ES2329323B2 - Operacion de un refrigerador criogenico usando una monitorizacion de contaminantes en linea. - Google Patents
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Abstract
Operación de un refrigerador criogénico usando
una monitorización de contaminantes en línea.
Un método para operar un refrigerador criogénico
que proporciona la oportunidad de intervenir a tiempo, antes de que
se produzca el fallo, mejorando de este modo la fiabilidad de la
provisión de la refrigeración, en el que se monitoriza la
concentración de contaminante aguas abajo de un compresor (1) pero
aguas arriba del refrigerador criogénico, y se utiliza la velocidad
de cambio de la concentración de contaminantes para calcular el
momento de dar el servicio.
Description
Operación de un refrigerador criogénico usando
una monitorización de contaminantes en línea.
Esta invención se refiere generalmente a la
refrigeración a baja temperatura o criogénica y, más
particularmente, al funcionamiento de un refrigerador
criogénico.
Los refrigeradores criogénicos se emplean para
generar refrigeración y para proporcionar esa refrigeración para
aplicaciones tales como la superconductividad a alta temperatura, y
las imágenes por resonancia magnética. El fallo del refrigerador
criogénico puede tener unas consecuencias graves para tales sistemas
de aplicación. Es deseable por tanto operar a un refrigerador
criogénico de manera que se evite el fallo del refrigerador
criogénico mientras esté en línea.
Por consiguiente, es un objeto de esta invención
proporcionar un método para operar un refrigerador criogénico de
manera que se reduzca o elimine la probabilidad del fallo del
refrigerador criogénico mientras esté en línea y proporciona una
refrigeración crítica a una aplicación tal como un sistema de
imágenes por resonancia magnética o una aplicación de
superconductividad a alta temperatura.
Se alcanzan el anterior y otros objetos, que
resultarán obvios para los expertos en la técnica al leer esta
descripción, mediante la presente invención, la cual es:
Un método para operar un refrigerador criogénico
que comprende:
(A) comprimir un gas de trabajo usando un
compresor y hacer pasar el gas de trabajo a un refrigerador
criogénico que tiene un regenerador en comunicación de flujo con un
tubo amortiguador térmico;
(B) monitorizar la concentración de
contaminantes del gas de trabajo entre el compresor y el
regenerador del refrigerador criogénico para determinar la velocidad
de cambio de la concentración de contaminantes en el gas de
trabajo;
(C) emplear el valor determinado de la velocidad
de cambio de la concentración de contaminantes en el gas de trabajo
para calcular un tiempo de servicio; y
(D) dar servicio al refrigerador criogénico si
el tiempo de servicio calculado es menor que un valor
predeterminado.
Tal como se usa aquí, el término
"contaminante" significa uno o varios de los siguientes:
dióxido de carbono, monóxido de carbono, hidrógeno; nitrógeno,
oxígeno, argón, hidrocarburo(s), y humedad.
Tal como se usa aquí, el término "tiempo de
servicio" significa el tiempo remanente antes de que la
formación de contaminante(s) dentro de un refrigerador
criogénico degrade el funcionamiento del refrigerador criogénico de
tal manera que la refrigeración que se genera por el refrigerador
criogénico esté por debajo de un mínimo predeterminado.
Tal como se usa aquí, el término
"regenerador" significa un dispositivo térmico en forma de una
masa o medio poroso distribuido, tal como esferas, mallas apiladas,
hojas metálicas perforadas, y dispositivos análogos, con buena
capacidad térmica para enfriar el gas caliente que llega y para
calentar el gas frío que retorna a través de una transferencia de
calor indirecta con la masa porosa distribuida.
Tal como se usa aquí, el término "tubo
amortiguador térmico" significa un componente del refrigerador
criogénico separado del regenerador y próximo al intercambiador de
calor frío y que presenta un rango de temperaturas desde la más
fría a la temperatura de rechazo de calor más caliente para esa
etapa.
Tal como se usa aquí, el término "intercambio
de calor indirecto" significa la aportación de fluidos a la
relación de intercambio de calor sin contacto físico o
entremezclado alguno de los fluidos entre sí.
Tal como se usa aquí, el término "intercambio
de calor directo" significa la transferencia de refrigeración
mediante el contacto de las entidades de refrigeración y de
calentamiento.
Tal como se usa aquí, el término "válvula de
modulación de frecuencia" significa una válvula o sistema de
válvulas que genera una presión oscilante y un flujo de masas a una
frecuencia deseada.
La Figura 1 es una representación esquemática de
una realización preferida de un sistema de refrigerador criogénico
que se puede emplear en la práctica de esta invención.
La Figura 2 es un gráfico de contaminantes de
línea de base, que muestra la disminución del nivel de
contaminantes dentro del fluido de trabajo en el extremo caliente a
partir de su nivel inicial debido a la congelación de alguno de los
contaminantes.
Las Figuras 3 a 6 son gráficos que representan
el nivel de contaminantes con el tiempo en diferentes circunstancias
del refrigerador criogénico.
La Figura 7 muestra el efecto de la migración de
contaminantes al intercambiador de calor frío y finalmente al
enderezador de flujo en el extremo frío del tubo amortiguador del
refrigerador criogénico.
En general, la invención es un método para
operar un refrigerador criogénico usando la monitorización en línea
de la contaminación del gas de trabajo aguas abajo del generador de
onda de presión pero aguas arriba del regenerador como una
herramienta de diagnóstico para proporcionar un aviso anticipado del
fallo de un refrigerador criogénico antes de que se comprometa el
funcionamiento de la aplicación que recibe la refrigeración del
refrigerador criogénico.
La Figura 1 ilustra una realización preferida de
un refrigerador criogénico que se beneficiará de la práctica de
esta invención. Haciendo referencia a continuación a la Figura 1,
el gas de trabajo del refrigerador criogénico, tal como helio, neón,
argón, y mezclas de los mismos, siendo preferible el helio, es
comprimido en un compresor 1, el cual puede ser lubricado por
aceite. El gas de trabajo comprimido, si procediera de un compresor
lubricado por aceite, se hace pasar por la línea 10 al filtro o
filtros coalescente(s) 2 que forma(n) parte del tren
de eliminación de aceite, el cual incluye también el separador por
adsorción 3 y el filtro de ultrafinos 4. El gas de trabajo
comprimido pasa del filtro coalescente 2 al separador por adsorción
3 de la línea 11, y desde el separador por adsorción 3 al filtro de
ultrafinos (4) de la línea 12.
El filtro coalescente 2 elimina las gotitas y la
niebla de aceite, y el lecho del separador por adsorción 3 elimina
el vapor de aceite. El filtro de ultrafinos (4) elimina todas las
micropartículas remanentes y la niebla de aceite extrafina. Al
término del tren de eliminación de aceite, las impurezas
relacionadas con el aceite o nivel de contaminación del gas de
trabajo en la línea 13 será inferior a 1 ppbv. Los materiales
típicos para el lecho 3 por adsorción podrían ser una zeolita, un
carbono activo y alúmina. El calor de la compresión se elimina del
gas de trabajo en un postenfriador 5, el cual puede situarse en
cualquier lugar entre la válvula 15 de modulación de frecuencia y
la línea 11 de descarga del compresor. La válvula 15 de modulación
de frecuencia conecta la descarga 14 limpia o aspiración 19 del
compresor con la línea 18 para producir las oscilaciones necesarias
a fin de impulsar la cabeza fría. La válvula es accionada por un
sistema motorizado (no representado). La frecuencia de
funcionamiento del puede ser hasta el intervalo de 50 a 60 hertzios,
aunque típicamente es inferior a 30 hertzios, preferiblemente
inferior a 10 hertzios, y más preferiblemente inferior a 5
hertzios.
El gas de trabajo pulsatorio aplica un impulso
al extremo caliente del regenerador 20 con lo cual genera un gas de
trabajo oscilante e inicia la primera parte de la secuencia del tubo
de impulsos. El gas de trabajo caliente comprimido es enfriado,
preferentemente por intercambio de calor indirecto con el fluido 22
de transferencia de calor en el intercambiador de calor 21, para
producir un fluido de transferencia de calor calentado en la
corriente 23 y para enfriar el gas de trabajo comprimido de la
compresión de calor. Los ejemplos de fluidos útiles como fluido 22,
23 de transferencia de calor en la práctica de esta invención
incluyen agua, aire, etilenglicol y análogos.
El regenerador 20 contiene unos medios de
regenerador o transferencia de calor. Los ejemplos de medios de
transferencia de calor adecuados en la práctica de esta invención
incluyen bolas de acero, malla de alambre, estructuras de colmena de
alta densidad, metales expandidos, bolas de plomo, cobre y sus
aleaciones, complejos de elemento(s) de tierras raras y
metales de transición. El gas de trabajo pulsatorio u oscilante es
enfriado en el regenerador 20 por intercambio de calor directo con
el medio frío del regenerador para producir un gas de trabajo frío
de tubo de impulso.
El tubo 40 amortiguador térmico y el regenerador
20 están en comunicación de flujo. La comunicación de flujo incluye
el intercambiador de calor 30 frío. El gas de trabajo frío pasa por
la línea 60 al intercambiador de calor 30 frío y por la línea 61
desde el intercambiador de calor 30 frío. Al extremo frío del tubo
40 de amortiguador térmico. Dentro del intercambiador de calor 30
frío, el gas de trabajo frío es calentado por intercambio de calor
indirecto con una carga de refrigeración, proporcionando de esta
manera refrigeración a la carga de refrigeración. No se ilustra este
intercambio de calor con la carga de refrigeración. Un ejemplo de
carga de refrigeración es para el uso en un sistema de imágenes por
resonancia magnética. Otro ejemplo de carga de refrigeración es
para el uso en superconductividad a alta temperatura.
Se hace pasar el gas de trabajo desde el
regenerador 20 al tubo 40 amortiguador térmico en el extremo frío.
Preferiblemente, como se ilustra en la Figura 1, el tubo 40
amortiguador térmico tiene un enderezador 41 de flujo en su extremo
frío y un enderezador 42 de flujo en su extremo caliente. Conforme
pasa el gas de trabajo al interior del tubo 40 amortiguador térmico
comprime el gas del tubo amortiguador térmico y empuja algo del gas
a través del intercambiador de calor 43 y del orificio 50 por la
línea 51 al depósito 52. El flujo se detiene cuando las presiones,
tanto en el tubo amortiguador térmico como en el depósito, se
igualan. El tubo del amortiguador térmico puede tener un flotador
mecánico para facilitar el bombeo de calor del intercambiador de
calor frío al caliente, tal como en los refrigeradores criogénicos
de Glifford, McMahon y Stirling.
Se hace pasar el fluido refrigerante 44 al
intercambiador de calor 43 donde es calentado o vaporizado por
intercambio de calor indirecto con el gas de trabajo, sirviendo de
este modo como un disipador de calor para enfriar el gas de trabajo
comprimido. El fluido refrigerante calentado o vaporizado resultante
es retirado del intercambiador de calor 43 en la corriente 45.
Preferiblemente, el fluido refrigerante 44 es agua, aire,
etilenglicol o análogos.
En el punto de baja presión de la secuencia
pulsatoria, el gas de trabajo dentro del tubo amortiguador térmico
se expande y por tanto se enfría, y se invierte el flujo desde el
depósito 52, ahora a una presión relativamente más alta, al tubo 40
amortiguador térmico. El gas de trabajo frío es empujado al
intercambiador de calor 30 frío y de vuelta al extremo caliente del
regenerador mientras proporciona refrigeración al intercambiador de
calor 30 y refrigeración al medio de transferencia de calor del
regenerador para la siguiente secuencia pulsatoria. El orificio 50 y
el depósito 52 se emplean para mantener las ondas de presión y de
flujo en la fase adecuada, de manera que el tubo amortiguador
térmico genere refrigeración neta durante los ciclos de compresión
y expansión en el extremo frío del tubo 40 de amortiguador térmico.
Otros medios para mantener las ondas de presión y de flujo en fase
que se pueden usar en la práctica de esta invención incluyen tubo y
orificio de intersección, expansionador, alternador lineal,
disposiciones de fuelles, y una línea de recuperación de trabajo
conectada de vuelta al compresor con un supresor de flujo de masa.
En la secuencia de expansión, el gas de trabajo se expande para
producir un gas de trabajo en el extremo frío del tubo 40
amortiguador térmico. El gas expandido invierte su dirección de tal
manera que fluye desde el tubo amortiguador térmico hacia es
regenerador 20. El gas a una presión relativamente más alta en el
depósito fluye a través de la válvula 50 al extremo caliente del
tubo 40 amortiguador térmico. En resumen, el tubo 40 amortiguador
térmico. Rechaza el resto del trabajo de presión volumen generado
por el sistema de compresión y de modulación de frecuencia como
calor al intercambiador de calor 43.
El gas de trabajo expandido que emerge del
intercambiador de calor 30 se hace pasar por la línea 60 al
regenerador 20 donde entra directamente en contacto con el
regenerador para producir el medio de transferencia de calor antes
mencionado, con lo cual completa la segunda parte de la secuencia
de refrigeración del refrigerador criogénico y pone el regenerador
en condiciones para la primera parte de una secuencia de
refrigeración del refrigerador criogénico subsiguiente. El gas
pulsatorio del regenerador 20 pasa de vuelta a la válvula 15 y por
el conducto 19 de aspiración al compresor 1.
Las prestaciones del refrigerador criogénico se
pueden degradar con el tiempo debido a la contaminación del gas de
trabajo y a la congelación de los contaminantes dentro del
refrigerador criogénico. La monitorización de la concentración de
contaminantes dentro del refrigerador criogénico no sirve porque los
contaminantes se congelarán saliendo del gas de trabajo dentro del
refrigerador criogénico. Esta invención implica el reconocimiento
de que la monitorización válida de la concentración de
contaminantes tiene lugar aguas arriba del regenerador del
refrigerador criogénico, y además, la velocidad de cambio de la
concentración de contaminantes, no meramente la concentración de
contaminantes, permite determinar con precisión un tiempo de
servicio para asegurarse una intervención a tiempo y dar servicio
al refrigerador criogénico antes de que falle el refrigerador
criogénico en proporcionar la refrigeración mínima necesaria para
la aplicación.
La concentración de contaminantes se monitoriza
después del filtro final, es decir, aguas abajo del filtro 4 en el
sistema ilustrado en la Figura 1, pero aguas arriba del
regenerador. La monitorización de la concentración de contaminantes
puede estar entre el filtro 4 y la válvula 15 de modulación de
frecuencia, o puede estar entre la válvula 15 de modulación de
frecuencia y el regenerador 20. Se podría monitorizar todos los
contaminantes usando un cromatógrafo de gases o un detector de
infrarrojos adecuado. Por ejemplo, los resultados de un
cromatógrafo de gases calibrado proporcionarán unos niveles de
contaminación cuantitativos. Las técnicas de detección por
infrarrojos y de detección catalítica se podrían usar para
determinar los niveles de hidrocarburos y de hidrógeno. Se podría
medir los niveles de oxígeno por métodos electrolíticos. También se
podría usar técnicas de detección por infrarrojos para las
mediciones de dióxido de carbono y de humedad. Se puede medir la
humedad también por un transductor capacitivo y por técnicas
electroquímicas.
La invención utiliza las tendencias del nivel de
contaminantes como un instrumento de diagnóstico. La refrigeración
disponible de un sistema de refrigerador criogénico se degrada con
el tiempo. La velocidad de degradación podría ser diferente en
función de las causas en juego. Se espera que los refrigeradores
criogénicos tengan refrigerantes en (a) forma de vapor, (b) gotitas
de líquido y (c) forma de partículas. Los dispositivos contadores
de partículas podrían medir los niveles de partículas y de gotitas
de líquido dentro del fluido de trabajo. Las especies de vapor
tales como los gases del aire atmosférico, el hidrógeno y los
hidrocarburos se miden usando dispositivos que utilizan diversas
técnicas tales como la electroquímica, los cromatógrafos de gases,
los infrarrojos, etc. En la mayoría de las técnicas se pierde la
muestra de gas de trabajo ensayada, de tal manera que las mediciones
deben ser de manera intermitente.
Si no existe contaminante nuevo alguno que entre
en el refrigerador criogénico, disminuirá el nivel de contaminantes
dentro del fluido de trabajo en el extremo caliente a partir de su
nivel inicial debido a la congelación de alguno de los
contaminantes, lo cual se representan en forma gráfica en la Figura
2 -esto se podría denominar gráfico de contaminantes de línea de
base. Cualquier aumento en el nivel de contaminantes en cualquier
momento dado a partir de esta tendencia impactaría de forma negativa
en la vida útil del refrigerador criogénico y en sus prestaciones.
Por ejemplo, si el nivel de contaminantes es considerablemente más
alto para un refrigerador criogénico recién cargado, se puede
evacuar y recargar el refrigerador criogénico. Si los niveles de
contaminación iniciales son comparables al caso de línea de base,
entonces no es necesaria acción alguna.
Supongamos que el refrigerador criogénico bajo
su carga de diseño funciona a una temperatura T_{c} y la
temperatura máxima que se podría tolerar para el funcionamiento de
un sistema de superconductividad fuera T_{h}; entonces se puede
definir que la ventana de funcionamiento del refrigerador criogénico
está entre T_{c} y T_{h}.
En un refrigerador criogénico, conforme
disminuye el nivel de contaminantes dentro del fluido de trabajo,
es decir congelándose los contaminantes existentes como se muestra
en la Figura 3, la temperatura del refrigerador criogénico tenderá a
aumentar. Se puede establecer una correlación entre el nivel de
contaminantes y la temperatura para predecir el tiempo de servicio,
\Deltat_{service}, de la manera siguiente:
Para un tiempo t dado designado como t*, es
decir, para t = t*, tenemos:
T* = T_{c} +
0,20 *
(T_{h}-T_{c})
en la que T* es la temperatura
máxima permisible del refrigerador criogénico en el tiempo t*;
T_{c} es la temperatura el refrigerador criogénico bajo su carga
de diseño, T_{h} es la temperatura máxima tolerable para el
funcionamiento de un sistema de superconductividad, y el factor
0,20 es un factor de seguridad que expresa que el aumento de
temperatura desde T_{c} hasta T_{h} nunca pueda ser superior a
un determinado porcentaje, establecido en este caso como un 20%
(por
ejemplo).
Entonces, cuando la temperatura del
intercambiador de calor frío aumenta en un cierto porcentaje de la
ventana de temperaturas admisibles (según este ejemplo, el 20%),
entonces existirán tres posibles tendencias de los niveles de
contaminación, es decir, tres posibilidades para la velocidad de
cambio de la concentración de contaminantes ("dC") con el
tiempo ("dt"), o lo que es lo mismo dC/dt:
- Caso I:
- dC/dt = 0
- Caso II:
- dC/dt < 0
- Caso III:
- dC/dt > 0
Para el caso I casi todos los contaminantes
están ya congelados y así se espera que este refrigerador
criogénico dé sus prestaciones durante un intervalo de tiempo
indefinido. Para el caso II, los contaminantes todavía se están
congelando y así se espera que las prestaciones del refrigerador
criogénico se deterioren adicionalmente. Para el caso III, existe
una nueva contaminación que se está introduciendo en el
refrigerador criogénico, y se debería dar servicio al refrigerador
criogénico rápidamente.
Uno de los principales problemas con los
actuales refrigeradores criogénicos accionados por compresores en
baño de aceite es el fallo del sistema de separación de aceite. Si
el aceite en forma de partículas o de vapores de hidrocarburos pasa
el sistema de separación de aceite, entonces aumenta el nivel de
contaminantes o permanece a un nivel elevado, como se verá a
continuación. Si un contaminante rompiera el sistema pasando a
través del mismo y se introdujera todavía, el gráfico del nivel de
contaminantes puede mostrar las tendencias siguientes en el caso de
que se introduzca un contaminante adicional en el sistema en un
momento t_{1}, y el nivel continuara aumentando (Figura 5) o se
estabilizase en la asíntota superior (Figura 4). Si este fuera el
caso, entonces se podría esperar que el refrigerador criogénico
fallara en algún momento. Se podría deducir el valor de la
acumulación de contaminantes dentro de la cabeza fría usando la
velocidad inicial de aumento de contaminantes en el momento
t_{1}, en el cual se introducen en el sistema contaminantes
adicionales. Esta velocidad inicial se puede expresar como:
donde "m" es el nivel de
contaminantes, y por tanto dm/dt es la velocidad de cambio del
nivel de contaminantes con el tiempo. Usando los datos históricos de
los refrigeradores criogénicos en servicio, se puede determinar el
nivel total de: contaminantes permisible, que viene representado
por m_{Total \ Allowed}. Entonces, el tiempo de servicio previsto
\Deltat_{service} puede calcularse dividiendo m_{Total \
Allowed} por <dm/dt>_{Initial}, dando lugar a la siguiente
fórmula:
Si éste tiempo de servicio es inferior a un
valor predeterminado, el refrigerador criogénico debe ser
intervenido inmediatamente.
Por otro lado, si un contaminante perforara el
sistema pasando a través del mismo en una ocasión y no se
introdujera de manera continua, el gráfico del nivel de
contaminantes puede mostrar la tendencia siguiente a un aumento a
partir de su línea de base en un momento t_{1} y a un descenso
subsiguiente a una asíntota inferior (Figura 6). En este caso, no
se requiere acción alguna.
Se puede usar el nivel de contaminantes en el
fluido de trabajo como una instrumento de diagnóstico conjuntamente
con la temperatura de refrigeración. La acumulación de
contaminantes afectará adversamente a esta temperatura como se
muestra en la Figura 7, que muestra el efecto de la migración de
contaminantes desde el extremo frío del regenerador (1) al
intercambiador de calor frío (2) y finalmente al enderezador de
flujo (3) en el extremo frío del tubo amortiguador del refrigerador
criogénico. La velocidad del cambio de temperatura promediada a lo
largo del tiempo será diferente para los distintos emplazamientos y
cantidades de contaminantes que se congelan.
Aunque se ha descrito la invención en detalle
haciendo referencia a algunas realizaciones preferidas, los
expertos en la técnica reconocerán que existen otras realizaciones
de la invención dentro del espíritu y del objeto de las
reivindicaciones.
Claims (6)
1. Un método para operar un refrigerador
criogénico que comprende:
(A) comprimir un gas de trabajo usando un
compresor y hacer pasar el gas de trabajo a un refrigerador
criogénico que tiene un regenerador en comunicación de flujo con un
tubo amortiguador térmico;
(B) monitorizar la concentración de
contaminantes del gas de trabajo entre el compresor y el
regenerador del refrigerador criogénico para determinar la velocidad
de cambio de la concentración de contaminantes en el gas de
trabajo;
(C) emplear el valor determinado de la velocidad
de cambio de la concentración de contaminantes en el gas de trabajo
para calcular un tiempo de servicio; y
(D) dar servicio al refrigerador criogénico si
el tiempo de servicio calculado es menor que un valor
predeterminado.
2. El método de la reivindicación 1, en el que
el gas de trabajo pasa a través de una válvula de modulación de
frecuencia entre el compresor y el regenerador, y la monitorización
de la concentración de contaminantes tiene lugar entre el compresor
y la válvula de modulación de frecuencia.
3. El método de la reivindicación 1, en el que
el gas de trabajo pasa a través de una válvula de modulación de
frecuencia entre el compresor y el regenerador, y la monitorización
de la concentración de contaminantes tiene lugar entre la válvula de
modulación de frecuencia y el regenerador.
4. El método de la reivindicación 1, en el que
el gas de trabajo pasa a través de un filtro entre el compresor y
el regenerador, y la monitorización de la concentración de
contaminantes tiene lugar entre el filtro y el regenerador.
5. El método de la reivindicación 1, en el que
el gas de trabajo pasa a través de un filtro y una válvula de
modulación de frecuencia entre el compresor y el regenerador, y la
monitorización de la concentración de contaminantes tiene lugar
entre el filtro y la válvula de modulación de frecuencia.
6. El método de la reivindicación 1, en el que
el gas de trabajo pasa a través de una pluralidad de filtros entre
el compresor y el regenerador, y la monitorización de la
concentración de contaminantes tiene lugar después de la pluralidad
de filtros.
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