ES2273642T3

ES2273642T3 - Refrigerador para sistema de separacion de gas criogenico.

Info

Publication number: ES2273642T3
Application number: ES00120673T
Authority: ES
Inventors: Atsushi Air Water Inc. Miyamoto; Shingo Air Water Inc. Kunitani
Original assignee: Air Water Inc
Current assignee: Air Water Inc
Priority date: 1999-09-24
Filing date: 2000-09-21
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2020-09-21
Also published as: JP2001091079A; ATE346271T1; DE60031931D1; EP1087195B1; KR100647965B1; EP1087195A2; JP3584186B2; EP1087195A3; TW477891B; KR20010067201A; CN1290845A; CN1158514C; DE60031931T2

Abstract

Un sistema para separación de gas criogénico que incluye un refrigerador y emplea el frío producido por el refrigerador como una fuente de frío para la separación de un gas, donde el refrigerador incorpora una válvula rotativa para controlar el flujo de un gas de operación, incluyendo la válvula rotativa un elemento rotativo (1) que rota sobre un eje del mismo y que tiene una sección circular transversal perpendicular al eje, y un receptáculo hueco (2) que acomoda el elemento rotativo de una forma que rota y que tiene tres puertos (34, 35 y 36), donde el elemento rotativo (1) puede ser cambiado, mediante rotación, entre una primera posición y una segunda posición, caracterizado en que el elemento rotativo tiene dos sitios ocultos separados (32, 33) colocados en una porción periférica exterior del mismo, sobre lados opuestos del mismo, estando los tres puertos (34-36) coloca -dos en un lado del receptáculo y en posiciones espaciadas axialmente en una pared periférica del mismo, en asociacióncon los sitios ocultos del elemento rotativo, donde un primer par de dichos tres puertos (34, 35), el cual incluye uno central (35) de los tres puertos está adaptado para comunicarse con un primer lugar oculto (32) y un segundo par de dichos tres puertos (35, 36), el cual incluye también el central (35) de los tres puertos adaptado para comunicarse con un segundo lugar oculto (33), estando la válvula rotativa instalada para ser movida entre la primera posición donde el primer lugar oculto (32) del elemento rotativo está alineado con el primer par de puertos (34, 35) del receptáculo para comunicación entre ellos, y el segundo lugar oculto (33) está desplazado y desalineado con el segundo par de puertos (35, 36) de modo que no hay comunicación entre ellos, y la segunda posición donde el segundo lugar oculto (33) del elemento rotativo está alineado con el segundo par de puertos (35, 36) del receptáculo para comunicación entre ellos, y el primer lugar oculto (32) está desplazado y desalineadocon el primer par de puertos (34, 35) de modo que no hay comunicación entre ellos.

Description

Refrigerador para sistema de separación de gas criogénico.

Base de la invención Campo de la invención

La presente invención se relaciona con un sistema para separación de un gas criogénico, el cual emplea frío producido por un refrigerador de acuerdo con el preámbulo de la Reivindicación 1. Tal sistema es conocido a partir de FR-A 2751060.

Descripción de la técnica relacionada

En las Publicaciones de Patentes Japonesas no Examinadas No. 10-206009 (1.998) y No. 10-206010 (1.998) y en la Patente Japonesa No. 3007581 se divulgan sistemas para separación de aire criogénico que emplean un refrigerador compacto de Helio (He). Para conducir tal refrigerador compacto tipificado por un refrigerador de tubo de pulso para estos sistemas para separación de aire criogénico, se requiere una fuente de pulso en la presión y, en algunos casos se requiere un controlador de fase.

La fuente de pulso en la presión y el controlador de fase tienen cada uno válvulas para controlar el flujo de un gas de operación. Refiriéndonos a la Fig. 1, un refrigerador activo de tubo de pulso amortiguado, por ejemplo, incluye una fuente de pulso de la presión que tiene un compresor 91 y un par de válvulas 93, 94 y un controlador de fase que tiene dos tanques de amortiguación 92a, 92b, y un par de válvulas 95, 96. En la Fig. 1 los numerales de referencia 97 y 98 denotan un regenerador y un tubo de pulso, respectivamente.

Las válvulas 93 a 96 son abiertas y cerradas cada una en un ciclo precisamente predefinido. El ciclo abre-cierra es relativamente corto, lo cual suministra típicamente pulsos en la presión desde varios hertz hasta varias decenas de hertz. Por esto, para las válvulas 93 a 96 se emplea generalmente una válvula solenoide ó una válvula compacta rotativa de sello plano, como se muestra en sección en la Fig. 2. La válvula rotativa de sello plano incluye un elemento rotativo 101, que tiene dos puertos 102 y 103 (los cuales se comunican uno con otro vía un paso de comunicación 104), y un elemento estacionario 105 que tiene 3 puertos 106 a 108, y mantenidos en contacto de área con el elemento rotatorio 101. Este elemento rotatorio 101 está adaptado para ser rotado respecto al elemento estacionario 105 mediante la rotación de un motor 109, de modo que los puertos 102, 103 están conectados selectivamente a los puertos 106 a 108 (la conexión de puerto es cambiada entre una posición donde los puertos 107, 108 del elemento estacionario 105 se comunican uno con otro como se muestra en la Fig. 2, y una posición donde los puertos 106, 107 del elemento estacionario 105 se comunican uno con otro como se muestra en la Fig. 3). Así, la válvula rotativa de sello plano mostrada en la Fig. 2 es capaz de cambiar el camino de flujo del gas de operación, en dos vías. Por esto, sólo es necesario suministrar tales válvulas rotativas, una para la fuente de pulso de la presión y otra para el controlador de fase. En las Fig 2. y 3. el numeral de referencia 110 denota un receptáculo que acomoda el elemento rotatorio 101 de una forma que rote. Para la producción de refrigeradores de gran escala y alta eficiencia se requieren un mayor volumen del gas de operación, una frecuencia de operación más alta y un controlador de fase complicado. De cara a la comerciabilidad de tal refrigerador, es deseable emplear una válvula selectora que tenga un tamaño compacto y una larga vida de servicio para el refrigerador y para satisfacer los requerimientos arriba mencionados. Sin embargo, las válvulas selectoras convencionales tipificadas en la válvula solenoide y en la válvula rotativa de sello plano mostradas en la Fig. 25, no puede satisfacer los requerimientos antedichos, haciendo imposible fabricar un refrigerador de gran escala y alta eficiencia.

Más específicamente, donde se emplea una válvula solenoide como válvula selectora, la válvula tiende a tener una construcción complicada y un tamaño mayor, en un intento por incrementar el volumen del gas de operación, de manera que se dificulta la operación de la válvula en alta velocidad. Si la válvula es operada frecuentemente en más alta velocidad, se reducirá drásticamente la vida de servicio de la válvula. Donde se incorpora un controlador de fase al refrigerador, debería incrementarse el número de válvulas para la complicada construcción del controlador de fase, de manera que se incrementa el tamaño total del refrigerador.

Cuando se emplea como válvula selectora una válvula rotativa de sello plano, es necesario incrementar los diámetros del elemento rotativo 101 y el elemento estacionario 105 en un intento por incrementar el diámetro del puerto para el paso de un volumen mayor del gas de operación ó para incrementar el número de puertos para la complicada construcción del controlador de fase. Por esto se incrementan las áreas de contacto del elemento rotativo 101 y el elemento estacionario 105. Puesto que se incrementa la presión ejercida sobre el elemento rotativo 101, de modo correspondiente al incremento del área de contacto del elemento rotativo 101 y el elemento estacionario 105, debería emplearse como motor 109 un motor capaz de suministrar un torque mayor. Esto incrementa el tamaño total de la válvula. Por ésta razón, hasta ahora solo se ha desarrollado un refrigerador de pequeña escala, que tiene una capacidad criogénica del orden de varios vatios.

Por ello, en una unidad de separación del aire que emplea un refrigerador convencional de pequeña escala, la cantidad producida de frío es insuficiente, de manera que debería emplearse una turbina de expansión ó similar, como una fuente auxiliar de frío. Esto genera un incremento en el costo.

De acuerdo con un aspecto de ésta invención, se suministra un sistema de separación de gas criogénico, de acuerdo con la Reivindicación 1.

Preferiblemente, tales sitios ocultos del elemento rotativo suministrados en una porción periférica exterior del mismo, son suministrados axialmente de modo independiente, estando formado cada uno en una ubicación diferente a lo largo del eje del elemento rotativo.

De modo ventajoso, el refrigerador es un refrigerador de tubo de pulso, y el refrigerador de tubo de pulso es un refrigerador que tiene un tanque de amortiguamiento.

Una modalidad preferida de la presente invención suministra un sistema para separación de gas criogénico que puede ser alimentado con una cantidad suficiente de frío empleando un refrigerador que incorpora una válvula selectora compacta y de más larga vida.

Puesto que en la modalidad preferida, los dos sitios ocultos de la válvula rotativa incorporada en el refrigerador son suministrados de modo axialmente independiente, se minimiza el incremento en el diámetro de los elementos rotativos. Esto permite que la válvula rotativa tenga un tamaño reducido y una mayor vida de servicio. El refrigerador puede ser de una mayor escala, tener mayor capacidad y mayor eficiencia. Por ejemplo, el refrigerador puede ser clasificado como un refrigerador de mayor escala que tiene un vatiaje no inferior a varios cientos de vatios. Desde luego el refrigerador puede ser clasificado como un refrigerador de más baja escala que tiene un vatiaje de varios vatios, como en la técnica anterior. El refrigerador de mayor escala, mayor capacidad y mayor eficiencia hace posible operar el sistema para separación de gas criogénico, sin el empleo de cualquier método auxiliar, tal como una fuente auxiliar de frío, permitiendo de éste modo una reducción de costos.

El refrigerador a emplearse en el sistema para separación de gas criogénico puede ser del tipo de tubo de pulso tipo GM (Gifford-McMahon), ó tipo Solvay, pero no está limitado al mismo.

El refrigerador puede estar clasificado como cualquier tipo de refrigerador, en tanto que el refrigerador esté diseñado de modo que las vías de flujo de un gas de operación son cambiadas mediante el cambio de una válvula. En la presente invención, el elemento rotativo tiene una sección transversal circular perpendicular (ó normal) al eje rotativo del elemento. En otras palabras, la sección transversal horizontal del elemento rotativo es circular cuando él es colocado verticalmente cara-arriba y la sección transversal vertical del elemento rotativo es circular cuando dicho elemento rotativo es colocado horizontalmente.

Los subsiguientes y otros objetivos, rasgos y efectos de la presente invención serán más evidentes a partir de la siguiente descripción.

A manera de ejemplo, con referencia a las ilustraciones acompañantes en las cuales

La Fig 1 es un diagrama que ilustra un refrigerador convencional de tubo de pulso

La Fig 2 es un diagrama que ilustra una válvula rotativa de sello plano

La Fig 3 es un diagrama que muestra la operación de la válvula rotativa de sello plano de la Fig 2

La Fig 4 es un diagrama que ilustra un refrigerador empleado en un sistema para separación de gas criogénico, de acuerdo con una modalidad de la presente invención

La Fig 5 es una vista que ilustra un elemento rotativo empleado en una válvula rotativa en el refrigerador de la Fig 4,

Las Fig 6 y 7 son diagramas que muestran la operación de la válvula rotativa que emplea el elemento rotativo de la Fig 5, y

La Fig 8 es un diagrama que ilustra un sistema para separación de gas criogénico, de acuerdo con la invención.

La Fig 4 ilustra un refrigerador de tubo de pulso 121 a ser empleado en el sistema para separación de gas criogénico, de acuerdo con una modalidad de la presente invención. El refrigerador de tubo de pulso de acuerdo con esta modalidad tiene sustancialmente la misma construcción que el refrigerador de tubo de pulso mostrado en la Figura 1, excepto que se emplean respectivamente las válvulas rotativas D como se muestran en las Figuras 5, 6 y 7 en lugar del par de válvulas 93 y 94 y el par de válvulas 95 y 96. Puesto que los otros componentes del refrigerador de tubo de pulso de la Figura 4 son los mismos del refrigerador de tubo de pulso de la Figura 1, los componentes similares son denotados con números de referencia similares.

En las válvulas rotativas D, el elemento rotativo 1 tiene sitios ocultos 32 y 33 respectivamente, formados en una porción periférica exterior de los mismos, sobre lados opuestos de ellos (en el lado izquierdo y lado derecho de los mismos en la Figura 5). El receptáculo 2 tiene tres puertos 34 a 36 formados en una pared circunferencial del mismo, sobre uno de sus lados (sobre el lado izquierdo en la figura 6), estando los puertos 34 y 35 adaptados para comunicarse con el lugar oculto 32, estando los puertos 35 y 36 adaptados para comunicarse con el lugar oculto 33. Cuando se rota el elemento rotativo 1 hasta la posición que muestra la Figura 6, se comunican los puertos 34 y 35 con el lugar oculto 32, para permitir que un gas de operación fluya a través de ellos. En este momento, los puertos 35 y 36 no se comunican con el lugar oculto 33, de modo que se evita que el gas de operación fluya a través de ellos. Cuando se rota el elemento rotativo 1 desde ésta posición hasta la posición mostrada en la Figura 7, se comunican los puertos 35 y 36 con el lugar oculto 33, para permitir que un gas de operación fluya a través de ellos. En este momento, los puertos 34 y 35 no se comunican con el lugar oculto 32, de modo que se evita que el gas de operación fluya a través de ellos. Aunque en ésta modalidad se emplean dos válvulas rotativas D, la disposición de las válvulas rotativas no está limitada a ello. Por ejemplo, puede emplearse una sola válvula rotativa D en lugar del par de válvulas 93 y 94 ó el par de válvulas 95 y 96. Puesto que el elemento rotativo 1 de la válvula rotativa D tiene un diámetro pequeño y por tanto una menor sección transversal, puede minimizarse la influencia de la carga de presión ejercida sobre el elemento rotativo 1. Donde se suministra un sello (no mostrado) entre el elemento rotativo 1 y el receptáculo 2, puede reducirse el torque generado por la fricción del sello, puesto que se reduce la velocidad circunferencial del diámetro exterior del elemento rotativo 1. La reducción en la carga de presión y en el torque generados por la fricción del sello, reduce el poder requerido para la rotación del motor suministrado para mover la válvula. Como resultado, puede emplearse un motor compacto de alta velocidad. Además, la reducción de la velocidad circunferencial del elemento rotativo 1, hace posible extender la vida de servicio del sello (el cual es suministrado entre el elemento rotativo 1 y el receptáculo 2) e incrementar la velocidad rotacional del elemento rotativo 1. Puesto que en la modalidad preferida, las cargas ejercidas axial y radialmente sobre el elemento rotativo 1 son recibidas por soportes, se reduce la carga ejercida sobre el motor, con lo cual puede minimizarse el poder requerido para la rotación del motor. La carga de presión ejercida sobre el elemento rotativo 1 es adicionalmente reducida por los soportes que soportan el elemento rotativo 1. Esto permite la reducción del tamaño de éste elemento y del motor, de modo que pueden minimizarse los tamaños totales de las válvulas rotativas D.

Se construye un sistema para separación de gas criogénico, como se muestra en la Figura 8, de modo que el refrigerador de tubo de pulso 121 mostrado en le Figura 4, es incorporado en una unidad de separación de aire (unidad de producción de gas nitrógeno de un tipo de columna simple) y se usa el refrigerador de tubo de pulso 121 para enfriar el aire de alimentación. Más específicamente, el aire de alimentación que es comprimido hasta una presión predeterminada a una temperatura aumentada, por un compresor 122 de aire de alimentación, es enfriado hasta una temperatura cercana a 25ºC mediante un intercambiador de calor 123 enfriado por agua.

Después de que el H_{2}O y el CO_{2} han sido casi completamente removidos del aire de alimentación mediante una unidad 124 de remoción de H_{2}O/CO_{2} ó similar, el aire de alimentación resultante es suministrado a una caja fría 125. En la caja fría 125, el gas de alimentación fluye a través de un intercambiador de calor principal 126 y es enfriado hasta una temperatura de condensación del mismo, y luego fluye a través de una porción fría extractora 127, del refrigerador de tubo de pulso 121, de modo que se incrementa la cantidad de aire de alimentación condensado. Se suministra el aire de alimentación resultante a una porción más baja de una columna de rectificación 128. La capacidad de enfriamiento del refrigerador de tubo de pulso 121 es equivalente a la suma de la cantidad de calor introducido desde la temperatura ambiente hasta la caja fría 125, la pérdida por transferencia de calor del intercambiador de calor principal 126, y la energía de condensación requerida para la extracción de un producto condensado.

A través de la columna de rectificación 128 fluye hacia arriba una porción de aire gaseoso del aire de alimentación suministrado a la parte inferior de dicha columna. En el fondo de la columna de rectificación 128 se acumula una porción de aire líquido del aire de alimentación, que luego es suministrada como un refrigerante al condensador 129, localizado sobre la columna de rectificación 128. En el condensador 129, el refrigerante condensa el gas N_{2} en una porción superior de la columna de rectificación 128, y luego es retornado como un líquido de reflujo hasta la porción superior de la columna de rectificación 128. Se rectifica el aire de alimentación mediante el líquido de reflujo y el gas ascendente, y se separa el gas N_{2} del aire, y se le extrae de la porción superior de la columna de rectificación 128. Luego de que se recupera el frío mediante el intercambiador de calor principal 126, se retira el producto gas N_{2}. En la Figura 8, los numerales de referencia 130 y 131 denotan una válvula de expansión y una vía de salida de gas agotado, respectivamente.

En el sistema de separación de aire, se emplea el refrigerador de tubo de pulso 121 mostrado en la Figura 4 para el enfriamiento del aire de alimentación (todo ó parte del aire de alimentación de salida del intercambiador de calor principal 126, es enfriado por el refrigerador de tubo de pulso 121), pero los objetos a ser enfriados no están limitados a él. Por ejemplo, el producto gas nitrógeno, el gas agotado, el gas de la columna de rectificación 128, el aire condensado y similares pueden ser enfriados por el refrigerador de tubo de pulso 121. De modo alternativo, el refrigerador de tubo de pulso 121 puede enfriar y condensar el aire de alimentación en una entrada del intercambiador de calor principal 126, ó el producto gas nitrógeno ó el gas agotado en las salidas del intercambiador de calor principal 126, y puede suministrarse el gas condensado a una porción criogénica de la caja fría 125. Donde es insuficiente la cantidad de frío producido por el refrigerador de tubo de pulso 121, pueden suministrarse dentro de la caja fría nitrógeno líquido, oxígeno líquido ó similares, para responder por cualquier suministro insuficiente de frío. En el sistema para separación de gas criogénico mostrado en la Figura 8, la unidad de separación del aire está clasificada como una unidad de producción de gas nitrógeno de un tipo de columna simple, pero también puede ser clasificado como una unidad común de producción de gas nitrógeno de un tipo de columna dual. El sistema para separación de gas criogénico mostrado en la Figura 8, está construido de modo que el refrigerador de tubo de pulso 121 mostrado en la Figura 4 está incorporado en la unidad de separación de aire, pero puede ser empleado para la separación de varias mezclas de gases, siempre que la separación de la mezcla de gas sea ejecutada a través de un proceso de separación de gas criogénico.

Claims

1. Un sistema para separación de gas criogénico que incluye un refrigerador y emplea el frío producido por el refrigerador como una fuente de frío para la separación de un gas, donde el refrigerador incorpora una válvula rotativa para controlar el flujo de un gas de operación, incluyendo la válvula rotativa un elemento rotativo (1) que rota sobre un eje del mismo y que tiene una sección circular transversal perpendicular al eje, y un receptáculo hueco (2) que acomoda el elemento rotativo de una forma que rota y que tiene tres puertos (34, 35 y 36), donde el elemento rotativo (1) puede ser cambiado, mediante rotación, entre una primera posición y una segunda posición, caracterizado en que el elemento rotativo tiene dos sitios ocultos separados (32, 33) colocados en una porción periférica exterior del mismo, sobre lados opuestos del mismo, estando los tres puertos (34-36) colocados en un lado del receptáculo y en posiciones espaciadas axialmente en una pared periférica del mismo, en asociación con los sitios ocultos del elemento rotativo, donde un primer par de dichos tres puertos (34, 35), el cual incluye uno central (35) de los tres puertos está adaptado para comunicarse con un primer lugar oculto (32) y un segundo par de dichos tres puertos (35, 36), el cual incluye también el central (35) de los tres puertos adaptado para comunicarse con un segundo lugar oculto (33), estando la válvula rotativa instalada para ser movida entre la primera posición donde el primer lugar oculto (32) del elemento rotativo está alineado con el primer par de puertos (34, 35) del receptáculo para comunicación entre ellos, y el segundo lugar oculto (33) está desplazado y desalineado con el segundo par de puertos (35, 36) de modo que no hay comunicación entre ellos, y la segunda posición donde el segundo lugar oculto (33) del elemento rotativo está alineado con el segundo par de puertos (35, 36) del receptáculo para comunicación entre ellos, y el primer lugar oculto (32) está desplazado y desalineado con el primer par de puertos (34, 35) de modo que no hay comunicación entre ellos.

2. Un sistema para separación de gas criogénico como se definió en la Reivindicación 1, donde dichos sitios ocultos (32, 33) del elemento rotativo, colocados en una porción periférica exterior del elemento rotativo (1) son suministrados de modo axialmente independiente, estando cada uno formado en una ubicación diferente a lo largo del eje del elemento rotativo.

3. Un sistema para separación de gas criogénico como se definió en la Reivindicación 1 ó 2, donde el refrigerador es un refrigerador de tubo de pulso y el refrigerador de tubo de pulso es un refrigerador que tiene tanque de amortiguamiento (92A ó 92B).