ES2331493T3 - Sistema de aislamiento criogenico con aerogel. - Google Patents
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Abstract
Un método para establecer un sistema de aislamiento criogénico que comprende: (A) proporcionar un espacio de aislamiento que contiene al aerogel y que está definido por una pared interior y una pared exterior; (B) llevar a cabo al menos una presurización y, al menos una despresurización del espacio de aislamiento que contiene al aerogel en donde la presurización comprende proporcionar un gas condensable al espacio de aislamiento que contiene al aerogel y la despresurización es a un nivel por debajo de la presión atmosférica; y (C) refrigerar al menos una pared del espacio de aislamiento que contiene al aerogel a una temperatura inferior a 190 K tal que el gas condensable condense para causar una reducción adicional de la presión que tendrá lugar en el espacio de aislamiento y que el aerogel adsorba alguna cantidad del gas condensable y algo de los gases no condensables presentes en el espacio de aislamiento para causar una reducción adicional de la presión que tendrá lugar en el especio de aislamiento.
Description
Sistema de aislamiento criogénico con
aerogel.
Esta invención se refiere en general a sistemas
de aislamiento y, más concretamente, a sistemas de aislamiento para
su uso a temperaturas criogénicas. Tal sistema de aislamiento se
conoce del documento de número
EP-A-629.810.
Los sistemas de aislamiento criogénicos por
vacío convencionales para recipientes de doble pared requieren un
vacío extremo, por lo general menos de 1 micrómetro de Hg a 0ºC. El
propósito del vacío es reducir la conducción/convección por los
gases. El extremo vacío que se requiere es caro de producir,
requiere de largos tiempos de bombeo a elevada temperatura. Esto
tiene como resultado un elevado coste de fabricación para el equipo
de vacío aislado. Una vez obtenido, el extremo vacío es muy difícil
de mantener durante la vida útil del equipo, que puede ser
normalmente de 15 a 20 años, y en la práctica se comprueba que, a
pesar de todas las precauciones, la presión en el espacio de vacío
inevitablemente aumenta causando una pérdida acusada del
comportamiento. Una alternativa es utilizar un aislamiento de
espuma. Sin embargo, este aislamiento tiene una pérdida de calor
mucho más elevada que la del aislamiento por vacío. A menos que
tomen medidas complejas para sellar frente al ambiente los
aislamientos con espuma, la infiltración de agua provocará que éstos
se degraden rápidamente. En consecuencia, se requiere de un sistema
de aislamiento criogénico que sea fiable lo largo de su vida útil,
que sea barato de fabricar, que tenga un elevado rendimiento, y que
sea relativamente insensible a la pérdida de vacío.
Un método para establecer un sistema de
aislamiento criogénico que comprende:
- (A)
- proporcionar un espacio de aislamiento que contiene al aerogel y que está definido por una pared interior y una pared exterior;
- (B)
- llevar a cabo al menos una presurización y, al menos una despresurización del espacio de aislamiento que contiene al aerogel en donde la presurización comprende proporcionar un gas condensable al espacio de aislamiento que contiene al aerogel; y
- (c)
- refrigerar al menos una pared del espacio de aislamiento que contiene al aerogel a una temperatura inferior a 190 K.
Como se usa en la presente invención, el término
"gas condensable " significa un gas con una presión de vapor
en condiciones de frío que es significativamente más baja que la
presión que se prevé mediante la aplicación de la ley de los gases
perfectos a la temperatura media del espacio de aislamiento.
Normalmente esto tendrá como resultado para el gas condensable un
cambio de fase de gas a sólido. Sin embargo, el aislamiento de
aerogel tiene un área específica extremadamente alta, y cuando se
enfría a temperaturas criogénicas es capaz de absorber una cierta
cantidad de gas.
La única Figura es una representación
simplificada de la sección transversal de una realización de la
invención en donde el espacio de aislamiento está definido por las
paredes de un conducto de doble pared.
La invención es aplicable para su uso con
cualquier estructura o recipiente de doble pared tal como una
conducción de doble pared o un tanque de doble pared. La Figura
muestra una sección de tubo o conducto de doble pared y la
invención se examinará con mayor detalle con referencia a la
Figura.
En relación ahora a la Figura, el espacio de
aislamiento 1 es el volumen definido por la pared interior 2 y la
pared exterior 3 del conducto de doble pared 4. El espacio de
aislamiento 1 contiene al aerogel 5, que puede ser en forma de un
material compuesto de aerogel tal como una esterilla que comprende
al aerogel combinado con boata de fibras, tales como poliéster,
fibra de vidrio, fibra de carbono, fibra de sílice y sus mezclas.
Preferentemente al menos el 75 por ciento del volumen del espacio de
aislamiento está lleno con el aerogel o con el material compuesto de
aerogel.
En la práctica de esta invención se puede usar
cualquier aerogel adecuado. El aerogel preferente en la práctica de
esta invención es aerogel de sílice. El aerogel se puede producir
como un bloque monolítico, como un material particulado en la forma
de gránulos, esferas o partículas pequeñas de polvo, o como una
esterilla de material compuesto de aerogel que incorpora boata de
fibras. Un gel o aerogel es una estructura tridimensional continua,
rígida y coherente de partículas coloidales. Los geles se producen
mediante la agregación de partículas coloidales, normalmente bajo
condiciones ácidas en ausencia de sales neutralizantes para formar
una microestructura de gel tridimensional. Cuando se seca el gel,
es decir, cuando se elimina el líquido de los poros, mediante medios
en los que se preserva la microestructura coherente del gel, tal
como un secado supercrítico, se forma un gel de baja densidad o un
aerogel. En el Documento de Patente de los EE.UU. de número
3.122.520 se describe un proceso adecuado para la producción de un
aerogel. En el Documento de Patente de los EE.UU. de número
6.670.402 se describe un proceso adecuado para la producción de un
material compuesto de aerogel. El aerogel preferentemente es un
aerogel de óxido de metal, particularmente un aerogel de sílice. Las
partículas de aerogel pueden tener cualquier densidad adecuada,
preferentemente aproximadamente 0,05 g/cm^{3} a aproximadamente
0,15 g/cm^{3}. Las partículas de aerogel también pueden tener
cualquier área superficial adecuada, preferentemente al menos
aproximadamente 200 m^{2}/g. El área superficial descrita en la
presente invención se calcula en base a la cantidad de nitrógeno
adsorbido a cinco presiones relativas diferentes en el intervalo de
0,05 a 0,25 atm según el modelo
Brunauer-Emmett-Teller (BET), citado
en Gregg, S. J., y Sing, K. S. W., "Adsorption, Surface Area and
Porosity", pag. 285, Academic Press, Nueva York (1991).
Las partículas de aerogel tienen propiedades
altamente deseables tales como, por ejemplo, transparencia óptica,
extremadamente baja densidad, y muy baja conductividad térmica. Las
partículas de aerogel pueden tener cualquier diámetro adecuado.
Preferentemente, el diámetro de substancialmente la totalidad de las
partículas del aerogel es aproximadamente 0,5 mm o más (por
ejemplo, aproximadamente de 1 mm o más). Más preferentemente, el
diámetro de substancialmente la totalidad de las partículas del
aerogel es aproximadamente 5 mm o menos (por ejemplo,
aproximadamente 0,5 ó 1 mm a aproximadamente 5 mm). El aerogel se
puede emplear en la práctica de esta invención en cualquier forma
adecuada. Por ejemplo, el aerogel se puede incorporar a una
esterilla mediante su mezcla con fibras tales como poliéster, fibra
de vidrio, fibra de carbono, fibras de sílice o de cuarzo,
dependiendo de la aplicación. A continuación, la esterilla de
material compuesto aerogel/fibra se envuelve apretadamente
alrededor de la tubería en una serie de capas. En esta configuración
es posible proporcionar un blindaje contra la radiación mediante la
intercalación de láminas delgadas de un material de baja emisividad,
normalmente, un metal pulido tal como cobre o aluminio. Una segunda
ventaja de esta opción es que el aerogel se puede envolver
utilizando la maquinaria existente para la aplicación de Aislamiento
de Capas Múltiples.
Una segunda opción es llenar el espacio de doble
pared con una forma de material particulado de aerogel. Se disponen
de diversos polvos, gránulos y bolas en tamaños que varían de 0,5 a
5,0 mm. Para llenar un espacio aislante con material particulado es
generalmente deseable orientar la tubería verticalmente para así
llenar el espacio anular desde el fondo hacia arriba. Esto asegura
que no haya espacios vacíos que puedan afectar negativamente al
rendimiento. Existen numerosos métodos disponibles para el manejo de
polvos. El método adecuado para transferir el aerogel es usar un
transportador de vacío.
También es posible empaquetar el aerogel en
bolsas preformadas. Cada bolsa se llena con aerogel y se purga con
un gas condensable, preferentemente dióxido de carbono. A
continuación se evacua la bolsa, idealmente a una presión en el
intervalo de entre 1000 a 10.000 micrómetros, y se sella. Bajo la
presión ambiente se reduce el volumen de la bolsa, por lo que se
ajusta fácilmente en el espacio de aislamiento. Para grandes
espacios de aislamiento tales como recipientes, remolques, etc., se
pueden usar varias bolsas para llenar el espacio de aislamiento.
Para pequeños espacios de aislamiento, tales como conductos la bolsa
se puede preconformar en una forma de carcasa para que se ajuste a
los contornos del espacio de aislamiento. Si los aerogeles se
empaquetan de esta manera, el espacio de aislamiento se debería
purgar con un gas condensable, y evacuarlo a una presión similar a
la presión interna de cada bolsa. Los materiales de las bolsas
adecuados son materiales poliméricos con una permeabilidad lo
suficientemente baja como para permitir que se mantenga el vacío
durante la duración del proceso de montaje. Con este sistema es
necesario asegurar que una parte suficiente del volumen de
aislamiento se llena con las bolsas que contienen al aerogel de tal
forma que cuando las bolsas se expanden no existen espacios
vacíos.
Una tercera opción es combinar el uso de
esterillas de material compuesto de aerogel y partículas de aerogel.
En todos los casos es posible utilizar o una forma hidrófila o una
forma hidrófoba de aerogel. El material particulado de aerogel
hidrófobo se puede comprimir sin perder su estructura, y tiene un
bajo contenido de agua. El aerogel hidrófilo es menos compresible y
tiene una gran afinidad por el agua. Por otra parte, el aerogel
hidrófilo no es inflamable en oxígeno puro, por lo que es más
adecuado para este servicio.
Para sellar el espacio de doble pared se deben
soldar los extremos, de tal manera que el espacio esté
herméticamente sellado. En las proximidades de las soldaduras se
debe usar una esterilla de aerogel de alta temperatura o un
material de fibra de vidrio que no resulte dañado por la alta
temperatura del proceso de soldadura. Cuando se fabrica un conducto
de doble pared, se debe proporcionar un medio para permitir la
expansión diferencial de la tubería interior en relación con el de
la tubería exterior. En general esto se logra suministrando un
fuelle de expansión. A menudo el fuelle se coloca en la carcasa,
porque en este caso, el fuelle está más expuesto a la presión de
vacío que a la presión del proceso. La principal desventaja de esta
ubicación es que a la temperatura de funcionamiento, se reduce la
longitud de la carcasa y se debe diseñar un sistema de apoyo de la
tubería para acomodar el movimiento. A pesar de que el fuelle está
expuesto a daños mecánicos y ambientales, en caso de fallo, la
consecuencia se limita a la pérdida de vacío. Un segundo método para
permitir la expansión térmica diferencial es utilizar secciones de
manguera flexible, ya sea en la tubería interior o en la tubería
exterior.
El espacio de aislamiento que contiene al
aerogel se purga. Preferentemente se usa inicialmente una bomba de
vacío para evacuar el espacio de aislamiento a una presión dentro
del intervalo de 1.000 a 10.000 micrómetros de Hg para eliminar
cualquier humedad o hidrocarburo pesado en el material de aerogel
procedente de la fabricación. A continuación, el espacio de
aislamiento que contiene al aerogel sufre al menos una presurización
y, al menos una despresurización en donde la presurización
comprende proporcionar un gas condensable, tal como dióxido de
carbono gas, es decir, un fluido que comprende al menos 99,5 por
ciento en moles de dióxido de carbono, al espacio de aislamiento
que contiene el aerogel. Otros gases condensables que se pueden usar
incluyen al N_{2}O, R-134a, nitrógeno, oxígeno y
argón. La etapa de presurización puede ser tan alta como la presión
existente en la pared exterior. La etapa de despresurización puede
ser tan alta como una atmósfera o tan baja como 10 micrómetros,
pero normalmente estará dentro del intervalo de 1.000 a 10.000
micrómetros. Preferentemente el espacio de aislamiento que contiene
al aerogel sufre al menos dos de estos ciclos y puede someterse
hasta aproximadamente a 10 de tales ciclos. Preferentemente, la
presión final del espacio de aislamiento siguiente a la última
despresurización está dentro del intervalo de 1.000 a 10.000
micrómetros.
Al menos una pared, preferentemente sólo la
pared del interior, del espacio de aislamiento que contiene al
aerogel se enfría a una temperatura inferior a 190 K.
Preferentemente, este enfriamiento se lleva a cabo mediante el
suministro de un líquido criogénico, tal como el líquido 6 que se
muestra en la Figura, al tanque de doble pared. Líquidos
criogénicos adecuados incluyen nitrógeno líquido, oxígeno líquido,
argón líquido, gas natural licuado, helio líquido y hidrógeno
líquido. A medida que la temperatura dentro del espacio de
aislamiento que contiene al aerogel desciende, y si al menos una
pared o superficie del interior de la estructura de doble pared se
enfría a la temperatura necesaria, tienen lugar una nueva reducción
de la presión. El espacio de aislamiento que contiene al aerogel se
enfría, preferentemente a una temperatura inferior al punto de
congelación del gas condensable a la presión final deseada
(normalmente 1-5 micrómetros). Durante el
enfriamiento, la temperatura dentro del espacio de aislamiento que
contiene al aerogel desciende. Si la pared o superficie de la
estructura de doble pared se enfría a una temperatura igual o
inferior a la del punto de congelación del gas condensable a la
presión existente, el gas condensable, por ejemplo, dióxido de
carbono, migrará hacia las superficies internas y se congelará,
reduciendo aún más la presión en el espacio de aislamiento. El
aerogel; la esterilla, si la hubiera; y los materiales adsorbentes
adsorberán los gases condensables y los gases no condensables
añadiendo fuerza al vacío inicial del espacio de aislamiento, así
como eliminando cualquier fuga que se pudiera producir con el paso
del tiempo.
Durante la operación inevitablemente habrá un
aumento de la presión en el espacio de aislamiento debido a las
fugas a través de pequeños capilares u otras aperturas en el espacio
de vacío, debido a la desgasificación procedente de los materiales
expuestos al espacio de vacío y/o a la permeación de los gases a
través de las paredes del espacio de vacío. Para ser eficaz, el
aislamiento de vacío tradicional requiere un vacío en el intervalo
de 1 a 10 micrómetros. El sistema de vacío con aerogel de esta
invención sigue siendo eficaz en el intervalo de 10 a 10.000
micrómetros en donde la eficacia se define como tener una fuga de
calor inferior a la del aislamiento de tipo de espuma de no vacío.
Dado que la presión de trabajo aceptable para un sistema de vacío
con aerogel es mucho mayor que la de un aislamiento tradicional por
vacío, se puede tolerar una filtración significativa antes de que
ocurra una drástica pérdida del rendimiento del aislamiento. Esto es
un aspecto importante de esta invención ya que no es necesario
tomar complejas medidas para asegurar que la presión en el espacio
de aislamiento que contiene al aerogel sea lo suficientemente baja.
Esto da como resultado un beneficio económico, porque se reduce el
costo para la fabricación del equipo.
Los distintos tipos de aislamiento utilizados en
el almacenamiento y transferencia de líquidos criogénicos se pueden
subdividir convenientemente en cinco categorías (1) vacío; (2)
aislamiento multicapa; (3) aislamiento por fibras y polvos; (4)
aislamiento por espuma; y (5) aislamientos para fines especiales.
Los límites entre estas categorías generales no están definidos.
Por ejemplo, un aislamiento por polvo puede contener un gas o ser
evacuado y enfriado, en este último caso, exhibe propiedades muy
similares a las del aislamiento por vacío. No obstante, este
sistema de clasificación ofrece un marco mediante el cual se pueden
discutir la gran diversidad de tipos de aislamiento criogénicos.
La transferencia de calor a través de estos
aislamientos diversos se puede producir por mecanismos diversos
diferentes, pero generalmente implica la conducción en sólidos, la
conducción y convección en gases y la radiación. El propósito de
todo aislamiento es reducir al mínimo la suma de la transferencia de
calor por estos diversos mecanismos. La conductividad térmica
aparente de un aislamiento, medida experimentalmente para incorporar
todas estas modalidades de transferencia de calor, ofrece el mejor
medio para comparar los diferentes tipos de aislamiento. El espacio
de aislamiento en la práctica de esta invención tiene una
conductividad térmica aparente de menos de 3 mW/mK a una presión
mayor de 10 micrómetros.
Existen diversos diseños mecánicos para el
conducto, que incluyen un fuelle en el tubo interior, un fuelle en
el tubo exterior y un fuelle en el extremo de cada sección. También
hay disponible un conducto flexible. Las esterillas de aerogel
serían adecuadas para su incorporación en este último. En algunos
casos puede ser conveniente incorporar un material de tamiz
molecular, preferentemente lo más cerca posible de la pared interior
como sea posible, para adsorber el oxígeno y el nitrógeno no
deseados que pudieran infiltrarse desde la atmósfera, y/o cualquier
fluido criogénico que pudiera infiltrarse al espacio de aislamiento.
Los aerogeles tienen una muy alta área de superficie específica y
cuando se enfrían a temperaturas criogénicas son capaces de adsorber
algunas cantidades de gases no deseados tales como nitrógeno y
oxígeno. Además, la invención puede incluir cualquiera de las
medidas tradicionalmente usadas para garantizar el vacío como
materiales adsorbentes y tamices moleculares y también puede
incluir un blindaje contra la radiación.
Aunque la invención se ha descrito en detalle
con referencia a ciertas realizaciones preferentes, los expertos en
la técnica reconocerán que existen otras realizaciones de la
invención dentro del espíritu y del alcance de las
reivindicaciones.
Claims (14)
1. Un método para establecer un sistema de
aislamiento criogénico que comprende:
- (A)
- proporcionar un espacio de aislamiento que contiene al aerogel y que está definido por una pared interior y una pared exterior;
- (B)
- llevar a cabo al menos una presurización y, al menos una despresurización del espacio de aislamiento que contiene al aerogel en donde la presurización comprende proporcionar un gas condensable al espacio de aislamiento que contiene al aerogel y la despresurización es a un nivel por debajo de la presión atmosférica; y
- (C)
- refrigerar al menos una pared del espacio de aislamiento que contiene al aerogel a una temperatura inferior a 190 K tal que el gas condensable condense para causar una reducción adicional de la presión que tendrá lugar en el espacio de aislamiento y que el aerogel adsorba alguna cantidad del gas condensable y algo de los gases no condensables presentes en el espacio de aislamiento para causar una reducción adicional de la presión que tendrá lugar en el especio de aislamiento.
2. El método de la reivindicación 1, en donde el
espacio de aislamiento está entre una pared interior y una pared
exterior de un conducto de doble pared.
3. El método de la reivindicación 1, en donde el
espacio de aislamiento está entre una pared interior y una pared
exterior de un tanque de doble pared.
4. El método de la reivindicación 1, en donde el
aerogel está en la forma de una esterilla de aerogel
5. El método de la reivindicación 4, en donde la
esterilla de aerogel comprende aerogel combinado con coata de
fibras.
6. El método de la reivindicación 1, en donde el
aerogel está en forma de material particulado.
7. El método de la reivindicación 1, en donde el
gas condensable es dióxido de carbono.
8. El método de la reivindicación 1, en donde al
menos se llevan a cabo dos ciclos de presurización y
despresurización en el espacio de aislamiento que contiene al
aerogel.
9. El método de la reivindicación 1, en donde el
espacio de aislamiento que contiene al aerogel se enfría mediante
refrigeración procedente de un líquido criogénico.
10. El método de la reivindicación 1, en donde
el espacio de aislamiento que contiene al aerogel además comprende
un blindaje contra la radiación.
11. El método de la reivindicación 1, en donde
el aerogel comprende aerogel de sílice.
12. El método de la reivindicación 1, en donde
el espacio de aislamiento previo al enfriamiento tiene una presión
en el intervalo de 1.000 a 10.000 micrómetros de Hg.
13. El método de la reivindicación 1, en donde
el espacio de aislamiento se evacua previo a dicha presurización
usando una bomba de vacío.
14. El método de la reivindicación 1, en donde
el espacio de aislamiento tiene una conductividad térmica aparente
de menos de 3 mW/mK a una presión mayor de 10 micrómetros de Hg.
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