BR112019014111B1 - Dispositivo e método para determinar a qualidade de isolamento térmico de recipientes isolados a vácuo de parede dupla - Google Patents

Abstract

A presente invenção refere-se a um recipiente (30, 40) isolado a vácuo, de parede dupla, que tem uma parede externa (1), uma parede interna (3) e uma câmara de vácuo (5), na qual um dispositivo de isolamento térmico (2, 20) está disposto. Pelo menos três sensores de temperatura (13,13a,13b, 14, 15) distanciados um do outro detectam temperaturas (T1, T2, T2A, T2B, T3) recorrentemente momentâneas. Pelo menos em alguns pontos, uma linha de temperatura é calculada com o uso de um modelo de transferência de calor, com base nas propriedades de construção e material do recipiente e na condução de calor resultante, linha de temperatura essa que contém pelo menos duas das temperaturas detectadas (T1, T2, T2A, T2B, T3). A partir da linha de temperatura um valor teórico de temperatura para a posição de pelo menos outro dos sensores de temperatura é calculado e comparado com o valor real de temperatura detectado por esse sensor de temperatura. A partir do desvio entre o valor teórico de temperatura e o valor real de temperatura detecta-se uma alteração da qualidade de isolamento térmico do recipiente.

Description

[0001] A presente invenção refere-se a um dispositivo e a um método para determinar a qualidade de isolamento térmico de recipientes isolados a vácuo de parede dupla.

[0002] A qualidade de isolamento de recipientes de parede dupla, isolados a vácuo depende, por um lado, consideravelmente da qualidade do vácuo. A pressão de vácuo aumenta gradualmente através - no decurso de meses ou anos - através de gases de escape dos materiais e superfícies envolvidos e/ou através da difusão através das paredes vedantes. Em consequência de defeitos mecânicos, como por exemplo, fendas capilares ou danos graves, a pressão de vácuo pode aumentar muito rapidamente também. Se a pressão de vácuo sobe acima de um certo valor limite, então isto leva a uma maior entrada de calor através do isolamento de vácuo e, consequentemente, prejudica a qualidade de isolamento. Através de recente bombeamento em vazio do espaço de vácuo a qualidade de isolamento pode ser restabelecida. O bombeamento em vazio, porém, é dispendioso e demorado.

[0003] Por outro lado, a qualidade de isolamento depende da construção sem distúrbios do superisolamento. Como exemplo simples serve uma blindagem de isolamento térmico individual, cuja função primária é impedir radiação de calor, pelo que se emprega também, para isso, o conceito "blindagem de isolamento térmico". Na descrição seguinte, em vez dos conceitos "blindagem contra isolamento térmico" ou "blindagem contra radiação térmica", às vezes se empregará o conceito abreviado "blindagem"; todas as três designações têm o mesmo significado empregado aqui. A blindagem contra radiação térmica está fixada entre parede interna (tanque interno) e parede externa (recipiente externo) de tal modo, que, à parte a suspensão da blindagem, não há nenhum contato direto entre blindagem contra radiação térmica e recipiente externo ou entre blindagem contra radiação térmica e tanque interno. Tal contato direto prejudicaria a qualidade de isolamento - dependendo da área de contato - em consequência da condução de calor direta adicional entre a blindagem contra radiação térmica e a respectiva parede. O mesmo vale para isolamentos de várias camadas (multi-layer insulation - MLI), os quais estão construídos de uma pluralidade de folhas de alumínio e esteiras de fibras intercaladas (ou materiais semelhantes com baixo valor de condução térmica). A qualidade de isolamento efetiva depende, entre outras coisas, consideravelmente da densidade de camada, isto é, com que força as camadas individuais são comprimidas uma contra a outra. Esta força influencia a condução de calor entre as camadas e, consequentemente, a corrente térmica total na direção da parede interna fria em comparação com a parede externa. Se essa força - também apenas local - for aumentada através de deformação, por exemplo, do recipiente externo, a entrada de calor aumenta.

[0004] A seguir o problema levantado pela invenção é esclarecido com o exemplo de crio recipientes. Crio recipientes servem para armazenamento e transporte de gases liquefeitos profundamente frios a temperaturas de -120°C e inferiores. Crio recipientes são construídos a partir de um recipiente externo e um tanque interno. O tanque interno está fixado no recipiente externo através de uma suspensão de tanque interno. Tubulações para enchimento e retirada do gás liquefeito vão do tanque interno ao recipiente externo através do espaço de isolamento de vácuo. Recipientes externos e tanque interno não tocam um no outro. O espaço intermediário (câmara de vácuo) entre recipiente externo e tanque interno é evacuado. Na câmara de vácuo é instalado adicionalmente um isolamento térmico, o qual compreende uma ou várias proteções de radiação térmica, as quais reduzem a entrada de calor provocada através da radiação térmica. O efeito de isolamento ótimo das proteções de radiação térmica é alcançado, quando a pressão de vácuo é inferior a 10-4 mbar, uma vez que a partir desta pressão a transmissão de calor através das moléculas livres restantes (gás residual) é desprezível. Se a pressão sobe acima deste valor, a transferência de calor através do gás residual aumenta até a formação de convecção e, consequentemente, a considerável entrada de calor, a qual pode elevar as perdas de armazenamento de crio recipientes até sua inutilidade.

[0005] Para medição de pressões de vácuo na faixa de ordens de grandeza em torno de 10-4 mbar, são necessários sensores e unidades de avaliação sensíveis e caros, como por exemplo, medidores de vácuo Pirani, os quais podem ser empregados até a pressões mínimas de 104, ou medidores de vácuo de ionização, os quais são empregados para determinação de pressão na faixa de vácuo alto e ultra-alto, isto é cerca de 10-3 a 10-12 mbar. O princípio de medidor de vácuo de ionização baseia-se em uma medição de pressão indireta por meio de grandezas elétricas, as quais são proporcionais às partículas de gás residual com as densidades de número de partículas. Para isto o gás residual precisa ser ionizado, para o que existem diversas possibilidades de transformação: medidores de vácuo de ionização com cátodos frios e medidores de vácuo de ionização com cátodos incandescentes.

[0006] Estes métodos de medição, porém, são caros e especialmente inadequados para o uso em aplicações móveis, como por exemplo, tanques de gás líquido, especialmente tanques de combustível de gás líquido (Liquid Natural Gas (LNG) Kraftstofftanks).

[0007] A presente invenção utiliza a linha de temperatura (várias temperaturas) em pontos de medição selecionados do recipiente de parede dupla e/ou no recipiente de parede dupla (por exemplo, pontos de medição em camadas de isolamento térmico de um isolamento de camadas múltiplas, em proteções de radiação térmica, na parede interna e/ou na parede externa) como grandeza de medição para detecção de uma alteração das correntes de calor através do isolamento de vácuo de recipientes isolados a vácuo de parede dupla. A alteração da corrente de calor (via de regra, uma elevação) pode ser consequência de: - um contato físico adicional e/ou aumentado (através de pressão de contato aumentada) entre um dos recipientes e uma blindagem contra radiação térmica ou uma ou várias camadas de um isolamento de camadas múltiplas; - uma variação da pressão de vácuo; e/ou - uma variação de propriedades de radiação térmica das superfícies ativas, por exemplo, através de desgaste (durante a vida útil).

[0008] No documento JP 2006-078190 A está descrito um sistema em que, em uma câmara de vácuo formada entre uma parede externa e uma parede interna, está disposto um sensor de temperatura, o qual não toca nenhuma das duas paredes. O sensor de temperatura pode estar enrolado em uma folha de isolamento térmico de camadas múltiplas. Esse sistema é empregado de tal modo, que inicialmente as temperaturas da parede externa e da parede interna são medidas em um vácuo intacto da câmara de vácuo ou podem ser consideradas fixas, por exemplo temperatura do recinto na parede externa e -196°C (= temperatura de ebulição de nitrogênio) na parede interna, a qual forma um recipiente de nitrogênio, e simultaneamente com o sensor de temperatura é medida a temperatura na câmara de vácuo, a qual é fixada como temperatura de referência. Na operação corrente ocorrem outras medições de temperatura com o sensor de temperatura, sendo que a temperatura de parede externa e parede interna tem que permanecer constante, sendo que uma perda de vácuo (elevação de pressão) no recipiente de vácuo é determinada através de comparação da temperatura de referência com a temperatura medida atualmente pelo sensor de temperatura. Da descrição deste documento depreende- se que uma elevação da temperatura no recipiente de vácuo é interpretada como aumento de temperatura. De maneira ótima, no sistema conhecido está previsto adicionalmente um dispositivo para detecção da ocorrência de uma anormalidade na carga térmica, sendo que, no caso do dispositivo de detecção, não se trata do sensor de temperatura. Em vez disso, o dispositivo de detecção pode ser um dispositivo estabilizador de temperatura, no qual é detectado se ele tem que aplicar repentinamente mais energia do que o normal para estabilização de temperatura do espaço interno formado na parede interna. Como exemplo de realização alternativo de tal dispositivo de detecção, a detecção da quantidade de nitrogênio vaporizado a partir de um recipiente de nitrogênio disposto no espaço interno é mencionada com nitrogênio líquido. Uma elevação da quantidade de vaporização é interpretada como anormalidade. Com este dispositivo de detecção deve-se monitorar a ocorrência de problemas com um sistema de resfriamento de cabo supracondutor ou com um dispositivo disposto no recipiente de nitrogênio. Obviamente anormalidades causadas externamente não são levadas em consideração. Portanto, este sistema de monitoramento só é adequado para aplicações restritas, nas quais se pode partir do princípio a temperatura externa não se altera e não ocorrem perturbações causadas externamente. As aplicações restritas divulgadas compreendem um recipiente com nitrogênio líquido, no qual aparelhos de laboratório estão instalados, ou sistemas de resfriamento de cabo supracondutor, os quais estão previstos estacionários em espaços. O sistema de monitoramento conhecido, porém, é inadequado para aplicações em que a temperatura externa pode variar ou - falando de modo mais geral - os parâmetros ambientes são variáveis. Tais parâmetros ambientes variáveis estão presentes especialmente em veículos que estão sujeitos a temperaturas variáveis, condições meteorológicas variáveis e cargas mecânicas dinâmicas. Especialmente o sistema conhecido é totalmente inadequado para o monitoramento de tanques de gás líquido em veículos.

[0009] A presente invenção supera as restrições e desvantagens do estado da técnica através da provisão de um dispositivo e de um método para determinação da qualidade de isolamento térmico de um recipiente isolado a vácuo de parede dupla com as características da reivindicação 1 ou da reivindicação 13.

[0010] Outras vantagens e características da invenção resultam das reivindicações dependentes e da seguinte descrição de exemplos de realização.

[0011] O dispositivo de acordo com a invenção serve para determinação da qualidade de isolamento térmico de um recipiente isolado a vácuo de parede dupla, sendo que o recipiente apesenta uma parede externa voltada para o ambiente e uma parede interna definindo um tanque interno, sendo que entre a parede externa e a parede interna do recipiente de parede dupla está configurado como câmara de vácuo, na qual pelo menos um dispositivo de isolamento térmico está disposto. No recipiente ou dentro do recipiente estão dispostos pelo menos três sensores de temperatura distanciados um do outro, os quais detectam temperaturas recorrentes do recipiente, sendo que as posições dos sensores de temperatura estão escolhidas dentre posições na parede externa, na parede interna e/ou no dispositivo de isolamento térmico. Uma unidade de avaliação equipada com uma unidade de cálculos e uma unidade de armazenamento recebe as temperaturas detectadas pelos sensores de temperatura. Na unidade de avaliação está armazenado, preferivelmente em camadas, um modelo de transferência de calor baseado nas propriedades de construção e de material do recipiente e na radiação de calor resultante. A unidade de avaliação está configurada para calcular, a partir do modelo de transferência de calor, pelo menos em alguns pontos, uma linha de temperatura que contenha pelo menos duas das temperaturas detectadas pelos sensores de temperatura e, a partir da linha de temperatura, calcular um valor teórico de temperatura para a posição de pelo menos outro dos sensores de temperatura e comparar com o valor real de temperatura detectado por esse sensor de temperatura e, a partir do desvio entre o valor teórico de temperatura e o valor real de temperatura, detectar uma alteração da qualidade de isolamento térmico do recipiente, quando o desvio ultrapassar um valor limite. Preferivelmente o modelo de transferência de calor do recipiente leva em consideração também a condução térmica que resulta das propriedades de construção e material do recipiente.

[0012] O modelo de transferência de calor pode ser alcançado com o auxílio das equações indicadas na descrição seguinte. O desenho do recipiente, isto é, os materiais do recipiente, suas propriedades, os pontos de ligação e a geometria do recipiente são conhecidos de antemão e possibilitam a elaboração preliminar do modelo de transferência de calor, o qual é armazenado na memória da unidade de avaliação com sua elaboração. Alternativamente, porém, em virtude do alto dispêndio de cálculos, não preferivelmente, dados de desenho do recipiente podem ser armazenados também na unidade de avaliação e a unidade de avaliação pode calcular o modelo de transferência a partir desses dados de desenho. O modelo de transferência de calor é preferivelmente um modelo de camadas.

[0013] Radiação térmica é proporcional à quarta potência da temperatura (T4), enquanto que a condução de calor em sólido e a condução de calor em gás residual são substancialmente proporcionais à primeira potência da temperatura (T1).

[0014] De modo correspondentemente nítido as linhas de temperatura / as temperaturas distinguem-se no caso de composições diferentes das percentagens dos tipos de transferência térmica individuais, e este efeito é utilizado para determinação de acordo com a invenção da qualidade de isolamento térmico de um recipiente isolado a vácuo de parede dupla.

[0015] A invenção é esclarecida mais detalhadamente com o auxílio de exemplos de realização com referência aos desenhos.

[0016] A figura 1 mostra, esquematicamente em corte longitudinal, um crio recipiente com um dispositivo de acordo com a invenção para determinação da qualidade de isolamento térmico desse recipiente isolado a vácuo de parede dupla.

[0017] As figuras 2 a 5 mostram digramas de caminho de temperatura, os quais ilustram a influência das temperaturas reinantes na parede externa e na parede interna do crio recipiente sobre a temperatura de uma blindagem de isolamento térmico com vácuo intacto.

[0018] A figura 6 mostra um diagrama de caminho de temperatura com uma temperatura externa constante na parede externa e uma temperatura de tanque interno constante na parede interna do crio recipiente, com degradação de pressão de vácuo na câmara de vácuo.

[0019] A figura 7 mostra, esquematicamente em corte transversal, outra modalidade de um crio recipiente com um dispositivo de acordo com a invenção para determinação da qualidade de isolamento térmico desse recipiente isolado a vácuo de parede dupla.

[0020] A figura 1 mostra um crio recipiente 30 de acordo com a invenção esquematicamente em corte longitudinal. O crio recipiente 30 está realizado como recipiente de parede dupla, com uma parede externa 1, a qual define um recipiente externo e um tanque interno definido através de uma parede interna 3, disposto no recipiente externo. O espaço intermediário entre a parede externa e a parede interna forma uma câmara de vácuo 5, a qual é evacuada antes da entrada em operação do crio recipiente 30. O tanque interno está configurado para recepção de gás liquefeito 6 e apresenta para isso uma linha tubular 8 que vai do espaço interno 7 do tanque interno através da câmara de vácuo 5 e da parede externa 1. O nível de enchimento 16 do gás liquefeito 6 pode ser medido com um medidor de nível de enchimento 17, cujo sinal é alimentado a uma unidade de avaliação esclarecido mais detalhadamente abaixo. O tanque interno está fixado no recipiente externo por meio de uma suspensão, a qual compreende uma primeira haste 10 que liga rigidamente a parede externa 1 e a parede interna 3, preferivelmente de material mal condutor de calor, e compreende uma segunda haste 11 disposta oposta à primeira haste 10, a qual está montada fixamente na parede interna 3 e está apoiada em um mancal deslizante 12 de maneira deslocável axialmente, o qual está fixado na parede externa 1. A parede externa e a parede interna 3 do crio recipiente 30 não têm nenhum contato direto entre si através desta suspensão. A parede interna 3 está circundada por pelo menos uma blindagem de isolamento térmico 2 disposta na câmara de vácuo 5, sendo que a dite pelo menos uma blindagem de isolamento térmico 2 está suspensa na parede externa 1 por meio de hastes de fixação 9 de material mal condutor de calor. Como alternativa às hastes de fixação 9, a dita pelo menos uma blindagem de isolamento térmico 2 pode ser fixada também adiabaticamente nas hastes 10, 11. Um sensor de temperatura 13 está instalado na blindagem de isolamento térmico 2, a qual mede, de maneira recorrente, a temperatura T2 da blindagem de isolamento térmico 2. Pelo menos dois outros sensores de temperatura 15,1 4 medem, de modo recorrente, a temperatura T1 da parede externa 1 (por meio de sensor de temperatura 15) e/ou a temperatura T3 na parede interna 3 (por meio de sensor de temperatura 14) e/ou a temperatura na dita pelo menos outra blindagem de isolamento térmico (não representado nesta figura). Alternativamente a uma ou várias proteções de isolamento térmico 2, pode estar previsto um isolamento de camadas múltiplas (MLI) (vide figura 7), o qual compreende várias camadas compostas de uma folha metálica, por exemplo, folha de alumínio, e um material de isolamento térmico, por exemplo, material fibroso ou material de espuma. As camadas compostas podem estar dispostas, de preferência concentricamente, em torno da parede interna, ou configuradas como carretel com vários enrolamentos. Em tal modalidade, em pelo menos uma camada composta do isolamento de camadas múltiplas, está disposto um sensor de temperatura. Os sinais de temperatura dos sensores de temperatura 13, 14, 15 estão alimentados a uma unidade de avaliação 18, a qual - se houver - recebe também os sinais do medidor de nível de enchimento 17. Complementar ou alternativamente a um sensor de temperatura 14 na parede interna 3, no espaço interno 7 pode estar disposto um sensor de pressão 19, cujos sinais de pressão são alimentados à unidade de avaliação 18. A partir dos valores de pressão no espaço interno 7 pode ser calculada a temperatura do gás líquido 6 no espaço interno, como será esclarecido detalhadamente mais adiante, e daí a temperatura da parede interna 3 pode ser derivada. Em vez do sensor de temperatura 15 na parede externa 1 a temperatura pode ser absorvida por um termômetro ambiente (por exemplo, termômetro externo de veículo) aproximadamente como temperatura da parede externa 1. Tais termômetros ambientes são padrão em veículos. Porém, é considerado que nesse caso a exatidão do método inventivo é reduzida. A transmissão dos sinais dos sensores de temperatura 13, 14, 15 do medidor de nível de enchimento 17 e do sensor de pressão 19 pode ocorrer sem fio ou com ligação por fio à unidade de avaliação 18. No caso de linha de fio os fios podem ocorrer, por exemplo, ao longo da haste 10, das hastes de fixação 9 ou do tubo 8, ou pode estar configurada uma guia de cabo dedicada no crio recipiente 30.

[0021] A temperatura das proteções de isolamento térmico ou do isolamento de camadas múltiplas depende: - dos graus de emissão das superfícies: a saber, do lado interno da parede externa, da respectiva blindagem (lado externo e lado interno) e do lado externo da parede interna; - do número e do tamanho das rupturas ou outras aberturas (perturbações) nas proteções; - da condução de calor de corpo sólido através das pontes de calor condicionadas pela construção para as/das proteções para componentes adjacentes, como por exemplo, a parede interna, a parede externa, as tubulações, etc.; - a condução de calor de corpo sólido através de pontes de calor (imprevistas, por exemplo, resultantes de efeito mecânico) para as/das proteções para componentes adjacentes; - da condução de calor de gás residual, a qual depende da pressão de vácuo.

[0022] A unidade de avaliação 18 do dispositivo 30 de acordo com a invenção está configurada para, a partir de pelo menos dois sinais de temperatura emitidos pelos ditos pelo menos três sensores de temperatura 13, 14, 15 distanciados um do outro, apresentam uma linha de temperatura com base em transferência de calor através de radiação térmica, a qual contém as ditas pelo menos duas temperaturas, e relacioná-los a pelo menos a terceira temperatura determinada e assim concluir sobre a pressão de vácuo na câmara de vácuo 5 ou eventualmente reconhecer danos na parede externa 1 e/ou parede interna 3. Radiação térmica é proporcional à quarta potência da temperatura (T4), enquanto que a condução térmica de corpo sólido e a condução térmica de gás residual são proporcionais à terceira potência da temperatura (T1). De maneira correspondentemente nítida as linhas de temperatura se distinguem com base na radiação térmica de linhas de temperatura com base na condução de calor de corpo sólido e/ou condução de calor de gás residual. Linhas de temperatura baseadas em radiação térmica têm uma linha encurvada, enquanto que linhas de temperatura baseadas em condução de calor de corpo sólido e em condução de calor de gás residual seguem substancialmente uma reta.

[0023] A seguir, com o auxílio das temperaturas medidas de maneira recorrente na parede externa 1, uma blindagem de isolamento térmico 2 e na parede interna 3 do crio recipiente 30, é esclarecido como a quantidade de calor é determinada, de acordo com a invenção, no tanque interno definido pela parede interna 3 e assim se conclui sobre a pressão de vácuo na câmara de vácuo 5 ou eventualmente se reconhecem danos na parede externa 1 e/ou na parece interna 3. Para melhor entendimento faz-se referência ao diagrama temperatura/caminho das linhas de temperatura representadas nas figuras 2 a 5, as quais mostram as respectivas temperaturas medidas na parede externa 1, na blindagem de isolamento térmico 2 e na parede interna 3. Deve-se mencionar que os princípios de medição e avaliação de acordo com a invenção esclarecidos a seguir têm também validade quando uma das temperaturas é medida em outra blindagem de isolamento térmico em vez de na parede externa 1 ou na parede interna 3. É possível também e, em relação à exatidão da avaliação, recomendado empregar mais de três temperaturas para a medição.

[0024] Os diagramas das figuras 2 a 5 mostram a influência das temperaturas reinantes na parede externa 1 e na parede interna 3 sobre a temperatura da blindagem de isolamento térmico 2 em vácuo intacto na câmara de vácuo 5. A figura 2 mostra linhas de temperatura em temperatura externa constante e temperaturas do tanque interno variadas. A figura 3 mostra linhas de temperatura em temperatura de tanque interno constantes e temperaturas externas variadas. A figura 4 mostra linhas de temperatura em uma combinação das temperaturas externas mais altas com a temperatura de tanque interno mais alta e vice-versa. A figura 5 mostra linhas de temperatura em combinação da temperatura externa mais alta com a temperatura de tanque interno mais baixa e vice-versa.

[0025] A temperatura externa na aplicação automotiva do crio recipiente criotanque isolado a vácuo, de parede dupla, é esperada (projetada), via de regra, entre -40°C (243K) e +65°C; a alta temperatura é alcançada com irradiação solar sobre o crio recipiente. A temperatura de tanque interno é determinada pela pressão de armazenamento, porque líquidos criogênicos são armazenados como líquidos ferventes e a temperatura de ebulição é dependente da pressão, vide Tabela 1 seguinte. Tabela 1: Temperatura de ebulição de metano dependente da pressão.

[0026] Como a pressão de armazenamento em crio recipiente (criotanque) - recipiente aberto, recipiente fechado - pode variar dependendo do tipo de operação, é de esperar uma alteração correspondente da temperatura de tanque interno. Na operação real a temperatura de tanque interno efetiva pode desviar da temperatura de ebulição teórica, dependendo do tamanho do recipiente, em consequência de desvios do estado de equilíbrio termodinâmico ideal. Assim a possibilidade de avaliação não é reduzida consideravelmente na força declarada.

[0027] A figura 6 mostra um diagrama temperatura-caminho com uma temperatura externa constante na parede externa 1 e na temperatura de tanque interno constante na parede interna 3, com degradação de pressão de vácuo na câmara de vácuo, representada através de um fator que é proporcional à transferência de calor através de condução térmica de gás residual (RGL). Um fator RGL de 0,4 (pontos de medição representado como quadrado □) representa um vácuo intato na câmara de vácuo 5, no qual a transferência de calor através da linha térmica de gás residual é pequena. Um fator RGL de 3,6 (pontos de medição representados como círculo o) representa um vácuo prejudicado na câmara de vácuo 5, e um fator RGL de 15 (pontos de medição representados como triângulo ▲) representa um vácuo consideravelmente prejudicado.

[0028] A figura 6 mostra a influência de transferência de calor crescente (adicionalmente à transferência de calor existente através de radiação) através de condução de calor de gás residual (mesmo quando o regime de transferência varia até a convecção com percentagem crescente). A temperatura de blindagem baixa (!) com vácuo degradado de 248 K em um fator RGL de 0,4 para 220 K em fator RGL de 15. Com condições de ambiente constante pode-se ler, na temperatura de blindagem com boa qualidade de sinal, uma alteração da pressão de vácuo. Contra a expectativa intuitiva e das opiniões de técnicos no assunto no estado da técnica divulgado, porém, a temperatura de blindagem não sobe com qualidade de vácuo piorada, mas sim baixa (!) e nitidamente. A razão está na qualidade proporcional distinta dos tipos de transferência de calor distintos em relação à (diferença de) temperatura. A temperatura de blindagem se ajusta em uma temperatura à qual a corrente de calor Q12 da parede externa 1 para a blindagem 2 é igual à corrente de calor Q23 da blindagem 2 para a parede interna 3, isto promove a continuidade. Radiação térmica pura segue a diferença da quarta potência da temperatura, enquanto que condução de calor de gás residual ou condução de calor segue a diferença da temperatura (primeira potência, linear). Com radiação térmica nitidamente dominante, conclui-se que a diferença de temperatura entre parede externa 1 e blindagem 2 é nitidamente menor do que entre blindagem 2 e tanque interno 3.

[0029] Se for acrescentado um componente linear (condução térmica de gás residual, condução térmica), a temperatura de blindagem baixa no caso extremo para a média aritmética da temperatura externa e da temperatura interna.

[0030] Uma elevação da temperatura de blindagem só é possível na medida em que uma corrente de calor adicional da parede externa para a blindagem for acrescentada, isto é, por exemplo, quando através de uma amolgadura na parede externa ocorre tal contato físico. Segue- se que o calor adicional é transferido de fora para o tanque interno, sendo que não ocorre nenhuma alteração da composição de radiação e eventualmente outras correntes de calor (como por exemplo, suspensões de blindagem existente, entre outras coisas). Portanto, a diferença de temperatura tem que aumentar, isto é, a temperatura de blindagem tem que subir. (A temperatura interna é determinada através do ponto de ebulição dependente de pressão do gás armazenado).

[0031] Em virtude das outras regiões, dentro das quais as temperaturas da parede externa e do tanque interno podem movimentar-se, não é possível detectar, apenas com base na temperatura de blindagem, uma piora do vácuo ou da qualidade de isolamento. Uma interpretação das temperaturas medidas é possível somente com o auxílio de um cálculo ou aproximação que leve em conta os tipos de transferência de calor responsáveis.

[0032] De acordo com os conhecimentos descritos acima e o conhecimento do contexto, é possível agora detectar distintos casos de danos ou realizar testes de plausibilidade adicionais.

[0033] A avaliação das temperaturas medidas possibilita também uma conclusão sobre a pressão de vácuo. A partir de medições com dissintas pressões de vácuo é conhecida a temperatura de blindagem em função da pressão de vácuo. Ao mesmo tempo a temperatura de blindagem pode ser calculada com o auxílio da descrição teórica das relações físicas e termodinâmicas com distintas pressões de vácuo. A partir da comparação de medições e cálculos os parâmetros necessários podem ser determinados eventualmente mais uma vez com melhor precisão, do que isto é possível apenas baseando-se em valores da literatura. Portanto, - pressupondo-se a avaliação positiva de todos os testes de plausibilidade - com base na temperatura de blindagem pode-se tirar a conclusão sobre a pressão de vácuo. Os esclarecimentos acima são expressos a seguir através de fórmulas físicas: Parede externa 1 ^ Q12 ^ Blindagem 2 ^ Q23 ^ Parede interna 3 Q 12 = radiação 12 + Q transferência de calor 12 + Q condução de calor de gás residual 12 Q12 = Q radiação 23 + Q condução térmica 23 + Condução de calor de gás residual 23 Q12 = Q23 Q radiação 12 = f(T14), T24, ε1, ε2, A1, A2, δ) Q condução de calor 12 = f(T11, T21, À12, L12, A12) ... (lei de Fourier) Q condução de calor de gás residual proporcional a f(prgl. T ) (as equações acima valem analoggamnte para Q23 = Q radiação 23 + Q condução de calor 23 + Q condução de calor de gás residual 23), sendo que: Q... corrente de calor (Q12 da parede externa para a blindagem, Q23 da blindagem para a parede interna) T... temperatura (T1 na parede externa 1, T2 na blindagem, T3 na parede interna) ε ... grau de emissão (ε 1 na parede extrna 1, ε 2 na blindagem 2) ô... constante de Boltzmann A ... área (A1 da parede externa, A2 da blindagem 2) À 12 ... condutividade térmica da suspensão L12 ... 1 / comprimento relevante para condução térmica da suspensão PRGL ... pressão de vácuo

[0034] Este sistema de equação pode ser solucionado de acordo com a presença das temperaturas ou da pressão de vácuo. Faz-se referência a que, com pressões de vácuo de cerca de 10-4 mbar e inferiores, a percentagem do calor transferido através da condução de calor de gás residual é desprezível, isto é, o sistema de isolamento térmico alcançou sua performance teórica. Isso significa também que a temperatura de blindagem T2, com pressões de vácuo igual ou inferior a teste valor limite, não se altera mais. Porém, assim que a pressão de vácuo sobe de tal modo que ocorra uma corrente de calor relevante tecnicamente através da condução de calor de gás residual, isto pode ser percebido na temperatura de blindagem em queda (!). A temperatura de blindagem na região relevante é proporcional à pressão de vácuo. Portanto, nessa região, pode se tirar conclusão sobre a pressão de vácuo também.

[0035] A avaliação é possível com o uso de várias proteções ou isolamentos de camadas múltiplas (MLI) ou combinação de blindagem e isolamento de várias camadas. Nesse caso bastam três temperaturas medidas, via de regra, sendo que a temperatura do recipiente externo não é obrigatoriamente necessária. Basta medir, por exemplo, a temperatura de duas proteções e do tanque interno, uma vez que a partir da composição das correntes de calor e da equação de continuidade juntamente podem ser tiradas conclusões suficientes sobre a observação de valores limites importantes. Enquanto radiação térmica domina como mecanismo de transferência - como isto acontece no caso de um isolamento a vácuo que funcione corretamente - as temperaturas medidas poderão ser encontradas em uma curva característica (mesmo quando no vácuo não há linha de temperatura contínua, mas sim pontos discretos em estruturas circundadas por vácuo e, consequentemente, "livres de temperatura"). Em virtude dessa linha de temperatura no vácuo consistindo em pontos de temperatura discretos é uma aproximação segura unir a curva de temperatura característica por cálculo a partir de pedaços de reta, as quais ligam as respectivas temperaturas de pontos de temperatura discretos adjacentes, sendo que a partir do ângulo α entre respectivas pedaços de reta adjacentes pode-se determinar se a transferência de calor predominante é a radiação térmica com uma curva de temperatura à quarta potência e, consequentemente, a pressão de vácuo é suficientemente baixa, ou se mecanismos de condução de calor lineares têm um papel indesejado, o qual indique defeitos do crio recipiente. A partir da velocidade da alteração do ângulo α resulta proporcionalmente a velocidade da alteração da temperatura nesse ponto discreto, a partir do qual se pode concluir sobre a razão da alteração.

[0036] A avaliação com o auxílio do sistema de equações acima pode levar em consideração igualmente caminhos de condução de calor instalados fixamente, isto é, por exemplo, a condução de calor que flui para as proteções através do sistema de suspensão das proteções. Assim, a condução de calor ou a "construção pronta" pode afluir para a avaliação teórica. Ao mesmo tempo resulta daí, de maneira inversa, a possibilidade de constatar um desvio. Se, por exemplo, a temperatura de blindagem sobe, então isto pode ser causado somente através de uma corrente de calor adicional (não predominante) da parede externa para a blindagem. Uma elevação da pressão de vácuo, porém, influenciaria simultaneamente as correntes de calor em ambos os lados (lado interno e lado externo).

[0037] Portanto, este dispositivo é adequado também para detectar danos mecânicos críticos ao criotanque ou estruturas mecânicas do sistema de isolamento, com o auxílio de outros parâmetros, opcionalmente em combinação com checagens de plausibilidade listadas mais adiante.

[0038] Em vez da medição da temperatura de tanque interno pode- se proceder a avaliação da pressão de tanque interno: como descrito, em função da pressão de armazenamento no tanque interno, a temperatura de ebulição de gases (sustâncias) armazenados aí se altera. Em criotanques, por um lado em função do tamanho do tanque (de poucos litros até mil metros cúbicos em geral), ocorrem desvios do estado de velocidade termodinâmico, isto é, a fase líquida pode ser "sub-resfriada", isto é, a temperatura determinada com base na pressão medida fica alguns graus Kelvin acima da temperatura efetiva.

[0039] No método de enchimento de tanque gera-se uma pressão através de uma bomba, e assim, neste estado de transição, pressão e temperatura estão desacopladas uma da outra. Por exemplo, através de integração do sinal de nível de enchimento na avaliação das temperaturas de parede e temperaturas de blindagem, tal método pode ser reconhecido e interpretado corretamente.

[0040] Durante a retirada (eventualmente também o enchimento) a temperatura de blindagem pode desviar nitidamente da temperatura que se espera no estado de repouso - através de contato involuntário ou construtivamente realizado entre tubulações e isolamento/blindagem. Através do reconhecimento do estado correspondente, as temperaturas de parede e temperaturas de blindagem podem ser interpretadas ainda corretamente.

[0041] Através da velocidade da alteração das temperaturas medidas, casos de danos de funcionalidade intacta são distinguidos. Uma ruptura de vácuo, por exemplo, leva a uma alteração de temperatura muito rápida em comparação com a alteração da temperatura com elevação de pressão lenta no recipiente em consequência, por exemplo de veículo desligado em condições de ambiente/meteorológicas variáveis. Uma comparação das taxas de alteração das respectivas condições serve, portanto, para a interpretação correta das temperaturas de parede e da temperatura de blindagem.

[0042] A figura 7 mostra uma segunda modalidade de um crio recipiente 40 de acordo como a invenção esquematicamente em corte transversal. Como a modalidade representada na figura 1, a modalidade do crio recipiente 40 está construído como recipiente de parede dupla, com uma parede externa 1, a qual define um recipiente externo e com um tanque interno definido através de uma parede interna 3, disposto no recipiente externo. O espaço intermediário entre a parede externa e a parede interna forma uma câmara de vácuo 5, a qual é evacuada antes da entrada em operação do crio recipiente 40. O tanque interno está configurado para recepção de gás liquefeito 6. O nível de enchimento 16 do gás liquefeito 6 pode ser medido com um medidor de nível de enchimento 17, cujo sinal é alimentado à unidade de avaliação. A suspensão do tanque interno no recipiente externo está omitida por razões de clareza, mas ela corresponde à primeira modalidade. A parede interna 3 está circundada por um dispositivo de isolamento térmico em forma de um isolamento de camadas múltiplas (MLI), o qual compreende várias camadas compostas 21 de uma folha metálica 22, por exemplo, folha de alumínio, e um material de isolamento térmico 23, por exemplo, material fibroso ou material espumoso. As camadas compostas 21 estão dispostas concentricamente em torno da parede interna 3. Alternativamente a suspensão do isolamento de camadas múltiplas 20 pode estar realizado como a suspensão das proteções na primeira modalidade.

[0043] Nessa modalidade, em várias camadas compostas 21, estão dispostos sensores de temperatura 13a, 13b (número dos sensores de temperatura não está limitado a dois), os quais medem de modo recorrente as temperaturas T2A , T2B em pontos distanciados um do outro do isolamento de camadas múltiplas 20. Dois outros sensores de temperatura 15,14 medem de modo recorrente a temperatura T1 da parede externa 1 (por meio do sensor de temperatura 15) e/ou a temperatura T3 na parede interna 3 (por meio do sensor de temperatura 14). Os sinais de temperatura dos sensores de temperatura 13a, 13b, 14, 15 estão alimentados à unidade de avaliação 18, a qual recebe também os sinais de nível de enchimento f do medidor de nível de enchimento 17. Complementar ou alternativamente ao sensor de temperatura 14 na parede interna 3 pode estar previsto, no espaço interno 7, um sensor de pressão 19, cujos sinais de pressão são alimentados à unidade de avaliação 18. Em vez do sensor de temperatura 15 na parede externa 1, a temperatura de um termômetro ambiente (por exemplo, termômetro externo de veículo) pode ser tomada aproximadamente como temperatura da parede externa 1. A avaliação dos sinais de temperatura, os sinais de pressão e os sinais do medidor de nível de enchimento ocorre como descrito acima.

Claims (22)

1. Dispositivo para determinação da qualidade de isolamento térmico de um recipiente isolado a vácuo de parede dupla (30, 40), sendo que o recipiente apresenta uma parede externa (1) voltada para o ambiente e uma parede interna (3) definindo um tanque interno, sendo que, entre a parede externa e a parede interna do recipiente de parede dupla, está configurada uma câmara de vácuo (5), na qual pelo menos um dispositivo de isolamento térmico (2, 20) está disposto, em que o dispositivo tem pelo menos três sensores de temperatura (13, 13a, 13b, 14, 15) distanciados um do outro, que registram recorrentemente as temperaturas momentâneas do recipiente (30, 40), em que as posições dos sensores de temperatura (13, 13a, 13b, 14, 15) são escolhidas dentre posições na parede externa (1), na parede interna (3) e/ou no dispositivo de isolamento térmico (2, 20), em que o dispositivo compreende uma unidade de avaliação (18) que receba as temperaturas (T1, T2A, T2B, T3) detectadas pelos sensores de temperatura (13, 13a, 13b, 14, 15), em que na unidade de avaliação (18) é armazenado um modelo de transferência de calor, preferivelmente em camadas, com base nas propriedades de construção e material do recipiente e da radiação térmica resultante, caracterizado pelo fato de que a unidade de avaliação (18) é configurada para calcular a partir do modelo de transferência pelo menos em certos pontos uma linha de temperatura contendo pelo menos duas das temperaturas (T1, T2A, T2B, T3) detectadas pelos sensores de temperatura (13, 13a, 13b, 14, 15), e para calcular a partir da linha de temperatura, um valor teórico de temperatura para a posição de pelo menos outro dos sensores de temperatura e comparar com o valor real de temperatura detectado efetivamente por esse sensor de temperatura e, a partir do desvio entre o valor teórico de temperatura e o valor real de temperatura, detectar uma alteração da qualidade de isolamento térmico do recipiente quando o desvio ultrapassa um valor limite.

2. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o modelo de transferência de calor do recipiente leva em consideração também a condução de calor resultante das propriedades de construção e material do recipiente.

3. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de isolamento térmico compreende pelo menos uma blindagem de isolamento térmico (2) e/ou um isolamento de camadas múltiplas (20) com camadas compostas (21) de uma folha metálica (22) e um material termicamente isolante (23), sendo que as camadas compostas (21) estão configuradas opcionalmente como um carretel com vários enrolamentos.

4. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a unidade de avaliação (18) classifica a alteração detectada da qualidade de isolamento térmico do recipiente como elevação de pressão na câmara de vácuo (5), quando o desvio do valor real de temperatura do valor teórico de temperatura fica em torno do valor limite ou mais abaixo do valor teórico de temperatura.

5. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a unidade de avaliação (18) classifica a alteração detectada da qualidade de isolamento térmico do recipiente como dano à parede externa (1), quando o desvio do valor real de temperatura do valor teórico de temperatura fica em torno do valor limite ou mais acima do valor teórico de temperatura.

6. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a unidade de avaliação (18) está configurada para determinar a temperatura da parede externa (1) a partir das condições do ambiente, motivo pelo qual a unidade de avaliação preferivelmente está ligada a um sensor de temperatura de um dispositivo externo, especialmente o sensor de temperatura externo de um veículo, no qual o dispositivo está instalado, e, a partir de cujos sinais de temperatura a temperatura da parede externa deriva.

7. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a unidade de avaliação (18) está configurada para determinar, a partir da diferença entre o valor teórico de temperatura e o valor real de temperatura, a pressão de vácuo na câmara de vácuo (5), com base em medições de temperatura anteriores em distintas pressões de vácuo conhecidas na câmara de vácuo (5).

8. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que, está previsto um sensor de pressão (19) no tanque interno, e a unidade de avaliação (18) está configurada para receber os sinais de pressão do sensor de pressão e, a partir dos sinais de pressão, determinar a temperatura no tanque interno com o auxílio da dependência de pressão da temperatura de ebulição, à qual gás líquido está armazenado no tanque interno.

9. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a unidade de avaliação (18) está configurada para classificar a alteração da pressão medida no tanque interno pelo sensor de pressão (19), como método de carregamento no tanque em transição quando a taxa de alteração ultrapassa um valor limite.

10. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que no tanque interno está disposto um sensor de nível de enchimento (17), cujos sinais de nível de enchimento (f) estão alimentados à unidade de avaliação (18), sendo que a unidade de avaliação (18) está configurada para classificar a alteração do nível de enchimento (16) do gás líquido (7) armazenado como método de carregamento no tanque em transição quando a taxa de alteração ultrapassa um valor limite.

11. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a unidade de avaliação (18) está configurada para aproximar a linha de temperatura através de enfileiramento de pedaços de reta, os quais ligam valores reais de temperatura adjacentes, detectados pelos sensores de temperatura, sendo que a unidade de avaliação (18) deriva o desvio do valor real de temperatura nesse ponto de ligação do valor teórico de temperatura, a partir de um ângulo (α) em um ponto de ligação entre dois pedaços de reta adjacentes.

12. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a unidade de avaliação (18) está configurada para, a partir de uma taxa de alteração do ângulo α, a qual é proporcional à taxa de alteração do valor real de temperatura nesse ponto de ligação, classificar a causa.

13. Método para determinação da qualidade de isolamento térmico de um recipiente (30, 40) isolado a vácuo, de parede dupla, em que o recipiente apresenta uma parede externa (1) voltada para o ambiente e uma parede interna (3) definindo um tanque interno, em que, entre a parede externa e a parede interna do recipiente de parede dupla, está configurada uma câmara de vácuo (5), na qual pelo menos um dispositivo de isolamento térmico (2, 20) está disposto, em que pelo menos três sensores de temperatura (13, 13a, 13b, 14, 15) distanciados um do outro estão dispostos em ou, respectivamente no recipiente (30, 40), que registram recorrentemente as temperaturas momentâneas (T1, T2, T2A, T2B, T3) do recipiente (30, 40), em que as posições dos sensores de temperatura (13, 13a, 13b, 14, 15) são escolhidas dentre posições na parede externa (1), na parede interna (3) e/ou no dispositivo de isolamento térmico (2, 20), em que pelo menos em certos pontos uma linha de temperatura é calculada com o uso de um modelo de transferência de calor, preferivelmente em camadas, com base nas propriedades de construção e material do recipiente e da radiação térmica resultante, caracterizado pelo fato de que a linha de temperatura contendo pelo menos duas das temperaturas (T1, T1, T2A, T2B, T3) detectadas pelos sensores de temperatura (13, 13a, 13b, 14, 15), e a linha de temperatura, um valor teórico de temperatura para a posição de pelo menos outro dos sensores de temperatura é calculado e comparado com o valor real de temperatura detectado efetivamente por esse sensor de temperatura e, a partir do desvio entre o valor teórico de temperatura e o valor real de temperatura, é detectada uma alteração da qualidade de isolamento térmico do recipiente quando o desvio ultrapassa um valor limite.

14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o modelo de transferência de calor do recipiente leva em consideração também a condução de calor resultante das propriedades de construção e material do recipiente.

15. Método, de acordo com a reivindicação 13 ou 14, caracterizado pelo fato de que a alteração detectada da qualidade de isolamento térmico do recipiente é classificada como elevação de pressão na câmara de vácuo (5), quando o desvio do valor real de temperatura do valor teórico de temperatura fica em torno do valor limite ou mais abaixo do valor teórico de temperatura.

16. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 15, caracterizado pelo fato de que a alteração detectada da qualidade de isolamento térmico do recipiente é classificada como dano à parede externa (1), quando o desvio do valor real de temperatura do valor teórico de temperatura fica em torno do valor limite ou mais acima do valor teórico de temperatura.

17. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 16, caracterizado pelo fato de que, a partir da diferença entre o valor teórico de temperatura e o valor real de temperatura, a pressão de vácuo é determinada na câmara de vácuo (5), com base em medições de temperatura anteriores em distintas pressões de vácuo conhecidas na câmara de vácuo (5).

18. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 17, caracterizado pelo fato de que um sensor de pressão (19), que pode ser disposto na parede interna (3), está previsto no tanque interno, e que, a partir dos sinais de pressão, determina-se a temperatura no tanque interno com o auxílio da dependência de pressão da temperatura de ebulição, à qual gás líquido está armazenado no tanque interno.

19. Método, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que a alteração da pressão medida pelo sensor de pressão (19) no tanque interno é classificada como método de carregamento no tanque em transição quando a taxa de alteração ultrapassa um valor limite.

20. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 19, caracterizado pelo fato de que no tanque interno está disposto um sensor de nível de enchimento (17), sendo que a alteração do nível de enchimento (16) do gás líquido (7) armazenado é classificado como método de carregamento em tanque em transição quando a taxa de alteração ultrapassa um valor limite.

21. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 20, caracterizado pelo fato de que a linha de temperatura é aproximada através de enfileiramento de pedaços de reta, pedaços de reta esses que ligam respectivos valores reais de temperatura detectados pelos sensores de temperatura, adjacentes, sendo que, a partir de um ângulo (α) em um ponto de ligação entre dois pedaços de reta adjacentes, é derivado o desvio do valor real de temperatura nesse ponto de ligação do valor teórico de temperatura.

22. Método, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que, a partir de uma taxa de alteração do ângulo α, a qual é proporcional à taxa de alteração do valor real de temperatura nesse ponto de ligação, a causa é classificada.