ES2211537T3 - Sistema de bomba para transportar liquidos criogenos. - Google Patents

Abstract

Sistema de bomba para transportar líquidos criógenos, que está constituido por un recipiente de reserva (K) para el líquido criógeno que forma un recinto de líquido (L) y un recinto de gas (G), y al menos una bomba (2) dispuesta en un recipiente (1), estando unido el recipiente (1) con el depósito de reserva (K) de tal manera que se puede ajustar un nivel de líquido (m) en el recipiente (1), caracterizado porque a) el recipiente (1) está dividido en dos recintos (h, f), estando dispuesto un recinto (h) completamente por debajo del recinto de gas (G) del depósito de reserva (K) y estando unido con el recinto de líquido (L) del depósito de reserva a través de una tubería de alimentación de líquido (i), mientras que el otro recinto (f) está dispuesto por encima del recinto (h) y al menos en parte también por debajo del recinto de gas (G) del depósito de reserva (K), estando unido el recinto (f) con el recinto de gas (G) del depósito de reserva (K) a través de una tubería de retorno de gas (j),b) el lado de aspiración de la bomba (2) está unido con el recinto (h), mientras que el lado de impulsión está unido con un punto de entrega previsto fuera del recipiente (1) para entregar el líquido criógeno a un consumidor, c) los recintos (h) y (f) están unidos uno con otro a través de una tubería de unión (q), y d) por encima del extremo abierto de la tubería de retorno de gas (j) que desemboca en el recinto (f) queda un recinto de gas (s).

Description

Sistema de bomba para transportar líquidos criógenos.

La invención concierne a un sistema de bomba para transportar líquidos criógenos, que está constituido por un depósito de reserva para el líquido criógeno que forma un recinto de líquido y un recinto de gas, y al menos una bomba dispuesta en un recipiente, estando unido el recipiente con el depósito de reserva de tal manera que puede ajustarse un nivel de líquido en el recipiente.

Para el transporte de líquidos criógenos con temperaturas inferiores a -200°C se emplean hasta ahora en general bombas de un solo cilindro que se introducen desde arriba en una vasija aislante. Por motivos técnicos de montaje, la evacuación de la corriente de transporte se efectúa también a través de esta abertura superior de montaje de la bomba en la vasija aislante. El llenado de las vasijas con los medios a transportar se efectúa generalmente desde un recipiente de reserva grande, obteniéndose la determinación de la altura de llenado máxima en estas vasijas por medio de tubos de rebose (tubos de sondeo) o indicadores de contenido. El control de la máxima altura de llenado se efectúa en general a mano o bien mediante un contacto disparado por el líquido, a través del cual se activa una válvula magnética en la tubería de alimentación o de evacuación de gas. Dado que las bombas no pueden hacerse funcionar sin subenfriamiento del líquido de transporte, estas vasijas de gran volumen poseen un sistema de acumulación de presión mediante el cual el líquido de transporte puede ser subenfriado durante corto tiempo.

Dado que especialmente el hidrógeno en forma licuada adquiere cada vez más importancia y ya se hacen funcionar vehículos automóviles con hidrógeno, es necesario proporcionar bombas adecuadas para repostar estos vehículos.

Las bombas conocidas pueden ser adecuadas para experimentos de laboratorio con pequeños caudales de transporte y grandes pulsaciones de presión admisibles, pero esta clase de bombas resulta inadecuada para un repostaje líquido de vehículos automóviles que sea rápido y este exento de pulsaciones. Además, tales "bombas de gasolinera" tienen que estar preparadas en todo momento para su empleo (puestas en frío), de modo que, debido a la forma de construcción compacta necesaria por motivos estructurales, tiene lugar en las bombas conocidas un enorme flujo de calor hacia el líquido a transportar y se anula pronto el subenfriamiento del líquido que resulta por ello necesario para el funcionamiento.

La presente invención se basa en el problema de proporcionar un sistema de bomba de la clase citada al principio con el cual se puedan transportar de forma económica y fiable incluso cantidades mayores de líquidos criógenos, especialmente también hidrógeno líquido.

Este problema se resuelve según la invención porque

a) el recipiente está dividido en dos recintos (h, f), estando dispuesto un recinto (h) completamente por debajo del recinto de gas del depósito de reserva y estando unido con el recinto del líquido del depósito de reserva a través de una tubería de alimentación de líquido, mientras que el otro recinto (f) está dispuesto por encima del recinto (h) y al menos en parte también por debajo del recinto de gas del depósito de reserva, estando unido el recinto (f) con el recinto de gas del depósito de reserva a través de una tubería de retorno de gas,

b) el lado de aspiración de la bomba está unido con el recinto (h), mientras que el lado de impulsión está unido con un punto de entrega previsto fuera del recipiente para entregar el líquido criógeno a un consumidor,

c) los recintos (h) y (f) están unidos uno con otro a través de una tubería de unión y

d) por encima del extremo abierto de la tubería de retorno de gas que desemboca en el recinto (f) queda un recinto de gas.

La división propuesta del recipiente en dos recintos, en unión de una tubería de retorno de gas, hace posible que se mantenga constante de forma autónoma el nivel del líquido en este recipiente, estando siempre el líquido en el recinto (f) en el estado de ebullición.

Según una forma de ejecución especialmente preferida de la invención, el recipiente está dividido en los recintos (h, f) por medio de una carcasa de presión que está unida, por una parte, con el lado de impulsión de la bomba y, por otra parte, con el punto de entrega previsto por fuera del recipiente para entregar el líquido criógeno a un consumidor. Esta carcasa de presión lleva conectadas convenientemente varias bombas, es decir, al menos dos bombas, estando unidos los lados de impulsión de las bombas con la carcasa de presión común. Además, es ventajosa una separación térmica de los recintos (h) y (f), lo que, según la forma de ejecución preferida, se consigue también por medio de la carcasa de presión.

La bomba está construida ventajosamente como bomba de pistón con vástago de tracción y recuperación por muelle, pudiendo realizarse la carrera de impulsión de la bomba por aplicación de fuerzas de tracción sobre el pistón por medio del vástago de tracción y pudiendo retornar el pistón a una posición de partida por medio de muelles. Convenientemente, varias de estas bombas están introducidas en el recipiente. Debido al montaje individual posible y a las bombas que trabajan a tracción se mantienen muy pequeñas las secciones transversales relevantes para la conducción del calor en las bombas y en el recipiente, con lo que se produce solamente una incorporación de calor muy pequeña en el líquido del recipiente. Para reducir aún más la incorporación de calor en el recipiente, el vástago de tracción se extiende fuera del recipiente, preferiblemente a través de una junta de sellado. En la solución especialmente practicable según la cual la bomba se instala desde arriba en el recipiente, el vástago de tracción se extiende fuera del recipiente a través de un cuello termoaislado del mismo. Para minimizar aún más la conducción calorífica del gas puede estar previsto un cartucho aislante en el cuello del recipiente.

El sistema de bomba según la invención puede utilizarse ventajosamente para una serie completa de aplicaciones. En unión de un accionamiento de disco oscilante correspondiente, el número y el diámetro de las distintas bombas en una carcasa de presión común son fuertemente variables, de modo que las bombas, según este principio de construcción, pueden adaptarse prácticamente a todos los caudales de transporte requeridos con una pulsación de presión mínima. Debido a las ventajas de este concepto de bomba frente al actual es imaginable también la utilización de estas bombas como bomba a bordo en la nueva generación de aviones con accionamiento por hidrógeno. A consecuencia de las pequeñas masas del sistema de bomba, las pérdidas por enfriamiento son muy pequeñas. Debido a la estructura de construcción muy sencilla se proporciona una bomba muy barata, segura en su funcionamiento y altamente valiosa en el aspecto técnico.

Se explicará seguidamente la invención con más detalle haciendo referencia a ejemplos de ejecución representados esquemáticamente en las figuras.

Muestran:

la figura 1, el montaje de una bomba de hidrógeno de tres cilindros en un recipiente, y

la figura 2, una sección completa de una de las tres bombas introducidas en la carcasa de presión.

En la figura 1 se representa un recipiente 1 que presenta, para recibir y fijar las tres bombas 2 introducidas individualmente desde arriba, una carcasa de presión 3 fijamente integrada, sumergida en el líquido de reserva. Los lados de impulsión de las tres bombas 2 están unidos entre sí a través de esta carcasa de presión. La conducción del líquido de presión ampliamente exento de pulsaciones desde la carcasa de presión 3 se efectúa a través de una tubería de presión 4 integrada en el recipiente 1. Debido al montaje individual de las bombas 2, que trabajan a tracción, se pueden mantener muy pequeñas las secciones transversales relevantes para la conducción del calor en las bombas 2 y en el recipiente 1. Esto se consigue especialmente por medio de los delgados vástagos de tracción 29 y el tubo 6 del cuello del recipiente de pared delgada y pequeño tamaño. Especialmente para el funcionamiento con hidrógeno líquido es de extraordinaria importancia la reducida aportación de calor lograda con la invención, ya que el nitrógeno líquido presenta una temperatura muy baja de aproximadamente -253°C y un calor de evaporación muy pequeño. A esto se añade como agravante el hecho de que la bomba en su calidad de "bomba de gasolinera" tiene que estar siempre preparada para funcionar (puesta en frío) y la producción de gas originada por aportación de calor se valora como perjudicial. Dado que el hidrógeno gaseoso posee el máximo valor de conducción calorífica de todos los gases técnicos, se emplea en el tubo 6 del cuello del recipiente un cartucho aislante 7 de tela de vidrio-resina epoxídica de pared delgada, dotada de un relleno aislante, con los conductos de paso para los vástagos de tracción 29. Gracias a esta medida se reduce aún más la aportación de calor al recipiente.

La carcasa de presión 3 no sólo sirve en el recipiente 1 para recibir las bombas 2, sino que también divide el recipiente 1 en dos recintos h y f. Mientras que el recinto h está unido directamente con el líquido del depósito de reserva K a través de la tubería i de entrada de líquido, se introduce el líquido en el recinto f a través de la tubería j de retorno de gas. A este fin, la tubería j de retorno de gas desemboca en los recintos h, f y en el recinto de gas del depósito de reserva K, de modo que el líquido que entra en o y que comunica con el depósito pasa al recinto f a través de la boca p del tubo. El gas que se produce al enfriar la bomba es alimentado al recinto de gas G del depósito de reserva K. Si aumenta el nivel m del líquido por encima de la boca p del tubo, se produce un cierre de líquido y el gas contenido en el recinto f no puede escapar. Dado que la presión P_{1} en el recipiente de reserva es mayor que la presión P_{0} del depósito en la cuantía de P_{0} + densidad del líquido x altura, el líquido que se encuentra en el recipiente 1 en el estado de ebullición está también más caliente en esta cuantía que en el depósito de reserva K. Como se representa en la figura 2, durante el funcionamiento de bombeo el líquido a transportar entra en las bombas a través de los taladros c. Dado que estos taladros de entrada están asociados al recinto h (figura 1), se extrae de éstos el líquido que se ha transportar. El nivel n del líquido existente en la tubería j de retorno de gas disminuye entonces en una medida igual al valor de las resistencias en la tubería i de entrada de líquido. La disminución de presión resultante de esto en el recipiente 1 provoca una disminución del nivel m del líquido, de modo que se reduce la presión de gas más alta P_{1} a través de la boca p del tubo hasta que se establezca un nuevo estado de equilibrio y el líquido vuelva a bloquear la evacuación del gas. Dado que el líquido de transporte que circula desde el depósito de reserva lleno K (columna de líquido alta) no está ahora en equilibrio de presión y temperatura, sino que posee la temperatura más baja del depósito de reserva K a P_{0} (estado de ebullición), se produce un enfriamiento del nivel de temperatura en el recinto h (la bomba transporta solamente, con depósito lleno, el líquido más frío entrante). A consecuencia de la división del espacio del recipiente 1 por medio de la carcasa de presión 3 en dos recintos h y f, se producen un nivel de líquido m siempre constante y que se regula por sí mismo en el recipiente 1 (incluso durante el funcionamiento de la bomba) y una separación térmica de los líquidos. Debido a esta separación térmica de ambos recintos h y f el líquido en el recinto superior f se mantiene siempre en el estado de ebullición de P_{1} incluso durante el funcionamiento de bombeo, y la entrada del calor a través del tubo de cuello 6 y la evacuación del reducido calor de la bomba, representada en la figura 2, a través de la válvula 4 se alimentan en forma de gas al depósito de reserva K a través del cierre de líquido p. La falta de una división del recipiente tendría la consecuencia de que durante el funcionamiento de bombeo y con el depósito de reserva K lleno la aportación de calor solamente muy pequeña y perjudicial a través del tubo 6 del cuello del recipiente no sería suficiente para calentar el líquido entrante más frío en correspondencia con la presión P_{1} hasta el estado de ebullición. Debido a este hecho, se produciría una condensación de gas y el líquido frío ascendería cada vez a mayor altura en el recipiente 1 y originaría una congelación de la parte superior del recipiente por inundación.

En la figura 2 se representa una sección completa de una de las tres bombas introducidas en la carcasa de presión. La bomba fijada a la carcasa de presión (figura 1, número de referencia 3) por medio de tornillos 30 presenta un cilindro de bomba 1 que está atornillado con una brida de tapa 10 a través de una parte de flujo 2. Se forma aquí una rendija anular d en la que está montada una válvula de presión de membrana 6, 7 solicitada con un muelle de platillo 8. Debido a la presencia de esta rendija anular d y a su sellado 27 en ambos lados resulta posible el montaje individualizado de las bombas en la carcasa de presión común.

Las tres bombas son maniobradas por un accionamiento de disco oscilante no representado fijado a la tapa del recipiente. En el recipiente, que presenta una capacidad de solamente unos pocos litros, se encuentra el líquido criógeno que ha de transportarse. La transmisión de las fuerzas de tracción para la carrera de impulsión de la bomba desde el accionamiento hasta las bombas sumergidas en el líquido del recipiente se efectúa a través de vástagos de tracción 29 sellados en la tapa del recipiente. Al invertirse la carrera, los pistones 14, 17 son llevados por la fuerza de los muelles 23 hasta una posición de partida en contra de la carrera de impulsión. De este modo, un aro de pistón sujeto 15, 16 presionado por muelles contra el cilindro de bomba 1 es hecho aplicarse a nervios del cuerpo de pistón 14. A través de la rendija que se ajusta de esta manera, el líquido del ciclo de carrera precedente es empujado sin presión hasta el lado de impulsión a del pistón. Al mismo tiempo, en este comienzo de carrera una válvula 4, en la que está montada una junta 5 para sellar el vástago de tracción 29, ha sido abierta forzosamente a causa del rozamiento por medio del vástago de tracción 29. Se ha evacuado entonces el calor generado por el rozamiento del aro del pistón, con lo que se garantiza así siempre un llenado óptimo del cilindro. Debido a este procedimiento no se modifica tampoco la temperatura del líquido de presión en comparación con el líquido de reserva, lo que repercute positivamente sobre la medición de la cantidad entregada.

Al invertirse la carrera, se cierra primero la válvula 4 por medio del vástago de pistón 29 antes de que el aro de pistón 15, 16 cierre la rendija en el cuerpo de pistón 14, y se impulsa líquido de presión desde el cilindro de bomba 1 hasta la carcasa de presión común (figura 1, número de referencia 3) a través de la válvula de salida de membrana 6, 7 solicitada por el muelle 8.

Al rebasarse la presión de diseño (presión de transporte máxima), un limitador de presión 17 construido como un muelle de platillo es presionado por el cuerpo de pistón 14 a través del aro de pistón 15, 16 y se anula la sobrepresión a través de los taladros e. En el momento de esta inversión de la carrera se ha abierto también inmediatamente una válvula de fondo 20 que se encuentra en el extremo inferior del cilindro de la bomba y que se abre por efecto de un rozamiento definido de una junta 21 en la parte inferior 18 del vástago de tracción 29. Sin tener que abrir una válvula, el líquido de reserva puede seguir fluyendo ahora a través de los taladros c, sin pérdida de presión, hacia el volumen b del cilindro de bomba liberado por el pistón 14, 17. Debido a la reducción del diámetro del vástago de tracción 18, se anula el rozamiento entre éste y la válvula de fondo 20 poco antes del punto muerto superior y se cierra la válvula de fondo 20 por medio del peso propio.

Con la disposición de bomba descrita es posible bombear con buen rendimiento de transporte líquidos dotados de incluso calores de evaporación pequeños, como, por ejemplo, hidrógeno líquido en el estado de ebullición (sin columna estática). Dado que, debido a la apertura forzosa de la válvula 4, se excluye el calentamiento del cilindro de la bomba, se produce en cada carrera un llenado óptimo del cilindro, impidiéndose el calentamiento del líquido de transporte que es usual en otros casos.

Claims (7)

1. Sistema de bomba para transportar líquidos criógenos, que está constituido por un recipiente de reserva (K) para el líquido criógeno que forma un recinto de líquido (L) y un recinto de gas (G), y al menos una bomba (2) dispuesta en un recipiente (1), estando unido el recipiente (1) con el depósito de reserva (K) de tal manera que se puede ajustar un nivel de líquido (m) en el recipiente (1), caracterizado porque

a) el recipiente (1) está dividido en dos recintos (h, f), estando dispuesto un recinto (h) completamente por debajo del recinto de gas (G) del depósito de reserva (K) y estando unido con el recinto de líquido (L) del depósito de reserva a través de una tubería de alimentación de líquido (i), mientras que el otro recinto (f) está dispuesto por encima del recinto (h) y al menos en parte también por debajo del recinto de gas (G) del depósito de reserva (K), estando unido el recinto (f) con el recinto de gas (G) del depósito de reserva (K) a través de una tubería de retorno de gas (j),

b) el lado de aspiración de la bomba (2) está unido con el recinto (h), mientras que el lado de impulsión está unido con un punto de entrega previsto fuera del recipiente (1) para entregar el líquido criógeno a un consumidor,

c) los recintos (h) y (f) están unidos uno con otro a través de una tubería de unión (q), y

d) por encima del extremo abierto de la tubería de retorno de gas (j) que desemboca en el recinto (f) queda un recinto de gas (s).

2. Sistema de bomba según la reivindicación 1, caracterizado porque el recipiente (1) está dividido en los recintos (h, f) por medio de una carcasa de presión (3) que está unida, por una parte, con el lado de impulsión de la bomba (2) y, por otra parte, con el punto de entrega previsto fuera del recipiente (1) para entregar el líquido criógeno.

3. Sistema de bomba según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque están dispuestas en el recipiente (1) varias bombas, es decir, al menos dos bombas (2), cuyos lados de impulsión están unidos con la carcasa de presión común (3).

4. Sistema de bomba según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la bomba (2) está construida como una bomba de pistón con vástago de tracción (29) y recuperación por muelle, pudiendo realizarse la carrera de impulsión de la bomba mediante la aplicación de fuerzas de tracción al pistón (14, 17) por medio del vástago de tracción (29) y pudiendo reponerse el pistón (14, 17) a una posición de partida por medio de muelles (23).

5. Sistema de bomba según la reivindicación 4, caracterizado porque el vástago de tracción (29) se extiende fuera del recipiente (1) a través de una junta de sellado (5) .

6. Sistema de bomba según la reivindicación 5, caracterizado porque el vástago de tracción (29) se extiende fuera del recipiente (1) a través de un cuello termoaislado (6) de este último.

7. Sistema de bomba según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque los recintos (h, f) están ampliamente separados uno de otro en el aspecto térmico.