ES2598171B2 - Canalización aislada térmicamente y con extracción de calor, con interior a muy baja temperatura - Google Patents

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
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    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Abstract

Canalización aislada térmicamente y con extracción de calor, con interior a muy baja temperatura.#Dispositivo que usa fuentes criogénicas para hacer circular un fluido enfriador por unas conducciones bien adyacentes, o bien inmersas en unos recipientes longitudinales que conforman las paredes de la canalización, habiendo dentro de los recipientes, que son herméticos, un fluido que, o bien se congela, o bien se enfría por debajo de su punto triple, con la consiguiente disminución de conductividad térmica efectiva a través de dicho dispositivo, que se configura en su sección recta como una superposición de coronas circulares, estructuradas como haces seleccionados entre recipientes circulares, o recipientes abovedados.

Description

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CANALIZACION AISLADA TERMICAMENTE Y CON EXTRACCION DE CALOR, CON INTERIOR A MUY BAJA TEMPERATURA
DESCRIPCION
Sector de la tecnica
La invencion se encuadra en el campo de la ingenierla termica, particularmente en aplicaciones que necesitan una conduccion o canalizacion por cuyo interior circule un fluido o este desplegado un cable que ha de mantenerse a muy baja temperatura, por ejemplo, para aplicaciones de superconductividad.
Problema tecnico a resolver y antecedentes de la invencion
El problema consiste en configurar un sistema estructural con la adecuada resistencia mecanica, que ofrezca una gran resistencia al paso del calor a su traves, para conservar el interior de la canalizacion a temperaturas muy por debajo de la del exterior.
Hay un alto numero de catalogos de aislantes termicos as! como documentos, tanto cientlficos como de propiedad industrial, que divulgan montajes con sucesivas capas, incluyendo paneles de vaclo (o mas propiamente, de muy baja densidad del gas interior que rellena el panel), como tambien existen planchas de material expandido, como poliuretano y poliestireno.
El problema es compaginar el aislamiento termico con la resistencia mecanica, pues cuando se dispone una estructura muy solida, se crean puentes termicos y se resiente el aislamiento, dado que hay una buena conduccion por dichos puentes.
El modelo de utilidad con numero de publication 1142732 "Panel rlgido de aislamiento termico con vaclo interior” divulga una manera mecanica de hacer el vaclo, por suction, totalmente distinta de lo presentado en esta invencion, tanto en la disposition de elementos como en el mecanismo flsico empleado en cada caso.
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Explicacion de la invencion
La invencion aprovecha los cambios de estado producidos por la extraction de calor para constituir una pared aislante, bien por las propiedades termicas de la masa solidificada, o congelada, bien por la fuerte disminucion de densidad que se provoca en un tubo o prisma hermetico, inicialmente relleno de un gas a presion especificada, y mediante otro fluido que pasa por un conducto adyacente a temperatura por debajo de la del punto triple del fluido dicho en primer lugar.
La invencion utiliza fuentes de frlo, o criogenicas, que no son objeto de esta invencion, y que pueden estar constituidas por una escalera o sucesion de fuentes con distintos fluidos de trabajo en su ciclo termodinamico, de tal modo que la rama caliente de un ciclo este a temperatura unos grados Celsius por encima de la rama frla del ciclo que trabaja en el nivel inmediato superior de temperatura, hasta llegar a temperatura ambiente.
La invencion consiste en utilizar fuentes criogenicas donde se enfrla un fluido enfriador que enfrla a otro fluido, llamado fluido enfriado, contenido en unos recipientes hermeticos que constituyen una capa de geometrla cillndrica, o prismatica, generalmente de longitud mucho mayor que su tamano transversal, en cuyos recipientes el fluido enfriado experimenta una transformation termodinamica seleccionada entre
- congelation del fluido enfriado, inicialmente contenido en uno o varios recipientes que forman una figura geometrica con continuidad, teniendo dicho fluido la propiedad de congelarse formando un solido continuado y con piezas que se fusionan, como es el caso del agua, al formar hielo; produciendose dicha congelacion por la accion del fluido enfriador que discurre por tuberlas adyacentes o internas a los recipientes referenciados, estando el fluido enfriador refrigerado por al menos una fuente criogenica;
- solidification parcial en el seno de los recipientes porque el fluido en ellos contenido se enfrla por debajo de su punto triple, por la action enfriadora de otro fluido, enfriador, de temperatura de su punto triple por debajo de la del fluido enfriado, estando a su vez el fluido enfriador refrigerado por al menos una fuente criogenica.
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La disposition relativa entre los espacios ocupados por el fluido que se enfrla por debajo de su punto triple, y el fluido enfriador, se selecciona entre
- un haz o pluralidad de recipientes cillndricos que se disponen en forma de corona circular, adyacente cada recipiente con sus dos recipientes vecinos, siendo esos recipientes los que contienen hermeticamente el fluido que se enfrla por debajo de su punto crltico, y estando recorridos dichos recipientes, a lo largo, por conducciones asimismo cillndricas por las que circula el fluido enfriador, que va desde una fuente criogenica a otra situada a cierta distancia, o va hasta el final de un tramo por unas conducciones y vuelve a la misma fuente criogenica por otras conducciones paralelas a las de ida;
- un haz o pluralidad de recipientes de forma abovedada que se disponen asimismo en forma de corona circular, estando cerrada la corona circular por el exterior por una superficie cillndrica que es tangente al apice de las bovedas, y estando cerrada la corona circular por su interior por otra superficie cillndrica en la que apoyan ambos estribos de cada recipiente abovedado, estando las bovedas hermeticamente cerradas por sus extremos, y originalmente llenas del fluido que se enfrla por debajo de su punto crltico, y circulando el fluido enfriador por el extrados de las bovedas, desde una fuente criogenica a otra, o bien en ida y vuelta, por diferentes conductos de extrados, desde una fuente criogenica a ella misma.
Las coronas circulares antedichas pueden apilarse en sentido radial, usando gases a enfriar y fluidos enfriadores, de temperaturas de punto triple respectivamente mas bajas para cada corona, cuanto mas interior sea esta.
Cada corona circular se compone de dos semi-coronas, una inferior y otra superior, que se ajustan por geometrla, pero que son independientes en recipientes hermeticos y conducciones.
En lo que corresponde a las capas de congelation, se constituye una de estas por una mitad inferior en forma de U y una tapadera horizontal superior con forma de losa.
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Explicacion de las figuras
Las figuras, en general, no estan a escala, pues los tamanos relativos de los elementos son muy dispares; pero son representativas de la invencion y de sus principios de funcionamiento.
La figura 1 muestra un esquema, en seccion recta, de la capa generada por congelacion.
La figura 2 muestra el esquema longitudinal del montaje, entre dos fuentes criogenicas que estan en sus extremos.
La figura 3 muestra la seccion recta de dos capas de aislante generadas por vaclo parcial inducido por enfriar un gas por debajo de su punto triple, en recipientes cillndricos.
La figura 4 corresponde a uno de los recipientes cillndricos de la figura anterior.
La figura 5 corresponde a la seccion recta de una triple capa de coronas circulares aislantes, con gas enfriado dentro de las bovedillas, y gas enfriador en el exterior de ellas.
La figura 6 es similar a la 5, con una disposition de bovedillas que permite partir en dos mitades del mismo tipo las tres coronas circulares a la vez.
Para facilitar la comprension de las figuras de la invencion, y de sus modos de realization, a continuation se relacionan los elementos relevantes de la misma:
1. Conducto central donde se mantiene baja o muy baja temperatura.
2. Recipiente en U para congelation de hielo o sustancia similar, como un eutectico o agua salinizada.
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3. Paredes de contention del ilquido que se congela y se fusiona con los brazos de la U.
4. Tapa tipo losa, producida tambien por congelation
5. Conductos de gas enfriador.
6. Fuentes criogenicas.
7. Recipientes que contienen el gas a enfriar por debajo de su punto triple.
8. Superficie cillndrica que es la frontera interior de la capa aislante.
9. Superficie cillndrica que es la frontera exterior de la capa aislante.
10. Muelles helicoidales de sujecion de conducciones de llquido enfriador.
11. Bovedillas de la corona circular mas exterior.
12. Conducciones del extrados de las bovedillas 11.
13. Bovedillas de la corona circular intermedia.
14. Conducciones del extrados de las bovedillas 13.
15. Bovedillas de la corona circular mas interior.
16. Conducciones del extrados de las bovedillas 15.
17. Envoltura exterior de la corona exterior.
18. Envoltura entre la corona intermedia y la exterior.
19. Envoltura entre la corona interior y la intermedia.
20. Envoltura interior de la corona interior.
21. Superficie de acoplo entre las semi-coronas circulares superior e inferior.
Modo de realization de la invention
La invention tiene dos partes complementarias:
- La estructura mecanica que proporciona la estabilidad y funcionalidad de recipientes y conducciones, y que puede ser fabricada con diversos materiales, segun la presion de diseno para confinar los fluidos utilizados, y las temperaturas de montaje y de operation;
- Los fluidos de trabajo, que han de cumplir requisitos muy claros en sus propiedades termodinamicas, y que son muy especlficas de esta invention.
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Respecto de esto ultimo, para el caso de la congelacion lo mas inmediato es el hielo, que da una referencia perfecta de temperatura, y ademas forma una verdadera barrera no solo contra el calor sino contra otras sustancias agresivas, como la propia agua subterranea. Para ello, alrededor del volumen (1) que es la verdadera zona util o de canalizacion, se dispone un recipiente en U (2) bajo ella, que se llena del llquido a congelar, y que incorpora las canalizaciones (5) del fluido enfriador, que tambien se ponen en los recipientes parietales (3) y en la tapa (4). Las canalizaciones del fluido enfriador van conectadas a fuentes criogenicas (6).
Los recipientes de vaclo parcial se pueden configurar como cilindros (7) apinados ordenadamente dentro de unas superficies cillndricas interior (8) y exterior (9) que delimitan una corona, y dentro de los recipientes se alojan las tuberlas de fluido enfriador (5) soportadas por muelles helicoidales (10). En cada corona, las bovedillas (11, 13, 15) conforman el espacio donde esta el fluido enfriado, mientras que fuera del extrados se hallan las conducciones del fluido enfriador, confinadas por fuera por las envolturas exteriores de cada corona (17,18,19). A su vez el volumen (1) queda confinado por la envoltura (20); y con objeto de que el volumen (1) sea accesible, las coronas, bien una a una, bien todas juntas, son separables en dos mitades, inferior y superior, quedando una superficie de acoplamiento entre ellas (21).
Para ser usados en los recipientes de vaclo parcial por enfriamiento de un gas por debajo de su punto triple, hay varias posibles sustancias, que usadas dos a dos, como gas enfriado y como fluido enfriador, proporcionarlan el resultado previsto en la invencion.
Uno de los casos mas ajustados es el del nitrogeno y el argon. Este ultimo tiene un punto triple de 83,81 K; mientras que el N2 a presion atmosferica tiene una temperatura de equilibrio llquido-vapor de 77 K.
Si los recipientes de argon se llenan originalmente a presion atmosferica, y con temperatura unos grados por encima de 0°C, su densidad sera de unos 2 kg/m3;
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y cuando se enfrle un poco por debajo de su punto triple, parte del argon solidificara, y sera inutil a efectos de transmision de calor, bajando la densidad del gas notablemente.
Si en vez de utilizar nitrogeno a 77 K se utiliza hidrogeno a 21 K, que es la temperatura de saturation llquido-vapor a presion atmosferica, la intensidad de enfriamiento serla mayor, y mas cantidad de argon solidificarla.
Mas aun, si se emplea hidrogeno como fluido enfriador, se puede emplear nitrogeno como gas enfriado por debajo de su punto triple. Esta combination puede emplearse en la corona mas interna, dejando la de nitrogeno-argon para la siguiente corona mas externa.
Para una tercera corona circular con su correspondiente haz de recipientes y conducciones, el fluido enfriador puede seguir siendo el nitrogeno llquido a 77 K, y el gas a enfriar por debajo de su punto triple es el dioxido de carbono, cuyo punto triple esta a 217 K.
De esta manera, el mecanismo fundamental que queda es el de conduction a traves del puente termico que se forma radialmente por las paredes de los recipientes, bien sean circulares en su section recta o abovedados.
La potencia termica transferida por unidad de longitud de la corona, Q’, a traves de una corona cillndrica maciza de material de conductividad k, y con radios interior ri y exterior re, es
Q’= 2nk (Te - Ti)/ln(re/ri)
siendo ln(re/ri) el factor de resistencia geometrica correspondiente a integrar la fraction (dr/r) entre el radio interior y exterior, siendo dr su diferencial. Esto se modifica cuando, para cada radio r no existe una circunferencia completa de longitud 2nr, sino una longitud 2nf(r) donde f es la anchura de cada pata de la bovedilla y n es el numero de bovedillas que hay. Para este caso el factor de resistencia geometrica pasa a ser
(dr/r) ( 2nr/ 2nf(r))
Si consideramos que f(r) es constante con r, la integration conduce a Q'= 2nfk (Te - Ti)/ (n (re-n))
Si por ejemplo re = 10 cm y ri= 5 cm, el valor original de Q' serla de 5 9k(Te - Ti)
Mientras que si dicha corona estuviera compuesta por 12 bovedillas de 0,1 de espesor de patas (n=12 y f=0,1), el valor de Q' serla
0,153k(Te - Ti)
Es decir, 58 veces menor.
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Una vez descrita de forma clara la invention, se hace constar que realizaciones particulares anteriormente descritas son susceptibles modificaciones de detalle siempre que no alteren el principio fundamental esencia de la invencion.
cm
las de y la

Claims (1)

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    REIVINDICACIONES
    1 - Canalization aislada termicamente y con extraction de calor, con interior a muy baja temperatura, caracterizada por que dispone de fuentes criogenicas donde se enfrla un fluido enfriador que enfrla a otro fluido, llamado fluido enfriado, contenido en unos recipientes hermeticos que constituyen una capa de geometrla cillndrica, o prismatica, o en forma de U, en cuyos recipientes el fluido enfriado experimenta una transformation termodinamica seleccionada entre
    - congelation del fluido enfriado, inicialmente contenido en uno o varios recipientes que forman una figura geometrica con continuidad, teniendo dicho fluido la propiedad de congelarse formando un solido continuado y con piezas que se unen entre si, como es el caso del agua, al formar hielo; produciendose dicha congelacion por la action del fluido enfriador que discurre por tuberlas adyacentes o internas a los recipientes referenciados, estando el fluido enfriador refrigerado por al menos una fuente criogenica;
    - solidification parcial en el seno de los recipientes porque el fluido en ellos contenido se enfrla por debajo de su punto triple, por la accion enfriadora de otro fluido, enfriador, de temperatura de su punto triple por debajo de la del fluido enfriado, estando a su vez el fluido enfriador refrigerado por al menos una fuente criogenica.
    2 - Canalizacion aislada termicamente y con extraccion de calor, con interior a muy baja temperatura, segun revindication primera, caracterizada por que la disposition relativa entre los espacios ocupados por el fluido que se enfrla por debajo de su punto triple, y el fluido enfriador, se selecciona entre
    - un haz o pluralidad de recipientes cillndricos que se disponen en forma de corona circular, adyacente cada recipiente con sus dos recipientes vecinos, siendo esos recipientes los que contienen hermeticamente el fluido que se enfrla por debajo de su punto crltico, y estando recorridos dichos recipientes, a lo largo, por conducciones asimismo cillndricas por las que circula el fluido enfriador, que va desde una fuente criogenica a otra situada a cierta distancia, o va
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    hasta el final de un tramo por unas conducciones y vuelve a la misma fuente criogenica por otras conducciones paralelas a las de ida;
    - un haz o pluralidad de recipientes de forma abovedada que se disponen asimismo en forma de corona circular, estando cerrada la corona circular por el exterior por una superficie cillndrica que es tangente al apice de las bovedas, y estando cerrada la corona circular por su interior por otra superficie cillndrica en la que apoyan ambos estribos de cada recipiente abovedado, estando las bovedas hermeticamente cerradas por sus extremos, y originalmente llenas del fluido que se enfrla por debajo de su punto crltico, y circulando el fluido enfriador por el extrados de las bovedas, desde una fuente criogenica a otra, o bien en ida y vuelta, por diferentes conductos de extrados, desde una fuente criogenica a ella misma.
    3 - Canalization aislada termicamente y con extraction de calor, con interior a muy baja temperatura, segun reivindicacion primera o segunda, caracterizada por que las antedichas coronas circulares pueden apilarse en sentido radial, usando gases a enfriar y fluidos enfriadores, de temperaturas de punto triple respectivamente mas bajas para cada corona, cuanto mas interior sea esta.
    4 - Canalization aislada termicamente y con extraction de calor, con interior a muy baja temperatura, segun reivindicacion primera a tercera, caracterizada por que cada corona circular se compone de dos semi-coronas, una inferior y otra superior, que son independientes en recipientes hermeticos y conducciones.
    5 - Canalizacion aislada termicamente y con extraccion de calor, con interior a muy baja temperatura, segun reivindicacion primera, caracterizada por que cada capa de congelacion se constituye por una mitad inferior en forma de U y una tapadera horizontal superior con forma de losa.
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