosférica, la fuerza ejercida por esa presión
sobre el lado izquierdo (en las Figuras 4A y 4B) del émbolo 30 será
necesariamente menor que la fuerza ejercida por la presión en la
salida 16 sobre el lado derecho del émbolo 32. Esto es debido al
hecho de que la fuerza es igual al producto de la presión por el
área sobre la que actúa la presión, y debido al hecho de que la
pieza 36 de accionamiento ocupa una cierta cantidad del área de la
cara izquierda del émbolo 30, produciendo una reducción en el área
eficaz de la cara del émbolo 30, mientras que tal reducción no tiene
lugar en el área eficaz de la cara derecha del émbolo 32. Esta
fuerza podría ser perjudicial para el funcionamiento del dispositivo
26 de válvula de carrete lineal pero la presente invención incluye
una solución para tal problema, como se describirá ahora.
La Figura 5 es una vista lateral en corte
longitudinal de una disposición de accionamiento modificada para el
émbolo derecho de las Figuras 4A y 4B. Esta disposición de
accionamiento modificada compensa el problema de "fuerza en
equilibrio" recién descrito. Como se ve en la Figura 5, el émbolo
32 está provisto de su propia pieza 37 de accionamiento, con las
piezas 36 y 37 de accionamiento estando conectadas en esta
realización con actuadores distintos pero sincronizados o con un
actuador común único.
Como se mencionó antes con relación a las Figuras
4A y 4B, en diversas etapas de funcionamiento del dispositivo 22 de
válvula de carrete lineal, los intercambiadores 22 y 24 son
comprimidos o descomprimidos. Desde un punto de vista práctico, se
considera importante controlar la velocidad de compresión y
descompresión de los intercambiadores 22 y 24. Tal control de la
velocidad de compresión y descompresión proporciona tiempo para que
se cierren las válvulas de retención (no mostradas) en extremos
opuestos de los intercambiadores 22 y 24. El control de la velocidad
de compresión y descompresión también es importante desde el punto
de vista de reducir el deterioro por uso en los componentes del
sistema.
Por consiguiente, la Figura 6 es una vista
lateral en corte longitudinal de un diseño preferido para los
émbolos empleados en el dispositivo de válvula de carrete lineal de
la presente invención. Este diseño único de los émbolos 30 y 32 del
dispositivo 26 es proporcionado con el fin de controlar la velocidad
de compresión y descompresión de los intercambiadores 22 y 24.
Específicamente, mientras que los émbolos 30 y 32 mostrados en la
realización descrita en las Figuras 4A y 4B tienen cortes
longitudinales laterales generalmente rectangulares, las caras
interiores 30a y 32a y las caras exteriores 30b y 32b de los émbolos
30 y 32, respectivamente, pueden ser modificadas para controlar la
velocidad de compresión y descompresión de los intercambiadores 22 y
24 durante el funcionamiento del dispositivo 26. Así, a modo de
ejemplo, y como se ve en la realización de la Figura 6, la cara
interior 30a y la cara exterior 30b del émbolo 30 están modificadas
a fin de ser curvas en los bordes superior e inferior, o ser de
forma generalmente curva, oval o convexa.
Debería observarse que en la presente invención
no hay juntas selladoras externas a presión alta. La única junta
selladora externa es una junta selladora a presión baja asociada con
las piezas 36 y 37 de accionamiento. Sin embargo, si son necesarias
juntas selladoras, los émbolos 30 y 32 pueden ser sellados por
segmentos múltiples de émbolos, con tales segmentos de émbolos (no
mostrados) deslizando dentro del cilindro 28 donde las lumbreras 18
y 20 son descubiertas y cerradas alternativamente. Las lumbreras 18
y 20 están diseñadas tal que un segmento de émbolo puede deslizar
sobre ellas, y pueden incluir una pantalla perforada, material de
pantalla de pozo o cualquier mecanismo que reduzca el desgaste en
los segmentos pero siga proporcionando un trayecto apropiado de
flujo. La disposición de lumbreras puede incluir una disposición de
pantalla radial o pantalla de pared, con un espacio anular detrás de
tal pantalla conectado a los intercambiadores 22 y 24 de trabajo,
tal que las fuerzas no axiales son equilibradas durante toda la
carrera de los émbolos 30 y 32, incluyendo la compresión y la
descompresión de los intercambiadores 22 y 24 de trabajo.
El dispositivo puede ser fabricado con materiales
resistentes a la corrosión o con cualquier otro material que sea
apropiado, dado el funcionamiento y las funciones del dispositivo
como se describió antes. En ese aspecto, las superficies deslizantes
pueden ser tratadas con materiales duros para impedir la erosión de
la superficie del cilindro por fuga.
Como se mencionó antes, los émbolos 30 y 32
pueden ser accionados por cualesquier medios compatibles con el
funcionamiento y las funciones de la presente invención, incluyendo
dispositivos de ubicación lineales externos, accionamiento por
tornillo sin fin o un sistema neumático. Además, los émbolos 30 y 32
pueden ser accionados internamente por presión hidráulica o por un
accionamiento continuo de tornillo/engranaje. Como se mencionó
antes, los émbolos 30 y 32 pueden ser dimensionados de una manera
tal que un eje hueco puede conectar un lado a presión baja con el
otro, reduciendo de tal modo el número de salidas 14 y 16 a presión
baja (en la Figura 1) a una salida única 38 a presión baja (vista en
las Figuras 2A-2J). Además, para reducir el
deterioro por uso previsto en las superficies de las lumbreras 18 y
20 de intercambiadores de trabajo y en los segmentos de los émbolos
30 y 32, el dispositivo 26 puede incluir válvulas externas de
compresión y descompresión conectadas a las lumbreras 18 y
20.
20.
Para resumir, el dispositivo 26 de la presente
invención elimina disposiciones y conjuntos complejos de válvulas de
la técnica anterior (por ejemplo, eliminando hasta ocho válvulas de
2 vías, de apertura-cierre y sus problemas
asociados), sustituyendo tales conjuntos complejos de válvulas por
un dispositivo equilibrado único que es de mantenimiento fácil y no
tiene juntas selladoras externas a presión alta.
Aunque formas y disposiciones preferidas han sido
mostradas al ilustrar la invención, ha de comprenderse que diversos
cambios y modificaciones pueden ser efectuados sin apartarse del
alcance de esta
exposición.
exposición.
Claims (17)
1. Un sistema de intercambiadores de trabajo
(energía) que incluye:
un recipiente (22) a presión de primer
intercambiador de trabajo;
un recipiente (24) a presión de segundo
intercambiador de trabajo; y
medios (26) de válvula de carrete lineal
conectados a dicho recipiente (22) a presión de primer
intercambiador de trabajo y a dicho recipiente (24) a presión de
segundo intercambiador de trabajo;
caracterizado porque, en uso, dichos
medios (26) de válvula de carrete lineal dirigen fluido a presión
alta a dichos recipientes (22, 24) a presión de intercambiadores de
trabajo primero y segundo, y dirigen fluido a presión baja desde uno
de los recipientes (22, 24) a presión de intercambiadores de trabajo
primero y segundo, y al menos uno de dichos recipientes (22, 24) a
presión de intercambiadores de trabajo primero y segundo está a
presión alta y es capaz de permitir el flujo en todo momento.
2. Un sistema según la reivindicación 1, en el
que dichos medios (26) de válvula de carrete lineal incluye un
cilindro (28), émbolos primero y segundo (30, 32) dispuestos dentro
de dicho cilindro (28) y una barra (34) que interconecta dichos
émbolos primero y segundo (30, 32) y se extiende a lo largo de dicho
cilindro (28).
3. Un sistema según la reivindicación 2, en el
que dicho sistema incluye medios motores (36) conectados al menos a
uno de dichos émbolos primero y segundo (30, 32) para mover dichos
émbolos primero y segundo (30, 32).
4. Un sistema según la reivindicación 3, en el
que dichos medios motores (36) incluyen una pieza (36) de
accionamiento conectada a dicho primer émbolo (30).
5. Un sistema según la reivindicación 4, en el
que dichos medios motores (36) comprenden una pieza de accionamiento
adicional (37) conectada a dicho segundo émbolo (32).
6. Un sistema según una cualquiera de las
reivindicaciones 3 a 5, en el que dichos émbolos primero y segundo
(30, 32), cuando vistos desde un lado de ellos, tienen una forma que
es una de configuración sustancialmente circular, sustancialmente
oval y sustancialmente convexa.
7. Un sistema según una cualquiera de las
reivindicaciones 2 a 6, en el que dichos émbolos primero y segundo
(30, 32) incluyen bordes superiores e inferiores (30a', 30b', 32a',
32b') que son curvos.
8. Un sistema según cualquier reivindicación
precedente, en el que dichos medios (26) de válvula de carrete
lineal comprenden un cilindro (28), émbolos primero y segundo (30,
32) dispuestos dentro de dicho cilindro (28), una admisión (12) a
presión alta situada sustancialmente en un punto central a lo largo
de dicho cilindro (28) para suministrar fluido a presión alta a
dicho cilindro (28), y lumbreras primera y segunda (18, 20) situadas
entre los extremos respectivos de dicho cilindro (28) y dicha
admisión (12) a presión alta, con dicha primera lumbrera (18)
estando conectada a dicho recipiente (22) a presión de primer
intercambiador de trabajo y dicha segunda lumbrera (20) estando
conectada a dicho recipiente (24) a presión de segundo
intercambiador de trabajo.
9. Un sistema según la reivindicación 8, en el
que dicho primer émbolo (30) obtura dicha primera lumbrera (18) en
algún punto durante su movimiento, y en el que dicho segundo émbolo
(32) obtura dicha segunda lumbrera (20) en algún punto durante su
movimiento.
10. Un sistema según la reivindicación 9, en el
que dicho primer émbolo (30) no obtura dicha primera lumbrera (18)
al mismo tiempo que dicho segundo émbolo (32) obtura dicha segunda
lumbrera (20), y dicho segundo émbolo (32) no obtura dicha segunda
lumbrera (20) al mismo tiempo que dicho primer émbolo (30) obtura
dicha primera lumbrera (18).
11. Un sistema según la reivindicación 8, 9 o 10,
en el que dicho recipiente (22) a presión del primer intercambiador
de trabajo es descomprimido cuando dicho primer émbolo (30) está
situado entre dicha primera lumbrera (18) y dicha admisión (12) a
presión alta.
12. Un sistema según una cualquiera de las
reivindicaciones 8 a 11, en el que dicho recipiente (24) a presión
del segundo intercambiador de trabajo es descomprimido cuando dicho
segundo émbolo (32) está situado entre dicha segunda lumbrera (20) y
dicha admisión (12) a presión alta.
13. Un sistema según una cualquiera de las
reivindicaciones 8 a 12, en el que dicho cilindro (28) tiene un
primer extremo adyacente a dicha primera lumbrera (18) y un segundo
extremo adyacente a dicha segunda lumbrera (20), y dicho recipiente
(22) a presión del primer intercambiador de trabajo es comprimido
cuando dicho primer émbolo (30) está situado entre dicho primer
extremo de dicho cilindro (28) y dicha primera lumbrera (18).
14. Un sistema según la reivindicación 13,
incluyendo una salida (14) a presión baja situada en dicho primer
extremo de dicho cilindro (28).
15. Un sistema según una cualquiera de las
reivindicaciones 8 a 12, en el que dicho cilindro (28) tiene un
primer extremo adyacente a dicha primera lumbrera (18) y un segundo
extremo adyacente a dicha segunda lumbrera (20), y en el que dicho
recipiente (24) a presión del segundo intercambiador de trabajo es
comprimido cuando dicho segundo émbolo (32) está situado entre dicho
segundo extremo de dicho cilindro (28) y dicha segunda lumbrera
(20).
16. Un sistema según la reivindicación 15,
incluyendo una salida (16) a presión baja situada en dicho segundo
extremo de dicho cilindro (28).
17. Un sistema según la reivindicación 15 o 16,
en el que dichos medios (26) de válvula de carrete lineal incluyen
al menos una salida (14, 16) a presión baja.
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