ES2321999B1 - Intercambiadores de presion de camaras desdobladas multietapa. - Google Patents
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Abstract
Intercambiadores de presión de cámaras
desdobladas multietapa.
Se aportan nuevas disposiciones que pueden
adoptar los intercambiadores de presión de cámaras desdobladas,
sustituyendo las cámaras fijas por cámaras telescópicas, tipo
fuelle, de membrana o mixtas, eliminando los dos discos o pistones
unidos rígidamente.
Son de utilidad en todas las aplicaciones de los
intercambiadores de presión de cámaras desdobladas.
Los intercambiadores de presión de cámaras
desdobladas multietapa consisten en que las cámaras del fluido cuya
presión se cede se desdoblan en varias, que se utilizan dependiendo
de la presión disponible del fluido, mediante un sistema de
válvulas, transmitiendo así una presión lo más homogénea posible al
fluido a presurizar. Mediante un depósito auxiliar, se puede
conseguir el llenado de todas las cámaras en continuo para
aprovechar al máximo la energía del fluido presurizado.
Son de utilidad en todas las aplicaciones de los
intercambiadores de presión de cámaras desdobladas en las que se
dispongan o requieran presiones variables.
Description
Intercambiadores de presión de cámaras
desdobladas multietapa.
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.
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.
Son objeto de la solicitud de patente nº
P200601694/6, presentada por este mismo autor, y se caracterizan
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 2. De este modo, cada uno de los
fluidos sólo circula por su cámara correspondiente, haciendo
imposible la mezcla de los mismos.
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 2. De esta forma, el fluido presurizado
empujará y desplazará igualmente al otro fluido a través de su
cámara correspondiente.
Los intercambiadores de presión se han utilizado
tradicionalmente 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.
En cuanto a los intercambiadores de presión de
cámaras desdobladas, de momento se encuentran en fase de
experimentación.
Se ha realizado una búsqueda exhaustiva 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 aporta las innovaciones que aquí se van a
presentar.
La sustitución de cada uno de los discos ó
pistones de los intercambiadores de presión tradicionales por dos
discos ó pistones unidos rígidamente entre sí aporta muchas
ventajas, tal como se ha expuesto en el documento de solicitud de
patente nº P200601694/6, pero sin embargo trae como inconveniente
los esfuerzos flectores a los que están sometidos, que en muchos
casos pueden ser despreciables ó insignificantes pero en otros
casos pueden ser relevantes, fundamentalmente cuando las cámaras
sean muy largas y se encuentren dispuestas horizontalmente.
Además, el espacio que necesitan las cámaras es
el doble que en los intercambiadores de presión tradicionales.
Es bien sabido que los grupos electrobomba
tradicionales tienen una curva H-Q
(altura-caudal) que los caracteriza. Es decir, que a
diferentes alturas a vencer son capaces de dar diferentes caudales,
definidos por la curva H-Q, y en un solo punto de la
curva es en el que presentan el máximo rendimiento. En cuanto a la
presión del fluido a la entrada, cualquier variación de la misma
implica una variación igual en la altura que da el grupo
electrobomba.
Una gran ventaja de los intercambiadores de
presión de cámaras desdobladas consiste en que a diferentes
caudales de entrada del fluido presurizado los caudales del fluido
a presurizar varían proporcionalmente, pero la presión que adopta
permanece invariable, sin pérdida de rendimiento. Sin embargo,
siguen siendo sensibles a la presión del fluido a la entrada, ya
que cualquier variación de la misma se traduce en una variación
proporcional de la presión que adopta el fluido a presurizar.
La invención aporta varias disposiciones
encaminadas a solucionar los problemas expuestos anteriormente.
Estas disposiciones son las siguientes:
Son intercambiadores de presión de cámaras
desdobladas en los que para efectuar la transmisión de presiones
las cámaras son telescópicas y se empujan unas a otras, en lugar
del sistema del doble disco ó pistón unido rígidamente. En la figura
3 se adjunta una representación esquemática de los mismos.
Son intercambiadores de presión de cámaras
desdobladas en los que para efectuar la transmisión de presiones
las cámaras son tipo fuelle y se empujan unas a otras, en lugar del
sistema del doble disco ó pistón unido rígidamente. En la figura 4
se adjunta una representación esquemática de los mismos.
Son intercambiadores de presión de cámaras
desdobladas en los que las cámaras en cada línea están dispuestas
de tal forma que las correspondientes al fluido a presurizar son de
paredes rígidas, y las del fluido que cede su presión son del tipo
membrana, quedando éstas incluidas dentro de las de paredes
rígidas. En la figura 5 se adjunta una representación esquemática
de los mismos.
Evidentemente se puede combinar cualquiera de
las disposiciones posibles (tipo pistón, telescópicas, tipo fuelle
ó tipo membrana) de forma que las cámaras correspondientes a uno de
los fluidos adopten una y las correspondientes al otro fluido
adopten otra diferente.
Se han representado dos de las combinaciones
posibles en las figuras 6 (cámaras tipo pistón / cámaras
telescópicas) y 7 (cámaras telescópicas / cámaras tipo fuelle).
Se ha denominado cámaras tipo pistón a las que
aparecen en el documento de solicitud de patente nº P200601694/6,
con los dobles discos ó pistones unidos rígidamente.
Los intercambiadores de presión de cámaras
desdobladas multietapa consisten en que las cámaras del fluido cuya
presión se cede se desdoblan en varias, que se utilizan o no
dependiendo de la presión disponible del fluido, mediante un sistema
de válvulas, consiguiendo transmitir así una presión lo más
homogénea posible al fluido a presurizar, tal como aparece en la
figura 8.
También se pueden disponer de forma que las
cámaras que se desdoblan sean las del fluido a presurizar,
consiguiendo así presurizarlo a diferentes presiones en función de
las necesidades en cada momento.
Mediante la ayuda de un depósito auxiliar, se
puede conseguir el llenado de todas las cámaras en continuo para
permitir abrir a medio recorrido cámaras auxiliares si varía la
presión de alimentación, aprovechando al máximo la energía del
fluido presurizado, tal como se muestra en la figura 9.
En ambas figuras, la 8 y la 9, se han
representado los intercambiadores de presión de cámaras desdobladas
multietapa con el sistema de dobles discos ó pistones unidos
rígidamente entre sí, pero evidentemente también se les puede
disponer con cámaras telescópicas, tipo fuelle, tipo membrana ó
mixtas. Además, se han representado con las diferentes cámaras a
modo de cilindros concéntricos y superpuestos, pero evidentemente
pueden disponerse con cualquier geometría posible, siempre y cuando
el fluido presurizado empuje por todas las cámaras en el mismo
sentido.
En la figura 10 se ha representado un
intercambiador de presión de cámaras desdobladas multietapa con
disposición circular, el cual permite el funcionamiento a la
inversa asistido, según se explica en el documento de solicitud de
patente nº P200601694/6. Para aquellas aplicaciones en las que bien
la presión a la que hay que devolver el fluido cuya presión se cede
una vez que ha sido despresurizado sea variable, bien la presión de
partida del fluido a presurizar sea variable, o bien ambas, con
intercambiadores de presión de cámaras desdobladas multietapa con
disposición circular, o bien con otras disposiciones y el sistema
de tubo en "U" también descrito en dicho documento de
solicitud de patente, se puede hacer que el sistema de control
ajuste las etapas que deben entrar a funcionar también en función
de estas presiones.
Finalmente, también es posible complementar el
sistema con un bombeo auxiliar y un variador de velocidad, para
conseguir mantener la presión del fluido a presurizar totalmente
constante, controlando todo desde el sistema electrónico de control.
Si el fluido presurizado proviene de un bombeo, se puede colocar el
variador de velocidad en dicho bombeo.
Cualquiera de los nuevos tipos de
intercambiadores de presión de cámaras desdobladas expuestos
admiten por supuesto a su vez ser dispuestos en serie o en
paralelo. 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, sin perjuicio de que además se puedan disponer también
en serie ó en paralelo.
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. En el caso de intercambiadores de presión de cámaras
desdobladas multietapa, el sistema de control será más complejo
pues deberá regular las válvulas en función de las presiones de
entrada y/o salida de los dos fluidos intervinientes.
En cuanto al número de líneas necesario por
intercambiador de presiones, será normalmente 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 ó más líneas,
aunque pueda convenir que alguna 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.
Por otro lado, en determinadas ocasiones puede
convenir que sólo se disponga de una línea, simplificando
enormemente la electrónica de control del sistema.
Finalmente, en cuanto a la geometría de las
líneas de las cámaras, en cualquiera de las disposiciones expuestas
longitudinalmente pueden ser rectas, curvas e incluso circulares, y
su sección transversal circular, elíptica, triangular, cuadrada,
rectangular, poligonal ó cualquiera imaginable.
Finalmente, los intercambiadores de presión de
cámaras desdobladas, tanto en su disposición normal como en
cualquiera de las nuevas disposiciones aquí expuestas, pueden
alinearse en cualquier forma posible (horizontalmente, verticalmente
ó en ángulo). En las figuras 11 y 12 se presentan intercambiadores
de presión de cámaras desdobladas multietapa con alineaciones en
vertical, con el fluido presurizado empujando hacia arriba (figura
11) ó hacia abajo (figura 12).
Para reducir el efecto de los esfuerzos
flectores en los intercambiadores de presión de cámaras
desdobladas, otra posibilidad consiste en reforzar las uniones de la
varilla, varillas, chapas ó piezas macizas centrales con los discos
ó pistones, tal como se muestra en las figuras 13 y 14.
Las ventajas que se aportan frente a los
intercambiadores de presión de cámaras desdobladas objeto de la
solicitud de patente nº P200601694/6 son las siguientes:
- -
- los intercambiadores de presión de cámaras desdobladas telescópicas, tipo fuelle, tipo membrana ó mixtas evitan el problema de los esfuerzos flectores que aparecen en los discos ó pistones unidos rígidamente entre sí
- -
- los intercambiadores de presión de cámaras desdobladas telescópicas, tipo fuelle, tipo membrana ó mixtas reducen el espacio que ocupan las cámaras a la mitad
- -
- otra ventaja de los intercambiadores de presión de cámaras desdobladas telescópicas, tipo fuelle, tipo membrana ó mixtas estriba en que se pueden diseñar para que el funcionamiento a la inversa no necesite ser asistido, ya que se puede jugar con la elasticidad de las membranas ó diseñar las cámaras telescópicas ó de fuelle de tal forma que vuelvan siempre automáticamente a su posición de partida, con la suficiente fuerza como para arrastrar el fluido, una vez despresurizado, en su interior
- -
- los intercambiadores de presión de cámaras desdobladas multietapa consiguen transmitir una presión lo más homogénea posible al fluido a presurizar, a pesar de las variaciones de la presión del fluido presurizado a la entrada, o bien consiguen presurizarlo a diferentes presiones en función de las necesidades en cada momento
- -
- para aquellas aplicaciones en las que bien la presión a la que hay que devolver el fluido cuya presión se cede una vez que ha sido despresurizado sea variable, bien la presión de partida del fluido a presurizar sea variable, o bien ambas, con intercambiadores de presión de cámaras desdobladas multietapa con disposición circular, o bien con otras disposiciones y el sistema de tubo en "U", se puede hacer que el sistema de control ajuste las etapas que deben entrar a funcionar también en función de estas presiones
- -
- en los intercambiadores de presión de cámaras desdobladas tipo pistón, el refuerzo de las uniones de la varilla, varillas, chapas ó piezas macizas centrales con los discos ó pistones consigue reducir el problema de los esfuerzos flectores.
Se aportan 18 figuras para ayudar a explicar las
nuevas disposiciones que aquí se presentan 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: Intercambiadores de presión de cámaras
desdobladas
Figura 3: Intercambiadores de presión de cámaras
desdobladas telescópicas
Figura 4: Intercambiadores de presión de cámaras
desdobladas tipo fuelle
Figura 5: Intercambiadores de presión de cámaras
desdobladas tipo membrana
Figura 6: Intercambiadores de presión de cámaras
desdobladas mixtas (cámaras tipo pistón / cámaras telescópicas)
Figura 7: Intercambiadores de presión de cámaras
desdobladas mixtas (cámaras telescópicas / cámaras tipo fuelle)
Figura 8: Intercambiadores de presión de cámaras
desdobladas multietapa
Figura 9: Intercambiadores de presión de cámaras
desdobladas multietapa con depósito auxiliar
Figura 10: Intercambiadores de presión de
cámaras desdobladas multietapa con disposición circular
Figura 11: Intercambiadores de presión de
cámaras desdobladas multietapa en disposición vertical, con el
fluido presurizado empujando hacia arriba
Figura 12: Intercambiadores de presión de
cámaras desdobladas multietapa en disposición vertical, con el
fluido presurizado empujando hacia abajo
Figura 13: Refuerzos en las uniones de la
varilla, varillas, chapas ó piezas macizas centrales con los discos
ó pistones (I)
Figura 14: Refuerzos en las uniones de la
varilla, varillas, chapas ó piezas macizas centrales con los discos
ó pistones (II)
Figura 15: Funcionamiento por pasos del
intercambiador de presión de cámaras desdobladas multietapa (I)
Figura 16: Funcionamiento por pasos del
intercambiador de presión de cámaras desdobladas multietapa
(II)
Figura 17: Funcionamiento por pasos del
intercambiador de presión de cámaras desdobladas multietapa
(III)
Figura 18: Funcionamiento por pasos del
intercambiador de presión de cámaras desdobladas multietapa
(IV)
El modo genérico de realización de los
intercambiadores de presión de cámaras desdobladas ya ha sido
expuesto en el documento de solicitud de patente nº P200601694/6.
El hecho de que las cámaras sean telescópicas, tipo fuelle, tipo
membrana ó mixtas no altera en nada más que en la forma de
transmitir la presión de un fluido al otro tal como se ha
explicado.
Es por ello que se va a exponer el modo de
realización de los intercambiadores de presión de cámaras
desdobladas multietapa.
En las figuras 15 a 18 se representa de modo
esquemático el proceso de funcionamiento de un intercambiador de
presión de cámaras desdobladas multietapa, con siete cámaras
concéntricas situadas en el lado del fluido presurizado de
alimentación.
En la figura 15 aparece la primera de las líneas
comenzando a llenarse y la segunda comenzando a vaciarse. El
manómetro a la entrada del fluido presurizado registra una presión
elevada del mismo, por lo que se cierra la válvula que alimenta a
las cámaras concéntricas y por tanto sólo entra fluido presurizado
al cilindro central. El sistema de válvulas englobado en el cajón
gris de la figura permite el paso de fluido presurizado a la
primera línea e impide su paso a la segunda línea. Igualmente, dicho
sistema permite la evacuación de dicho fluido, ya despresurizado,
desde la segunda línea. Por otro lado, el sistema de válvulas que
aparece en la figura en la segunda línea, al tener cerrada la
válvula que alimenta a las cámaras concéntricas, permite la
evacuación del fluido del cilindro central pero no del resto de
cilindros. El fluido contenido en el resto de cilindros sale por
tanto por la conducción que lo lleva al depósito auxiliar.
Así pues, el sistema evoluciona subiendo el
fluido de la primera línea y bajando el de la segunda línea.
Además, el depósito auxiliar va alimentando a los cilindros
concéntricos de la primera línea, ya que se encuentran abiertas las
válvulas que le dan acceso a cada uno de ellos. El nivel en el
depósito auxiliar no baja, pues a su vez se está alimentando del
fluido despresurizado de los cilindros concéntricos de la segunda
línea. Es por ello que podría hasta suprimirse y convertirse en un
rebosadero.
En un cierto momento del recorrido, las líneas
han evolucionado hasta medio camino tal como se representa en la
figura 16. En dicho momento, el manómetro detecta una caída de la
presión del fluido presurizado de alimentación, y es por ello que el
sistema de control inmediatamente calcula en función de dicha caída
cuántas cámaras deben entrar en funcionamiento, para mantener lo
más constante posible la presión transmitida al fluido a
presurizar. En el supuesto que se presenta, el sistema de control
activaría cuatro de los cilindros concéntricos, tal como se muestra
en la figura 17. Evidentemente, al encontrarse los cilindros
concéntricos llenos de fluido despresurizado proveniente del
depósito auxiliar, estos se presurizan automáticamente con la sola
apertura y cierre de las válvulas correspondientes, no perdiendo por
tanto el fluido energía mientras llena los cilindros concéntricos
si hubieran estado vacíos.
A partir de este momento, como los cilindros
concéntricos de la segunda línea se siguen descargando al depósito
auxiliar y éste solo alimenta a los restantes de la primera línea,
el depósito comienza a llenarse y por tanto a rebosar por el
aliviadero, descargando el fluido al desagüe correspondiente, tal
como se muestra en la figura 18, en la que se han supuesto ya las
líneas llegando al final de su recorrido.
Una vez al final del recorrido, se debe comenzar
la descarga de la primera línea y la carga de la segunda línea,
siguiendo un proceso análogo al aquí mostrado.
El proceso se repite indefinidamente.
Obviamente el campo de aplicaciones industriales
que se abre para esta invención incluye en primer lugar todo el
abanico de aplicaciones industriales descrito en el documento de
solicitud de patente nº P200601694/6. Pero además, con estas nuevas
disposiciones, la viabilidad de utilizar estos sistemas frente a los
convencionales sistemas de bombeo será aún mayor en muchos
casos.
Claims (5)
1. El intercambiador de presión de cámaras
desdobladas multietapa, caracterizado porque en el mismo se
aprovecha la energía disponible en un flujo continuo de un fluido
(fluido presurizado) para transmitirla a otro fluido diferente de
tal forma que las cámaras del fluido cuya presión se cede se
desdoblan en varias, que se utilizan o no dependiendo de la presión
disponible del fluido, mediante un sistema de válvulas controladas
electrónicamente ó por ordenador, consiguiendo transmitir así una
presión lo más homogénea posible al fluido a presurizar.
2. El intercambiador de presión de cámaras
desdobladas multietapa, según reivindicación 1,
caracterizado porque en el mismo las cámaras que se desdoblan
sean las del fluido a presurizar, consiguiendo así presurizarlo a
diferentes presiones en función de las necesidades en cada
momento.
3. El intercambiador de presión de cámaras
desdobladas multietapa, según reivindicación 1,
caracterizado por disponer de una sola línea, simplificando
la electrónica de control del sistema.
4. El intercambiador de presión de cámaras
desdobladas multietapa, según reivindicaciones anteriores,
caracterizado por disponer de un depósito auxiliar ó de un
rebosadero en los intercambiadores de presión de cámaras desdobladas
multietapa, para conseguir el llenado de todas las cámaras en
continuo lo que permite abrir a medio recorrido cámaras auxiliares
si varia la presión de alimentación, aprovechando al máximo la
energía del fluido presurizado.
5. El intercambiador de presión de cámaras
desdobladas multietapa, según reivindicaciones anteriores,
caracterizado por estar complementado con un bombeo auxiliar
y un variador de velocidad, para conseguir mantener la presión del
fluido a presurizar totalmente constante, gobernándolo todo desde el
sistema electrónico de control. Si el fluido presurizado proviene
de un bombeo, se puede colocar el variador de velocidad en dicho
bombeo.
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