ES2213169T3 - Aparato de suministro de fluido criogenico. - Google Patents

Aparato de suministro de fluido criogenico.

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ES2213169T3 ES96303639T ES96303639T ES2213169T3 ES 2213169 T3 ES2213169 T3 ES 2213169T3 ES 96303639 T ES96303639 T ES 96303639T ES 96303639 T ES96303639 T ES 96303639T ES 2213169 T3 ES2213169 T3 ES 2213169T3
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Abstract

APARATO PARA SUMINISTRO DE CRIOGENOS 1, PARA SUMINISTRAR CRIOGENOS EN ESTADO SATURADO, QUE INCLUYE UN RECIPIENTE 10, QUE CONTIENE EL LIQUIDO CRIOGENO Y FASES DE VAPOR. EL RECIPIENTE 10 TIENE UNA REGION DE CARGA 12 Y UN TERMOPERMUTADOR 22, SITUADO DENTRO DE LA REGION DE CARGA 12 PARA INTERCAMBIAR CALOR INDIRECTAMENTE ENTRE EL VAPOR LOCALIZADO DENTRO DE LA REGION DE CARGA Y UNA CORRIENTE DE LIQUIDO COMPUESTA DE LA FASE LIQUIDA DEL CRIOGENO. SI SE INTRODUCE EL CRIOGENO EN EL RECIPIENTE 10, COMO LIQUIDO SUBFUNDIDO A TRAVES DE UNA ENTRADA 46, EL LIQUIDO SUBFUNDIDO FLUYE A TRAVES DE UNA TUBERIA DE RETIRADA 38 HACIA EL TERMOPERMUTADOR 22 Y SE CALIENTA AL PASAR, CONVIRTIENDOSE ASI EN UN LIQUIDO SATURADO. EL LIQUIDO SATURADO ES DESCARGADO POR UNA SALIDA DE LIQUIDOS 40, CONECTADA AL TERMOPERMUTADOR 22. EN CASO DE QUE EL LIQUIDO ENTRE EN EL RECIPIENTE COMO CORRIENTE BIFASICA, EL RECIPIENTE 10 HACE DE SEPARADOR DE FASES. SE PROPORCIONA UNA LINEA DE SUMINISTRO RAMIFICADA 44, CON UN RAMAL PARA ENTRADA DELIQUIDOS 46, CONECTADO A LA ENTRADA INFERIOR PARA LIQUIDOS 46 DEL RECIPIENTE 10, DE MANERA QUE UNA CORRIENTE DE SUMINISTRO, COMPUESTA DEL CRIOGENO, FLUYE HACIA EL INTERIOR DEL RECIPIENTE 10. UN RAMAL DE ENTRADA DE VAPOR 48 DE LA LINEA DE SUMINISTRO 44 ESTA CONECTADO A UNA ENTRADA 20 AL LA REGION DE CARGA 12. SE PROPORCIONA UN ELEMENTO TERMICO 50, PARA CALENTAR EL RAMAL DE ENTRADA DE VAPOR 48, DE MANERA QUE EL LIQUIDO CRIOGENO SE VAPORIZA PARA RELLENAR EL VAPOR DENTRO DE LA REGION DE CARGA, REDUCIDO POR LA CONDENSACION EN LAS SUPERFICIES EXTERNAS DEL TERMOPERMUTADOR 22, O DESCARGADO DESDE UNA SALIDA DE DESCARGA DE VAPOR 18 DEL RECIPIENTE 10.

Description

Aparato de suministro de fluido criogénico.
El invento presente se refiere a un método para operar un aparato de suministro de fluido criogénico y al propio aparato. Más en particular, el invento presente se refiere a un aparato de esta clase en el cual un recipiente sirve como separador de fases si el fluido criogénico que debe ser suministrado es proporcionado como un flujo de dos fases. El recipiente contiene un intercambiador de calor para convertir líquido subenfriado en un líquido saturado si el fluido criogénico es suministrado en forma de líquido subenfriado.
Técnica anterior más próxima
La patente FR-A-2 599 119 describe la licuefacción de una corriente o flujo de gas regulado mediante un baño de la misma sustancia en el estado líquido mantenido a una presión inferior en la inmediata proximidad del lugar donde debe ser usado.
Los fluidos criogénicos tales como aire líquido o componentes de aire licuados, son utilizados en muchas aplicaciones criogénicas de enfriamiento y de refrigeración. Un problema común del suministro de un fluido criogénico es que el grado de potencial de enfriamiento del fluido criogénico puede variar de acuerdo con la condición del fluido que se suministra. Por ejemplo, el nitrógeno líquido subenfriado tiene un potencial de enfriamiento diferente del nitrógeno que se suministra en forma de un flujo de dos fases. Este problema es agravado en aplicaciones de enfriamiento que no emplean un sistema de control por realimentación, sino más bien se basan en temporizadores y similares para abrir y cerrar válvulas de suministro de fluido criogénico. Un ejemplo de tal problemática aplicación es cuando un fluido criogénico es usado en el enfriamiento de artículos de plástico moldeados por soplado después de haber sido formados. En muchos sistemas diseñados para tal aplicación, el flujo del fluido criogénico para cada ciclo de enfriamiento está controlado por una válvula de control que es abierta durante un período de tiempo predeterminado. La forma del flujo de dos fases del fluido criogénico tendrá menos potencial de enfriamiento que el fluido criogénico en forma de líquido subenfriado. Además, la cantidad de líquido subenfriado que es suministrada durante un ciclo de abertura dado de válvula, será mayor que el del fluido criogénico suministrado en forma de flujo de dos fases debido al aumento de densidad del líquido subenfriado. Ya que el potencial de enfriamiento del fluido criogénico variará con su estado físico, o bien las partes plásticas no serán suficientemente enfriadas, o se malgastará el fluido criogénico.
Como se explicará más adelante, el invento presente proporciona una solución práctica para aliviar el problema descrito anteriormente proporcionando un aparato de suministro de fluido criogénico que sirve como interfase entre el líquido criogénico suministrado y la aplicación particular para la que se usa el fluido criogénico. La interfase proporcionada por el invento presente es tal que asegura que el fluido criogénico será utilizado consecuentemente en un estado saturado.
De acuerdo con el invento presente, se proporciona un método para operar un aparato de suministro de fluido criogénico, comprendiendo el aparato de suministro de fluido criogénico:
un recipiente que contiene el fluido criogénico en las fases líquida y de vapor;
el recipiente tiene un espacio de cabeza, una entrada de fluido criogénico a una región del fondo del recipiente, una salida de vapor del espacio de cabeza, y una entrada de vapor al espacio de cabeza;
medios de intercambio de calor en relación de intercambio de calor con el espacio de cabeza;
un tubo de extracción de líquido criogénico en comunicación con los medios de intercambio de calor y que pende de ellos hasta la región del fondo del recipiente;
una salida de líquido conectada a los medios de intercambio de calor;
una conducción de suministro ramificada que tiene una rama de líquido conectada a dicha entrada de fluido criogénico y una rama de vapor conectada a dicha entrada de vapor; y
medios de calefacción operables para calentar la rama de vapor de la conducción de suministro ramificada;
comprendiendo el método suministrar fluido criogénico a la conducción de suministro ramificada y retirar líquido saturado de la salida de líquido, en el que, en el caso de que el fluido criogénico sea suministrado a la conducción de suministro ramificada en estado de saturación, el recipiente actúa como separador de fases y se descarga vapor del recipiente por medio de la salida de vapor, y en el caso de que el fluido criogénico sea suministrado a la conducción de suministro ramificada en estado de subenfriamiento, los medios de intercambio de calor convierten el líquido subenfriado en un líquido saturado por medio de intercambio indirecto de calor con vapor en condensación en la región del espacio de cabeza, siendo operados los medios de calefacción para proporcionar vapor para la región del espacio de cabeza, en el caso de que en la región del espacio de cabeza disminuya el vapor, por medio de la condensación o por medio de la descarga a través de la salida de vapor.
El invento proporciona también un aparato para el suministro de fluido criogénico para ser usado con un método de acuerdo con la reivindicación 1, comprendiendo el aparato de suministro de fluido criogénico:
un recipiente para contener el fluido criogénico en fases líquida y de vapor;
teniendo el recipiente una región de espacio de cabeza, una entrada de fluido criogénico a una región del fondo del recipiente, una salida de vapor en la región espacio de cabeza, y una entrada de vapor a la región de espacio de cabeza;
medios de intercambio de calor en relación de intercambio de calor con la región de espacio de cabeza;
un tubo de extracción de líquido criogénico en comunicación con los medios de intercambio de calor y descendiendo desde ellos hasta la región del fondo del recipiente;
una salida de líquido conectada a los medios de intercambio de calor;
una conducción de suministro ramificada que tiene una rama de líquido conectada a dicha entrada de fluido criogénico y una rama de vapor conectada a dicha entrada de vapor; y
medios de calefacción operables para calentar la rama de vapor de la conducción de suministro ramificada;
En la práctica, el aparato de suministro de fluido criogénico de acuerdo con el invento presente puede tener su tubería de suministro ramificada conectada a una fuente de nitrógeno líquido. En el caso de que dicho nitrógeno líquido esté en un estado de dos fases, entonces el aparato de suministro de fluido criogénico serviría simplemente para separar las fases en fases de líquido y de vapor, siendo ventilado del recipiente el exceso de vapor. Si, sin embargo, el tanque de almacenamiento de nitrógeno estuviera lleno y el subenfriamiento dentro del tanque aumentara drásticamente, entonces los medios de intercambio de calor servirían para intercambiar calor entre el vapor del espacio de cabeza, siendo retirado el líquido subenfriado para convertir el líquido subenfriado en líquido saturado cuando sea descargado del recipiente.
En el caso de que se proporcione líquido subenfriado y/o se utilice vapor, el nivel de líquido dentro del recipiente tenderá a subir. Para reemplazar el vapor que ha sido consumido, se aporta vapor a la región de espacio de cabeza del recipiente por medio de la ramificación de entrada del vapor calentado de la tubería de suministro. Debe apreciarse que calentando sencillamente una corriente del líquido (en oposición a todo el líquido contenido en el recipiente), se pueden minimizar las necesidades de potencia de un calentador para tal cometido. El calentamiento puede ser a un nivel constante, en el que las necesidades no varíen, o puede ser proporcional al uso del líquido. El calentador puede ser usado a la terminación de un proceso intermitente y en tal caso, la evolución del vapor hará que el líquido fluya de vuelta a través de la tubería ramificada de suministro.
Debe entenderse que el término "criogénico", tal como se ha usado aquí y en las reivindicaciones, significa un gas atmosférico licuado, tal como nitrógeno, aire líquido, otra sustancia fría líquida que en condiciones ambientales estándar estaría en estado de vapor.
Se describirá a continuación, por medio de un ejemplo, un aparato de acuerdo con el invento con referencia al dibujo adjunto, que es un esquema de un aparato de suministro de fluido criogénico de acuerdo con el invento presente.
Con referencia al dibujo, un aparato de suministro de fluido criogénico incluye un recipiente 10 destinado a contener fluido criogénico en fases de líquido y de vapor. La fase de vapor está contenida dentro de una región de espacio de cabeza 12 del recipiente 10. El fluido criogénico entra en la región del fondo 14 del recipiente 10 por medio de una entrada 16 en el fondo. Está prevista una salida de vapor 18 para descargar vapor de la región de espacio de cabeza 12 del recipiente 10. Está prevista también una entrada 20 al espacio de cabeza para introducir vapor en la región 12 del espacio de cabeza del recipiente 10.
Si el fluido criogénico es suministrado al recipiente 10 como flujo en un estado de dos fases, el recipiente 10 actuará como separador de fases para separar el fluido criogénico en las fases de líquido y de vapor. En este caso, dependiendo de si el vapor es suministrado a un proceso externo, el exceso de vapor será ventilado o evacuado periódicamente del aparato por medio de la salida de vapor 18. En el caso de que el líquido esté subenfriado, están previstos medios para intercambio indirecto entre el vapor situado dentro del espacio de cabeza y una corriente líquida compuesta de la fase líquida, lo que significa que es preferente un intercambiador de calor 22 situado dentro de la región de espacio cabeza 12. El intercambiador de calor 22 está formado de tubos con aletas de refrigeración 24 que están dispuestos en pasos en serie 26, 28, 30 y 32 que están conectados por accesorios 34 y 36 con forma de U. El líquido es introducido en el intercambiador de calor 22 por medio de un tubo de extracción 38 que está conectado al paso 26 por medio de un accesorio en forma de codo de 90º que se muestra interrumpido para facilitar su ilustración. Como puede apreciarse, el intercambiador de calor 22 podría ser construido de muy diversas formas, incluyendo un sencillo serpentín de tubo desnudo. El intercambiador de calor 22 condensa vapor dentro de la región 12 de espacio de cabeza y convierte de esta manera líquido subenfriado en líquido saturado. El líquido saturado es descargado del recipiente 10 a través de la salida de líquido 40.
El recipiente 10 está provisto de un volumen o colector descendente 42 a través del cual se extiende el tubo de extracción 38 y tiene una entrada 16 en el fondo definida en él. El tubo de extracción 38 se extiende por debajo de la entrada 16 del fondo para impedir que pase vapor al intercambiador de calor 22 si el líquido entrante es una corriente de dos fases. El colector 42 es una característica preferida, aunque opcional, del aparato criogénico de suministro 1.
El nivel de líquido tenderá a subir dentro del aparato criogénico de suministro 1 cuanto más líquido subenfriado sea convertido en líquido saturado o cuanto más vapor sea descargado por la salida de vapor 18. (Debe observarse que ciertos procesos requieren adicionalmente un suministro de vapor del aparato 1 que debe ser repuesto). Para aumentar la cantidad de vapor dentro de la región de espacio de cabeza 12, está prevista una tubería de suministro ramificada 44 que tiene una rama de entrada de líquido 46 conectada a la entrada de líquido del fondo 16 de forma que el suministro de líquido fluye dentro del recipiente 10 y la rama de entrada de vapor 48 conectada a la entrada 20 del espacio de cabeza. Un calentador ilustrado como serpentín de calefacción 50, conectable en circuito eléctrico con una fuente de potencia eléctrica 52, calienta líquido entrante y lo convierte en vapor. Debe apreciarse además que el calentador eléctrico es tan sólo uno de los muchos medios posibles para calentar la rama 48 de entrada de vapor. Por ejemplo; se podría utilizar con el mismo objeto calor procedente de otras fuentes de calefacción. El nivel de líquido en la rama 48 estará al mismo nivel que dentro del recipiente, por lo tanto no se requieren medios de control activo para suministrar líquido al calentador 50.
Aunque, como se ha indicado anteriormente, se puede suministrar corriente eléctrica de forma continua al serpentín de calefacción 50, en la realización ilustrada, la operación del serpentín de calefacción 50 es controlada automáticamente en respuesta al nivel de líquido dentro del recipiente 10. Con este fin, se prevé un detector de nivel 53 para percibir un nivel superior de líquido dentro del recipiente 10. Dicho nivel superior está indicado con la referencia "A". El detector de nivel 54 percibe un nivel bajo de líquido, indicado con la referencia "B". Los detectores de nivel 53 y 54 son "detectores de nivel de punto" (del tipo explicado en la patente US 5.167.154) que han sido diseñados para generar señales cuando el nivel de líquido se ha elevado hasta el nivel "A" o ha caído por debajo del nivel "B". Debe entenderse que pueden ser usados termopares de dispositivos electromecánicos, u otros medios, para detectar el nivel de líquido. Adicionalmente, aunque no se muestre, los detectores de nivel 53 y 54 podrían estar situados en pozos para impedir que su detección de altura de líquido se vea influenciada por perturbaciones del líquido dentro del recipiente 10. Alternativamente, un detector de nivel continuo, tal como una sonda del tipo de capacitancia, podría reemplazar a ambos detectores de nivel 53 y 54.
Está prevista una conexión eléctrica 55 para conectar el detector de nivel 53 a un controlador 56. De forma similar, está prevista una conexión eléctrica 57 para conectar el detector de nivel 54 al controlador 56. El controlador 56 puede ser o un controlador analógico o de lógica programable. Cuando el nivel de líquido de la fase líquida se eleva hasta el nivel A, el controlador 56, en respuesta al detector de nivel 53, suministra corriente eléctrica, proporcionada por la fuente de potencia 52, al serpentín de calefacción 50. Este control hace que el líquido que va a ser vaporizado y el vapor fluyan dentro de la región de espacio de cabeza 12. Cuando el nivel cae por debajo de A de nuevo, se desactiva el serpentín 50. En el caso de que el nivel de líquido caiga por debajo del nivel B, el controlador 56, actuando en respuesta al detector de nivel 54, activa una válvula 60 activada a distancia, conectada a una salida de descarga de vapor 18 para abrir y descargar vapor. La válvula 60 activada a distancia está conectada al controlador 56 por medio de una conexión eléctrica 62. Cuando el nivel de líquido sube de nuevo hasta B, la válvula 60 se cierra. De esta manera el nivel de líquido será constantemente obligado a permanecer dentro del margen de altura definido entre los niveles A y B. De preferencia, el serpentín de calefacción 50, u otra fuente de calefacción, está situado en la rama de entrada de vapor 48 de forma que está por debajo del nivel A de líquido para impedir que sobrecaliente el vapor que procede del líquido. Más preferentemente, el serpentín de calefacción 50 está situado por debajo del nivel B de líquido.
El controlador 56 podría ser usado también para iniciar el suministro de líquido en respuesta a las necesidades del proceso. Con este fin, se ilustra situada en la salida 42 una válvula 64 operada a distancia. La válvula operada a distancia 64 está conectada eléctricamente por medio de la conexión eléctrica 66 al controlador 56. Dependiendo de las necesidades del proceso, se podrían prever salidas adicionales del espacio del líquido o del vapor.

Claims (6)

1. Un método para operar un aparato de suministro de fluido criogénico, comprendiendo el aparato de suministro de fluido criogénico:
un recipiente (10) que contiene el fluido criogénico en fases de vapor y de líquido;
teniendo el recipiente (10) una región de espacio de cabeza (12), una entrada de fluido criogénico (16) a una región del fondo (14) del recipiente (10), una salida de vapor (18) de la región de espacio de cabeza (12), y una entrada de vapor (20) a la región de espacio de cabeza (12);
medios de intercambio de calor (22) en relación de intercambio de calor con la región de espacio de cabeza (12);
un tubo de extracción de líquido criogénico (38) en comunicación con los medios de intercambio de calor (22) y que desciende desde ellos hasta la región del fondo (14) del recipiente (10);
una salida de líquido (40) conectada a los medios de intercambio de calor (22);
una conducción de suministro ramificada (24) que tiene una rama de líquido (46) conectada a dicha entrada de fluido criogénico (16) y una rama de vapor (48) conectada a dicha entrada de vapor (20); y
medios de calefacción (50) que actúan calentado la rama de vapor (48) de la conducción de suministro ramificada (44);
comprendiendo el método suministrar el fluido criogénico a la conducción de suministro ramificada (44) y extraer líquido saturado de la salida de líquido (40), en el que, en el caso de que el fluido criogénico sea suministrado a la conducción de suministro ramificada (44) en estado saturado, el recipiente (10) actúa como separador de fases y el vapor es descargado del recipiente (10) por medio de la salida de vapor (18), y, en el caso de que el fluido criogénico sea suministrado a la conducción de suministro ramificada (44) en estado subenfriado, los medios de intercambio de calor (22) convierten el líquido subenfriado en un líquido saturado por intercambio indirecto de calor con vapor en condensación en la región de espacio de cabeza (12), siendo los medios de calefacción (50) operados para proporcionar vapor a la región de espacio de cabeza (12) en el caso de que la región de espacio de cabeza (12) sea vaciada de vapor por medio de la condensación o por medio de descarga a través de la salida de vapor (18).
2. Un aparato de suministro de fluido criogénico para ser usado con un método de acuerdo con la reivindicación 1, comprendiendo el aparato de suministro de fluido criogénico:
un recipiente (10) que contiene el fluido criogénico en fases de vapor y de líquido;
teniendo el recipiente (10) una región de espacio de cabeza (12), una entrada de fluido criogénico (16) a una región del fondo (14) del recipiente (10), una salida de vapor (18) de la región de espacio de cabeza (12), y una entrada de vapor (20) a la región de espacio de cabeza (12);
medios de intercambio de calor (22) en relación de intercambio de calor con la región de espacio de cabeza (12);
un tubo de extracción de líquido criogénico (38) en comunicación con los medios de intercambio de calor (22) y que desciende desde ellos hasta la región del fondo (14) del recipiente (10);
una salida de líquido (40) conectada a los medios de intercambio de calor (22);
una conducción de suministro ramificada (24) que tiene una rama de líquido (46) conectada a dicha entrada de fluido criogénico (16) y una rama de vapor (48) conectada a dicha entrada de vapor (20); y
medios de calefacción (50) que actúan calentado la rama de vapor (48) de la conducción de suministro ramificada (44).
3. Un aparato de suministro de fluido criogénico de acuerdo con la reivindicación 2, en el que los medios de calefacción (50) comprenden un serpentín eléctrico de calefacción (50).
4. Un aparato de suministro de fluido criogénico de acuerdo con la reivindicación 2 o con la reivindicación 3, que comprende adicionalmente medios de detección de nivel (53) para detectar cuándo la fase líquida en el recipiente (10) se eleva por encima de un nivel fijado superior (A) y medios de control (56) que responden a dichos medios de detector de nivel (53) para activar dichos medios de calefacción (50) cuando dicha fase líquida se eleva por encima de dicho nivel fijado superior (A).
5. Un aparato de suministro de fluido criogénico de acuerdo con la reivindicación 4, en el que hay:
una válvula activada a distancia (60) en la salida de vapor (18);
medios adicionales de detección de nivel (54) para detectar cuándo dicha fase líquida cae por debajo de un nivel fijado inferior (B);
y los medios de control (56) responden también a dichos medios adicionales de detección de nivel (54) para abrir la válvula activada a distancia (60) cuando la fase líquida cae por debajo del nivel fijado inferior (B).
6. Un aparato de suministro de fluido criogénico de acuerdo con la reivindicación 5 o con la reivindicación 6, en el que los medios de calefacción (50) están situados en un nivel por debajo del nivel fijado superior (A).
ES96303639T 1995-05-24 1996-05-22 Aparato de suministro de fluido criogenico. Expired - Lifetime ES2213169T3 (es)

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