WO2011042578A1 - Sistema de afinador de vacío o getter no evaporable - Google Patents

Sistema de afinador de vacío o getter no evaporable Download PDF

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Noelia MARTÍNEZ SANZ
Javier ASENSIO PÉREZ ULLIVARRI
Pablo José BOMBIN ORTEGA
Javier PELÁEZ FOMBELLIDA
José Ángel RICO SÁNCHEZ
Daniel CRISTÓBAL RAMÍREZ
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Abengoa Solar New Technologies, S.A.
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    • Y02E10/44—Heat exchange systems

Definitions

  • the present invention describes a non-evaporable vacuum tuner or getter system for solar energy receiving tubes.
  • Getters are solid materials, alloys of different metals, capable of chemically absorbing gas molecules on their surface. They are widely used for a variety of applications such as particle accelerators, vacuum tubes, inert gas purification systems, and so on.
  • the non-evaporable getter of the invention will be used in a vacuum tube of those used as solar receivers.
  • these receivers consist of two concentric tubes between which the vacuum is generated.
  • the inner tube, through which the heating fluid circulates, is metallic and the outer tube is made of glass, usually borosilicate.
  • a bellows-shaped expansion compensating device is placed, so that it allows relative movement between the absorbent and glass tube, absorbing the tensions that would be created by the difference between the expansion coefficients of both and thus guaranteeing the vacuum.
  • this type of tube requires the installation of materials that detect and suppress hydrogen molecules that can be introduced into the vacuum zone. These molecules are produced by the thermal degeneration suffered by the oil that is used as a heat transfer fluid and circulates inside the metal tube, due to the high temperatures it reaches. These molecules end up passing through the metal tube and entering the vacuum zone, increasing thermal losses and, consequently, significantly reducing the efficiency of the system.
  • alloys of the non-evaporable getter type are always installed in the vacuum zone so that, in the case of any H 2 molecule, it is captured by the surface of this material.
  • non-evaporable getter In the developments known so far there are different non-evaporable getter designs that are located in different locations within the vacuum zone.
  • An example is found in US Patent 2007/0034204 A1 of SCHOTT.
  • a non-evaporable getter is disposed in an outer annular space between the expansion compensating device and the glass-metal transition element.
  • the getter is protected from solar radiation incident by the transition element glass-metal and reflected radiation, by the expansion compensating device.
  • there is a structure that radially, from inside to outside, is composed of the metal tube, connection element, expansion compensating device, non-evaporable getter, glass-metal transition element and glass tube.
  • This arrangement has a series of disadvantages such as: increasing the minimum diameter of glass tube necessary to house all these elements inside, subjecting the getter to the mechanical stresses suffered by the expansion compensation bellows, the need to introduce the round pads to getter in a sheath and with a protective mesh that rubs against the expansion compensation device and, in the case of needing more material to increase absorption, there is no choice but to increase the size or number of the tablets getter, which implies increasing the diameter of the glass tube.
  • the assembly is very artisanal and there is no way to automate it, so the pads that make up the getter are thin and very fragile.
  • the present invention aims to provide a design for the non-evaporable getter of the absorber tubes that solves all these inconveniences without decreasing the efficiency of the system.
  • the invention consists of a non-evaporable getter system for the absorption of hydrogen that could be produced in the vacuum zone of a solar energy absorber tube.
  • the function of the non-evaporable getter despite its importance, does not interfere with the main purpose of the receiving tube, which is to maximize its thermal efficiency. Its disposition must allow this situation without compromising its function of guaranteeing the correct aging of the product.
  • the getter system of the invention is formed from square-shaped pads with rounded edges and with a central hole, all of them connected by a cable that is introduced by said holes.
  • This composition avoids having to have a sheath and a protective mesh in which the tablets are housed, as in the prior art.
  • FIG. 3 Set of non-evaporable getters linked to the cable
  • FIGS 7-12 Quick closing 1. Closing views and assembly views
  • FIGS 16-18 Quick closing 4. Closing views and assembly views
  • Figure 4 shows the location of the assembly at the end of the receiver tube. This figure distinguishes the assembly formed by the pads (1), the metal absorber tube (4) within which the heat transfer fluid circulates, the glass tube (5), the expansion compensator or bellows (6), the vessel (7), the vessel being understood as inferring the piece between the tube (4) and the expansion compensator (6) and the lid (8).
  • the fact of placing the set of linked getters in an area defined by the vessel (7) makes it possible to use a shape in the prismatic rounded edge pads, which take better advantage of the space than a cylindrical geometry.
  • the ring of linked getters is placed next to the compensating device of the expansion (6) so that it is prevented from being damaged by the bellows waves when they work.
  • This non-evaporable getter system is specially designed for application in solar energy receiving vacuum tubes, but its extension to other fields of industry that require similar characteristics is not ruled out.

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Abstract

Sistema de afinador de vacío o getter no evaporable de los utilizados en tubos de vacío de receptor solar que comprende una serie de pastillas de material getter no evaporable que tienen una geometría en forma de prisma con las esquinas redondeadas y están taladradas por su centro y enlazadas por un cable terminado en un cierre rápido que permite automatizar su montaje. Este sistema se ubica a continuación del dispositivo compensador de expansión en forma de fuelle en dirección longitudinal, no radial, y en el hueco definido por el vaso que es la pieza de interfase entre el tubo absorbedor y el dispositivo compensador de expansión. Se coloca un sistema de getter en cada uno de los dos extremos del tubo receptor mediante disposición radial, logrando así tener un tubo receptor de geometría totalmente simétrica.

Description

SISTEMA DE AFINADOR DE VACÍO O GETTER NO EVAPORABLE
Sector técnico de la invención
La presente invención describe un sistema de afinador de vacío o getter no evaporable para tubos receptores de energía solar.
Antecedentes de la invención
Los getters son materiales sólidos, aleaciones de diferentes metales, capaces de absorber químicamente moléculas de gas en su superficie. Son ampliamente usados para una variedad de aplicaciones como en aceleradores de partículas, tubos de vacío, sistemas de purificación de gas inerte, etcétera.
El getter no evaporable de la invención será utilizado en un tubo de vacío de los que se emplean como receptores solares. En general, estos receptores constan de dos tubos concéntricos entre los cuales se genera el vacío. El tubo interior, por el que circula el fluido que se calienta, es metálico y el tubo exterior es de vidrio, habitual- mente de borosilicato.
Entre ambos tubos se coloca un dispositivo compensador de expansión en forma de fuelle, de manera que permite el movimiento relativo entre el tubo absorbente y de vidrio, absorbiendo las tensiones que se crearían por la diferencia existente entre los coeficientes de dilatación de ambos y garantizando así el vacío.
Además del dispositivo compensador de expansión, este tipo de tubos requiere la instalación de materiales que detecten y supriman las moléculas de hidrógeno que pueden introducirse en la zona del vacío. Estas moléculas se producen por la degeneración térmica que sufre el aceite que se utiliza como fluido caloportador y que circula por el interior del tubo metálico, debido a las altas temperaturas que alcanza. Estas moléculas acaban pasando a través del tubo metálico y entrando en la zona de vacío, aumentando las pérdidas térmicas y, en consecuencia, disminuyendo de manera importante la eficiencia del sistema.
Es por eso que siempre se instalan aleaciones del tipo getter no evaporable en la zona de vacío para que, en el caso de que haya alguna molécula de H2, sea captada por la superficie de este material.
En los desarrollos conocidos hasta el momento existen diferentes diseños de getter no evaporables que se ubican en distintas localizaciones dentro de la zona de vacío. Un ejemplo se encuentra en la patente US 2007/0034204 A1 de SCHOTT. En este documento un getter no evaporable está dispuesto en un espacio anular exterior entre el dispositivo compensador de expansión y el elemento de transición vidrio-metal. El getter es protegido de la radiación solar incidente por el elemento de transición vidrio-metal y de la radiación reflejada, por el dispositivo compensador de expansión. Así pues, queda una estructura que radialmente, de dentro a fuera, está compuesta por el tubo de metal, elemento de conexión, dispositivo compensador de expansión, getter no evaporable, elemento de transición vidrio-metal y tubo de vidrio.
Esta disposición tiene una serie de inconvenientes como son: aumento del diámetro mínimo necesario de tubo de vidrio para albergar todos esos elementos en su interior, someter al getter a los esfuerzos mecánicos que sufre el fuelle de compensación de expansión, necesidad de introducir las pastillas redondas de getter en una vaina y con una malla protectora que roza con el dispositivo de compensación de expansión y, en el caso de necesitar más cantidad de material para aumentar la absorción, no queda más remedio que aumentar el tamaño o el número de las pastillas de getter, lo que implica aumentar diámetro del tubo de vidrio. Además, como sólo se instala en uno de los dos extremos del tubo, supone que el tubo tenga distinta geometría a ambos lados. Por todo ello, el montaje es muy artesanal y no hay forma de automatizar- lo pues, además las pastillas que forman el getter son finas y muy frágiles.
Así pues, la presente invención tiene como objetivo proporcionar un diseño para el getter no evaporable de los tubos absorbedores que solvente todos esos inconvenientes sin disminuir la eficiencia del sistema.
Descripción de la invención
La invención consiste en un sistema de getter no evaporable para la absorción del hidrógeno que podría producirse en la zona de vacío de un tubo absorbedor de energía solar.
La función del getter no evaporable, a pesar de su importancia, no ha de interferir con el principal propósito del tubo receptor que es la de maximizar su rendimiento térmico. Su disposición ha de permitir esta situación sin comprometer su función de garantizar el correcto envejecimiento del producto.
Como se ha comentado anteriormente, su colocación en el estado de la técnica, originaba una geometría de carcasa diferente en uno de los dos extremos para poder alojarlo, que a su vez condicionaba el valor del diámetro del cilindro de vidrio o boro- silicato.
Para solventar los problemas encontrados en el estado de la técnica conocido, se han desarrollado nuevas propuestas de diseño vinculadas a la geometría y disposición del conjunto getters no evaporables. Conocidas las necesidades en cuanto a la cantidad de materia de getter para tubos de 4 m. de longitud y una vida media de 25 años de planta, si esta cantidad se reparte entre los dos extremos del tubo, mediante disposición radial, ya no es necesario recurrir a su disposición en una parte exterior del tubo receptor, pues geometrías toroidales de menor diámetro darían una cantidad equivalente, al colocarlo en ambos extremos. De esta forma se puede optimizar un espacio que de otra forma se perdería al no utilizar más que un lado del tubo receptor para ubicarlos.
Con respecto a la geometría, el sistema de getters de la invención se forma a base de pastillas de forma cuadrada con los bordes redondeados y con un taladro central, unidas todas ellas por un cable que se introduce por dichos taladros. Con esta composición se evita el tener que disponer de una vaina y una malla protectora en la que se albergan las pastillas, como ocurre en el estado de la técnica.
En cuanto a su disposición en el tubo, como propuesta se asume la posibilidad de colocar los getters no evaporables en la zona interior del vaso soporte del dispositivo compensador de expansión, es decir, a continuación del fuelle en dirección axial. Además, en esa ubicación, el diámetro del anillo de getters será menor. La menor cuerda donde se disponen las pastillas se compensa con la utilización de los dos extremos del tubo de tal forma que se garantice una masa de getter no evaporable suficiente y se consiga simetría en el tubo, pues los dos extremos serán idénticos. Esta simetría (no existente en las soluciones actuales) supone una ventaja térmica y de fabricación, gracias a la unificación de componentes y debido a que permite la optimización del tubo (se utiliza el hueco del vaso a ambos lados del tubo y no sólo en uno como en la solución actual).
Esta nueva disposición también implica que si se quiere aumentar la cantidad de getter no se requiere más que aumentar el ancho de las pastillas, pues en ese sentido hay espacio de sobra, sin necesidad de aumentar el diámetro del tubo de vidrio para añadir más pastillas, lo que supone un ahorro de costes y mayor eficiencia al no aumentar las pérdidas.
En cuanto al cierre del cable que une todas las pastillas, se proponen varias posibilidades y todas ellas permiten automatizar el proceso. Estas soluciones se describirán más adelante, en la descripción detallada de la invención. Descripción de los dibujos
Para completar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de la invención, se acompaña un juego de dibujos donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1. Pastilla getter no evaporable
Figura 2. Cable de unión de pastillas con el cierre rápido 2
Figura 3: Conjunto de getters no evaporables enlazados con el cable
Figura 4: Disposición del getter no evaporable en el tubo receptor
Figura 5: Vista en perspectiva del conjunto
Figura 6: Vista en planta del conjunto
Figuras 7-12: Cierre rápido 1. Vistas del cierre y vistas del conjunto
Figuras 13-15: Cierre rápido 3. Vistas del cierre y vistas del conjunto
Figuras 16-18: Cierre rápido 4. Vistas del cierre y vistas del conjunto
Figura 19: Pinzas de sujeción
Realización preferente de la invención
Para lograr una mayor comprensión de la invención a continuación se va a describir el nuevo diseño de getter no evaporable según una realización preferente.
La idea a la hora de modificar este conjunto comienza con la idea de agujerear las pastillas (1), como se ve en la figura 1 , para poder colocar un cable metálico (2) en su interior que sirva de guía, tal y como el que muestra la figura 2, con un cierre rápido que puede ser de varios tipos (3', 3", 3'", 3IV) que se detallarán más adelante. Así se permite la formación de un único conjunto, tal y como se ve en la figura 3. De esta manera se evita el tener que ir introduciendo las pastillas de getter en una vaina, como ocurría hasta ahora.
En la figura 4 se muestra la ubicación que toma el conjunto en el extremo del tubo receptor. En esta figura se distingue el conjunto formado por las pastillas (1), el tubo absorbedor metálico (4) dentro del cual circula el fluido caloportador, el tubo de vidrio (5), el dispositivo compensador de expansión o fuelle (6), el vaso (7), entendiendo por vaso la pieza inferíase entre el tubo (4) y el compensador de expansión (6) y la tapa (8). El hecho de colocar el conjunto de getters enlazados en una zona definida por el vaso (7) permite utilizar una forma en las pastillas prismática de bordes redondeados, que aproveche mejor el espacio que una de geometría cilindrica.
Además, el anillo de getters enlazados se coloca a continuación del dispositivo com- pensador de la expansión (6) por lo que se evita que se vea dañado por las ondas del fuelle cuando trabajan.
También se comprueba que en esta posición el diámetro del anillo es mucho menor que si se colocase envolviendo radialmente al fuelle (6), por lo que se puede disminuir el diámetro del tubo de borosilicato (5) con el consiguiente ahorro.
En cuanto a la idea de su montaje se trata de colar las pastillas (1) por un cable de acero (2) y realizar el cierre del anillo mediante un sistema de cierre rápido (3', 3", 3"', 3i ), de manera que se pueda automatizar esta operación. Posteriormente este conjunto se ha de ubicar en el hueco del vaso (7), aprovechándose de la flexibilidad del mismo.
Se han contemplado diferentes sistemas de cierre rápido (3', 3", 3"\ 3IV) atendiendo a criterios de funcionabilidad (facilidad de manejo), estandarización y coste (productos existentes frente a diseños propios).
Las diferentes posibilidades son:
• Cierre rápido 1 (3') (figuras 7 a la 12): se trata de un sistema similar al que se puede encontrar en los eslabones de las cadenas de transmisión, pero en este caso utilizando dos eslabones en los extremos del cable en los que se colocan las pastillas de getter no evaporable, de tal forma que una vez ubicadas estas, colocando un pasador o remache entre los eslabones se obtenga el lazo cerrado.
· Cierre rápido 2 (3") (figura 2): se trata de un sistema tipo clip donde al presionar con una pieza macho sobre otra hembra, las tolerancias establecidas permiten garantizar el cierre permanente del lazo anterior.
• Cierre rápido 3 (3"') (figuras 13-15): se trata de dos piezas idénticas que disponen en su unión de un negativo o hembra donde se alojan ambos extremos del cable que define el lazo. La garantía del cierre está en el remache que los aprisiona y ejerce el esfuerzo de compresión. Las piezas no hacen contacto ente sus caras planas de tal forma que los esfuerzos se realizan sobre los extremos del cable e impiden su deslizamiento y liberación. • Cierre rápido 4 (3I ) (figura 16-18): este tipo de cierre consta de dos piezas soldadas a los extremos de los cables y que se introducen la una en la otra como en una cerradura, de tal forma que su geometría genera un dispositivo que impide su apertura accidental sino es manipulándola adecuadamente. Una vez montado y si fuese necesario, se podrán añadir una serie de pinzas de sujeción (figura 19) que fijen el sistema al resto de elementos del tubo absorbedor evitando posibles desplazamientos.
Este sistema de getter no evaporable está diseñado especialmente para su aplicación en tubos de vacío receptores de energía solar, pero no se descarta su extensión a otros campos de la industria que requieran características similares.

Claims

Sistema de afinador de vacío o getter no evaporable de los utilizados en tubos de vacío de receptor solar caracterizado porque comprende una serie de pastillas (1 ) de material getter no evaporable taladradas por su centro y enlazadas por un cable (2) terminado en un cierre rápido (3', 3", 3"', 3i ).
Sistema de afinador de vacío o getter no evaporable según reivindicación 1 caracterizado porque las pastillas (1) tienen una geometría en forma de prisma con las esquinas redondeadas.
Sistema de afinador de vacío o getter no evaporable según reivindicación 1 caracterizado porque que el cable está compuesto de metal.
Sistema de afinador de vacío o getter no evaporable según reivindicación 3 caracterizado porque que el cable está compuesto de acero.
Sistema de afinador de vacío o getter no evaporable según reivindicación 1 caracterizado porque el cierre (3') comprende dos eslabones en los extremos del cable en los que se colocan las pastillas de getter no evaporable, de tal forma que una vez ubicadas estas, colocando un pasador o remache entre los eslabones se obtenga el lazo cerrado.
Sistema de afinador de vacío o getter no evaporable según reivindicación 1 caracterizado porque el cierre (3") comprende un sistema tipo clip donde al presionar con una pieza macho sobre otra hembra, las tolerancias establecidas permiten garantizar el cierre permanente del lazo del cable donde se insertan las pastillas.
Sistema de afinador de vacío o getter no evaporable según reivindicación 1 caracterizado porque el cierre (3"') comprende dos piezas idénticas que disponen en su unión de un negativo o hembra donde se alojan ambos extremos del cable que define el lazo. La garantía del cierre esta en el remache que los aprisiona y ejerce el esfuerzo de compresión. Las piezas no hacen contacto ente sus caras planas de tal forma que los esfuerzos se realizan sobre los extremos del cable e impiden su deslizamiento y liberación.
Sistema de afinador de vacío o getter no evaporable según reivindicación 1 caracterizado porque el cierre (3IV) comprende dos piezas soldadas a los extremos de los cables y que se introducen la una en la otra como en una cerra- dura, de tal forma que su geometría genera un dispositivo que impide su apretura accidental sino es manipulándola adecuadamente.
Sistema de afinador de vacío o getter no evaporable según reivindicación 1 caracterizado porque se ubica a continuación del dispositivo compensador de expansión en forma de fuelle (6) en dirección axial y en el hueco definido por el vaso (7), que es la pieza de interfase entre el tubo absorbedor (4) y el compensador de expansión (6).
Sistema de afinador de vacío o getter no evaporable según reivindicación 9 caracterizado porque se coloca según una distribución radial un sistema de getter en cada uno de los dos extremos del tubo receptor, logrando así tener un tubo receptor de geometría totalmente simétrica.
Sistema de afinador de vacío o getter no evaporable según reivindicación 10 caracterizado porque el sistema se podría asegurar con una serie de pinzas de sujeción que fijan el sistema al resto de elementos del tubo absorbedor evitando posibles desplazamientos.
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