ES2255001T3 - Submarino con una valvula de seguridad en una tuberia de suministro de gas. - Google Patents

Abstract

Submarino en cuyo casco de presión se alimenta un consumidor de gas en forma de una instalación de pilas de combustible (b) desde una fuente de presión (a) a través de una tubería de suministro (c), estando conectado un reductor de presión (1) entre la fuente de presión (a) y el consumidor de gas (b), caracterizado porque están previstos medios (2) que, al producirse un aumento de la presión en la parte (c3) de la tubería de suministro (c) que conduce del reductor de presión al consumidor (b), por encima de un valor predeterminado, bloquean la tubería de suministro (c).

Description

Submarino con una válvula de seguridad en una tubería de suministro de gas.

La invención concierne a un submarino, especialmente a una disposición de válvula para tal submarino.

En los submarinos, especialmente los destinados a uso militar, aparte de utilizar baterías como acumuladores de energía, se utilizan en medida creciente también instalaciones de pilas de combustible. Como es conocido, por ejemplo, por SATTLER G: "Fuel cells going on-board", JOURNAL OF POWER SOURCES, ELSEVIER SEQUOIA S.A., LAUSANNE, CH, Vol. 86, No. 1-2, marzo de 2000 (03-2000), páginas 61-67, XP004194100, ISSN: 0378-7753, tales instalaciones de pilas de combustible se hacen funcionar típicamente también con combustible gaseoso, como, por ejemplo, hidrógeno, el cual se oxida catalíticamente aportando oxígeno y genera calor y corriente eléctrica en la instalación de pilas de combustible. Los reaccionantes se almacenan usualmente en forma líquida en recipientes de presión. La presión reinante en estos recipientes de presión es sensiblemente más alta que la presión admisible para el funcionamiento de la instalación de pilas de combustible, por lo que es regularmente necesario no sólo transferir los reaccionantes líquidos al estado gaseoso, sino, además, reducir su presión. Esto se efectúa por medio de un equipo reductor de presión conocido en numerosas variantes en el estado de la técnica - citado abreviadamente en lo que sigue como reductor de presión.

Para impedir que, en el caso de un defecto en el reductor de presión, la cara y sensible instalación de pilas de combustible sea solicitada con una presión demasiado alta, lo que puede conducir a daños permanentes e incluso a la destrucción, es conocido para instalaciones de pilas de combustible que funcionan en tierra conectar a continuación del reductor de presión una válvula de seguridad o un disco rompible, de modo que en el caso de un defecto en el reductor de presión o un aumento de presión originado por otros motivos hasta más allá de la presión admisible para el funcionamiento de la instalación de pilas de combustible, esta presión incrementada sea degradada hacia el exterior a través de la válvula de seguridad o el disco rompible.

Para la utilización en submarinos no se puede realizar este seguro contra presión posterior en esta forma, ya que, por un lado, no es tolerable que ni siquiera uno solo de los dos reaccionantes se salga de manera incontrolada hacia dentro del casco de presión del submarino, es decir, pase al interior del submarino, y, por otro lado, una derivación hacia la atmósfera ambiente no es posible al menos cuando el submarino se encuentra a una profundidad de inmersión que tiene una presión ambiente por encima de la presión admisible para el funcionamiento de la pila de combustible, puesto que entonces, debido efectivamente a la presión ambiente no puede tener lugar ya una disminución de la presión en la forma deseada.

Ante estos antecedentes, la invención se basa en el problema de configurar un submarino de modo que, en el caso de un fallo del reductor de presión, se impida fiablemente una salida del gas de reacción al casco de presión y también una solicitación de la instalación de pilas de combustible con una presión inadmisiblemente elevada.

Este problema se resuelve según la invención con las características indicadas en la reivindicación 1. Ejecuciones ventajosas de la invención están indicadas en las reivindicaciones subordinadas, en la descripción siguiente y en el dibujo. Por consiguiente, se prevén medios que bloqueen la tubería de suministro al producirse un aumento de presión por encima de un valor predeterminado en la parte de la tubería de suministro que conduce del reductor de presión al consumidor.

La idea básica de la presente invención consiste en que, independientemente de la causa del aumento de presión, cuando se produce en la tubería de suministro detrás del reductor de presión, visto en la dirección de flujo, un aumento de presión inadmisiblemente alta, se bloquee la tubería de suministro para evitar un aumento de presión adicional. Por tanto, la presión a la que se efectúa el bloqueo está por encima de la presión de funcionamiento normal, pero aún por debajo de la máxima presión admisible para la instalación de pilas de combustible. Debido al bloqueo a su debido tiempo de la tubería de suministro se asegura, por un lado, que la instalación de pilas de combustible no sea solicitada con una presión inadmisiblemente alta ni siquiera aunque ésta - por lo motivos que sean - aumente dentro de la tubería de suministro. Por tanto, se evita también con seguridad que pase presión al interior del submarino, es decir, hacia dentro del casco de presión.

La realización técnica del dispositivo de seguridad según la invención en un submarino puede llevarse a cabo de maneras diferentes. Condición previa en todas las soluciones es una válvula de bloqueo en un sitio adecuado dentro de la tubería de suministro, que, según la realización, no tiene que estar situado de forma forzosamente necesaria entre el reductor de presión y el consumidor, sino que puede estar eventualmente dispuesto también delante del reductor de presión. Esto último puede estar previsto especialmente cuando la válvula de bloqueo sea activada por un sistema de control externo (por ejemplo, un sistema de control electrónico o bien hidráulico). Es necesario entonces únicamente que en la zona de la tubería de suministro se capte la presión detrás del reductor de presión y delante del consumidor de gas, es decir, delante de la instalación de pilas de combustible, visto en la dirección de flujo, por ejemplo por medio de un sensor de presión cuya señal sea procesada adicionalmente en un sistema de control electrónico que active entonces la válvula de bloqueo en el sentido de cierre o de liberación de conformidad con el valor de presión detectado. La activación se efectúa en este caso de modo que se active la válvula de bloqueo en sentido de bloqueo al producirse un aumento de presión por encima de un valor predeterminado en la parte de la tubería de suministro que conduce del reductor de presión al consumidor y se active dicha válvula de bloqueo en sentido de apertura por debajo de este valor. Esta disposición tiene la ventaja de que puede estar montada con amplia independencia en cuanto al espacio y la válvula de bloqueo puede incorporarse en prácticamente cualquier sitio de la tubería de suministro, pero ha de tenerse en cuenta en la zona de alta presión el volumen de gas/presión remanente. Unicamente el sensor ha de preverse en la zona situada detrás del reductor de presión. La electrónica de control puede disponerse también en cualquier sitio del submarino.

Para asegurar que quede garantizada la función de seguridad incluso en caso de fallo del sistema eléctrico, la válvula de bloqueo puede estar construida mecánicamente según un perfeccionamiento de la invención de modo que se cierre automáticamente. La apertura de la válvula, es decir, la activación, puede efectuarse discrecionalmente por vía eléctrica, neumática o hidráulica, según el sistema de suministro disponible. Se sobrentiende que especialmente en el caso de una activación hidráulica o neumática se puede diseñar también el propio sistema de control como hidráulico o neumático, y entonces, en lugar de un sensor de presión eléctrico, se presenta un captador de presión hidráulico o neumático que está unido por una línea de conducción con el sistema de control para poder procesar adicionalmente la señal de presión de esta manera.

Para construir la válvula de bloqueo de manera que cierre automáticamente, es conveniente solicitar el cuerpo de sellado o eventualmente la compuerta, en caso de que esté prevista una válvula de compuerta, con una fuerza de muelle o bien solicitarlo de manera correspondiente con una presión, por ejemplo con la presión de la tubería de suministro reinante antes de la válvula de bloqueo.

Una válvula de bloqueo mecánica prevista según la invención, que esté conectada en la tubería de suministro entre el reductor de presión y el consumidor y que esté configurada de modo que se conecte automáticamente en función de la presión reinante a la entrada de la válvula, trabaja independientemente del suministro eléctrico, neumático o hidráulico. Se puede prescindir entonces completamente de aparatos de control eléctricos o de otro tipo. La realización mecánica tiene, además, la ventaja de que trabaja siempre fiablemente incluso en caso de fallo de otros sistemas y es en este aspecto especialmente favorable. El sistema trabaja también en caso de que falle la red de suministro eléctrico.

Sencilla en el aspecto constructivo y al mismo tiempo fiable es una ejecución en la que la válvula de bloqueo está configurada como una válvula de asiento, ya que entonces el cuerpo de cierre puede ser solicitado de manera sencilla por fuerza de muelle en la dirección de cierre, por ejemplo por medio de un muelle de compresión helicoidal, y no es necesario ajuste alguno de la posición extrema.

Preferiblemente, el cuerpo de sellado está acoplado para movimiento dentro de la carcasa de la válvula con un pistón y/o con una membrana, estando unido por tubería el pistón o la membrana en un lado con la entrada de la válvula y en el otro lado con un espacio cerrado dentro de la carcasa de la válvula o bien limitando directa o indirectamente el espacio cerrado con este otro lado. La entrada de la válvula, que está unida por tubería con la salida del reductor de presión, presenta siempre la presión reinante detrás del reductor de presión, con lo que esta presión es utilizada convenientemente también para controlar la válvula, especialmente cuando deba cerrase automáticamente la válvula al sobrepasarse un valor de presión predeterminado. Esta elevada presión presente entonces por el lado de entrada solicita el pistón, el cual, según el aumento de presión, se mueve comprimiendo el volumen de gas situado en el espacio cerrado hasta que, finalmente, se bloquea el paso entre la entrada y la salida de la válvula por efecto del acoplamiento de movimiento con el cuerpo de sellado cuando este cuerpo de sellado es presionado sobre el asiento de válvula.

Preferiblemente, se utiliza una combinación de pistón y membrana, en la que el pistón es el componente que absorbe la fuerza esencial, mientras que la membrana ejerce función de sellado y está sujeta de manera firme y hermética dentro de la carcasa de la válvula. La disposición es convenientemente tal en este caso que el espacio sea limitado en un lado directamente por el pistón o la membrana, de modo que la disposición resulta relativamente compacta y poco complicada en su construcción.

El cuerpo de sellado y el pistón pueden estar unidos, por ejemplo, con un vástago axialmente móvil dentro de la carcasa de la válvula para establecer de manera sencilla el acoplamiento de movimiento.

El espacio cerrado situado preferiblemente dentro de la carcasa de la válvula deberá presentar una abertura de conexión que pueda ser cerrada o que pueda ser rematada por medio de una válvula u otro medio. Esta abertura de conexión puede servir para purgar de aire el espacio cerrado y también para solicitarlo con presión; específicamente, a través de esto último se puede variar y, por tanto, ajustar la presión de disparo de la válvula.

Convenientemente, la carcasa de la válvula presenta una conexión del lado de entrada para la tubería de suministro que viene del reductor de presión y una conexión del lado de salida para la tubería de suministro que va al consumidor, para que dicha carcasa se puede integrar directamente en la tubería de suministro sin otros accesorios de grifería.

Se sobrentiende que tanto la disposición de válvula de bloqueo mecánica anterior y descrita aún con detalle más adelante ayudándose de un ejemplo de realización como la disposición que prevé un sistema de control eléctrico, hidráulico o neumático podrían utilizarse no sólo en combinación con un submarino, sino también en cualquier otra aplicación en la que exista un perfil de exigencia semejante o sean al menos favorables las características anteriormente descritas y sus ventajas.

Se explica seguidamente la invención con más detalle haciendo referencia a un ejemplo de realización representado en el dibujo. Muestran:

La figura 1, la estructura básica del dispositivo de seguridad según la invención en forma de un esquema de bloques y

La figura 2, en representación esquemática, una fuente de presión con fuente de suministro y reductor de presión, así como con una válvula de bloqueo que actúa de forma mecánica/neumática, en sección longitudinal.

Para el funcionamiento de una instalación de pilas de combustible se necesitan oxígeno e hidrógeno, los cuales han de ser alimentados cada uno desde un acumulador de presión a a un consumidor b en forma de la instalación de pilas de combustible. Esto se efectúa a través de una tubería de suministro c que se descompone en los tramos de tubería c_{1} del acumulador de presión a un dispositivo reductor de presión en forma de un reductor de presión 1, c_{2} del reductor de presión 1 a un seguro 2 contra presión posterior y c_{3} del seguro 2 contra presión posterior al consumidor b, es decir, a la instalación de pilas de combustible. El seguro 2 contra presión posterior asegura que, cuando la presión en la salida del reductor de presión 1 aumente, por los motivos que sean, por encima de un valor predeterminado que está situado por encima del intervalo de presión de funcionamiento usual de la instalación de pilas de combustible, pero aún por debajo de la presión máxima admisible, se efectúe un bloqueo de la tubería de suministro c por medio del seguro 2 contra presión posterior.

En la variante de ejecución mecánica/neumática, que se describe seguidamente con referencia a la figura 2, el bloqueo de la tubería c se efectúa directamente dentro del seguro contra presión posterior, que está configurado como disposición de válvula que comprende la válvula de bloqueo y su sistema de control. En las variantes descritas al principio, que trabajan con un sensor o un captador de presión hidráulico o neumático en combinación con un aparato de control y una válvula de bloqueo controlable, únicamente el sensor de presión o el captador de presión tienen que estar situados en la zona de la tubería de suministro c_{2} a c_{3}, y la válvula de bloqueo puede estar dispuesta también en la zona de tubería c_{1} o discrecionalmente c_{2} o c_{3}.

En la figura 2 el acumulador de presión se ha designado con a y allí una tubería de alimentación c conduce con un tramo c_{1} desde el acumulador de presión a hasta el reductor de presión 1, el cual está unido con un seguro 2 contra presión posterior a través del tramo c_{2} de la tubería de suministro. El seguro 2 contra presión posterior está configurado allí como una disposición de válvula mecánica-neumática y presenta una carcasa de válvula 3 que comprende una conexión 4 del lado de entrada para la unión con el tramo c_{2} de la tubería de suministro y una conexión 5 del lado de salida para la unión con el tramo c_{3} de la tubería de suministro, la cual conduce al consumidor b. Entre las conexiones 4 y 5 dispuestas en esta realización en línea, pero decaladas en altura, está formada la válvula propiamente dicha, la cual está constituida por un asiento de válvula 6 y un cuerpo de sellado 7 en forma de un cono de sellado. El asiento de válvula 6 está incorporado en un taladro correspondiente dentro de la carcasa de válvula 3, pero puede estar formado también en una pieza con la carcasa de la válvula. La disposición del cuerpo de sellado 7 y el asiento de válvula 6 se ha elegido de modo que, en la dirección de flujo 8, la dirección de cierre está asistida por una fuerza (véase la figura 2).

El cuerpo de sellado 7 se ha asentado sobre un cilindro escalonado 9 que va guiado de forma axialmente móvil en un taladro correspondiente del fondo de la carcasa 3 de la válvula. El cilindro escalonado 9 presenta desde abajo un taladro ciego en el que está dispuesto un muelle de compresión helicoidal 10 que solicita con fuerza al cilindro escalonado 9 y, por tanto, al cuerpo de sellado 7 asentado sobre él en dirección al asiento de válvula 6. Por tanto, la válvula de bloqueo así formada es automáticamente bloqueante.

El control del cuerpo de sellado 7 se efectúa por vía fluídica, concretamente por vía neumática, por medio de un pistón 11 que está unido mecánicamente con el cuerpo de sellado 7 o el cilindro escalonado 9 a través de un vástado 12. El lado inferior del pistón 11 orientado hacia el cuerpo de sellado 7 está solicitado a través de un canal 13 con la presión existente en la entrada 4 de la carcasa de válvula 3, es decir, con la presión reinante en la tubería de suministro c_{2} a la salida del reductor de presión 1. El otro lado del pistón 11 se aplica a una membrana 14 que está sujeta por su borde en la carcasa de válvula 3 de manera hermética y firme y que forma la pared de un espacio cerrado 15 que está previsto por encima de la carcasa de válvula 3. Este espacio cerrado 15 forma un espacio de domo, tal como es conocido también, por ejemplo, en reductores de presión controlados por presión de domo. Presenta una abertura 16 que está herméticamente cerrada por medio de un cierre 17. Esta abertura 16 sirve para purgar de aire, pero especialmente para llenar a presión el espacio 15, lo que se efectúa típicamente con nitrógeno. La presión de disparo 2 puede ajustarse por medio de la presión reinante en el espacio 15, la cual se ajusta fijamente por llenado. El cierre 17 representado en el dibujo es aquí representativo de una conexión de tubería e ilustra que el espacio 15 es de configuración cerrada. En la práctica, este cierre 17 estará formado por una conexión de tubería o por una válvula de retención directamente insertada allí y dotada de una conexión de tubería a través de la cual se efectúa el llenado y el ajuste de la presión del espacio 15.

La función del seguro 2 contra presión posterior es la siguiente: Durante el funcionamiento normal el espacio 15 está solicitado con una presión predeterminada, de tal manera que el cuerpo de sellado 7 está espaciado del asiento de válvula 6, tal como se representa en la figura. La válvula está entonces abierta, de modo que las conexiones 4 y 5 tienen paso libre. Reina entonces un equilibrio de fuerzas respecto de la fuerza en dirección de apertura que actúa a través de la presión del espacio 15 sobre la membrana 14 o el pistón 11 y, por tanto, sobre el vástago 12 y el cilindro escalonado 9 y respecto de la presión aplicada sobre el lado posterior del pistón 1 a través del canal 13 o de la fuerza en dirección de cierre resultante de esta presión, así como de la fuerza del muelle 10 que actúa también en esta dirección.

En el caso de un fallo del reductor de presión 1, aumenta la presión en el tramo c_{2} de la tubería de alimentación y, por tanto, en la conexión de entrada 4 de la válvula. Se aumenta así a través del canal 13 la fuerza que actúa sobre el pistón 1 o la membrana 14 hasta que la contrafuerza generada por la presión interna en el espacio 15 se haga menor y el pistón se mueva finalmente hacia arriba. Por tanto, el cuerpo de sellado 7 se mueve también a través del vástago 12 hacia arriba y, por tanto, hacia su asiento de válvula 6, con lo que se cierra la válvula de bloqueo y no llega ninguna presión adicional al tramo de tubería c_{3} ni, por tanto, al consumidor b ni siquiera al seguir aumentando la presión en la zona del tramo de tubería c_{2}.

Una ventaja importante de esta disposición es que esta función de control del seguro 2 contra presión posterior se desarrolla prácticamente al mismo tiempo que un momento de la presión y, por lo demás, casi se asegura por sí misma por medio de la función de bloqueo. El seguro 2 contra presión posterior trabaja, además, sin escalones, de modo que, por ejemplo en el caso de una pequeña fuga en el reductor de presión 1 y un pequeño aumento de presión originado por ella, el cuerpo de sellado se mueve en la dirección de cierre de manera correspondiente al aumento de
presión.

La ventaja de esta disposición es que trabaja de forma fiable con independencia del suministro, es decir, también en caso de fallo de sistemas eléctricos, y, además, se vuelve a abrir automáticamente cuando la presión en el tramo de tubería c_{2} desciende de nuevo hasta un valor admisible, y el dispositivo es autoasegurable. En efecto, cuando la membrana 14 tenga un defecto o no se asegure ya de otra manera la estanqueidad del espacio cerrado 15, se degrada la presión existente en dicho espacio 15, con lo que el cuerpo de sellado 7 es presionado entonces sobre el asiento de válvula 6 debido a la fuerza del muelle y bloquea la válvula.

Lista de símbolos de referencia

a	Acumulador de presión
b	Consumidor
c	Tubería de suministro
c_{1},c_{2},c_{3}	Tramos de la tubería de suministro c
1	Reductor de presión
2	Seguro contra presión posterior
3	Carcasa de válvula
4	Conexión de entrada

5	Conexión de salida
6	Asiento de válvula
7	Cuerpo de sellado, cono de sellado
8	Dirección de flujo
9	\begin{minipage}[t]{45mm} Cilindro escalonado con cuerpo de sellado\end{minipage}
10	Muelle de compresión helicoidal
11	Pistón
12	Vástago
13	Canal
14	Membrana
15	Espacio cerrado
16	Abertura
17	Cierre

Claims (10)

1. Submarino en cuyo casco de presión se alimenta un consumidor de gas en forma de una instalación de pilas de combustible (b) desde una fuente de presión (a) a través de una tubería de suministro (c), estando conectado un reductor de presión (1) entre la fuente de presión (a) y el consumidor de gas (b), caracterizado porque están previstos medios (2) que, al producirse un aumento de la presión en la parte (c_{3}) de la tubería de suministro (c) que conduce del reductor de presión al consumidor (b), por encima de un valor predeterminado, bloquean la tubería de suministro (c).

2. Submarino según la reivindicación 1, en el que está intercalada en la tubería de suministro (c) entre la fuente de presión (a) y el consumidor (b) una válvula de bloqueo, en el que está dispuesto un sensor de presión en la tubería de suministro (c_{2}) entre el reductor de presión (1) y el consumidor (b), y en el que está previsto un sistema de control que activa la válvula de bloqueo en función de la señal del sensor.

3. Submarino según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la válvula de bloqueo (2) está construida de manera que efectúe automáticamente un cierre automático y puede ser activada en sentido de apertura por vía eléctrica, neumática o hidráulica.

4. Submarino según una de las reivindicaciones anteriores, en el que está intercalada en la tubería de suministro entre el reductor de presión y el consumidor una válvula de bloqueo (2) que se conecta automáticamente en función de la presión reinante en la entrada de dicha válvula.

5. Submarino según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la válvula de bloqueo (2) está configurada como una válvula de asiento (6, 7) y el cuerpo de sellado (7) está solicitado por fuerza de muelle en la dirección de cierre.

6. Submarino según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el cuerpo de sellado (7) está acoplado para movimiento con un pistón (11) y/o una membrana (14) que están unidos por tubería en un lado con la entrada (4) de la válvula y en el otro lado con un espacio cerrado (15) o que limitan con este otro lado dicho espacio cerrado (15).

7. Submarino según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el pistón (11) solicita con un lado a una membrana (14) que está sujeta dentro de la carcasa (3) de la válvula y que limita el espacio cerrado (15).

8. Submarino según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el cuerpo de sellado (7) y el pistón (11) están unidos por un vástago (11) que puede moverse axialmente dentro de la carcasa (3) de la válvula.

9. Submarino según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el espacio cerrado (15) presenta una conexión (16) para la purga del aire o para la solicitación con presión.

10. Submarino según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la carcasa (3) de la válvula presenta una conexión (4) del lado de entrada para la tubería de suministro (c_{2}) que viene del reductor de presión (1) y una conexión (5) del lado de salida para la tubería de suministro (c_{3}) que conduce al consumidor (b).