ES2266240T3 - Procedimiento y aparato para precalentar los elementos conductores de cables con aislante extraido, en particular conductores con un refuerzo de tira metalica. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para precalentar elementos conductores (C) de cables provistos de al menos una capa aislante extruída, en particular elementos conductores con un refuerzo de cinta de metal, que comprende las etapas de: a) suministrar de forma continua dichos elementos conductores (C) a una cámara de precalentamiento (12); b) calentar (30) un caudal de flujo predeterminado de un fluido portador térmico a una temperatura de precalentamiento predeterminada; y c) suministrar (24) dicho caudal de flujo predeterminado de fluido portador térmico a dicha cámara de precalentamiento (12).
Description
Procedimiento y aparato para precalentar los
elementos conductores de cables con aislante extraído, en particular
conductores con un refuerzo de tira metálica.
La presente invención se refiere, en la
fabricación de cables extruídos de alta tensión y de muy alta
tensión, a un procedimiento y un aparato para precalentar los
elementos conductores de dichos cables, en particular conductores
con un refuerzo de cinta de metal, tales como, por ejemplo,
conductores Milliken.
La expresión "cables extruídos" se refiere
a cables en los que los elementos conductores están recubiertos con
al menos una capa aislante extruída. Además, en adelante y en las
reivindicaciones adjuntas, se usará en algunas ocasiones el término
"conductor" con el propósito de indicar de forma abreviada los
"elementos conductores" del cable en conjunto.
En su configuración más completa, los cables
extruídos de alta y muy alta tensión comprenden elementos
conductores internos hechos de filamentos de cobre o aluminio, una
capa semiconductora interna (revestimiento conductor), una capa
aislante, una capa semiconductora externa (revestimiento aislante),
un revestimiento de metal que consiste, por ejemplo, en tiras o
cables de cobre enrollados helicoidalmente, una lámina de plomo o
aluminio extruído, y opcionalmente una funda externa, hecha por
ejemplo de PVC, polivinilo extruído u otros plásticos
adecuados.
La capa aislante, hecha por extrusión, tal y
como se ha descrito, es muy crítica, ya que es muy sensible a
descargas parciales que pueden ocurrir en presencia de defectos
tales como, por ejemplo, micro espacios o disyunciones entre capas
adyacentes de materiales, que pueden estar presentes en el aislante.
Estas descargas parciales aceleran el envejecimiento del material
aislante, provocando su perforación.
Por lo tanto, la capa aislante debe ser lo más
uniforme posible.
Una línea de fabricación típica de cables
extruídos comprende un precalentador de elementos conductores, una
extrusora de primera etapa para el semiconductor interno, una
extrusora de segunda etapa para el aislante, una extrusora de
tercera etapa para el semiconductor externo y un cabezal de
extrusión triple para el recubrimiento simultáneo de las capas
anteriores, un tubo de calentamiento y de reticulación, y
finalmente, un tubo de enfriamiento para completar el proceso de
reticulación. Alternativamente, se pueden utilizar más cabezales de
extrusión en una configuración en tándem. De este modo, los
conductores se precalientan tradicionalmente justo después de haber
sido introducidos en el cabezal de extrusión, con el propósito de
reducir la diferencia de temperatura entre el plástico en estado
fundido y el conductor sobre el que se extruye. De hecho, dicha
diferencia de temperatura provoca la aparición de deformaciones y
defectos similares en la superficie de contacto, que -en el
análisis final- alteran las características del cable fabricado.
La etapa de precalentamiento del conductor
permite, además, obtener un incremento de la productividad de la
planta. De hecho, la velocidad de avance del cable debe ser tal que
permita completar la reticulación del "núcleo aislado",
expresión que en la presente descripción se refiere al elemento
conductor, la capa semiconductora interna, el aislante, y la capa
semiconductora externa en conjunto, es decir, el elemento conductor
después de haber pasado a través de la sección de extrusión. El
precalentamiento del conductor reduce los tiempos de reticulación,
ya que el conductor libera calor hacia el material extruído, o al
menos no lo absorbe del mismo, evitando de este modo el fenómeno
conocido como "congelación" de la capa semiconductora interna y
de parte del aislante durante la extrusión. Este fenómeno consiste
en que, sin un precalentamiento del conductor, la capa
semiconductora interna y el interior del aislante, cuando están en
contacto con el conductor, liberan calor al mismo más rápidamente
que el calor que reciben por conducción de las capas más externas,
de modo que caen por debajo de la temperatura de reticulación
óptima. Por lo tanto, durante la etapa de reticulación, hay una
capa externa que se está reticulando, una capa intermedia fundida, y
una capa interna a baja temperatura. Mientras avanza por la línea
de fabricación, gracias al calor recibido por convección y/o
radiación, también la parte más interna, enfriada y posiblemente
solidificada, se vuelve a fundir opcionalmente, se lleva de nuevo a
la temperatura de reticulación óptima y luego se reticula. Tal y
como se ha descrito, tras la reticulación hay una etapa de
enfriamiento, siempre en dirección radial, desde fuera hacia
dentro.
Estos cambios de estado y de temperatura
implican que se generen tensiones internas en la capa aislante,
debidas a la expansión y contracción térmicas, que pueden empeorar
el rendimiento del cable. En lo que se refiere a la eficacia de la
línea de fabricación, ésta empeora debido al hecho de que la parte
que se ha enfriado o incluso solidificado debido al contacto con el
conductor debe calentarse de nuevo o incluso fundirse de nuevo, por
lo que la velocidad en el tubo de reticulación, y en consecuencia en
toda la planta, debe reducirse.
Las tensiones internas, específicamente en
cables grandes, pueden provocar un empeoramiento de las propiedades
dieléctricas de la capa aislante.
El documento JP 61-271717
describe una planta para producir un cable con un recubrimiento de
resina aislante, que comprende un tambor de suministro, rodillos de
conducción, un dispositivo de precalentamiento, una extrusora de
resina sobre el conductor precalentado, un tubo de reticulación para
la resina extruída, rodillos de conducción y una bobinadora. El
dispositivo de precalentamiento, que dicho documento propone
mejorar mediante un dispositivo para evitar corrientes de fuga, se
basa en un sistema de corriente inducida mediante un transformador
eléctrico. De este modo, el conductor se calienta mediante calor
generado por efecto Joule.
También se han propuesto técnicas de
precalentamiento directo -mediante corriente eléctrica- y técnicas
de precalentamiento por infrarrojos.
Sin embargo, el solicitante ha comprobado que
las técnicas de precalentamiento mencionadas anteriormente no se
pueden aplicar de forma satisfactoria en conductores provistos de un
refuerzo de cinta de metal -particularmente de cobre-, tales como
los conductores conocidos como Milliken. Los conductores Milliken, y
más generalmente los conductores con sección lobular, se utilizan
ampliamente para cables de alta tensión, ya que muestran una
relación impedancia-resistencia más baja respecto a
cables equivalentes de geometría tradicional, y no les afecta tanto
el denominado efecto superficial ("skin effect", en
inglés).
Tal y como se muestra esquemáticamente en la
sección de la figura 1, un conductor Milliken 100 tiene una
pluralidad de sectores o lóbulos 101, ilustrándose cinco lóbulos 101
en el ejemplo de la figura 1, dispuestos alrededor de un núcleo
102. El núcleo 102, hecho por ejemplo de aluminio, tiene el
propósito de soportar los lóbulos 101, eliminando puntos centrales
de los mimos. Cada lóbulo 101 a su vez consiste en una pluralidad
de series de cables 103, 104, ...., 106, 107. Cada serie de cables
103-107 está enrollada helicoidalmente alrededor de
la serie de cables más interna en el mismo lóbulo 101. Esta
geometría multilobular conforma una sección de conductor 100
sustancialmente circular, en la que, sin embargo, en todas las
uniones entre los diversos lóbulos 101 se forman ranuras
sustancialmente triangulares 108 a lo largo de la longitud del
conductor 100. Durante la extrusión, el material extruído tiende a
penetrar en dichas ranuras 108, es decir, tiende a tomar una
sección transversal irregular, no con forma anular (conocida como
"fioritura"). Si la extrusión se lleva a cabo a una presión
relativamente baja, solamente el semiconductor interno penetra en
los entrantes, pero si la presión de extrusión es mayor, como en el
caso de la sección de extrusión de triple cabezal, también el
aislante penetra en los mismos, provocando de este modo gradientes
potenciales no deseados durante el uso del cable.
Para evitar este inconveniente, además de
proporcionar estabilidad mecánica a los conductores, los
conductores de sección lobular -particularmente los del tipo
Milliken- están "reforzados mediante cinta", es decir, están
envueltos con una cinta de refuerzo 109. Dichas cintas de refuerzo
consisten, por ejemplo, en una capa semiconductora de tejido no
tejido, una capa de cobre, y otra capa semiconductora de nylon.
El solicitante ha comprobado que, en presencia
de un refuerzo de cinta de metal, el metal absorbe la mayor parte
del calor recibido durante el precalentamiento del conductor,
mientras que el cable permanece frío por el principio de la Jaula
de Faraday: las líneas de campo magnético solamente se concatenan en
la cinta de refuerzo, lo que forma un escudo que protege el
conductor dispuesto en el interior del mismo de la corriente de
inducción, generando de este modo un gradiente térmico considerable
entre el núcleo conductor y la cinta de refuerzo.
Dicho gradiente térmico es inaceptable, ya que
durante el procedimiento de reticulación la parte interior del
conductor, que está más fría, elimina calor de la cinta de refuerzo
y del material aislante, que están más calientes, lo que provoca la
aparición de los inconvenientes mencionados anteriormente.
Por lo tanto, el problema técnico básico de la
presente invención es proporcionar un procedimiento y un aparato
para precalentar los elementos conductores para cables extruídos,
que puedan proporcionar un precalentamiento homogéneo en dirección
radial, también con la presencia de un refuerzo de cinta de
metal.
De este modo, en un primer aspecto de la misma,
la presente invención proporciona un procedimiento para precalentar
los elementos conductores de cables provistos de al menos una capa
aislante extruída, en particular elementos conductores con un
refuerzo de cinta de metal, que comprende las etapas de:
- a)
- suministrar de forma continua dichos elementos conductores a una cámara de precalentamiento;
- b)
- calentar un caudal de flujo predeterminado de un fluido portador térmico a una temperatura de precalentamiento predeterminada, y
- c)
- suministrar dicho caudal de flujo predeterminado de fluido portador térmico a dicha cámara de precalentamiento.
En la presente descripción y en las
reivindicaciones adjuntas, la expresión "temperatura de
precalentamiento" se refiere a una temperatura del fluido
portador térmico comprendida entre una temperatura inmediatamente
más alta que la de los elementos conductores y una temperatura
máxima tal que no degrade las capas poliméricas dispuestas a
continuación sobre los elementos conductores, cualquier cinta
presente en los elementos conductores, o los propios elementos
conductores. Preferiblemente, la temperatura de precalentamiento del
fluido portador térmico se selecciona de tal manera que genere una
temperatura del conductor que puede ser más baja o igual que la
temperatura de extrusión del polímero fundido, e incluso más
preferiblemente, aproximadamente 10°C más baja que la temperatura
de extrusión. Dicha temperatura puede alcanzarse mediante la
regulación adecuada de la temperatura y/o el caudal de flujo y/o
las características fluido dinámicas del fluido portador térmico.
De este modo, el conductor se precalienta a una temperatura capaz de
reducir sustancialmente la duración de la siguiente etapa de
reticulación de las capas extruídas sobre los elementos
conductores.
\newpage
En paralelo, en un segundo aspecto de la misma,
la presente invención proporciona un aparato para precalentar los
elementos conductores de cables provistos con al menos una capa
aislante extruída, en particular elementos conductores con un
refuerzo de cinta de metal, que comprende:
- -
- una cámara de precalentamiento adecuada para contener una parte de una longitud predeterminada de los elementos conductores, y que tiene una entrada y una salida para un fluido portador térmico
- -
- un circuito para suministrar el fluido portador térmico hacia dicha entrada de la cámara de precalentamiento, y
- -
- medios para calentar el fluido portador térmico gaseoso.
Gracias al precalentamiento llevado a cabo
principalmente mediante convención térmica forzada según la
invención, se pueden precalentar de manera eficaz cables
tradicionales y cables con un conductor provisto con un refuerzo de
cinta de metal, por ejemplo, con un conductor Milliken, evitando de
este modo los problemas relacionados con la presencia de la cinta
de refuerzo. Además, el consumo de energía se reduce
considerablemente respecto al precalentamiento inductivo.
Preferiblemente, el fluido portador térmico se
suministra a la cámara de precalentamiento en una condición
turbulenta. De este modo, hay una mejora ventajosa en los
coeficientes de intercambio de calor.
Ventajosamente, el fluido portador térmico se
suministra a contracorriente respecto a la dirección de suministro
continuo de dicho conductor. También gracias a esta característica,
la eficacia en el intercambio de calor mejora.
Preferiblemente, el fluido portador térmico se
calienta hasta una temperatura de precalentamiento predeterminada
que se selecciona en un intervalo comprendido entre 80°C y 200°C,
más preferiblemente entre 100°C y 180°C, e incluso más
preferiblemente entre 130°C y 160°C. Este intervalo de temperaturas
es el mejor compromiso entre el tiempo necesario para el
precalentamiento y el gradiente térmico final en dirección radial de
los elementos conductores.
Además, ventajosamente, el procedimiento de la
invención proporciona la detección de la temperatura del elemento
conductor y el cambio de la temperatura de precalentamiento y/o de
el caudal de flujo del fluido portador térmico basándose en la
temperatura detectada. En paralelo, el aparato según la invención
también puede comprender un detector para detectar la temperatura
de los elementos conductores, y un controlador para controlar
automáticamente la energía de los medios de calentamiento y/o el
caudal de flujo del fluido portador térmico basándose en la
temperatura detectada por el detector. Este control por
retroalimentación permite obtener siempre la temperatura deseada de
los elementos conductores cuando entran en la sección de
extrusión.
Además, en el procedimiento según la invención,
se puede proporcionar la recirculación, esencialmente en un bucle
cerrado, del fluido portador térmico desde una salida de la cámara
de precalentamiento hacia una entrada de la misma. En paralelo, en
el aparato según la invención, el circuito para suministrar el
fluido portador térmico puede comprender un ventilador provisto de
unos conductos de suministro y succión respectivos que se extienden
entre el ventilador y la entrada y la salida para el fluido portador
térmico, respectivamente. De este modo, la eficacia del
procedimiento o del aparato, respectivamente, también mejora.
En el aparato según la invención, los medios de
calentamiento comprenden preferiblemente al menos una resistencia
eléctrica en contacto con la cámara de precalentamiento,
preferiblemente coaxial y en el exterior de la misma. Esto
proporciona las ventajas de una simplificación en la estructura y
una mayor economía, además de proporcionar cierto calentamiento del
conductor por radiación.
Además, preferiblemente, la cámara de
precalentamiento está cerrada en sus extremos opuestos por
dispositivos de cierre que tienen al menos un orificio para alojar
los elementos conductores, siendo el orificio desplazable
transversalmente respecto a su eje longitudinal. De este modo, el
orificio es desplazable transversalmente respecto a la dirección
nominal de los elementos conductores, siendo de esta manera capaz de
adaptarse por sí mismo a las desalineaciones de la planta y a la
configuración tomada por los elementos conductores durante la
fabricación, en particular en plantas de catenaria.
Preferiblemente, cada dispositivo de cierre
tiene una primera placa que tiene una parte extendida central,
donde está practicado dicho orificio; una segunda placa para cerrar
el extremo de la cámara de precalentamiento y que tiene una ranura
que aloja con juego la parte extendida central de la primera placa;
y al menos una tercera placa que se puede fijar a la segunda placa
con la primera placa intercalada y en una posición desplazada
respecto a dicho orificio. De hecho, dicho dispositivo de cierre
permite la movilidad del orificio a la vez que proporciona una
buena estanqueidad en la cámara de precalentamiento.
Incluso más preferiblemente, la primera placa
consiste en dos partes alrededor de dicho orificio, y la segunda
placa consiste en dos partes alrededor de dicha ranura. De este
modo, los dispositivos de cierre se pueden montar y extraer con el
conductor ya extendido dentro de la planta.
\newpage
Además, el aparato se puede montar en una
estructura de soporte regulable. Dicha estructura de soporte
permite la adaptación a la posición nominal del conductor en la
planta, particularmente en plantas de catenaria.
En un tercer aspecto de la misma, la presente
invención se refiere a un procedimiento para fabricar un cable
provisto de al menos una capa aislante extruída, que comprende las
etapas de:
- -
- precalentar los elementos conductores del cable según el procedimiento ilustrado anteriormente;
- -
- extruir al menos una capa aislante en los elementos conductores precalentados; y
- -
- calentar y enfriar posteriormente el núcleo aislado que consiste en dichos elementos conductores provistos de al menos dicha capa aislante para reticular dicha al menos dicha capa aislante.
Finalmente, en un cuarto aspecto de la misma, la
presente invención se refiere a una planta para la fabricación de
un cable provisto de al menos una capa aislante extruída, que
comprende un aparato para precalentar los elementos conductores del
cable con las características descritas, una sección de extrusión
para al menos dicha capa aislante, un tubo de reticulación para las
capas extruídas, y medios para suministrar de forma continua los
elementos conductores.
A continuación se ilustrarán características y
ventajas de la invención, haciendo referencia a la realización
preferida representada a modo de ejemplo no limitativo en las
figuras adjuntas, en las que:
- La figura 1, a la que ya se ha hecho
referencia, muestra esquemáticamente una sección de un conductor del
tipo Milliken;
- La figura 2 muestra esquemáticamente una
planta para la fabricación de un cable extruído con un aparato para
precalentar los elementos conductores de los cables extruídos según
la presente invención;
- La figura 3 muestra una vista lateral de
una realización preferida de un aparato de precalentamiento según
la invención;
- La figura 4 muestra una vista en
explosión y parcialmente en línea discontinua de un dispositivo de
cierre de una cámara de precalentamiento del aparato de la figura
3;
- La figura 5 muestra una vista del
dispositivo de cierre de la figura 4 montado y parcialmente en línea
discontinua; y
- La figura 6 muestra un gráfico de los
resultados de pruebas experimentales.
Una planta 1 para la fabricación de un cable
provisto de al menos una capa aislante extruída, mostrada en la
figura 2, comprende esencialmente un aparato de precalentamiento 2,
una sección de extrusión 3 y un tubo de reticulación 4, atravesados
secuencialmente por un conductor C que se suministra de forma
continua mediante una bobina 5 que se desenrolla, a través de un
transportador conocido como "de oruga" 6 ("caterpillar"
en inglés). A continuación del tubo de reticulación 4, hay provistos
un transportador "de oruga" 6' y una bobinadora 7 para el
cable acabado. Las orugas 6, 6', por supuesto, constituyen solamente
un ejemplo de los medios de suministro continuo del conductor C en
la planta 1.
La sección de extrusión 3 se muestra
esquemáticamente provista de un extrusor 8 para la capa
semiconductora interna, un extrusor 9 para la capa aislante, un
extrusor 10 para la capa semiconductora externa, y un triple
cabezal de extrusión 11, aunque por supuesto, serían posibles otras
configuraciones conocidas per se.
Finalmente, cabe destacar que aunque la figura 2
muestra una vista en planta de una planta 1 del tipo horizontal o
de catenaria, la invención no estará limitada a dichos tipos de
plantas, ya que también se puede aplicar a plantas verticales.
El aparato de precalentamiento 2 según la
realización preferida de la invención, mostrado en la figura 3,
tiene primero de todo una cámara de precalentamiento 12 adecuada
para contener una parte de la longitud 1 de los elementos
conductores C para la producción de un cable provisto con un
aislante extruído, preferiblemente sustentados en el interior de la
cámara de precalentamiento 12 mediante al menos un soporte 14.
La cámara de precalentamiento 12 tiene
preferiblemente una forma tubular alargada, por ejemplo, un tubo de
acero inoxidable sometido a un tratamiento químico de baño de
níquel, y tiene en sus extremos dispositivos de cierre herméticos
16 de la cámara 12, provistos de un orificio 18 pasante para
permitir el paso de los elementos conductores C. Dependiendo de la
longitud 1 de la cámara de precalentamiento 12, ésta puede estar
hecha de más partes, tal y como muestran las uniones 13 en la figura
3.
Las figuras 4 y 5 muestran, -en una vista en
explosión y montado, respectivamente- una realización preferida del
dispositivo de cierre 16, en la que el orificio pasante 18 es
desplazable transversalmente, a lo largo de las dobles flechas A y
B de la figura 5, respecto a la dirección nominal de los elementos
conductores C, a fin de adaptarse por sí mismo a la configuración
tomada por los mismos, que es variable con el movimiento horizontal
de la oruga de suministro 6 de la planta 1. Más particularmente,
cada dispositivo de cierre 16 comprende una primera placa 161 que
tiene una parte central extendida 162, en la que está practicado el
orificio 18. Una segunda placa 163 tiene un tamaño exterior que se
corresponde con la abertura del extremo de la cámara de
precalentamiento 12, y unos orificios 164 para fijarla a la misma
mediante tornillos 164'. La segunda placa 163 tiene además una
ranura 165 con un tamaño ligeramente superior que la parte central
extendida 162 de la primera placa 161, a fin de alojarla con juego.
Preferiblemente, y tal y como se muestra, la ranura 165 está
rodeada por un asiento 166 entrante que tiene un tamaño que es tan
grande respecto a la primera placa 161 como la ranura 165 lo es
respecto a la parte central extendida 162 de la primera placa 161.
Al menos una tercera placa 167 (dos de las cuales se muestran) se
puede fijar, por ejemplo mediante tornillos (no mostrados), a la
segunda placa 163, con la primera placa 161 dispuesta entre las
mismas, y, cuando están unidas, queda dispuesta en una posición
descentrada respecto al orificio 18, en cualquier posición de la
primera placa 161 dentro del asiento 166 de la segunda placa
163.
Con el propósito de permitir montar y extraer
los dispositivos de cierre 16 sin extraer el conductor C de la
planta 1, la primera placa 161 consiste preferiblemente en dos
mitades 161a y 161b alrededor del orificio 18, que se mantienen
unidas mediante pernos 168 (solamente se muestra uno en la figura 4)
y mediante placas pequeñas 169 que pueden fijarse a asientos 170
entrantes, por ejemplo, mediante tornillos 169'. Similarmente, la
segunda placa 163 consiste preferiblemente en dos mitades 163a y
163b alrededor de la ranura 165, que tienen preferiblemente un
borde diametral escalonado 171 para una mejor estanqueidad. Las
partes en línea discontinua en la figura 4 ilustran el movimiento
de montaje de las placas 161, 163 alrededor del conductor C.
Finalmente, en la primera y en la segunda placa 161, 163 se muestran
orificios ciegos roscados 172, 173, respectivamente, para alojar
unos tiradores de extracción 174, 175, respectivamente. Cabe
destacar que la forma rectangular de la ranura 165 y de la primera
placa 161, junto con la forma cuadrada de la parte extendida
central 162 de la primera placa, implica una capacidad de movimiento
diferente del orificio 18 a lo largo de las dos direcciones A y B,
perpendiculares la una a la otra y al eje de la cámara de
precalentamiento 12. Los dispositivos de cierre 16 están fijados a
la cámara de precalentamiento 12, en una planta 1 de catenaria, con
una orientación tal que el movimiento más limitado en la dirección A
se lleva a cabo horizontalmente respecto al suelo, mientras que el
movimiento más amplio en la dirección B se lleva a cabo en dirección
vertical. Esta capacidad de movimiento horizontal es
particularmente útil para compensar errores de desalineación axial
durante la instalación del aparato de precalentamiento 2, mientras
que la capacidad de movimiento vertical es particularmente útil
durante su uso, de modo que el orificio 18 pueda seguir el recorrido
de catenaria del conductor C.
Volviendo a la figura 3, la cámara de
precalentamiento 12 está rodeada preferiblemente por un aislante
19, que consiste por ejemplo en una capa de fibra de vidrio o
cerámica envuelta por una lámina de aluminio 20.
Además, la cámara 12 está provista de una
entrada 21 y una salida 22 para un fluido portador térmico gaseoso,
por ejemplo, aire, que se suministra mediante un ventilador 24
conectado a la entrada y a la salida 22 respectivamente, a través
de un conducto de suministro 26 y de un conducto de succión 28, que
están hechos preferiblemente de acero y están aislados. El conducto
de suministro 26 y el conducto de succión 28 están provistos
preferiblemente de unos dispositivos 27 y 29 respectivos para
compensar las expansiones y contracciones térmicas, por ejemplo en
forma de fuelles metálicos.
Preferiblemente, tal y como se muestra en la
figura 3, el aire u otro fluido circula en la cámara de
precalentamiento 12 desde la derecha hacia la izquierda, es decir, a
contracorriente respecto a la dirección de suministro de los
conductores C. Esto permite mejorar la eficiencia en el intercambio
de calor, lo que ocurre esencialmente por convección térmica
forzada.
De hecho, el fluido portador térmico, que en la
cámara de precalentamiento 12 entra en contacto con el conductor C,
se calienta mediante medios de calentamiento adecuados,
representados en la figura 3 como veinticuatro resistencias
eléctricas 30 de media carcasa dispuestas a lo largo de la cámara de
precalentamiento 12, en el interior del aislante, y a través del
cual puede observarse el cableado 31 para la alimentación de las
resistencias 30. Por supuesto, los "medios de calentamiento" se
pueden disponer a lo largo de todo el circuito del fluido, es
decir, también a lo largo de los conductos 26, 28, y también pueden
ser de otro tipo, por ejemplo, pueden consistir en un
intercambiador de calor, que pueda utilizar particularmente fluidos
calientes obtenidos de otras partes de la planta 1.
Sin embargo, cabe destacar que el uso de
resistencias eléctricas 30 a lo largo de la cámara de
precalentamiento 12 permite complementar el intercambio de calor
mediante convección forzada con el intercambio de calor por
radiación desde las paredes de la cámara de precalentamiento 12, que
a su vez están en contacto con las resistencias 30, mejorando de
este modo la eficacia del aparato 10. No obstante, el intercambio de
calor por radiación es insignificante respecto al intercambio de
calor por convección, ya que se ha comprobado experimentalmente que
apenas llega a aproximadamente el 4%.
El ventilador puede ser por ejemplo un
ventilador centrífugo.
Además, el aparato 2 está provisto
preferiblemente de un detector (no mostrado) para detectar la
temperatura del conductor C, por ejemplo, un pirómetro óptico,
dispuesto a continuación de la cámara de precalentamiento 12, antes
de la entrada de la sección de extrusión 3, y de un controlador (no
mostrado) que, basándose en la temperatura detectada por el
detector, controla el caudal de flujo del fluido portador térmico
y/o la corriente suministrada a las resistencias 30. Además, el
controlador recibe preferiblemente otros parámetros de entrada,
proporcionados por detectores adecuados, por ejemplo, la temperatura
de la cámara de precalentamiento 12 y la temperatura del aire a lo
largo del circuito formado por el ventilador 24 y los conductos de
suministro y succión 26, 28. A modo de ejemplo, la figura 3 muestra
tres termopares 32 a lo largo de la cámara de precalentamiento 12,
y un termopar 34 a lo largo del conducto de suministro 26. Además,
en el mismo conducto de suministro 26 se muestra un orificio 36
para alojar un anemómetro (no mostrado) a fin de controlar el caudal
de flujo de aire. Finalmente, en el conducto de succión 28 se
muestra una llave 38 para compensar el aire circulante, normalmente
cerrada, pero que puede ser de utilidad durante la instalación del
aparato de precalentamiento 2.
Además, la cámara de precalentamiento 12 puede
estar configurada para poder abrirse, a fin de facilitar la
introducción y la extracción del conductor C y de los dispositivos
de cierre 16, o puede estar configurada para no poder abrirse, a
fin de simplificar significativamente su configuración mecánica,
reduciendo de este modo los costes. En el caso de que la cámara
pueda abrirse, puede ser adecuada para la seguridad del personal en
cargo, a fin de proporcionar un control sobre la temperatura de la
propia cámara 12 y su apertura y cierre eficaces.
Además, con el propósito de adaptarse por sí
mismo a la configuración tomada por el conductor C en la planta 1,
particularmente en plantas de catenaria, el aparato 2 puede estar
dispuesto ventajosamente en una estructura de soporte regulable 40.
La estructura de soporte 40 comprende unos chasis 41 para soportar
el tubo que forma la cámara de precalentamiento 12. La base 42 de
los chasis 41 está fijada a una estructura 43 con unos soportes 44
intermedios, sirviendo ambos como aislantes térmicos y como
amortiguadores de vibraciones. La estructura 43 está
preferiblemente aligerada mediante una serie de orificios 45, y
tiene una forma sustancialmente trapezoidal. En su parte inferior,
la estructura 43 está provista de una placa 46, que está fijada a
una segunda placa 47 asociada al suelo mediante una serie doble de
tornillos. Los tornillos 48 de una primera serie están provistos de
dos tuercas 49, y sirven para embridar las dos placas 46, 47,
mientras que los tornillos 50 de una segunda serie sirven para
permitir un ajuste preciso de la inclinación de la cara superior de
la estructura 43, y por lo tanto, de la cámara de precalentamiento
12, a fin de que sea adecuada para la introducción en la planta de
catenaria.
Con el aparato descrito, el procedimiento según
la invención se puede llevar a cabo tal y como se explica a
continuación.
Primeramente, los elementos conductores C, que
deben precalentarse antes de entrar en la sección de extrusión 3,
se suministra continuamente al interior de la cámara de
precalentamiento 12. Al mismo tiempo, en la cámara de
precalentamiento 12 se calienta un caudal de flujo predeterminado de
aire u otro fluido portador térmico, preferiblemente gaseoso, hasta
una temperatura de precalentamiento, tal y como se ha definido
previamente, a fin de calentar la parte del conductor C
esencialmente mediante convección térmica forzada.
El fluido portador térmico se suministra
preferiblemente en condición turbulenta y contracorriente respecto
a la dirección de suministro continuo del conductor C.
La temperatura de precalentamiento del fluido
portador térmico y el caudal de flujo se explican a continuación,
en las siguientes hipótesis simplificadas:
- -
- el movimiento del conductor C dentro de la cámara de precalentamiento 12 puede ignorarse, ya que su velocidad (normalmente de 0.2 a 0.6 m/s) es mucho menor que la velocidad del fluido portador térmico (aproximadamente de 19 a 38 m/s);
- -
- el efecto de la radiación en el intercambio de calor es insignificante, ya que equivale a aproximadamente el 4% del intercambio de calor obtenido mediante convección forzada;
- -
- las propiedades termodinámicas del aire pueden ser consideradas como constantes, ya que su carga térmica, en régimen permanente, es de 10°C.
La energía térmica Q_{Cu} necesaria para
provocar un cambio \Delta T_{Cu} en el conductor viene dada por
la fórmula de la ecuación 1:
(Ec. 1)Q_{Cu}
= q_{Cu} \cdot c_{pCu} \cdot \Delta
T_{Cu}
donde q_{Cu} es el caudal de
suministro del conductor y c_{pCu} es el calor específico del
conductor.
De forma similar, la energía térmica Q_{f}
liberada por el fluido portador térmico se puede expresar mediante
la ecuación 2:
(Ec. 2)Q_{f} =
q_{f} \cdot c_{pf} \cdot \Delta
T_{f}
donde q_{f} es el caudal de flujo
de fluido portador térmico y C_{pf} es el calor específico del
fluido portador
térmico.
\newpage
Considerando pérdidas, la energía térmica
Q_{req} a suministrar al conductor C está dada por la ecuación
3:
(Ec. 3)Q_{req}
= Q_{Cu} \cdot
K
donde K es una constante mayor que
la
unidad.
La energía térmica intercambiada entre el
conductor C y el fluido portador térmico es una función del
coeficiente h_{c} de intercambio de calor del área A de
intercambio de calor, y de las temperaturas inicial y final del
conductor, y del fluido portador térmico. En el caso de la
convección forzada en condición turbulenta y a contracorriente, se
tiene la ecuación 4:
(Ec. 4)Q_{c} =
h_{c} \cdot A \cdot \frac{(T_{Cu} - T_{f})_{ent} + (T_{Cu} -
T_{f})_{sal}}{1n\frac{(T_{Cu} - T_{f})_{ent}}{(T_{Cu} -
T_{f})_{sal}}}
donde T_{Cu} es la temperatura
del conductor C y T_{f} es la temperatura de fluido portador
térmico, donde el sufijo ent indica la entrada de la cámara de
precalentamiento 12, que es esencialmente la salida 22 del fluido
portador térmico, y el sufijo sal indica la salida de la cámara de
precalentamiento 12, que es esencialmente la entrada 21 del fluido
portador térmico. En el caso de intercambio de calor por convección,
el coeficiente h_{c} viene dado por la ecuación
5:
(Ec. 5)h_{c} =
0,023 \cdot Re^{0,8} \cdot Pr^{0,4} \cdot
\frac{\lambda}{D_{Cu}}
donde Re es el número de Reynolds,
Pr es el número de Prandtl, \lambda es la conductividad térmica
del fluido, y D_{Cu} es el diámetro del conductor
C.
Reemplazando la ecuación 1 en la ecuación 3 e
igualándola a la ecuación 2, e igualando las ecuaciones 2 y 4, se
obtiene un sistema de dos ecuaciones. Dicho sistema está relacionado
con dos cantidades desconocidas, el caudal de flujo y la
temperatura del fluido portador térmico en la salida de la cámara de
precalentamiento 12, esencialmente en la entrada 21 del fluido
portador térmico. Se ha comprobado que, con el valor del caudal de
flujo así calculado, el estado es en realidad turbulento, tal y como
se planteó, es decir Re>2400.
Además, ventajosamente, según el procedimiento
de la invención, se puede detectar la temperatura de los elementos
conductores C mediante el detector, preferiblemente en la salida de
la cámara de precalentamiento 12, o lo que es lo mismo, después de
la etapa de suministrar el fluido portador térmico calentado, y se
puede cambiar la temperatura de precalentamiento y/o el caudal de
flujo de fluido mediante el controlador, basándose en la
temperatura detectada.
Además, preferiblemente, se hace recircular el
fluido portador térmico esencialmente en un bucle cerrado desde la
salida 22 de la cámara de precalentamiento 12 hacia la entrada 21 de
la misma.
Después del precalentamiento, en el
procedimiento para fabricar un cable provisto de al menos una capa
aislante extruída según la invención, al menos la capa aislante se
extruye sobre los elementos conductores C precalentados; luego, el
núcleo aislado se calienta y se enfría posteriormente a fin de
reticular la capa aislante y cualquier otra capa extruída.
A modo de ejemplo, para precalentar hasta
aproximadamente 110°C un conductor C con una sección de 1600
mm^{2} y un diámetro d de 52 mm, suministrado a una velocidad de
0.25 a 0.6 m/min, se utilizará un caudal de flujo de fluido
portador térmico de 0.5 a 1.5 m^{3}/s, suministrado a una
velocidad de 19 a 38 m/s, y calentado hasta una temperatura de
precalentamiento de 140 a 170°C. De hecho, se han llevado a cabo
pruebas experimentales en dichas condiciones, utilizando aire como
fluido portador térmico gaseoso. La figura 6 muestra el patrón de
temperatura T_{Cu} (°C) del conductor C en función del tiempo t
(min), donde las curvas en línea continua representan la
temperatura detectada por un termopar dispuesto en el centro del
conductor, mientras que las líneas discontinuas representan la
temperatura detectada por un termopar dispuesto en el perímetro del
conductor C, en la parte media de su longitud 1. Como puede
observarse en el diagrama, las pruebas experimentales han probado
que con una temperatura del aire de 200°C -curvas 60, 61- la
temperatura final del conductor (indicada mediante la línea
discontinua 62 de la figura 6) se alcanza muy rápidamente (de 20 a
25 min), pero con un gradiente muy alto en dirección radial (la
temperatura de la superficie del conductor es aproximadamente 15°C
más alta que la del centro). Contrariamente, con una temperatura del
aire de aproximadamente 120°C -curvas 63, 64- el gradiente de
temperatura en la temperatura final es muy bajo (aproximadamente
1°C), pero los tiempos de calentamiento aumentan significativamente
(aproximadamente 90 minutos). Al contrario, con una temperatura del
aire de 145°C -curvas 65, 66- se obtiene el mejor compromiso, con un
tiempo de calentamiento de aproximadamente 45 minutos y un
gradiente de temperatura de aproximadamente
5°C.
5°C.
\newpage
Cabe destacar que, aunque la invención es
especialmente indicada para precalentar elementos conductores
reforzados con cinta, también presenta ventajas en la ausencia de
refuerzo de cinta de metal en lo que a consumo de energía se
refiere. De hecho, en el ejemplo anterior el consumo de energía del
aparato es de aproximadamente 35kW, de los cuales de 5 a 10 kW son
para el ventilador, y 1.2 kW son para cada una de las veinticuatro
resistencias con forma de carcasa, mientras que un precalentador
por inducción requeriría aproximadamente 80 kW.
Es evidente que pueden realizarse varias
modificaciones, cambios, sustituciones e incorporaciones a las
realizaciones descritas previamente, sin apartarse por ello del
ámbito de la invención, tal y como se define en las siguientes
reivindicaciones.
Claims (16)
1. Procedimiento para precalentar
elementos conductores (C) de cables provistos de al menos una capa
aislante extruída, en particular elementos conductores con un
refuerzo de cinta de metal, que comprende las etapas de:
- a)
- suministrar de forma continua dichos elementos conductores (C) a una cámara de precalentamiento (12);
- b)
- calentar (30) un caudal de flujo predeterminado de un fluido portador térmico a una temperatura de precalentamiento predeterminada; y
- c)
- suministrar (24) dicho caudal de flujo predeterminado de fluido portador térmico a dicha cámara de precalentamiento (12).
2. Procedimiento, según la reivindicación
1, caracterizado por el hecho de que dicha etapa c) de
suministro (24) del fluido portador térmico se lleva a cabo
mediante el suministro de dicho fluido en una condición
turbulenta.
3. Procedimiento, según las
reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por el hecho de que
dicha etapa c) de suministro (24) del fluido portador térmico se
lleva a cabo mediante el suministro del fluido a contracorriente
respecto a la dirección de suministro continuo de dicho conductor
(C).
4. Procedimiento, según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que dicha temperatura de precalentamiento predeterminada se
selecciona de un intervalo comprendido entre 80°C y 200°C.
5. Procedimiento, según una de las
reivindicaciones anteriores, que comprende las etapas suplementarias
de:
- d)
- detectar la temperatura de dichos elementos conductores (C), y
- e)
- cambiar dicha temperatura de precalentamiento predeterminada y/o dicho caudal de flujo predeterminado del fluido portador térmico basándose en la temperatura detectada en dicha etapa d).
6. Procedimiento, según una de las
reivindicaciones anteriores, que comprende la etapa suplementaria
de:
- f)
- recircular, esencialmente en un bucle cerrado, dicho fluido portador térmico desde una salida (22) de dicha cámara de precalentamiento (12) hacia una entrada (21) de dicha cámara de precalentamiento (12).
7. Procedimiento para fabricar un cable
provisto de al menos una capa aislante extruída, que comprende las
etapas de:
- -
- precalentar los elementos conductores (C) del cable según el procedimiento de precalentamiento de una o varias de las reivindicaciones 1 a 6;
- -
- extruir al menos una capa aislante en los elementos conductores precalentados (C); y
- -
- calentar y enfriar posteriormente el núcleo aislado que consiste en dichos elementos conductores provistos de al menos dicha capa aislante para reticular dicha al menos dicha capa aislante.
8. Aparato (2) para precalentar los
elementos conductores (C) de cables provistos con al menos una capa
aislante extruída, en particular elementos conductores con un
refuerzo de cinta de metal, que comprende:
- -
- una cámara de precalentamiento (12) adecuada para contener una parte de una longitud predeterminada de dichos elementos conductores (C), y que tiene una entrada (21) y una salida (22) para un fluido portador térmico, estando dicha cámara de precalentamiento (12) cerrada en sus extremos opuestos por dispositivos de cierre (16) que tienen al menos un orificio (18) para alojar los elementos conductores (C)_{1}
- -
- un circuito (24, 26, 28) para suministrar el fluido portador térmico a dicha entrada (21) de la cámara de precalentamiento (12), y
- -
- medios (30) para calentar el fluido portador térmico.
9. Aparato (2), según la reivindicación
8, caracterizado por el hecho de que dichos medios de
calentamiento (30) comprenden al menos una resistencia eléctrica
(30) en contacto con dicha cámara de precalentamiento (12).
10. Aparato (2), según las reivindicaciones 8
o 9, caracterizado por el hecho de que dicho circuito (24,
26, 28) para suministrar el fluido portador térmico comprende un
ventilador (24) provisto de unos conductos de suministro (26) y
succión (28) respectivos que se extienden entre dicho ventilador
(24) y dicha entrada y salida (21, 22) del fluido portador térmico,
respectivamente.
11. Aparato (2), según una de las
reivindicaciones 8 a 10, caracterizado por el hecho de que
dicho orificio (18) es desplazable transversalmente respecto a su
eje longitudinal.
12. Aparato (2), según la reivindicación 11,
caracterizado por el hecho de que cada uno de dichos
dispositivos de cierre (16) tiene una primera placa (161) que tiene
una parte extendida central (162), donde está practicado dicho
orificio (18); una segunda placa (163) para cerrar dicho extremo de
la cámara de precalentamiento (12) y que tiene una ranura (165) que
aloja con juego dicha parte extendida central (162) de dicha primera
placa (161); y al menos una tercera placa (167) que se puede fijar
a dicha segunda placa (163) con la primera placa (161) intercalada
y en una posición desplazada respecto a dicho orificio (18).
13. Aparato (2), según la reivindicación 12,
caracterizado por el hecho de que dicha primera placa (161)
consiste en dos partes (161a, 161b) alrededor de dicho orificio
(18), y dicha segunda placa (163) consiste en dos partes (163a,
163b) alrededor de dicha ranura (165).
14. Aparato (2) según una de las
reivindicaciones 8 a 13, caracterizado por una estructura de
soporte (40) regulable.
15. Aparato (2), según una de las
reivindicaciones 8 a 13, que también comprende un detector para
detectar la temperatura de dichos elementos conductores (C) y un
controlador para controlar automáticamente la energía de dichos
medios de calentamiento (30) y/o el caudal de flujo del fluido
portador térmico basándose en la temperatura detectada por dicho
detector.
16. Planta (1) para la fabricación de un cable
provisto de al menos una capa aislante extruída, que comprende un
aparato (2) para precalentar los elementos conductores (C) del cable
según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 15; una sección de
extrusión (3) para al menos dicha capa aislante; un tubo de
reticulación (4) para las capas extruídas; y medios (5, 6, 6', 7)
para suministrar de forma continua los elementos conductores
(C).
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