ES2617357T3 - Sistema y método de licuefacción de gas - Google Patents

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ES2617357T3 ES11720246.5T ES11720246T ES2617357T3 ES 2617357 T3 ES2617357 T3 ES 2617357T3 ES 11720246 T ES11720246 T ES 11720246T ES 2617357 T3 ES2617357 T3 ES 2617357T3
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Leticia Tocado MARTÍNEZ
Richard C. Reineman
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Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
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Abstract

Un sistema (1) de licuefacción de gas para licuar que comprende: un módulo (2) de admisión de gas adaptado para estar conectado a una fuente de gas y configurado para proporcionar gas al sistema; un recipiente (8) térmicamente aislado; por lo menos un depósito (9) interior en el recipiente (8) que tiene por lo menos un cuello (20) que se extiende desde allí; por lo menos una cabeza fría (18) de refrigeración que tiene una porción de dedo frío localizada dentro del cuello y dirigida hacia el depósito interior; un compresor (22) de gas configurado para proporcionar gas comprimido a la cabeza fría de refrigeración para la operación del refrigerador criogénico; caracterizado por el hecho de que: por lo menos un mecanismo (19) de control de la presión del gas configurado para controlar la presión de admisión del gas que fluye desde el módulo (2) de admisión de gas y para ajustar tal presión a la requerida elevada presión del gas dentro del depósito (9) interior y por lo menos un dispositivo (23) de control para controlar el rendimiento de licuefacción del sistema, dicho por lo menos un mecanismo (19) de control de presión del gas y dicho por lo menos un dispositivo (23) de control estando configurados para optimizar el rendimiento de licuefacción e incrementar la tasa de licuefacción controlando el flujo de gas dentro al depósito (9) interior para mantener la presión dentro del interior (9) justo por debajo de la presión crítica del gas que se está licuando y por lo menos un puerto (6) de transferencia está en comunicación de fluido con el depósito (9) interior y está adaptado para permitir la extracción del criógeno de ahí.

Description

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DESCRIPCION
Sistema y metodo de licuefaccion de gas Campo tecnico
Esta invencion se refiere generalmente a sistemas y metodos para la licuefaccion de gases, y mas particularmente a tales sistemas y metodos adaptados para mejorar la licuefaccion y la eficiencia de rendimiento. Un sistema de licuefaccion de gases segun el preambulo de la reivindicacion 1 es conocido del documento US 2009/293505.
Tecnica anterior
El helio es un elemento escaso en la tierra y sus numerosas aplicaciones cienffficas e industriales siguen impulsando una demanda creciente. Por ejemplo, los usos comunes del helio en fase gaseosa incluyen soldadura, elevacion (globos) y fabricacion de semiconductores y fibra optica. En la fase ffquida, los usos comunes incluyen la refrigeracion de ciertos equipos medicos y cienffficos, el purgado de depositos de combustible (NASA), y la investigacion basica en ffsica del estado solido, magnetismo y una amplia variedad de otros temas de investigacion. Debido a la generalizada utilidad del helio, su limitada disponibilidad y las reservas finitas de helio, se considera un recurso no renovable de alto costo. Por consiguiente, existe un interes creciente en el reciclado de helio y gases nobles similares.
En particular, se usa helio ffquido como refrigerante en muchas aplicaciones en las que es necesario alcanzar temperaturas por debajo de -200°C. Tales aplicaciones estan frecuentemente relacionadas con el uso de superconductores y particularmente en equipos de investigacion de ffsica de baja temperatura que operan en recipientes evacuados y aislados o termos llamados Dewars o criostatos. Tales criostatos contienen una mezcla de fases tanto gaseosa como ffquida y, tras la evaporacion, la fase gaseosa se libera a menudo a la atmosfera. Por lo tanto, a menudo es necesario comprar helio adicional de una fuente externa para continuar el funcionamiento del equipo en el criostato.
Una de las aplicaciones mas importantes del helio ffquido es refrigerar las bobinas superconductoras de alto campo magnetico usadas en equipos de obtencion de imagenes de resonancia magnetica (MRI), que proporciona una tecnica de diagnostico importante creando imagenes no invasivamente del interior del cuerpo para diagnosticar una amplia variedad de afecciones medicas en los seres humanos.
Los mayores usuarios de helio ffquido son grandes instalaciones o construcciones cienffficas internacionales, como el Large Hadron Collider en el laboratorio internacional del CERN. Los laboratorios tales como el CERN recuperan, purifican y vuelven a licuar el gas recuperado en sus propias plantas de licuefaccion industrial a gran escala (Clase L), que ffpicamente producen mas de 100 litros/h y requieren una potencia de entrada de mas de 100 kW. Para laboratorios con un consumo mas moderado, se dispone de plantas de licuefaccion medianas (Clase M) que producen alrededor de 15 litros/hora. Estas plantas de licuefaccion grandes y medias alcanzan un rendimiento, R, de alrededor de 1 litro/hora/kW (24 litros/dfa/kW) cuando el gas se enfffa previamente con nitrogeno ffquido y alrededor de 0,5 litros/hora/kW (12 litros/dfa/kW) sin enfriamiento previo.
Para aplicaciones a menor escala, estan ahora disponibles comercialmente refrigeradores a pequena escala que son capaces de alcanzar temperaturas suficientemente bajas para licuar una variedad de gases y, en particular, para licuar helio a temperaturas criogenicas por debajo de 4,2 Kelvin. En la industria, estos refrigeradores a pequena escala se conocen normalmente como refrigeradores criogenicos de ciclo cerrado. Estos refrigeradores criogenicos tienen tres componentes: (1) una cabeza fffa (una parte de la cual se denomina el "dedo fffo" y ffpicamente tiene una o dos fases de enfriamiento), en la que el extremo mas fffo del dedo fffo alcanza temperaturas muy bajas por medio de la compresion y expansion dclica de helio gaseoso; (2) un compresor de helio que proporciona helio gaseoso de alta presion y acepta helio gaseoso de presion mas baja desde la cabeza fffa; y (3) las conducciones de conexion de alta y baja presion que conectan la cabeza fffa al compresor de helio. Cada una de las una o mas fases de enfriamiento del dedo fffo tiene un diametro diferente para acomodar variaciones en las propiedades del fluido de helio a varias temperaturas. Cada fase del dedo fffo comprende un regenerador interno y un volumen de expansion interno en el que la refrigeracion se produce en el extremo mas fffo de cada fase.
Como resultado del desarrollo de estos refrigeradores criogenicos, las plantas de licuefaccion a pequena escala (clase S) han llegado a estar comercialmente disponibles, sin embargo el rendimiento de estos aparatos de licuefaccion) esta actualmente limitado a menos de 2 litros/dfa/kW. En estos aparatos de licuefaccion, el gas a licuar no se somete a los complejos ciclos termodinamicos, sino que en su lugar se enfffa simplemente mediante el intercambio termico con las fases fffas del refrigerador criogenico o con intercambiadores de calor conectados a las fases fffas del refrigerador criogenico. En estos aparatos de licuefaccion a pequena escala, una cabeza fffa del refrigerador criogenico opera en el cuello de un recipiente de doble pared, a menudo llamado Dewar, que contiene solo el gas a licuar y esta termicamente aislado para minimizar el flujo de calor desde el exterior hacia el interior del recipiente. Despues de que el gas se condensa, el ffquido resultante se almacena dentro del deposito interior del Dewar.
Idealmente tales aparatos de licuefaccion a pequena escala basados en un refrigerador criogenico conseguiffan una
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eficiencia comparable a la de los aparatos de licuefaccion a gran y media escala. Sin embargo, en la practica, el rendimiento de licuefaccion alcanzable en cuanto a litros por dfa por kW ha sido significativamente menor para estos aparatos de licuefaccion a pequena escala que el rendimiento obtenido por las plantas de licuefaccion de clase M y Clase L mas grandes. Por consiguiente, aun hay mucho que mejorar en el rendimiento de los aparatos de licuefaccion a pequena escala, y tales mejoras senan de particular beneficio en la tecnica.
Compendio de la invencion
Problema tecnico
Las plantas de licuefaccion a pequena escala actualmente disponibles para producir menos de 20 litros de criogeno licuado al dfa, o aparatos de licuefaccion de "Clase S", son sustancialmente ineficientes cuando se comparan con los rendimientos obtenidos en plantas de licuefaccion a mayor escala. Ademas, las plantas a media y gran escala implican complejidad sustancial, requieren un mantenimiento extensivo y sus tasas de licuefaccion son muy superiores a las necesidades de muchos usuarios. De acuerdo con estas limitaciones, no se dispoma previamente de un aparato de licuefaccion de "Clase S" que pudiera alcanzar una eficiencia operativa superior a 2,0 litrosMa/kW.
El documento GB 2 457 054 asf como el anteriormente citado documento US 2009/293505 estan ambos disenados como sistemas de recondensacion en criostatos de dispositivo de baja temperatura con el proposito de mantener el sistema a la baja temperatura disenada requerida para operar, por ejemplo, dispositivos superconductores tales como un SQUID en el documento US 2009/293505 o un iman superconductor en el documento GB 2 457 054. Estos sistemas por lo tanto no estan disenados para una maxima tasa de licuefaccion sino para el enfriamiento optimizado del sistema. En particular, una tasa de licuefaccion optimizada no se puede obtener a las tfpicas mas bajas temperaturas proporcionadas para una operacion segura de dichos dispositivos superconductores como se considera en los anteriores documentos.
Solucion y ventajas de la invencion
Para obtener un sistema de licuefaccion con tasa de licuefaccion optimizada, se proporciona un sistema de licuefaccion segun la reivindicacion 1. Es un proposito de realizaciones de esta invencion proporcionar un sistema de licuefaccion de gas, y metodos para licuefaccion de gas en el, basado en un refrigerador criogenico, que esta adaptado para utilizar las propiedades termodinamicas de elementos gaseosos para extraer energfa de enfriamiento incrementada del refrigerador criogenico operando a presiones elevadas y, por consiguiente, temperaturas de licuefaccion elevadas, en las que se utiliza la energfa de refrigeracion incrementada del refrigerador criogenico para mejorar la tasa de licuefaccion y el rendimiento del sistema.
Para llevar a cabo estas mejoras, el sistema de licuefaccion de gas esta adaptado con un medio para controlar la presion dentro de una region de licuefaccion del sistema de tal manera que una presion elevada proporcione operacion a una temperatura de licuefaccion incrementada como se describe anteriormente. Mediante el control preciso del flujo de gas en el sistema, se puede mantener una presion de licuefaccion interna a un umbral elevado. A la presion elevada, justo por debajo de la presion cntica, se utiliza la potencia de enfriamiento incrementada de la cabeza fria.
La region de licuefaccion se define aqrn como un volumen dentro del Dewar que incluye una primera region de enfriamiento adyacente a una primera fase de un refrigerador criogenico en la que el gas que entra en el sistema se enfna inicialmente y una segunda region de condensacion adyacente a una segunda o subsiguiente fase del refrigerador criogenico en la que el gas enfriado se condensa adicionalmente en una fase lfquida. De este modo, para los propositos de esta invencion, la region de licuefaccion incluye la porcion del cuello de Dewar y se extiende hasta la porcion de almacenamiento donde se almacena el criogeno licuado.
En varias realizaciones de la invencion, los medios para controlar la presion pueden incluir un modulo de control de presion unitario adaptado para regular un flujo de gas de entrada para entrar en la region de licuefaccion de manera que la presion dentro de la region de licuefaccion se mantenga con precision durante un proceso de licuefaccion. Alternativamente, una serie de componentes de control de presion seleccionados de valvulas de solenoide, un medidor de flujo masico, reguladores de presion y otros dispositivos de control de presion se pueden disponer individualmente en varias localizaciones del sistema de tal manera que un agrupamiento colectivo del rendimiento de aparatos de licuefaccion a pequena escala, y tales mejoras serian de particular beneficio en la tecnica.
Sumario de la invencion
Problema tecnico
Las plantas de licuefaccion a pequena escala actualmente disponibles para producir menos de 20 litros de criogeno licuado al dfa, o aparatos de licuefaccion de "Clase S", son sustancialmente ineficientes cuando se comparan con los rendimientos obtenidos en plantas de licuefaccion a mayor escala. Ademas, las plantas a media y gran escala implican complejidad sustancial, requieren un mantenimiento extensivo y sus tasas de licuefaccion son muy superiores a las necesidades de muchos usuarios. De acuerdo con estas limitaciones, no ha estado disponible previamente un aparato de licuefaccion de "Clase S" que pueda alcanzar eficiencias operativas superiores a 2,0
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Solucion y ventajas de la Invencion
Es un proposito de realizaciones de esta invencion proporcionar un sistema de licuefaccion de gas y metodos para la licuefaccion de gas en ellas, basados en un refrigerador criogenico, que esta adaptado para utilizar las propiedades termodinamicas de elementos gaseosos para extraer ene^a de enfriamiento incrementada del refrigerador criogenico operando a presiones elevadas y, por consiguiente, temperatures de licuefaccion elevadas, en el que se utiliza la potencia de enfriamiento incrementada del refrigerador criogenico para mejorar la tasa de licuefaccion y el rendimiento del sistema.
Para conseguir estas mejoras, el sistema de licuefaccion de gas esta adaptado con un medio para controlar la presion dentro de una region de licuefaccion del sistema de tal manera que una presion elevada proporcione operacion a una temperatura de licuefaccion incrementada como se describe anteriormente. Mediante el control preciso del flujo de gas al sistema, se puede mantener una presion de licuefaccion interna a un umbral elevado. A la presion elevada, justo por debajo de la presion cntica, se utiliza la potencia de enfriamiento incrementada de la cabeza fna.
La region de licuefaccion se define aqrn como un volumen dentro del Dewar que incluye una primera region de enfriamiento adyacente a una primera fase de un refrigerador criogenico en la que el gas que entra en el sistema se enfna inicialmente y una segunda region de condensacion adyacente a una segunda o subsecuente fase del refrigerador criogenico en la que el gas enfriado se condensa adicionalmente en una fase lfquida. De este modo, para los propositos de esta invencion, la region de licuefaccion incluye la porcion de cuello del Dewar y se extiende hasta la porcion de almacenamiento en la que se almacena el criogeno licuado.
En varias realizaciones de la invencion, los medios para controlar la presion pueden incluir un modulo de control de presion unitario que esta adaptado para regular un flujo de gas de entrada para entrar en la region de licuefaccion de manera que la presion dentro de la region de licuefaccion se mantenga con precision durante un proceso de licuefaccion. Alternativamente, una serie de componentes de control de presion seleccionados de valvulas de solenoide, un medidor de flujo masico, reguladores de presion y otros dispositivos de control de presion se pueden disponer individualmente en varias localizaciones del sistema de tal manera que un agrupamiento colectivo de los componentes individualizados este adaptado para proporcionar control de un gas de entrada que entra en la region de licuefaccion del sistema.
En ciertas realizaciones de la invencion, el elemento gaseoso licuado es helio. El helio gaseoso se licua a continuacion a presiones cercanas a 2,27 bar ya alrededor de 5,19 K para maximizar la potencia disponible del refrigerador criogenico de ciclo cerrado. Como datos indicativos, para una realizacion preferida de la invencion, el sistema es capaz de licuar una masa de 19 kg de helio a partir de 105.000 litros de helio gaseoso en condiciones estandar en un recipiente de 150 litros de volumen. Esto se logra con una tasa de licuefaccion que supera los 65 litros/dfa (o 260 g/hora) a 5,19 K, que es equivalente a 50 litros/dfa a 4,2 K, usando un refrigerador criogenico tfpico que genera 1,5 W de potencia de enfriamiento a 4,2 K con un consumo de 7,5 kW de potencia electrica. El factor de rendimiento, R, es por lo tanto > 7 litros/dfa/kW, lo que supone una mejora significativa con respecto a los aparatos de licuefaccion a pequena escala actualmente disponibles. Naturalmente, a medida que las eficiencias de los refrigeradores criogenicos mismos continuan mejorando, tambien lo hara el rendimiento del sistema de licuefaccion de gas descrito aqrn.
Las mejoras de licuefaccion mencionadas anteriormente se consiguen mediante un sistema de licuefaccion de gas para licuar gas que comprende:
un modulo de admision de gas configurado para proporcionar gas al sistema desde una fuente de gas;
un recipiente termicamente aislado, cuya parte superior comprende por lo menos una porcion de cuello, y comprende adicionalmente por lo menos un recipiente interior configurado para mantener gas y el lfquido resultante del gas que ya se ha licuado;
por lo menos una cabeza fna de refrigerador criogenico localizada en la parte superior del recipiente termicamente aislado, con su porcion fna que se extiende por lo menos parcialmente dentro de la porcion del cuello y dirigida hacia el deposito interior del recipiente;
un compresor de gas configurado para proporcionar gas comprimido a la cabeza fna del refrigerador criogenico por medio de conexiones para el funcionamiento del refrigerador criogenico;
por lo menos un mecanismo de control de presion de gas configurado para controlar la presion de admision de gas que fluye desde el modulo de admision de gas y para ajustar tal presion a la presion de gas requerida dentro del sistema; y
dispositivos de control configurados para controlar el rendimiento del sistema y la cabeza fna del refrigerador criogenico por medio de los mecanismos de control de presion del gas.
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El sistema segun realizaciones de la invencion se adapta para mantener el control preciso de la presion de vapor dentro del recipiente, y de este modo se adapta para mantener el control preciso de la temperatura y por consiguiente la potencia del refrigerador criogenico donde se produce la condensacion. Consecuentemente, el sistema permite el control del punto de operacion y potencia del refrigerador criogenico, como se determina por las temperatures de sus una o mas fases, y por ello la cantidad de calor que se puede extraer del gas, tanto para su pre-enfriamiento desde temperatura ambiente hasta el punto de operacion como para su condensacion y licuefaccion.
Otro aspecto de la invencion proporciona un metodo de licuefaccion de gas que hace uso del sistema de licuefaccion de gas descrito en la presente solicitud que comprende las siguientes etapas:
proporcionar una cantidad de gas al sistema de licuefaccion de gas a traves del modulo de admision de gas;
regular la presion del gas que entra en el deposito interior por medio de mecanismos de control del gas y los dispositivos de control;
regular la potencia de la cabeza fna del refrigerador criogenico por medio de los mecanismos de control de la presion del gas y dispositivos de control para determinar una tasa de licuefaccion deseada;
controlar una tasa de cambio de presion del gas entrante al deposito interior por medio de los mecanismos de control de la presion del gas para optimizar la tasa de licuefaccion dentro del deposito interior tanto durante como despues de los cambios de presion; y
regular una presion del gas presente en el deposito interior del recipiente aislado hasta un valor constante determinado, para establecer la deseada tasa de licuefaccion.
En resumen, el sistema de licuefaccion de gas descrito en la Descripcion detallada a continuacion consigue eficiencias mucho mas altas que los aparatos de licuefaccion basados en refrigerador criogenico existentes, realizando la licuefaccion de gas a una presion mas alta y por lo tanto a una temperatura mas alta, en el que el refrigerador criogenico tiene una potencia de enfriamiento mucho mayor para realizar la licuefaccion y el criogeno que se esta licuando tiene un calor de condensacion mucho mas bajo. La eficiencia de licuefaccion del sistema se mejora y se estabiliza adicionalmente controlando con precision el caudal del gas a temperatura ambiente que entra en la region de licuefaccion y, por ello, controla con precision la presion del gas de condensacion en la region de licuefaccion del sistema. El doble efecto de una mayor potencia del refrigerador criogenico y un menor calor de condensacion a la presion de condensacion mas alta, mejorado adicionalmente por el control de presion preciso, permite que este nuevo proceso de licuefaccion de gas logre tasas mucho mas altas de licuefaccion con menos potencia de entrada al refrigerador criogenico que las actualmente disponibles de otros aparatos de licuefaccion basados en refrigerador criogenico.
Breve descripcion de los dibujos
Las caractensticas y ventajas de esta invencion seran mas evidentes a partir de la siguiente descripcion detallada, cuando se lea conjuntamente con los dibujos adjuntos, en los que:
La Fig. 1 es un diagrama de fases de helio 4;
La Fig. 2 es el mapa de carga para un refrigerador criogenico tfpico que tiene 2 fases, que muestra la potencia de enfriamiento tanto de la primera como de la segunda fase del refrigerador criogenico a varias temperaturas, asf como varios puntos de funcionamiento (a, b y c) de la cabeza fna durante una trayectoria caractenstica de un ciclo de licuefaccion tfpico de este sistema de licuefaccion;
La Fig. 3 es un diagrama esquematico del sistema y sus elementos compuestos segun por lo menos una realizacion de la invencion;
La Fig. 4 es un esquema general de una porcion del sistema para la licuefaccion mejorada del gas criogeno de la Fig. 3, que ilustra adicionalmente caminos de conveccion alrededor de una region de licuefaccion del sistema; y
La Fig. 5 es un esquema del sistema segun la Fig. 4, que representa adicionalmente un area delimitada por una lrnea discontinua dentro del sistema que se denomina aqrn region de licuefaccion.
Descripcion de realizaciones
En la siguiente descripcion, con fines de explicacion y no de limitacion, se describen detalles y descripciones para proporcionar una comprension completa de la presente invencion. Sin embargo, sera evidente para los expertos en la tecnica que la presente invencion se puede practicar en otras realizaciones que se apartan de estos detalles y descripciones sin apartarse del esprntu y alcance de la invencion. A continuacion se describiran algunas realizaciones con referencia a los dibujos, en los que las caractensticas ilustrativas se indican mediante numeros de referencia.
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En una realizacion general de la invencion, un sistema de licuefaccion, tambien denominado aqu criostato, incluye un recipiente de almacenamiento aislado o Dewar que comprende una porcion de almacenamiento y una porcion de cuello que se extiende desde la misma y esta conectada a un recipiente externo que esta a temperatura ambiente. El Dewar esta aislado por una envoltura, estando el volumen dentro de la envoltura externa de la porcion de almacenamiento substancialmente evacuado de aire. La porcion de cuello esta adaptada para recibir por lo menos parcialmente una cabeza fna de refrigerador criogenico. La cabeza fna puede comprender una o mas fases, cada una de las cuales tiene una seccion transversal distinta. La porcion de cuello del recipiente aislado puede estar opcionalmente adaptada para adaptarse geometricamente a una o mas fases del refrigerador criogenico de cabeza fna de una manera escalonada. El recipiente aislado comprende ademas un puerto de transferencia que se extiende desde la porcion de almacenamiento hasta una superficie superior del Dewar. Se proporciona adicionalmente un mecanismo de control para controlar el flujo de gas y, por lo tanto, la presion dentro de una region de licuefaccion del Dewar. El mecanismo de control incluye generalmente: un sensor de presion para detectar la presion dentro de la region de licuefaccion del criostato; un regulador de presion u otros medios para regular la presion del gas que entra en la region de licuefaccion del Dewar; un medidor de flujo masico; y una o mas valvulas para regular el flujo de gas de entrada que entra en la region de licuefaccion. En este sentido, el mecanismo de control esta conectado ademas a un ordenador para modular dinamicamente el flujo de gas de entrada y, por consiguiente, la presion dentro de la region de licuefaccion del criostato para proporcionar una eficiencia optima.
Aunque no esta ilustrado, se debe senalar que el criostato puede comprender una o mas porciones de almacenamiento y una o mas porciones de cuello que se extienden desde allf dentro del recipiente aislado.
En una realizacion de la invencion, la cabeza fna de refrigeracion del sistema de licuefaccion de gas se dirige hacia el deposito interior del recipiente y comprende por lo menos una fase que define una fase de refrigeracion.
En otra realizacion de la invencion, la cabeza fna del refrigerador criogenico comprende un cilindro que se dirige hacia el deposito interior del recipiente que consiste en una primera fase y una segunda fase, ambas orientadas en paralelo al cuello del recipiente y que definen colectivamente dos fases de refrigeracion.
En otra realizacion mas, la cabeza fna del refrigerador criogenico dirigida hacia el deposito interior del recipiente comprende tres o mas fases que definen colectivamente tres o mas fases de refrigeracion.
Para estas realizaciones de la invencion, la cabeza fna que comprende una o mas fases del sistema de refrigeracion opera en el cuello de un recipiente termicamente aislado o Dewar. La primera fase es la mas caliente y opera en el cuello mas lejos de la region de licuefaccion que las otras fases que operan en el cuello mas cerca de la region de licuefaccion. El gas entra en el extremo caliente del cuello y se pre-enfna por las paredes de la primera fase de la cabeza fna, por el extremo mas fno de la primera fase, se pre-enfna adicionalmente por las paredes de las fases mas fnas y se condensa a continuacion en el extremo mas fno de la fase mas fna de la cabeza fna. (Para la realizacion en una fase, la condensacion ocurre en el extremo mas fno de la primera fase.). Una vez condensado o licuado, el lfquido cae al fondo del deposito, o porcion de almacenamiento, situado en el interior del recipiente aislado. La potencia de enfriamiento que genera cada fase de un refrigerador criogenico de ciclo cerrado esta determinada principalmente por su temperatura, pero tambien depende hasta el segundo orden de la temperatura de las fases anteriores. Esta informacion es generalmente suministrada por el fabricante del refrigerador criogenico en forma de un mapa de carga bidimensional que representa la dependencia de la potencia de la primera y segunda fase frente a las temperaturas de la primera y segunda fase. De importancia para esta invencion es que la potencia de enfriamiento disponible en cada fase se incrementa generalmente con la temperatura.
Ademas de generar potencia de enfriamiento en la primera y en las subsecuentes fases, la cabeza fna tambien genera potencia de refrigeracion a lo largo de toda su longitud, en particular a lo largo de la superficie del dedo fno cilmdrico entre la temperatura ambiente y el extremo mas fno de la primera fase, y a lo largo de la longitud del dedo fno cilmdrico entre la primera y las subsecuentes fases. Un objetivo de esta invencion es optimizar el intercambio de calor entre el gas y las diversas fases de enfriamiento, asf como entre el gas y las paredes del dedo fno cilmdrico entre las diversas fases de enfriamiento de la cabeza fna del refrigerador criogenico. Esto se consigue usando las altas propiedades de conductividad termica del gas sin la necesidad de intercambiadores de calor mecanicos o condensadores de ningun tipo que se unan a la cabeza fna, o cualquier pantalla de radiacion en el cuello, que generalmente se han considerado esenciales en los sistemas mas avanzados anteriores. Por lo tanto, tambien es un objetivo de esta invencion extraer tanto calor del gas como sea posible a la temperatura mas alta posible optimizando la transferencia de calor entre el gas y las paredes del dedo fno cilmdrico entre las diversas fases de enfriamiento. Esto tambien reducira la carga termica en las diversas fases de enfriamiento de la cabeza fna del refrigerador criogenico, optimizando por ello la eficiencia termica del proceso de pre-enfriamiento y licuefaccion.
Generalmente, se construye una cabeza fna multifase que tiene la fase primera o superior de un diametro mayor que las fases inferiores de la cabeza fna. En este aspecto, las fases de la cabeza fna del refrigerador criogenico se fabrican con un patron de fases en el que las dos o mas fases tienen diferentes secciones transversales. La porcion de cuello del recipiente aislado se puede adaptar en varias realizaciones para recibir la una o mas fases de la cabeza fna del refrigerador criogenico.
En una realizacion, la porcion de cuello del recipiente aislado puede incluir una superficie interna adaptada para que
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coincida estrechamente con la superficie de una o mas fases de la cabeza fna del refrigerador criogenico, de tal manera que la porcion de cuello comprende un primer diametro interior en la primera fase y un segundo diametro interior en la segunda fase, en el que el primer diametro interior es distinto del segundo diametro interior. El volumen reducido reduce la carga de calor hacia abajo del cuello, mientras que el cuello escalonado mejora el proceso de intercambio entre el gas y el refrigerador criogenico, favoreciendo la conveccion natural en el area escalonada, por lo menos durante el enfriamiento inicial.
Alternativamente, la porcion de cuello se puede adaptar con un diametro interior uniforme que se extiende a lo largo de una longitud de la porcion de cuello adyacente a una o mas fases de la cabeza fna del refrigerador criogenico. Cuando se usa un cuello recto, el proceso de intercambio sigue siendo eficiente para el enfriamiento inicial y la licuefaccion. De este modo, la presente invencion puede hacer uso de cuellos rectos o escalonados dentro del recipiente.
En una realizacion de la invencion, el mecanismo de control de presion de gas comprende uno o mas de los siguientes elementos:
una valvula de entrada electronicamente controlada, tal como una valvula de solenoide, que permite el flujo de gas dentro del sistema desde el modulo de admision de gas;
un regulador de presion absoluta, que regula la presion del gas que fluye desde el modulo de admision de gas al deposito interior del recipiente termicamente aislado;
un medidor de flujo masico, que mide el volumen del gas procedente del regulador de presion absoluta y que entra en el deposito interior; y
un sensor de presion dentro del recipiente aislado, que mide la presion del gas dentro del deposito interior del recipiente aislado
Segun esta realizacion de la invencion, un sistema de tubos o tubenas, valvulas (controladas manual o electronicamente) y mecanismos de control permite la manipulacion tanto de la presion como del caudal masico del gas a medida que entra en el Dewar. La presion del gas de admision puede diferir de la presion del gas presente dentro del Dewar, o la presion en el Dewar puede necesitar ser ajustada para conseguir el rendimiento optimo. Para evitar cambios de presion rapidos que perturben en gran medida las condiciones de equilibrio, el sistema integra los mecanismos de control de presion del gas anteriormente mencionados por medio de, por ejemplo, una valvula de solenoide y un mecanismo de control de presion. Este proceso regula la presion de admision segun se considere necesario para controlar el flujo de gas desde los mecanismos de admision de gas hasta el Dewar.
Adicionalmente, el sistema de esta invencion logra su control de presion de precision mediante el uso de mecanismos de control que regulan la potencia de refrigeracion de la cabeza fna del refrigerador criogenico mediante el ajuste de las valvulas y del flujo masico del gas.
Ademas, los mecanismos de control reciben los datos necesarios del sistema para calcular el nivel de lfquido dentro del recipiente, que es necesario para realizar los ajustes necesarios. Adicionalmente, los procesos de licuefaccion se pueden realizar a intervalos de presion variables que comienzan ligeramente por encima de las presiones atmosfericas y alcanzan valores de presion de gas casi cnticos. Todas las funciones y procedimientos son controlables remotamente o in situ, usando dispositivos programables tales como ordenadores personales o un FPGA (Field Programmable Gate Array), con software de control espedfico (tal como aplicaciones basadas en LabView), o conectados a hardware de almacenamiento digital en el que dicho software se almacena y se accede de forma remota.
En otra realizacion de la invencion, el sistema de licuefaccion comprende un puerto de transferencia y una valvula situados en la parte superior del recipiente aislado que permite la extraccion del lfquido, resultante del gas licuado presente en la porcion de almacenamiento dentro del deposito interior.
En una realizacion de la invencion, el metodo de licuefaccion de gas comprende la determinacion del nivel del gas licuado dentro de la porcion de almacenamiento del deposito interior a partir de la masa total del gas contenido en el deposito interior y las densidades de gas y lfquido determinadas por la medida de la presion o temperatura en el equilibrio termodinamico. El nivel de gas se puede calcular en base a un algoritmo que implica el caudal masico, el caudal masico integrado, el volumen total del deposito interior del recipiente y las densidades del gas y del lfquido, como se determinan por la presion y temperatura en el interior del recipiente.
En otra realizacion de la invencion, el metodo de licuefaccion de gas incluye un modo de limpieza que comprende las etapas de:
activar que se cierre la valvula de entrada, impidiendo el flujo de gas dentro del sistema de licuefaccion de gas; determinar y mantener la presion del recipiente aislado; y
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realizar ciclos de encendido/apagado de la cabeza fna de refrigeracion, forzando las temperaturas de las fases del refrigerador criogenico a exceder de las temperaturas de fusion y sublimacion de las impurezas presentes en el interior del recipiente aislado, haciendo precipitar dichas impurezas y caer en el fondo del deposito interior y limpiando de este modo la zona en la que el gas se pre-enfna y licua.
En otra realizacion mas, el metodo de licuefaccion de gas incluye un modo de espera, en el que el volumen de gas licuado se conserva indefinidamente en equilibrio con el vapor, iniciado por los dispositivos de control, activando la valvula de admision por medio de los mecanismos de control de presion del gas para cerrar la admision de gas en el sistema y obtener la potencia reducida necesaria realizando ciclos de arranque/parada de la cabeza fna o mediante el control de velocidad de la cabeza fna del refrigerador criogenico.
Mediante el modo de espera anterior, que realiza ciclos de arranque/parada y el modo de limpieza, por la manipulacion automatica de los mecanismos de admision-control, se puede detener la licuefaccion de gas y mantener el volumen de lfquido constante en el deposito interior. Los ciclos de arranque/parada de la cabeza fna del refrigerador criogenico producen ciclos de temperatura en la cabeza fna que permiten la fusion y subsecuente precipitacion de las impurezas adquiridas en el cilindro escalonado de la cabeza fna mencionada anteriormente.
En otra realizacion mas, el metodo de licuefaccion de gas permite la licuefaccion directa del gas recuperado a o ligeramente por encima de la presion atmosferica, comprendiendo el metodo:
almacenar el gas en el deposito de almacenamiento de expansion a o ligeramente por encima de la presion atmosferica; y
mantener el sistema a o cerca de la presion atmosferica por medio de los mecanismos de control de presion de gas para optimizar la licuefaccion.
Para el caso del helio, cuando la presion de vapor en el Dewar esta en equilibrio con el lfquido, la temperatura del helio gaseoso y lfquido esta definida unicamente por la curva de equilibrio de la presion de vapor. Es significativo para esta invencion que la temperatura del helio aumenta con la presion a lo largo de la curva de presion de vapor. En el caso del helio, tanto la presion como la temperatura aumentan desde el punto triple del helio (a una presion absoluta de 0,051 bar y una temperatura de 2,17 K) hasta el punto cntico del helio, que ocurre a la presion cntica, Pc, de 2,27 bar absolutos y la temperatura cntica, Tc, de 5,19 K. Normalmente, sin carga aplicada, la temperatura mas baja alcanzada por los refrigeradores criogenicos de ciclo cerrado es de alrededor de 3 K para la cual la presion de vapor de helio es de alrededor de 0,5 bar. Por lo tanto, un intervalo practico para el cual las capacidades de los sistemas de refrigerador criogenico de ciclo cerrado y la curva de presion de vapor de helio se solapan es de alrededor de 0,5 bar a 3 K a 2,27 bar a 5,19 K. Por consiguiente, el sistema de refrigeracion tambien puede rendir en el punto intermedio a presion atmosferica y a una temperatura de 4,23 K.
En otra realizacion del metodo de licuefaccion de gas de la presente invencion, los mecanismos de control de presion del gas, el modulo de admision de gas y los dispositivos de control estan gobernados por medio de un programa de software en por lo menos un medio de almacenamiento de datos digitales.
En otra realizacion, el medio de almacenamiento de datos digitales esta conectado a un dispositivo programable encargado de ejecutar el programa de software.
En otra realizacion general, se proporciona un metodo para la licuefaccion de gas junto con los sistemas descritos. El metodo comprende:
(i) proporcionar por lo menos: una fuente que contiene una cantidad de criogeno en fase gaseosa; un Dewar que tiene una region de licuefaccion definida por una porcion de almacenamiento y una porcion de cuello que se extiende desde la misma; un refrigerador criogenico por lo menos parcialmente dispuesto dentro de la porcion de cuello, estando adaptado el refrigerador criogenico para condensar el criogeno contenido dentro de la region de licuefaccion desde una fase gaseosa a una fase lfquida; y un mecanismo de control de presion, comprendiendo el mecanismo de control de presion por lo menos un sensor de presion, un medidor de flujo masico y una o mas valvulas;
(ii) medir la presion de vapor dentro de dicha region de licuefaccion de dicho Dewar usando dicho sensor de presion;
(iii) mantener dicha presion de vapor dentro de dicha region de licuefaccion dentro de un intervalo operativo controlando dinamicamente un flujo de gas de entrada alrededor de la region de licuefaccion; y
(iv) regular el flujo de gas de entrada alrededor de la region de licuefaccion usando el mecanismo de control de presion.
En ciertas realizaciones, el metodo puede comprender adicionalmente la etapa de procesar datos en un ordenador para el control dinamico del criostato, en el que los datos incluyen por lo menos uno de: la presion de vapor medida, y una velocidad del flujo de gas de entrada.
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Aunque el helio se discute extensamente en las realizaciones representativas, se debe reconocer que se pueden utilizar otros criogenos de una manera similar que incluyen, sin limitacion: nitrogeno, oxfgeno, hidrogeno, neon, y otros gases.
Ademas, se debe reconocer que aunque representados como una unidad distinta en varias realizaciones descriptivas aqm, los componentes del mecanismo de control se pueden localizar individualmente cerca de otros componentes del sistema y adaptar para efectuar un proceso de licuefaccion similar. Por ejemplo, el regulador de presion se puede unir a la fuente de almacenamiento de gas o colocar si no en cualquier lugar entre la fuente de almacenamiento y la region de licuefaccion del sistema criostatico. Alternativamente, la fuente puede estar provista de un compresor para suministrar un gas de entrada a la presion deseada. Tal sistema no requerina necesariamente un regulador de presion dentro del mecanismo de control de presion. Se debe reconocer que se pueden conseguir varias configuraciones modificadas del sistema descrito tal que se pueden obtener similares resultados. Por consiguiente, el mecanismo de control de presion se desea que incluya una coleccion de componentes en union directa o si no colectivamente proporcionados dentro del sistema para controlar dinamicamente el flujo de gas de entrada, y de este modo la presion dentro de la region de licuefaccion del criostato.
Volviendo ahora a los dibujos, la Fig. 1 ilustra un diagrama de fases general del helio 4. El intervalo de operacion para las cabezas fnas de refrigerador criogenico de ciclo cerrado esta entre alrededor de 3,0 K y alrededor de 5,2 K y entre alrededor de 0,25 bar y alrededor de 2,27 bar. En referencia a la curva de licuefaccion de la Fig. 1, Zi representa un punto en el que se licua helio gaseoso a presion atmosferica, y la temperatura de licuefaccion es de alrededor de 4,2 K, como es la actual tecnica mas avanzada para aparatos de licuefaccion a pequena escala. Z2 representa un punto en la curva de licuefaccion en el que se licua helio gaseoso justo por debajo del punto cntico en el que el lfquido y gas estan en equilibrio. La presion en Z2 esta cerca de la presion cntica Pc (aqm alrededor de 2,2 bar), y la temperatura de licuacion en Z2 es de alrededor de 5,2 K. Es en este punto (Z2) en el que se desea que opere el presente sistema de licuefaccion y se opera preferentemente durante un tfpico proceso de licuefaccion de helio gaseoso.
La presion de licuefaccion optima esta ligeramente por debajo de la presion cntica, es decir, 2,1 bar para el caso del helio, una presion para la que las tasas pueden alcanzar y superar los 65 litrosMa a 2,1 bar (260 g/h), equivalente a 50 litrosMa a 1 bar, con eficiencias iguales o incluso superiores a 7 litrosMa/kW.
La figura 2 representa un mapa de carga que define las caractensticas de una cabeza fna 18 de refrigerador criogenico tfpica (vease la figura 3) que funciona a 50 Hz y que usa 7,5 kW de potencia. El mapa de carga define la relacion unica entre un conjunto de pares de puntos (T1, T2) y (P1, P2), en los que T1 es la temperatura del extremo mas fno de la primera fase, T2 es la temperatura del extremo mas fno de la segunda fase, P1 es la potencia de la primera fase 10 y P2 la potencia de la segunda fase 11. El punto medido (0 W, 0 W) representa el punto (3 K, 24 K), que indica que las temperaturas mas bajas alcanzadas sin ninguna carga aplicada a cualquiera de las dos fases de este refrigerador criogenico son aproximadamente 3 K en la segunda fase y 24 K en la primera fase. El punto medido (5 W, 40 W) representa el punto (6,2 K, 45 K) y muestra que si se aplica 5 W de potencia a la segunda fase y 40 W de potencia a la primera fase, entonces la segunda fase funcionara a alrededor de 6,2 K y la primera fase a alrededor de 45 K. Los puntos del mapa de carga medidos estan conectados por lmeas para interpolar puntos intermedios.
Un ciclo eficiente de licuefaccion de helio gaseoso tambien se muestra en el mapa de carga como el ciclo de lmea continua que une los puntos (a), (b) y (c). Los puntos se determinan por la temperatura (o presion) del helio y se representan frente a la temperatura T2 de la segunda fase. El punto (a) esta a una temperatura (T2) de alrededor de 4,3 K, lo que corresponde a una presion de alrededor de 1,08 bar, que esta ligeramente por encima de la presion atmosferica a 1,0 bar. En el punto (a), la tasa de licuefaccion es de aproximadamente 20 litrosMa. El punto (b) esta proximo al punto cntico y esta a una temperatura T2 de 5,1 K, que corresponde a una presion de 2,1 bar. El punto (b) es el lugar donde ocurre la maxima eficiencia de licuefaccion y normalmente se mantiene el sistema en el punto (b) hasta que el volumen del deposito interior se llena completamente con helio lfquido. En el punto (b), la tasa de licuefaccion es de aproximadamente 65 litrosMa (260 g/h), lo que equivale a 50 litrosMa a 1,0 bar. La trayectoria que se muestra uniendo el punto (a) al punto (b) es uno de los caminos mas eficientes a seguir entre estos dos puntos mientras se mantienen las condiciones de cuasi-equilibrio.
El punto (c) esta a alrededor de 4,2 K (T2) a presion atmosferica, la presion a la que normalmente vuelve el sistema antes de transferir el lfquido del Dewar al equipo cientffico o medico. La trayectoria que se muestra uniendo punto (b) y punto (c) es una de las trayectorias mas eficientes tomadas entre estos dos puntos. No solo disminuye la presion en el deposito interior, sino que dado que la densidad del lfquido aumenta entre estos dos puntos, el volumen del lfquido se contrae y por lo tanto la licuefaccion debe continuar a lo largo de esta trayectoria para mantener el deposito interior lleno de lfquido cuando alcanza el punto (c).
El sistema de licuefaccion de gas tambien puede operar en un intervalo mucho mas amplio que la trayectoria definida por los puntos (a), (b) y (c). Un ejemplo del area de trabajo total del aparato de licuefaccion se representa como un area encerrada por lmeas discontinuas en la Fig. 2. La region inferior izquierda de este area de trabajo incluye la licuefaccion del helio gaseoso para presiones inferiores a 1 atmosfera, en la que T2, la temperatura del extremo mas fno de la segunda fase, es inferior a 4,2K y las tasas de licuefaccion a su vez son de alrededor de 17
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litros^a. Esta region es apropiada para equipos de MRI y otros equipos que deben operar en estas condiciones. En la region superior derecha de la zona de trabajo, se muestra que el aparato de licuefaccion puede operar por encima del punto cntico, donde se llena el deposito interior solo con helio gaseoso denso. Otras trayectorias eficientes incluyen, por ejemplo, el caso en el que el punto (c) se une con el punto (a), definiendo un ciclo cerrado comprendido por los puntos de trayectoria (a), (b), (a).
La Fig. 3 ilustra un esquema del sistema 1 general de licuefaccion de gas segun varias realizaciones de la invencion. Al sistema se suministra principalmente gas a traves del modulo 2 de admision de gas, preferentemente gas recuperado, de pureza del 99% o superior en el caso del helio, aunque puede funcionar con grados de menor pureza si es necesario. El sistema de la Fig. 3 ilustra dos fuentes 25 de helio gaseoso, una primera fuente esta conectada directamente al modulo de admision de gas, y una segunda fuente comprende ademas un deposito 24 de almacenamiento de expansion para operacion con MRI sensible y otro equipo. El gas se licua en el deposito 9 interior del matraz o recipiente 8 a vado termicamente aislado, tal como un Dewar o un recipiente termico. El proceso de licuefaccion comprende controlar la presion del gas en el deposito interior, mientras que el gas se enfna y condensa por medio de una o mas cabezas 18 de refrigerador criogenico que comprenden refrigeradores criogenicos de ciclo cerrado de una o mas fases, colocadas en uno o mas cuellos 20 del deposito interior del recipiente aislado.
Aunque en principio la presente invencion permite el uso de cualquier refrigerador criogenico multifase, la siguiente descripcion se refiere a una realizacion que comprende una cabeza fna con dos fases de refrigeracion. No obstante, debe ser evidente para el experto en la tecnica que la aplicacion a otros tipos de cabezas fnas (equipadas con una, dos o mas fases de refrigeracion) es analogamente conseguible con un incremento equivalente de las tasas de licuefaccion.
En la Figura 3, la cabeza fna 18 de refrigerador criogenico tiene dos fases fnas definidas por un patron escalonado, siendo el diametro cilmdrico de la primera fase 10 mayor que el diametro de la segunda fase 11. En el caso del helio, la alta conductividad termica del gas y las corrientes de conveccion generadas por gradientes termicos en la direccion de la fuerza de gravedad proporciona un intercambio de calor extremadamente eficiente entre las dos fases de la cabeza fna y el gas y elimina la necesidad de intercambiadores de calor mecanicos, condensadores y pantallas de radiacion. Las corrientes de conveccion son importantes solo durante el primer enfriamiento, dado que despues de que el fondo del deposito 9 interior se enfna, el helio esta estratificado en temperatura y el gradiente es siempre opuesto a la fuerza de gravedad. Se usan sensores de temperatura para medir la temperatura de vapor Ts1 en el extremo inferior de la primera fase 10, la temperatura de vapor Ts2 en el extremo inferior de la segunda fase 11 y la temperatura de vapor o lfquido Ts3 en la parte inferior del deposito 9 interior. Despues de la condensacion, el lfquido desciende y llena la parte de almacenamiento del deposito interior. El lfquido es transferido fuera del deposito interior, ya sea manual o automaticamente, via la valvula de transferencia o el puerto 6 cuando sea necesario. Los medios de conexion 17 en la cabeza fna se usan para conectar con el compresor de refrigeracion 22, via los que se suministra gas comprimido a y se devuelve desde la cabeza fna 18 via las conducciones 21 del compresor y la alimentacion electrica via el cable de alimentacion del compresor 22A.
El mecanismo 19 de control de presion del gas mantiene el control sobre el flujo de entrada del gas para controlar la presion dentro del deposito 9 interior. El mecanismo de control de presion del gas mide la presion del deposito interior usando el sensor 7 de presion y controla el caudal del gas que va al recipiente usando la valvula 3 de entrada (preferentemente una valvula de solenoide), el regulador 4 de presion y varias valvulas de entrada de control de flujo, preferentemente valvulas electronicas de solenoide o valvulas manuales 12, 13, 14, 15, 16. El medidor 5 de flujo masico de gas mide la velocidad de flujo instantanea, que esta modulada por el regulador 4 de presion de gas a medida que controla la presion. El flujo de gas, la presion y la temperatura integrados se usan para calcular la cantidad total de gas asf como el nivel de lfquido acumulado dentro del deposito 9 interior del recipiente aislado. El mecanismo 19 de control de la presion del gas puede detener la entrada de gas si la presion del suministro de helio es insuficiente, y puede cambiar el sistema a modo de espera para mantener la masa del gas licuado. El flujo masico del gas que va al recipiente aislado y, consecuentemente, la tasa de licuefaccion, aumentara a medida que aumenta la potencia disponible para la condensacion en la ultima fase 11 de la cabeza fna 18 del refrigerador criogenico. Dado que el helio esta estratificado con el mismo perfil de temperatura que la cabeza fna, el intercambio termico entre el gas y la cabeza fna es optimo.
El dispositivo 23 de control por ordenador, que comprende por lo menos un ordenador equipado con software/hardware programado y un monitor, controla el rendimiento del sistema por medio del mecanismo 19 de control de presion del gas, cabeza fna 18 de refrigeracion, compresor 22 del refrigerador criogenico, sensores de temperatura e indicadores de nivel opcionales dentro del deposito interior.
El proceso de licuefaccion comprende introducir en el deposito 9 interior la masa de gas equivalente al 100% de su volumen y mantenerlo lo mas proximo posible a la presion atmosferica o a la presion de la aplicacion elegida para el lfquido en el menor tiempo posible. Para conseguir esto, se debe extraer la maxima energfa del gas por la cabeza fna 18 del refrigerador criogenico durante todo el proceso. Es decir, la trayectoria que el proceso describe en el mapa de carga de la cabeza fna del refrigerador criogenico es idealmente la mas eficiente.
En otra realizacion de la invencion, el sistema 1 de licuefaccion de gas esta configurado para la recuperacion de
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helio en maquinas de MRI. Para mayor seguridad, el sistema de recuperacion de gas puede incluir una valvula de seguridad manual adicional que esta situada entre la maquina de MRI y el pequeno deposito 24 de almacenamiento de expansion, preferentemente metalico, que se coloca inmediatamente antes de la entrada de gases. La funcion de tal deposito de almacenamiento de expansion o recipiente externo es establecer una reserva de gas pequena en la que la presion puede ser ajustada para operar a o cerca de presiones atmosfericas, siempre dentro del intervalo espedfico de las maquinas de MRI. Adicionalmente, el puerto 6 de acceso vertical puede estar situado en uno de los lados de la parte superior del Dewar para transferir el helio lfquido del aparato de licuefaccion al equipo cientifico o medico de MRI. Este puede estar configurado para insertar un simple tubo de transferencia, o puede estar configurado con una valvula criogenica.
El proceso de condensacion del vapor fno que se acumula como lfquido en el deposito 9 interior corresponde a un proceso isobarico durante el cual cualquier perturbacion en la presion produce una tasa de licuefaccion disminuida. Para que el sistema 1 de licuefaccion de gas funcione con eficiencia optima, es necesario por lo tanto realizar un control de presion preciso del deposito 9 interior usando el control electronico del diverso mecanismo 19 de control de presion de gas y mantener el control durante todo el proceso.
Se ha observado que las mayores tasas de licuefaccion solo se pueden obtener con una pureza de gas de 99,99% o mejor, mientras que el gas de menor pureza degrada significativamente el rendimiento de licuefaccion. Ademas, despues de la contaminacion con gas impuro, el sistema no muestra ninguna mejora de la tasa de licuefaccion cuando el gas de entrada vuelve a ser 99,99% de pureza o mejor. Sin embargo, el modo de espera tambien se puede usar para limpiar las superficies de la cabeza fna y para restaurar la eficiencia. Cuando las temperaturas de la primera fase y la segunda fase se establecen lo suficientemente altas para producir la fusion y sublimacion de cualquier impureza, el sistema experimenta un proceso de regeneracion, o limpieza, sin perdida de gas. Despues de un conjunto de varios de tales ciclos en modo de espera, la tasa de licuefaccion aumenta de nuevo a valores caractensticos de la licuefaccion de gas de alta pureza. Durante las operaciones de transferencia de lfquido, se reproduce el mismo efecto de purga o regeneracion debido al aumento de temperatura (mas de 100 K) tanto de la primera fase como de la segunda fase de la cabeza fna de refrigeracion.
Las Figs. 4 y 5 ilustran adicionalmente un sistema para la licuefaccion de criogeno segun varias realizaciones de la invencion. El sistema 101 incluye un recipiente l02 aislado a vado que tiene una porcion de almacenamiento o deposito 103 y una porcion 104 de cuello que se extiende desde la parte de almacenamiento, un refrigerador criogenico 105 de cabeza fna recibido por lo menos parcialmente dentro de la parte de cuello y la region 106 de licuefaccion definida por un volumen de espacio generalmente dispuesto entre la porcion de almacenamiento y la porcion de cuello adyacente a la cabeza fna, tal como se representa adicionalmente por el area delimitada por una imea discontinua de la Fig. 5. La cabeza fna incluye N fases de cabeza fna representadas como primera fase 107, segunda fase 108, tercera fase 109 y enesima fase 110. En el sistema de la Fig. 5, la porcion de cuello es un cuello recto. Sin embargo, como se indica con lmeas discontinuas en la Fig. 4, el cuello se puede adaptar opcionalmente para ajustarse geometricamente a la superficie de las fases de la cabeza fna. Los caminos 111 de conveccion del gas de enfriamiento se representan adicionalmente en la Fig. 4. El sistema esta adaptado para mejorar la
licuefaccion del criogeno mediante el control de la presion dentro de la region de licuefaccion del criostato. El
mecanismo 114 de control de presion incluye un controlador 112 de presion electronico y un medidor 113 de flujo masico para controlar el gas de entrada que fluye dentro del criostato tal que la presion dentro de la region de licuefaccion se optimiza para una licuefaccion mejorada. El puerto 115 de extraccion proporciona acceso al criogeno licuado.
En deltas realizaciones de la invencion, un metodo para la licuefaccion mejorada de criogeno, tal como helio, incluye:
proporcionar un criostato que incluye un recipiente aislado a vado que tiene una porcion de almacenamiento y por lo menos una porcion de cuello que se extiende desde ella, un refrigerador criogenico de cabeza fna recibida por lo menos parcialmente dentro de la parte de cuello y una region de licuefaccion definida por un volumen de espacio dispuesto entre la porcion de almacenamiento y la porcion de cuello adyacente a la cabeza fna;
proporcionar un mecanismo de control de presion para mantener una presion deseada alrededor de la region de
licuefaccion del criostato, en el que la presion deseada es sustancialmente uniforme alrededor de la region de
licuefaccion; y
controlar la presion dentro de la region de licuefaccion durante un proceso de licuefaccion de tal modo que la licuefaccion del criogeno se puede conseguir a temperaturas ligeramente mas altas en el que el refrigerador criogenico esta configurado para operar a una potencia de enfriamiento incrementada.

Claims (14)

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    REIVINDICACIONES
    1. - Un sistema (1) de licuefaccion de gas para licuar que comprende:
    un modulo (2) de admision de gas adaptado para estar conectado a una fuente de gas y configurado para proporcionar gas al sistema;
    un recipiente (8) termicamente aislado;
    por lo menos un deposito (9) interior en el recipiente (8) que tiene por lo menos un cuello (20) que se extiende desde alli;
    por lo menos una cabeza fna (18) de refrigeracion que tiene una porcion de dedo fno localizada dentro del cuello y dirigida hacia el deposito interior;
    un compresor (22) de gas configurado para proporcionar gas comprimido a la cabeza fna de refrigeracion para la operacion del refrigerador criogenico;
    caracterizado por el hecho de que:
    por lo menos un mecanismo (19) de control de la presion del gas configurado para controlar la presion de admision del gas que fluye desde el modulo (2) de admision de gas y para ajustar tal presion a la requerida elevada presion del gas dentro del deposito (9) interior y
    por lo menos un dispositivo (23) de control para controlar el rendimiento de licuefaccion del sistema, dicho por lo menos un mecanismo (19) de control de presion del gas y dicho por lo menos un dispositivo (23) de control estando configurados para optimizar el rendimiento de licuefaccion e incrementar la tasa de licuefaccion controlando el flujo de gas dentro al deposito (9) interior para mantener la presion dentro del interior (9) justo por debajo de la presion cntica del gas que se esta licuando y
    por lo menos un puerto (6) de transferencia esta en comunicacion de fluido con el deposito (9) interior y esta adaptado para permitir la extraccion del criogeno de ahT
  2. 2. - El sistema de licuefaccion de gas segun la reivindicacion 1, caracterizado por el hecho de que por lo menos una cabeza fna de refrigeracion dirigida hacia el deposito interior comprende una, dos, o mas fases (107, 108, 109, 110) que tiene cada una un seccion transversal distinta.
  3. 3. - El sistema de licuefaccion de gas segun la reivindicacion 2, caracterizado por el hecho de que el cuello del deposito interior tiene un patron escalonado segun la geometna de las fases (107, 108, 109, 110) de la cabeza fna de refrigeracion.
  4. 4. - El sistema de licuefaccion de gas segun una cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado por el hecho de que el mecanismo (19) de control de la presion del gas comprende uno o mas de los siguientes elementos:
    una valvula (3) de entrada electronicamente controlada, que controla el flujo de gas dentro del deposito interior;
    un regulador (4) de presion que regula la presion del gas que fluye desde el modulo de admision de gas hasta el deposito interior;
    un medidor (5) de flujo masico que mide el volumen de gas que sale del regulador de presion y entra en el deposito interior; y
    un sensor (7) de presion que mide la presion del gas dentro del deposito interior.
  5. 5. - El sistema de licuefaccion de gas segun una cualquiera de las reivindicaciones 1-4, y que comprende adicionalmente las valvulas (12, 13, 14, 15, 16) configuradas para controlar el paso de gas a traves del mecanismo de control de presion.
  6. 6. - El sistema de licuefaccion de gas segun una cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizado por el hecho de que el gas es helio.
  7. 7. - Un metodo de licuefaccion de gas que hace uso de un sistema (1) de licuefaccion de gas segun cualquiera de las reivindicaciones 1-6, que comprende las siguientes etapas:
    suministrar gas al sistema (1) de licuefaccion de gas a traves del modulo (2) de admision de gas; regular la presion del gas que entra en el deposito (9) interior por medio del mecanismo (19) de control de gas y los dispositivos (23) de control;
    regular la potencia de la cabeza fna (18) de refrigeracion por medio de los dispositivos (23) de control para
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    determinar la tasa de licuefaccion;
    controlar el ritmo de los cambios de presion del gas entrante en el deposito (9) interior por medio del mecanismo (19) de control de presion de gas para optimizar la tasa de licuefaccion dentro del deposito (9) interior tanto durante como despues de los cambios de presion; y
    regular la presion del gas presente en el deposito (9) interior hasta un valor constante determinado por encima de la presion atmosferica para establecer la tasa de licuefaccion deseada.
  8. 8. - El metodo de licuefaccion de gas segun la reivindicacion 7, y que comprende adicionalmente la determinacion del nivel de gas licuado dentro del deposito (9) interior a partir de la masa total del gas en el deposito (9) interior y/o la determinacion de las densidades del gas y lfquido midiendo la presion o temperatura en el equilibrio termodinamico.
  9. 9. - El metodo de licuefaccion de gas segun la reivindicacion 7 u 8, y que comprende adicionalmente las etapas de:
    activar una valvula (3) de entrada para que se cierre, evitando el flujo de gas dentro del sistema, determinar y mantener la presion dentro del deposito (9) interior; y
    realizar ciclos de encendido/apagado de la cabeza fna de refrigeracion, forzar las temperaturas de las fases (10, 11) de la cabeza fna de refrigeracion a que excedan de las temperaturas de fusion y sublimacion de las impurezas presentes en el interior del deposito (9) interior, haciendo precipitar tales impurezas y caer dentro del fondo del deposito (9) interior y de este modo limpiando la zona en la que el gas se pre-enfna y licua.
  10. 10. - El metodo de licuefaccion de gas segun una cualquiera de las reivindicaciones 7-9, y que comprende adicionalmente un modo de espera en el que el volumen de gas licuado se conserva indefinidamente en equilibrio con el vapor, siendo iniciado el modo de espera por los dispositivos (23) de control que activan la valvula (3) de entrada por medio del mecanismo (19) de control de la presion de gas para cerrar la admision de gas dentro del sistema de licuefaccion de gas.
  11. 11. - El metodo de licuefaccion de gas segun una cualquiera de las reivindicaciones 7-10, que incluye la licuefaccion directa de gas recuperado por encima de la presion atmosferica, que comprende:
    el almacenamiento de gas en un deposito (24) de almacenamiento de expansion antes de su paso a traves del modulo (2) de admision de gas por encima de la presion atmosferica; y
    la licuefaccion directa, manteniendo el sistema de licuefaccion de gas a una presion por encima de la atmosferica por medio del mecanismo (19) de control de presion de gas.
  12. 12. - El metodo de licuefaccion de gas segun una cualquiera de las reivindicaciones 7-11, caracterizado por el hecho de que el mecanismo (19) de control de presion de gas, el modulo (2) de admision de gas, y los dispositivos (23) de control estan gobernados por medio de un programa de software en por lo menos un medio de almacenamiento de datos.
  13. 13. - El metodo de licuefaccion de gas segun la reivindicacion 12, caracterizado por el hecho de que el medio de almacenamiento de datos esta conectado a un dispositivo programable encargado de ejecutar dicho programa de software.
  14. 14. - El metodo de licuefaccion de gas segun cualquiera de las reivindicaciones 7-13, caracterizado por el hecho de que dicho gas se selecciona del grupo que consiste en: helio, nitrogeno, oxfgeno, hidrogeno, y neon.
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