WO2011098622A1 - Nuevo dispositivo compensador de expansión y procedimiento de fabricación del mismo - Google Patents

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Noelia Martinez Sanz
Javier Asensio Perez Ullivarri
Pablo José BOMBIN ORTEGA
Javier Pelaez Fombellida
José Ángel RICO SANCHEZ
Miguel Ángel GIRONA MONTARROSO
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    • Y02E10/44—Heat exchange systems

Definitions

  • the present invention describes an expansion compensation device of those used in high concentration solar energy receiving tubes.
  • the general principle of solar thermal technology is based on the concept of the concentration of solar radiation to produce steam, which is later used in conventional power plants.
  • linear concentrators The linear concentration is easier to install with fewer degrees of freedom, but has a lower concentration factor and therefore can achieve lower temperatures than point concentration technology.
  • the invention in question revolves around one of the elements that are part of said receiver tubes namely, it is the expansion compensation device.
  • a receiver tube In general, a receiver tube consists of two concentric tubes between which vacuum is generated.
  • the inner tube, through which the fluid that is heated circulates, is metallic and the outer tube is made of glass, usually borosilicate.
  • the element described here the expansion compensating device, is placed between both tubes in a way that allows movement in the longitudinal direction of the tubes and guarantees the vacuum, absorbing the stresses that would be created by the difference between the coefficients of expansion of metal and glass.
  • the compensation element of the expansion consists of a folding bellows that joins the metallic tube by a connection element and to the glass tube by a glass-metal transition element.
  • Said connecting device has a series of drawbacks.
  • One of them is the decrease in the performance of the system because a portion of a more or less long glass tube is covered in its interior by this bellows, so that solar radiation does not penetrate the metal tube.
  • the present invention aims to devise a new compensation device that meets the requirements for this type of elements and at the same time improve its performance for products on the market.
  • the invention consists in designing a new compensation device for receiver tubes that solves the deficiencies observed in the existing ones up to now.
  • the new device consists of a bellows, such as those existing in the state of the art, but to which the simple wave has been replaced by a double wave also having an asymmetrical distribution of these.
  • the device in this way designed, would occupy 36% less than the current which means that approximately 2% of the total length of the tube is covered and does not penetrate the sun through it, compared to 4% that is covered with the devices used Until now.
  • the gain in fluid temperature would be between 0.95 and 1.2 ° C.
  • Another of the modifications that has been made has been to decrease the height of the waves of the bellows passing from a height of 52.8 mm in the existing pipes to a height of 34 mm in the new development, which supposes a reduction in height of 35.6 %.
  • Another of the improvements that have been studied is to vary the wave distribution of the fire.
  • the wave that works the most is the second wave closest to the top and that is where a higher height is required, since it is unnecessary for all bellows waves to have the maximum height, a bellows can be manufactured that has lower the waves of the ends and higher the central waves, in this way, the diameter of the glass tube can be decreased maintaining the same properties in the connection device. This decrease in the diameter of the glass tube translates into saving of borosilicate material, lower cost in the generation of vacuum, and lower thermal losses.
  • Figure 1 General view of a solar energy receiver tube
  • Figure 5 Section A of figure 4
  • the expansion compensating device is part of a solar energy receiving tube (1) as shown in said figure.
  • These tubes (1) usually have an approximate length of about 4 meters and are located in the linear focus of a parabolic trough collector by means of supports (2) as shown in the figure, in this way, the height of the tube with respect to the ground varies with the monitoring of the collector to the sun, being located in a range of 4 to 5.5 m.
  • the tube (1) is formed, generally, by a metal tube (3) through which the heat transfer fluid circulates . That tube (3) is surrounded by a glass cover (4), generally borosilicate and leaving a space with vacuum (5) between both tubes. In this space (5) the vacuum is generated to avoid heat losses.
  • the expansion compensating devices (6) are placed in the form of double bellows, which are responsible for compensating the difference of coefficients of expansion between the glass (4) and the metal ( 3), allowing movements in the longitudinal direction.
  • the tube ends with a piece (7) in the form of a lid.
  • Figure 3 corresponds to an isometric view
  • Figure 4 shows a plan view
  • Figure 5 shows a section of the expansion compensating device.
  • Figure 6 shows detail B of the device. Here it is verified that it is designed with a double bellows, so that the waves of the outer bellows (9) are facing the glass tube (4) and those of the inner bellows (10) to the metal tube (3).
  • Figure 7 contains the detail C indicated in figure 5. It shows how the finishing of one of the ends of the device (6) is carried out.
  • the manufacturing process of the expansion compensating device consists in the manufacture of two concentric bodies using the hydroforming technique.
  • Basic- It is a process of shaping a material (usually a metal) by the action of a high-pressure fluid.
  • the most common application consists of forming a steel tube against the walls of a matrix that has the shape of a bellows, by introducing a fluid at high pressure.
  • a simultaneous axial compression can also be used to avoid excessive thinning of the tube thickness in areas subjected to a strong expansion. Both pieces thus obtained are welded by microplasma to a metallic ring of the same material to define the final assembly of the expansion compensating mechanism.

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Abstract

Nuevo dispositivo compensador de expansión y procedimiento de fabricación del mismo, de los utilizados en los tubos absorbedores de energía solar que cuenta con un diseño de doble fuelle donde la altura de las ondas' del fuelle no es regular, si no que es más alta la segunda onda (donde soporta más carga) y va disminuyendo hacia los extremos. Con este diseño se consigue mejorar el rendimiento del receptor pues se acorta la longitud del dispositivo y en consecuencia hay más superficie que recibe la radiación solar así como se disminuye el diámetro necesario de tubo de vidrio y por tanto su coste.

Description

NUEVO DISPOSITIVO COMPENSADOR DE EXPANSIÓN Y PROCEDIMIENTO DE FABRICACIÓN DEL MISMO
Sector técnico de la invención
La presente invención describe un dispositivo de compensación de expansión de los utilizados en los tubos receptores de energía solar de alta concentración.
Antecedentes de la invención
El principio general de la tecnología termosolar está basado en el concepto de la concentración de la radiación solar para producir generalmente vapor, que es utilízado posteriormente en plantas eléctricas convencionales.
La captación de energía solar, que tiene una densidad relativamente baja, es uno de los mayores retos en el desarrollo de plantas termosolares. Existen dos tipos de concentradores solares: concentradores lineales y concentradores puntuales. La concentración lineal es más fácil de instalar al tener menos grados de libertad, pero tiene un factor de concentración menor y por lo tanto puede alcanzar menores temperaturas que la tecnología de concentración puntual.
Es por eso que se trata de avanzar en el desarrollo de los tubos receptores usados en la concentración lineal, para tratar de aumentar la eficiencia de captación de éste y disminuir las pérdidas térmicas, de manera que el rendimiento global de la planta de concentración se vea incrementado.
La invención que nos ocupa gira en torno a uno de los elementos que forman parte de dichos tubos receptores concretamente, se trata del dispositivo de compensación de expansión.
En general, un tubo receptor consta de dos tubos concéntricos entre los cuales se genera vacío. El tubo interior, por el que circula el fluido que se calienta, es metálico y el tubo exterior es de vidrio, habitualmente de borosilicato.
El elemento que aquí se describe, el dispositivo compensador de expansión, se coloca entre ambos tubos de manera que permite el movimiento en sentido longitudinal de los tubos y garantiza el vacío, absorbiendo las tensiones que se crearían por la diferencia existente entre los coeficientes de dilatación del metal y del vidrio.
Se conocen en el estado de la técnica varios desarrollos para este elemento, pero el que mejor resultados ofrece es el divulgado por SCHOTT en la patente US 7013887. En dicho documento el elemento de compensación de la expansión consiste en un fuelle plegable que se une al tubo metálico por un elemento de conexión y al tubo de vidrio por un elemento de transición vidrio-metal.
Dicho dispositivo de conexión presenta una serie de inconvenientes. Uno de ellos es la disminución del rendimiento del sistema porque una porción de tubo de vidrio más o menos larga está cubierta en su interior por este fuelle, de manera que no penetra la radiación solar al tubo de metal.
Otro inconveniente se deriva de la altura de las ondas del fuelle. La altura de estas ondas es la que determina el diámetro que debe tener el tubo de borosilicato, pues el dispositivo de compensación de expansión se sitúa en su interior. Por tanto, cuanto más altas sean, más diámetro de tubo se requiere, lo que encarece el producto y aumenta las pérdidas térmicas.
Por todo ello, la presente invención tiene como objetivo idear un nuevo dispositivo de compensación que cumpla con los requerimientos exigidos para este tipo de elementos y al mismo tiempo mejore su rendimiento de cara a los productos existentes en el mercado.
Descripción de la invención
La invención consiste en diseñar un nuevo dispositivo de compensación para tubos receptores que solvente las deficiencias observadas en los existentes hasta el momento.
El nuevo dispositivo consiste en un fuelle, como los existentes en el estado de la técnica, pero al que se le ha sustituido la onda simple por una doble onda contando además con una distribución asimétrica de éstas.
Con el uso de la onda doble se consigue disminuir la longitud necesaria de dispositivo hasta un 40% de lo conocido hasta el momento, con la consiguiente ganancia de longitud del tubo de vidrio a través de la cual penetra la radiación solar y por tanto, un considerable aumento de la cantidad de radiación solar que llega al tubo absorbedor de metal y en el rendimiento de todo el sistema.
El dispositivo de esta manera diseñado, ocuparía un 36% menos que el actual lo que supone que aproximadamente un 2 % de la longitud total del tubo queda cubierta y no penetra el sol por ella, frente al 4 % que se cubre con los dispositivos utilizados hasta el momento.
Gracias a esto se consigue un incremento de la eficiencia térmica en el colector de entre 0,8 y 0,9%.
Por tanto, para un lazo típico de colector cilindroparabólico de 50 MWe compuesto por 144 tubos la ganancia en temperatura de fluido sería de entre 0.95 y 1 ,2 °C. Otra de las modificaciones que se ha realizado ha sido disminuir la altura de las ondas del fuelle pasando de un alto de 52.8 mm en los tubos ya existentes a un alto de 34 mm en el nuevo desarrollo, lo que supone una reducción en altura del 35.6%. Otra de las mejoras que se han estudiado es variar la distribución de ondas del fue- lie. Es decir, se ha comprobado que la onda que más trabaja es la segunda onda más cercana a la tapa y es ahí donde se requiere una mayor altura, pues es innecesario que todas las ondas del fuelle tengan la altura máxima, se puede fabricar un fuelle que tenga menores las ondas de los extremos y más altas las ondas centrales, de esta manera, se puede disminuir el diámetro del tubo de vidrio manteniendo las mismas propiedades en el dispositivo de conexión. Esta disminución del diámetro del tubo de vidrio se traduce en ahorro de material de borosilicato, menor coste en la generación del vacío, y menores perdidas térmicas.
Así pues, con este nuevo diseño se ha conseguido aumentar el rendimiento de concentración de calor en el tubo absorbedor, así como disminuir el tamaño y el coste de fabricación del tubo.
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 : Vista general de un tubo receptor de energía solar
Figura 2: Sección del tubo receptor
Figura 3: Vista ¡sométrica del dispositivo compensador de expansión
Figura 4: Vista en planta del dispositivo compensador de expansión
Figura 5: Sección A de la figura 4
Figura 6: Detalle B de la figura 5
Figura 7: Detalle C de la figura 5
Figura 8: Detalle del ensamblaje del dispositivo compensador de expansión en el tubo
Realización preferente de la invención
Para facilitar la comprensión de la invención a continuación se va a describir el dispositivo compensador de expansión según una realización preferente.
En primer lugar y según se observa en la figura 1 , el dispositivo compensador de expansión forma parte de un tubo receptor de energía solar (1) como el que se muestra en dicha figura. Estos tubos (1) suelen tener una longitud aproximada de unos 4 metros y se sitúan en el foco lineal de un colector cilindroparábolico mediante unos soportes (2) como se muestran en la figura, de esta manera, la altura del tubo con respecto al suelo varía con el seguimiento del colector al sol, situándose en un rango de 4 a 5,5 m.
Profundizando un poco más en la estructura de un tubo receptor (1) y con ayuda de la figura 2, comprobamos que el tubo (1) está formado, generalmente, por un tubo metálico (3) por el interior del cual circula el fluido caloportador. Ese tubo (3) se rodea de una cubierta de vidrio (4), generalmente de borosilicato y dejando un espacio con vacío (5) entre ambos tubos. En este espacio (5) se genera el vacío para evitar que se produzcan pérdidas de calor. En cada uno de los extremos del tubo (1) se colocan los dispositivos compensadores de expansión (6) en forma de fuelle doble, que son los encargados de compensar la diferencia de coeficientes de dilatación existente entre el vidrio (4) y el metal (3), permitiendo los movimientos en sentido longitudinal. El tubo termina con una pieza (7) en forma de tapa.
En las figuras 3, 4 y 5 se muestran diferentes vistas del dispositivo (6) de la invención.
La figura 3 corresponde a una vista isométrica, la figura 4 a una vista en planta y la figura 5 a una sección del dispositivo compensador de expansión.
La figura 6 muestra el detalle B del dispositivo. Aquí se comprueba que está diseña- do con un doble fuelle, de manera que las ondas del fuelle exterior (9) están enfrentadas al tubo de vidrio (4) y las del fuelle interior (10) al tubo metálico (3).
También se observa la distribución en alturas asimétrica que tienen las ondas, siendo más elevada la segunda onda (8) más cercana a la tapa (7), debido a que es la que soporta en mayor medida los esfuerzos y va disminuyendo la altura hacia las ondas de los extremos.
Este diseño de diferencia de altura en ondas y la disposición de éstas de mayor a menor longitud permite disminuir el diámetro del tubo de borosilicato (4) ya que es la última onda del fuelle la que condiciona el diámetro del tubo. Al ser ésta la de menor tamaño permite que el diámetro del tubo de borosilicato de esta invención sea menor que los empleados actualmente, con el consiguiente ahorro económico.
La figura 7 contiene el detalle C que se señalaba en la figura 5. En él se comprueba cómo está realizado el acabado de uno de los extremos del dispositivo (6). El proceso de fabricación del dispositivo compensador de expansión consiste en la fabricación de dos cuerpos concéntricos mediante la técnica de hidroconformado. Básica- mente se trata de un proceso de conformado de un material (generalmente un metal) mediante la acción de un fluido a alta presión. La aplicación más común consiste en el conformado de un tubo de acero contra las paredes de una matriz que tiene la forma de fuelle, mediante la introducción de un fluido a alta presión. Puede emplear- se además una compresión axial simultánea para evitar un excesivo adelgazamiento del espesor del tubo en las zonas sometidas a una fuerte expansión. Ambas piezas así obtenidas se sueldan por microplasma a un anillo metálico del mismo material para definir el conjunto final del mecanismo compensador de expansión.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Nuevo dispositivo compensador de expansión de los utilizados en los tubos receptores de energía solar caracterizado porque está formado por dos pie- zas simétricas en forma de fuelle enfrentadas, las cuales tienen una distribución de ondas asimétrica, siendo la segunda onda (8) comenzando a contar por el extremo del dispositivo más próximo a la tapa (7) del tubo receptor la más alta y disminuyendo la altura de las ondas a medida que se aproximan a los extremos del dispositivo.
2. Nuevo dispositivo compensador de expansión según reivindicación primera caracterizado porque la altura de las ondas del fuelle poseen un máximo en su altura de 34 mm.
3. Nuevo dispositivo compensador de expansión según reivindicación primera caracterizado porque la longitud del dispositivo compensador de expansión no alcanza el 2 % de la longitud total del tubo.
4. Procedimiento de fabricación del dispositivo compensador de expansión como el descrito en las reivindicaciones anteriores caracterizado porque los dos cuerpos concéntricos en forma de fuelle se fabrican mediante la técnica de hidroconformado, conformando un tubo contra las paredes de una matriz que tiene la forma de fuelle, mediante la introducción de un fluido a alta presión.
Ambas piezas así obtenidas se sueldan por microplasma o equivalente a un anillo del mismo material para definir el conjunto final del dispositivo compensador de expansión.
5. Procedimiento de fabricación del dispositivo compensador de expansión según reivindicación cuarta caracterizado porque se aplica una compresión axial simultánea para evitar un excesivo adelgazamiento del espesor del tubo en las zonas sometidas a una fuerte expansión.
6. Procedimiento de fabricación del dispositivo compensador de expansión según reivindicación cuarta caracterizado porque tanto los tubos como el anillo se fabrican en metal, generalmente acero.
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