ES2506740A1

ES2506740A1 - Estructura multi-capa de pared de recipiente de contención de fluidos

Info

Publication number: ES2506740A1
Application number: ES201300333A
Authority: ES
Inventors: José María Martínez-Val Peñalosa
Original assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Current assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Priority date: 2013-04-12
Filing date: 2013-04-12
Publication date: 2014-10-13
Also published as: WO2014167148A2; WO2014167148A3

Abstract

Estructura multi-capa de pared de recipiente de contención de fluidos, de modo que la pared se constituye de una sucesión de capas (29, 30) de un material sólido, dejando entre capas sucesivas un huelgo (6, 9, 10, 11) donde se introduce cierta cantidad de fluido no agresivo, teniendo cada huelgo (6, 9, 10, 11) una presión intermedia entre la presión del interior del recipiente y la del medio circundante exterior, de manera las sucesivas presiones de los huelgos entre capas, tienen valores descendente hacia el exterior.

Description

ESTRUCTURA MULTI-CAPA DE PARED DE RECIPIENTE DE CONTENCIÓN DE FLUIDOS

SECTOR DE LA TÉCNICA

La invención se encuadra en el campo de los conductos y recipientes de 5 fluidos a presión, bien esféricos, bien de cuerpo cilíndrico, típicamente rematados por casquetes esféricos, o de otra geometría, teniendo al menos una tubería de trasiego de fluido, que atraviesa la pared del recipiente y puede tener una estructura de pared como la del propio recipiente. También es aplicable la invención a paredes con otras formas geométricas, tanto curvadas como planas, 10 aunque las aplicaciones industriales fundamentales son en paredes cilíndricas o esféricas. En la geometría más extendida, que es la cilíndrica, se usará la tensión circunferencial, o tensión de aro, como variable caracterizadora del estado de sobrecarga en el que se encuentra el material.

15

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La invención no parece tener antecedentes inmediatos, pues no se conocen ni se ven en la industria ni en el transporte paredes múltiples entre cuyas capas se ajuste la presión, y eventualmente la temperatura, bien por medios activos, bien por medios pasivos. 20

En cuanto a documentos de invenciones, se pueden citar los siguientes, sin considerar a ninguno de ellos como propiamente antecedente:

ES228785 trata de una vasija para reactor nuclear, teniendo internamente otra vasija, comúnmente denominada barrilete, mediante la cual se encauza el movimiento del fluido refrigerante adecuadamente dentro de la primera vasija, 25 que es propiamente la vasija de presión, a la cual no es mecánicamente solidaria la vasija interior o barrilete.

También los submarinos son artilugios que se prestan a tener varias vasijas de presión dentro de la propia vasija exterior del submarino, como se detalla en el documento ES2255002, que trata de un depósito de gases licuados 30 a presión dentro del propio submarino, destinándose una segunda vasija intermedia a recoger las fugas de la más interna.

WO2012143740 describe un depósito con dos capas, pero sin fluido presurizado intermedio, por lo cual la pared interior es la que soporta toda la diferencia de presiones entre la interior y la circundante; estando la pared exterior destinada a mitigar los efectos de una fuga de gas inflamable desde el recipiente interior.

WO2012161006, que presenta un recipiente con una segunda pared formada por filamentos arrollados alrededor de la primera. 5

WO2012161793, que describe un recipiente de alta presión, rodeado de una capa exterior extraíble, como envuelta aislante y protectora, sin efectos para contribuir a soportar la presión interior.

US2012285654, en la cual se presenta un recipiente con varias capas, pero no están destinadas a repartir el soporte de la presión, sino a canalizar 10 debidamente el flujo de gas en un almacenamiento térmico, teniendo la disposición estructural acorde a ese fin.

Existen además numerosos documentos describiendo paredes multicapa hechas de resinas y materiales poliméricos y de estructura molecular escogida, pero entre capa y capa no se produce ningún ajuste de presión, ni de 15 temperatura, y no tienen relación alguna con la invención descrita aquí. Se trata de paredes o paneles o vidrios laminados, con varias capas sólidas superpuestas, como se describe por ejemplo en el documento “Stability of multilayered composites plates”, cuya identificación digital es
http://dx.doi.org/10.1016/0015-0568(75)90005-6. 20

Por otra parte, son sobradamente conocidos los dispositivos de refrigeración internos, de paredes diversas, sobre todo las llamadas camisas de los motores de combustión interna, pero en ningún caso tienen nada que ver con el uso de la presión para fijar condiciones de contorno para las ecuaciones de comportamiento del material, lo que haría más fácil y eficiente la fabricación de 25 paredes para almacenamientos y tubos de trasiego de fluidos a alta presión.

PROBLEMA TÉCNICO A RESOLVER

Los recipientes y conducciones de alta presión requieren unos espesores de pared que pueden llegar a ser tan gruesos que resulten casi imposibles de 30 fabricar, especialmente si el fluido a contener está además a alta temperatura. Como variable para caracterizar el problema en los casos cilíndricos, que son los más comunes en estas aplicaciones, se usa el concepto de tensión de aro, que efectivamente actúa en sentido circunferencial; y cuando la presión alta está en el interior, como es lo habitual, provoca la hinchazón de la pared del recipiente, 35 pudiendo llegar a su rotura. Para ello dicha tensión de aro, que denotaremos con A, debe estar limitada en función del límite elástico del material para las condiciones de temperatura en las que tenga que funcionar. En un recipiente cilíndrico, si la sobrepresión en el interior del recipiente la denotamos con P, y R0 representa el radio interior de la sección recta del cilindro, y R* el radio exterior, 5 el valor de A depende de la razón entre radios, que denominamos Z

Z = R*/R0

cumpliéndose

A = P·((Z2 +1)/(Z2 -1))

Esto permite determinar el valor de Z si conocemos P y el valor de A con 10 el que se quiere trabajar, pues

(A -P)·Z2 = A + P

La cual conviene resolver introduciendo el parámetro N, mayor que 1,

N = A/P

Lo que lleva a 15

Z = ((N+1)/(N-1))1/2

Sobre la que conviene dar algunos ejemplos. Un valor alto de presión, pero razonable, es 200 bar (o atmósferas,) y un valor de tensión de aro A con el que se puede diseñar un depósito (no muy caliente) es 1.000 bar, lo que conduce a N = 5, que lleva a Z = 1,225. Es decir, si el radio interior fuera 1 metro, 20 el espesor tendría que ser 22,5 cm.

Un valor elevado en las aplicaciones de alta presión es N = 2, que lleva a Z = 1,73. Esto significa que para un radio de 1 metro, el espesor tendría que ser de 72 cm, lo que resulta muy caro.

Para N = 10, que sería un valor moderado de la presión, Z = 1,1. Por 25 debajo de este valor de Z, o por encima de este valor de N, se considera que la pared es delgada, y en ese caso, llamando S al espesor de la pared, se tiene

A/P = R0/S

Pero el caso de pared delgada es muy limitado de aplicación, porque la diferencia de presiones a soportar, P, ha de ser menor que la décima parte de la 30 tensión de aro seleccionada para esa aplicación, A.

Por ejemplo, ya se ha mencionado que para recipientes de gas a baja temperatura, A puede cifrarse en 1.000 bar, de modo que si la presión de almacenamiento es de 200 bar, el valor de la razón N es 5, y Z vale 1,225. Esto significa que el espesor es S = 0,225R0.

El caso empeora si el gas está a alta temperatura, de 400 ºC o más, 5 como puede ser el fluido que se caliente en una central solar, pues el acero de la pared, o el material de que se trate, presenta un límite elástico inferior, por problemas de fluencia, cuando aumenta mucho su temperatura. Por tal motivo, el valor de A ha de reducirse, a 600 bar, lo que conduce a un valor N = 3; y ello lleva a que Z = 1,41; y el espesor es por tanto S = 0,41R. Con un radio de 2 m, el 10 espesor sería de 82 cm, verdaderamente impracticable.

El problema a resolver es encontrar una estructura de pared distinta de la pared maciza convencional, que sea construible, haciendo frente a los requisitos de recipiente de alta presión, y eventualmente de alta temperatura.

15

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

La invención consiste en estructurar la pared del recipiente o del conducto en una sucesión de capas de material sólido, más delgadas que el espesor requerido si la pared se hiciera de una sola capa, o espesor de referencia, dejando entre capas sucesivas un huelgo o volumen hermético entre 20 ellas, e introduciendo en dichos huelgos cierta cantidad del fluido a almacenar, o de otro fluido no agresivo para las capas dichas, manteniendo en cada uno de dichos huelgos una presión intermedia entre la presión del interior del recipiente y la del medio circundante exterior, y siendo las sucesivas presiones de los huelgos entre capas, de valor descendente hacia el exterior; seleccionándose 25 como prescripción básica del montaje el escalonamiento con espesores uniformes; por lo que habiendo M capas, dichas capas son de igual espesor, que es el espesor de referencia dividido por M; y la presión en el volumen o huelgo contenido entre la capa n, o n-sima, empezando a contar desde el interior, y la capa siguiente hacia el exterior, corresponde al valor del producto de la 30 diferencia de presiones P entre el interior del recipiente o conducto y el exterior, por la fracción cuyo numerador es la diferencia entre el número de capas M y el número de orden de la capa más interna que confina dicho huelgo o volumen, n, y su denominador es el número total de capas, M; lo cual queda justificado porque la diferencia entre la tensión de aro máxima, que se da en la cara interior de la capa si ésta es cilíndrica, y la mínima en dicha placa, que se da en su cara exterior, es igual a la diferencia de presiones que hay en una cara y otra.

El establecimiento de las correspondientes presiones se hace, bien de forma activa, con bombas o compresores que inyectan en cada huelgo el fluido 5 necesario para mantener la presión debida; o bien de forma pasiva, con válvulas reductoras de la presión, ajustadas al nivel de presión del huelgo correspondiente, tomando el fluido para rellenar dichos huelgos de la propia acometida principal del fluido a alta presión.

En caso de reducirse la sobrepresión en el recipiente o en el conducto, se 10 abren las válvulas de alivio, que liberan el fluido de los huelgos a un depósito auxiliar de baja presión, o a la atmósfera, para lo cual cada huelgo, así como el interior del recipiente, van provistos de manómetros, con los cuales se puede ordenar la apertura de cada válvula de alivio de cada huelgo hasta llegar al nivel de presión proporcional a la presión interior, según la especificación 15 correspondiente a dicho huelgo.

En cada ramal de alimentación de fluido a los diversos volúmenes o huelgos entre capas, se dispone una válvula todo o nada, que se abre cuando se inyecta o se extrae fluido, y queda herméticamente cerrada cuando la presión es la de consigna del volumen correspondiente. 20

Como variante tecnológicamente avanzada para paredes cilíndricas, se prescribe una aplicación en la cual las máximas tensiones de aro de cada capa son de igual valor entre sí, fijándose que la presión en el primer huelgo o huelgo más interior, P1, corresponde a un valor que es función del radio R1 exterior de la primera capa, la cual tiene pues una razón de radios Z1 definida por 25

Z1 = R1/R0

la cual genera un parámetro característico de la capa y de las presiones, denominado H1 determinado por

H1 = ((Z12 + 1)/(2·A·Z12/P)) - ((Z12 - 1)/(2·Z12))

el cual determina a su vez la razón de radios Ze de la capa exterior a ese huelgo, 30 si sólo hubiera una, y en esa se daría el mismo valor máximo de la tensión de aro A, siendo

Ze2 = (1 + H1)/(1 – H1)

y a su vez se obtiene que la presión en ese huelgo es

P1 = A·H1

lo cual define unívocamente la primera capa, a la cual se le añade el huelgo, de espesor despreciable comparado con el radio R1 exterior de dicha primera capa; 5 que es a su vez el radio interior de la capa exterior, siendo el radio exterior Re de la capa exterior

Re = R1·Ze

pudiendo aplicarse de nuevo la partición a dicha capa exterior, dividiéndose ésta en una capa desde R1 hasta R2, más otra exterior desde R2 a R’e, con presión en 10 la cara de radio R1 de valor P1, determinándose el parámetro H2 a partir de la razón de radios Z2, más su parámetro caracterizador H2,

Z2 = R2/R1

H2 = ((Z22 + 1)/(2·A·Z22/P1)) - ((Z22 - 1)/(2·Z22))

P2 = A·H2 15

y siendo el nuevo radio exterior R’e

R’e = R2·Z’e

Z’e = (1 + H2)/(1 – H2)

de donde se obtiene la definición completa de la segunda y la tercera capa; o capa exterior, pudiendo volver a partir esta capa exterior en dos, repitiendo la 20 prescripción.

Cuando la temperatura del fluido a contener o transferir es superior a la del medio ambiente, la invención incorpora la variante de refrigerar el fluido que se inyecta en los huelgos entre capas, con temperaturas escalonadas, estableciéndose en cada capa una diferencia de temperaturas Dn entre la cara 25 interior y la cara exterior de la capa n-sima. Para determinar el escalonamiento de temperaturas, se tiene en cuenta que las tensiones de aro de origen térmico, At, son siempre de tracción en la cara fría, y de compresión en la cara caliente, y en este caso de paredes cilíndricas adquieren el valor absoluto Atn en una capa con la diferencia de temperaturas Dn entre sus caras interior y exterior, 30

Atn = f·E·Dn/2

siendo f el coeficiente de dilatación lineal y E el módulo elástico del material de la capa.

Por ello, para recipientes cilíndricos de alta presión interior, en los cuales las tensiones de aro debidas a la presión, o tensiones de aro mecánicas, son siempre de tracción, esta tensión mecánica se suma a la tensión térmica en la 5 cara fría, que es la exterior; y al contrario, la tensión térmica se resta de la tensión mecánica en la cara más caliente, que es la interior; y con objeto de igualar entre sí las tensiones de aro resultantes en una y otra cara, la diferencia de temperatura Dn que se impone entre la cara interior de la capa y la exterior, es 10

Dn = (Pni – Pne)/(f·E)

siendo Pni y Pne respectivamente las presiones en la cara interior y exterior de la capa enésima.

Cuando la temperatura del fluido a contener o transferir es inferior a la del medio ambiente se produce el problema contrario, y las tensiones de aro 15 mecánica y térmica se suman en la cara fría, lo que produce una resultante mayor que la tensión de aro mecánica, lo cual no es aceptable, a no ser que se baje la presión interior en el recipiente o conducto. Para mantener ésta y no incrementar las tensiones de aro en las caras frías, se prescribe mantener todos los huelgos a la temperatura del interior del recipiente, lo cual anula las tensiones 20 térmicas en las capas; lo cual se consigue añadiendo un huelgo exterior adicional y una capa exterior adicional, no de material mecánico resistente, sino de aislante térmico, manteniendo el huelgo adicional exterior a la temperatura del interior del recipiente, y con presión igual a la exterior circundante, efectuando la refrigeración del fluido de dicho huelgo exterior mediante dispositivos criogénicos 25 al uso.

Aunque lo habitual es que la pared de un recipiente sea de un solo material, la invención se aplica igualmente a capas de materiales distintos, con sus propiedades físicas y químicas correspondientes.

Una variante peculiar de la invención, que se aplica cuando hay una 30 conexión de penetración tipo racor entre dos conductos, o un conducto y un recipiente, es la de imponer en el huelgo más interno de la pared del conducto exterior una presión más alta que la del fluido que se almacena o se trasiega dentro de esos conductos, y con ello se obtiene que la capa interna de la pared exterior haga trabajar en compresión a la interfaz entre ambos conductos.

EXPLICACIÓN DE LAS FIGURAS

La figura 1 muestra una sección transversal de un depósito con dos 5 capas y un huelgo o volumen de fluido intermedio para escalonamiento de la presión.

La figura 2 muestra una sección longitudinal de un depósito de varias capas con los circuitos de presión de los volúmenes de fluido intermedios, activados por bomba o compresor. 10

La figura 3 muestra una parte de la sección longitudinal de un depósito de varias capas con los circuitos de presión de los volúmenes de fluido intermedios, gobernados por válvulas reductoras de presión, actuando a partir del flujo principal de fluido.

La figura 4 es similar a la 3, incluyendo dos refrigeradores en los circuitos 15 de presión de los dos volúmenes intermedios más exteriores.

La figura 5 es similar a la 1, pero incluyendo el huelgo más exterior, para acondicionamiento de la temperatura y presión igual a la exterior circundante, y la capa exterior de aislante térmico.

Las figuras no están a escala, pues sería imposible ver algunos 20 elementos, como los huelgos, que están ampliados respecto de las capas.

MODO PREFERENTE DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN

Para facilitar la comprensión de las figuras de la invención, y de sus modos de realización, a continuación se relacionan los elementos relevantes de 25 la misma:

1. Interior del recipiente o conducto multicapa.

2. Cara interior de la capa más interna.

3. Cara exterior de la capa más interna.

4. Cara interior de la capa más externa. 30

5. Cara exterior de la capa más externa.

6. Huelgo entre capas.

7. Eje de revolución del recipiente.

8. Boca de llenado del recipiente.

9. Huelgo más interior. 5

10. Huelgo intermedio.

11. Huelgo más exterior.

12. Depósito de fluido de llenado de los huelgos.

13. Compresor o bomba de llenado.

14. Válvula de alivio del fluido de un huelgo. 10

15. Conducto de llenado y vaciado de un huelgo.

16. Válvula de cierre o sellado total.

17. Conducto de derivación del fluido a almacenar, para llenar los huelgos.

18. Válvulas isoentálpicas reductoras de presión.

19. Intercambiador de calor para acondicionamiento de la temperatura del 15 fluido de llenado del huelgo.

20. Entrada del fluido secundario del intercambiador de calor 19.

21. Salida del fluido secundario del intercambiador de calor 19.

22. Huelgo más exterior, para acondicionamiento de la temperatura a la más interior, y la presión igual a la exterior circundante. 20

23. Aislante térmico, sin funciones de resistencia mecánica.

24. Taponamientos de estanqueidad, que sueldan entre sí las capas que forman un huelgo, y son atravesados por los conductos 15.

25. Manómetro del interior del recipiente o conducto.

26. Manómetro del huelgo más interior. 25

27. Manómetro del huelgo intermedio.

28. Manómetro del huelgo más exterior.

29. Capa interior.

30. Capa exterior.

Para materializar la invención se parte de disponer de materiales resistentes mecánicamente, y que puedan fabricarse en diversas formas superponibles, en particular, piezas de revolución estancas, contándose para ello con diversos metales, tales como el acero, el aluminio, aleaciones varias, e 5 incluso titanio, además de materiales no metálicos, como son los composites, las resinas coaligadas a estructuras rígidas, y en general todo material que se use habitualmente para hacer tuberías y depósitos. La conformación exigida a las capas, sus tolerancias, etcétera, son similares a las habituales, salvo en el tema de la estanqueidad, que ha de ser sin fisuras, lo cual es también requisito 10 habitual, si bien aquí es imprescindible.

Las capas concéntricas se montan soldándose con taponamientos de estanqueidad (24) en sus extremos, lo cual además les confiere la disposición geométrica elemental para generar el huelgo (9, 10, 11), cuyo espesor ha de ser mucho menor que el de las capas, salvo el huelgo adicional más exterior (22), 15 adyacente al aislante térmico (23), que al requerir refrigeración debe tener un canal de paso acorde con esa función. En dichos taponamientos (24) sólo queda abierto el paso del conducto (15) de llenado y vaciado del fluido, que puede ser el mismo fluido que se almacena o trasiega, u otro que sea químicamente compatible y no corrosivo con el material usado en las capas, y que éstas no 20 sean permeables al fluido.

Para rellenar los huelgos, se puede proceder de forma activa, usando un depósito (12) y un inyector (13) de inyección del fluido en el huelgo, que sería un compresor, si el fluido es gas, o una bomba de gran altura manométrica en la impulsión, si es un líquido. La ventaja de usar un líquido es su menor 25 compresibilidad, que hace menos caro el llenado de los huelgos, energéticamente hablando, y además no resulta tan grave en el caso de rotura del sistema o despresurización súbita, no generándose misiles por piezas rotas ni corrientes de chorro, como puede ocurrir en el caso de gases. Un líquido muy adecuado es el aceite de tipo lubricante. 30

También se pueden rellenar los huelgos de forma pasiva, usando el propio fluido a almacenar, del cual se extrae una corriente de derivación (17) en la boca de entrada (8) en el conducto o recipiente. Dado que las presiones de los huelgos han de ser menores que la del fluido en cuestión, tan sólo se requiere una válvula isoentálpica (18) reductora de presión para llevar a cabo el llenado de cada huelgo.

Una pieza esencial y crítica en cada conducto de llenado de huelgo es la válvula de cierre o sellado total (16), que efectivamente ha de cerrar de manera estanca. Este no es un requisito especial, pues son millones las botellas con 5 gases comprimidos, en particular aire, que existen en el mundo, con válvulas de cierre absoluto, encajadas en los cuellos de entrada de esas botellas y bombonas.

Las ventajas de esta invención son notorias en ahorro de material, pero también en las condiciones de trabajo del material empleado, por repartirse 10 mucho más uniformemente las tensiones a través de los diversos espesores de material, en comparación con la solución de medio sólido continuo, siendo muy notorio en las tensiones de aro de las piezas cilíndricas.

Supóngase un caso relativamente extremo, en el que la presión interna es tan alta que es la mitad de la tensión de aro permitida, por ejemplo, P = 400 15 bar, A = 800 bar; por lo que el valor de N es 2. De acuerdo con la teoría anteriormente expuesta, el valor de la razón entre radios ha de ser en este caso 31/2, es decir, 1,73. Llamando R0 al radio interior (que es el del recipiente o el conducto), el área de la sección recta G0 de la pared convencional de medio sólido continuo es G0 = π2R02. 20

Si ahora se hace la pared con dos capas, según la invención, conservando P y A de la definición del problema, así como R0, se obtiene como resultado un menor espesor total, y por ende menos masa empleada, y menor coste de fabricación. Tomemos como ejemplo que la capa interior llega hasta el radio R1 = 1,29·R0; es decir Z1 = 1,29, lo que lleva a un valor de H1 que es 25

H1 = ((Z12 + 1)/(2·N·Z12)) - ((Z12 - 1)/(2·Z12)) = 0,2

el cual determina a su vez la razón de radios Ze de la capa exterior

Ze2 = (1 + H1)/(1 – H1) = 1,5

Por lo que se obtiene una razón de radios de la capa exterior de 1,225; y la presión en el huelgo 30

P1 = A·H1 = 0,2·A = 0,4·P

Las secciones rectas de las capas interior y exterior serían

G1 = π·R02(Z12 – 1) = 0,666πR02

G2 = π·R12(Z22 – 1) = π·1,666·R02(Z12 – 1) = 0,833πR02

Y la suma de ambos da 1,5πR02, es decir un 25% menos que el caso de una sola capa de pared continua.

Este valor de ahorro cambia al elegir otros radios intermedios, pero no de 5 manera significativa, salvo que uno se acerque mucho a una cara o la otra.

Por ejemplo, para Z1 = 1,1; el valor de H1 = 0,37; y P1 = 0,74P. Ze = 1,475, y la suma de ambas secciones rectas, G1+G2 = 1,63πR02.

Al acercarse al centro del espesor original, se mejora el resultado. Por ejemplo, para Z1 = 1,225 (Z12 = 1,5), el valor de H1 = 0,25; y P1 = 0,5P. De H1 se 10 deduce que Ze = 1,29, y la suma de ambas secciones rectas, G1+G2 = 1,5πR02; es decir, igual que en el caso de Z1 = 1,29. A partir de ahí, el resultado vuelve a empeorar, aunque lentamente, y para Z1 = 1,4 el resultado total es G1+G2 = 1,55πR02.

El análisis más a fondo de las propiedades algebraicas de este problema 15 permite abordar su optimización, en el sentido de minimizar la cantidad de material requerido en la pared, para una función dada. Para el caso en estudio, definido por un radio R0 y una presión P dentro del recipiente y presión nula en el exterior, señalándose además una tensión de aro A como valor máximo, el problema es encontrar la distribución en dos capas que minimiza el área total de 20 sección recta de las capas, que es

G = π·R02(Z12 – 1) + π·R12(Z22 – 1) = π·R02(Z12· Z22 – 1)

Y para hallar el mínimo es fundamental la propiedad de que los valores de Z12 y Z22 son conjugados, es decir, que si un valor W de Z1 implica un valor W’ para Z2, si se utiliza el valor W’ para Z1, se obtiene el valor W para Z2. Esto conduce a 25 que el mínimo se obtenga cuando ambos valores son iguales, Z22 = Z12.

La propiedad de conjugación es evidente si se expresan las relaciones entre Z22 y Z12, respecto de los parámetros que definen el problema, a los que se añaden

H = P/A 30

C = (3 – H)/(1 + H)

siendo la relación entre los cuadrados de las razones entre radios de cada capa, la siguiente

Z22 = (Z12 + 1)/(C·Z12 - 1)

Z12 = (Z22 + 1)/(C·Z22 - 1)

donde se aprecia que ambos valores son intercambiables. Igualando ambos se 5 obtiene el valor que lleva al mínimo buscado, y es

Z22 = Z12 = (1 + (1+C)1/2)/C

Para el caso anteriormente usado como ejemplo (H = 0,5), se tiene Z22 = Z12 = 1,58; lo cual conduce a un valor mínimo de la sección recta de 1,497πR02, muy cercano al 1,5πR02 obtenido para los casos en los que ambas razones de 10 radios eran similares.

Además de dichas razones de radios de cada capa, Z22 y Z12, el sistema queda definido por la presión Pi a imponer en el huelgo intermedio, que es

Pi = A·( Z22 - 1)/( Z22 + 1)

Con carácter general, se ha de resolver el problema de la minimización 15 de la sección recta requerida para soportar una presión interna o de dentro PD aplicada en un radio RD que puede ser el del interior del recipiente o de un huelgo, con una tensión de aro máxima A, y una presión externa PF en general no nula, y que actúa en el exterior de la capa de fuera, de las dos que constituyen esa pared o tramo de pared, caracterizando a la capa de dentro por 20 el subíndice D y a la de fuera por el F, siendo el radio del huelgo intermedio RM y su presión PF, y siendo correspondientemente HD = PD/A y HF = PF/A; con RM = RD·ZD y RF = RM·ZF.

De nuevo se encuentran aquí que las parejas de valores son conjugadas, pues

ZF2 = (ZD2·(1 + HD) + (1 + HD))/( ZD2·(4·HF + 3 - HD) - (1+HD)) 25

ZD2 = (ZF2·(1+HD) + (1+HD))/( ZF2·(4·HF + 3 - HD) - (1+HD))

Lo cual lleva al mínimo cuando ambos valores son iguales que corresponde a

ZF2 = ZD2 = (2·(1+HD)+(4·(1+HD)2+4·(4·HF+3- HD)·(1+HD) )1/2)/(2·(4·HF+3- HD))

Y la presión en el huelgo intermedio se obtiene al igualar ambas razones,

HM = (1+ HD + HF + HD·HF)1/2 -1 30

Siendo pues la presión, PM= HM·A

En caso de que el huelgo tuviera un espesor no despreciable, hM, habría que corregir la definición del radio RF según se indica

RF = ZF·(RM + hM)

Por descontado, este problema general coincide en sus soluciones con 5 las del problema resuelto antes con presión exterior nula, es decir PF = 0.

Obviamente, la situación mejora si se utilizan varias capas, pues eso permite aumentar la tensión de aro media del conjunto, y por tanto hace falta menos material.

Partimos de la siguiente propiedad: la diferencia entre la tensión de aro Ai 10 en la cara interior, y la tensión en la exterior Ae, es la diferencia de presiones, esto es

Ai - Ae = Pi - Pe

Lo cual orienta a repartir la presión interior P en M tramos iguales, siendo M el número de capas, y poniendo la prescripción de que todas las capas tengan la 15 misma tensión de aro máxima, A, y por dicho reparto, también la mínima. Llamando huelgo j al que se encuentra al exterior de la capa j, se tiene

Pj = P·(M-j)/M

Nj = N·M/(M-j) = A/Pj

siendo el espacio interior del recipiente el que hace de huelgo 0 en la condición 20 de contorno interior, es decir

P0 = P

N = A/P

y por conveniencia de escritura se define el parámetro Hj como el inverso de Nj

Hj = 1/Nj 25

siendo HM = 0, por tomarse presión nula en el exterior del todo; con lo cual en cada capa se puede expresar su tensión de aro máxima, siempre la misma, como función de la razón de sus radios, Zj, y las presiones Pj-1 y Pj

A = Pj-1 ((Zj2 + 1)/(Zj2 - 1)) - Pj (2·Zj2/ (Zj2 - 1))

1 = Hj-1 ((Zj2 + 1)/(Zj2 - 1)) - Hj (2·Zj2/ (Zj2 - 1)) 30

de la cual se obtiene la definición de las sucesivas razones entre radios exterior e interior de cada capa

Zj2 = (1 + Hj-1)/(2·Hj + 1 - Hj-1)

con lo que queda unívocamente definido el conjunto de las M capas, por las presiones en los sucesivos huelgos, y los radios de sus capas, comenzando por 5

R1 = R0·Z1

R2 = R1·Z2

y así sucesivamente; y en caso de que los huelgos sean de espesor no despreciable, en cada huelgo, número de orden j, se diferencia entre su radio interno, Rji y radio externo Rje, llamando hj al espesor del huelgo que se sitúa 10 más afuera de la capa j, siendo

R1i = R0·Z1

R1e = R1i + h1

R2i = R1e·Z2

R2e = R2i + h2 15

y así sucesivamente.

Por ejemplo, si el caso anterior con N = 2 lo resolvemos con 4 capas, los valores que se obtienen en cada una de ellas para las diversas secuencias de parámetros son los recogidos en la tabla siguiente, que incluye el área de la sección recta Gj de cada capa, en unidades πR02. 20

Capa: 1 2 3 4

Pj: 3P/4 P/2 P/4 0

Nj: 8/3 4 8 -

Hj: 3/8 1/4 0,125 0

Zj2: 1,2 1,222 1,25 1,286

Gj: 0,2 0,275 0,3666 0,5237

La suma de las secciones rectas Gj da el valor 1,365 πR02, menor que en el caso de 2 capas, cuyo valor mínimo era de 1,5 πR02.

A medida que se aumenta el número de capas disminuye la eficacia de la reducción del espesor total, pero también hay que tener en cuenta la mayor facilidad de fabricación de las paredes multicapa, que luego pueden 5 ensamblarse sin ninguna dificultad, y cerrarse los taponamientos correspondientes, dejando tan sólo el paso para el conducto de llenado/vaciado del huelgo, con su válvula de sellado o cierre hermético. Un caso límite puede ser el de 10 capas, aplicadas al caso anterior, es decir con presión interior P (P=A/N) siendo N = 2 en este caso. La tabla siguiente resume los resultados: 10

Capa: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Pj: 0,9P 0,8P 0,7P 0,6P 0,5P 0,4P 0,3P 0,2P 0,1P 0

Nj: 2,22 2,5 2,86 3,33 4 5 6,67 10 20 -

Hj: 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

Zj2: 1,071 1,074 1,077 1,08 1,083 1,087 1,091 1,095 1,1 1,105

Лj: 1 1,071 1,151 1,24 1,338 1,45 1,575 1,72 1,88 2,07

Gj: 0,071 0,079 0,088 0,1 0,111 0,126 0,143 0,163 0,188 0,217

El parámetro Лj es el valor, al cuadrado, de la razón entre el radio interior de una capa, y el radio del espacio interno, R0, lo cual marca cómo va creciendo la sucesión de capas; y sirve para calcular la sección recta del material que 15 conforma la placa, Gj, las cuales suman 1,286πR02, y por tanto este caso supone un ahorro de material de más del 35% respecto del caso convencional de pared maciza, a lo que hay que añadir la sencillez en construir cada capa.

En cuanto a la cuestión de la temperatura, sus efectos pueden ser notables en tensiones térmicas, si el salto de temperatura de una cara a otra es fuerte. Como ejemplo, tomemos una sola capa que soporta una diferencia de presiones de 300 bar, que es precisamente la diferencia entre la tensión de aro Ai en la cara interior, y la tensión en la exterior Ae, pues 5

Ai = Ae+ ΔP

Por su parte, con objeto de igualar entre sí las tensiones de aro resultantes en una y otra cara, ya se determinó que la diferencia de temperatura D que se ha de imponer entre la cara interior de la capa y la exterior, es

D = ΔP/(f·E) 10

Para el acero, el coeficiente de dilatación lineal vale f = 10-5 ºC-1 aproximadamente, y el módulo de Young E = 2,2·106 bar, lo que viene a significar que 1 ºC de diferencia equilibra 22 bar, lo cual es muy apreciable, aunque exige mantener esa diferencia de temperatura, lo cual supone pérdidas térmicas, que hay eventualmente que reponer. 15

La relación anterior también es orientativa en el caso de almacenar un fluido frío, pero con efecto adverso, pues no se igualan las tensiones de aro interior y exterior, sino que se duplica su diferencia, en caso de darse el salto antedicho en temperatura de una cara a otra, pero en sentido opuesto, con la temperatura menor en la cara interna. De ahí que la prescripción de la invención 20 sea mantener todos los huelgos a la temperatura del interior del recipiente, lo cual anula las tensiones térmicas en las capas. Para ello se añade un huelgo exterior adicional y una capa exterior adicional, no de material mecánico resistente, sino de aislante térmico, manteniendo el huelgo adicional exterior a la temperatura del interior del recipiente, y a la presión exterior circundante, 25 efectuando la refrigeración del fluido de dicho huelgo exterior mediante dispositivos tales como circuitos con ciclos de compresión criogénica simple, o doble con separador de fase en el fluido de trabajo, o de varias etapas en la compresión.

Una vez descrita de forma clara la invención, se hace constar que las 30 realizaciones particulares anteriormente descritas son susceptibles de modificaciones de detalle que no alteren la esencia de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES

1 –Estructura multi-capa de pared de recipiente de contención de fluidos, caracterizada por que

- la pared se constituye de una sucesión de capas (29, 30) de un material sólido, dejando entre capas sucesivas un huelgo (6, 9, 10, 11) o volumen hermético 5 entre ellas, de tal forma que al introducir en el huelgo (6, 9, 10, 11) cierta cantidad de fluido no agresivo, su diseño permite mantener para cada uno de dichos huelgos (6, 9, 10, 11) una presión intermedia entre la presión del interior del recipiente y la del medio circundante exterior,

- y siendo las sucesivas presiones de los huelgos entre capas, de valor 10 descendente hacia el exterior; seleccionándose un escalonamiento uniforme en espesor; por lo que habiendo M capas, dichas capas son de igual espesor; y

- la presión en el volumen o huelgo contenido entre la capa n, o n-sima, empezando a contar desde el interior, y la capa siguiente hacia el exterior, corresponde al valor del producto de la diferencia de presiones P entre el interior 15 del recipiente o conducto y el exterior, por la fracción cuyo numerador es la diferencia entre el número de capas M y el número de orden de la capa más interna que confina dicho huelgo o volumen, n, y su denominador es el número total de capas, M.

20

2 – Estructura multi-capa de pared de recipiente de contención de fluidos, según reivindicación primera, caracterizada por que el establecimiento de las correspondientes presiones se hace con bombas o compresores (13) que inyectan en cada huelgo (6, 9, 10, 11) el fluido necesario para mantener la presión debida, medida con el manómetro correspondiente (26, 27, 28). 25

3 – Estructura multi-capa de pared de recipiente de contención de fluidos, según reivindicación primera, caracterizada por que el establecimiento de las correspondientes presiones se efectúa a través de válvulas reductoras de la presión (18) en cada conducto (15) de llenado de cada huelgo, ajustada cada 30 una de dichas válvulas al nivel de presión del huelgo correspondiente (9, 10, 11) tomando el fluido para rellenar dichos huelgos de la propia acometida principal (8) del fluido a alta presión.

4 – Estructura multi-capa de pared de recipiente de contención de fluidos, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que comprende válvulas de alivio (14), que liberan el fluido a un depósito auxiliar de 5 baja presión, o a la atmósfera.

5 – Estructura multi-capa de pared de recipiente de contención de fluidos, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que en cada ramal (15) de alimentación de fluido a los diversos volúmenes o huelgos (9, 10 10, 11) entre capas, se dispone una válvula todo o nada (16), que se abre cuando se inyecta o se extrae fluido, y queda herméticamente cerrada cuando la presión es la de consigna del volumen correspondiente.

6 – Estructura multi-capa de pared de recipiente de contención de fluidos, 15 según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que comprende unas válvulas de alivio (14), que liberan el fluido de los huelgos (9, 10, 11) a un depósito auxiliar de baja presión, o a la atmósfera, para lo cual cada huelgo, así como el interior del recipiente, van provistos de manómetros (25, 26, 27, 28), con los cuales se puede ordenar la apertura de cada válvula de alivio de 20 cada huelgo hasta llegar al nivel de presión proporcional a la presión interior, según la especificación correspondiente a dicho huelgo.

7 – Depósito de contención de fluidos que comprende una estructura multi-capa de pared de recipiente de contención de fluidos, según lo 25 especificado en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que, el depósito es de sección cilíndrica de radio R0, con una presión P respecto del exterior, y usando un material cuya tensión de aro máxima en esa aplicación es A, se fija que la presión en el primer huelgo o huelgo más interior, P1, tiene un valor que es función del radio seleccionado R1 exterior de la primera capa, la 30 cual tiene pues una razón de radios Z1 definida por

Z1 = R1/R0

con lo cual se genera un parámetro característico de la capa, denominado H1 determinado por

H1 = ((Z12 + 1)/(2·A·Z12/P)) - ((Z12 - 1)/(2·Z12))

el cual determina a su vez la razón de radios Ze de la capa exterior a ese huelgo, y en ella se da el mismo valor máximo de la tensión de aro A, siendo 5

Ze2 = (1 + H1)/(1 – H1)

y a su vez se obtiene que la presión en ese huelgo es

P1 = A·H1

lo cual define unívocamente la primera capa, a la cual se le añade el huelgo, de espesor despreciable comparado con el radio R1 exterior de dicha primera capa; 10 que es a su vez el radio interior de la capa exterior, siendo el radio exterior Re de la capa exterior

Re = R1·Ze

pudiendo aplicarse de nuevo la partición a dicha capa exterior, dividiéndose ésta en una capa desde R1 hasta R2, más otra exterior desde R2 a R’e, con presión en 15 la cara de radio R1 de valor P1, determinándose el parámetro H2 a partir de la razón de radios Z2, más su parámetro caracterizador H2,

Z2 = R2/R1

H2 = ((Z22 + 1)/(2·A·Z22/P1)) - ((Z22 - 1)/(2·Z22))

P2 = A·H2 20

y siendo el nuevo radio exterior R’e

R’e = R2·Z’e

Z’e = (1 + H2)/(1 – H2)

de donde se obtiene la definición completa de la segunda y la tercera capa; o capa exterior, pudiendo volver a partir esta capa exterior en dos, repitiendo la 25 prescripción.

8 – Depósito de contención de fluidos que comprende una estructura multi-capa de pared de recipiente de contención de fluidos, según la reivindicación 7, caracterizado por que, se considera una superficie cilíndrica de 30 su pared, que puede ser la superficie del interior del recipiente, o la cara interior de una capa adyacente a un huelgo interior de la pared, de radio RD, y en dicha superficie cilíndrica se aplica una presión PD, usando en las capas de la pared un material cuya tensión de aro máxima en esa aplicación es A, y dicha pared o corona circular de pared está sometida a una presión PF en una superficie 5 cilíndrica de radio RF que es la cara exterior de la capa más externa de las dos capas que conforman la pared entre dichos radios RD y RF, ubicándose el radio del huelgo intermedio entre ellos en RM, definidos estos dos últimos radios por

RM = ZD·RD

RF = ZF·RM 10

siendo las razones de los radios de cada capa, de más adentro, ZD, y de más afuera, ZF, los dados por la expresión

ZF2 = ZD2 = (2·(1+HD)+ ( 4·(1+HD)2+4·(4·HF+3 -HD)·(1+HD) )1/2)/(2·(4·HF+3 -HD))

siendo correspondientemente HD = PD/A y HF = PF/A; que son valores dados por las condiciones de contorno, y siendo la presión en el huelgo intermedio 15

PM = HM·A

en la cual su parámetro HM está determinado por

HM = (1+ HD + HF + HD·HF)1/2 - 1

y en caso de que el huelgo tuviera un espesor no despreciable, hM, habría que corregir la definición del radio RF según se indica 20

RF = ZF·(RM + hM)

9 – Depósito de contención de fluidos que comprende una estructura multi-capa de pared de recipiente de contención de fluidos, según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 8, caracterizado por que, teniendo el depósito una 25 sección de radio R0, con una presión P respecto del exterior, y usando un material cuya tensión de aro máxima en esa aplicación es A, se reparte la presión P en M tramos iguales, siendo M el número de capas, y llamando huelgo j al que se encuentra al exterior de la capa j, se tienen los valores de la presión Pj en el huelgo j y el parámetro Nj asociado 30

Pj = P·(M-j)/M

Nj = N·M/(M-j) = A/Pj

siendo el espacio interior del recipiente el que hace de huelgo 0 en la condición de contorno interior, es decir

P0 = P

N = A/P 5

y por conveniencia de escritura se define el parámetro Hj como el inverso de Nj

Hj = 1/Nj

siendo HM = 0, por tomarse presión nula en el exterior del todo; con lo cual en cada capa se puede expresar su tensión de aro máxima, siempre la misma, como función de la razón de sus radios, Zj, y las presiones Pj-1 y Pj 10

A = Pj-1((Zj2 + 1)/(Zj2 -1)) - Pj (2·Zj2/(Zj2 - 1))

1 = Hj-1((Zj2 + 1)/(Zj2 - 1)) - Hj (2·Zj2/(Zj2 - 1))

de la cual se obtiene la definición de las sucesivas razones entre radios mayor y menor de cada capa

Zj2 = (1 + Hj-1)/(2·Hj + 1 – Hj-1) 15

con lo que queda unívocamente definido el conjunto de las M capas, por las presiones en los sucesivos huelgos, y los radios de sus capas, comenzando por

R1 = R0·Z1

R2 = R1·Z2

y así sucesivamente; y en caso de que los huelgos sean de espesor no 20 despreciable, en cada huelgo, número de orden j, se diferencia entre su radio interno, Rji y radio externo Rje, llamando hj al espesor del huelgo que se sitúa más afuera de la capa j, siendo

R1i = R0·Z1

R1e = R1i + h1 25

R2i = R1e·Z2

R2e = R2i + h2

y así sucesivamente.

10 – Depósito de contención de fluidos que comprende una estructura multi-capa de pared de recipiente de contención de fluidos, según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, caracterizado por que siendo f el coeficiente de dilatación lineal del material de la capa y E su módulo de elasticidad, el escalonamiento de temperaturas que se impone corresponde a que la diferencia 5 de temperatura Dn entre la cara interior de la capa enésima y su cara exterior, es

Dn = (Pni – Pne)/(f·E)

siendo Pni y Pne respectivamente las presiones en la cara interior y exterior de dicha capa n-sima.

10

11 – Depósito de contención de fluidos que comprende una estructura multi-capa de pared de recipiente de contención de fluidos, según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, caracterizado por que cuando la temperatura en su interior está por debajo de la existente en el exterior circundante, se añade un huelgo exterior adicional (22) y una capa exterior (23) adicional, de material 15 aislante térmico sin propiedades de resistencia mecánica, manteniendo el huelgo adicional exterior a la temperatura del interior del recipiente, y con presión igual a la exterior circundante, efectuando la refrigeración del fluido de dicho huelgo exterior mediante dispositivos al uso.

20

12 – Depósito de contención de fluidos que comprende una estructura multi-capa de pared de recipiente de contención de fluidos, según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11, caracterizado por que cuando hay una conexión de penetración tipo racor entre dos conductos, o un conducto y un recipiente, en el huelgo más interno de la pared del conducto exterior se impone una presión más 25 alta que la del fluido que se almacena o se trasiega dentro de esos conductos.