BRPI0612403A2 - aparelho de tanque criogênico, e, método para operar um sistema de tanque criogênico - Google Patents

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BRPI0612403A2
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cryogenic
passing
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Nancy Jean Lynch
John H Royal
Thurman Gordon
Richard John Jibb
Barry Alan Minbiole
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Abstract

APARELHO DE TANQUE CRIOGêNICO, E, METODO PARA OPERAR UM SISTEMA DE TANQUE CRIOGêNICO Um sistema de tanque criogénico em que líquido criogénico de um tanque de armazenamento de líquido criogênico primário (1) é subresfriado por refrigeração gerada por um resfriador eriogênico (16), passado para dentro de um tanque auxiliar (13), pressurizado, e retomado ao tanque de armazenamento primário (1), preferivelmente por meio do resfriador criogênico (16), assim resfriando os conteúdos de tanque de armazenamento (1) e reduzindo a pressão dentro e as perdas de vapor do tanque de armazenamento (1).

Description

"APARELHO DE TANQUE CRIOGÊNICO, E, MÉTODO PARA OPERARUM SISTEMA DE TANQUE CRIOGÊNICO"
Campo Técnico
Esta invenção relaciona-se geralmente a sistemas de tanquepara a contenção e a dispensação de líquidos criogênicos.
Técnica de Fundamento
O armazenamento ou outra contenção de um líquidocriogênico envolve o uso de um recipiente ou tanque isolado para reduzirtanto quanto possível a perda de algum do refrigerante devido a vazamento decalor no recipiente. Porém, até mesmo com o uso dos melhores sistemas deisolamento disponíveis, uma porção significante do refrigerante contidovaporizará devido a vazamento de calor e será descarregada por válvulas decontrole, suspiro ou segurança. Considerando a operação de sistema enquantodispensando, refrigerante líquido também pode ser perdido devido àvaporização de bomba ou vazamento de calor de linha e de perdas depreparação de bomba ou perdas de transferência e enchimento. Esta perda derefrigerante líquido resulta em uma perda econômica significante.
Sumário da Invenção
Um aspecto da invenção é:
Um aparelho de tanque criogênico incluindo:
(A) um tanque primário, um resfriador criogênico, e meio parapassar refrigerante líquido do tanque primário para o resfriador criogênico;
(B) um tanque auxiliar e meio para passar refrigerante líquidodo resfriador criogênico para dentro do tanque auxiliar;
(C) meio para pressurizar o refrigerante líquido passado paradentro do tanque auxiliar; e
(D) meio para passar o refrigerante líquido pressurizadoresultante para dentro do tanque primário.
Outro aspecto da invenção é:Um método para operar um sistema de tanque criogênicoincluindo:
(A) retirar refrigerante líquido de um tanque primário esubresfriar o refrigerante líquido retirado;
(B) passar refrigerante líquido subresfriado para dentro de umtanque auxiliar;
(C) pressurizar o refrigerante líquido subresfriado; e
(D) passar o refrigerante líquido pressurizado para dentro dotanque primário.
Como usado aqui, o termo "resfriador criogênico" significa umrefrigerador que pode produzir refrigeração abaixo de 240K.
Como usado aqui, os termos "líquido criogênico" e"refrigerante líquido" significam um fluido que à pressão atmosférica é umgás a uma temperatura de 240K.
Como usado aqui, o termo "subresfriamento" significa resfriarum líquido para estar a uma temperatura mais baixa que a temperatura desaturação desse líquido para a pressão existente.
Como usado aqui, os termos "porção superior" e "porçãoinferior" significam estas seções do tanque primário respectivamente acima eabaixo do ponto médio do tanque.
Breve Descrição do Desenho
A Figura exclusiva é uma representação esquemática de umaconcretização preferida do sistema de tanque criogênico desta invenção.
Descrição Detalhada
A invenção será descrita em detalhes com referência aoDesenho. Se referindo agora à Figura, recipiente isolado ou tanque primário 1inclui espaço de armazenamento 11 e espaço isolado 12. Espaço dearmazenamento 11 contém líquido criogênico 2, tipicamente a uma pressãogeralmente dentro da gama de 0 a 4,13 MPa. Entre os líquidos criogênicosque podem ser processados com o uso deste invenção, alguém pode nomearhidrogênio, hélio, neônio, oxigênio, nitrogênio, argônio, dióxido de carbono,metano e misturas tais como ar e gás natural.
Refrigerante líquido é retirado de tanque primário 1 emconduto 3 e passado por válvula 4 e conduto 5 para bomba 6. O refrigerantelíquido é bombeado de bomba 6 em linha 7 para um ponto de uso líquido oupara um vaporizador para vaporização antes de ser passado a um ponto de usode vapor. Exemplos de pontos de uso incluem enchimento de cilindro de altapressão, enchimento de cilindro de líquido, enchimento de 'dewar',amostragem e análise de gás, e enchimento de arrasto.
Devido ao fato que a bomba está geralmente mais quente que orefrigerante, algum do refrigerante líquido é vaporizado no curso de serprocessado por bomba 6. Este fluido vaporizado é passado de bomba 6 emlinha 8 por válvula 9 e então em linha 10 na porção superior do espaço dearmazenamento 11 que contém vapor.
Preferivelmente, como ilustrado na Figura, a linha de retornode vapor 10 passa por espaço isolado ou volume 12 da porção inferior para aporção superior de tanque 1 antes de comunicar com a porção superior deespaço de armazenamento 11.
Tanque auxiliar 13 está inicialmente a uma pressão menos queaquela de tanque primário 1. Algum refrigerante líquido é passado de tanqueprimário 1 em linha 14 por válvula 15 para resfriador criogênico 16, em que ésubresfriado de IK a 100K relativo à pressão em tanque primário 1.
Qualquer resfriador criogênico adequado pode ser usado naprática desta invenção. Entre tais resfriadores criogênicos alguém podenomear resfriadores criogênicos de Stirling, resfriadores criogênicos deGifford-McMahon e refrigeradores de tubo de pulso. Outros sistemas deresfriamento, tal como um trocador de calor de nitrogênio líquido, tambémpode ser usado. Um refrigerador de tubo de pulso é um sistema derefrigeração fechado que oscila um gás de trabalho em um ciclo fechado efazendo assim, transfere uma carga de calor de uma seção fria para uma seçãoquente. A freqüência e faseamento das oscilações são determinados pelaconfiguração do sistema. O excitador ou gerador de onda de pressão pode serum pistão ou algum outro dispositivo de compressão mecânico, ou umdispositivo de geração de onda acústica ou termoacústica, ou qualquer outrodispositivo adequado para prover um pulso ou onda de compressão a um gásde trabalho. Quer dizer, o gerador de onda de pressão entrega energia ao gásde trabalho dentro do tubo de pulso causando oscilações de pressão evelocidade. Hélio é o gás de trabalho preferido; porém, qualquer gás detrabalho efetivo pode ser usado no refrigerador de tubo de pulso e entre taisalguém pode nomear nitrogênio, oxigênio, argônio, xenônio e neônio oumisturas contendo um ou mais disso tal como ar.
O gás de trabalho oscilante é preferivelmente resfriado em umpós-resfriador e então em um regenerador quando se move à extremidade fria.A geometria e configuração de pulsação do sistema de refrigeração de tubo depulso é tal que o gás de trabalho oscilante na cabeça fria se expanda paraalguma fração do ciclo pulsante e calor seja absorvido pelo gás de trabalhopor troca de calor indireta que provê refrigeração ao refrigerante líquido parao subresfriamento. Preferivelmente, o sistema de refrigeração de tubo depulso emprega um tubo de inércia e reservatório para manter o deslocamentode gás e pulsos de pressão em fases apropriadas. O tamanho do reservatório ésuficientemente grande de forma que essencialmente muito pouca oscilaçãode pressão ocorra nele durante o fluxo oscilante.
O refrigerante líquido subresfriado é passado de resfriadorcriogênico 16 em linha 17 para dentro de tanque auxiliar 13. Este refrigerantelíquido subresfriado é pressurizado para estar a uma pressão maior que aquelade tanque primário 1 e geralmente para estar a uma pressão dentro da gama de137,9 kPa a 4,27 MPa. Preferivelmente, esta pressurização acontece dentro detanque auxiliar 13. A Figura ilustra o meio preferido para executar estapressurização usando um circuito de acúmulo de pressão, em que refrigerantelíquido subresfriado é passado em linha 18 para serpentina de acúmulo depressão 19, em que é aquecido e vaporizado. O refrigerante vaporizado éentão passado em linha 20 por válvula 21 e de volta para tanque auxiliar 13,em que a expansão de volume resultando da vaporização serve para aumentara pressão dentro de tanque auxiliar 13. Outro meio para aumentar a pressão dolíquido criogênico subresfriado é por uso de uma bomba de líquido, tal comouma bomba de líquido submersível posicionada dentro de tanque auxiliar 13,ou por bomba 6 usando um arranjo de tubulação e válvula que não émostrado. Outros meios para aumentar a pressão do líquido criogênicosubresfriado no tanque auxiliar inclui introduzir vapores compatíveis notanque a pressões apropriadas de fontes externas.
Como a pressão do refrigerante líquido subresfriado aumentapara estar acima da pressão dentro do tanque primário, fluxo de líquido éinvertido de tanque auxiliar 13 em linha 17 por resfriador criogênico 16 eválvula 15 e em linhas 14 e 3 na porção inferior de tanque primário 1 quecontém líquido. Esta inversão de fluxo de refrigerante líquida serve paramanter os conteúdos de tanque primário mais frios que eles seriam casocontrário, assim mantendo a pressão mais baixa e resultando em perda devapor menor de tanque primário 1. A inversão de fluxo de líquido peloresfriador criogênico também serve para resfriar o líquido ademais, assimaumentando as eficiências do sistema. Opcionalmente, o refrigerante líquidosubresfriado pode fluir de tanque auxiliar 13 à porção inferior de tanqueprimário 1 enquanto desviando o resfriador criogênico 16. Vapor de tanqueauxiliar 13 é passado fora de tanque 13 em linha 22 por válvula 23 e então emlinha de retorno de vapor 10 para passagem na porção superior de tanqueprimário 1. Quando a vazão de fluidos de tanque auxiliar 13 faz a pressãodentro do tanque auxiliar cair abaixo daquela ao fundo do tanque primário, ofluxo de líquido criogênico é invertido novamente e o líquido criogênico fluide tanque primário 1 para tanque auxiliar 13 como foi previamente descrito.
A concretização da invenção ilustrada na Figura é umaconcretização particularmente preferida em que refrigerante líquidosubresfriado pressurizado pode ser passado para a porção superior do tanqueprimário que contém vapor. Neste modo, a válvula 24 é aberta e algumrefrigerante líquido subresfriado pressurizado é passado de tanque auxiliar 13em linha 17 por resfriador criogênico 16, e então em linha 25 por válvula 24para linha de retorno 10. O refrigerante líquido subresfriado pressurizado éentão passado em linha 10 para e dentro da porção superior de tanqueprimário 1. A introdução do refrigerante líquido subresfriado na porçãosuperior do tanque primário serve para condensar algum do vapor nesteespaço. Isto resulta em uma redução de pressão dentro do espaço dearmazenamento do tanque primário, que ademais abaixa o potencial paraperda de vapor do tanque primário.
Embora a invenção tenha sido descrita em detalhes comreferência a uma concretização particularmente preferida, aquelesqualificados na técnica entenderão que há outras concretizações da invençãodentro do espírito e da extensão das reivindicações. Por exemplo, a invençãopode ser praticada com mais de um tanque primário e/ou mais de um tanqueauxiliar.

Claims (14)

1. Aparelho de tanque criogênico, caracterizado pelo fato decompreender:(A) um tanque primário, um resfriador criogênico, e meio parapassar refrigerante líquido do tanque primário para o resfriador criogênico;(B) um tanque auxiliar e meio para passar refrigerante líquidodo resfriador criogênico para dentro do tanque auxiliar;(C) meio para pressurizar o refrigerante líquido passado paradentro do tanque auxiliar; e(D) meio para passar o refrigerante líquido pressurizadoresultante para dentro do tanque primário.
2. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato o meio para passar refrigerante líquido pressurizado para dentro dotanque primário inclui o resfriador criogênico.
3. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato o meio para passar refrigerante líquido pressurizado para dentro dotanque primário se comunica com a porção inferior do tanque primário.
4. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato o meio para passar refrigerante líquido pressurizado para dentro dotanque primário se comunica com a porção superior do tanque primário.
5. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de compreender ainda meio para passar vapor do tanque auxiliarpara o tanque primário.
6. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato o meio para pressurizar o refrigerante líquido inclui uma serpentinade acúmulo de pressão.
7. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato o meio para pressurizar o refrigerante líquido inclui uma bomba delíquido.
8. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato o resfriador criogênico é um refrigerador de tubo de pulso.
9. Método para operar um sistema de tanque criogênico,caracterizado pelo fato de compreender:(A) retirar refrigerante líquido de um tanque primário esubresfriar o refrigerante líquido retirado;(B) passar o refrigerante líquido subresfriado para dentro deum tanque auxiliar;(C) pressurizar o refrigerante líquido subresfriado; e(D) passar o refrigerante líquido pressurizado para dentro dotanque primário.
10. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizadopelo fato o refrigerante líquido subresfriado é pressurizado enquanto notanque auxiliar.
11. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizadopelo fato o refrigerante líquido pressurizado é ainda subresfriado quando épassado para dentro do tanque primário.
12. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizadopelo fato o refrigerante líquido pressurizado é passado para dentro do tanqueprimário na porção inferior do tanque primário.
13. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizadopelo fato o refrigerante líquido pressurizado é passado para dentro do tanqueprimário na porção superior do tanque primário.
14. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizadopelo fato algum do refrigerante líquido subresfriado passado para dentro dotanque auxiliar é vaporizado, e o vapor resultante é passado para dentro dotanque primário.
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