ES2247346T3 - Sistema para aislar termicamente cuerpos tubulares. - Google Patents

Abstract

Un sistema de aislamiento térmico para cuerpos tubulares, comprendiendo por lo menos dos paneles sometidos al vacío (4, 4¿), cada uno de los cuales está formado esencialmente por una envolvente sometida al vacío hecha con chapas barrera, dentro de la cual existe un material inorgánico o polimérico de relleno, discontinuo o poroso, y está enrollada sobre si misma hasta el punto que quedan contiguos sus dos bordes opuestos (5, 5¿) que son paralelos al eje de enrollamiento, mientras los otros dos bordes que son perpendiculares al eje de enrollamiento forman los bordes extremos (6, 6¿) del panel enrollado sometido al vacío, estando dichos paneles enrollados sometidos al vacío (4, 4¿) dispuestos coaxialmente con los bordes opuestos (5) de un panel sometido al vacío (4) colocado al tresbolillo con respecto a los bordes opuestos (5¿) de otro panel sometido al vacío (4¿), caracterizado por el hecho de que por lo menos uno de dichos paneles sometidos al vacío (4, 4¿) comprende un material de rellenopolimérico y por lo menos otro panel sometido al vacío (4, 4¿) utiliza como material de relleno un polvo de un material inerte que tiene un tamaño medio de partículas inferior a 100 nanómetros.

Description

Sistema para aislar térmicamente cuerpos tubulares.

El presente invento hace referencia a un sistema para aislar térmicamente cuerpos tubulares, como por ejemplo tubos para el transporte de fluidos fríos o calientes, véase, por ejemplo la patente US-A-6.110.310.

Se conocen muchos tipos de sistemas aislantes térmicamente. En particular, se sabe que, a fin de formar el recubrimiento de un cuerpo de cualquier forma es posible proporcionar a dicho cuerpo una doble pared exterior, pudiéndose colocar en el espacio intermedio así formado un material que tenga una baja conductividad térmica, como una lana mineral, lana de vidrio o poliuretano.

Sin embargo, las propiedades aislantes de dichos materiales no son muy altas, y en ciertos casos es necesario utilizar un gran espesor de los mismos para mantener constante la temperatura interna del cuerpo. Este es por ejemplo el caso de tubos submarinos destinados al transporte de petróleo en bruto, que generalmente están formadas por dos tubos coaxiales de acero inoxidable en los cuales el petróleo pasa por en tubo interno, mientras que el tubo exterior actúa como una protección. A fin de permitir el transporte a larga distancia del petróleo, mientras se evita un aumento de la viscosidad, hay que mantenerlo a la temperatura de extracción comprendida entre 60 y 90ºC, por cuyo motivo debe insertarse una gran cantidad de material aislante entre los dos tubos. Esto requiere el empleo de un tubo exterior de gran tamaño, y por tanto el volumen general y el peso del conducto se incrementa notablemente, dado que la cantidad de acero necesario para el tubo exterior aumenta rápidamente en función del diámetro del mismo. También los costes de producción del conducto aumentan de manera proporcional.

Alternativamente, puede aplicarse el vacío en el espacio intermedio existente entre los tubos coaxiales a fin de aprovechar la baja conductividad térmica del vacío con objeto de conseguir el aislamiento del tubo. No obstante, en este caso la construcción del tubo resulta más compleja, y es necesario que se coloque en el mismo espacio intermedio un material rarefactor capaz de absorber los gases que, con el paso del tiempo, puedan desprenderse de los tubos formados de acero.

Asimismo existen paneles al vacío, ya conocidos, formados por una envoltura dentro de la cual hay un material de relleno sometido al vacío. La envoltura sirve para evitar (o reducir al máximo grado) la entrada de gases atmosféricos dentro del panel, a fin de mantener un nivel de vacío que sea compatible con el grado de aislamiento requerido por la aplicación. A tal objeto, la envoltura se hace con las denominadas chapas "barrera", caracterizadas por tener una permeabilidad gaseosa reducida al más alto valor, que pueden estar formadas por un solo componente, pero más generalmente consisten de múltiples capas de diferentes componentes. En el caso de múltiples capas, el efecto "barrera" viene dado por una de las capas del componente, mientras que las otras capas tienen generalmente la función de soportar y proteger mecánicamente la capa barrera. Por el contrario, el material de relleno tiene la función principal de mantener separadas las caras opuestas de la envoltura cuando se aplica el vacío al panel, y deben tener una estructura interna porosa o irregular a fin de que las porosidades o espacios de la misma puedan ser evacuadas para realizar la función aislante. Dicho material puede ser inorgánico, tal como por ejemplo polvo de sílice, fibras de vidrio, aerogeles, tierra de diatomeas, etc.; o poliméricos, tales como espumas rígidas de poliuretano o de poliestireno, tanto en forma de tableros o de polvos.

Gracias a su muy baja conductividad térmica, son adecuados muy delgados paneles al vacío para llevar a cabo un eficaz aislamiento de las tuberías de petróleo. Por consiguiente, es posible reducir las dimensiones internas del espacio intermedio existente en tales conductos, para resolver así los antes citados problemas.

Por ejemplo, la publicación PCT Núm. WO-01/
38779 describe un panel aislante al vacío que tiene forma tubular y sirve para ser colocado alrededor de un conducto submarino para el transporte de petróleo.

Sin embargo, un primer inconveniente de tales paneles es la fragilidad de su envoltura, que puede romperse fácilmente y por tanto permitir el paso de gases dentro del panel. Obviamente, dicho paso pone en peligro las propiedades aislantes del panel y, en el caso de tuberías submarinas, ocasiona un daño irreparable dado que no puede llevarse a cabo la sustitución del panel dañado.

Otro inconveniente de los paneles al vacío reside en el hecho de que no proporcionan un adecuado aislamiento a los cuerpos tubulares. Desde el punto de vista práctico tienen generalmente una forma plana y por consiguiente hay que doblarlos para hacer coincidir dos bordes opuestos, a fin de darles la forma tubular necesaria para el espacio intermedio de conductos de petróleo.

No obstante, un panel al vacío curvado de esta manera no permite aislar perfectamente el tubo interior del conducto, y en particular la zona correspondiente a los bordes contiguos puede resultar deficientemente aislada. En dicha zona en particular puede producirse un enfriamiento del tubo interno y, por tanto, hacer que se enfríe el petróleo que circula por el tubo interior, con el consiguiente espesamiento y la obstrucción parcial en el tubo.

Por consiguiente, el objeto del presente invento es proporcionar un sistema aislante para cuerpos tubulares, que esté libre de tales inconvenientes. Dicho objeto se consigue mediante un sistema aislante cuyas principales características vienen especificadas en la primera reivindicación, y otras características se especifican en las reivindicaciones consecutivas.

El sistema aislante de acuerdo con el presente invento puede construirse fácilmente, y comprende por lo menos dos delgados paneles sometidos al vacío que están superpuestos entre sí y colocados de manera que aíslan perfectamente un cuerpo tubular, con por lo menos uno de los paneles sometidos al vacío del sistema aislante comprendiendo como material de relleno un material polimérico, mientras que por lo menos otro panel utiliza como material de relleno un polvo de un material inerte que tiene un tamaño medio de partículas inferior a 100 nanómetros (nm) y que está comprendido preferiblemente entre 2 y 20 nm, aproximadamente. Gracias al acoplamiento de dos materiales de relleno que tienen diferentes características, el sistema de aislamiento de acuerdo con dicha forma de realización del invento resulta particularmente apropiado para aislar un cuerpo tubular que tenga una temperatura muy distinta de la que existe en el entorno circundante, por ejemplo un tubo de petróleo en que el petróleo pasa a la temperatura de extracción y que se sumerge en agua a una profundidad del mar.

Los paneles que comprenden dichos polvos inertes resisten actualmente las altas temperaturas mejor que aquellos que comprenden materiales de relleno poliméricos y por tanto pueden colocarse como protección de estos últimos, cuyas características aislantes podrían cambiar de manera impredecible si se exponen largo tiempo a altas temperaturas, con un marcado fenómeno de envejecimiento.

Además, los paneles basados en polvos inertes experimentan menos cambios en las características de aislamiento térmico en caso de fisuras. De hecho, la conductividad térmica de paneles que comprenden polvos inertes tan solo cambia ligeramente después de la entrada de aire, quedando pues por debajo de aproximadamente 8 mW/n\cdotK para presiones internas de algunas decenas de mbars, y alcanzando un valor máximo de entorno a 20 mW/m\cdotK caso de que presión interna alcance 1 bar. Por el contrario, en paneles basados en espumas poliméricas la conductividad térmica alcanza rápidamente desde unos 10 mW/m\cdotK cuando la presión interna es de aproximadamente 1 mbar, hasta unos 35 mW/m\cdotK a la presión atmosférica. Por este motivo, mientras para los primeros paneles es necesario emplear envolventes que contienen láminas de aluminio, para los segundos pueden utilizarse envolturas más resistentes de plásticos de múltiples capas.

Otras ventajas y características del sistema aislante de acuerdo con el presente invento resultarán evidentes, para los entendidos en la materia, después de la lectura de la siguiente descripción detallada de una forma de realización del mismo hecha con referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:

La figura 1 muestra una vista en sección transversal de un conducto de doble pared, en cuyo espacio intermedio hay insertado el sistema de aislamiento de acuerdo con dicha forma de realización del invento; y

La figura 2 muestra una vista en sección longitudinal del conducto de la figura 1.

Haciendo referencia a la figura 1, en la misma se muestra un tubo en el que hay instalado un sistema aislante de acuerdo con el presente invento, estando formado de manera ya conocida por un tubo interior 1 y un tubo exterior 2, siendo coaxial con el tubo interior 1 y teniendo un diámetro tal que entre dichos tubos existe un espacio intermedio 3. Por le interior del tubo 1 se deja pasar el fluido a aislar, por ejemplo petróleo. Los tubos 1 y 2 pueden estar hechos de cualquier material apropiado, por ejemplo acero inoxidable en el caso de tubos submarinos para el transporte de petróleo.

En el espacio intermedio 3 se colocan dos paneles sometidos al vacío 4 y 4', cada uno de los cuales está enrollado para que queden contiguos sus dos bordes opuestos 5 y 5' que son paralelos al eje de enrollamiento. Así pues, los otros dos bordes, que son perpendiculares respecto al eje de enrollamiento, forman los bordes extremos 6 y 6' de los paneles enrollados 4 y 4'. De esta manera, los paneles sometidos al vacío 4 y 4' adoptan una disposición tubular y se adaptan a la forma tubular del espacio intermedio. Dado el caso, dichos bordes opuestos 5 y 5' puede estar sellados mutuamente por algún medio conocido, por ejemplo mediante soldadura en caliente.

Los dos paneles 4 y 4' enrollados de este modo se insertan recíprocamente, de tal manera que los bordes 5 del panel 4 queden al tresbolillo con respecto a los bordes 5' del panel 4', y que preferiblemente estén dispuestos en una posición diametralmente opuesta con respecto a los dictados bordes 5'.

Según una forma de realización preferida del presente invento, también los bordes extremos 6 del panel enrollado 4 están dispuestos al tresbolillo con respecto a los bordes extremos 6' del panel enrollado 4', tal como puede verse en la figura 2.

Esta disposición al tresbolillo permite obtener un aislamiento térmico sustancialmente más regular, dado que se evita el paso de calor entre el entorno exterior y el cuerpo a aislar, que podría producirse a través de la zona peor aislada de los bordes de un panel, gracias a la presencia del otro panel. Además, si uno de los dos paneles sufre roturas durante o después de la construcción del tubo, se garantiza la calidad de retención del calor por la presencia del otro panel.

El sistema aislante también puede comprender más de dos paneles, por ejemplo tres o cuatro. Dichos paneles pueden comprender una envoltura convencional, por ejemplo del tipo de múltiples capas, y un material de relleno inorgánico o polimérico, discontinuo o poroso.

De acuerdo con el invento, los paneles sometidos al vació son de dos tipos: comprendiendo por lo menos un panel un material de relleno polimérico, por ejemplo poliuretánico, mientras que por lo menos otro panel utiliza como material de relleno un polvo inerte que tiene un tamaño medio de partículas inferior a 100 nm, y preferiblemente comprendido entre unos 2 y 20 nm. Preferentemente dicho polvo es sílice. Puede obtenerse una sílice que tiene las características dimensionales deseadas por medio de precipitación de soluciones alcalinas de silicatos; esta clase de sílice es producida y vendida, por ejemplo, por la empresa inglesa Microtherm International Ltd, bajo las denominaciones Microtherm G, Microtherm Super G o Waterproof Microtherm Super G. Alternativamente, es posible utilizar sílice pirogénica, una forma de sílice obtenida quemando, en una cámara especial, SiCl_{4} con oxigeno, según la reacción:

SiCl_{4} + O_{2} \rightarrow SiO_{2} + 2Cl_{2}

La sílice producida en esta reacción es en forma de partículas que tienen dimensiones comprendidas entre unos pocos nanómetros y algunas decenas de nanómetros, que posiblemente pueden unirse para formar partículas que tengan mayores dimensiones. Por ejemplo, hay una sílice pirogénica producida y vendida por la compañía estadounidense CABOT Corp. bajo la denominación Nanogel® o por la empresa alemana Wacker GmbH.

Es posible mezclar la sílice con fibras minerales, por ejemplo fibras de vidrio, de manera que puede ser fácilmente consolidada para preparar bloques con un espesor de incluso pocos milímetros, de forma que dichos bloques pueden ser envueltos, sometidos al vacío y luego enrollados con relativa facilidad.

Dado que dichos materiales inertes suelen resistir bien altas temperaturas, los paneles que los contienen están dispuestos en contacto con aquel, del entorno circundante y cuerpo a aislar, que tiene la más alta temperatura. Por consiguiente, en el caso de conductos para el transporte de petróleo, dichos paneles se colocan ventajosamente en contacto directo con el tubo interior 1 a fin de proteger el panel que comprende el material de relleno polimérico contra posibles daños debido a una exposición prolongada a las altas temperaturas del petróleo en bruto que circula por el tubo interior 1. En el caso de la figura 1, el panel 4 comprende preferentemente un material de relleno inerte, mientras el panel 4' se basa en un material de relleno polimérico.

Si bien el presente invento se refiere al aislamiento de un conducto para el transporte de petróleo, el sistema aislante de acuerdo con el presente invento puede utilizarse para aislar cualquier otro cuerpo que tenga forma tubular, por ejemplo una caldera o un tubo para transporta fluido criogénico tal como nitrógeno u oxígeno líquido.

Claims (7)

1. Un sistema de aislamiento térmico para cuerpos tubulares, comprendiendo por lo menos dos paneles sometidos al vacío (4, 4'), cada uno de los cuales está formado esencialmente por una envolvente sometida al vacío hecha con chapas barrera, dentro de la cual existe un material inorgánico o polimérico de relleno, discontinuo o poroso, y está enrollada sobre si misma hasta el punto que quedan contiguos sus dos bordes opuestos (5, 5') que son paralelos al eje de enrollamiento, mientras los otros dos bordes que son perpendiculares al eje de enrollamiento forman los bordes extremos (6, 6') del panel enrollado sometido al vacío, estando dichos paneles enrollados sometidos al vacío (4, 4') dispuestos coaxialmente con los bordes opuestos (5) de un panel sometido al vacío (4) colocado al tresbolillo con respecto a los bordes opuestos (5') de otro panel sometido al vacío (4'), caracterizado por el hecho de que por lo menos uno de dichos paneles sometidos al vacío (4, 4') comprende un material de relleno polimérico y por lo menos otro panel sometido al vacío (4, 4') utiliza como material de relleno un polvo de un material inerte que tiene un tamaño medio de partículas inferior a 100 nanómetros.

2. El sistema de aislamiento térmico de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que dicho material polimérico de relleno es poliuretano.

3. El sistema de aislamiento térmico de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el citado polvo de material inerte tiene tamaño medio de partículas comprendido entre 2 y 20 nanómetros, aproximadamente.

4. El sistema de aislamiento térmico de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado por el hecho de que el polvo de material inerte está mezclado con fibras minerales.

5. El sistema de aislamiento térmico de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado por el hecho de que dichas fibras de material son fibras de vidrio.

6. El sistema de aislamiento térmico de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado por el hecho de que el material inerte es sílice.

7. El sistema de aislamiento térmico de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado por el hecho de que la sílice es sílice pirogénica.