WO2014020185A1 - Recipiente de alta presión para soportar ciclos de trabajo a fatiga - Google Patents

Recipiente de alta presión para soportar ciclos de trabajo a fatiga Download PDF

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Definitions

  • the present invention is related to high pressure vessels, proposing a vessel that has a structural embodiment suitable to withstand very high pressures, of the order of 6,000 bars or higher, and to work with continuous loading and unloading cycles.
  • hyperbaric pasteurization also called HPP ("High Pressure Processing")
  • HPP High Pressure Processing
  • a method for processing foods that involves subjecting them to a high level of hydrostatic pressure, with pressures greater than 6,000 bars, during a short period of weather. Pressurization of food above 6,000 bar inactivates the vegetative microorganisms present in food, maintaining the properties of treated foods, without affecting their taste or nutritional value.
  • an appropriate container for the processing of food by high pressure pasteurization is proposed, although it can be used for other types of industrial processes where a container capable of withstanding pressures greater than 6,000 bars in work cycles is required continuous loading and unloading of the pressure inside the vessel.
  • the container object of the invention is formed by coaxial cylinders spaced apart, determining between each two adjacent coaxial cylinders a gap where a pressurized fluid is introduced, such as water.
  • the container has sealing plugs that are arranged at both ends, to establish a tight seal, these caps allowing access to the inside of the container, where the product to be treated is arranged.
  • the pressure of the fluid present in each defined gap between coaxial cylinders increases as the distance inside the container decreases, thereby establishing a differential pressure between each two adjacent coaxial cylinders, thus limiting the pressure that the material of the cylinders must withstand coaxial
  • the gaps furthest from the interior of the container are hermetically sealed by means of permanent annular gaskets that are disposed between the respective adjacent coaxial cylinders, while the gaps closest to the interior of the container are hermetically sealed by means of inner annular gaskets that are they establish between the coaxial cylinders and the sealing plugs of the container.
  • the coaxial cylinders have a decreasing length as the distance inside the container decreases, and the sealing plugs have a stepped shape, between the ends of each coaxial cylinder and the steps of the sealing plugs being a space where the pressurized fluid compresses axially to coaxial cylinders. This improves the stress state of the coaxial cylinders, thereby increasing the service life. of the container.
  • a container is thus obtained which, due to its constructive and functional characteristics, is of preferred application for the function to which it is intended in relation to fatigue work, in applications that have to withstand pressures greater than 6,000 bar continuous load cycles and discharge.
  • Figure 1 shows a longitudinal sectional view of a very high pressure vessel for supporting fatigue work cycles, according to the object of the invention.
  • Figure 2 shows a cross-sectional view of the container.
  • Figure 3 is an enlarged sectional detail of the upper end portion of the container.
  • Figure 4 is a longitudinal sectional view where pressure inlet entries are seen in the holes defined between the coaxial cylinders of the container.
  • FIG. 1 A longitudinal sectional view of a container according to the present invention is shown in Figure 1, into which a product (1) to be treated is introduced.
  • the products to be treated are foods that are subjected to high pressure by means of a process called high pressure pasteurization (HPP), although the container can be used in any industrial process that requires a container capable of withstanding working pressures of more than 6,000 bars.
  • HPP high pressure pasteurization
  • the container is formed by coaxial cylinders (2), which are spaced apart from each other, so that between each two adjacent coaxial cylinders (2) a gap (3) is defined where a pressurized fluid is introduced, such as for example Water.
  • a pressurized fluid such as for example Water.
  • the pressure of the fluid in the holes (3) is determined in such a way that it increases progressively as the distance of said holes (3) inside the container decreases, whereby the material of the coaxial cylinders (2) is found in a state of tensions appropriate for his work.
  • the ends of the container are hermetically sealed by means of sealing plugs (4), which allow access to the interior of the container, where the product (1) to be treated is housed.
  • the plugs (4) are provided to be threaded to the inner wall of the coaxial cylinder (2) farther from the interior of the container, but they can also be threaded to the inner walls of the rest of the coaxial cylinders (2).
  • the container has a cap (4) at each end, although it is evident that one of the caps (4) could be permanently attached to the container, so that there would be a single entrance to the interior of the container.
  • each hole (3) defined between two coaxial cylinders (2) has an inlet pipe (8) to introduce the pressurized fluid.
  • the application of pressure through the inlet pipes (8) is carried out by means of a pumping system (not shown), which allows the pressures to vary at will during the loading or unloading process of the interior of the container where it is arranged the product (1) to be treated.
  • the sealing of the holes (3), where the fluid is introduced at different pressures, is carried out by means of annular sealing gaskets.
  • the gap (3) defined between the coaxial cylinders (2) that are furthest from the inside of the container is sealed sealed by means of permanent annular joints (5) which have between the side walls of the adjacent coaxial cylinders (2); while the holes (3) that are closer to the inside of the container are sealed tightly by means of inner annular joints (6) that are arranged between the inner side wall of each coaxial cylinder (2) and the caps (4 ) shutters.
  • the holes (3) hermetically sealed with permanent annular joints (5) may also be more than one, in the outermost part of the distribution of the container.
  • the stoppers (4) have a stepped shape with several steps (4.1), as many as coaxial cylinders (2) exist; while the coaxial cylinders (2) have a decreasing length as the distance inside the container where the product to be treated is reduced decreases.
  • a space (7) is determined that is in direct communication with a respective gap (3) where the pressurized fluid is located, whereby the pressurized fluid is retained by the horizontal base of the steps (4.1) of the plugs (4) and axially compresses the corresponding coaxial cylinders (2).
  • each coaxial cylinder (2) is subjected to a radial pressure, which is greater on the side closer to the inside of the container than on the side furthest from the inside of the container, at a tangential pressure that receives the thrust of molecules adjacent to each other, and at a positive axial compression pressure established by the thrust of the fluid on the ends (2.1) of the coaxial cylinders (2).
  • a radial pressure which is greater on the side closer to the inside of the container than on the side furthest from the inside of the container, at a tangential pressure that receives the thrust of molecules adjacent to each other, and at a positive axial compression pressure established by the thrust of the fluid on the ends (2.1) of the coaxial cylinders (2).
  • the inner ring seals (6) that are arranged between the plugs (4) and the coaxial cylinders (2), allow to retain the pressure in a staggered manner, that is, said inner annular seals (6) only retain the differential pressure established between the two respective coaxial cylinders (2) adjacent.
  • the coaxial cylinder (2) furthest from the inside of the vessel, or even the coaxial cylinders (2) from the inside of the vessel are lined by its outer wall by some of the conventional methods used to withstand high pressures .
  • the technique described to construct the container of the present invention can be combined with methods such as trimming, covering the coaxial cylinders (2) with a jacket of a suitable material, the "autofrettage", or winding a wire of square section on the surface of the coaxial cylinders (2).

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Abstract

Recipiente de alta presión para soportar ciclos de trabajo a fatiga, en cuyo interior se dispone un producto (1) que es sometido a alta presión, en donde el recipiente está constituido por unos cilindros coaxiales (2) espaciados entre si, quedando entre cada dos cilindros coaxiales (2) contiguos un hueco (3) en donde se introduce un fluido a presión, mientras que en los extremos del recipiente se disponen unos tapones (4) obturadores que establecen un cierre hermético, aplicándose al fluido de los huecos (3) presiones crecientes según disminuye la distancia al interior del recipiente en donde se dispone el producto (1) a tratar.

Description

RECIPIENTE DE ALTA PRESION PARA SOPORTAR CICLOS DE
TRABAJO A FATIGA
Sector de la técnica
La presente invención está relacionada con recipientes de alta presión, proponiendo un recipiente que presenta una realización estructural adecuada para soportar muy altas presiones, del orden de 6.000 bares o superior, y para trabajar con ciclos continuos de carga y descarga.
Estado de la técnica
En los últimos años, en la industria alimentaria para higienizar los alimentos se ha empezado a emplear el tratamiento por alta presión como método alternativo al tratamiento térmico.
Asi, la pasteurización hiperbárica, también denominada HPP ("High Pressure Processing") , es un método para procesar alimentos que consiste en someter a los mismos a un alto nivel de presión hidrostática, con presiones superiores a 6.000 bares, durante un corto periodo de tiempo. La presurización de los alimentos por encima de los 6.000 bares inactiva los microorganismos vegetativos presentes en los alimentos, manteniendo las propiedades d los alimentos tratados, sin afectar a su sabor ni a su valor nutricional.
Para poder llevar a cabo estos procesos se plantea el problema técnico de disponer recipientes que sean capaces de soportar presiones superiores a los 6.000 bares. Sin embargo, cuando se trabaja a tan altas presiones, y en ciclos continuos de carga y descarga, la vida útil de los recipientes se ve disminuida debido a la aparición de pequeñas grietas superficiales que con el paso del tiempo derivan en la rotura del recipiente .
Actualmente se conocen algunas soluciones para construir recipientes cilindricos con depósitos de cierta capacidad aptos para soportar altas presiones, siendo uno de los métodos más utilizado el zunchado (en inglés " jacketing") , que consiste en revestir el recipiente con una camisa de un material adecuado que aumenta la vida útil del recipiente. Otro método conocido para aumentar la vida útil de los recipientes destinados para procesos de altas presiones, es el "autofrettage" , que consiste en una técnica de fabricación de metales, en donde el interior del recipiente se somete a una elevada presión que comprime su pared interna hasta sobrepasar su limite elástico, de manera que se modifican las propiedades mecánicas de la pared del recipiente. Otra técnica se basa en arrollar un alambre de sección cuadrada sobre la pared interna del recipiente.
Objeto de la invención
De acuerdo con la presente invención se propone recipiente apropiado para el procesado de alimentos mediante pasteurización por alta presión, si bien puede ser empleado para otro tipo de procesos industriales en donde se requiera un recipiente capaz de soportar presiones superiores a 6.000 bares en ciclos de trabajo continuos de carga y descarga de la presión del interior del recipiente.
El recipiente objeto de la invención está formado por unos cilindros coaxiales espaciados entre si, determinando entre cada dos cilindros coaxiales contiguos un hueco en donde se introduce un fluido a presión, como por ejemplo agua. El recipiente presenta unos tapones obturadores que van dispuestos en ambos extremos, para establecer un cierre hermético, permitiendo dichos tapones el acceso al interior del recipiente, en donde se dispone el producto a tratar. La presión del fluido presente en cada hueco definido entre cilindros coaxiales va aumentando según disminuye la distancia al interior del recipiente, con lo cual se establece una presión diferencial entre cada dos cilindros coaxiales contiguos, limitándose asi la presión que debe soportar el material de los cilindros coaxiales .
Los huecos más alejados del interior del recipiente van cerrados herméticamente por medio de unas juntas anulares permanentes que se disponen entre los respectivos cilindros coaxiales contiguos, mientras que los huecos más cercanos al interior del recipiente van cerrados herméticamente por medio de unas juntas anulares interiores que se establecen entre los cilindros coaxiales y los tapones obturadores del recipiente .
Los cilindros coaxiales presentan una longitud decreciente según disminuye la distancia al interior del recipiente, y los tapones obturadores presentan una forma escalonada, determinándose entre los extremos de cada cilindro coaxial y los escalones de los tapones obturadores un espacio en donde el fluido a presión comprime axialmente a los cilindros coaxiales. De esta manera se mejora el estado de tensiones de los cilindros coaxiales, aumentando con ello la vida útil del recipiente.
Se obtiene asi un recipiente que por sus características constructivas y funcionales resulta de aplicación preferente para la función a la que se halla destinado en relación con el trabajo a fatiga, en aplicaciones que tiene que soportar presiones superiores a los 6.000 bares ciclos continuos de carga y descarga.
Descripción de las figuras
La figura 1 muestra una vista en sección longitudinal de un recipiente de muy alta presión para soportar ciclos de trabajo a fatiga, según el objeto de la invención.
La figura 2 muestra una vista en sección transversal del recipiente.
La figura 3 es un detalle en sección ampliada de la parte extrema superior del recipiente.
La figura 4 es una vista en sección longitudinal en donde se observan unas entradas de introducción de fluido a presión en los huecos definidos entre los cilindros coaxiales del recipiente.
Descripción detallada de la invención
En la figura 1 se muestra una vista en sección longitudinal de un recipiente según la presente invención, en cuyo interior se introduce un producto (1) a tratar. Generalmente los productos a tratar son alimentos que se someten a alta presión mediante un proceso llamado pasteurización por alta presión (HPP) , si bien el recipiente puede ser usado en cualquier proceso industrial que requiera un recipiente capaz de soportar presiones de trabajo de más de 6.000 bares.
El recipiente está formado por unos cilindros coaxiales (2), los cuales quedan espaciados entre si, de manera que entre cada dos cilindros coaxiales (2) contiguos se define un hueco (3) en donde se introduce un fluido a presión, como por ejemplo agua. La presión del fluido en los huecos (3) se determina de forma que va aumentando progresivamente según disminuye la distancia de dichos huecos (3) al interior del recipiente, con lo cual se consigue que el material de los cilindros coaxiales (2) se encuentre en un estado de tensiones apropiado para su trabajo.
Los extremos del recipiente se cierran herméticamente mediante unos tapones (4) obturadores, los cuales permiten el acceso al interior del recipiente, en donde se aloja el producto (1) a tratar. Para establecer el cierre se prevé que los tapones (4) vayan roscados a la pared interior del cilindro coaxial (2) más alejado respecto del interior del recipiente, pero también pueden ir roscados a las paredes interiores del resto de cilindros coaxiales (2). Por otro lado, en los ejemplos del recipiente de la invención mostrados en las figuras, el recipiente presenta un tapón (4) en cada extremo, si bien resulta evidente que uno de los tapones (4) podría ir fijado de forma permanente al recipiente, de manera que existiría una única entrada al interior del recipiente.
Como se observa en la figura 4, cada hueco (3) definido entre dos cilindros coaxiales (2), dispone de una tubería de entrada (8) para introducir el fluido a presión. La aplicación de presión a través de las tuberías de entrada (8) se lleva a cabo mediante un sistema de bombeo (no representado) , que permite variar a voluntad las presiones durante el proceso de carga o descarga del interior del recipiente en donde se dispone el producto (1) a tratar.
El cierre hermético de los huecos (3) , en donde se introduce el fluido a diferentes presiones, se realiza mediante unas juntas anulares de estanqueidad . Así, como se puede observar en detalle en la figura 3, el hueco (3) definido entre los cilindros coaxiales (2) que se encuentran más alejados del interior del recipiente, se establece cerrado herméticamente por medio de unas juntas anulares permanentes (5) que de disponen entre las paredes laterales de los cilindros coaxiales (2) contiguos; mientras que los huecos (3) que se encuentran más cercanos al interior del recipiente se establecen cerrados herméticamente por medio de unas juntas anulares interiores (6) que se disponen entre la pared lateral interior de cada cilindro coaxial (2) y los tapones (4) obturadores. Los huecos (3) cerrados herméticamente con juntas anulares permanentes (5), pueden también ser más de uno, en la parte más exterior de la distribución del recipiente.
Se ha previsto, para facilitar la limpieza y el recambio de las juntas anulares interiores (6), que éstas vayan fijadas a las paredes laterales de los tapones (4) obturadores, pero no obstante también pudieran ir fijadas a la parte interior de los cilindros coaxiales (2), sin que ello altere el concepto de la invención. Como se puede observar en las figuras, los tapones (4) obturadores presentan una forma escalonada con varios escalones (4.1), tantos como cilindros coaxiales (2) existan; mientras que los cilindros coaxiales (2) presentan una longitud decreciente según disminuye la distancia al interior del recipiente en donde se sitúa el producto a tratar. De esta manera, entre la base horizontal de los escalones (4.1) y la base horizontal de los extremos (2.1) de los cilindros coaxiales (2) se determina un espacio (7) que está en comunicación directa con un respectivo hueco (3) en donde se encuentra el fluido a presión, con lo cual el fluido a presión queda retenido por la base horizontal de los escalones (4.1) de los tapones (4) y comprime axialmente a los cilindros coaxiales (2) correspondientes.
De este modo, cada cilindro coaxial (2) está sometido a una presión radial, que es mayor por el lado más cercano al interior del recipiente que por el lado más alejado del interior del recipiente, a una presión tangencial que recibe el empuje de moléculas adyacentes que se anulan entre si, y a una presión de compresión axial positiva establecida por el empuje del fluido sobre los extremos (2.1) de los cilindros coaxiales (2) . Por las leyes de fatiga de materiales, el equilibrio de presiones es mucho más beneficioso para el material de los cilindros coaxiales (2) que si la presión axial fuera nula o de signo contrario, de manera que aumenta la vida útil de los cilindros coaxiales (2) que constituyen la estructura del recipiente .
Con todo ello asi, las juntas anulares interiores (6) que se disponen entre los tapones (4) y los cilindros coaxiales (2), permiten retener la presión de manera escalonada, esto es, dichas juntas anulares interiores (6) sólo retienten la presión diferencial establecida entre los dos respectivos cilindros coaxiales (2) contiguos.
Por otro lado, las juntas anulares permanentes (5) que se disponen directamente entre cilindros coaxiales
(2) contiguos, cumplen dos propósitos, por un lado eliminan la tensión de compresión axial que para el caso de los cilindros coaxiales (2) más exteriores puede ser perjudicial, y por otro lado, mantienen constante la presión entre los cilindros coaxiales (2) más exteriores, para reducir el número de ciclos de carga y descarga de los cilindros coaxiales (2) más interiores .
Para llevar a cabo la carga y someter a alta presión al producto (1) en el interior del recipiente, se presurizan simultáneamente todos los huecos (3) definidos entre cilindros coaxiales (2), deteniendo el aumento de presión en cada hueco (3) cuando se alcanza la presión de trabajo requerida, de manera que el interior del recipiente será el último en alcanzar su presión de trabajo. Por otro lado, el proceso de descarga se realiza secuencialmente, bajando la presión del interior del recipiente, en donde se encuentra el producto (1), hasta equipararla a la presión del hueco
(3) más próximo, y asi se siguen bajando la presión de los huecos (3) sucesivos adyacentes, hasta alcanzar el hueco (3) más alejado del interior del recipiente, el cual se encuentra a una presión fija, correspondiendo con el hueco (3) que presenta las juntas anulares permanentes (5). Se ha previsto la posibilidad de que el cilindro coaxial (2) más alejado del interior del recipiente, o incluso los cilindros coaxiales (2) del interior del recipiente, vayan revestidos por su pared exterior mediante algunos de los métodos convencionales empleados para soportar altas presiones. Asi la técnica descrita para construir el recipiente de la presente invención se puede combinar con métodos tales como el zunchado, revistiendo los cilindros coaxiales (2) con una camisa de un material adecuado, el "autofrettage" , o arrollando un alambre de sección cuadrada sobre la superficie de los cilindros coaxiales (2).

Claims

REIVINDICACIONES
1. -. Recipiente de alta presión para soportar ciclos de trabajo a fatiga, en cuyo interior se dispone un producto (1) que es sometido a alta presión, caracterizado en que está constituido por unos cilindros coaxiales (2) espaciados entre si, quedando entre cada dos cilindros coaxiales (2) contiguos un hueco (3) en donde se introduce un fluido a presión, mientras que en los extremos del recipiente se disponen unos tapones (4) obturadores que establecen un cierre hermético, aplicándose al fluido de los huecos (3) presiones crecientes según disminuye la distancia al interior del recipiente en donde se dispone el producto (1) a tratar.
2. -. Recipiente de alta presión para soportar ciclos de trabajo a fatiga, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado en que los huecos (3) más alejados del interior del recipiente se cierran herméticamente en los extremos por medio de unas juntas anulares permanentes (5) que van dispuestas entre los respectivos cilindros coaxiales (2) contiguos.
3.-. Recipiente de alta presión para soportar ciclos de trabajo a fatiga, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado en que los huecos (3) más cercanos al interior del recipiente se cierran herméticamente en los extremos por medio de unas juntas anulares interiores (6) que van dispuestas entre los cilindros coaxiales (2) y los tapones (4) obturadores.
4.-. Recipiente de alta presión para soportar ciclos de trabajo a fatiga, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado en que los cilindros coaxiales (2) presentan una longitud decreciente según disminuye su distancia al interior del recipiente, mientras que los tapones (4) obturadores presentan una forma escalonada con escalones (4.1), determinándose entre los extremos (2.1) de cada cilindro coaxial (2) y los escalones (4.1) de los tapones (4) obturadores un espacio (7) en donde el fluido a presión de los huecos (3) comprime axialmente a los cilindros coaxiales (2) respectivos .
5. -. Recipiente de alta presión para soportar ciclos de trabajo a fatiga, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado en que los tapones (4) se disponen roscados al cilindro coaxial (2) más alejado del interior del recipiente.
6. -. Recipiente de alta presión para soportar ciclos de trabajo a fatiga, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado en que cada hueco (3) definido entre dos cilindros coaxiales (2) contiguos dispone de una tubería de entrada (8) para introducir el fluido a presión.
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