WO2014023862A1 - Tanque de almacenamiento térmico de un fluido presurizado y su procedimiento de construcción - Google Patents

Abstract

Tanque de almacenamiento térmico de un fluido presurizado y su procedimiento de construcción ya sea el fluido gas o líquido a altas presiones y temperaturas, que comprende una capa externa de hormigón postensado de alta resistencia (1), una capa intermedia de hormigón refractario postensado (2) que actúa como barrera térmica entre el fluido/gas y el hormigón postensado (1) y donde para el postensado del hormigón se utiliza un sistema de tendones de acero (6) con machones de anclaje (7), comprendiendo los tendones uno o más cordones (12) de postensado anclados en sus extremos al hormigón y puestos en tensión por medios hidráulicos, así como por placas de anclaje (14), vainas (10), trompetas (13) y cuñas. El tanque de almacenamiento de vapor puede contar con una capa intermedia formada por una capa metálica (11) que evita la permeabilidad del fluido a través de las capas de hormigón.

Description

TANQUE DE ALMACENAMIENTO TÉRMICO DE UN FLUIDO PRESURIZADO Y SU

PROCEDIMIENTO DE CONSTRUCCIÓN Sector técnico de la invención

La presente invención se encuadra dentro de los sistemas de almacenamiento térmico de un fluido, sea en forma de vapor o líquido. Más concretamente se trata de una estructura en forma de tanque de almacenamiento de hormigón que soporta altas presiones y altas temperaturas.

Antecedentes de la invención

Existe la necesidad en varias tecnologías de suministrar grandes estructuras de almacenamiento o confinamiento a presión con gran resistencia a la compresión.

En particular para la generación de energía a partir de la energía nuclear, donde la energía nuclear es convertida en energía eléctrica, se necesitan grandes estructuras de confinamiento en caso de fallos o malfuncionamientos con los correspondientes problemas de emisiones radiactivas a la atmósfera. Para ello se recurre a estructuras con requerimientos muy específicos, como es el caso de los reactores de agua a presión, PWR (Pressurized Water Reactor, de sus siglas en inglés), donde los componentes operan en condiciones de altas presiones.

Estos reactores nucleares PWR están formados por una estructura de confinamiento de hormigón, generalmente de forma cilindrica con una cúpula semiesférica en su parte superior, teniendo ambos prácticamente el mismo espesor de hormigón. Contienen una galería, generalmente en la parte inferior de la estructura, para el acceso a los anclajes de los tendones. Para asegurar que la estructura es impermeable a gases y líquidos, se pone un recubrimiento metálico de unos milímetros de espesor en la cara interna del depósito. Otra tecnología que requiere grandes estructuras para confinar líquidos o gases es la industria termosolar. Si bien la radiación solar es una fuente térmica de elevada temperatura y elevada energía en origen, la utilización de la misma en las condiciones del flujo que llega a la superficie terrestre limita prácticamente todo su potencial de conversión en trabajo, por la drástica reducción de la temperatura disponible en el fluido. Por esta razón se hace uso en las centrales solares termoeléctricas de sistemas de concentración que permiten lograr mayores densidades de flujo y con ello temperaturas más elevadas, para convertir la energía térmica en electricidad mediante un ciclo Rankine de agua/vapor.

Para dar soporte a estas plantas termosolares durante los periodos de baja o nula radiación, se utilizan sistemas de almacenamiento térmico, siendo los más utilizados los que utilizan sales fundidas o acumuladores de vapor. Los sistemas de almacenamiento con acumuladores de vapor del estado del arte, utilizan la generación directa de vapor siendo el único fluido de trabajo la mezcla bifásica agua/vapor. En el caso de las plantas solares de receptor central, el agua es calentada en lo alto de una torre hasta alcanzar la temperatura de saturación para su posterior entrada en la turbina y/o almacenaje en el acumulador de vapor. A día de hoy estos acumuladores de vapor son de acero al carbono.

También existen actualmente vasijas que utilizan hormigones pretensados y/o postensados para varios propósitos, como son el confinamiento de agua, aceite, gas natural, o para aplicaciones nucleares, pero siendo las presiones del orden de algunas decenas de bares en los casos más críticos.

Estas estructuras de hormigón postensado que han estado utilizándose en aplicaciones nucleares barajan presiones 10 veces menores que las que se requieren en estas aplicaciones termosolares. También las temperaturas de trabajo que se requieren en energía solar son mayores que las aplicadas en los reactores nucleares.

En el caso de los reactores nucleares, las estructuras de confinamiento están compuestas de una capa externa de hormigón y una capa interna de acero. El calor desprendido de la vasija del reactor es conducido a través de la capa de acero al hormigón, que está expuesto al ambiente a presión atmosférica. Si este hormigón se calienta excesivamente pueden ocurrir fenómenos de agrietamiento por los excesivos gradientes térmicos generados en la capa de hormigón.

Para resolver este problema se introducirá una capa intermedia de hormigón refractario. En el caso de los hormigones refractarios usados en el estado de la técnica, se pueden aplicar temperaturas 5 a 6 veces superiores a las requeridas, sin embargo, éstos hormigones refractarios no están sometidos a compresión.

Por otra parte, la utilización de la capa de acero en los reactores nucleares se debe a la necesidad de que no se trasmitan contaminantes al hormigón, y por ende al exterior, en el caso de alguna fuga radiactiva.

Existen una serie de patentes y documentos que hacen referencia a estos sistemas de almacenamiento. La patente US4265066 Prestressed Concrete Pressure Vessels presenta un depósito de hormigón de forma cilindrica que cuenta con unas cavidades en el interior de su capa externa. Las cavidades pueden ser cilindricas y contienen cables de postensado para aplicar fuerzas dentro de la estructura. Al permitir y realmente inducir controladamente un agrietamiento en las porciones exteriores de la pared gruesa de la vasija, el recipiente a presión de contención alivia y mejora la resistencia a las presiones internas muy altas y tensiones debidas a las altas temperaturas internas y los fuertes gradientes de temperatura. La patente EP0465272A1 Nuclear Reactor Pressure Vessel presenta un recipiente de presión para un sistema de reactor nuclear que comprende una pieza de acero a modo de revestimiento interior, una capa aislante intermedia y una capa exterior de hormigón postensado. La parte correspondiente al recipiente exterior puede ser una estructura de fundición de una sola pieza o puede ser una estructura de hormigón que contiene tendones dispuestos en diversas orientaciones para efectuar el postensado.

La patente US3893270 Pressure Vessel presenta una estructura de contención que comprende una pared vertical de forma cilindrica de hormigón y que incluye una zona generalmente hemisférica en forma de cierre. Una pluralidad de cables o tendones de postensado alargados se extienden de manera continua dentro de la pared. Los tendones se extienden en una trayectoria helicoidal a través de las paredes del segmento cilindrico y forman un ángulo con la horizontal de entre aproximadamente 35^o- 55°.

En la misma línea de depósitos para reactores nucleares también se encuentran los documentos US4175005 Component Nuclear Containment Structure, con depósito de acero y contenedor de hormigón; US3424239 Nuclear Reactor Pressure Vessel, US3396865 Synthesis Pressure Vessel, que comprende un depósito con una capa que conduce la temperatura rodeada por una capa con alta resistencia química y aislante térmico y medios para enfriar; el documento US20110020758 Novel Reactor for Carrying Out Very High Temperature and High Pressure Reactions donde el reactor de la invención tiene dos depósitos rodeando la zona de reacción, un depósito interno constituido por un material refractario y un depósito externo rodeando el depósito interno y constituido por material aislante y el documento US6757351 Modifíed Large Natural Circulation Reactor que comprende un depósito formado por una capa de cemento de aluminato dispuesta entre un revestimiento de acero sin aislar y un recipiente reactor de pretensado de hormigón.

Las patentes descritas anteriormente se basan en la combinación de varias capas en la estructura de confinamiento, no haciendo referencia al tipo de unión entre éstas.

Sin embargo, existen una serie de patentes relacionadas con todo tipo de estructuras de almacenamiento de fluidos o gases (depósitos, vasijas, tanques...) que describen estos sistemas de unión, particularmente para anclajes de elementos metálicos en hormigón. Según la bibliografía existente, el anclaje más utilizado en la industria nuclear para las estructuras de confinamiento es el anclaje tipo perno.

La patente US2525821 Insulation of Thermal Vessels presenta una vasija con un sistema aislante refractario más un elemento metálico con una sucesión de anclajes tipo pernos con patillas en los extremos, combinados con anclajes planos.

La patente US4625478 Liner for Tower Silo and Method of Installing Same presenta un silo que utiliza uniones atornilladas entre el recubrimiento metálico exterior y la pared del depósito, estando estas uniones repartidas a ambos lados de las uniones longitudinales de las chapas que conforman el elemento metálico.

En la misma línea se encuentran los documentos siguientes: la patente US5431295 Storage Module for Nuclear Waste with Improved Liner, que presenta un sistema de anclajes en forma de T combinados con anclajes tipo "cola de milano" para evitar la separación entre las distintas capas que componen la estructura de almacenamiento de residuos nucleares; la patente US5590497 Circular or Generally Circular Prestressed Concrete Tank and Method of Constructing Same, donde el recubrimiento metálico presenta unos anclajes tipo "cola de milano" que estarán embebidos en unos paneles prefabricados de hormigón; y la patente US6688057B2 Structure of Liner and Primary Containment Vessel Using its Structure que presenta un doble sistema de anclaje del elemento metálico compuesto por elementos planos longitudinales situados en el interior de la estructura de contención y por anclajes planos en forma de T en la cara externa del elemento metálico y colocados en posición vertical.

En cuanto a la finalidad de las estructuras de confinamiento, en el caso de los reactores nucleares es la de proteger al reactor en caso de problema, por ejemplo fugas, roturas de los circuitos de refrigeración, fenómenos climáticos adversos, impacto de aviones, misiles... Pero nunca la de almacenar un fluido caloportador en las condiciones de altas presiones y altas temperaturas como es el objetivo de las estructuras de confinamiento de las plantas termosolares. Sí pueden encontrarse sistemas de doble pared, con espesores menores para combinaciones de presión y temperatura pero mucho menos exigentes y sin dotar al muro refractario de ninguna propiedad, ya fuera mecánica o estructural.

Además, en el caso de los depósitos usados en los reactores nucleares, la finalidad del recubrimiento de acero se debe a la necesidad de que no se trasmitan contaminantes al hormigón y por ende, al exterior, en el caso de alguna fuga radiactiva.

Por tanto, para la finalidad de esta invención, que es la de contener de forma continua un fluido a altas temperaturas y presiones en contacto directo con la estructura de confinamiento, se encuentra que el estado de la técnica no resuelve los problemas que se originan de contener dicho fluido en condiciones tan exigentes como las demandadas por las plantas solares termoeléctricas.

Por todo ello, la presente invención tiene como objetivo proporcionar un depósito para almacenar un fluido que soporte altas presiones y temperaturas y que además mantenga la calidad del fluido, ya sea líquido o gas, almacenado en el acumulador. Para ello se empleará la combinación de varias capas, siendo esenciales una capa de hormigón postensado y otra de hormigón refractario también postensado. Porque, a diferencia del estado de la técnica donde estos depósitos no tienen como objeto almacenar fluido sino hacer de contención ante posibles fugas, en el campo termosolar estos depósitos han de estar permanentemente en contacto con el fluido (ya sea en contacto con la pared de hormigón refractario o con la capa metálica si existe) y soportando altas presiones y temperaturas.

Descripción de la invención

La invención consiste en un tanque acumulador de doble pared de hormigón postensado y de hormigón refractario también postensado, el cual permite alcanzar mayores temperaturas y mayores presiones de trabajo que con los depósitos hasta ahora empleados y con la posibilidad de utilizar una capa interna de acero, con la finalidad de mantener la calidad del fluido almacenado en el acumulador.

Este concepto de acumulador está destinado a un uso como sistema de almacenamiento aplicado a centrales termosolares, donde los requerimientos de las turbinas necesitan que se aseguren unas condiciones mínimas de temperatura y presión del fluido de trabajo.

Su interior contiene un fluido líquido o gas presurizado. En el caso preferente de un acumulador de vapor, en su interior contiene agua y vapor presurizado almacenado en condiciones de saturación, descargándose durante los periodos de transitorios o los períodos sin radiación solar. Una de las principales ventajas de este sistema de acumuladores es que la energía se puede almacenar como líquido (densidades muy altas), mientras que se liberará vapor (densidades muy bajas) durante el proceso de descarga del acumulador.

Los condicionantes estructurales, geométricos y mecánicos del acumulador provienen de la acción conjunta de la temperatura y la presión interna. Sin embargo, es la necesidad de disponer de un muro de hormigón capaz de resistir las tracciones que la presión interna genera, y de que dicho muro no esté sometido a la alta temperatura del interior del depósito, la que predomina en el diseño de la estructura. Para ello, se ha optado por un diseño estructural de doble pared de hormigón, en el que los muros estarán en contacto pero no conectados. Su forma más habitual será o bien cilindrica con casquetes semielipsoidales o semiesféricos, o bien esférica. La forma externa tendrá la misma forma que la vasija interna, pero también se podrán considerar formas con secciones poligonales.

Debido a las condiciones de trabajo a las que está sometido el acumulador, para la capa externa se requiere un hormigón postensado de alta resistencia con una resistencia característica de más de 50 MPa para resistir las fuertes tracciones generadas por la presión del fluido. Dicha presión, implica que los espesores de pared crezcan considerablemente y con ellos los problemas derivados del calor de hidratación y los fenómenos reológicos de tracción. Para ello se utiliza un hormigón que requiere de altas prestaciones en lo referente a estos dos puntos. Por otro lado, esta tracción ha de ser contrarrestada por una gran fuerza de postensado, por lo que el hormigón debe de estar fuertemente comprimido cuando el acumulador esté en vacío, por lo que se requiere este hormigón de alta resistencia. Para postensar el hormigón se utilizan tendones dispuestos en filas.

Se dispone además de armaduras pasivas constructivas, debido a las dimensiones consideradas. El hormigón que se emplea para la capa externa puede ser autocompactante. El muro de hormigón postensado tiene una doble misión. La primera es actuar como fuerza compresora de la pared interior (hormigón refractario) al coaccionar la libre expansión del muro refractario debido a la dilatación térmica. Se compatibilizan así los desplazamientos en la interfaz de contacto entre ambos muros, y por tanto la temperatura produce una ligera tracción en el muro externo de hormigón postensado, y una fuerte compresión en el muro refractario. Éste, que habría aumentado sensiblemente sus dimensiones sin producirse tensiones, tendrá dicha deformación reducida por la coacción que la pared exterior impone a la expansión. Esta disminución de la expansión se puede entender como una contracción desde el estado ideal de expansión libre, producida por un estado de presiones externas sobre el refractario en la cara de la interfaz del muro exterior o interior. Dichas presiones son las responsables de la precompresión interna del muro refractario.

El otro objetivo del muro de hormigón postensado es lograr el reparto de tensiones de tracción que genera la fuerte presión interna, de modo que la suma en el muro refractario de tensiones de compresión generada por la acción térmica, más la tracción producida por la presión, sea una tensión neta de compresión. Así, el muro exterior, más rígido que el interior, absorbe la mayor parte de la tracción.

Estas tracciones circunferenciales han de ser contrarrestadas entonces mediante la fuerza de postensado, que además debe de mantener un estado tensional de compresiones en el muro, al igual que pasara con el muro interior.

El hecho de disponer de este muro exterior de hormigón postensado de gran espesor y de alta resistencia permite alcanzar dicho estado de compresión en vacío, es decir sin presión ni temperatura.

Debido a las altas temperaturas a las que está sometido el acumulador, es imprescindible aislar el muro de hormigón postensado, de modo que sus propiedades mecánicas no se vean alteradas por la misma, ni se ponga en peligro la durabilidad de las armaduras de postensado. De este modo, como aislante térmico e impermeabilizador del muro postensado se ha optado por usar un muro de hormigón refractario también postensado.

Es necesario señalar que el hormigón refractario postensado evita que la temperatura del interior del tanque llegue a la interfaz de los muros, y por tanto no expanda el muro exterior de hormigón postensado, además esta temperatura en la pared del muro postensado produciría alteraciones en las propiedades mecánicas del hormigón de alta resistencia y una afección a la durabilidad de la pared exterior y sus armaduras activas y pasivas.

Las propiedades fundamentales que hay que buscar en estos hormigones refractarios son la correcta distribución y evolución en el tiempo de la temperatura en el espesor de pared, habiendo de ser ésta prácticamente nula (sin apenas variación) en la interfaz de contacto entre ambos muros. Este muro tendrá que estar continuamente en compresión para asegurar la durabilidad del hormigón de forma que no aparezcan fisuras. Además, la carga térmica produce una dilatación de la pared, que al no poder expandirse libremente, queda comprimida internamente. Por ello, una resistencia a compresión de un hormigón convencional debe buscarse en este hormigón refractario. Debido a la carga térmica, el fenómeno de autocompresión es el que más control requiere, ya que es el responsable de la fuerte compresión que soporta la pared al tiempo que se busca el mínimo espesor posible. Algunas propiedades necesarias para este hormigón refractario postensado son una baja porosidad, una baja conductividad térmica y una mínima variación de las propiedades mecánicas, además de una resistencia característica de más de 10 MPa. El efecto de la temperatura en este muro es la expansión térmica. La presión produce una deformación de expansión igualmente, generando fuertes tracciones en la pared en la dirección circunferencial.

Se considera condición indispensable que este muro no entre en tracción en ningún caso de carga. Por un lado, un estado tensional de compresión en esta pared evita la aparición de fisuras, que pudieran suponer un riesgo para la durabilidad de la estructura, mientras que por otro, la compresión en el hormigón asegura la estanqueidad necesaria para el tanque.

Cabe señalar que las tracciones generadas por la presión interna aumentan con el radio, de modo que se debe de buscar una relación óptima entre el espesor de pared, la fuerza de postensado y la resistencia característica del hormigón.

Con respecto a la calidad de los hormigones postensado y refractario postensado, ambos estarán comprimidos constantemente, por lo que su resistencia a compresión es un factor clave.

Este diseño va asociado a un procedimiento constructivo concreto, mediante el cual se ejecuta en primer lugar el muro exterior de hormigón postensado mediante procedimiento de encofrado deslizante y hormigón autocompactante. Posteriormente, se procede al tensado parcial de los tendones exteriores de cada fila. Con el muro exterior postensado casi en su totalidad se ejecuta el muro interior mediante proyección del hormigón refractario, terminando de postensar el hormigón de la capa exterior, y postensando el hormigón refractario. El hormigón refractario postensado puede poseer en su cara interna una imprimación o recubrimiento cerámico impermeable al fluido almacenado o se puede incluir una capa interna metálica optativa.

Asi pues, a diferencia del estado de la técnica, mediante el postensado de ambos muros (no sólo del exterior como en el estado de la técnica) y las características específicas de éstos anteriormente expuestas, se consigue un tanque acumulador cuyas paredes internas son el elemento contenedor del fluido de trabajo y que se encuentra sometido a las condiciones de proceso del fluido que contiene (altas presiones y altas temperaturas).

Descripción de ios 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 : sección vertical y vista lateral del tanque acumulador

Figura 2: corte transversal de 90° realizado al tanque

Figura 3: sección del acumulador con los tendones y sus respectivos anclajes

Figura 4: detalle de un tendón

Figura 5: sección del acumulador en perspectiva

Figura 6: sección del acumulador vista en planta

Figura 7: detalle de una sección del tanque con los anclajes de la capa metálica al hormigón refractario postensado y anillos rigidizadores planos

Las referencias numéricas corresponden a las siguientes partes y elementos:

1. Cuerpo cilindrico de hormigón postensado

2. Cuerpo cilindrico de hormigón refractario postensado

3. Cuerpo semielipsoidal de hormigón postensado

4. Cuerpo semielipsoidal de hormigón refractario postensado

5. Base de hormigón postensado

6. Sistema de tendones

7. Machones de anclaje

8. Tendones concéntricos

9. Machones de anclaje lateral

10. Vaina

11. Capa metálica

12. Cordones

13. Trompeta

14. Placa de anclaje

16. Anillo plano 18. Chapa rigidizadora

Realización preferente de la invención

La siguiente descripción preferida consiste en un tanque acumulador de vapor de hormigón formado por una capa extema de hormigón postensado (1), por una capa interior de hormigón refractario postensado (2) y por una capa interna optativa compuesta por una capa metálica (11).

Este concepto de acumulador de fluido, ya sea líquido o vapor, está destinado a un uso como sistema de almacenamiento térmico aplicado a centrales termosolares, donde los requerimientos de las turbinas necesitan que se aseguren unas condiciones mínimas de temperatura y presión del vapor que a ellas les llega.

En una realización preferente consideraremos que su interior contendrá fluido en forma de vapor almacenado en condiciones de saturación o de sobrecalentamiento, que se descargará durante los periodos de transitorios o los periodos sin radiación solar.

En una realización preferente, este tipo de acumulador de vapor de hormigón puede funcionar a unas condiciones de trabajo de hasta 221 bar, y una temperatura de hasta 375°C.

La Figura 1 muestra la sección vertical de la realización preferida del acumulador de vapor. En él se pueden apreciar la doble capa formada por el cuerpo cilindrico de hormigón postensado (1) en su parte exterior y el cuerpo cilindrico de hormigón refractario postensado (2) en su cara interna. Esta forma cilindrica cuenta con dos semi-elipsoides en sus extremos, el cuerpo semielipsoidal de hormigón postensado (3) y el cuerpo semielipsoidal de hormigón refractario postensado (4), de forma que permite una mejor repartición de las tensiones generadas por la presión y la temperatura del interior del acumulador así como minimizar la pérdida de volumen útil con respecto al casquete esférico.

El tanque de forma cilindrica puede contar con un casquete superior plano.

La Figura 2 muestra el corte transversal de 90° realizado al acumulador de hormigón donde se aprecia la base de hormigón postensado (5).

La Figura 3 representa una sección del acumulador con el sistema de tendones (6) y sus respectivos anclajes y la Figura 4 muestra en detalle un tendón (8) y su sistema de anclaje. Para postensar el hormigón (1) así como el hormigón refractario se utiliza un sistema de tendones de acero (6).

Este sistema de postensado se compone de tendones (8) formados por uno o más cordones (12), de placas de anclajes (14), vainas (10), trompetas (13) y cuñas.

Estos tendones (8) se encuentran anclados en sus extremos y puestos en tensión por medios hidráulicos con el fin de transmitir esfuerzos de una forma predeterminada. Estos cordones (12) están constituidos por alambres trenzados de acero y se encuentran alojados en unas vainas (10) a lo largo de todo su trazado. Permiten que los cordones (12) deslicen en su interior durante el enfilado y el tensado, permitiendo también la inyección de lechada de cemento u otro material durante la fase de construcción. Estas vainas (10) pueden ser lisas o corrugadas, cilindricas o planas, metálicas o de polietileno. Los anclajes de los tendones (8) al hormigón están compuestos por una trompeta (13), una placa de anclaje (14) y cuñas.

Se dispondrán machones de anclaje (7) de los tendones (8) de postensado que dan salida a las trompetas (13) de los tendones (6) y que han de resistir las cargas concentradas que se transmiten a las placas de anclajes (14).

La Figura 5 representa una sección horizontal en forma de rebanada que muestra con detalle las filas de tendones concéntricos (8), así como su anclaje lateral (9). Entre las posibilidades de vainas (10) de recubrimiento de los tendones de postensado interior, en una realización preferente se adoptarán las metálicas por ofrecer una mayor protección para el tendón (8). Se utiliza un hormigón postensado adherente, con vainas (10) protectoras inyectadas con la lechada de cemento.

La Figura 6 representa una sección en la que se puede apreciar la estructura del acumulador de vapor de hormigón vista desde arriba con las diferentes capas que lo componen, incluyendo una capa metálica (11). La capa metálica (11) se sitúa en la cara interna del hormigón refractario postensado (2), formando una barrera entre el propio hormigón refractario postensado (2) y el agua/vapor contenido en el interior del acumulador. Esta capa metálica (1 1) constituye un recubrimiento metálico (11) que sirve de protección frente a la corrosión del hormigón debido al agua/vapor contenida en el interior del acumulador, así como para asegurarse la calidad del vapor para su posterior entrada en turbina durante las fases de descarga del sistema de almacenamiento. Esta capa metálica (11), en una realización preferida, será de acero al carbono, de forma que pueda servir tanto de barrera de contención como para transmitir los esfuerzos de compresión al hormigón postensado (1).

La Figura 7 muestra el detalle de un posible anclaje de la capa metálica (11) al hormigón refractario postensado (2) en su cara interna.

La utilización o no de esta capa metálica (11) depende principalmente del tipo de hormigón refractario postensado (2) utilizado, ya que éste no debe estar expuesto a la corrosión que el vapor a gran presión y temperatura pueda ejercer sobre las armaduras pasivas que se disponga. En el hormigón refractario postensado (2) han de buscarse las características de resistencia al ataque químico de los descalcificantes que el vapor de agua lleve, así como su resistencia a la impermeabilidad. En caso de que el hormigón refractario postensado (2) elegido no cumpla estos requisitos de resistencia al ataque químico de los descalcificantes del vapor de agua, corrosión e impermeabilidad, se hará necesaria la utilización de una capa metálica (11) de unos milímetros de espesor de forma que asegure la estanqueidad del acumulador, evite la corrosión del hormigón y garantice la calidad del agua para evitar la degradación de los álabes de la turbina. Una de las características de la capa metálica (11) es que su espesor permita que las virolas que lo soportan sean soldables in situ.

Los condicionantes estructurales, geométricos y mecánicos del acumulador provienen de la acción conjunta de la temperatura y la presión interna. Sin embargo, para este diseño de la estructura es necesario disponer de un muro de hormigón capaz de resistir las tracciones que la presión interna genera y que dicho muro no esté sometido a la alta temperatura del vapor contenido en el depósito. Para ello, se ha optado por un diseño estructural de doble pared de hormigón, en el que los muros estarán en contacto pero no conectados entre sí. Es decir, los muros estarán en contacto directo pero ambos tendrán estructuras internas diferentes.

Debido a las condiciones de trabajo a las que estará sometido el acumulador, es necesaria la utilización, en la capa externa, de un hormigón de alta resistencia que permita resistir las fuertes tracciones generadas por la presión del vapor en el interior del acumulador.

Para este ejemplo concreto, este hormigón postensado (1) tendrá una resistencia característica mayor de 50 MPa, y más concretamente entre unos 100-150 MPa.

La fuerza de postensado necesaria corresponderá a un sistema (6) de varios anillos de tendones semicircunferenciales (8) dispuestos en vainas metálicas (10). Estos tendones (8) serán tensados por debajo de su carga de rotura, y las vainas (10) serán inyectadas tras el tensado, produciendo un postensado adherente. Se podría utilizar un postensado no adherente que proporciona la ventaja de la posibilidad de un eventual retensado posterior. Sin embargo en ese caso debe tenerse en consideración que dicho postensado no adherente provoca un peor comportamiento a fatiga de los tendones (8).

La presión interna ejercida por el vapor, hará que los espesores de pared crezcan considerablemente y con ellos los problemas derivados del calor de hidratación y los fenómenos Teológicos de tracción. Esta tracción ha de ser contrarrestada por una gran fuerza de postensado, por lo que el hormigón debe de estar fuertemente comprimido cuando el acumulador esté en vacío, por lo que se requerirá un hormigón de alta resistencia más de 50 MPa de resistencia característica a compresión.

La utilización de este muro de hormigón postensado (1) de gran espesor y alta resistencia permitirá conseguir un estado de compresión en vacío, es decir sin presión ni temperatura teniendo en cuenta que las acciones actuantes en la pared interior producen expansión y tracciones en el hormigón refractario postensado (2). Se prevé también la necesidad de disponer armaduras pasivas constructivas, debido a las dimensiones consideradas, por lo que el hormigón que se emplee para postensar debe ser autocompactante.

Debido a las altas temperaturas a las que estará sometido el acumulador de vapor de hormigón, es imprescindible aislar el muro de hormigón postensado (1), de modo que sus propiedades mecánicas no se vean alteradas por la misma, ni se ponga en peligro la durabilidad de las armaduras de postensado. Para ello se ha recurrido a colocar internamente un muro de hormigón refractario postensado (2) que servirá como barrera térmica entre el vapor contenido dentro del acumulador de vapor y la capa externa de hormigón postensado (1). Este hormigón refractario postensado (2) deberá ser capaz de soportar esfuerzos de compresión de más de 10 MPa. Este muro tendrá que estar continuamente en compresión para asegurar la durabilidad del hormigón de forma que no aparezcan fisuras. Además, la carga térmica producirá una dilatación de la pared, que al no poder expandirse libremente, quedará comprimida internamente. Por ello, debe buscarse una resistencia a compresión equivalente a la de un hormigón convencional en este hormigón refractario postensado (2). Debido a la carga térmica, el fenómeno de autocompresión es el que más control requiere, ya que es el responsable de la fuerte compresión que soportará la pared al tiempo que se busca el mínimo espesor posible. Algunas propiedades preferentes para este hormigón refractario postensado (2) son una baja porosidad (por ejemplo porosidades inferiores al 25%), una baja conductividad térmica (por ejemplo valores inferiores a 0.5 W/mK), un bajo coeficiente de dilatación térmica (entre 2-3*10^"6 °C^"1) y una baja variación de las propiedades mecánicas a las temperaturas nominales de operación de la turbina.

El efecto de la temperatura en este muro (2) es la expansión térmica. La presión produce una deformación de expansión, generando fuertes tracciones en la pared en la dirección circunferencial. Se considera condición indispensable que este muro (2) no entre en tracción en ningún caso de carga. Por un lado, un estado tensional de compresión en esta pared (2) evita la aparición de fisuras, que pudieran suponer un riesgo para la durabilidad de la estructura, mientras que por otro, la compresión en el hormigón asegura la estanqueidad necesaria para el tanque.

Los hormigones postensado (1) y refractario postensado (2) estarán comprimidos constantemente, por lo que su resistencia a compresión es un factor clave así como el módulo de elasticidad de ambos hormigones. Es fundamental que el muro refractario (2) también presente un coeficiente de dilatación térmica relativamente pequeño, de modo que la compresión interna que se genera por la coacción a la expansión térmica no sea mucho mayor que la tracción que se produce por la presión, de modo que ambas se contrarresten. Debido a la curvatura existente a lo largo de todo el tanque, se producen pérdidas por fricción entre los tendones (8) y las vainas (10), reduciéndose la fuerza de postensado. Por todo esto, se ha optado por cuatro machones de anclaje (7) y repartir los siete anillos de tendones (6) en cuatro sistemas alternos de tendones (6), anclados dos a dos a machones (7) enfrentados.

Se podrá considerar la utilización de tendones rectos variando la geometría externa del tanque. Para ello se considerará una sección transversal con forma poligonal y cuyas aristas son rectas. Esta variación de la geometría exterior del tanque permitirá reducir las pérdidas por fricción entre los tendones y las vainas a la vez que facilitará el anclaje de estos tendones en la estructura.

En esta realización preferida la capa metálica (11) es de acero, preferentemente acero al carbono, con un espesor de hasta 30 mm.

Esta capa metálica (11) asegurará la estanqueidad del acumulador, de forma que se garantice la calidad del agua/vapor que será enviado a turbina para la producción de electricidad.

Otra de las características de la capa (11) es que no debe soportar ningún esfuerzo de presión, ni sufrir deformaciones bajo los efectos de la carga y descarga de vapor. Debido a que esta capa metálica se encuentra comprimida por el hormigón refractario postensado, y éste a su vez por el hormigón de alta resistencia, no será la capa metálica quien soporte los esfuerzos a compresión, sino la capa de hormigón de alta resistencia. Por este hecho, los espesores considerados para esta capa metálica no serán superiores a 30 mm. Sin embargo, para poder soportar las posibles deformaciones bajo los efectos de la variación de presión y temperatura que se producen durante las fases de carga y descarga, se utilizará un sistema de anclajes que unirá la capa metálica (11) al hormigón refractario postensado (2). Esta unión permitirá un movimiento solidario entre ambas capas bajo los efectos de la expansión térmica de los materiales con la variación de la presión y temperatura, evitando fenómenos de abolladura en la capa metálica que pudieran separarlo del hormigón refractario postensado.

La figuras 7 representa el sistema de anclaje de la capa metálica (11) con el hormigón refractario postensado (2).

Este sistema de anclaje representado en la figura 7 está formado por chapas rigidizadoras (18) en la cara externa de la capa metálica (11) y embebidas en el hormigón refractario postensado (2). La geometría de las chapas (18) es tal que las chapas (18) tienen la dimensión perpendicular a la capa metálica (11) inferior a la dimensión paralela a la capa metálica (1 1), evitando así que penetren de manera excesiva en el hormigón refractario postensado (2). La colocación de estas chapas rigidizadoras (18) y su separación entre ellas vendrán dadas por los requerimientos estructurales que se necesiten para poder soportar los esfuerzos durante las fases de carga y descarga. Estas chapas podrán disponerse, en el caso de elementos horizontales, a lo largo de toda la circunferencia de la capa metálica (11) o bien formando elementos discontinuos; para el caso de elementos verticales podrán disponerse a lo largo de la generatriz o también formando elementos discontinuos.

También puede llevar la capa metálica (11) unos anillos rigidizadores planos (16) en la cara interna de la capa metálica (11) y por lo tanto en contacto con el fluido almacenado. Estas chapas planas (16) podrán situarse también en posición vertical siguiendo la generatriz del tanque. Con esto, se conseguirá una doble funcionalidad, como anclaje y como elemento rigidizador de la capa metálica (11 ).

Tras unas tareas previas en las que se nivela y compacta el fondo de excavación y preparación del terreno, existe un procedimiento constructivo preferente, mediante el cual se ejecuta el tanque de la siguiente manera: .

^■En primer lugar se extiende la capa de hormigón sobre la que se comienzan a colocar los encofrados y las armaduras de la cimentación. Durante esta actividad se actúa por tongadas o capas, de tal manera que permitan un compactado (mediante barras o, incluso, agujas vibradoras) y nivelado correctos del hormigón.

■Alcanzada la cota superior de la cimentación, se retiran los encofrados y se procede al relleno y compactación de tierras en el trasdós de la zapata.

"Posteriormente se ejecuta la construcción del muro exterior postensado. Este muro, por sus características, se ejecuta con encofrado deslizante o trepante. Se puede considerar la posibilidad de realizar la trepa en la cara exterior, dejando fijo el encofrado interior, y viceversa. Se realiza por tramos de varios metros, de tal manera que se permita ir colocando tanto las armaduras pasivas, conectadas con las del tramo anterior, como las armaduras activas (en concreto las vainas, que se soportarán mediante perchas). La gran densidad de armado obliga a verter o bombear un hormigón autocompactante, lo cual evita el uso de elementos vibradores.

■Tras ello, se procede a la colocación de todos los elementos de anclaje activos así como los tendones más exteriores dentro de las vainas, y a su correspondiente tensado parcial (no hasta el 100% de la capacidad de tensado) mediante gatos hidráulicos. Éstos son posteriormente protegidos con una lechada de inyección. ■A continuación, se ejecutan en paralelo la capa metálica y el muro de hormigón refractario postensado. Para el casquete inferior, es necesario usar separadores que mantengan la capa metálica a una distancia con respecto de la base igual al espesor del refractario sobre el que apoya, para el posterior vertido. ^■Una vez terminado el casquete inferior, se sueldan las chapas que conforman las virolas verticales de la capa metálica para, una vez soldada y colocada la virola, verter o bombear el hormigón refractario en dicho tramo. En esta fase la capa metálica actuaría como elemento de encofrado.

"La compactación del hormigón se lleva a cabo mediante elementos mecánicos manuales en el casquete inferior y con elementos mecánicos o vibradores en la pared vertical.

■En paralelo a la ejecución de la capa metálica y del muro de hormigón refractario postensado, se colocan los posibles elementos internos que pueda contener el tanque (tuberías, soportes,...).

^■Con todo el cuerpo del tanque ejecutado, se sigue con la construcción del casquete superior mediante la soldadura del último elemento de la capa metálica. Este también actúa como encofrado para la cúpula de refractario que, además, debe ser ejecutada con encofrado a doble cara.

"Por último, y con el mismo sistema de ejecución, se colocan las armaduras pasivas y activas del muro exterior para su posterior hormigonado.

■Una vez se ha ejecutado todo el tanque, se realiza la última etapa de postensado que incluye los tendones más interiores del muro exterior, comprimiendo a la capa metálica y al muro refractario, y los tendones del casquete superior. Esta última etapa de postensado se realiza también con gatos hidráulicos e inyectando una lechada de protección.

Este sistema está concebido especialmente para su aplicación en tanques acumuladores de vapor, pero no se descarta su extensión a otros campos de la industria que requieran características similares.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Tanque de almacenamiento térmico de un fluido presurizado, ya sea líquido o gas, caracterizado porque comprende una capa externa de hormigón postensado con una resistencia característica superior a 50MPa (1) y una capa interna de hormigón refractario postensado (2) con una resistencia característica superior a 10 MPa.

2. Tanque de almacenamiento térmico de un fluido según reivindicación 1 caracterizado porque el hormigón refractario postensado (2) tiene una porosidad inferior al 25%.

3. Tanque de almacenamiento térmico de un fluido presurizado según reivindicación 1 caracterizado porque el hormigón refractario postensado (2) tiene una conductividad térmica inferior a 0.5 W/mK.

4. Tanque de almacenamiento térmico de un fluido presurizado según reivindicación 1 caracterizado porque el hormigón refractario postensado (2) tiene un coeficiente de dilatación térmica con valores comprendidos entre 2-3*10^"6 °C^'1.

5. Tanque de almacenamiento térmico de un fluido presurizado según reivindicación 1 caracterizado porque el tanque también cuenta con una capa metálica (1 1) unida solidariamente a la cara interna del hormigón refractario postensado (2).

6. Tanque de almacenamiento de un fluido presurizado según reivindicación 5 caracterizado porque la capa metálica (11) es de acero.

7. Tanque de almacenamiento térmico de un fluido presurizado según reivindicación 6 caracterizado porque la capa metálica (11) es de acero al carbono con un espesor de hasta 30 mm.

8. Tanque de almacenamiento térmico de un fluido presurizado según reivindicación 5 caracterizado porque la capa metálica (11) se encuentra anclada al hormigón refractario postensado (2) mediante chapas rigidizadoras (18) unidas a la cara externa de la capa metálica (11) y embebidas en el hormigón refractario postensado (2), donde la geometría de las chapas (18) es tal que las chapas (18) tienen la dimensión perpendicular a la capa metálica (11) inferior a la dimensión paralela a la capa metálica (11).

9. Tanque de almacenamiento térmico de un fluido presurizado según reivindicación 5 caracterizado porque la capa metálica (11) posee en su cara interna unos anillos metálicos

(16).

10. Tanque de almacenamiento térmico de un fluido presurizado según reivindicación 1 caracterizado porque el hormigón refractario postensado (2) posee en su cara interna una imprimación o recubrimiento cerámico impermeable al fluido o gas almacenado.

11. Tanque de almacenamiento térmico de un fluido presurizado según reivindicación 1 caracterizado porque para el postensado del hormigón (1) se utiliza un sistema de tendones de acero (6) con machones de anclaje (7) de los tendones (8) al hormigón comprendiendo los tendones uno o más cordones (12) de postensado anclados en sus extremos al hormigón y puestos en tensión por medios hidráulicos, así como por placas de anclaje (14), vainas (10), trompetas (13) y cuñas.

12. Tanque de almacenamiento térmico de un fluido presurizado según reivindicación 11 caracterizado porque los cordones (12) se encuentran alojados en las vainas (10) a lo largo de todo su trazado.

13. Tanque de almacenamiento térmico de un fluido presurizado según reivindicación 1 caracterizado porque el tanque tiene forma cilindrica con dos semi-elipsoides en sus extremos, el cuerpo semielipsoidal de hormigón postensado (3) y el cuerpo semielipsoidal de hormigón refractario postensado (4).

14. Tanque de almacenamiento térmico de un fluido presurizado según reivindicación 1 caracterizado porque el tanque tiene forma cilindrica con un casquete superior plano.

15. Tanque de almacenamiento térmico de un fluido presurizado según reivindicación 1 caracterizado porque el tanque tiene forma esférica.

16. Tanque de almacenamiento térmico de un fluido presurizado según reivindicación 1 caracterizado porque el tanque tiene una sección horizontal con forma poligonal.

17. Procedimiento de construcción del tanque de almacenamiento descrito en las reivindicaciones anteriores que comprende las siguientes etapas:

Tras unas tareas previas en las que se nivela y compacta el fondo de excavación y preparación del terreno:

^■En primer lugar se extiende la capa de hormigón sobre la que se comienzan a colocar los encofrados y las armaduras de la cimentación; durante esta actividad se actúa por tongadas o capas.

"Alcanzada la cota superior de la cimentación, se retiran los encofrados y se procede al relleno y compactación de tierras en el trasdós de la zapata.

■Posteriormente se ejecuta la construcción del muro exterior con encofrado deslizante o trepante con posibilidad de realizar la trepa en la cara exterior, dejando fijo el encofrado interior, y viceversa; se realiza por tramos de varios metros; se colocan las armaduras pasivas que se conectan con las del tramo anterior, así como las armaduras activas (en concreto las vainas, que se soportarán mediante perchas); se vierte o bombea un hormigón autocompactante,

■Tras ello, se procede a la colocación de todos los elementos de anclaje activos así como los tendones más exteriores dentro de las vainas, y a su correspondiente tensado parcial (no hasta el 100% de la capacidad de tensado) mediante gatos hidráulicos; éstos son posteriormente protegidos con una lechada de inyección. A continuación, se ejecutan en paralelo la capa metálica o recubrimiento metálico y el muro de hormigón refractario postensado; para el casquete inferior, se usan separadores que mantienen la capa metálica a una distancia con respecto de la base igual al espesor del refractario sobre el que apoya, para el posterior vertido.

Una vez terminado el casquete inferior, se sueldan las chapas que conforman las virolas verticales de la capa metálica para, una vez soldada y colocada la virola, verter o bombear el hormigón refractario en dicho tramo.

La compactación del hormigón se lleva a cabo mediante elementos mecánicos manuales en el casquete inferior y con elementos mecánicos o vibradores en la pared vertical.

En paralelo a la ejecución de la capa metálica y muro de hormigón refractario, se colocan los posibles elementos internos que pueda contener el tanque (tuberías, soportes,...).

Con todo el cuerpo del tanque ejecutado, se sigue con la construcción del casquete superior mediante la soldadura del último elemento de la capa metálica; ésta debe ser ejecutada con encofrado a doble cara.

Con el mismo sistema de ejecución, se colocan las armaduras pasivas y activas del muro exterior para su posterior hormigonado.

Una vez se ha ejecutado todo el tanque, se realiza la última etapa de postensado que incluye los tendones más interiores del muro exterior, comprimiendo a la capa metálica y al muro refractario, y los tendones del casquete superior; esta última etapa de postensado se realiza también con gatos hidráulicos e inyectando una lechada de protección.