ES2293673T3 - Sistema de distribucion de fluido criogenico a alta presion. - Google Patents
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Abstract
Método para someter a presión un líquido criogénico almacenado en un depósito de almacenamiento de gran capacidad a baja presión (10), que comprende las etapas de: a) distribuir líquido criogénico desde el depósito de almacenamiento de gran capacidad (10) a un depósito de transferencia (14); b) someter a presión el depósito de transferencia (14) hasta una presión de distribución con gas a alta presión, en el que - la elevación de la presión del depósito de transferencia (14) hasta una presión de distribución con gas a alta presión se lleva a cabo con gas a presión almacenado en un depósito de presión (16); - el depósito de presión (16) se recarga periódicamente con gas a alta presión; caracterizado por la etapa de: - cargar un intercambiador de calor (18) con una parte del líquido criogénico del depósito de transferencia (14), de modo que se produce un gas a alta presión, utilizándose dicho gas a alta presión para recargar periódicamente el depósito de presión (16).
Description
Sistema de distribución de fluido criogénico a
alta presión.
La presente invención se refiere de manera
general a sistemas de distribución para fluidos criogénicos y, de
manera más específica, a un sistema de distribución que distribuye
fluidos criogénicos a alta presión desde un depósito de líquido
criogénico a baja presión sin la utilización de bombas o
compresores.
Los líquidos criogénicos, es decir, líquidos que
tienen un punto de ebullición normalmente por debajo de -150°F a
presión atmosférica, se utilizan en varias aplicaciones. Muchas de
estas aplicaciones requieren que el criógeno se distribuya en forma
gaseosa a alta presión. Por ejemplo, los gases de nitrógeno y argón
a alta presión son necesarios en soldadura láser y en producción de
metales en polvo, mientras que los gases de nitrógeno, oxígeno y
argón a alta presión son necesarios en corte por láser.
No obstante, estos criógenos se almacenan en
forma líquida, debido a que un volumen de liquide produce muchos
volúmenes de gas (de 600 a 900 volúmenes de gas por un volumen de
líquido) cuando se permite la evaporación de dicho líquido
(ebullición) y su calentamiento hasta temperatura ambiente. El
almacenamiento de una cantidad equivalente de gas requiere que
dicho gas se almacene a una presión muy alta. Esto hace necesario
un depósito que sea más grande y mucho más pesado que en el caso en
que el criógeno se almacena en forma líquida. Normalmente, esto
también requiere compresores o bombas caros y de elevado
mantenimiento para aumentar la presión hasta el elevado nivel
necesario. Otros ejemplos de criógenos que se almacenan y
transportan en forma líquida, aunque se utilizan en forma gaseosa,
incluyen hidrógeno, helio y gas natural licuado (metano en su mayor
parte). El dióxido de carbono no está reconocido de manera general
como un criógeno, pero también se almacena en forma de líquido frío
en depósitos de gran aislamiento y se utiliza en forma gaseosa.
Muchos productos criogénicos del tipo mencionado
anteriormente se utilizan en aplicaciones que requieren fluidos a
presiones entre 689 kPa (100 psi) y 2758 kPa (400 psi). Los
sistemas existentes, tales como el sistema VCS, fabricado por MVE,
Inc., utilizan un depósito de almacenamiento criogénico de gran
capacidad con una presión de funcionamiento equivalente a la
presión requerida por la aplicación. La presión en el interior del
depósito de almacenamiento aumenta mediante un sistema de
producción de presión convencional. De manera más específica, se
distribuye un líquido criogénico desde el interior del depósito de
almacenamiento a un intercambiador de calor, en el que se calienta
mediante el aire ambiente. El vapor creado de esta manera vuelve a
la parte superior del depósito de almacenamiento, de modo que la
presión en el interior de dicho depósito aumenta. El depósito y su
contenido están a mayor altura que el intercambiador de calor de
producción de presión, de modo que el líquido criogénico se
distribuye por gravedad a este último a través de una válvula de
regulación. Cuando se alcanza la presión deseada en el interior del
depósito de almacenamiento de gran capacidad, la válvula de
regulación se cierra, deteniendo de este modo la circulación de
líquido criogénico hacia el intercambiador de calor. A
continuación, el líquido criogénico del interior del depósito de
gran capacidad se distribuye a la aplicación a la presión deseada
para ser utilizado en forma líquida, o se evapora en otro
intercambiador de calor si es necesario obtener gas.
Aunque el funcionamiento de este tipo de sistema
es correcto, los depósitos de almacenamiento criogénico capaces de
soportar presiones por encima de 1724 KPa (250 psi) resultan caros
en comparación con los depósitos criogénicos a menor presión.
Además, dichos sistemas se limitan a distribuir fluidos criogénicos
a una presión de 2758 KPa (400 psi) o inferior. Esto se debe a que
los sistemas de distribución (que se encuentran en medios de
transporte tales como un camión o un vagón de tren) que se utilizan
para rellenar el depósito de almacenamiento criogénico de gran
capacidad incluyen unas bombas que no pueden distribuir el producto
a un depósito de almacenamiento de gran capacidad a una presión
superior a 2758 KPa (400 psi). En consecuencia, si la presión en el
depósito de almacenamiento criogénico de gran capacidad aumenta
hasta un nivel superior a 2758 KPa (400 psi), debe ser purgado
antes de rellenarlo. Esta purga resulta poco económica y puede
resultar peligrosa o perjudicial para el medio ambiente.
De acuerdo con ello, un objetivo de la presente
invención es dar a conocer un sistema de distribución criogénico
que puede utilizar los depósitos de almacenamiento criogénico a
baja presión existentes, distribuyendo al mismo tiempo fluidos
criogénicos a presiones más altas. Otro objetivo de la presente
invención es dar a conocer un sistema de distribución criogénico a
alta presión que no requiere purgas.
Las patentes de Estados Unidos números 5.421.160
y 5.537.824, a nombre de Gustafson, dan a conocer sistemas de
distribución de combustible para vehículos alimentados por gas
natural, que utilizan un depósito de almacenamiento criogénico de
gran capacidad para almacenar grandes cantidades de gas natural
licuado (LNG) a baja presión. El LNG se distribuye a dos depósitos
de transferencia de combustible de volumen relativamente pequeño en
los que se puede aumentar o disminuir la presión y la temperatura
de dicho LNG, según las necesidades de la aplicación. Esto se
consigue distribuyendo gas natural en forma de vapor a alta presión
a los depósitos de transferencia de combustible desde un conjunto
de alta presión que comprende uno o más intercambiadores de calor,
un compresor y varios depósitos de almacenamiento a alta presión de
pequeño volumen. El LNG circula desde el depósito de gran capacidad
hasta el intercambiador de calor del conjunto, donde se evapora. El
vapor producido de esta manera es comprimido a alta presión por el
compresor y, a continuación, se almacena en los depósitos pequeños
a alta presión. El compresor también puede utilizarse para reducir
un aumento de presión no deseado en el depósito ce gran capacidad,
eliminando vapor de su espacio vacío. Esto evita la necesidad de
purgar dicho depósito de gran capacidad.
Aunque el funcionamiento de este sistema también
es correcto, requiere la utilización de compresores o bombas de
alta presión para producir el gas a alta presión y para controlar
la presión en el depósito de gran capacidad. La adquisición y
mantenimiento de dichos compresores y bombas resultan caros.
Además, la utilización de compresoras o bombas de alta presión
aumenta el consumo de potencia del sistema, disminuyendo también su
fiabilidad. De acuerdo con ello, otro objetivo de la invención es
dar a conocer un sistema de distribución criogénico que puede
aumentar la presión de los líquidos criogénico y controlar la
presión en el depósito de gran capacidad sin necesidad de bombas o
compresores de alta presión.
La presente invención hace referencia a un
sistema que distribuye fluido criogénico a alta presión desde un
determinado volumen de líquido criogénico almacenado a alta
presión. El sistema presenta un depósito de almacenamiento de gran
capacidad a baja presión que contiene un determinado volumen de
líquido criogénico. Como mínimo un depósito de transferencia está
conectado al depósito de almacenamiento de gran capacidad, de modo
que recibe una parte del líquido criogénico. Un depósito de presión
que contiene gas a alta presión está conectado al depósito de
transferencia, de modo que lo presuriza.
Un intercambiador de calor está conectado en
circuito entre el depósito de transferencia y el depósito de
presión. El intercambiador de calor recibe un determinado volumen
de líquido criogénico desde el depósito de transferencia, de modo
que se produce vapor. Este vapor se dirige hacia el dep5sito de
presión, de manera que la presión en el mismo se mantiene. A este
respecto, el sistema actúa como una "máquina de funcionamiento
continuo autónomo". Es decir, el sistema utiliza el depósito de
presión para someter a presión el depósito de transferencia que, a
su vez, alimenta el intercambiador de calor para someter a presión
dicho depósito de presión. En consecuencia, la alta presión se
"guarda" en el depósito de presión, de modo que no es
necesario aumentar la presión nuevamente en el siguiente ciclo.
El líquido criogénico del depósito de
transferencia presurizado puede distribuirse a un vaporizador,
donde se produce un gas criogénico. El gas se distribuye desde el
vaporizador hasta un depósito de almacenamiento a alta presión para
su almacenamiento y utilización por parte de la aplicación.
Para una comprensión más completa de la
naturaleza y alcance de la invención, se hace referencia a
continuación a la siguiente descripción detallada de realizaciones
de la misma, en combinación con las reivindicaciones y dibujos
adjuntos.
la figura 1 es un diagrama esquemático de una
realización del sistema de distribución de fluido criogénico a alta
presión de la presente invención;
las figuras 2A a 2F son diagramas esquemáticos,
a mayor escala, simplificados, del sistema de distribución de la
figura 1, que ilustran el método de funcionamiento de la presente
invención.
Haciendo referencia a la figura 1, se muestra
una realización del sistema de distribución de fluido criogénico a
alta presión de la presente invención. Un líquido criogénico está
almacenado en un depósito de almacenamiento criogénico de gran
capacidad (10) a baja presión, entre 69 kPa (10 psi) y su presión
de trabajo máxima admisible, normalmente de 1207 kPa (175 psi) a
1724 kPa (250 psi). No obstante, según la invención, el presente
sistema puede distribuir criógenos en estado líquido o gaseoso a
presiones de hasta aproximadamente 12413 kPa (1800 psi) sin purgar
el producto en el proceso o durante el relleno del depósito de gran
capacidad (10).
Unos depósitos de transferencia (12) y (14)
están conectados al depósito de gran capacidad (10). El sistema
está configurado de modo que los depósitos de transferencia (12) y
(14) se comunican entre sí o de manera individual con el depósito de
gran capacidad (10), según se desee. Además, un depósito de presión
(16) está comunicado de manera selectiva e individual con cada uno
de los depósitos de transferencia (12) ó (14). Un intercambiador de
calor (18) está conectado en circuito entre el depósito de presión
(16) y uno de los depósitos de transferencia (12) ó (14)
seleccionado. Los depósitos de transferencia (12) y (14) también se
comunican de manera selectiva e individual con un vaporizador de
alta presión (22), desde el cual se distribuye gas a alta presión a
un depósito de almacenamiento de gas a alta presión (24) para su
utilización por parte de la aplicación. Puede prescindirse del
vaporizador de alta presión (22) si la aplicación solamente
requiere líquido criogénico a alta presión. Un microordenador (26)
controla la apertura y cierre de todas las válvulas del sistema,
aunque, si se desea, esta operación también puede llevarse a cabo
manualmente.
Haciendo referencia en este caso a las figuras
2A a 2F, se explicará el funcionamiento del sistema. La figura 2A
muestra el sistema configurado para distribuir gas a alisa presión
a un depósito de almacenamiento de gas a alta presión (24), desde
el depósito de transferencia (12). Este aspecto se tratará con
mayor detalle haciendo referencia a la figura 2F. Mientras el
depósito de transferencia (12) se está vaciando, el depósito de
transferencia (14) es alimentado por gravedad con líquido
criogénico (28) del depósito de gran capacidad (10) mediante la
apertura de las válvulas (30) y (34). Cuando el depósito de
transferencia (14) se llena aproximadamente hasta la mitad (tal
como se muestra), las válvulas (30) y (34) se cierran,
interrumpiendo de este modo la circulación de líquido criogénico
(28) hacia el depósito de transferencia (14). En este momento, la
presión en el interior del depósito de transferencia (14) es la
misma que en el depósito de gran capacidad (10). Haciendo
referencia a la figura 1, el llenado finaliza cuando un
medidor/transmisor de nivel de líquido (58) envía una señal al
microordenador (26).
Tal como se muestra en la figura 2B, después de
que el depósito de transferencia (12) ha agotado su contenido de
líquido criogénico, el mismo queda aislado de los intercambiadores
de calor (18), (22). A continuación, las válvulas (40) y (42) se
abren, de modo que los depósitos de transferencia (12) y (14)
quedan comunicados entre sí. Al finalizar su ciclo de distribución,
el depósito de transferencia (12) contiene gas frío a
aproximadamente 8275 kPa (1200 psi), pero no líquido. Cuando las
válvulas (40) y (42) se abren, el gas circula desde el depósito de
transferencia (12), a través de las válvulas (40) y (42) y de una
combinación de válvulas de retención de flujo y de control (44) y
(46), hasta el depósito de transferencia (14). Al llegar al
depósito de transferencia (14), el gas se condensa gracias a unas
boquillas mezcladoras (50) y a una cámara de difusión (52) (figura
1).
La combinación de válvulas de retención de flujo
y de control (44) y (46) permite una circulación de salida sin
restricciones desde los depósitos de transferencia respectivos (12)
y (14), pero limita la circulación hacia el interior de los mismos.
Son necesarias porque, de otro modo, el gas frío circularía desde
el depósito (12) hasta el depósito (14) a un ritmo superior al que
las boquillas mezcladoras (50) y la cámara de difusión (52) podrían
condensarlo.
Los depósitos de transferencia (12) y (14)
permanecen comunicados entre sí hasta que se encuentran
aproximadamente a la misma presión intermedia, que es
aproximadamente de 2069 KPa (300 psi). Cuando esto sucede, el
depósito (14) estará normalmente casi lleno, debido a la
condensación del gas frío a alta presión procedente del depósito de
transferencia (12). Haciendo referencia a la figura 1, el
microordenador (26) provoca que las válvulas (40) y (42) se cierren
cuando la presión en el depósito de transferencia (14) aumenta
hasta aproximarse a la presión en el interior del depósito de
transferencia (12) en un intervalo de 5 psi, según la indicación de
los transmisores de presión (54) y (56), o cuando el
medidor/transmisor de nivel de líquido (58) indica que el depósito
de transferencia (14) está lleno aproximadamente en un 95%.
A continuación, tal como se muestra en la figura
2C, el depósito de transferencia (14) queda aislado con respecto al
depósito (12) y conectado al lado de gas (60) del intercambiador de
calor de producción de presión (18) mediante la apertura de las
válvulas (42) y (61) durante 15 a 30 segundos. El intercambiador de
calor de producción de presión (18) se mantiene a
8275-8965 KPa (1200-1300 psi).
Cuando la válvula (42) se abre, el gas en el intercambiador de
calor (18) circula hacia el depósito de transferencia (14),
aumentando la presión en su interior. Esto se lleva a cabo para
disminuir la presión en el intercambiador de calor (18), de modo
que pueda ser alimentado de manera forzada con un criógeno líquido
frío en la siguiente etapa. Tal como se describirá a continuación,
esto favorece una producción de presión prácticamente continua y
rápida, necesaria para mantener un sistema de gran volumen y alta
presión.
Después de que el depósito (14) se desconecta
del intercambiador de calor de producción de presión (18), dicho
depósito se comunica con el depósito de presión (16), que tiene un
gas a relativamente alta presión (8275-8965 kPa)
(1200-1300 psi) en su interior, a través de una
línea (63), abriendo la válvula (64) (figura 2D). En consecuencia,
el depósito de transferencia (14) se presuriza rápidamente hasta
una presión de distribución de 8275-8965 kPa
(1200-1300 psi). Poco después, tal como se muestra
en la figura 2E, la válvula (66) se abre, ce modo que el
intercambiador de calor (18) se carga con líquido criogénico del
depósito de transferencia (14). Esto se lleva a cabo de manera que
la alta presión en el depósito (16) se mantiene. Debido al aumento
de presión en el depósito de transferencia (14), y a la menor
presión del intercambiador de calor (18) (descargado debido a ello,
tal como se describe haciendo referencia a la figura 2C), el
líquido entra en dicho intercambiador de valor. (18) de manera
rápida y forzada y se evapora rápidamente. Esto permite que el
depósito de presión (16) se presurice a un ritmo suficiente para
mantener los requerimientos de gran volumen y alta presión del
sistema. Por lo tanto, el sistema de la presente invención funciona
como una "máquina de funcionamiento continuo autónomo" en la
que el depósito de transferencia (14), cargado por la presión
procedente del depósito de presión (16), distribuye el criógeno al
intercambiador de calor (18) que, a su vez, recarga dicho depósito
de presión (16).
Haciendo referencia a la figura 2F, una vez que
el líquido criogénico en el interior del depósito de transferencia
(14) ha sido presurizado, la válvula (42) se abre. Esto inicia la
distribución del líquido al vaporizador de alta presión (22) que, a
su vez, distribuye gas a alta presión, con una temperatura próxima
a la temperatura ambiente, al depósito de almacenamiento de gas a
alta presión (24), para su utilización por parte del
usuario/aplicación, según sea necesario. Tal como se ha mencionado
anteriormente, puede prescindirse del vaporizador de alta presión
(22) si la aplicación requiere líquido criogénico a alta presión en
vez de gas.
Haciendo referencia nuevamente a la figura 1, un
presostato (74) está conectado a un microordenador (26), de modo
que el sistema de distribución de fluido se activa o se detiene
basándose en la presión en el interior del depósito de
almacenamiento de gas a alta presión (24). De manera más
específica, el presostato (74) indicará al sistema que distribuya
fluido cuando la presión en el interior del depósito de gas a alta
presión (24) caiga por debajo del nivel requerido por la
aplicación. Además, el presostato (74) indicará al sistema que
detenga la distribución de fluido cuando la presión en el interior
del depósito de gas a alta presión (24) alcance un valor
predeterminado. A efectos de evitar que la presión en el interior
del sistema exceda un nivel de seguridad, se ajusta una válvula de
regulación de presión (76) aproximadamente a 669 KPA (100 psi)
sobre la presión máxima para el presostato (74). En consecuencia,
cuando la presión en el interior del sistema aumente hasta un nivel
situado por encima de un valor predeterminado, la válvula de
regulación de presión (76) dejará circular criógeno hacia el
vaporizador de alta presión (22) que, a su vez, aumentará la
presión del interior del depósito de almacenamiento de gas J alta
presión (24), de modo que el presostato (74) indicará al sistema
que se detenga. Una válvula de retención (78) evita el flujo
inverso desde el depósito de almacenamiento de gas a alta presión
(24) en aquellos momentos en los que parte del sistema de
distribución de fluido se encuentra a una presión inferior.
Haciendo referencia nuevamente a la figura 2E,
mientras el depósito de transferencia (14) está comunicado con el
depósito de presión (16), la presión del depósito de transferencia
(12) queda equilibrada con la del depósito de gran capacidad (10)
mediante la apertura de la válvula (82). Tal como se muestra en la
figura 1, esto permite que el gas frío, aproximadamente a 2069 KPa
(300 psi), que permanece en el depósito de transferencia (12)
circule hacia el depósito de gran capacidad (10) a través de unas
boquillas mezcladoras (88) y una cámara de difusión (90). La
difusión del gas en un líquido mucho más frío provoca que dicho gas
se licue en el interior del depósito de gran capacidad (10). Esto
añade calor al líquido, aumentando de este modo ligeramente la
presión en el interior de dicho depósito de gran capacidad (10). En
consecuencia, el sistema presuriza cíclicamente el depósito de gran
capacidad (10) de manera proporcional con respecto al ritmo de
utilización del líquido criogénico almacenado en el mismo, de modo
que la presión de dicho sistema puede controlarse sin ser purgada a
la atmósfera. Además, llevando a cabo el aumento de presión
mediante la utilización del criógeno, normalmente no resulta
necesario purgar el depósito de gran capacidad (10) antes de
rellenarlo. Cuando el depósito de gran capacidad (10) se rellena
con líquido frío desde una fuente externa, tal como un transporte,
la presión en su interior se recupera hasta un valor inferior que
permite obtener la capacidad de calor y presión necesaria para
permitir llevar a cabo una nueva serie de distribuciones sin
purgas.
Tal como se muestra en la figura 2F, una vez las
presiones del depósito de gran capacidad (10) y del depósito de
transferencia (12) quedan equilibradas, la válvula (92) se abre
(manteniéndose abierta la válvula -82-). Debido a que el nivel del
líquido en el depósito de gran capacidad (10) está por encima del
del depósito de transferencia (12), dicho líquido empieza a circular
hacia este último por gravedad. El microordenador (26) detiene el
llenado cerrando las válvulas (82) y (92) cuando un
medidor/transmisor de nivel de líquido (36) indios que el deposito
de transferencia (12) se ha llenado aproximadamente hasta la
mitad.
Cuando el depósito de transferencia (14) ha
agotado su contenido de líquido criogénico, según la indicación del
medidor/transmisor de nivel de líquido (58) (figura 1), las válvulas
(66), (64) y (42) se cierran, de modo que el depósito de
transferencia (14) queda aislado con respecto vaporizador de
producción de presión (18) y del vaporizador de alta presión (22).
En este momento, el sistema repite las etapas mostradas en las
figuras 2B a 2F, pero para el depósito de transferencia (12). Esto
completa el ciclo de llenado de los depósitos (12) y (14) y de
distribución desde los mismos de manera alternativa.
Todos los depósitos y conducciones están dotados
de dispositivos de válvula de descarga contra sobre presiones, que
son conocidos en la técnica pero que no se muestran en los dibujos
a efectos de claridad. Tampoco se muestran las camisas aislantes
del depósito de gran capacidad (10), de los depósitos de
transferencia (12) y (14) y de las partes de las conducciones que
normalmente contienen líquido. La anterior descripción se ha
expuesto para ilustrar el funcionamiento preferente, pero no se
pretende limitar el alcance de la invención. El sistema de la
invención permite llevar a cabo aplicaciones que requieren mayores
y menores presiones.
Aunque se han mostrado y descrito las
realizaciones preferentes de la invención, resultará evidente para
los expertos en la materia que pueden realizarse cambios y
modificaciones en la misma sin apartarse del espíritu de dicha
invención, cuyo alcance se define en las reivindicaciones
adjuntas.
Claims (6)
1. Método para someter a presión un liquido
criogénico almacenado en un depósito de almacenamiento de gran
capacidad a baja presión (10), que comprende las etapas de:
- a)
- distribuir líquido criogénico desde el depósito de almacenamiento de gran capacidad (10) a un depósito de transferencia (14);
- b)
- someter a presión el depósito de transferencia (14) hasta una presión de distribución con gas a alta presión, en el que
- -
- la elevación de la presión del depósito de transferencia (14) hasta una presión de distribución con gas a alta presión se lleva a cabo con gas a presión almacenado en un depósito de presión (16);
- -
- el depósito de presión (16) se recarga periódicamente con gas a alta presión;
caracterizado por la etapa de:
- -
- cargar un intercambiador de calor (18) con una parte del líquido criogénico del depósito de transferencia (14), de modo que se produce un gas a alta presión, utilizándose dicho gas a alta presión para recargar periódicamente el depósito de presión (16).
2. Método, según la reivindicación 1, que
comprende además la etapa de distribuir el líquido criogénico
presurizado desde el depósito de transferencia (14) hasta un
vaporizador (22), de modo que se produce un gas criogénico a la
presión de distribución.
3. Método, según la reivindicación 2, que
comprende además la etapa de almacenar dicho gas criogénico a la
presión de distribución en un depósito de almacenamiento de gas a
alta presión (24).
4. Método, según una de las reivindicaciones 1 a
3, que comprende además la etapa de conectar temporalmente el
depósito de transferencia (14) al depósito de almacenamiento de
gran capacidad (10), de modo que la presión del sistema puede ser
controlada sin su purga a la atmósfera.
5. Método, según una de las reivindicaciones 1 a
4, que comprende además la etapa de conectar temporalmente dicho
intercambiador de calor (18) a dicho depósito de transferencia (14),
de modo que el intercambiador de calor (18) se despresuriza.
6. Método, según una de las reivindicaciones 1 a
5, en el que el depósito de transferencia (14) es un primer depósito
de transferencia, que comprende además la etapa de conectar
temporalmente dicho primer depósito de transferencia (14) y un
segundo depósito de transferencia (12), de modo que el primer y
segundo depósitos de transferencia quedan prácticamente equilibrados
en términos de presión interna.
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