ES2684420B2

ES2684420B2 - Canalización para cable superconductor

Info

Publication number: ES2684420B2
Application number: ES201830490A
Authority: ES
Inventors: Penalosa Jose Maria Martinez-Val; Anton Javier Munoz
Original assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Current assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Priority date: 2018-05-22
Filing date: 2018-05-22
Publication date: 2019-03-04
Anticipated expiration: 2038-05-22
Also published as: ES2684420A1

Description

DESCRIPCIÓN

CANALIZACIÓN PARA CABLE SUPERCONDUCTOR

SECTOR DE LA TÉCNICA

La invención se relaciona con la necesidad de mantener los cables superconductores a muy baja temperatura.

PROBLEMA TÉCNICO A RESOLVER Y ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El problema consiste en configurar un sistema físico que ofrezca

- Resistencia mecánica

- Aislamiento eléctrico

- Mantenimiento de muy bajas temperaturas en el fluido que bañe al cable

El documento con número de prioridad EP20130305871 20130675 divulga un método de conexión eléctrica entre dos cables superconductores, pero no hace referencia alguna a cómo mantener la baja temperatura necesaria para la superconducción. Similarmente, el documento JP2015032525 presenta el terminal de conexión de un cable superconductor, pero tampoco contiene ningún sistema para mantener temperaturas muy bajas.

Otros tipos de documentos son los que presentan novedades para compensar las dilataciones y contracciones, como es el documento US2013298573 (A1), pero la innovación en cuestión es simplemente geométrico-mecánica, sin componente térmica alguna.

Hay documentos que hacen referencia a la refrigeración en sí, como es el CN102637482 (A) que trata de la refrigeración de un puente eléctrico o "shunt” mediante un grupo de tuberías por las que circula nitrógeno líquido, que es un fluido muy usado en criogenia. No obstante, dicho documento no contiene ningún precedente de la innovación presentada aquí.

Tampoco puede considerarse directamente precedente el documento (ya antiguo) DE 19732353336 19731024, que presenta una estructura detallada para cables superconductores, sin que ésta contenga componentes o disposiciones en ningún punto similares a los de la invención aquí propuesta.

Por último, señalar que la patente ES 2598171 B2 es de los mismos autores que la presente solicitud, y trata del mismo tema, pero obedece a una búsqueda de soluciones de distinta naturaleza física.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

La invención aprovecha el mantenimiento de la temperatura durante los cambios de estado, particularmente durante la evaporación, manteniendo la presión constante o dentro del margen especificado.

Se añade a ello la interposición de un anillo de vacío, con objeto de minimizar la entrada de calor hacía el cable, procedente del medio ambiente circundante

La invención consta de una estructura de carácter cilíndrico con múltiples capas en sentido radial, y compuesta por una pluralidad de módulos repetidos y consecutivos en sentido axial, con su eje en disposición horizontal, estando el cable ubicado con su eje longitudinal en coincidencia con el eje de la estructura cilíndrica modular, en la que se distinguen varias capas en cada módulo, desde el cable hacia afuera, comenzando por

- un cilindro interior hueco, cuya pared es de material solido resistente a la temperatura y a la presión de trabajo, que vienen asociadas al requerimiento de temperatura impuesto por el superconductor, que condiciona la elección del fluido que rellena el cilindro interior, que está en equilibrio líquido-vapor a dicha temperatura requerida, con una presión de trabajo que debe ser la atmosférica del lugar, pudiendo seleccionar dicho fluido entre helio, neón, hidrógeno, o nitrógeno, o cualquier fluido que esté equilibrio líquido-vapor a dichas temperatura y presión de trabajo, quedando el cilindro lleno de dicho fluido, salvo lo que ocupa el cable, que pasa por la zona central axial del cilindro, y se mantiene en su posición mediante unos colgadores en U, cuyas puntas están fijas en la parte más elevada de la pared del cilindro interior, cuyas extremos están cerrados por sendos tapones, los cuales tienen un agujero central por el cual pasa el cable, cuya longitud puede ser muy superior al cilindro interior, que queda cerrado en sus extremos por la acción de los tapones, que además se ajustan entre sí los de dos extremos de cilindros consecutivos, pues los cilindros se disponen uno a continuación de otro, tapón contra tapón, quedando cada cilindro estanco, salvo por

- la cánula de alivio del vapor contenido en el cilindro interior, que perfora y atraviesa el tapón de un extremo del cilindro interior, denominado extremo del vapor, conectando dicha cánula con la válvula exterior que abre al excederse la presión de trabajo, y cierra por debajo de ella; habiendo en el tapón del otro extremo la cánula de inyección de líquido, que entra en la parte más baja del cilindro interior, e inyecta líquido a temperatura inferior a la de trabajo, con presión más alta que la de trabajo, cuando se abre su válvula de inyección;

- conectando dicha cánula de alivio, con su válvula, desde el cilindro interior hasta el conducto colector de vapor interior, y conectando la cánula de inyección, con su válvula, desde el conducto de suministro de líquido interior hasta el cilindro interior;

- siendo la segunda capa un anillo cilíndrico de vacío, compuesto de dos semi-anillos, inferior y superior, en forma de bóveda, que se ensamblan entre sí por unas superficies de contacto, quedando el semi-anillo inferior debajo del cilindro interior, y el superior encima; consistiendo cada semi-anillo en dos paredes cilíndricas concéntricas, separadas entre sí por las tapas planas de cierre por cada extremo, además de una estructura interna que se selecciona entre conjunto de bovedillas o de patas radiales cilíndricas: quedando todo el anillo cilíndrico de vacío dentro de un cilindro exterior, el cual cuelga de una serie de ristras en U, hechas de cuentas de material aislante eléctrico, pendiendo dicha U de la tapa superior del conducto de fluido exterior, y denominando módulo interior de evaporación al conjunto del cilindro interior con su contenido, sus tapones y sus cánulas, más el anillo de vacío que lo rodea:

- seleccionándose dicho fluido exterior entre nitrógeno, argón, o cualquier sustancia que se encuentre en equilibrio líquido-vapor a presión del orden de la atmosférica, y a temperatura por encima de la del fluido interior; consistiendo el conducto de fluido exterior, o conducción exterior, en un espacio que se desarrolla longitudinalmente, como toda la estructura alrededor del cable, y que radialmente es el espacio existente entre el cilindro exterior, y la carcasa exterior, consistente en un cuerpo principal en U, que apoya en tierra, en la cimentación o en la zanja que se haya preparado, más una tapa horizontal en su parte superior;

- y el vapor que se acumula en la parte superior de la conducción exterior, se envía a la atmósfera cuando funciona su válvula de alivio, por llegarse a la presión de consigna de dicha válvula; existiendo además en cada carcasa, al menos dos válvulas de inyección de fluido exterior en fase líquida; y cada carcasa integra cierto número de módulos consecutivos, cada uno con su cilindro interior y su anillo de vacío, todo ello colgando de la tapa de la carcasa a través de los colgadores en U.

Los colgadores que penden del techo superior de la carcasa y soportan todo lo interior al cilindro exterior, están hechos de material aislante eléctrico; que soporta la diferencia de potencial que existe entre la carcasa exterior, que está conectada a tierra, y el cilindro exterior, y todo lo contenido desde él al cable, que está a la tensión del cable.

Por dicha disposición de la tensión eléctrica, cada penetración de una superficie que esté tensión eléctrica distinta del elemento que la traspasa, consiste en un agujero en dicha superficie, en el que se engasta una pieza de material aislante en forma de corona circular, que puede ser a su vez con forma de protuberancia, con radios interior y exterior de dicha corona que sean acordes con la diferencia de tensión eléctrica que haya ente la superficie y el elemento que la atraviesa.

En la cara interior de cada cilindro interior, se ubican al menos dos diferenciadores líquido-vapor, uno en la cota máxima de la cara interior, y otro en mitad de la altura comprendida entre la cota antedicha, y la cota superior del cable; siendo útiles dichos diferenciadores, para asegurar que la superficie libre del líquido está situada entre ambos diferenciadores (que no forman parte de la invención, y que son termopares activos, que se conectan y desconectan con cierta frecuencia, y por la respuesta del transitorio, se conoce si el termopar está bañado de líquido, o de vapor).

Análogamente se sitúan al menos dos diferenciadores en la cara interior de la carcasa exterior, de tal modo que el que está más arriba señala la cota máxima de la superficie libre de la fase líquida del fluido exterior, y el diferenciador que está más abajo, señala la cota mínima.

Los vapores recolectados, bien del cilindro interior, bien de la conducción exterior, pueden liberarse a la atmósfera, si son inocuos y baratos, como el nitrógeno, que se repone a partir de botellas o bombonas comerciales, a través de las cánulas de inyección.

Alternativamente, los vapores pueden condensarse de nuevo, por alguno de los métodos comercialmente disponibles, y una vez en fase líquida, se inyectan de nuevo, a través de las cánulas correspondientes.

EXPLICACIÓN DE LAS FIGURAS

Las figuras, en general, no están a escala, pues los tamaños relativos de los elementos son muy dispares; pero son representativas de la invención y de sus principios de funcionamiento.

La figura 1 muestra un esquema, en sección recta longitudinal, de la estructura modular que se extiende a lo largo del cable para mantener su temperatura de trabajo.

La figura 2 muestra el esquema de la sección recta transversal de un módulo de evaporación.

La figura 3 muestra la sección recta longitudinal de dos módulos de evaporación consecutivos, con su estructura cilíndrica multicapa, si bien la carcasa exterior corresponde a una sección en U con tapa plana (fig. 2). El módulo de la izquierda muestra el extremo por el que entra el líquido en el cilindro interno; y el módulo de la derecha muestra el extremo por el que se extrae el vapor. Los módulos son réplica uno de otro.

Para facilitar la comprensión de las figuras de la invención, y de sus modos de realización, a continuación se relacionan los elementos relevantes de la misma: 1. Cable.

2. Módulo interior de evaporación.

3. Conjunto de módulos atendido por módulo exterior de refrigeración.

4. Eyector del fluido exterior que se vaporiza en el conducto exterior, dentro de la carcasa. Se complementa con el elemento 4a, que es el inyector de dicho fluido desde un sistema criogénico externo a la invención, o desde botellas comerciales de dicho fluido, licuado.

5. Eyectores del fluido interior, que se vaporiza en el cilindro interior; lo cual se complementa con los elementos 5a, que son los inyectores de dicho fluido desde un sistema criogénico externo a la invención, o desde botellas comerciales de dicho fluido, licuado. .

6. Fluido interior, refrigerante directo del cable, que se evapora en el cilindro interior.

7. Dicho fluido, en estado de vapor, que escapa por la cánula .

8. Colgantes en U que efectúan la sujeción del cable desde la cara interior del cilindro interior.

9. Cilindro interior, que queda definido por su propia pared cilíndrica.

10. Cánula de alivio de la presión del vapor del cilindro interior. Se complementa con la válvula 10a, que regula el paso de vapor, según el contenido de líquido que tenga el cilindro interior. (El conjunto 10 más 10a es la plasmación física de los elementos 5 de la figura 1)

11. Pieza de aislante eléctrico para atravesar una superficie a distinta tensión.

12. Colector de vapor.

13. Cánula de inyección de fluido interior, refrigerante, del cable, en estado líquido. Se complementa con la válvula 13a, que regula el paso de líquido, según el contenido de dicho líquido que tenga el cilindro interior, y con el tubo de suministro de fluido interior en fase líquida, 13b. (El conjunto 13 más 13a es la plasmación física de los elementos 5a de la figura 1).

14. Pared interior del anillo de vacío.

15. Anillo cilíndrico de vacío, que se compone de dos semi-anillos con forma de bóveda, inferior (15 a) y superior (15 b)

16. Pared exterior de dicho anillo.

17. Radios de refuerzo entre las dos paredes de dicho anillo

18. Superficie de ensamblaje entre los semi-anillos superior e inferior del anillo cilíndrico de vacío.

19. Cilindro exterior, que delimita interiormente el conducto de fluido exterior 20. Colgadores de sujeción del cilindro exterior, que incluye al anillo de vacío y al cilindro interior, siendo además estos colgadores, aislantes eléctricos.

21. Fluido exterior, por lo común nitrógeno, que llena el conducto de fluido entre el cilindro exterior y la carcasa.

22. Vapor evaporado del fluido exterior, en general nitrógeno, 21.

23. Carcasa exterior.

24. Tapa de la carcasa 23

25. Tubo y válvula de alivio del vapor del fluido exterior, que a su vez es la materialización del elemento 4.

26. Tubo y válvula de inyección del fluido exterior, en fase líquida, que a su vez es la materialización del elemento 4a.

27. Tapón de estanqueidad en los extremos, abiertos, del cilindro interior. Un caso especial se denota con 27a, que es el tapón atravesado por la cánula de alivio (10); y otro es el tapón 27b atravesado por la cánula de inyección (13).

28. Junta o brida circunferencial para estanqueidad de los tapones opuestos de dos módulos consecutivos.

29. . Termopar diferenciador líquido-vapor, que marca la cota superior a la que puede llegar la fase líquida del fluido interior.

30. Termopar diferenciador líquido-vapor, que marca la cota inferior a la que puede descender la fase líquida del fluido interior.

31. Termopar diferenciador líquido-vapor, que marca la cota superior a la que puede llegar la fase líquida del fluido exterior.

32. Termopar diferenciador líquido-vapor, que marca la cota inferior a la que puede descender la fase líquida del fluido exterior.

33. Conducto del fluido exterior, confinado entre la cara exterior del cilindro exterior (19) y el interior de la carcasa (23) y su tapa (24)

MODO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN

La invención tiene dos partes complementarias:

- La estructura mecánica que proporciona la estabilidad y funcionalidad de recipientes y conducciones, y que puede ser fabricada con diversos materiales, según la presión de diseño para confinar los fluidos utilizados, y las temperaturas de montaje y de operación;

- Los fluidos de trabajo, que han de cumplir requisitos muy claros en sus propiedades termodinámicas, y que son muy específicas de esta invención. Respecto de esto último, conviene precisar que las temperaturas de saturación de los fluidos de mayor interés, a = 0,1MPa de presión,

- Hidrógeno, 20,3 K

- Helio, 4,2 K

- Neón, 27 K

- Nitrógeno, 77 K

- Argón, 87,2 K

Si el superconductor requiere temperaturas muy bajas, una solución comercialmente asequible es usar hidrógeno como fluido interior, y nitrógeno en el relleno de la carcasa. Si no hacen falta temperaturas de cable tan bajas, se puede usar nitrógeno como fluido interior, y argón en el exterior.

Nótese que al fijar dos temperaturas, merced a sendos cambios de estado, lo que se hace es fijar la carga de calor (medida generalmente en densidad lineal de potencia entrante) que llega al fluido interior, a través del anillo de vacío, sobre todo a través de los puentes térmicos de conducción que se establezcan por la estructura, que son fundamentalmente los radios de refuerzo.

Como referencia de carga térmica, se puede tomar un cable que transporte 1 GW de potencia eléctrica, y tenga una disipación de 1 mW/m (1 W/km). Esto podría corresponder a un superconductor tipo 2, por ejemplo de MgB2, trabajando con una tensión de 250 kV y una intensidad de 4 kA.

Para calcular el calor que entra por los radios de refuerzo (17), escogeremos para éstos, y para las paredes del anillo de vacío, un material polimérico de resinas endurecidas y lana de vidrio, con una conductividad térmica de 0,1 W/mK; y cada radio tiene 5 cm de largo y 1 cm2 de sección. Dado que hay (como mucho) 57 K de diferencia entre los extremos de cada radio (suponiendo la elección señalada de H2 y N2) el flujo térmico hacia adentro será de 0,157/0,05 = 114 W/m2

Y por tanto por cada radio de refuerzo conduce 0,0114 W. Si se admiten 20 radios por metro, se tendría una carga térmica de 0,228 W/m, muy superior a la del cable. Esta carga se compensa con evaporación de hidrógeno, que en esas condiciones tiene un calor latente de 448 kJ/kg. Ello significa una evaporación de 0,5 mg/sm. En 1 km, la evaporación sería de 0,5 g/s, que es una cantidad insignificante, aunque habría que compensarla, bien condensando el vapor para volverlo a meter en el cilindro interior, bien rellenando este cilindro con H ² comercial licuado.

Este producto comercial consume, en su preparación, 25 kJ/g lo cual significa que para reponer lo perdido en 1 km haría falta una potencia (eléctrica, de activación de compresores) de 12,5 kW.

Si la consideramos respecto de una potencia nominal del cable de 1 GW, las pérdidas asociadas al mantenimiento de la temperatura serían del orden de la decena de millonésima por km (lo que resulta despreciable).

Para el montaje, el cable (1) se iría pasando por los consecutivos módulos, sin apretar aun estos, lo cual se haría posteriormente, apretando los tapones (27) para dar estanqueidad al sistema, lo cual se complementa con la brida 28.

Estarían previamente ensambladas las cánulas de alivio (10) y de inyección (13) dentro de los tapones 27a y 27b respectivamente,.

El conjunto de módulos consecutivos, aún vacíos, es abrazado por los colgadores (20) que han de fijarse a continuación, al punto correspondiente de la tapa (24) de la carcasa; quedando colgada de ella todos los elementos interiores del sistema, tales como el anillo de vacío (15) y el cilindro interior (9), cuya cara exterior prácticamente coincide con la pared interior (14) del anillo de vacío.

Una vez ensamblada la parte mecánica, es preciso rellenar el cilindro interior (9) con el fluido correspondiente (6), e igualmente la carcasa (23) con el suyo (21).

En el ejemplo que se está exponiendo, se trata de hidrogeno en el cilindro interior y nitrógeno en el exterior (carcasa). Primero se debe rellenar esto último, para atemperar todo el conjunto a los 77 K del nitrógeno líquido, que además es barato y de fácil manejo (se usa en muchas aplicaciones, incluidas las dermatológicas). Posteriormente se carga el hidrógeno, inyectándolo a través de las cánulas (13). La primera recarga es lenta y consume hidrógeno, pues ha de enfriar toda la estructura. Una vez alcanzadas condiciones estacionarias, el consumo de hidrógeno ya se ha visto que es irrelevante (0,5 g/skm que representan algo más de 15 toneladas por km y año). También se puede exponer en volumen, que en condiciones normales representan algo menos de 6 litros por km, cada segundo. Ello no implica riesgo alguno, porque el hidrógeno no llega a quemar virulentamente hasta no superar 4% molar, lo cual significa que el peligro se asocia a un volumen total de aire de 6/0,04 litros, es decir 0,150 m3, si se admite 1s como tiempo de tránsito del hidrógeno a través de la nube de su difusión tal como sale del alivio de presión (si es que no se le captura para condensarlo). Esa nube tendría una sección recta de 1,5 cm2, que en realidad sería menor que la propia sección recta de la canalización, que sería en total algo menos de 500 cm2. Podría pues considerarse que la invención es realizable.

Claims

REIVINDICACIONES

1 - Canalización para cable superconductor, caracterizada porque consta de una estructura de carácter cilindrico con múltiples capas en sentido radial, y compuesta por una pluralidad de módulos repetidos y consecutivos en sentido axial, con su eje en disposición horizontal, estando el cable (1) ubicado con su eje longitudinal en coincidencia con el eje de la estructura cilíndrica modular, en la que se distinguen varias capas en cada módulo, desde el cable hacia afuera, comenzando por

- un cilindro interior hueco (9), cuya pared es de material solido resistente a la temperatura y a la presión de trabajo, que vienen asociadas al requerimiento de temperatura impuesto por el superconductor, que condiciona la elección del fluido que rellena el cilindro interior, que está en equilibrio líquido-vapor a dicha temperatura requerida, con una presión de trabajo que debe ser la atmosférica del lugar, quedando el cilindro lleno de dicho fluido (6), salvo lo que ocupa el cable, que pasa por la zona central axial del cilindro, y se mantiene en su posición mediante unos colgadores en U (8), cuyas puntas están fijas en la parte más elevada de la pared del cilindro interior, cuyos extremos están cerrados por sendos tapones (27), los cuales tienen un agujero central por el cual pasa el cable, cuya longitud puede ser muy superior a la del cilindro interior, quedando éste cerrado en sus extremos por la acción de los tapones, que además topan entre sí, los de dos extremos de cilindros consecutivos, pues los cilindros se disponen uno a continuación de otro, tapón contra tapón, quedando cada cilindro estanco, salvo por

- la cánula de alivio (10) del vapor (7) contenido en el cilindro interior, la cual cánula perfora y atraviesa el tapón (27a) de un extremo del cilindro interior, denominado extremo del vapor, conectando dicha cánula con la válvula exterior (10a) que abre al excederse la presión de trabajo, y cierra por debajo de ella; habiendo en el tapón del otro extremo (27b) la cánula (13) de inyección de líquido, que entra en la parte más baja del cilindro interior (9), e inyecta líquido a temperatura inferior a la de trabajo, con presión más alta que la de trabajo, cuando se abre su válvula de inyección (13a);

- conectando dicha cánula de alivio (10), con su válvula (10a), desde la parte superior del cilindro interior (9) hasta el conducto colector de vapor interior (12), y conectando la cánula de inyección (13), con su válvula (13a), desde el conducto de suministro (13b) de líquido interior hasta el cilindro interior (9); - siendo la segunda capa un anillo cilindrico de vacío (15), compuesto de dos semi-anillos, inferior (15 a) y superior (15 b), en forma de bóveda, que se ensamblan entre sí por unas superficies de contacto (18), quedando el semi anillo inferior debajo del cilindro interior (9), y el superior encima; consistiendo cada semi-anillo en dos paredes cilíndricas concéntricas, separadas entre sí por las tapas planas de cierre por cada extremo, además de una estructura interna que se selecciona entre conjunto de bovedillas o de patas radiales cilíndricas (17): quedando todo el anillo cilíndrico de vacío dentro de un cilindro exterior (19), el cual cuelga de una serie de ristras en U (20), hechas de cuentas de material aislante eléctrico, pendiendo dicha U de la tapa superior (24) del conducto (33) de fluido exterior, y denominando módulo interior de evaporación al conjunto del cilindro interior (27) con su contenido, sus tapones (27) y sus cánulas (10 y 13), más el anillo de vacío (15) que lo rodea;

- consistiendo el conducto de fluido exterior, o conducción exterior (33), en un espacio que se desarrolla longitudinalmente, como toda la estructura alrededor del cable, y que radialmente es el espacio existente entre el cilindro exterior (19), y la carcasa exterior (23), consistiendo esta carcasa en un cuerpo principal en U, que apoya en tierra, en la cimentación o en la zanja que se haya preparado, más una tapa horizontal (24) en su parte superior.

2 - Canalización para cable superconductor, según reivindicación primera, caracterizada porque el vapor que se acumula en la parte superior de la conducción exterior (33), se envía a la atmósfera cuando funciona su válvula de alivio (25), por llegarse a la presión de consigna de dicha válvula; existiendo además en cada carcasa, al menos dos válvulas de inyección (26) de fluido exterior en fase líquida; y cada carcasa integra cierto número de módulos consecutivos, cada uno con su cilindro interior (9) y su anillo de vacío (15), todo ello colgando de la tapa (24) de la carcasa a través de los colgadores en U (20).

3.- Canalización para cable superconductor, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que los colgadores (20) que penden del techo superior (24) de la carcasa y soportan todo lo interior al cilindro exterior, están hechos de material aislante eléctrico; que soporta la diferencia de potencial que existe entre la carcasa exterior (23), que está conectada a tierra, y el cilindro exterior, y todo lo contenido desde él al cable (1), que está a la tensión del cable.

4 - Canalización para cable superconductor, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque en la cara interior de cada cilindro interior (9), se ubican al menos dos diferenciadores líquido-vapor, uno (29) en la cota máxima de la cara interior, y otro (30) en mitad de la altura comprendida entre la cota antedicha, y la cota superior del cable (1); y se sitúan al menos otros dos diferenciadores en la cara interior de la carcasa exterior (23), de tal modo que el que está más arriba (31) señala la cota máxima de la superficie libre de la fase líquida del fluido exterior, y el diferenciador que está más abajo (32), señala la cota mínima.