BRPI0708415B1

BRPI0708415B1 - Método para estabelecer um sistema de isolamento criogênico

Info

Publication number: BRPI0708415B1
Application number: BRPI0708415-3A
Authority: BR
Inventors: Richard John Jibb; John Henri Royal; Norman Henry White; Steven Allan Schweichler; Wevone Hobbs
Original assignee: Praxair Technology, Inc.
Priority date: 2006-03-23
Filing date: 2007-03-12
Publication date: 2019-03-19
Also published as: KR101370740B1; WO2008054474A2; ES2331493T3; KR20080113033A; DE602007001597D1; WO2008054474A3; US7562534B2; CN101405533A; EP1996854B1; CA2646292A1; CN101405533B; US20070220904A1; EP1996854A2; TWI401384B; TW200804715A; CA2646292C; BRPI0708415A2

Abstract

método para estabelecer um sistema de isolamento criogênico é descrito um método para estabelecer um sistema de isolamento criogênico em que é provido aerogel a um espaço de isolamento selável (1) definido por uma parede interna e externa (2, 3) que é pressurizada e despressurizada. a pressurização é realizada preferivelmente usando um gás condensável, preferivelmente dióxido de carbono, provido no espaço deisolamento (1). o gás condensável é resfriado para despressurizar o espaço de isolamento pelo resfriamento de pelo menos uma parede (2, 3) a uma temperatura menor que 190 k (-83 <198>c) e resfriado a temperaturas criogênicas, tipicamente pela aplicação de refrigeração do líquido criogênico.

Description

[1] Esta invenção diz respeito no geral a sistemas de isolamento e, mais particularmente, a sistemas de isolamento destinados ao uso a temperaturas criogênicas.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO [2] Sistemas de isolamento a vácuo criogênicos convencionais para vasos de parede dupla exigem um alto vácuo, tipicamente menor que 1 mícron Hg a 0 °C. O propósito do vácuo é reduzir condução/convecção de gás. O alto vácuo necessário é caro de se produzir, exigindo grandes tempos de bomba a elevadas temperaturas. Isto resulta em um alto custo de fabricação para equipamento isolado a vácuo. Uma vez obtido, o alto vácuo é notoriamente difícil de ser mantido durante a vida útil do equipamento, que pode tipicamente ser de 15 a 20 anos, e observa-se na prática que, a despeito de todas as precauções, a pressão no espaço de vácuo inevitavelmente aumenta, causando uma drástica perda de desempenho. Uma alternativa é usar isolamento de espuma. Entretanto, este isolamento tem uma perda de calor muito mais alta do que isolamento a vácuo. A menos que medidas elaboradas sejam tomadas para selar isolamentos de espuma, a infiltração de água fará com que eles se degradem rapidamente. Dessa maneira, é necessário um sistema de isolamento criogênico que seja confiável por toda sua vida útil, barato de fabricar, tenha um alto desempenho e que seja relativamente insensível a perda de vácuo.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO [3] É descrito um método para estabelecer um sistema de isolamento criogênico compreendendo:

(A) prover um espaço de isolamento contendo aerogel e definido por uma parede interna e uma parede externa;

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2/9 (B) conduzir pelo menos uma pressurização e pelo menos uma despressurização do espaço de isolamento contendo aerogel, em que a pressurização compreende prover gás condensável ao espaço de isolamento contendo aerogel; e (C) resfriar pelo menos uma parede do espaço de isolamento contendo aerogel a uma temperatura menor que 190 K (-83 °C).

[4] Na forma aqui usada, o termo gás condensável significa um gás que tem uma pressão de vapor na condição fria que é significativamente menor que a pressão que seria de se esperar aplicando-se a lei dos gases ideais na temperatura média do espaço de isolamento. Tipicamente, isto será o resultado de o gás condensável passar por uma mudança de fase de gás para sólido. Entretanto, o isolamento de aerogel tem uma área específica extremamente alta e, quando resfriado a temperatura criogênica, é capaz de absorver uma certa quantidade de gás.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS [5] A única figura é uma representação seccional transversal simplificada de uma modalidade da invenção, em que o espaço de isolamento é definido pelas paredes de um conduto de parede dupla.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO [6] A invenção é aplicável para uso com qualquer estrutura ou vaso de parede dupla, tal como um tubo de parede dupla ou um tanque de parede dupla. A figura ilustra uma seção de tubo ou conduto de parede dupla, e a invenção será discutida com mais detalhes com referência à figura.

[7] Referindo-se agora à figura, o espaço de isolamento 1 é o volume definido pela parede interna 2 e a parede externa 3 do conduto de parede dupla 4. O espaço de isolamento 1 contém aerogel 5 que pode ser na forma de um compósito de aerogel, tal como uma manta que compreende aerogel combinado com tela de fibra tal como poliéster, fibra de vidro, fibra de carbono, fibra de sílica e suas misturas. Preferivelmente, pelo menos 75

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3/9 porcento do volume do espaço de isolamento é cheio com aerogel ou compósito de aerogel.

[8] Qualquer aerogel adequado pode ser usado na prática desta invenção. O aerogel preferido na prática desta invenção é aerogel de sílica. Aerogel pode ser produzido como um bloco monolítico, bem como um particulado na forma de grânulos, contas ou finos de pó, ou como uma manta de aerogel compósito que incorpora tela de fibra. Um geral ou aerogel é uma rede tridimensional coerente, rígida e contínua de partículas coloidais. Géis são produzidos pela agregação de partículas coloidais, tipicamente sob condições ácidas, quando sais neutralizantes estão ausentes, para formar uma microestrutura de gel tridimensional. Quando o gel é seco, isto é, quando líquido é removido dos poros, por meio do que a microestrutura do gel coerente é preservada, tal como por secagem supercrítica, forma-se um gel de baixa densidade ou um aerogel. Um processo adequado para a produção de um aerogel está descrito na patente U.S. 3.122.520. Um processo adequado para a produção de um compósito de aerogel está descrito na patente U.S. 6.670.402. O aerogel preferivelmente é um aerogel de óxido metálico, particularmente aerogel de sílica. As partículas de aerogel podem ter qualquer densidade adequada, preferivelmente cerca de 0,05 g/cm³ a cerca de 0,15 g/cm.sup3. As partículas de aerogel também podem ter qualquer área superficial adequada, preferivelmente pelo menos cerca de 200 m²/g. A área superficial aqui descrita é calculada com base na quantidade de nitrogênio adsorvido em cinco diferentes pressões relativas em uma faixa de 0,05 a 0,25 atm de acordo com o modelo Brunauer-Emmett-Teller (BET), referenciado em Gregg, S. J., e Sing, K.S.W., Adsorption, Surface Area and Porosity, p. 285, Academic Press, New York (1991).

[9] Partículas de aerogel têm propriedades altamente desejáveis, tais como, por exemplo, transparência ótica, densidade extremamente baixa, e condutividade térmica muito baixa. As partículas de aerogel podem ter

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4/9 qualquer diâmetro adequado. Preferivelmente, o diâmetro de substancialmente todas as partículas de aerogel é cerca de 0,5 mm ou mais (por exemplo, cerca de 1 mm ou mais). Mais preferivelmente, o diâmetro de substancialmente todas as partículas de aerogel é cerca de 5 mm ou menos (por exemplo, cerca de 0,5 ou 1 mm a cerca de 5 mm). O aerogel pode ser empregado na prática desta invenção em qualquer forma adequada. Por exemplo, o aerogel pode ser incorporado em uma manta misturando-o com fibras tais como fibras de poliéster, fibra de vidro, fibra de carbono, sílica ou quartzo, dependendo da aplicação. A manta de aerogel/fibra compósita em então envolta firmemente no tubo em uma série de camadas. Nesta configuração, é possível prover blindagem contra radiação, entrelaçando folhas finas de um material de baixa emissividade, tipicamente um metal polido tal como cobre ou alumínio. Uma segunda vantagem desta opção é que o aerogel pode ser envolto usando maquinário existente para aplicar Isolamento MultiCamadas.

[10] Uma segunda opção é encher o espaço de parede dupla com uma forma particulada de aerogel. Vários pós, grânulos e contas encontram-se disponíveis em faixas de tamanho de 0,5 a 5,0 mm. Para encher um espaço isolante com particulado é em geral desejável orientar o tubo verticalmente de forma que o espaço anular seja cheio de baixo para cima. Isto garante que não fiquem espaços vazios que podem afetar adversamente o desempenho. Inúmeros métodos encontram-se disponíveis para manusear pós. O método adequado para transferir o aerogel é usar um transferidor a vácuo.

[11] É também possível embalar o aerogel em sacos pré-formados. Cada saco é cheio com aerogel e purgado com um gás condensável, preferivelmente dióxido de carbono. O saco é então evacuado, idealmente a uma pressão na faixa entre 1.000 a 10.000 mícrons, e selado. Sob pressão ambiente, o volume do saco é reduzido, de forma que ele se encaixe facilmente no espaço de isolamento. Para grandes espaços de isolamento, tais

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5/9 como tanques, reboques, etc., múltiplos sacos podem ser usados para encher o espaço de isolamento. Para espaços de isolamento menores, tais como condutos, o saco pode ser pré-formado como uma concha que se ajusta à forma dos contornos do espaço de isolamento. Se aerogéis forem embalados desta maneira, o espaço de isolamento deve ainda ser purgado com gás condensável, e será evacuado a uma pressão similar à pressão interna de cada saco. Materiais de saco adequados são materiais poliméricos com uma baixa permeabilidade suficiente para permitir que vácuo seja mantido na duração do processo de montagem. Com este sistema, é necessário garantir que uma fração suficiente do volume de isolamento é cheio com os sacos contendo aerogel, de maneira tal que, quando os sacos expandirem, não existam espaços vazios.

[12] Uma terceira opção é combinar o uso de mantas de compósito de aerogel e particulados de aerogel. Em todos os casos, é possível usar tanto uma forma hidrofílica quanto hidrofóbica de aerogel. O particulado de aerogel hidrofóbico pode ser comprimido sem perder sua estrutura, e tem um baixo teor de água. O aerogel hidrofílico é menos compressível e tem uma alta afinidade por água. Além disso, o aerogel hidrofílico não é inflamável em oxigênio puro e é, portanto, mais adequado para este serviço.

[13] Para selar o espaço de parede dupla, as extremidades têm que ser soldadas, de maneira tal que o espaço fique hermeticamente selado. Uma manta de aerogel de alta temperatura ou um material de fibra de vidro que não é danificado pela alta temperatura do processo de soldagem deve ser usado próximo das soldas. Durante a fabricação de um conduto de parede dupla, tem que ser provido um dispositivo para permitir a expansão diferencial do tubo interno em relação ao tubo externo. Em geral, isto é conseguido suprindo-se um fole de expansão. Os foles são geralmente colocados na camisa, em virtude de, neste caso, os foles serem expostos a pressão de vácuo, em vez de pressão de processo. A principal desvantagem desta colocação é que, na

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6/9 temperatura operacional, o comprimento da camisa é reduzido e o sistema de suporte de tubos tem que ser projetado para acomodar o movimento. Embora os foles sejam expostos a dano ambiental e mecânico, no caso de falha, a conseqüência está limitada à perda de vácuo. Um segundo método para permitir expansão térmica diferencial é usar seções de mangueira flexível tanto no tubo interno quanto no tubo externo.

[14] O espaço de isolamento contendo aerogel é purgado. Preferivelmente, uma bomba de vácuo é usada inicialmente para evacuar o espaço de isolamento a uma pressão na faixa de 1.000 a 10.000 mícrons Hg a fim de remover qualquer umidade ou hidrocarbonetos pesados no material aerogel deixado na fabricação. O espaço de isolamento contendo aerogel então passa por pelo menos uma pressurização e pelo menos uma despressurização, em que a pressurização compreende prover um gás condensável tal como gás dióxido de carbono, isto é, um fluido compreendendo pelo menos 99,5 porcento molar de dióxido de carbono, a um espaço de isolamento contendo aerogel. Outros gases condensáveis que podem ser usados incluem N2O, R-134a, nitrogênio, oxigênio ou argônio. A etapa de pressurização pode ser tão alta quanto a pressão nominal da parede externa. A etapa de despressurização pode ser tão alta quanto uma atmosfera, ou tão baixa quanto 10 mícrons, mas tipicamente ficará na faixa de 1.000 a 10.000 mícrons. Preferivelmente, o espaço de isolamento contendo aerogel passa por pelo menos dois ciclos, pode passar por até 10 ciclos desses. Preferivelmente, a pressão final do espaço de isolamento após a última despressurização é na faixa de 1.000 a 10.000 mícrons.

[15] Pelo menos uma parede, preferivelmente apenas a parede interna, do espaço de isolamento contendo aerogel é resfriada a uma temperatura menor que 190 K (-83 °C). Preferivelmente, este resfriamento é realizado provendo-se líquido criogênico, tal como o líquido 6 mostrado na figura, ao vaso de parede dupla. Líquidos criogênicos adequados incluem

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7/9 nitrogênio líquido, oxigênio líquido, argônio líquido, gás natural liquefeito, hélio liquefeito e hidrogênio líquido. À medida que a temperatura no espaço de isolamento contendo aerogel cai, e quando pelo menos uma parede ou superfície interna da estrutura de parede dupla é resfriada até a temperatura exigida, ocorre uma redução de pressão adicional. O espaço de isolamento contendo aerogel é resfriado, preferivelmente a uma temperatura menor que o ponto de congelamento do gás condensável, na pressão final desejada (tipicamente 1-5 mícrons). Durante o resfriamento, a temperatura no espaço de isolamento contendo aerogel cai. Se a parede ou superfície da estrutura de parede dupla for resfriada a uma temperatura igual ou inferior ao ponto de congelamento do gás condensável na pressão prevalecente, o gás condensável, por exemplo, dióxido de carbono, migrará para as superfícies internas e congelará, reduzindo ainda mais a pressão no espaço de isolamento. O aerogel, a manta, caso haja, e qualquer captador absorverá os gases condensáveis e não condensáveis, aumentando a intensidade do vácuo inicial do espaço de isolamento, bem como removendo qualquer vazamento que ocorre com o tempo.

[16] Durante operação, inevitavelmente haverá um aumento de pressão no espaço de isolamento por causa de vazamento pelas pequenas capilaridades ou outras aberturas no espaço de vácuo, desprendimento de gases de materiais expostos a espaço de vácuo e/ou permeação de gases pelas paredes do espaço de vácuo. Isolamento de vácuo tradicional exige um vácuo na faixa de 1 a 10 mícrons para ser efetivo. O sistema de vácuo aerogel desta invenção permanece efetivo na faixa de 10 a 10.000 mícrons, em que efetivo é definido como uma fuga de calor menor que do isolamento tipo espuma sem vácuo. Uma vez que a pressão de trabalho aceitável para um sistema de vácuo aerogel é muito maior que o isolamento a vácuo tradicional, vazamento significativo pode ser tolerado antes de ocorrer uma perda drástica do isolamento. É um aspecto importante desta invenção que medidas elaboradas

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8/9 não precisam ser tomadas para garantir que a pressão no espaço de isolamento contendo aerogel seja bastante baixa. Isto resulta em um benefício econômico, em virtude de o custo de fabricação do equipamento ser reduzido.

[17] Os vários tipos de isolamento usados no armazenamento e transferência de líquidos criogênicos podem ser convenientemente subdivididos em cinco categorias (1) vácuo; (2) isolamento multicamadas; (3) isolamento de pó e fibras; (4) isolamento de espuma; e (5) isolamentos de usos especiais. Os limites entre essas categorias gerais não são de modo nenhum distintos. Por exemplo, um isolamento de pó pode tanto conter um gás quanto ser evacuado, e podería, neste último caso, apresentar propriedades bastante similares às de isolamento a vácuo. Este esquema de classificação, entretanto, oferece uma estrutura pela qual tipos amplamente variados de isolamento criogênico podem ser discutidos.

[18] A transferência de calor pelos vários isolamentos pode ocorrer por diversos mecanismos diferentes, mas geralmente envolve condução em sólido, condução em gás e convecção e radiação. O propósito de qualquer isolamento é minimizar a transferência de calor acumulada por esses vários mecanismos. A condutividade térmica aparente de um isolamento, medida experimentalmente para incorporar todos esses modos de transferência de calor, oferece o melhor meio pelo qual se comparam diferentes tipos de isolamento. O espaço de isolamento na prática desta invenção tem uma condutividade térmica aparente de menos de 3 mW/mK a uma pressão maior que 10 mícrons.

[19] Existem vários desenhos mecânicos para o conduto, que incluem foles no tubo interno, foles no tubo externo e foles na extremidade de cada seção. O conduto flexível é também disponível. Mantas de aerogel seriam adequadas para incorporação neste último. Em alguns casos, pode ser desejável incorporar um material de peneira molecular, preferivelmente o mais próximo possível da parede interna, para adsorver oxigênio e nitrogênio

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9/9 indesejados que podem vazar da atmosfera, e/ou fluido criogênico que vaza para o espaço de isolamento. Aerogéis têm uma área superficial extremamente grande e, quando resfriados a temperaturas criogênicas, são capazes de adsorver algumas quantidades de gases indesejados, tais como nitrogênio e oxigênio. Além disso, a invenção pode incluir qualquer das medidas tradicionalmente usadas para garantir vácuo, tais como captadores e peneiras moleculares, e pode também incluir blindagem de radiação.

[20] Embora a invenção tenha sido descrita com detalhes com referência a certas modalidades preferidas, versados na técnica percebem que existem outras modalidades da invenção dentro do espírito e escopo das reivindicações.

Claims

1. Método para estabelecer um sistema de isolamento criogênico, caracterizado pelo fato de que compreende:

(B) conduzir pelo menos uma pressurização e pelo menos uma despressurização do espaço de isolamento contendo aerogel, em que a pressurização compreende prover gás condensável ao espaço de isolamento contendo aerogel e a despressurização é até um nível abaixo da pressão atmosférica; e (C) após a pelo menos uma despressurização ser completa, resfriar pelo menos uma parede do espaço de isolamento contendo aerogel a uma temperatura menor que 190 K (-83 °C), de modo que o gás condensável condense para ocorrer uma redução de pressão adicional e o aerogel absorva alguma quantidade do gás condensável e quaisquer gases não condensáveis presentes no espaço de isolamento para ocorrer uma redução de pressão ainda maior dentro do espaço de isolamento.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o espaço e isolamento é entre uma parede interna e uma parede externa de um conduto de parede dupla.

3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o espaço de isolamento é entre uma parede interna e uma parede externa de um tanque de parede dupla.

4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o aerogel é na forma de uma manta de aerogel.

5. Método de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a manta de aerogel compreende aerogel combinado com tela de fibra.

6. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo

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2/2 fato de que o aerogel é na forma particulada.

7. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o gás condensável é dióxido de carbono.

8. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos dois ciclos de pressurização e despressurização são conduzidos no espaço de isolamento contendo aerogel.

9. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o espaço de isolamento contendo aerogel é resfriado por refrigeração por líquido criogênico.

10. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o espaço de isolamento contendo aerogel compreende adicionalmente blindagem contra radiação.

11. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o aerogel compreende aerogel de sílica.

12. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o espaço de isolamento antes do resfriamento tem uma pressão na faixa de 1.000 a 10.000 mícrons.

13. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o espaço de isolamento é evacuado antes da dita pressurização usando uma bomba de vácuo.

14. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o espaço de isolamento tem uma condutividade térmica aparente de menos de 3 mW/mK a uma pressão superior a 10 mícrons.