ES2263765T3 - Procedimiento y dispositivo para el rellenado de recipientes a presion con gases o mezclas de gases permanentes de bajo punto de ebullicion. - Google Patents

Procedimiento y dispositivo para el rellenado de recipientes a presion con gases o mezclas de gases permanentes de bajo punto de ebullicion.

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Abstract

Procedimiento para el rellenado de recipientes (5) a presión con una mezcla de gases o gas permanente de bajo punto de ebullición, en el que un gas o mezcla de gases se alimenta como gas de llenado a un recipiente (5) a presión, refrigerándose el recipiente (5) a presión antes de y/o durante la alimentación del gas de llenado y comprimiéndose el gas de llenado en el recipiente (5) a presión mediante refrigeración, caracterizado porque el gas de llenado se almacena en el interior del recipiente (5) a presión en estado gaseoso.

Description

Procedimiento y dispositivo para el rellenado de recipientes a presión con gases o mezclas de gases permanentes de bajo punto de ebullición.
La invención se refiere a un procedimiento para el rellenado de recipientes a presión con gases o mezclas de gases permanentes de bajo punto de ebullición.
Con el término "mezclas de gases o gases permanentes" se designan aquí los gases o mezclas de gases que, a causa de la situación de su temperatura crítica a temperatura ambiente, no se pueden licuar sólo mediante un aumento de la presión. A este respecto son de un significado económico especial particularmente el hidrógeno y el gas natural, que se utilizan, por ejemplo, como suministradores de energía en depósitos de vehículos para propulsiones - pilas de combustible.
Para poder almacenar gases con una densidad de almacenamiento elevada, el almacenamiento tiene lugar en estado o bien líquido o bien gaseoso a presiones elevadas. El almacenamiento en el estado líquido, si bien permite una densidad de almacenamiento muy elevada, sólo es posible si se asumen pérdidas de vapor de escape más o menos grandes, que también son inevitables en recipientes con un buen aislamiento térmico.
Para el almacenamiento a presión de gases hasta el momento se utilizaron mayoritariamente compresores, que permiten una presión de funcionamiento en el recipiente a presión de aproximadamente 200 bar. Sin embargo, los compresores son muy costosos en cuanto a su construcción y funcionamiento, además las aplicaciones más nuevas, especialmente en la técnica de pilas de combustible, conducen a la necesidad de presiones mucho más elevadas de 700 bar o superiores. Las presiones de este tipo no se pueden materializar o sólo con un coste insosteniblemente elevado con la técnica de compresión convencio-
nal.
Una solución la ofrece el procedimiento de rellenado en frío que se describe, por ejemplo, en los documentos EP-0033386A1 ó WO99/5465. A este respecto, antes del rellenado el gas que se va a llenar en el recipiente a presión se licua o se refrigera hasta una temperatura que se encuentra sólo ligeramente por encima de su punto de ebullición. A este respecto, sirve como agente refrigerante preferido el nitrógeno líquido. Dado que el volumen de gas se comporta durante la refrigeración (a presión constante) aproximadamente de forma proporcional a la temperatura, se consigue de este modo un aumento de la capacidad de almacenamiento efectiva en un factor de aproximadamente 2-3. Dado que durante el calentamiento del recipiente aumenta mucho la presión interna, o bien se requiere un buen aislamiento del recipiente o bien los recipientes se deben concebir para presiones internas elevadas.
Los procedimientos conocidos que funcionan con rellenado en frío se ven afectados por inconvenientes fundamentales. Por un lado la licuefacción de hidrógeno sólo es posible con un coste muy elevado. Por otro lado, el rellenado del recipiente a presión con el gas frío conduce, ya durante el procedimiento de rellenado, mediante el contacto con el recipiente a presión que se va a rellenar, a un calentamiento y, por consiguiente, a una expansión del gas, mediante lo cual se reduce claramente el aumento de presión posterior y, por consiguiente, la capacidad de almacenamiento que se puede alcanzar.
Según esto, es objetivo de la presente invención proporcionar un procedimiento económico para el rellenado de un recipiente a presión con gas, que permite el almacenamiento a presiones elevadas.
El documento US 5.837.027 se considera el estado de la técnica más próximo, y corresponde a la parte introductoria de la reivindicación 1.
Este objetivo se soluciona mediante un procedimiento con las características de la parte caracterizadora de la reivindicación 1.
Entonces, según la invención se refrigera el recipiente a presión antes o durante la alimentación de un gas de llenado. Así el gas de llenado se refrigera mucho durante el llenado en la pared del recipiente y reduce su volumen. Dado que el recipiente a presión está refrigerado, no tiene lugar (a diferencia de los procedimientos de rellenado en frío según el estado de la técnica) ninguna anulación parcial de la compresión mediante el contacto del gas de llenado con el recipiente a presión durante el procedimiento de rellenado. De este modo se puede alcanzar en el calentamiento posterior del recipiente a presión una subida de la presión interna de hasta cinco veces la presión de llenado.
El gas de llenado se puede alimentar al recipiente a presión tanto en estado caliente como refrigerado. Sin embargo, con una refrigeración previa del recipiente a presión se puede aumentar adicionalmente la capacidad de almacenamiento efectiva. Una refrigeración adecuada puede tener lugar, por ejemplo, por nitrógeno líquido.
La capacidad de almacenamiento que se puede alcanzar está determinada de manera decisiva por la presión del gas de llenado durante el llenado. A presiones de llenado superiores a 100 bar y una temperatura de 77 K (-196ºC), en el procedimiento según la invención se pueden alcanzar aumentos de presión de aproximadamente cinco veces. Si el gas de llenado se encuentra durante el llenado a una presión de por ejemplo 200 a 250 bar, en recipientes mixtos modernos se pueden alcanzar también presiones internas permitidas de desde 1.000 hasta más de 1.200 bar.
Es especialmente ventajoso refrigerar el recipiente a presión, antes de la alimentación del gas de llenado, en un baño de agente refrigerante con nitrógeno líquido y, a este respecto, llevarlo hasta una temperatura que corresponde al menos aproximadamente a la temperatura del nitrógeno líquido.
Preferiblemente, mediante el contacto térmico con el recipiente a presión y/o en el refrigerador previo, el gas de llenado se lleva hasta una temperatura que se encuentra por encima de su punto de ebullición, es decir, se rellena el gas de llenado en estado gaseoso. De este modo, es innecesaria la muy costosa licuefacción del gas de llenado, especialmente en el caso del hidrógeno.
Un dispositivo correspondiente presenta un baño de agente refrigerante que se puede llenar con un agente refrigerante, por ejemplo nitrógeno, y que es adecuado para el alojamiento desmontable de al menos un recipiente a presión. Por lo demás, el dispositivo según la invención presenta una tubería de llenado para rellenar el o los recipientes a presión con un gas de llenado, por ejemplo hidrógeno, que está dotada de una reserva de gas de llenado, por ejemplo un depósito, una tubería o un dispositivo de producción de gas, conectado a la corriente y de un empalme para la unión desmontable con el recipiente a presión.
Como reserva de gas de llenado para el rellenado de recipientes a presión con hidrógeno, en una forma de realización preferida se prevé un depósito de presión media de hidrógeno, que permite el almacenamiento de larga duración de hidrógeno en estado líquido.
De manera conveniente, la tubería de llenado entre la reserva de gas de llenado y el empalme para el o los recipientes a presión atraviesa un intercambiador de calor accionado con un agente refrigerante, preferiblemente nitrógeno líquido, que refrigera el gas de llenado hasta al menos aproximadamente la temperatura del agente refrigerante, es decir, por ejemplo la temperatura del nitrógeno líquido.
Usos preferidos del procedimiento según la invención se encuentran en el rellenado de recipientes a presión, por ejemplo depósitos de vehículos o acumuladores de energía para aparatos de telefonía móvil u ordenadores portátiles. Las propulsiones - pilas de combustible se consideran cada vez más como alternativas a tener en cuenta de manera seria con respecto a las propulsiones habituales para vehículos. La pila de combustible necesita como reactantes una fuente de energía química, habitualmente hidrógeno, y oxígeno. Mientras que el oxígeno, de manera similar a como en un motor de combustión, se puede extraer en la mayoría de los casos del aire del entorno, para el hidrógeno se necesitan sistemas de almacenamiento. A este respecto, el hidrógeno se almacena o bien directamente o como componente de otra sustancia, por ejemplo metanol o gas natural. Sin embargo, mientras que el almacenamiento del hidrógeno en forma de metanol requiere un sistema relativamente complejo y caro para el aprovechamiento de la energía del hidrógeno (reformador), los sistemas que almacenan el hidrógeno directamente, especialmente en forma gaseosa a presión, son más sencillos en su estructura y en su utilización. Las pilas de combustible de poco volumen pueden servir, por ejemplo, como fuentes de energía ideales para ordenadores portátiles o teléfonos móviles.
Mediante el dibujo se pretende explicar con más detalle a continuación un ejemplo de realización de la invención.
El único dibujo (figura 1) muestra esquemáticamente un dispositivo para el rellenado de recipientes a presión con hidrógeno.
El dispositivo 1 comprende un baño 2 de agente refrigerante en cuya zona superior están previstas aberturas 4 de alimentación para recipientes 5 a presión que se van a rellenar. El baño 2 de agente refrigerante está conectado a la corriente a través de una tubería 7 con un depósito 8 para nitrógeno líquido. En estado de funcionamiento, el baño 2 de agente refrigerante se rellena con nitrógeno líquido 3 de tal manera que, tras la introducción de los recipientes 5 a presión, alrededor de éstos fluye, al menos principalmente, nitrógeno líquido 3. Las paredes exteriores del baño de agente refrigerante están dotadas de un aislamiento térmico 6, mediante el cual se impide una evaporación rápida del nitrógeno líquido 3 del baño 2 de agente refrigerante. Para evacuar el nitrógeno evaporado sirve una tubería 9 de evacuación de gas.
Separada de las aberturas 4 de alimentación del baño 2 de agente refrigerante se dispone una armadura 10 de empalme, que está conectada a la corriente a través de una tubería 11 de llenado con una reserva 12 de hidrógeno. Como reserva 12 de hidrógeno se puede prever, por ejemplo, un depósito a presión, en el que se almacena el hidrógeno a temperatura ambiente a presiones elevadas, por ejemplo 200 bar, o también un depósito de presión media aislado térmicamente, que está lleno de hidrógeno licuado. La armadura 10 de empalme está dotada de uno o varios tubos flexibles 14 de llenado, que se pueden unir de manera desmontable con los recipientes 5 a presión. El número de tubos flexibles 14 de llenado depende de la cantidad máxima de los recipientes 5 a presión que se pueden empalmar a la armadura 10 de empalme. O sea, en el ejemplo de realización aparecen en total cinco tubos flexibles 14 de llenado.
En la utilización según la definición del dispositivo 1, los recipientes 5 a presión que se van a rellenar se introducen en las aberturas 4 de alimentación del baño 2 de agente refrigerante lleno de nitrógeno líquido 3 y se fijan de una manera desmontable no mostrada aquí. Al introducir los recipientes 5 a presión, una parte del nitrógeno líquido 3 se evapora del baño 2 de agente refrigerante y se evacua a través de la tubería 9 de evacuación de gas. Se sustituye por nitrógeno líquido que se extrae del depósito 8. En el estado de funcionamiento del baño 2 de agente refrigerante, los recipientes 5 a presión se bañan en su mayor parte con nitrógeno líquido 3.
Posteriormente se unen los recipientes 5 a presión con los tubos flexibles 14 de llenado y se abren las válvulas 17 en los recipientes 5 a presión. El hidrógeno determinado para el rellenado de los recipientes 5 a presión se extrae de la reserva 12 de hidrógeno. Se puede refrigerar previamente en un intercambiador 16 de calor. A este respecto el intercambiador 16 de calor se hace funcionar o bien con nitrógeno líquido, que se puede extraer, por ejemplo, directamente del depósito 8 a través de una tubería 19, o bien con nitrógeno gaseoso frío de la evaporación en el baño 2 de agente refrigerante, que se introduce a la corriente a través de una conexión 18 con la tubería 9 de evacuación de gas. Mediante esto último se aprovecha mejor la energía de refrigeración del nitrógeno y, por consiguiente, aumenta la eficacia económica del procedimiento.
También es posible extraer el hidrógeno en estado líquido o gaseoso frío de un depósito de presión media. En este caso es innecesaria la intercalación de un intercambiador 17 de calor.
Preferiblemente el hidrógeno se encuentra en la reserva 12 de hidrógeno a presión y/o se lleva hasta una presión de llenado determinada antes de alcanzar la armadura 10 de empalme, a través de medios adecuados, por ejemplo compresores. También es imaginable utilizar un recipiente 5 a presión, rellenado ya a alta presión en el dispositivo 1, como reserva 12 de hidrógeno para el rellenado de recipientes a presión adicionales, preferiblemente más pequeños.
El hidrógeno fluye a través de la armadura 10 de empalme a los tubos flexibles 14 de llenado y desde allí a los recipientes 5 a presión. A consecuencia de la refrigeración en el intercambiador 17 de calor o mediante el contacto con los recipientes 5 a presión llevados hasta la temperatura del nitrógeno, el hidrógeno se comprime considerablemente. El proceso de rellenado se puede finalizar en cualquier momento, incluso antes de alcanzar un equilibrio de presión entre los recipientes 5 a presión y la reserva 12 de hidrógeno. Tras la finalización del proceso de rellenado se cierran las válvulas 16 y se extraen los recipientes a presión del baño 2 de agente refrigerante. A consecuencia del calentamiento posterior de los recipientes 5 a presión hasta la temperatura exterior, en los recipientes tiene lugar un fuerte aumento de la presión hasta una presión de funcionamiento de desde por ejemplo 400 hasta 1.200 bar, que con la técnica de compresión convencional sólo se puede conseguir con un coste desproporcionadamente elevado.
El procedimiento permite un rellenado extraordinariamente rápido de los recipientes a presión; se evitan los efectos que en los procedimientos según el estado de la técnica reducen la compresión del gas por el calentamiento del gas frío rellenado a consecuencia del contacto con el recipiente caliente. El dispositivo es adecuado especialmente para el rellenado de depósitos de vehículos. Los depósitos de este tipo, que pueden presentar en un automóvil de clase media una capacidad de desde 100 l hasta 500 l, se pueden dividir, por ejemplo, en módulos separables entre sí, que poseen en cada caso una capacidad de 10-50 l. Para el rellenado se sumergen los módulos en cada caso en un baño con nitrógeno líquido y se rellenan con un combustible gaseoso, por ejemplo hidrógeno o gas natural. Otra posibilidad de uso para el dispositivo según la invención es el rellenado de recipientes a presión de poco volumen o cartuchos para sistemas de pilas de combustible, que se pueden utilizar como fuentes de electricidad, por ejemplo, para teléfonos móviles u ordenadores portátiles.
Ejemplo
Se introduce hidrógeno de un haz de botellas a 200 bar como reserva 12 de hidrógeno en un recipiente 5 a presión con una capacidad de 10 l. Durante el proceso de rellenado, el recipiente 5 a presión Se sumerge en nitrógeno líquido con una temperatura de aproximadamente 77 K (-196ºC). A este respecto, no es esencialmente necesaria una refrigeración previa del hidrógeno introducido, pero sí adecuada para aumentar la eficacia económica. El hidrógeno de la reserva fluye a través de la válvula 16 abierta al recipiente 5 a presión de recepción y se refrigera en éste. Tras aproximadamente 2 minutos se establece entre el haz de botellas y el recipiente a presión un equilibrio de presión, se consigue una densidad de hidrógeno posible máxima en el recipiente a presión. Se finaliza el proceso de rellenado mediante el cierre de la válvula 16. Posteriormente se extrae el recipiente a presión del baño de agente refrigerante. En el calentamiento posterior del recipiente a presión hasta la temperatura exterior se alcanza una presión en el recipiente a presión de aproximadamente 1.000 bar.
Lista de números de referencia
1.
Sistema de almacenamiento de hidrógeno
2.
Baño de agente refrigerante
3.
Nitrógeno líquido
4.
Aberturas de alimentación
5.
Recipiente a presión
6.
Aislamiento térmico
7.
Tubería de alimentación
8.
Depósito
9.
Tubería de evacuación de gas
10.
Armadura de empalme
11.
Tubería de llenado
12.
Reserva de hidrógeno
13.
-
14.
Tubo flexible de llenado
15.
-
16.
Válvulas
17.
Intercambiador de calor
18.
Conexión a la corriente
19.
Tubería

Claims (6)

1. Procedimiento para el rellenado de recipientes (5) a presión con una mezcla de gases o gas permanente de bajo punto de ebullición, en el que un gas o mezcla de gases se alimenta como gas de llenado a un recipiente (5) a presión, refrigerándose el recipiente (5) a presión antes de y/o durante la alimentación del gas de llenado y comprimiéndose el gas de llenado en el recipiente (5) a presión mediante refrigeración, caracterizado porque el gas de llenado se almacena en el interior del recipiente (5) a presión en estado gaseoso.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el gas de llenado se refrigera antes de la alimentación al recipiente (5) a presión en un refrigerador previo (17).
3. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el gas de llenado se alimenta al recipiente (5) a presión a una presión de llenado predeterminada, preferiblemente superior a 100 bar.
4. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el recipiente (5) a presión se refrigera antes de la alimentación del gas de llenado en un baño (2) de agente refrigerante con nitrógeno líquido (3) y, mediante esto, se lleva al menos aproximadamente hasta la temperatura del nitrógeno líquido.
5. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el gas de llenado se refrigera mediante el contacto térmico con el recipiente (5) a presión y/o en el refrigerador previo (17) hasta una temperatura superior a su punto de ebullición.
6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque los recipientes (5) a presión son recipientes a presión para pilas de combustibles y/o para vehículos accionados con combustible gaseoso.
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