ES2244432T3 - Sistema de bomba para transportar liquidos criogenos. - Google Patents
Sistema de bomba para transportar liquidos criogenos.Info
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Abstract
Sistema de bomba para transportar líquidos criógenos, que comprende un recipiente (1) para recibir el líquido criógeno y al menos una bomba de pistón (2) dispuesta en el recipiente (1) de manera que puede sumergirse en el líquido criógeno (h), caracterizado porque la bomba de pistón (2) presenta una barra de tracción (29) unida con el pistón (14, 17), la cual se extiende fuera del recipiente (1), de modo que se pueden aplicar fuerzas de tracción desde fuera, y la barra de tracción (29) está provista de un muelle de recuperación (23) de tal manera que el pistón (14, 17) puede ser devuelto a una posición de partida en contra de la carrera de impulsión.
Description
Sistema de bomba para transportar líquidos
criógenos.
La invención concierne a un sistema de bomba para
transportar líquidos criógenos con un recipiente para recibir el
líquido criógeno y al menos una bomba de pistón dispuesta en el
recipiente de manera que puede sumergirse en el líquido
criógeno.
Para transportar líquidos criógenos con
temperaturas de menos de -200ºC se emplean hasta ahora en general
bombas de un solo cilindro que se introducen desde arriba en una
vasija aislante. Por motivos técnicos de montaje, la evacuación del
caudal de transporte se efectúa también a través de esta abertura
superior de montaje de la bomba en la vasija aislante. El llenado de
las vasijas con los medios a transportar se efectúa generalmente
desde un tanque de reserva grande, efectuándose la determinación de
la máxima altura de llenado en estas vasijas por medio de tubos de
rebose (tubos sonda) o de indicadores de contenido. El control de la
máxima altura de llenado se efectúa casi siempre a mano o a través
de un contacto disparado por el líquido, mediante el cual se activa
una válvula magnética en la tubería de alimentación o de evacuación
de gas. Dado que las bombas no pueden hacerse funcionar sin
sobreenfriamiento del líquido a transportar, estas vasijas de gran
volumen poseen un dispositivo de aumento de presión, con lo cual el
líquido a transportar puede ser sobreenfriado en breve tiempo.
Se conoce por el documento
DE-A-31 49 848 una bomba adecuada
para la finalidad antes citada; se trata aquí de una bomba de
pistón.
Dado que especialmente el hidrógeno en forma
licuada adquiere cada vez más importancia y algunos vehículos
automóviles se hacen funcionar ya con hidrógeno, es necesario
proporcionar bombas adecuadas para el repostaje de estos
vehículos.
Las bombas conocidas - esto se aplica también
para la bomba de pistón antes citada conocida por el documento
DE-A-31 49 848 - podrían ser
adecuadas para experimentos de laboratorio con pequeños caudales de
transporte y grandes pulsaciones de presión admisibles, pero esta
clase de bombas es inadecuada para un repostaje líquido rápido de
vehículos automóviles que esté exento de pulsaciones. Además, tales
"bombas de gasolinera" tienen que estar preparadas para
utilizarse en cualquier momento (puestas en estado frío), de modo
que, debido a la estructura compacta constructivamente necesaria,
tiene lugar en las bombas conocidas un enorme flujo de calor hacia
el líquido a transportar y se anula así pronto el sobreenfriamiento
del líquido necesario para el funcionamiento.
La presente invención se basa en el problema de
proporcionar un sistema de bomba de la clase citada al principio con
el que se puedan transportar de manera rentable y fiable también
cantidades mayores de líquidos criógenos, especialmente también
hidrógeno líquido.
Este problema se resuelve según la invención por
el hecho de que la bomba de pistón presenta una barra de tracción
unida con el pistón, la cual se extiende fuera del recipiente, de
modo que se pueden aplicar fuerzas de tracción desde fuera, y la
barra de tracción está provista de un muelle de recuperación de tal
manera que el pistón puede ser recuperado hasta una posición de
partida en contra de la carrera de impulsión.
Convenientemente, se introducen en el recipiente
varias de estas bombas que están conectadas por el lado de impulsión
a una carcasa de impulsión común. Debido al montaje individual
posible y a las bombas que trabajan a tracción, las secciones
transversales relevantes para la conducción del calor en las bombas
y en el recipiente pueden mantenerse muy pequeñas, con lo que
solamente se produce una introducción de calor muy pequeña en el
líquido del recipiente. Para reducir aún más la introducción de
calor en el recipiente, la barra de tracción se extiende fuera del
recipiente, preferiblemente a través de una junta de sellado. En la
solución especialmente practicable según la cual la bomba se inserta
desde arriba en el recipiente, la barra de tracción se extiende
fuera del recipiente a través de un cuello de recipiente
térmicamente aislado. Para minimizar aún más la conducción del calor
del gas, se puede prever un cartucho aislante en el cuello del
recipiente. Además, el recipiente está ventajosamente aislado al
vacío.
Según una forma de ejecución especialmente
preferida de la invención, el cilindro de la bomba de pistón está
dividido por el pistón en un lado de impulsión y un lado de
aspiración, presentando el pistón un cuerpo de pistón, así como un
aro de pistón dispuesto de forma móvil, el cual, al moverse el
pistón en contra de la carrera de impulsión, es aplicado al cuerpo
de pistón de tal manera que se forma una rendija que establece una
unión entre el lado de impulsión y el lado de aspiración, y el cual,
al moverse el pistón en la carrera de impulsión, cierra la
rendija.
En el extremo del lado de impulsión del cilindro
de la bomba está prevista una válvula de salida cargada por muelle.
Por otra parte, en el extremo del lado de aspiración del cilindro de
la bomba está dispuesta una válvula de fondo que es accionable por
medio de la barra de tracción de tal manera que se abre en la
carrera de impulsión y se cierra al invertirse la carrera.
Asimismo, en el extremo del lado de impulsión del
cilindro de la bomba está dispuesta convenientemente una junta para
sellar la barra de tracción con respecto a la carcasa de la bomba,
cuya junta presenta una válvula accionable por la barra de tracción,
la cual se cierra al ejercer fuerzas de tracción sobre la barra de
tracción y se abre durante la reposición por muelle de la barra de
tracción.
El sistema de bomba según la invención puede
utilizarse ventajosamente para una serie completa de aplicaciones.
En combinación con un accionamiento de disco oscilante
correspondiente dispuesto por fuera del recipiente y unido con las
barras de tracción de las distintas bombas de pistón, el número y el
diámetro de las distintas bombas en una carcasa de presión común son
fuertemente variables, de modo que las bombas según este principio
de construcción pueden adaptarse prácticamente a todos los caudales
de transporte requeridos con una pulsación de presión mínima. Debido
a las ventajas de este concepto de bomba frente al actual, la
utilización de tales bombas es imaginable también como bomba a bordo
en la nueva generación de aviones con propulsión por hidrógeno.
Debido a las pequeñas masas del sistema de bombeo, las pérdidas por
enfriamiento son muy pequeñas. Debido a la estructura de
construcción muy sencilla, se proporciona una bomba muy barata,
funcionalmente segura y de alta calidad técnica.
En lo que sigue, se explicará la invención con
más detalle haciendo referencia a ejemplos de ejecución
representados esquemáticamente en los dibujos.
Muestran:
La figura 1, el montaje de una bomba de hidrógeno
de tres cilindros en un recipiente.
La figura 2, una sección completa de una de las
tres bombas introducidas en la carcasa de presión.
En la figura 1 se representa un recipiente 1 que,
para el alojamiento y la fijación de las tres bombas 2 introducidas
individualmente desde arriba, presenta una carcasa de presión
fijamente integrada 3 sumergida en el líquido de reserva. Los lados
de impulsión de las tres bombas 2 están unidos uno con otro a través
de esta carcasa de presión. La conducción del líquido de presión
ampliamente exento de pulsaciones desde la carcasa de presión 3 se
efectúa a través de una tubería de impulsión 4 integrada también en
el recipiente 1. Debido al montaje individual de las bombas 2, que
trabajan a tracción, se pueden mantener muy pequeñas las secciones
transversales relevantes para la conducción del calor en las bombas
2 y en el recipiente 1. Esto se consigue especialmente por medio de
las delgadas barras de tracción 29 y el tubo 6 del cuello del
recipiente de pared delgada y de pequeñas dimensiones.
Particularmente para el funcionamiento con hidrógeno líquido, la
introducción de calor reducida lograda con la invención es de
extraordinaria importancia, ya que el hidrógeno líquido presenta una
temperatura muy baja de aproximadamente -253ºC y un calor de
evaporación muy reducido. A esto se añade como agravante el hecho de
que la bomba, como "bomba de gasolinera", tiene que estar
siempre preparada para funcionar (puesta en estado frío) y la
producción de gas originada por la introducción de calor se valora
como perjudicial. Dado que el hidrógeno gaseoso posee el valor más
alto de conducción de calor de gas de todos los gases conocidos, se
emplea en el tubo 6 del cuello del recipiente un cartucho aislante 7
de tejido de vidrio-resina epoxídica de pared
delgada con relleno aislante, dotado de los conductos de paso para
las barras de tracción 29. Gracias a esta medida se reduce aún más
la introducción de calor en el recipiente.
La carcasa de presión 3 sirve en el recipiente 1
no sólo para recibir las bombas 2, sino que también divide el
recipiente 1 en dos recintos h y f. Mientras que el recinto h está
unido directamente con el líquido del recipiente de reserva K a
través de la tubería de entrada de líquido i, el líquido es
introducido en el recinto f a través de la tubería de retorno de gas
j. A este fin, la tubería de retorno de gas j desemboca en los
recintos h, f y en el recinto de gas del depósito de reserva K, de
modo que líquido que entre en o y que se comunique con el depósito
penetra en el recinto f a través de la boca tubular p. El gas que se
produce al enfriarse la bomba es alimentado al recinto de gas G del
depósito de reserva K. Cuando el nivel de líquido m sube por encima
de la boca tubular p, se produce entonces un cierre de líquido y el
gas contenido en el recinto f no puede escapar. Dado que la presión
P_{1} en el recipiente de reserva es mayor que la presión P_{0}
del depósito en la cuantía P_{0} + densidad del líquido x altura,
el líquido que se encuentra en el recipiente 1 en estado de
ebullición está también más caliente en esta cuantía que en el
depósito de reserva K. Durante el funcionamiento de bombeo, como se
representa en la figura 2, el líquido a transportar entra en las
bombas a través de los taladros c. Dado que estos taladros de
entrada están asociados al recinto h (figura 1), se extrae de éste
el líquido a transportar. El nivel de líquido n existente en la
tubería de retorno de gas j desciende entonces en la cuantía de las
resistencias en la tubería de llegada de líquido i. El descenso de
presión resultante de esto en el recipiente 1 provoca un descenso
del nivel de líquido m, de modo que la presión de gas más alta
P_{1} es reducida a través de la boca tubular p hasta que se
ajuste un nuevo estado de equilibrio y el líquido bloquee nuevamente
la evacuación de gas. Dado que el líquido a transportar que sale del
depósito de reserva lleno K (columna alta de líquido) no está ahora
en equilibrio de presión y temperatura, sino que posee la
temperatura más baja del depósito de reserva K a P_{0} (estado de
ebullición), se efectúa un enfriamiento del nivel de temperatura en
el recinto h (la bomba transporta solamente, con depósito lleno, el
líquido más frío entrante). Debido a la división espacial del
recipiente 1 por la carcasa de presión 3 en dos recintos h y f, se
produce un nivel de líquido m siempre constante y que se regula por
sí mismo en el recipiente 1 (también durante el funcionamiento de la
bomba), así como una separación térmica de los líquidos. Debido a
esta separación térmica de ambos recintos h y f, el líquido en el
recinto superior f se mantiene siempre en el estado de ebullición de
P_{1} incluso durante el funcionamiento de bombeo y la incidencia
del calor a través del tubo 6 del cuello y la evacuación del
reducido calor de bombeo a través de la válvula 4, representada en
la figura 2, es alimentada en forma de gas al depósito de reserva K
a través del cierre de líquido p. La falta de una división del
recipiente tendría la consecuencia de que, durante el funcionamiento
de bombeo y con el depósito de reserva K lleno, la introducción de
calor solamente muy pequeña y perjudicial a través del tubo 6 del
cuello del recipiente no sería suficiente para calentar el líquido
más frío entrante hasta el estado de ebullición correspondiente a la
presión P_{1}. Debido a este hecho, se produciría una condensación
de gas y el líquido frío subiría cada vez más arriba en el
recipiente 1 y provocaría una congelación de la parte superior del
recipiente por inundación de la misma.
En la figura 2 se representa una sección completa
de una de las tres bombas introducidas en la carcasa de presión. La
bomba fijada a la carcasa de presión (figura 1, número de referencia
3) por medio de tornillos 30 presenta un cilindro de bomba 1 que
está atornillado con una brida de tapa 10 a través de una pieza de
flujo 2. Se forma entonces una rendija anular d en la que está
montada una válvula de presión de membrana 6, 7 cargada con un
muelle de platillo 8. Debido a la presencia de esta rendija anular d
y a su sellado 27 en ambos lados, resulta posible el montaje
individualizado de las bombas en la carcasa de presión común.
Las tres bombas son accionadas por un
accionamiento de disco oscilante no representado fijado a la tapa
del recipiente. En el recipiente, que presenta tan sólo unos pocos
litros de capacidad, se encuentra el líquido criógeno que ha de ser
transportado. La transmisión de las fuerzas de tracción para la
carrera de impulsión de la bomba desde el accionamiento hasta las
bombas sumergidas en el líquido del recipiente se efectúa a través
de barras de tracción 29 selladas en la tapa del recipiente. En la
inversión de la carrera, los pistones 14, 17 son llevados por la
fuerza de los muelles 23 a una posición de partida en contra de la
carrera de impulsión. Un aro de pistón sujeto 15, 16 presionado por
muelles contra el cilindro 1 de la bomba es aplicado entonces contra
nervios del cuerpo de pistón 14. A través de la rendija que así se
establece se empuja sin presión al líquido proveniente del ciclo de
carrera precedente para llevarlo al lado de impulsión a del pistón.
Al mismo tiempo, en este comienzo de carrera una válvula 4, en la
que está montada una junta 5 para el sellado de la barra de tracción
29, ha sido abierta forzosamente a través de dicha barra de tracción
29 y por efecto del rozamiento. Se ha evacuado entonces el calor
generado por el rozamiento del aro de pistón, con lo que se
garantiza así siempre un llenado óptimo del cilindro. Mediante este
procedimiento no se varía tampoco la temperatura del líquido de
presión frente al líquido de reserva, lo que repercute positivamente
sobre la medición del caudal entregado.
Al invertirse la carrera, se cierra primero la
válvula 4 por medio de la barra de tracción 29 antes de que el aro
15, 16 del pistón cierre la rendija en el cuerpo de pistón 14 y el
líquido de presión sea empujado fuera del cilindro 1 de la bomba
hacia la carcasa de presión común (figura 1, número de referencia 3)
a través de la válvula de salida de membrana 6, 7 cargada por el
muelle 8.
Al sobrepasarse la presión de diseño (presión de
transporte máxima), un limitador de presión 17 formado como muelle
de platillo es presionado por el cuerpo de pistón 14 a través del
aro de pistón 15, 16 y se alivia la sobrepresión a través de los
taladros e. En el momento de esta inversión de la carrera se ha
abierto también inmediatamente una válvula de fondo 20 situada en el
extremo inferior del cilindro de la bomba, la cual se abre por
efecto de un rozamiento definido de una junta 21 sobre la parte
inferior 18 de la barra de tracción 29. A través de los taladros c y
sin tener que abrir una válvula, el líquido de reserva puede seguir
entrando ahora, sin pérdida de presión, en el volumen b del cilindro
de la bomba que ha sido dejado libre por el pistón 14, 17. Poco
antes del punto muerto superior, debido a la reducción del diámetro
de la barra de tracción 18, se anula el rozamiento entre ésta y la
válvula de fondo 20 y esta válvula de fondo 20 se cierra por efecto
del peso propio.
Con la disposición de bomba descrita es posible
bombear también líquidos con reducidos calores de evaporación, como,
por ejemplo, hidrógeno líquido en estado de ebullición (sin columna
estática) con un buen rendimiento de transporte. Dado que se excluye
el calentamiento de cilindro de la bomba por efecto de la apertura
forzosa de la válvula 4, se produce en cada carrera un llenado
óptimo del cilindro, impidiéndose el calentamiento del líquido de
transporte que es usual en otros casos.
Claims (7)
1. Sistema de bomba para transportar líquidos
criógenos, que comprende un recipiente (1) para recibir el líquido
criógeno y al menos una bomba de pistón (2) dispuesta en el
recipiente (1) de manera que puede sumergirse en el líquido criógeno
(h), caracterizado porque la bomba de pistón (2) presenta una
barra de tracción (29) unida con el pistón (14, 17), la cual se
extiende fuera del recipiente (1), de modo que se pueden aplicar
fuerzas de tracción desde fuera, y la barra de tracción (29) está
provista de un muelle de recuperación (23) de tal manera que el
pistón (14, 17) puede ser devuelto a una posición de partida en
contra de la carrera de impul-
sión.
sión.
2. Sistema de bomba según la reivindicación 1,
caracterizado porque
- a)
- el cilindro (1) de la bomba de pistón está dividido por el pistón (14, 17) en un lado de impulsión (a) y un lado de aspiración (b), presentando el pistón (14, 17) un cuerpo de pistón (14) y un aro de pistón (15, 16) dispuesto en forma móvil, el cual es aplicado al cuerpo de pistón (14) durante el movimiento del pistón (14, 17) en contra de la carrera de impulsión de tal manera que se forma una rendija que establece una unión entre el lado de impulsión (a) y el lado de aspiración (b), y el cual cierra la rendija al moverse el pistón (14, 17) en la carrera de impulsión,
- b)
- en el extremo del lado de impulsión del cilindro (1) de la bomba está prevista una válvula de salida (6, 7) cargada por muelle y
- c)
- en el extremo del lado de aspiración del cilindro (1) de la bomba está dispuesta una válvula de fondo (20) que es accionable por medio de la barra de tracción (20) de tal manera que está abierta en la carrera de impulsión y cerrada al invertirse la carrera.
3. Sistema de bomba según la reivindicación 1 ó
2, caracterizado porque en el extremo del lado de impulsión
del cilindro (1) de la bomba está dispuesta una junta (5) para
sellar la barra de tracción (29) con respecto a la carcasa de la
bomba, cuya junta presenta una válvula (4) que puede ser accionada
por la barra de tracción (29) y que está cerrada al ejercer fuerzas
de tracción sobre la barra de tracción (29) y abierta al reponer por
muelle dicha barra de tracción (2).
4. Sistema de bomba según una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la bomba de
pistón se ha introducido desde arriba en el recipiente, de modo que
el lado de aspiración de la bomba de pistón puede sumergirse en el
líquido criógeno y la barra de tracción (29) se extiende fuera del
recipiente a través de un tubo de cuello dispuesto en el extremo
superior de dicho recipiente.
5. Sistema de bomba según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el recipiente ha
sido aislado por vacío.
6. Sistema de bomba según una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque varias (es
decir, al menos dos) bombas de pistón están dispuestas en el
recipiente y están conectadas por el lado de impulsión a una carcasa
de presión común.
7. Sistema de bomba según la reivindicación 6,
caracterizado porque las barras de tracción (29) de las
distintas bombas de pistón están unidas con un accionamiento de
disco oscilante dispuesto por fuera del recipiente.
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