ES2321997B1

ES2321997B1 - Intercambiadores de presion de camaras desdobladas.

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Publication number: ES2321997B1
Application number: ES200601694A
Authority: ES
Inventors: Fernando Ruiz del Olmo
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-06-13
Filing date: 2006-06-13
Publication date: 2010-03-03
Anticipated expiration: 2026-06-13
Also published as: ES2321999B1; NO20090160L; US20100014997A1; ES2321999A1; ZA200900225B; ES2321997A1

Abstract

Intercambiadores de presión de cámara desdobladas.

Los IPCD se caracterizan porque las cámaras en las que se produce el intercambio de presiones y sus pistones se desdoblan en dos. Cada fluido circula por su cámara correspondiente, haciendo imposible la mezcla de los mismos.

Variando las secciones transversales de las cámaras se varía la presión transmitida.

Permiten asegurar y armonizar el funcionamiento inverso de las líneas, mediante un tubo en U con lados telescópicos y base fija lleno de fluido o líneas curvas diametralmente opuestas, y piezas de unión entre pistones de cada línea unidas entre sí.

Sirve como sistema de bombeo en superficie o en pozos, permitiendo que el fluido que se bombea sea diferente del que se necesita bombear.

Permite aprovechar diferencias de nivel de cualquier material en cualquier lugar de almacenamiento, mediante una cámara con paredes elásticas llena de fluido y unida al fondo.

Se puede generar energía eléctrica turbinando el fluido previamente bombeado.

Description

Intercambiadores de presión de cámaras desdobladas.

Sector de la técnica a que se refiere la invención

La invención se encuadra dentro del marco de los intercambiadores de presión, que constituyen un método para transmitir la presión dinámica de un fluido a otro diferente.

Debido a las innovaciones aportadas, la invención se convierte en un nuevo sistema de bombeo de todo tipo de fluidos.

Además, la invención aporta un método también innovador para aprovechar energéticamente las diferencias de nivel de cualquier material en cualquier forma de almacenamiento. Esto es, que ya sean las diferencias de nivel de un pantano, balsa ó depósito, las producidas por las mareas, en los silos de almacenamiento de cualquier sólido, o bien por ejemplo los aparcamientos de una estación de autobuses o cualquier tipo de vehículos, mediante el método aportado se puede conseguir ayudar a bombear cualquier otro fluido que se necesite.

Finalmente, la invención también se puede convertir en un método de generación de energía eléctrica.

Estado de la técnica Los intercambiadores de presión

Los intercambiadores de presión son un invento realizado hace ya más de veinticinco años y básicamente consisten en presurizar un fluido (fluido 1 en la figura 1) a partir de la presión de otro que queda despresurizado tras el proceso (fluido 2). Existen varios modelos, pero básicamente todos se rigen por el esquema de la figura 1. Mediante un sistema de válvulas de corte y de retención, representado con los cajones en gris, se introduce el fluido 1 en las cámaras de interconexión. Una vez lleno, se permite el paso por el otro extremo al fluido 2, que lo desplaza empujando un disco ó pistón que queda entre ellos separándolos. De este modo, se consigue presurizar el fluido 1. Luego se corta la entrada del fluido 2 y se abre una válvula de desagüe. Nuevamente, mediante el sistema de válvulas, se permite el paso del fluido 1 que desplaza al fluido 2 (ahora ya sin presión), vertiéndolo por el desagüe.

El sistema se monta con dos líneas de interconexión en paralelo, y se controla electrónicamente de tal modo que en cada momento el disco ó pistón de cada tubo se encuentra en la posición contraria respecto al centro (funcionamiento de las líneas a la inversa), para conseguir así una presión a la salida del fluido 1 lo más constante posible, e igualmente un aprovechamiento de la presión del fluido 2 lo mayor posible.

En el gráfico de la figura 1 se han dado tonos más claros a los fluidos 1 y 2 cuando están sin presión y más oscuros cuando se encuentran presurizados. Este juego de tonos se mantendrá a lo largo de todas las figuras que acompañan a esta Descripción.

Se ha realizado una búsqueda exhaustiva a nivel mundial en la base de datos espacenet de documentos de patentes relativas a intercambiadores de presión, y se ha podido comprobar que, aunque en la actualidad existe un importante desarrollo de los mismos, ninguna de ellas aportan las innovaciones que aquí se van a presentar.

Aplicaciones actuales de los intercambiadores de presión

Tradicionalmente se han utilizado en minería, para desplazar aguas residuales de proceso con agua limpia, y el sistema se utiliza sin discos ni pistones, puesto que no importa que se mezclen ambos fluidos.

Actualmente se están empezando a utilizar en plantas desaladoras de agua por ósmosis inversa, siguiendo un esquema como el de la figura 2. El proceso es muy simple: se realiza un pretratamiento al agua, y tras éste se eleva la presión del agua hasta rebasar su presión osmótica. Entonces se hace pasar el agua por los filtros de ósmosis inversa, que tienen una membrana semipermeable y producen dos salidas: aguas desalada y despresurizada por un lado y por el otro salmuera a una presión bastante elevada. Esta presión se utiliza para presurizar parte del agua procedente del pretratamiento, reduciendo así el caudal de las bombas de alta presión con el consiguiente ahorro de energía eléctrica.

Los sistemas de bombeo

En la actualidad se encuentran muy desarrollados todo tipo de grupos electrobomba horizontales, verticales y sumergidas para aguas limpias, así como multitud de sistemas de bombeo de todo tipo de fluidos (aguas residuales, fluidos viscosos, tóxicos, peligrosos, agua de mar, productos químicos, hormigón, aguas turbias, o cualquier clase de fluido que podamos imaginar, incluso fluidos con sólidos en suspensión).

Explicación de la invención Problemas técnicos planteados por los intercambiadores de presión tradicionales

Aunque el sistema planteado en el apartado anterior relativo a la destilación es bastante eficiente energéticamente, presenta dos problemas:

-: la presión de salida de los filtros de ósmosis inversa de la salmuera siempre es inferior a la del agua de alimentación, lo cual implica que resulta necesario instalar una bomba booster que aumente la presión del agua

-: al estar separados el agua del pretratamiento y la salmuera en los intercambiadores de presión tan sólo por los discos ó pistones, siempre existe una pequeña aunque significativa mezcla entre ambos fluidos, por lo que el agua del pretratamiento sale de los intercambiadores de presión con una concentración de sales mayor, que perjudica obviamente el proceso.

Además, en los intercambiadores de presión tradicionales en general existe otro inconveniente y es que el fluido a presurizar (fluido 1) está obligado a desplazar al fluido 2 una vez que ha sido despresurizado. Esto no es tanto problema en el caso de las desaladoras porque el agua a presurizar procede del pretratamiento del cual sale con algo de presión, pero en otras aplicaciones puede resultar un grave inconveniente, máxime teniendo en cuenta que resulta necesario el funcionamiento de líneas a la inversa, y las velocidades naturales de los discos ó pistones en uno y otro sentido son muy diferentes. Esto disminuye el rendimiento de los intercambiadores y complica la electrónica de control del sistema.

Todos estos inconvenientes son los que probablemente no han permitido un mayor desarrollo de los intercambiadores de presión en todo tipo de aplicaciones.

Problemas técnicos planteados por los grupos electrobomba tradicionales

Aun cuando se encuentran muy optimizados en la actualidad los diseños de todo tipo de grupos electrobomba, tienen algunas carencias, por el momento imposibles de solucionar, que son las siguientes:

-: en cuanto a los grupos electrobomba para sacar agua de pozos ó arquetas, los verticales tienen el motor en superficie, pero dan muchos problemas mecánicos con el largo eje que necesitan, y los sumergidos tienen el problema de que, al estar el cuerpo de bomba y el motor sumergidos en el pozo ó arqueta, cualquier fallo de operación provoca un tiempo considerable de tener el grupo fuera de servicio, ya que se hace necesario el desmontaje y montaje del grupo

-: en cuanto a los sistemas de bombeo de otros fluidos, en muchos casos tienen mucho peor rendimiento, y suelen dar muchos problemas de mantenimiento, por entrada de sólidos como puede ser el caso del bombeo de aguas residuales, o por corrosión del cuerpo de bomba, delicado y caro, o por ambos efectos.

Descripción general de la invención y soluciones aportadas Los intercambiadores de presión de cámaras desdobladas

Se trata de los intercambiadores de presión de cámaras desdobladas (IPCD's), caracterizados porque las cámaras en las que se produce el intercambio de presiones se desdoblan en dos, una para cada uno de los fluidos, tal como se muestra en la figura 3. De este modo, cada uno de los fluidos sólo circula por su cámara correspondiente, haciendo imposible la mezcla de los mismos (y solucionando por tanto el segundo de los problemas expuestos en el punto anterior).

El intercambio de presiones se produce sustituyendo los discos ó pistones de los intercambiadores tradicionales por dos discos ó pistones unidos rígidamente, tal como se muestra en la figura 3. De esta forma, el fluido presurizado empujará y desplazará igualmente al otro fluido a través de su cámara correspondiente. Evidentemente, las cámaras necesitan tener apertura al exterior para permitir la entrada y salida de aire durante los movimientos de los discos ó pistones y evitar vacíos, tal como también se muestra en la figura 3.

Se pueden disponer desagües en los extremos enfrentados de las cámaras por si fuera necesario evacuar alguna pequeña cantidad de los fluidos que se pueda perder por las juntas de los discos ó pistones.

Disposiciones

Una disposición posible sería la expuesta en la figura 3, en la que las secciones transversales de cada cámara son idénticas. De este modo, se trasmitiría la misma presión del fluido presurizado al fluido a presurizar, salvo evidentemente las pérdidas mecánicas.

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Pero el sistema inventado permite otra disposición, en la que las secciones transversales de las cámaras sean diferentes (figura 4), y por tanto la presión transmitida también es diferente (el cociente de presiones será igual al cociente de áreas, salvo evidentemente por las pérdidas mecánicas, ya que la fuerza neta es la misma). Evidentemente, de este modo se puede solucionar el problema de la necesidad de una bomba booster mencionado más arriba en la descripción del problema técnico planteado.

Obviamente, también es posible la disposición de las líneas en vertical ó en ángulo (figura 5), pero ello empeorará el problema de que el fluido a presurizar (fluido 1),tiene que desplazar al fluido 2 una vez que ha sido despresurizado, ya que en este caso además deberá vencer el peso del fluido, más el de los discos ó pistones y la unión entre ambos. Para ello se podría poner un sistema adicional de elevación de los mismos, cuyo control se integraría en el sistema electrónico de control del sistema, o bien se puede utilizar el sistema de evacuación presentado en la figura 6, que consiste en aprovechar la energía del fluido presurizado (fluido 2) no sólo para transmitirla al que se quiere presurizar (fluido 1), sino también para ayudar al propio fluido 1 a desplazar al fluido 2 en la otra línea una vez que ha sido despresurizado. Esto se consigue mediante un tubo auxiliar en forma de "U" que se encuentra interconectando ambas líneas tal como se presenta en la figura 6, y que es telescópico por ambos lados de la "U", estando soportado rígidamente por la base de la "U". Los extremos de la "U" se encuentran unidos a los discos ó pistones de sus respectivas líneas, y la "U" se encuentra llena de un fluido incompresible. De esta forma, al entrar el fluido 2 a presión en su cámara, no sólo presiona a su disco ó pistón para desplazar al fluido 1, sino que también transmite parte de su energía al disco ó pistón de la otra línea para ayudar al fluido 1 de la otra línea a desplazar al fluido 2 despresurizado en dicha línea y a vencer el rozamiento de los discos ó pistones y su peso y el del fluido 2 despresurizado si es necesario. Lógicamente, la sección transversal del tubo deberá ser tal que la energía traspasada al disco ó pistón de la otra línea sea la mínima necesaria. Mediante este sistema, se consigue además asegurar el funcionamiento de las líneas a la inversa, simplificando así la electrónica de control del sistema. Puede ser montado en cualquier tipo de intercambiadores de presión, ya sean de cámaras desdobladas ó no. Evidentemente, en lugar de ser un tubo telescópico podrían ser varios equidistantes entre sí y del centro, o bien un anillo ó varios trozos de anillo de la misma longitud y equidistantes, todo ello para distribuir mejor los esfuerzos sobre los discos ó pistones.

Finalmente, también se pueden disponer líneas de cámaras curvas ó circulares, en cuyo caso la unión entre los discos ó pistones será curva con el mismo radio y estará cogida al centro mediante una unión tipo rótula (figura 7). De este modo, se puede conseguir un incremento de la presión transmitida en función de la distancia de las cámaras de uno y otro fluido al centro, sin necesidad de cambiar la sección transversal de las cámaras, aunque sin perjuicio de poder combinar ambos efectos. Además, si las dos líneas se colocan de forma diametralmente opuesta, y las piezas de unión entre los discos ó pistones de cada línea se unen a su vez rígidamente entre sí, tal como aparece en la figura 7, se consigue el mismo efecto que el tubo en "U" descrito anteriormente, es decir, por un lado asegurar el funcionamiento de las líneas a la inversa, simplificando así la electrónica de control del sistema, y por otro lado desplazar el fluido 2, una vez despresurizado, de sus cámaras correspondientes sin necesidad de bombeo auxiliar, en los casos en los que el fluido 1 entre a muy poca presión.

El desdoblamiento de las cámaras se puede aplicar a todos los tipos de intercambiadores de presión tradicionales desarrollados en la actualidad. En particular, y se menciona por ser tal vez el más diferente de ellos, existe otro tipo de intercambiadores de presión tradicionales que se basan en el mismo principio de funcionamiento pero que consisten en un cilindro con una serie de conductos interiores por los que pasan los fluidos intercambiándose las presiones. Tienen la particularidad de que además el propio cilindro gira sobre su eje. También a este tipo de intercambiadores se les puede desdoblar las cámaras para obtener las ventajas que aquí se han expuesto.

Baterías de intercambiadores

Tal como ocurre con los intercambiadores de presión tradicionales, los de cámaras desdobladas pueden ser dispuestos en serie (figura 8), o en paralelo (figura 9). Igualmente, cuando los saltos de presiones que se pretenden sean muy elevados, se pueden disponer sistemas mixtos con bombas para aumentar la presión del fluido presurizado y/o la del fluido a presurizar a la entrada y/o a la salida del intercambiador de presión (figura 10), sin perjuicio de que además se puedan disponer también en serie ó en paralelo.

Uniones entre los discos ó pistones

Las uniones entre los discos ó pistones han de ser rígidas, pero dentro de ello pueden tomar cualquier forma imaginable (una sola unión mediante una varilla en el centro, tal como se representa en los gráficos, varias uniones mediante varias varillas, o bien mediante chapas circulares ó rectas e incluso mediante uniones macizas de cualquier geometría posible).

Número de líneas por intercambiador

En cuanto al número de líneas necesario por intercambiador de presiones, será siempre de al menos dos pero dependiendo de los rangos de caudales y presiones con los que se trabaje en cada caso puede convenir aumentarlo a tres líneas, aunque pueda convenir que la tercera línea no tenga la misma longitud, ya que se utilizaría para conseguir una presión lo más constante posible de salida del intercambiador y un aprovechamiento lo mayor posible de la presión del fluido presurizado de partida.

Electrónica de control

En cuanto a la electrónica de control de las válvulas, se puede montar una tarjeta con un procesador in situ, o bien se pueden enviar señales a un ordenador central que las gobierne.

Geometría de las cámaras

Finalmente, en cuanto a la geometría de las líneas de las cámaras, tal como se ha descrito más arriba longitudinalmente pueden ser rectas, curvas e incluso circulares, y su sección transversal circular, elíptica, triangular, cuadrada, rectangular, poligonal ó cualquiera imaginable.

Ventajas de la invención respecto al estado de la técnica anterior

Tal como se ha explicado anteriormente en la descripción general de la invención, las ventajas fundamentales de los intercambiadores de presión de cámaras desdobladas son las siguientes:

-: cada uno de los fluidos sólo circula por su cámara correspondiente, haciendo imposible la mezcla de los mismos. Esto significa que se puede utilizar este sistema para bombear cualquier tipo de fluido transmitiendo la energía necesaria a otro fluido diferente (que puede ser agua limpia, e incluso agua destilada, ó cualquier otro fluido que se compruebe que dañe menos los grupos electrobomba), e intercambiando después las presiones de los mismos. También se pueden escoger fluidos muy pesados y no corrosivos para reducir el tamaño de las instalaciones de bombeo y almacenamiento. Esto va a suponer un incremento de los rendimientos conseguidos así como un enorme ahorro de gastos de mantenimiento e incluso de diseño y ejecución de las instalaciones

-: permiten variar las secciones transversales de las cámaras, consiguiendo variar así la presión transmitida al fluido a presurizar. Esta constituye otra de las grandes ventajas de esta invención, ya que permite elegir entre bombear más caudal a menos altura ó menos caudal a más altura, lo que posibilita escoger en cada caso el tipo de bomba que de mejor rendimiento y aprovechar mucho mejor pequeñas diferencias de presión ó pequeños desniveles de grandes cantidades de fluido, tal como se describirá más adelante

-: permiten asegurar y armonizar el funcionamiento a la inversa asistido de las líneas, bien mediante el tubo en U con lados telescópicos y base fija lleno de fluido incompresible ó bien mediante la disposición de líneas curvas diametralmente opuestas, y piezas de unión entre pistones de cada línea unidas rígidamente entre sí

-: permiten aprovechar energéticamente las diferencias de nivel de cualquier material en cualquier forma de almacenamiento, mediante el método también innovador que se describirá más adelante.

Descripción de los dibujos

Se aportan 21 figuras para ayudar a explicar el funcionamiento, disposiciones y aplicaciones de los intercambiadores de presión de cámaras desdobladas. A todas ellas se hace referencia desde distintos puntos de este documento, explicando en cada caso el contenido de las mismas. En cualquier caso, se recopila aquí la relación y contenido de cada una de ellas:

Figura 1: Esquema de los intercambiadores de presión tradicionales

Figura 2: Proceso de una planta desaladora con intercambiadores de presión tradicionales:

1: Agua de mar

2: Pretratamiento

3: Bombeo de alta presión

4: Filtros de ósmosis inversa

5: Agua desalada

6: Intercambiadores de presión

7: Salmuera despresurizada

8: Bomba booster

Figura 3: Intercambiadores de presión de cámaras desdobladas

Figura 4: Intercambiadores de presión de cámaras desdobladas con secciones transversales diferentes

Figura 5: Montaje en vertical de los intercambiadores de presión de cámaras desdobladas

Figura 6: Funcionamiento a la inversa asistido de los intercambiadores de presión de cámaras desdobladas

Figura 7: Montaje con líneas curvas de los intercambiadores de presión de cámaras desdobladas

Figura 8: Montaje en serie de los intercambiadores de presión de cámaras desdobladas

Figura 9: Montaje en paralelo de los intercambiadores de presión de cámaras desdobladas

Figura 10: Sistemas mixtos de grupos electrobomba e intercambiadores de presión de cámaras desdobladas

Figura 11: Sistema de bombeo con intercambiadores de presión de cámaras desdobladas

Figura 12: Sistema de bombeo para pozos ó arquetas con intercambiadores de presión de cámaras desdobladas

Figura 13: Aprovechamiento del desnivel geográfico de un río

Figura 14: Aprovechamiento de la diferencia de nivel de las mareas (marea alta)

Figura 15: Aprovechamiento de la diferencia de nivel de las mareas (marea baja)

Figura 16: Aprovechamiento de la diferencia de nivel de las mareas con cámara de paredes elásticas (marea alta descargando fluido de la cámara)

Figura 17: Aprovechamiento de la diferencia de nivel de las mareas con cámara de paredes elásticas (marea alta al concluir la descarga del fluido de la cámara)

Figura 18: Aprovechamiento de la diferencia de nivel de las mareas con cámara de paredes elásticas (marea baja comienza la carga de fluido a la cámara)

Figura 19: Aprovechamiento de la diferencia de nivel de las mareas con cámara de paredes elásticas (marea baja carga de fluido a la cámara concluida)

Figura 20: Aprovechamiento de la diferencia de nivel de las mareas con cámara de paredes elásticas y sistema de alimentación ininterrumpida

Figura 21: Proceso de una planta desaladora con intercambiadores de presión de cámaras desdobladas:

1: Agua de mar, río ó red de pluviales

2: Bomba de media presión

3: Agua de mar

4: Depósito

5: Al mar

6: Pretratamiento

7: Filtros de ósmosis inversa

8: Agua desalada

9: Intercambiadores de presión

10: Salmuera despresurizada

Exposición detallada un modo de realización de la invención

En la figura 11 se representa un esquema de un modo genérico de realización de la invención. En ella aparece abajo a la izquierda una balsa, depósito o cualquier otro lugar de almacenamiento de un fluido 1, que se encuentra a la cota h1.

La instalación presentada se utilizará para subir el fluido 1 hasta la cota h2, a una balsa ó depósito de almacenamiento que se encuentra representado arriba a la izquierda. Para ello, se utilizará un fluido auxiliar (fluido 2), que se dispone almacenado a una cota muy similar a la h1 pero algo inferior.

Bien por gravedad o bien mediante un bombeo de alimentación si fuera necesario, el fluido 1 alimenta el intercambiador de presiones de cámaras desdobladas, que consta de dos líneas tal como aparece en la figura 11, la línea superior y la inferior.

Desde su balsa ó depósito de almacenamiento, se bombea el fluido 2 con grupos electrobomba tradicionales, y con dicho bombeo se alimenta el intercambiador de presiones de cámaras dobles. Mediante un sistema de válvulas de corte controladas electrónicamente, se cierra el paso de fluido 2 a la línea 2, y se abre a la línea 1. Como se ha descrito anteriormente, cada línea tiene dos cámaras, una para cada fluido. La cámara del fluido 1 se encuentra llena en el instante inicial, y la cámara del fluido 2 vacía. Comoquiera que tienen dispuestos sendos discos ó pistones unidos rígidamente entre sí, al entrar el fluido 2 en su cámara correspondiente desplazará a su disco ó pistón correspondiente, el cual transmitirá la presión al fluido 1, que saldrá bombeado por su tubería de impusión, encontrándose cortado el retorno a la balsa a depósito de la cota h1 por una válvula de retención. Al disponerse la cámara del fluido 1 con una sección transversal menor, la presión que adquirirá el fluido 1 es mayor (el cociente de presiones será igual al cociente de áreas, salvo evidentemente por las pérdidas mecánicas, ya que la fuerza neta es la misma). Sin embargo, lógicamente el caudal de fluido 2 utilizado en llenar su cámara es mayor que el de fluido 1 extraído de su cámara (el cociente de caudales será igual al cociente de áreas, ya que la velocidad es la misma).

Una vez llena la cámara del fluido 2 y vacía la del fluido 1, mediante el sistema electrónico de control se corta la entrada de fluido 2 a la línea superior y se abre a la línea inferior. A su vez, se abre una válvula de desagüe de la cámara de fluido 2 de la línea superior. De este modo, en la línea superior el fluido 1 entra en su cámara desplazando al fluido 2 de la suya (pues ha quedado despresurizado al haber su válvula de entrada a la cámara) hacia el desagüe, y en la línea inferior el fluido 2 entra en su cámara presurizando al fluido 1 en la suya y desplazándolo hacia la tubería de impulsión.

El proceso se repite indefinidamente.

Aplicaciones industriales de la invención

Debido a las importantes ventajas descritas que aporta la invención, el abanico de aplicaciones industriales que se abre es muy amplio. A continuación se relacionan las más relevantes:

1): Como sistema de bombeo en general (figura 11), ya que al tener las cámaras desdobladas presenta las siguientes ventajas:

-: el fluido que se utiliza para bombear (fluido 2 en la figura 11) no tiene por qué ser el mismo que el que se necesita bombear (fluido 1), lo cual es de suma importancia y de aplicación en infinidad de casos. Esto es, que ya sean aguas residuales, fluidos viscosos, tóxicos, peligrosos, agua de mar, productos químicos, hormigón, aguas turbias, o cualquier clase de fluido que podamos imaginar, incluso fluidos con sólidos en suspensión, con intercambiadores de este tipo se pueden utilizar bombas de agua limpia, e incluso que trabajen con agua destilada ó cualquier otro fluido que se compruebe que dañe menos los grupos electrobomba (también se pueden escoger fluidos muy pesados y no corrosivos para reducir el tamaño de las instalaciones de bombeo y almacenamiento). Esto va a suponer un incremento de los rendimientos conseguidos así como un enorme ahorro de gastos de mantenimiento e incluso de diseño y ejecución de las instalaciones

-: se puede elegir entre bombear más caudal a menos altura ó menos caudal a más altura; así pues, se puede escoger en cada caso el tipo de bomba que de mejor rendimiento. Además, esto posibilita aprovechar mucho mejor pequeñas diferencias de presión ó pequeños desniveles de grandes cantidades de fluido

2): en las centrales hidroeléctricas, insertando estos intercambiadores de presión de cámaras desdobladas también se puede elegir entre turbinar más caudal a menos altura ó menos caudal a más altura, lo cual también permite escoger en cada caso el tipo de turbina que da mejor rendimiento. Evidentemente, y tal como se ha expuesto en el punto anterior, el fluido a turbinar no tiene por qué ser el mismo, lo cual también supone otra importante ventaja pues nuevamente se pueden escoger fluidos a medida para reducir los costes de fabricación y mantenimiento de las centrales

3): en cuanto a las bombas sumergidas ó verticales en pozos ó arquetas profundas, éstas pueden ser sustituidas por bombas en superficie, con intercambiadores de presión de cámaras desdobladas que dispongan de largas uniones entre los discos del orden de la longitud del pozo ó arqueta, de tal modo que queden unas cámaras en superficie y las otras en el fondo del pozo ó arqueta (figura 12). Las cámaras de la superficie se alimentan con cualquier fluido, elegido de nuevo para optimizar los costes de fabricación y mantenimiento de las instalaciones. Este sistema se puede montar en dos etapas, de tal forma que en la primera etapa simplemente se sube el agua ó fluido a bombear a la superficie y en la segunda etapa se eleva su presión hasta la deseada. El sistema se puede montar también con las cámaras inferiores del intercambiador de presiones de cámaras desdobladas en seco, bien en el mismo pozo ó arqueta por encima del nivel del agua, utilizando un pequeño bombeo auxiliar de alimentación, o bien en una arqueta estanca contigua

4): también se pueden aprovechar los desniveles geográficos naturales de un río, colocando en uno de los márgenes del río a una cierta profundidad los intercambiadores de presión de cámaras desdobladas, que se alimentan de una toma procedente del río, y, jugando con las secciones de las cámaras, se consigue elevar la presión del fluido a bombear (agua del propio río para regantes, fincas, urbanizaciones, municipios ó industrias cercanas, o bien cualquier otro fluido que se quiera bombear para cualquier tipo de proceso). El agua del río entra en una de las cámaras de los intercambiadores de presión de cámaras desdobladas con cierta presión debido a la profundidad a la que se coloquen los intercambiadores de presión de cámaras desdobladas y/o a un bombeo previo de alimentación. Además, colocando la toma de forma adecuada, se puede aprovechar también la energía cinética de la corriente del río. A la salida, este agua se vuelve a verter al río, a través de una conducción que lo traslada aguas abajo de forma que cae por gravedad o al menos se reduce la altura a bombear (figura 13). Si se dispone de suficiente desnivel geográfico, también se puede colocar una turbina para aprovechar la energía remanente del agua previo a su devolución al cauce del río

5): otra aplicación consiste en aprovechar el desnivel provocado en mares, rías y desembocaduras de los ríos por las mareas. Se puede tomar directamente agua de mar ó de un pozo playero cuando la marea está alta, y, tras bombearla de ser necesario ó conducirla hacia abajo para aumentarle la presión, alimenta a los intercambiadores de presión de cámaras desdobladas, y luego se almacena en una balsa ó depósito (figura 14) para esperar a que baje la marea y entonces se devuelve al mar mediante un bombeo si es necesario, que irá dotado de una válvula de retención a la salida para evitar que circule el agua en sentido inverso cuando la marea está alta (figura 15). Mientras la marea está baja, si se quiere mantener la planta en funcionamiento, se necesitará bombear ó bombear con un salto mayor el agua de alimentación de los intercambiadores. Para optimizar el sistema, se puede montar dos bombas en paralelo ó una bomba en paralelo con un simple tubo, según las necesidades del diseño

6): otra forma de aprovechar el desnivel de las mareas consiste en utilizar un fluido instalado dentro de una cámara con paredes elásticas (tipo membrana). La cámara se coloca dentro del mar unida firmemente por su base al fondo del mar, tal como aparece en las figuras 16 a 19. Del fondo de la cámara sale una tubería que se extiende hasta tierra firme, la cual dispone de una válvula de corte. Mientras sube la marea, la cámara se encuentra llena del fluido y con la válvula de corte cerrada, de modo que el fluido va aumentando su presión. Cuando la marea está alta, se abre la válvula de corte y comienza a vaciarse la cámara, alimentando a los intercambiadores de presión de cámaras desdobladas (figura 16). Si fuera necesario, se añadiría un bombeo adicional previo a la entrada a los intercambiadores, tal como aparece en la figura 16. El proceso continúa hasta que se vacía la cámara por completo (figura 17). El fluido despresurizado a la salida de los intercambiadores se ha ido almacenando en una balsa ó depósito, para verterlo ó bombearlo de vuelta a la cámara cuando baje la marea (figura 18), hasta que la cámara se vuelve a llenar (figura 19). Si se necesita trabajar en continuo, se pueden alimentar los intercambiadores el resto del tiempo mediante un bombeo desde la balsa ó depósito de almacenamiento de fluido (figura 20). Se puede escoger un fluido muy pesado para optimizar las dimensiones del sistema, o incluso se puede utilizar el propio agua del mar o cualquier otro fluido, como agua dulce o incluso destilada, para reducir el desgaste con el uso de la instalación. Es importante destacar también la ventaja medioambiental de este sistema frente a otros desarrollados de aprovechamiento del desnivel producido por las mareas (que normalmente implican la construcción de diques u otras obras de importante impacto medioambiental), ya que al estar la cámara de paredes elásticas sumergida el impacto medioambiental es cero. Para terminar con este punto, simplemente añadir que en lugar de paredes elásticas se podrían poner rígidas pero telescópicas, o bien rígidas y con la parte superior subiendo y bajando a modo de pistón

7): evidentemente el sistema de aprovechamiento de los desniveles producidos por las mareas con el sistema de cámara con paredes elásticas presentado en la aplicación anterior se puede extrapolar a cualquier otro desnivel que se presente en el tiempo de cualquier tipo de material que se pueda imaginar, sea cual sea el estado en que se encuentre, como es el caso de embalses, depósitos de agua potable, de riego ó de cualquier otro fluido en cualquier tipo de proceso industrial, e incluso en cualquier tipo de silo, depósito ó lugar donde se almacenen sólidos, ya que, en definitiva, lo que este sistema hace es aprovechar que en un determinado lugar existe algo que se carga y descarga en el tiempo y cuyo peso se aprovecha para presionar un fluido que alimenta a los intercambiadores de presión de cámaras desdobladas. En ocasiones convendrá que el fluido a utilizar sea un gas para que ocupe menos al comprimirse y no se pierda capacidad de almacenamiento. El sistema se puede controlar electrónicamente ó bien mediante ordenador, para optimizar los momentos en los que se aprovecha la presión del fluido dentro de la cámara, ya que en muchos casos los niveles no van cambiando de máximo a mínimo y viceversa, y por tanto puede convenir aprovechar los puntos de inflexión de ir llenándose a ir vaciándose y viceversa

8): igualmente se pueden aprovechar los desniveles geográficos existentes en las redes de saneamiento y sobre todo de pluviales, pues al tratarse en este último caso de agua limpia (de lluvia) es de más fácil manejo como fluido de alimentación de los intercambiadores de presión de cámaras desdobladas. El modo de funcionamiento es similar al descrito para los ríos, es decir, se realiza una toma en un punto de la red, que alimenta a los intercambiadores, que se encuentran a una cota más baja para conseguir una presión determinada a la entrada, y, una vez utilizada para aumentar la presión del otro fluido (cualquiera que deseemos bombear), se vierte de nuevo a la red aguas abajo, ya sea completamente por gravedad o bien con la ayuda de un bombeo

9): con este sistema se va a poder aprovechar análogamente la presión remanente de multitud de fluidos que intervienen en procesos industriales, y en general cualquier remanente de presión imaginable

10): otra aplicación de gran importancia es la relativa a las redes de distribución de fluidos. Los dos casos probablemente más importantes son las redes de distribución de agua potable y las de agua de riego. En general, en una red de distribución se introduce el fluido en uno ó varios puntos, y tiene múltiples salidas a lo largo de la misma. Comoquiera que se necesita disponer de una presión mínima en el punto más desfavorable de la red, en muchos tramos de la red existen sobrepresiones que a veces incluso obligan a colocar válvulas reductoras de presión. Además, el caudal que circula al comienzo de la distribución de la red no se necesita completo para los primeros suministros, sino que muy bien se podría reducir de forma muy importante de forma que quedase tan sólo el necesario para atender a dichos primeros suministros. Así pues, mediante la correspondiente red de tuberías, se podría recoger una parte del fluido al comienzo de la red, utilizarla para alimentar intercambiadores de presión de cámaras desdobladas, y finalmente devolverla a la red de distribución, aguas abajo y con menor presión, en particular con la presión necesaria en ese punto de la red. De esta forma se consigue presurizar el fluido que se ponga al otro lado de los intercambiadores, que puede ser el propio fluido de la red para abastecer puntos altos de la misma o los depósitos de cabecera, o bien cualquier otro fluido que resulte necesario bombear (por ejemplo aguas residuales en el caso de redes de distribución de agua potable)

11): cualquier combinación posible de las aplicaciones descritas; por ejemplo, mediante un control integrado del sistema, las plantas desatadoras de agua de mar bien podrían utilizar una combinación de aprovechamiento de los desniveles de las mareas, de los de un posible río que discurra ó desemboque en las cercanías de la ubicación de la planta, de las redes de distribución de agua potable ó de riego cercanas, de saneamiento y/o pluviales, ó de cualquier fluido con presión remanente en cualquier tipo de proceso industrial existente en la zona. En la figura 21 se representa el esquema de una planta desatadora de agua de mar con intercambiadores de presión de cámaras desdobladas (que evidentemente también se corresponde con el de una desatadora de aguas salobres pero sin la ventaja en la mayoría de los casos de los desniveles producidos por las mareas). Por simplicidad se ha representado con una única balsa ó depósito de almacenamiento, suponiendo que se aprovechan desniveles de mareas, ríos ó redes de pluviales, y que por tanto se vierten después de vuelta al mar, pero evidentemente si se combinan otros aprovechamientos (redes de abastecimiento, saneamiento, industriales, etc) deberá realizarse una balsa ó depósito por cada fluido que haya de devolverse a un sitio diferente

12): finalmente, si en las aplicaciones descritas existe un remanente de presión disponible tras utilizarla en los múltiples usos de bombeo de fluidos que se puedan necesitar, evidentemente siempre existe la posibilidad de utilizarla para turbinar el fluido en cuestión y producir energía eléctrica. Además, insertando nuevamente intercambiadores de presión de cámaras desdobladas se pueden mejorar notablemente los costes de ejecución y mantenimiento así como el rendimiento de las plantas, tal como se ha descrito en el punto 2 anterior.

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Existen una gran variedad de disposiciones de los intercambiadores de presión de cámaras desdobladas, tal como se ha presentado anteriormente. Por simplicidad se han representado en todas las figuras intercambiadores únicos de líneas paralelas, pero en cada aplicación se escogerá la disposición óptima de los mismos, en función de los parámetros de diseño de la instalación.

Claims

1. El intercambiador de presión de cámaras desdobladas, caracterizado por ser un intercambiador de presión, es decir, un sistema donde se aprovecha la energía disponible en un flujo continuo de un fluido (fluido presurizado) para transmitirla a otro fluido diferente (fluido a presurizar), en el que las cámaras donde se realiza el intercambio de presiones se desdoblan en dos, sustituyendo los elementos intermedios transmisores de la presión de los intercambiadores de presión tradicionales por dos discos ó pistones unidos rígidamente, eliminando todo contacto entre el fluido presurizado y el que se pretende presurizar, y permitiendo cambiar las secciones transversales de las cámaras correspondientes a uno y otro fluido.

2. El funcionamiento a la inversa asistido en los intercambiadores de presión, caracterizado por el aprovechamiento de la energía del fluido presurizado no sólo para transmitir la presión al que se quiere presurizar, sino también para desplazar al propio fluido a presurizar una vez que ha sido despresurizado, sin necesidad de un tercer fluido auxiliar. Esto se consigue mediante un tubo auxiliar en forma de "U" que se encuentra interconectando ambas líneas, y que es telescópico por ambos lados de la "U", estando soportado rígidamente por la base de la "U". Los extremos de la "U" se encuentran unidos a los discos ó pistones de sus respectivas líneas, y la "U" se encuentra llena de un fluido incompresible. De esta forma, al entrar el fluido presurizado en su cámara, no sólo presiona a su disco ó pistón para desplazar al fluido a presurizar, sino que también transmite parte de su energía al disco ó pistón de la otra línea para ayudar al fluido a presurizar de la otra línea a desplazar al otro fluido, ya despresurizado, en dicha línea y a vencer el rozamiento de los discos ó pistones y su peso y el del fluido ya despresurizado si el montaje es en vertical ó en ángulo. De esta forma se consigue además asegurar el funcionamiento de las líneas a la inversa, simplificando la electrónica de control del sistema.

3. El intercambiador de presión de cámaras desdobladas, según reivindicaciones anteriores, caracterizado por tener las cámaras curvas ó circulares, con las líneas dispuestas de forma diametralmente opuesta, las cámaras de cada fluido con radios de curvatura diferentes, y la unión entre los discos ó pisto es curva con el mismo radio y cogida al centro mediante una unión tipo rótula( Esta disposición permite incrementar la presión transmitida en función de la distancia de las cámaras de uno y otro fluido al centro, sin necesidad de cambiar la sección transversal de las mismas, aunque sin perjuicio de poder combinar ambos efectos. Además, se pueden montar las piezas de unión entre los discos ó pistones de cada línea unidas a su vez rígidamente entre sí, para asegurar el funcionamiento de las líneas a la inversa, simplificando la electrónica de control del sistema, y para poder desplazar el fluido que ha transmitido su presión en el intercambiador de presión de cámaras desdobladas, una vez despresurizado, desde sus cámaras correspondientes sin necesidad de bombeo auxiliar, en los casos en los que el fluido a presurizar entre a muy poca presión.

4. El intercambiador de presión de cámaras desdobladas, según reivindicaciones anteriores, caracterizado por disponer de tres líneas, con la tercera de longitud menor ajustada para aprovechar de forma óptima la presión del fluido presurizado dependiendo de los rangos de caudales y presiones con los que se trabaje en cada caso.