ES2287732T3 - Valvula de resorte de tres vias para itercambiador de trabajo. - Google Patents

Abstract

Una válvula (10) de resorte de tres vías y dos posiciones que comprende un alojamiento (12) con una primera lumbrera (20), una segunda lumbrera (16), una tercera lumbrera de trabajo (18) y una cámara (14) de válvula generalmente cilíndrica con un eje, cuya cámara (14) de válvula está definida entre un primer asiento anular coaxial (26) de válvula asociado con dicha primera lumbrera (20), y un segundo asiento anular coaxial (28) de válvula asociado con dicha segunda lumbrera (16), estando dicha lumbrera de trabajo (18) conectada lateralmente a dicha cámara (14) de válvula, cuya válvula (10) de resorte comprende además un cuerpo (36) de resorte dispuesto en dicha cámara (14) de válvula y destinado a la realización de un movimiento de vaivén entre dos posiciones, de tal manera que, en una primera posición, el cuerpo (36) de resorte cierra herméticamente dicho primer asiento (26) de válvula y se provee una comunicación para paso de fluido entre dicha segunda lumbrera (16) y dicha lumbrera de trabajo (18), y en una segunda posición, el cuerpo (38) de resorte cierra herméticamente dicho segundo asiento (28) de válvula y se provee una comunicación para paso de fluido entre dicha primera lumbrera (20) y dicha lumbrera de trabajo (18); en la que dicho alojamiento (12) tiene un primer conducto cilíndrico coaxial (24) adyacente a dicho primer asiento (26) de válvula y un segundo conducto cilíndrico coaxial (30) adyacente a dicho segundo asiento (28) de válvula, cuyo cuerpo (36) de resorte tiene una primera parte cilíndrica coaxial (46) que ajusta deslizable y herméticamente con dicho primer conducto (24) de paso, y una segunda parte cilíndrica coaxial (48) que ajusta deslizable y herméticamente con dicho segundo conducto (30) de paso, de tal manera que dicho cuerpo (36) de resorte está soportado siempre al menos en uno de los conductos cilíndricos (24, 30) de paso y se impide siempre la comunicación para paso de fluido entre dicha primera lumbrera (20) y dicha segunda lumbrera (16).

Description

Válvula de resorte de tres vías para intercambiador de trabajo.

Campo de aplicación del invento

Este invento se refiere a válvulas de resorte de tres vías, más particularmente a válvulas diseñadas en especial para uso en sistemas intercambiadores de trabajo.

Antecedentes del invento

Un intercambiador de trabajo es un dispositivo que obtiene energía de una corriente de fluido y transfiere esta energía a otra corriente. Se puede describir también como una bomba impulsada por caudal de fluido, la mayoría de las veces del tipo de pistón contrapuesto/diafragama. Los intercambiadores de trabajo son vitales para la recuperación de energía en los procesos de ósmosis inversa tales como la desalinización, porque de por sí la separación por ósmosis inversa (en adelante RO) es un proceso que consume energía que resulta económicamente factible si sólo una parte sustancial de la energía contenida en las corrientes de rechazo o/y penetración se devuelve al proceso.

Un sistema intercambiador de trabajo comprende típicamente una (o más) vasijas cilíndricas de presión con una lumbrera de salmuera en un extremo, una lumbrera de agua de alimentación en el otro extremo, y un émbolo que se desliza libremente entre las lumbreras. Un sistema de válvulas conecta y desconecta estas lumbreras a una tubería de salmuera de alta presión procedente de los módulos de RO, una tubería de descarga de salmuera, una tubería de agua de alimentación a baja presión, y una tubería de agua de alimentación de alta presión que va a los módulos de RO. Cada cilindro de presión realiza un ciclo de dos tiempos mediante el que la energía de la salmuera de alta presión se transfiere a la corriente de agua de alimentación. La salmuera resultante a baja presión se descarga.

En el primer tiempo, la lumbrera de salmuera está conectada a la tubería de descarga de salmuera, mientras que la lumbrera de agua de alimentación está conectada a la tubería de agua de alimentación de baja presión. La vasija se llena con agua de alimentación a baja presión que desplaza al émbolo hacia la lumbrera de salmuera, y la salmuera se descarga a través de la tubería de descarga no presurizada.

En el segundo tiempo, la lumbrera de salmuera está conectada a la tubería de salmuera de alta presión, mientras que la lumbrera de agua de alimentación está conectada a la tubería de agua de alimentación de alta presión. La vasija se llena con salmuera de alta presión que desplaza al émbolo de retorno a la lumbrera de alimentación con el fin de presionar agua de alimentación al interior de la tubería de agua de alimentación de alta presión.

El funcionamiento del intercambiador de trabajo requiere una temporización especial, una sincronización fiable y el cierre hermético de las válvulas, con el fin de realizar eficazmente el ciclo de dos tiempos anteriormente descrito.

Una comunicación sobre trabajo experimental titulada "Un intercambiador de trabajo de flujo para procesos de desalinización", publicada por la universidad del estado de Kansas, Manhattan, en agosto de 1968, describe la utilización de una válvula hidráulica Hunt de doble émbolo accionada por piloto con un intercambiador de trabajo. Esta válvula tiene un alojamiento con dos orificios taladrados cilíndricos paralelos y cuatro lumbreras laterales que se abren a los orificios taladrados. Dos émbolos paralelos rígidamente unidos son desplazables en los orificios taladrados, proporcionando comunicación entre las lumbreras a través de unos canales y cavidades formados especialmente en los cuerpos de los émbolos. Los émbolos se encuentran siempre en equilibrio hidrostático.

La patente de EE.UU. Nº 5.306.428 expedida a Tonner describe una válvula rotativa que se usa para dirigir salmuera a/desde diferentes lumbreras de intercambiador de trabajo. La corriente de agua de alimentación se regula mediante dos válvulas de retención instaladas en cada lumbrera de agua de alimentación. La válvula rotativa de Tonner no está equilibrada hidráulicamente, lo cual causa un desgaste excesivo en las superficies de cierre hermético debido a las cargas laterales ejercidas sobre el conjunto rotativo central. Existen también problemas de fugas internas y externas entre las lumbreras de admisión y descarga de alta presión y las lumbreras de drenaje de baja presión. Esto, a su vez, reduce el rendimiento de la válvula de Tonner e impone unos límites de tamaño sobre cualquiera de dichos dispositivos que pueda fabricarse en la práctica.

La patente de EE.UU. Nº 5.797.429 expedida a Shumway sugiere el uso de una válvula lineal de carrete de cinco vías o de cuatro vías en un sistema intercambiador de trabajo. La válvula de Shumway comprende dos pistones conectados por un vástago (carrete) situado dentro de un cilindro. El cilindro tiene cinco lumbreras: una de admisión de salmuera de alta presión, una lumbrera de primera vasija de intercambiador de calor, una lumbrera de segunda vasija de intercambiador de calor, y dos salidas de descarga de salmuera de baja presión que podrían estar conectadas. Mediante el desplazamiento del carrete hacia atrás y hacia delante en el interior del cilindro, las lumbreras de intercambiador de calor se abren y cierran alternativamente, y esta operación dirige flujo en la secuencia apropiada a la lumbrera adecuada. La corriente de agua de alimentación en el sistema intercambiador de Shumway se regula mediante dos válvulas de retención instaladas en la lumbrera de agua de alimentación de cada vasija de intercambiador.

La válvula lineal de carrete de Shumway está equilibrada hidráulicamente en dirección axial. Como consecuencia, la fuerza requerida para desplazar el carrete lineal es solamente la fuerza necesaria para vencer la fricción de las superficies de cierre hermético asociadas con los pistones, lo cual permite que el dispositivo de impulsión de la válvula sea de baja potencia. Sin embargo, la válvula de Shumway plantea también problemas de fugas. Los intentos de reducir las fugas ajustando más apretadamente los pistones al cilindro conducen a un desgaste excesivo que parece ser un problema inherente en cada dispositivo de válvula de carrete, porque el cierre hermético en las válvulas de carrete no se provee mediante un desplazamiento positivo. Este problema se agrava aún más en los intercambiadores de trabajo de gran
capacidad y potencia que se emplean en las instalaciones modernas de desalinización que usan tecnología de RO.

Las válvulas de resorte tiene un diseño relativamente sencillo y proporcionan un cierre hermético muy fiable obtenido por desplazamiento positivo. Una típica válvula de resorte de tres vías comprende una cámara de válvula con una lumbrera central y dos asientos coaxiales de válvula que conducen a dos lumbreras de extremo, y un cuerpo de resorte dispuesto en la cámara de válvula. El cuerpo de resorte está destinado a desarrollar un movimiento de vaivén entre dos posiciones de tal manera que, en una primera posición, cierra herméticamente el primer asiento de válvula y se provee comunicación para paso de fluido entre una lumbrera de extremo y la lumbrera central, y en una segunda posición el cuerpo de resorte cierra herméticamente el segundo asiento de válvula y se provee comunicación para paso de fluido entre la otra lumbrera de extremo y la lumbrera central. Sin embargo, durante el recorrido entre los dos asientos de válvula, el cuerpo de resorte permite comunicación para paso de fluido entre las tres lumbreras. La válvula de resorte se cierra también y se abre bruscamente, lo cual puede causar un golpe de ariete hidráulico, y no está equilibrada hidráulicamente.

Sumario del invento

De acuerdo con el presente invento, se provee una válvula de resorte de tres vías y dos posiciones que comprende un alojamiento con una primera lumbrera, una segunda lumbrera, una tercera lumbrera de trabajo y una cámara de válvula generalmente cilíndrica con un eje. La cámara de válvula está definida entre un primer asiento coaxial anular de válvula asociado con la primera lumbrera, y un segundo asiento coaxial anular de válvula asociado con la segunda lumbrera. La lumbrera de trabajo está conectada lateralmente a la cámara de válvula. La válvula de resorte comprende además un cuerpo de resorte dispuesto en la cámara de válvula y destinado a realizar un movimiento de vaivén entre dos posiciones de tal manera que, en una primera posición, el cuerpo de resorte cierra herméticamente el primer asiento de válvula y establece comunicación para paso de fluido entre la segunda lumbrera y la lumbrera de trabajo, y en una segunda posición el cuerpo de resorte cierra herméticamente el segundo asiento de válvula y establece comunicación para paso de fluido entre la primera lumbrera y la lumbrera de trabajo.

La válvula se caracteriza porque el alojamiento tiene un primer conducto cilíndrico coaxial de paso junto al primer asiento de válvula y un segundo conducto cilíndrico coaxial de paso junto al segundo asiento de válvula, mientras que el cuerpo de resorte tiene una primera parte cilíndrica coaxial que ajuste deslizable y herméticamente en el primer conducto de paso, y una segunda parte cilíndrica coaxial que ajusta deslizable y herméticamente en el segundo conducto de paso, de tal manera que el cuerpo de resorte está siempre soportado al menos en uno de los conductos cilíndricos de paso y se impide siempre la comunicación para paso de fluido entre las lumbreras primera y segunda. Preferiblemente, los conductos cilíndricos de paso y las partes cilíndricas del cuerpo de resorte tienen el mismo diámetro D.

En una realización de la válvula de tres vías, el primer asiento de válvula está en un extremo distal del primer conducto cilíndrico de paso junto a la primera lumbrera, y un extremo distal de la primera parte cilíndrica del resorte está dotado de un primer reborde de cierre hermético conjugado con el primer asiento de válvula. Preferiblemente, el primer conducto cilíndrico de paso tiene una parte proximal que se abocina hacia el cuerpo de resorte de tal manera que la primera parte cilíndrica del cuerpo de resorte cambiaría suavemente la circulación a través de la primera lumbrera y la presión en la cámara de válvula cuando entre o salga del primer conducto cilíndrico de paso.

El segundo asiento de válvula está en un extremo proximal del segundo conducto cilíndrico de paso, junto a la cámara de válvula, y un extremo proximal de la segunda parte cilíndrica del resorte está dotado de un segundo reborde de cierre hermético conjugado con el segundo asiento de válvula. Preferiblemente, dicho cuerpo de resorte comprende además una parte perfilada adyacente al extremo distal de la segunda parte cilíndrica, de tal manera que la parte perfilada cambiaría suavemente la circulación a través de la segunda lumbrera y la presión en la cámara de válvula cuando entre o salga del segundo conducto cilíndrico de paso.

La parte perfilada tiene una forma destinada a cambiar el área de la sección de flujo del segundo asiento de válvula como una función predeterminada de tiempo para una velocidad dada del movimiento axial del cuerpo de resorte. Preferiblemente, la parte perfilada comprende un escalón cilíndrico recto poco profundo junto al extremo distal de la segunda parte cilíndrica, cuyo escalón cilíndrico tiene una profundidad radial y una longitud axial tales que, después que la segunda parte cilíndrica abandona el conducto cilíndrico de paso, las presiones en la segunda lumbrera y en la lumbrera de trabajo se igualan en un tiempo finito predeterminado para una velocidad dada del movimiento axial del cuerpo de resorte.

En otra realización de la válvula de resorte de tres vías, la segunda lumbrera está dispuesta lateralmente al eje y el alojamiento comprende además una cámara cilíndrica coaxial auxiliar de diámetro D que comunica en un extremo proximal de la misma con la segunda lumbrera y el segundo conducto cilíndrico de paso, y cerrada en un extremo distal de la misma por una tapa. Un pistón auxiliar está fijado para deslizarse en la cámara auxiliar y está firmemente unido al cuerpo de resorte por un vástago axial. El pistón auxiliar, el vástago axial y el cuerpo de resorte forman un conjunto de resorte que está equilibrado axialmente con respecto a la presión del flujo en la segunda lumbrera.

El pistón auxiliar ajusta con cierre hermético en la cámara cilíndrica auxiliar, definiendo de ese modo un volumen herméticamente cerrado entre la tapa y el pistón auxiliar. Preferiblemente, el volumen herméticamente cerrado está provisto de comunicación para paso de fluido a la primera lumbrera, de tal manera que se igualan las presiones que actúan sobre el conjunto de resorte desde el volumen herméticamente cerrado y desde la primera lumbrera. La comunicación para paso de fluido podría proveerse mediante una tubería externa que conecte el volumen herméticamente cerrado a la primera lumbrera o mediante un canal practicado en el vástago.

De acuerdo con otro aspecto del presente invento, se ha provisto un módulo de intercambiador de trabajo destinado a utilizar la energía de un fluido de trabajo de alta presión para bombear fluido de alimentación, que comprende un cilindro intercambiador con un primer extremo de fluido de trabajo y un segundo extremo de fluido de trabajo, y un pistón que se desliza libremente entre los mismos. Una primera válvula de resorte de tres vías según se ha descrito anteriormente está conectada por su lumbrera de trabajo al primer extremo del cilindro intercambiador, por su segunda lumbrera a una fuente de fluido de trabajo de alta presión, y por su primera lumbrera a una salida de descarga no presurizada. Una segunda válvula de resorte de tres vías está conectada por su lumbrera de trabajo al segundo extremo, por su primera lumbrera a una fuente de alimentación de fluido a baja presión, y por su segunda lumbrera a un punto de consumo de fluido de alimentación de alta presión.

De acuerdo con todavía otro aspecto del presente invento, las dos válvulas de resorte del módulo de intercambiador de trabajo antes mencionado están dotadas de un primero y un segundo cilindro hidráulico, cada uno de los cuales tiene una lumbrera de "compresión" y una lumbrera de "tracción", de tal manera que al conectar la lumbrera de "compresión" a una fuente de presión se accionaría la correspondiente válvula de resorte a la primera posición de la misma y viceversa, en la que la lumbrera de "compresión" del primer cilindro hidráulico está conectada directamente a la lumbrera de "tracción" del segundo cilindro hidráulico. De este modo, los movimientos de vaivén de las dos válvulas de resorte están plenamente sincronizados.

Preferiblemente, para dicho movimiento sincronizado, la parte que se abocina del primer conducto cilíndrico de paso en la primera válvula de resorte de tres vías es axialmente más larga que la correspondiente parte que se abocina en la segunda válvula de resorte de tres vías, de tal manera que, cuando los dos cuerpos de válvula se desplazan hacia la apertura de la primera lumbrera en ambas válvulas de tres vías, la primera lumbrera de la primera válvula se conecta al cilindro intercambiador antes de la primera lumbrera de la segunda válvula.

La válvula de resorte del presente invento proporciona ventajas combinadas de las válvulas de resorte y de carrete: cierre hermético fiable de las lumbreras, evitar la mezcla de flujos y fugas, cierre y apertura controlados de los conductos de paso de fluido y prevención del golpe de ariete hidráulico, un conjunto de resorte equilibrado axialmente que permite accionamientos a baja potencia, menor uso de materiales caros, construcción robusta y bajos costes de producción.

La válvula de resorte de tres vías del presente invento se usa ventajosamente en instalaciones de recuperación de energía de gran capacidad que funcionen por ósmosis inversa Permite la construcción de grandes unidades de intercambiador de trabajo en las que un número de cilindros de intercambiador están conectados en paralelo a una válvula de resorte. El funcionamiento en fases contrapuestas de dos intercambiadores de trabajo, que es necesario en dicha instalación de recuperación de energía, se puede sincronizar eficazmente mediante el diseño del perfil de los resortes de tal manera que, mientras una válvula abre la lumbrera de salmuera de alta presión y la otra válvula cierra su lumbrera de salmuera de alta presión, el área total de sección del flujo de salmuera de alta presión se mantiene constante.

La válvula de resorte de tres vías del presente invento, con el accionamiento hidráulico, se puede usar ventajosamente también en el extremo del agua de alimentación de los intercambiadores de trabajo, en lugar de dos válvulas de retención. De este modo, sin la presencia de muelles u otros miembros elásticos usados en el movimiento de la válvula, se evita el cierre/apertura arbitrarios o la "duda" de las válvulas, así como el ruido y el "golpe de ariete hidráulico".

Breve descripción de los dibujos

Con el fin de comprender el invento y de ver cómo se puede llevar a la práctica, a continuación se describe una realización preferida solamente a título de ejemplo sin carácter limitativo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La Figura 1 es una vista esquemática en alzado y en corte transversal de una válvula equilibrada de resorte de tres vías del presente invento, en una primera posición extrema del resorte.

La Figura 2 es una vista esquemática en alzado y en corte transversal de la válvula equilibrada de resorte de tres vías de la Figura 1 en una segunda posición extrema del resorte.

La Figura 3 es una vista esquemática en alzado y en corte transversal de un módulo de intercambiador de trabajo dotado de tres válvulas de resorte de tres vías del presente invento.

La Figura 4 es un esquema de una instalación de desalinización por ósmosis inversa con instalación de recuperación de energía que comprende el intercambiador de trabajo de la Figura 3.

Las Figuras 5A y 5B muestran realizaciones alternativas de la válvula de resorte de tres vías del presente invento.

Descripción detallada del invento

Con referencia a las Figuras 1 y 2, se muestra una válvula 10 de tres vías y dos posiciones, que comprende un alojamiento 12 con una cámara 14 de válvula generalmente cilíndrica, una primera lumbrera 20 (de descarga), una segunda lumbrera 16 (de admisión), una tercera lumbrera 18 (de trabajo) y un conjunto 22 de resorte. La cámara 14 de válvula tiene un conducto cilíndrico coaxial 24 de paso de un diámetro D hacia la lumbrera 16 de descarga. La prolongación 24 comprende un primer asiento 26 de válvula de diámetro D dispuesto en el extremo distal de la misma, en comunicación con la lumbrera axial 20 de descarga y una parte anular abocinada 27 en el extremo proximal. Un segundo asiento anular 28 de válvula se encuentra en el lado opuesto de la cámara 14 de válvula, comunicando con la lumbrera de admisión 16. La lumbrera de trabajo 18, que está dispuesta lateralmente entre los asientos de válvula 26 y 28, se comunica directamente con la cámara 14 de válvula. Un conducto cilíndrico coaxial 30 de paso de diámetro D se ha provisto entre el asiento 28 de válvula y la lumbrera de admisión 16. El alojamiento 12 tiene además una cámara cilíndrica coaxial 32 de diámetro D adyacente a - y que comunica con - la lumbrera de admisión 16, cuya cámara auxiliar está cerrada por una tapa 34. Debe hacerse notar que la primera lumbrera 20 y la segunda lumbrera 18 se denominan en la presente memoria "de descarga" y "de admisión", sólo por conveniencia, aunque cualquiera de las dos podría ser de admisión o de descarga.

El conjunto 22 de resorte comprende un cuerpo 36 de resorte con un vástago axial 38 y un pistón auxiliar 40. El cuerpo 36 de resorte comprende un plato metálico 42 fijado al vástago 38 y que tiene un reborde metálico de cierre hermético con un obturador anular 44, un primer cuerpo cilíndrico 46 con un aro metálico 52 de cierre hermético, y un segundo cuerpo cilíndrico 48 con una extremidad perfilada 50 que en general se va estrechando progresivamente. Tanto la parte abocinada 27 como el perfil de la extremidad 50 se han diseñado para obtener un flujo suave en la apertura y el cierre de la primera y segunda lumbreras, respectivamente. Su forma particular depende de la aplicación de la válvula, como se explica más adelante. Los cuerpos cilíndricos 46 y 48 ajustan deslizable y herméticamente en los conductos cilíndricos de paso 24 y 30, respectivamente. El pistón auxiliar 40 ajusta herméticamente en el interior de la cámara auxiliar 32, definiendo de ese modo una cámara de equilibrado de presión 54 entre el pistón 40 y la tapa 34. La cámara de presión 54 está en comunicación para paso de fluido con la lumbrera de descarga 20 a través de una tubería 56 (mostrada en la Figura 1) o, alternativamente, por medio de un canal 58 practicado a través del vástago 38 (mostrado en la Figura 2). El vástago axial 38 se extiende, con un ajuste deslizable de cierre hermético, a través de una abertura practicada en la tapa 34 y está conectado a un cilindro hidráulico externo 60.

En funcionamiento, el cilindro hidráulico 60 comunica un movimiento de vaivén al conjunto 22 de resorte entre dos posiciones extremas: en una primera posición, (mostrada en la Figura 2), el primer asiento 26 de válvula está cerrado herméticamente por el aro de obturación 52 y se provee una comunicación para paso de fluido entre la segunda lumbrera (de admisión) 16 y la lumbrera de trabajo 18 bajo una presión P_{2}; y en una segunda posición, (mostrada en la Figura 1), el segundo asiento 28 de válvula está cerrado herméticamente por el aro de obturación 44 y se provee una comunicación para paso de fluido entre la lumbrera de trabajo 18 y la primera lumbrera (descarga) bajo una presión P_{1}.

Durante el movimiento de vaivén, el conjunto 22 de resorte está soportado por los cuerpos cilíndricos 46 y 48 que se deslizan en los conductos cilíndricos de paso 24 y 30. Las longitudes axiales de los cuerpos cilíndricos y de los conductos cilíndricos de paso se seleccionan de tal manera que los conductos cilíndricos de paso 24 y 30 nunca se abran simultáneamente y de ese modo no se mezclen los flujos a través de la primera lumbrera 20 y de la segunda lumbrera 16. Estas longitudes axiales se podrían variar más si fuese necesario para ajustar el ciclo de funcionamiento de la válvula (temporización) al ciclo de trabajo de una máquina en la que se use la válvula.

La extremidad perfilada 50 del cuerpo de resorte tiene una forma destinada a cambiar el área de la sección de flujo del segundo asiento 28 de válvula como una función predeterminada del tiempo para una velocidad dada del movimiento axial del cuerpo de resorte. Por ejemplo, si se usan dos válvulas 10 con dos cilindros intercambiadores de trabajo que funcionan en fases contrapuestas (véase Figura 4, válvulas 80 y 80'), las extremidades de sus respectivos cuerpos de válvula se podrían conformar de tal manera que, cuando una válvula abre su segunda lumbrera y la otra válvula cierra su segunda lumbrera, el área de sección total de flujo a través de estas segundas lumbreras permanece constante.

El perfil de la extremidad 50 tiene un escalón cilíndrico recto poco profundo 51 junto al segundo cuerpo cilíndrico 48, con profundidad d y longitud axial l'. Estas dimensiones se seleccionan de tal manera que, cuando el segundo cuerpo cilíndrico 48 sale del segundo conducto cilíndrico 30 de paso abriéndolo, las presiones en la segunda lumbrera 16 y en la lumbrera de trabajo 18 s igualan a P_{2} en un tiempo finito predeterminado para una velocidad dada del movimiento axial dl cuerpo de resorte. Esta temporización es necesaria, con el fin de evitar que se produzca el "golpe de ariete hidráulico". Se observará que las dimensiones particulares del escalón 51 dependen también de la diferencia de presiones entre las lumbreras 16 y 18 antes de abrir el asiento 28 de válvula, del volumen de un depósito de fluido llenado a través de la lumbrera de trabajo 18, y de las propiedades elásticas del depósito, de las tuberías correspondientes, y del fluido. Por ejemplo, (véase Figura 3), una vasija 72 de intercambiador de trabajo de volumen V conectada a una válvula 80 de resorte podría funcionar a una alta presión P_{2} = 70,9 x 10^{5} - 81,1 x 10^{5} N/m^{2} (70-80 atmósferas) y expandir su volumen por \DeltaV cuando se exponga a dicha presión. La vasija 72, el agua contenida en ella, y las tuberías de conexión circundantes constituyen un sistema oscilante elástico caracterizado por una frecuencia básica natural f o un período T. Por tanto, es conveniente alimentar el volumen de agua \DeltaV en el interior de la vasija, bajo la presión P2, después que se abre el asiento 28 de válvula, durante un tiempo igual o mayor que la mitad del período T. Este tiempo se puede alcanzar mediante la selección de la profundidad d y de la longitud axial l del escalón 51.

Con referencia a la Figura 2, en la primera posición extrema del resorte, las fuerzas axiales aplicadas al conjunto 22 de resorte de la presión P_{2} dentro del conjunto se equilibran mutuamente, puesto que la cámara 32 y el conducto de paso 24 tienen el mismo diámetro D. Estas fuerzas se equilibran durante todo el recorrido del conjunto de resorte hacia la segunda posición extrema y en la segunda posición (Figura 1).

Las presiones axiales que actúan desde la cámara 54 de equilibrado de presión sobre el pistón 40 y desde la lumbrera de descarga 20 sobre el cuerpo cilíndrico 46 son ambas iguales a P_{1} debido a la comunicación 56 (ó 58) para paso de fluido que transmite la presión de la lumbrera de descarga 20 a la cámara 54. Sin embargo, en la primera posición (Figura 2), el área del cuerpo de resorte expuesta a la presión axial P_{1} en el asiento 26 de válvula es un poco inferior a \piD^{2}/4 porque la superficie anular de contacto de cierre hermético tiene una anchura finita que se extiende dentro del diámetro D. (Esta anchura se puede minimizar mediante el canal 53 practicado en el aro obturador 52). Recíprocamente, en la segunda posición (Figura 1), el área del cuerpo de resorte expuesta a la presión P_{1} en el asiento 28 de válvula es un poco mayor de \piD^{2}/4 porque la superficie anular de contacto del obturador 44 tiene una anchura finita que se extiende fuera del diámetro D. Entre las posiciones extremas, el área del cuerpo de resorte expuesta a la presión axial desde la lumbrera de descarga 20 es igual a \piD^{2}/4. El área del pistón 40 expuesta a la presión P_{1} es también menor de \piD2/4 por el área de la sección transversal del vástago 38.

El esquema de equilibrado anterior es especialmente ventajoso para usar con una presión en la segunda lumbrera mucho mayor que la presión en la primera lumbrera (P_{2} >> P_{1}), porque todo el desequilibrio debido a las diferencias de áreas está relacionado con la presión más baja. De este modo, la construcción de la válvula de resorte de tres vías del presente invento permite que el conjunto de resorte desarrolle un movimiento de vaivén sin vencer las diferencias de presión de los flujos de admisión y descarga, mientras que el diámetro constante D facilita el trabajo y el acabado de los orificios taladrados 24, 30 y 32 en el alojamiento 12.

Con referencia a las Figuras 3 y 4, se presentan dos módulos idénticos de intercambiador de trabajo 70 y 70' utilizados en un sistema 62 de recuperación de energía conectado a una instalación 64 de desalinización por ósmosis inversa (instalación de RO). El sistema 62 de recuperación de energía utiliza la energía de la salmuera de alta presión para bombear agua de alimentación a la instalación de RO.

El módulo 70 comprende un cilindro 72 de intercambiador con una lumbrera 74 de salmuera en un extremo, una lumbrera 76 de agua de alimentación en el segundo extremo, y un émbolo 78 que se desliza libremente entre las lumbreras. El módulo 70 está dotado de dos válvulas de resorte de tres vías, según se ha descrito con relación a las Figuras 1 y 2. La primera válvula 80 de resorte de tres vías está conectada por su lumbrera de trabajo 82 a la lumbrera 74 de salmuera, por su segunda lumbrera (de admisión) 84 a una tubería 86 de salmuera de alta presión de la instalación de RO, y por su primera lumbrera 88 (de admisión) a una tubería 99 de alimentación a baja presión. En la posición de las válvulas de resorte 80 y 90 mostradas en la Figura 3, el módulo 70 de intercambiador de trabajo recibe agua de alimentación a baja presión y descarga salmuera. El módulo 70' de intercambiador de trabajo tiene sus válvulas 80' y 90' en posición inversa, en la que la salmuera de alta presión se alimenta al cilindro y bombea agua de alimentación a baja presión a la instalación de RO.

Con referencia solamente a la Figura 3, la primera válvula de resorte 80 tiene un cilindro hidráulico 100 con lumbreras de "tracción" 112 y "de compresión" 114, y los cilindros hidráulicos están impulsados por una estación hidráulica 120 con lumbrera de admisión 122 y lumbrera de descarga 124. La lumbrera "de tracción" 102 del cilindro 100 está conectada directamente a la lumbrera "de compresión" 114 del otro cilindro hidráulico 110, mientras que la lumbrera "de compresión" 104 del cilindro 100 está conectada a la descarga 124 de la estación hidráulica y la lumbrera "de tracción" del cilindro 110 está conectada a la admisión 122 de la estación hidráulica. La tubería 102-114, que no está conectada a la estación hidráulica, tiene unos medios 126 para compensación de fugas.

Debe hacerse notar que, de este modo, el movimiento de vaivén de las dos válvulas de resorte está sincronizado. Cuando la alta presión se introduce a la descarga 122 de la estación hidráulica, el pistón del cilindro 110 y la válvula 90 de resorte experimentan un esfuerzo de tracción a la misma posición, debido a la conexión 114-102. El movimiento en sentido contrario también está sincronizado. Este método de sincronización es también adecuado para usar con detectores (no mostrados) para medir la posición y velocidad del émbolo 78.

La primera válvula 80 de resorte de tres vías podría tener una parte anular abocinada 87 del conducto cilíndrico 24 de paso que es axialmente más larga que la correspondiente parte abocinada 97 de la segunda válvula 90 de resorte, de tal manera que, durante el movimiento sincronizado de los dos cuerpos de resorte hacia la apertura de las primeras lumbreras 88, 98 de ambas válvulas de tres vías, la primera lumbrera 88 de la primera válvula 80 se conecta al cilindro 72 de intercambiador antes de la primera lumbrera 98 de la segunda válvula 90. Esto se hace con el fin de aliviar la alta presión en el cilindro 72 de intercambiador del tiempo anterior (segundo) en la tubería 89 de descarga de salmuera (véase también Figura 4) y no a la tubería 99 de alimentación a baja presión.

Aunque se ha presentado una descripción de realizaciones específicas, se contempla que podrían hacerse diversos cambios sin desviarse del alcance del presente invento. Por ejemplo, la válvula de resorte de la Figura 1 se podría modificar como se ha mostrado en las Figuras 5A y 5B. En la Figura 5A, una válvula 130 de resorte de tres vías tiene un conducto cilíndrico 24' de paso en la descarga axial 20 diseñado simétricamente al conducto cilíndrico 30 de paso, con un asiento 26' de válvula similar al asiento 28 de válvula (véase Figura 1). El cuerpo 36' de resorte en este caso tiene forma simétrica con un cuerpo cilíndrico 46' complementado por una extremidad perfilada 50', y un reborde de cierre hermético 52' similar al reborde 44. Alternativamente, como se muestra en la Figura 5B, una válvula 140 de resorte de tres vías podría tener un conducto cilíndrico 30' de paso diseñado simétricamente al conducto cilíndrico 24 de paso, con el asiento 28' de válvula en el extremo distal del conducto de paso 30', y una parte anular abocinada 27' en el extremo proximal. El cuerpo 36'' de resorte en este caso es un cilindro simétrico sin extremidades perfiladas. El segundo reborde 44' de cierre hermético es similar al reborde 52 de cierre hermético. Sin embargo, estas variantes de válvula no se pueden equilibrar completamente con respecto a cualquiera de las dos presiones P_{2} o P_{1}.

Claims (19)

1. Una válvula (10) de resorte de tres vías y dos posiciones que comprende un alojamiento (12) con una primera lumbrera (20), una segunda lumbrera (16), una tercera lumbrera de trabajo (18) y una cámara (14) de válvula generalmente cilíndrica con un eje, cuya cámara (14) de válvula está definida entre un primer asiento anular coaxial (26) de válvula asociado con dicha primera lumbrera (20), y un segundo asiento anular coaxial (28) de válvula asociado con dicha segunda lumbrera (16), estando dicha lumbrera de trabajo (18) conectada lateralmente a dicha cámara (14) de válvula, cuya válvula (10) de resorte comprende además un cuerpo (36) de resorte dispuesto en dicha cámara (14) de válvula y destinado a la realización de un movimiento de vaivén entre dos posiciones, de tal manera que, en una primera posición, el cuerpo (36) de resorte cierra herméticamente dicho primer asiento (26) de válvula y se provee una comunicación para paso de fluido entre dicha segunda lumbrera (16) y dicha lumbrera de trabajo (18), y en una segunda posición, el cuerpo (38) de resorte cierra herméticamente dicho segundo asiento (28) de válvula y se provee una comunicación para paso de fluido entre dicha primera lumbrera (20) y dicha lumbrera de trabajo (18);

en la que

dicho alojamiento (12) tiene un primer conducto cilíndrico coaxial (24) adyacente a dicho primer asiento (26) de válvula y un segundo conducto cilíndrico coaxial (30) adyacente a dicho segundo asiento (28) de válvula, cuyo cuerpo (36) de resorte tiene una primera parte cilíndrica coaxial (46) que ajusta deslizable y herméticamente con dicho primer conducto (24) de paso, y una segunda parte cilíndrica coaxial (48) que ajusta deslizable y herméticamente con dicho segundo conducto (30) de paso, de tal manera que dicho cuerpo (36) de resorte está soportado siempre al menos en uno de los conductos cilíndricos (24, 30) de paso y se impide siempre la comunicación para paso de fluido entre dicha primera lumbrera (20) y dicha segunda lumbrera (16).

2. La válvula de resorte de tres vías de la Reivindicación 1, en la que los dos conductos cilíndricos coaxiales (24, 30) de paso y las dos partes cilíndricas coaxiales (46, 48) del cuerpo (36) de resorte tienen el mismo diámetro D.

3. La válvula de resorte de tres vías de la Reivindicación 2, en la que dicho segundo asiento (28) de válvula está en un extremo proximal de dicho segundo conducto cilíndrico (30) de paso, adyacente a dicha cámara (14) de válvula, y un extremo proximal de dicha segunda parte cilíndrica (48) del cuerpo (36) de resorte está dotado de un segundo reborde (44) de cierre hermético conjugado con dicho segundo asiento (28) de válvula.

4. La válvula de resorte de tres vías de la Reivindicación 3, en la que dicho cuerpo (36) de resorte comprende además una parte perfilada (50) adyacente al extremo distal de dicha segunda parte cilíndrica (48), de tal manera que dicha parte perfilada (50) cambiaría suavemente el flujo que atraviesa la segunda lumbrera (16) y la presión en la cámara (14) de válvula cuando entre o salga de dicho segundo conducto cilíndrico (30) de paso.

5. La válvula de resorte de tres vías de la Reivindicación 4, en la que dicha parte perfilada (60) comprende un escalón cilíndrico recto poco profundo adyacente al extremo distal de dicha segunda parte cilíndrica (48), cuyo escalón cilíndrico tiene una profundidad radial y una longitud axial tales que, después que dicha segunda parte cilíndrica (48) sale de dicho segundo conducto cilíndrico (30) de paso, las presiones en dicha segunda lumbrera (16) y en dicha lumbrera de trabajo (18) se igualan en un tiempo finito predeterminado para una velocidad dada del movimiento axial del cuerpo (36) de resorte.

6. La válvula de resorte de tres vías de la Reivindicación 4, en la que dicha parte perfilada (50) tiene una forma destinada a cambiar el área de la sección de flujo del segundo asiento (28) de válvula como una función predeterminada de tiempo para una velocidad dada del movimiento axial del cuerpo (36) de resorte.

7. La válvula de resorte de tres vías de la Reivindicación 3, en la que dicho primer asiento (26) de válvula está en un extremo distal de dicho primer conducto cilíndrico (24) de paso, adyacente a dicha primera lumbrera (20), y un extremo distal de dicha primera parte cilíndrica (46) del cuerpo (36) de resorte está dotado de un primer reborde (52) de cierre hermético conjugado con dicho primer asiento (26) de válvula.

8. La válvula de resorte de tres vías de la Reivindicación 7, en la que dicho primer conducto cilíndrico (24) de paso tiene una parte proximal que se abocina hacia dicho cuerpo (36) de resorte, de tal manera que dicha primera parte cilíndrica (46) del cuerpo (36) de resorte cambiaría suavemente el flujo que atraviesa la primera lumbrera (20) y la presión en la cámara (14) de válvula cuando entre o salga de dicho conducto cilíndrico (24) de paso.

9. La válvula de resorte de tres vías de la Reivindicación 8, en la que dicha segunda lumbrera (16) está dispuesta lateralmente a dicho eje y dicho alojamiento (12) comprende además una cámara cilíndrica coaxial auxiliar (32) de diámetro D que comunica en un extremo proximal de la misma con dicha segunda lumbrera (16) y dicho segundo conducto cilíndrico coaxial (30) de paso, y cerrada en un extremo de la misma por una tapa (34), estando fijado un pistón auxiliar (40) para deslizarse en dicha cámara auxiliar (32) y estando firmemente unido a dicho cuerpo (36) de resorte por un vástago axial (38), de tal manera que el pistón auxiliar (40), el vástago axial (38) y el cuerpo (36) de resorte forman un conjunto de resorte que está equilibrado axialmente con respecto a la presión del flujo en la segunda lumbrera (16).

10. La válvula de resorte de tres vías de la Reivindicación 9, en la que dicho pistón auxiliar ajusta herméticamente con dicha cámara cilíndrica auxiliar (32), definiendo de ese modo un volumen herméticamente cerrado entre dicha tapa (34) y dicho pistón auxiliar (40), cuyo volumen herméticamente cerrado está provisto de una comunicación para paso de fluido a dicha primera lumbrera (20), de tal manera que se igualan las presiones que actúan sobre el conjunto de resorte desde dicho volumen herméticamente cerrado y desde dicha primera lumbrera (20).

11. La válvula de resorte de tres vías de la Reivindicación 10, en la que dicho vástago axial (38) se extiende, con un ajuste deslizable y herméticamente cerrado, a través de una abertura practicada en dicha tapa (34) y se puede conectar a unos medios externos de accionamiento (60) para desplazar el conjunto de resorte entre las dos posiciones del mismo.

12. La válvula de resorte de tres vías de la Reivindicación 11, en la que dichos medios de accionamiento (60) son un cilindro hidráulico conectado a dicho vástago.

13. La válvula de resorte de tres vías de la Reivindicación 10, en la que dicha comunicación para paso de fluido se provee mediante una tubería externa (56) que conecta dicho volumen herméticamente cerrado a dicha primera lumbrera (20).

14. La válvula de resorte de tres vías de la Reivindicación 10, en la que dicha comunicación para paso de fluido se provee mediante un canal (58) practicado a través de dicho vástago axial (38).

15. Un módulo (70) de intercambiador de trabajo destinado a utilizar la energía de un fluido de trabajo de alta presión para bombear fluido de alimentación a un punto de consumo de fluido de alimentación, que comprende un cilindro (72) de intercambiador con un primer extremo (74) de fluido de trabajo y un segundo extremo de fluido de alimentación, un pistón (78) que se desliza libremente entre los mismos, y una primera válvula (80) de resorte de tres vías de acuerdo con la Reivindicación 10, cuya válvula (80) de resorte está conectada por su lumbrera de trabajo (82) a dicho primer extremo (74), por su segunda lumbrera (84) a una fuente de fluido de trabajo (86) de alta presión y por su primera lumbrera (88) a una salida (89) de descarga no presurizada.

16. El módulo de intercambiador de trabajo de la Reivindicación 15, que comprende además una segunda válvula (90) de resorte de tres vías de acuerdo con la Reivindicación 10, cuya segunda válvula (90) de resorte está conectada por su lumbrera de trabajo (92) a dicho segundo extremo (76), por su primera lumbrera (98) a una fuente de fluido (99) de alimentación a baja presión, y por su segunda lumbrera (94) a un punto de consumo (96) de fluido de alimentación de alta presión.

17. El módulo de intercambiador de trabajo de la Reivindicación 16, en el que los vástagos axiales (38) de las dos válvulas (80,90) de resorte se extienden fuera de los alojamientos, comprendiendo además el módulo (70) un primer cilindro hidráulico (100) conectado al vástago (38) de la primera válvula (80) de resorte para el accionamiento de la misma y un segundo cilindro hidráulico (110) conectado al vástago (38) de la segunda válvula (90) de resorte para el accionamiento de la misma.

18. El módulo de intercambiador de trabajo de la Reivindicación 17, en el que dichos cilindros hidráulicos (100, 110) tienen cada uno una lumbrera (104, 114) de "compresión" y una lumbrera (102, 112) de "tracción", de tal manera que conectando la lumbrera (104, 114) de "compresión" a una fuente de presión se accionaría la válvula de resorte correspondiente a la segunda posición de la misma, en el que la lumbrera (104) de "compresión" del primer cilindro hidráulico (100) está conectada directamente a la lumbrera (112) de "tracción" del segundo cilindro hidráulico (110).

19. El módulo de intercambiador de trabajo de la Reivindicación 18, en el que la parte que se abocina (87) del primer conducto cilíndrico (24) de paso en dicha primera válvula (80) de resorte de tres vías es axialmente más larga que la correspondiente parte que se abocina (97) en dicha segunda válvula (90) de resorte de tres vías, de tal manera que, durante el movimiento sincronizado de los dos cuerpos de resorte hacia la apertura de la primera lumbrera (88, 98) en ambas válvulas (80, 90) de tres vías, la primera lumbrera (88) de la primera válvula (80) está conectada al cilindro (72) de intercambiador antes de la primera lumbrera (98) de la segunda válvula (90).