MX2012014168A

MX2012014168A - Bomba hidrida.

Info

Publication number: MX2012014168A
Application number: MX2012014168A
Authority: MX
Inventors: John Charles Street; Paul Martin Davis
Original assignee: Air Prod & Chem
Priority date: 2010-10-14
Filing date: 2010-10-14
Publication date: 2013-02-11
Also published as: US8943842B2; US20120234024A1; PT2627940E; WO2012050580A1; CN102652239B; JP5616459B2; ES2548507T3; JP2013515223A; CA2780877C; EP2627940B1; CA2780877A1; PL2627940T3; CN102652239A; KR101369518B1; EP2627940A1; KR20120085840A

Abstract

Un proceso y aparato que incluye una fuente criogénica para proporcionar un fluido criogénico para vaporización, una bomba criogénica en comunicación de flujo de fluido con la fuente criogénica para incrementar la presión del fluido criogénico, un circuito 110 de refrigerante de vaporizador no caldeado en comunicación de flujo de fluido con la bomba criogénica y adaptado para aceptar el fluido criogénico para formar una corriente caliente; un vaporizador de caldeo directo corriente abajo y en comunicación de flujo de fluido con el circuito 110 de refrigerante de vaporizador no caldeado y adaptado para aceptar la corriente caliente del circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado para formar una corriente sobrecalentada; y una unidad 118 de potencia de motor a diesel para proporcionar potencia a la bomba criogénica, el circuito 110 de refrigerante de vaporizador no caldeado y el vaporizador de caldeo directo.

Description

BOMBA HÍBRIDA DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Las bombas son piezas portátiles de equipo diseñadas para distribuir un líquido criogénico tal como nitrógeno, por ejemplo, para aplicaciones temporales de campo petrolífero e industriales. Las bombas transfieren nitrógeno, por ejemplo, normalmente con una bomba de desplazamiento positivo de alta presión, a través de un vaporizador integrado a una tubería de cliente, pozo u otro punto de uso. Las bombas utilizan un motor a diesel integrado para impulsar la bomba y bombas hidráulicas para circuitos auxiliares.

El nitrógeno se distribuye y se almacena en un estado líquido criogénico, y debe vaporizarse en estado gaseoso y calentarse para su uso en la mayoría de las aplicaciones. Sin embargo, muchos materiales comunes se vuelven quebradizos si se exponen a temperaturas criogénicas. De este modo, el nitrógeno debe calentarse, antes de su uso, para evitar falla indeseada o agrietamiento. El diseño original de las bombas utilizaba un vaporizador de caldeo directo para vaporizar y calentar el nitrógeno.

Las bombas que comprenden vaporizadores de caldeo directo incluyen un quemador de líquido-combustible de aire forzado y un intercambiador de calor para transferir calor desde el gas de combustión hacia una corriente de nitrógeno. Los vaporizadores de caldeo directo hacen contacto con el gas de combustión caliente directamente en un paquete de tubos de alta presión que contienen el fluido criogénico.

Un vaporizador de caldeo indirecto menos común también puede utilizarse en las bombas. Los vaporizadores de caldeo indirecto menos comunes difieren de los vaporizadores de caldeo directo ya que se utiliza un fluido de transferencia de calor intermedio, típicamente una corriente de agua-etilenglicol , la cual se hace circular para transferir calor desde el gas de combustión hacia un paquete de tubos del intercambiador de calor de alta presión más pequeños que contienen un fluido criogénico.

Tanto los vaporizadores de caldeo directo como los vaporizadores de caldeo indirecto utilizados en las bombas son relativamente simples y proporcionan altos índices de intercambio de calor en una unidad compacta; sin embargo, ambas unidades son muy ineficientes en combustible. Además, como resultado de incrementar los costos del combustible, ambas unidades tienen un costo operativo relativo muy elevado. Finalmente, ambas unidades pueden no utilizarse en algunas áreas donde tienen lugar restricciones de flama expuesta .

Por una variedad de razones, que incluyen, pero no se limitan a, eliminación de condiciones de flama expuesta para el trabajo en lugares con atmósferas potencialmente inflamables y consumo de combustible reducido, las bombas se adaptaron para utilizar vaporizadores sin caldeo. Una bomba incorporada con un vaporizador no caldeado, también denominada como bomba de recuperación de calor, carga su motor a diesel sobre la salida de potencia requerida para la bomba de nitrógeno de desplazamiento positivo de alta presión de nitrógeno y captura el calor del refrigerante de motor y el sistema hidráulico. Las bombas de recuperación de calor que utilizan un circuito de dinamómetro hidráulico para cargar el motor incluso pueden capturar el calor de ese circuito también. Con frecuencia, el calor también se captura del gas de escape de motor y los circuitos de aire de turboalimentación de motor, y algunas veces otras fuentes de calor más pequeñas también. Las bombas de recuperación de calor requieren una bomba de circulación de refrigerante para circular una mezcla de agua-etilenglicol para transferir el calor desde todas las fuentes de calor enlistadas en lo anterior en un vaporizador de refrigerante, que aloja el paquete de tubos de intercambio de calor de nitrógeno de alta presión dentro de un recipiente de refrigerante presurizado.

Las bombas de recuperación de calor típicamente tienen mejor eficiencia de combustible que las bombas con un vaporizador caldeado, pero para un tamaño de unidad determinado, las bombas de recuperación de calor generalmente producen aproximadamente la mitad de la capacidad de nitrógeno de una unidad de caldeo directo. Además, las bombas de recuperación de calor se limitan a distribuir nitrógeno a temperaturas de descarga de alrededor de 300°F (149°C) y a proporciones de distribución de nitrógeno relativamente bajas. En contraste, una bomba de caldeo directo es capaz de distribuir nitrógeno a proporciones de descarga elevadas o a temperaturas de alrededor de 600°F (316°C) , la cual es deseable para ciertas aplicaciones industriales que utilizan nitrógeno como medio de calentamiento.

Como resultado de las desventajas de las bombas que utilizan vaporizadores caldeados y no caldeados, la tecnología se combinó. Las tecnologías de vaporizador caldeado y no caldeado se combinaron en paralelo para formar una unidad de bomba de doble modo simple. La unidad de bomba de doble modo puede utilizar el vaporizador caldeado o el vaporizador no caldeado a discreción de la persona que opera el equipo. El vaporizador no caldeado se prefiere debido a su consumo y necesidad de combustible más bajo, donde la flama expuesta de vaporizador caldeado potencialmente es. un peligro, pero el vaporizador caldeado puede utilizarse cuando la proporción de descarga de nitrógeno deseada o temperatura se encuentra más allá de la capacidad del vaporizador no caldeado .

Como resultado de su diseño, la unidad de bomba de doble modo utiliza menos combustible que las bombas de vaporizador caldeado convencionales para algunas aplicaciones, y aún permite una mayor temperatura de nitrógeno y capacidad de proporción de una sola unidad. Un fabricante, Vita International construye la bomba de nitrógeno de doble modo comercialmente y ofrece una unidad que tiene una capacidad de proporción de 180,000 pies cúbicos estándar por hora (5,097 nm3/hr) con su vaporizador no caldeado, y una capacidad de proporción de 540,000 pies cúbicos estándar por hora (15,291 nm3/hr) con su vaporizador caldeado .

Las unidades de bomba de doble modo comercialmente disponibles no utilizan fuentes de calor de la unidad de potencia del motor a diesel, y de hecho, tales fuentes de calor se descargan de otra manera a la atmósfera como calor residual mientras se utiliza el vaporizador caldeado. Cuando opera en el modo de vaporizador caldeado, las unidades de bomba de doble modo actuales, fundamentalmente son tan ineficientes en combustible como las unidades de vaporizador caldeado convencionales. También, las bombas de doble modo actuales dependen de un individuo para operar el equipo, que incluye seleccionar el modo de vaporizador caldeado aún cuando el modo de vaporizador no caldeado puede ser adecuado.

De este modo existe la necesidad en la técnica de una unidad de bomba que sea más eficiente en combustible que los vaporizadores de caldeo directo convencionales en todas las condiciones operativas, sea capaz de proporcionar altas temperaturas de descarga de hasta 600°F (316°C), sea capaz de descargar altas proporciones de flujo de hasta 500,000 pies cúbicos estándar por hora (14,158 nm3/hr) a temperatura ambiente, y se opere en una forma eficiente.

Las modalidades descritas satisfacen la necesidad en la técnica de proporcionar una unidad de bomba híbrida que sea más eficiente en combustible que los vaporizadores de caldeo directo convencionales en todas las condiciones operativas, sea capaz de proporcionar altas temperaturas de descarga de hasta 600°F (316°C) , sea capaz de descargar altas proporciones de flujo de hasta 500,000 pies cúbicos estándar por hora (14,158 nm3/hr) a temperatura ambiente, y pueda operarse en una forma altamente eficiente.

En una modalidad, se describe una bomba, que comprende: una fuente criogénica para proporcionar un fluido criogénico para vaporización; una bomba criogénica en comunicación de flujo de fluido con la fuente criogénica para incrementar la presión del fluido criogénico; un circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado en comunicación de flujo de fluido con la bomba criogénica y adaptado para aceptar el fluido criogénico para formar una corriente caliente; un vaporizador de caldeo directo corriente abajo y en comunicación de flujo de fluido con el circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado y adaptado para aceptar una corriente caliente del circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado para formar una corriente sobrecalentada; y una unidad de potencia de motor a diesel para proporcionar potencia a la bomba criogénica, el circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado, y el vaporizador de caldeo directo.

En otra modalidad, se describe una bomba, que comprende: una fuente criogénica para proporcionar un fluido criogénico para vaporización; una bomba criogénica en comunicación de flujo de fluido con la fuente criogénica para incrementar la presión del fluido criogénico; un circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado en comunicación de flujo de fluido con la bomba criogénica y adaptado para aceptar el fluido criogénico para formar una corriente caliente, el circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado comprende un intercambiador de calor de vapor de condensación adaptado para aceptar una corriente de vapor de una fuente externa para intercambio de calor con el circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado; y un unidad de potencia de motor a diesel para proporcionar potencia a la bomba criogénica y el circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado.

En aún otra modalidad, se describe un proceso para sobrecalentar un fluido criogénico, que comprende: proporcionar un fluido criogénico para vaporización; presurizar el fluido criogénico; calentar el fluido criogénico presurizado en un circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado para formar un fluido presurizado caliente; y además calentar el fluido presurizado caliente en un vaporizador de caldeo directo colocado corriente abajo y en comunicación de flujo de fluido con el circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado para formar una corriente sobrecalentada.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS El sumario anterior, así como la siguiente descripción detallada de las modalidades ejemplares, se comprenden mejor cuando se leen junto con los dibujos anexos. Para el propósito de ilustrar modalidades, se muestran en los dibujos construcciones ejemplares; sin embargo, la invención no se limita a los métodos específicos y medios descritos. En los dibujos: La Figura 1 es un diagrama de flujo de una bomba híbrida ejemplar de acuerdo con una modalidad de la presente invención; la Figura 2 es un diagrama de flujo del circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado ejemplar de acuerdo con una modalidad de la presente invención; la Figura 3 es un diagrama de flujo de un circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado alternativo descrito en la Figura 2 de acuerdo con la presente invención; y la Figura 4 es un diagrama de flujo de un circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado ejemplar que incluye un sistema de control de acuerdo con una modalidad de la presente invención.

Una modalidad de la presente invención tiene que ver con una unidad de bomba híbrida que utiliza el calor residual del motor a diesel utilizado para energizar la bomba híbrida para vaporización. Tal modalidad incluye el uso de un vaporizador no caldeado instalado en serie corriente arriba de un vaporizador de caldeo directo para hacer más eficiente la operación del vaporizador de caldeo directo. La bomba híbrida también incluye un circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado, por ejemplo, que reúne el calor residual del motor a diesel y transfiere el calor al nitrógeno en el vaporizador no caldeado. Además, el calor se captura de una corriente de gas de escape del vaporizador de caldeo directo después de que el paquete de intercambiadores de calor de nitrógeno y el calor se transfieren hacia el circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado. La bomba híbrida también puede comprender un intercambiador de calor de vapor de condensación para proporcionar calor adicional para el nitrógeno de vaporización en el circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado cuando se encuentra disponible un suministro de vapor. La bomba híbrida también puede incluir un sistema de control para operar/mantener el circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado dentro de los límites de temperatura, y un sistema de control para operar el vaporizador de caldeo directo para equilibrar las cargas de calor sin intervención de un operador.

En contraste a la bomba de recuperación de calor, la bomba híbrida no carga intencionalmente el motor a diesel mediante un dinamómetro hidráulico o circuito hidráulico para crear más calor. El motor de la bomba híbrida es mucho más pequeño (por ejemplo, un motor de 450 hp ó 336 kW) que el motor de la bomba de recuperación de calor (por ejemplo, un motor de 750 hp ó 559 kW) y proporciona sólo la potencia de eje necesaria para . las bombas de nitrógeno y circuitos auxiliares. La bomba híbrida reúne el calor de refrigerante de motor, el aire de turboalimentación, gas de escape del motor, y circuitos de aceite caliente así como el gas de escape de combustión del vaporizador caldeado y el vapor suministrado opcional para calentar y vaporizar el nitrógeno. Además, la bomba híbrida captura el calor del motor que de otra manera puede liberarse a la atmósfera por las bombas tradicionales de nitrógeno de caldeo directo o caldeo indirecto .

Para aquellos de experiencia en la técnica, no es obvio secuenciar el flujo de nitrógeno en una bomba, primero a través de un vaporizador no caldeado, después, en segundo lugar, a través de un vaporizador de caldeo directo. Por ejemplo, alguien con experiencia en la técnica puede asumir que instalar un vaporizador con una capacidad menor en serie con un vaporizador con una mayor capacidad puede limitar la capacidad del circuito a la del vaporizador de menor capacidad. También, alguien con experiencia en la técnica probablemente puede reconocer que el calor latente requerido para vaporizar una masa determinada de nitrógeno líquido es casi la misma que el calor sensible requerido para calentar el vapor de nitrógeno frío saturado a temperatura ambiente. De este modo, alguien con experiencia en la técnica puede concluir de forma incorrecta que puesto que un vaporizador corriente arriba puede tener poco impacto sobre la temperatura del nitrógeno que entra al vaporizador caldeado, puede no mejorar la eficiencia del vaporizador de caldeo directo debido a que ocurrirá formación de hielo donde los tubos del intercambiador de calor contienen vapor de nitrógeno frío.

La invención encontró con resultado sorprendente, sin embargo, que el vaporizador no caldeado mejora directamente la eficiencia de intercambio de calor dentro del intercambiador de calor de vaporizador de caldeo directo. El nitrógeno líquido con frecuencia alcanza el vaporizador caldeado de una bomba convencional en un estado sub-enfriado . Esto sucede cuando la presión de descarga de la bomba de desplazamiento positivo es mayor que la presión de saturación resultante coincidente con la elevación de temperatura del nitrógeno líquido conforme se ve forzado a pasar a través de las bombas y de la tubería al vaporizador. Cuando el vaporizador de caldeo directo se opera con una proporción de flujo de nitrógeno que se encuentra por debajo de la capacidad clasificada del intercambiador de calor de vaporizador de caldeo directo, poca diferencia de presión existe a través de los tubos del intercambiador de calor paralelos para distribuir de manera uniforme el nitrógeno líquido a través de un colector de distribución de tubo de intercambio de calor vertical que es común para vaporizadores de caldeo directo. Esto puede llevar a una separación de fase de líquido-vapor en el colector de tubo de intercambiador de calor vertical. El nitrógeno líquido más denso en el fondo del colector puede canalizar través de los tubos inferiores del intercambiador de calor. Con el paso del tiempo, la formación de hielo en los tubos inferiores del intercambiador de calor aisla los tubos inferiores mientras canaliza de preferencia el gas de combustión sobre los tubos superiores. El problema se complica debido a que la pérdida de fricción del nitrógeno que se mueve a través de la tubería del intercambiador de calor es menor para una proporción de flujo de masa determinada para una corriente de gas más denso y más frío que para un gas menos denso y más caliente. De este modo, la proporción de flujo de masa en un tubo determinado comúnmente es mayor en la tubería inferior que en la tubería superior .

La secuencia descrita de vaporizadores mejora la eficiencia del intercambiador de calor de vaporizador de caldeo directo de la siguiente forma. En primer lugar, cuando la presión en la entrada del vaporizador caldeado se encuentra por encima de la presión crítica de nitrógeno, 477.6 psig (32.93 barg) , el vaporizador no caldeado puede incrementar la temperatura de una corriente de nitrógeno que entra al vaporizador caldeado hasta que se vuelve un fluido supercrítico por encima de -232.5°F (-146.9°C). Las fases separadas de líquido y vapor no pueden existir en un estado de fluido supercrítico, de modo que la distribución del nitrógeno dentro del colector de entrada de intercambiador de calor crítico de vaporizador caldeado será más uniforme desde la parte superior hasta la inferior.

En segundo lugar, cuando la presión en la entrada del vaporizador caldeado se encuentra por debajo de la presión crítica del nitrógeno, el vaporizador no caldeado puede vaporizar completamente toda una corriente de nitrógeno que entra al vaporizador caldeado, de modo que la distribución del nitrógeno dentro del colector de entrada de intercambiador de calor vertical de vaporizador caldeado será más uniforme desde la parte superior hasta la parte inferior.

En tercer lugar, cuando la presión en la entrada del vaporizador caldeado se encuentra por debajo de la presión crítica de nitrógeno, el vaporizador no caldeado puede vaporizar parcialmente una corriente de nitrógeno que entra al vaporizador caldeado. La expansión del nitrógeno conforme se vaporiza de líquido a vapor puede crear flujo de dos fases e incrementar la velocidad del nitrógeno que entra al vaporizador caldeado. La turbulencia asociada con el flujo de dos fases de mayor velocidad mejora la distribución del nitrógeno dentro del colector de entrada del intercambiador de calor vertical de la parte superior a la parte inferior.

La secuencia de vaporizadores en combinación con el intercambiador de calor de gas de escape de vaporizador caldeado es especialmente importante debido a que el vaporizador caldeado es un intercambiador de calor concurrente. Los intercambiadores de calor contracorriente típicamente son más eficientes que los intercambiadores de calor concurrentes cuando la temperatura de aproximación es relativamente baja, significando que la temperatura^ de fluido del proceso de salida relativamente se acerca a la temperatura de salida del medio de calentamiento. En un intercambiador de calor de contracorriente genérico, la temperatura de salida del fluido de proceso caliente puede ser mayor que la temperatura de salida del fluido de calentamiento si el intercambiador de calor tiene suficiente área superficial. La misma condición no puede ocurrir en un intercambiador de calor concurrente genérico . La temperatura de aproximación de un intercambiador de calor concurrente genérico siempre será mayor que la temperatura de aproximación de un intercambiador de calor de contracorriente cuando todos los otros parámetros son los mismos. Los intercambiadores de calor para vaporizadores de caldeo directo casi son exclusivamente concurrentes para utilizar la temperatura más caliente del gas de combustión para controlar la formación de hielo en los tubos del intercambiador de calor cercanos a la entrada de nitrógeno líquido del intercambiador de calor. La secuencia de los intercambiadores de calor en combinación con la adición de un intercambiador de calor en una corriente de gas de escape del vaporizador de caldeo directo descrita en la presente utiliza el gas de escape de vaporizador caldeado que ya ha transferido parte del calor de combustión al paquete de intercambiadores de calor de vaporizador caldeado. El gas de escape más frío después transfiere el calor al nitrógeno más frío a través de un medio de agua-etilenglicol , por ejemplo. De este modo, el nitrógeno más caliente entra al intercambiador de calor de vaporizador de caldeo directo en la temperatura de combustión más alta. En términos prácticos, la secuencia de vaporizadores no caldeados y de caldeo directo hace más similar el intercambio de calor combinado a la transferencia de calor de contracorriente.

De forma importante, las tecnologías combinadas reducen el consumo de combustible. Además, y como resultado del consumo de combustible reducido, las emisiones de NOx, CO, y materia en partículas, todas se reducen. Además, la temperatura de combustión baja de los vaporizadores de caldeo directo típicamente produce mucho menos N0X por libra de combustible en comparación con los motores a diesel actuales, incluso motores que cumplen con los límites de emisiones de 3o Nivel de EPA. De este modo, la bomba híbrida, que utiliza un motor más pequeño en comparación con una bomba de recuperación de calor, es capaz de distribuir una proporción de flujo de nitrógeno similar a la bomba de recuperación de calor, pero es capaz de producir menos NOx por volumen de unidad de nitrógeno distribuido. De este modo, la bomba híbrida es económica y es una solución ambiental.

Las bombas principalmente se construyen para aplicaciones de campo de gas y petróleo. De hecho, la tecnología de bomba se desarrolló como resultado de las industrias del petróleo y gas . Puesto que el vapor típicamente no se encuentra disponible en los sitios de pozo de gas y petróleo, los fabricantes que suministran tal equipo de bomba para compañías de servicio de campo petrolífero pueden no considerar ningún método para utilizar vapor para vaporización. Sin embargo, el vapor comúnmente se encuentra disponible en plantas/refinerías de gas industrial y químicas que pueden requerir bombas para suministro de nitrógeno temporal. El uso de vapor para vaporizar los fluidos criogénicos es común en la industria de plantas/refinerías de gas industrial y químicas . Se encuentran disponibles vaporizadores de vapor comerciales que transfieren directamente el calor desde el vapor de condensación a través de una pared de tubo de intercambiador de calor hacia un fluido criogénico, o inyectan vapor para calentar un baño de agua con circulación por convección mientras el baño caliente transfiere calor a través de los tubos del intercambiador de calor en el fluido criogénico.

Aunque los vaporizadores de vapor comerciales pueden utilizarse en bombas convencionales con vaporizadores caldeados o no caldeados, el costo adicional de instalar un vaporizador de vapor de condensación o un vaporizador de baño de agua rociado con vapor con un paquete de tubos de alta presión como circuito de vaporización secundario tradicionalmente se ha prohibido su incorporación. Además, el tamaño del vaporizador de vapor puede ser particularmente difícil de acomodar puesto que la pared relativamente gruesa de la tubería del intercambiador de calor de acero inoxidable de alta presión reduce la transferencia de calor y resulta en una mucho mayor área de superficie de intercambio de calor en comparación con la tubería de pared delgada de baja presión.

Las bombas también podrían construirse para que no utilicen vaporizadores de caldeo directo o vaporizadores no caldeados convencionales que utilizan calor del motor. De hecho, el equipo podría utilizar vapor como la única fuente de vaporización sin el gasto de instalar otros circuitos de vaporizador. Este tipo de equipo sin embargo, puede tener una utilidad reducida debido a que no podría utilizarse para muchas aplicaciones de bomba de nitrógeno puesto que sólo pueden utilizarse en lugares que pueden proporcionar el vapor. Además, interrupciones del suministro de vapor pueden poner en peligro la capacidad de evaporación del nitrógeno. El procedimiento directo de instalar vaporizadores de vapor en bombas de nitrógeno se ha utilizado a un grado en Europa, pero no se ha adoptado como práctica común en los Estados Unidos debido a las desventajas de costo y tamaño.

Una modalidad de la presente invención utiliza un intercambiador de calor de vapor de condensación comercialmente disponible con tubería de pared delgada de baja presión para calentar el circuito de refrigerante específico para una bomba convencional con un vaporizador no caldeado, o específico para una bomba de nitrógeno que comprende un vaporizador caldeado y un vaporizador - no caldeado. El intercambiador de calor de vapor de condensación de baja presión es una fracción del costo y tamaño de un vaporizador de vapor con tubería de intercambio de calor de alta presión. La utilización de un íntercambiador de calor de vapor de condensación en el circuito de refrigerante de la bomba de nitrógeno con un vaporizador no caldeado resulta en un consumo de combustible de motor reducido debido a que la carga del motor puede disminuirse mientras el calor latente de la condensación del vapor desplaza el calor que de otra manera puede tener que proporcionarse desde el refrigerante de motor, el gas de escape del motor, y el sistema hidráulico y/o dinamómetro hidráulico. La utilización de un intercambiador de calor de vapor de condensación en el circuito de refrigerante de la bomba de nitrógeno con vaporizadores no caldeados y de caldeo directo puede complementar la capacidad de la bomba sin operar el vaporizador caldeado.

Algunas partes de los Estados Unidos (por ejemplo, California) restringen el uso de vaporizadores de caldeo directo sólo al permitir la operación de equipo que tenga permisos de operación explícitos emitidos por un distrito de calidad del aire. Los distritos también pueden aplicar restricciones de operación adicionales sobre el uso de tal equipo permitido. La bomba de nitrógeno híbrida, cuando opera sin el uso de vaporizador caldeado, permite que se proporcionen servicios sin restricciones de operación en distritos de calidad de aire que no han emitido permisos de operación para el vaporizador caldeado. El intercambiador de calor de vapor de condensación también reduce el consumo de combustible de vaporizador caldeado mientras se utiliza el vaporizador caldeado. El suministro de vapor en una refinería se genera, en parte, con el uso de corrientes de gas inflamable residuales reunidas de un cabezal de quemador de gas para su uso en calderas . El calor complementario de un intercambiador de calor de vapor de condensación en el circuito de refrigerante de una bomba es un método compacto económico para reducir el costo operativo y emisiones generales mientras se reduce la carga de mantener un suministro de combustible por una duración prolongada. El intercambiador de calor de vapor de condensación que proporciona calor para vaporizar y calentar el nitrógeno a través del medio intermedio de agua-etilenglicol no es tan versátil como un vaporizador de vapor. Los vaporizadores de baño de agua rociados con vapor calientan el nitrógeno a temperaturas ligeramente más calientes puesto que el baño de agua puede operarse más caliente que el circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado que también debe utilizarse para enfriar el motor a diesel. Los tanques de agua de vaporizadores de baño de agua rociados con vapor comerciales son tanques de presión atmosférica que limitan la temperatura del baño de agua al punto de ebullición del agua a una presión atmosférica de 212°F (100°C) al nivel del mar.

Los vaporizadores de vapor de condensación pueden calentar el nitrógeno a temperaturas más calientes que los vaporizadores de baño de agua rociados con vapor y el procedimiento utilizando un intercambiador de calor de vapor de condensación puesto que la presión de vapor dentro de la cubierta del vaporizador de vapor de condensación incrementa la temperatura en la cual el vapor se condensa en agua. Sin embargo, el intercambiador de calor de vapor de condensación es económicamente justificable en bombas de nitrógeno, mientras un vaporizador de vapor no lo es. El intercambiador de vapor de condensación utilizado en la bomba híbrida proporciona los beneficios de capacidad incrementada de vaporización de vapor de bomba de nitrógeno cuando el vaporizador caldeado no se utiliza; y el consumo reducido de combustible de la bomba cuando el vaporizador caldeado' se utiliza para algunas aplicaciones, dependiendo de la proporción de flujo de descarga de nitrógeno y la temperatura .

La unidad de bomba de doble modo híbrida también puede incluir un sistema de control o mecanismo para ayudar con el rendimiento eficiente. Tal sistema de control puede incluir procesadores, dispositivos de memoria, dispositivos de entrada, por ejemplo, teclados, pantallas táctiles, etc., y dispositivos de salida tales como monitores, impresoras, etc., que controlan o interactúan con: (1) un sensor o detector para determinar y/o monitorear la temperatura del nitrógeno conforme sale de vaporizador caldeado para controlar la proporción de combustible de combustión; (2) un sensor o detector para determinar y/o monitorear la temperatura del nitrógeno conforme sale de la unidad de bomba para controlar la fracción relativa del nitrógeno que deriva los vaporizadores para control de temperatura final; (3) un sensor o detector para determinar y/o monitorear la temperatura del circuito de refrigerante para controlar la proporción de nitrógeno que entra al vaporizador de refrigerante, la fracción de gas de escape de combustión dirigido al intercambiador de calor de gas de escape de vaporizador caldeado, y la proporción de vapor que entra al intercambiador de calor de vapor de condens ción; (4) un sensor o detector para determinar y/o monitorear la caída de presión a través del vaporizador de refrigerante y la válvula de control de entrada de nitrógeno para permitir que el nitrógeno líquido se derive directamente al vaporizador caldeado ya sea por la medición de presión diferencial y el control de realimentación a una válvula de control de derivación o válvula de retención con alta presión de agrietamiento; (5) válvulas termostáticas para equilibrar la transferencia de calor desde los circuitos de aceite hidráulico y/o lubricante; (6) válvulas termostáticas para liberar de manera eficiente el exceso de calor en el circuito de refrigerante al radiador del motor; y (7) desconexiones y protección de exceso de presión para el depósito de refrigerante y/o las cubiertas del intercambiador de calor en caso de falla de control del circuito de refrigerante. El sistema de control también puede controlar o interactuar con (8) un radiador de motor de mayor tamaño para incorporar la transferencia de calor del gas de escape del motor y el aire de turboalimentación cuando el calor no se utiliza en el vaporizador de refrigerante; (9) un post-enfriador líquido, seguido por el enfriamiento de aire de una carga de aire a aire típica para diseños de motor de 3o Nivel de EPA; y (10) un separador de aire de carga-agua para incorporar las temperaturas del colector de admisión de aire que son menores a las típicas para el diseño de motor.

La Figura 1 ilustra una bomba 100 híbrida de acuerdo con una modalidad de la presente invención. La bomba 100 híbrida de la Figura 1 comprende un tanque 102 de suministro que almacena y proporciona fluido criogénico (por ejemplo, nitrógeno líquido, argón líquido, etc.) a través del conducto 104 a las bombas 106 criogénicas. Las bombas 106 criogénicas se encuentran en comunicación de flujo de fluido con el tanque 102 de suministro. Para brevedad, la invención denominará. al líquido criogénico en las modalidades ejemplares como nitrógeno líquido, si embargo, debe observarse que el uso del término nitrógeno líquido en la presente no debe interpretarse para limitar la descripción por la invención. Por ejemplo, el líquido criogénico puede ser argón líquido, por ejemplo. Además, como se utiliza en la presente, "en comunicación de flujo de fluido" significa operativamente conectado a uno o más conductos, líneas, colectores, válvulas y similares, para transferencia de fluido. Un conducto es cualquier tubería, línea, tubo, pasaje o similar a través del cual puede transportarse un fluido (líquido o gas) . Un dispositivo intermedio, tal como una bomba, compresor o contenedor puede presentarse entre un primer dispositivo en comunicación de flujo de fluido con un segundo dispositivo a menos que se establezca explícitamente lo contrario.

Las bombas 106 criogénicas con frecuencia comprenden una bomba centrífuga para elevar el cabezal de aspiración positiva neta disponible y una bomba alternativa de desplazamiento positivo de alta presión. El nitrógeno entonces se bombea como líquido criogénico a través del conducto 108 a un circuito 110 de refrigerante de vaporizador no caldeado que vaporiza una fracción o todo el vapor de nitrógeno dependiendo de la proporción de flujo del nitrógeno y la temperatura de las fuentes caloríficas para formar una corriente templada o caliente. Para propósitos de esta solicitud, "circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado" se refiere al circuito de refrigerante que utiliza un refrigerante de agua-etilenglicol, por ejemplo, para proporcionar enfriamiento del motor y para transferir el calor al fluido criogénico. Para claridad, el refrigerante de agua-etilenglicol es un refrigerante/fluido ejemplar utilizado para calentar el nitrógeno. El refrigerante de agua-etilenglicol puede intercambiarse con otros refrigerantes similares, que incluyen, pero no se limitan a, agua pura, propilenglicol , y agua-propilenglicol . Una corriente de nitrógeno caliente o templada que sale del circuito 110 de refrigerante de vaporizador no caldeado después pasa a través del conducto 112 hasta el vaporizador 114 de caldeo directo para elevar la temperatura de una corriente de nitrógeno a la temperatura deseada. El nitrógeno se descarga desde la bomba 100 mediante el conducto 116 como corriente sobrecalentada para satisfacer después del requisito del cliente. Las bombas 106 criogénicas, el circuito 110 de refrigerante de vaporizador no caldeado, y el vaporizador de caldeo directo se energizan por una unidad 118 de potencia de motor a diesel mediante las líneas 120, 122, 124 de transmisión de potencia.

Las bombas típicamente utilizan una bomba hidráulica impulsada a partir de un motor a diesel para proporcionar potencia para operar circuitos no detallados en los dibujos, que incluyen, pero no se limitan a, bombas de nitrógeno líquido centrífugas, sopladores de aire para la combustión de vaporizador caldeado, y bombas de combustible. Un sistema de aceite lubricante presurizado comúnmente se utiliza para el cigüeñal de la bomba alternativa de nitrógeno líquido de desplazamiento positivo.

La Figura 2 ilustra una modalidad ejemplar del circuito 200 de refrigerante de vaporizador no caldeado que reúne el calor de múltiples fuentes y transfiere el calor hacia una corriente 262 de nitrógeno líquido (LIN) , por ejemplo. Una gran porción del circuito 200 de refrigerante de vaporizador no caldeado se hace circular mediante la bomba 260 de circuito de refrigerante de vaporizador, a través del conducto 202. Una porción dividida pequeña de refrigerante se divide del conducto 202 mediante el conducto 212 hacia el intercambiador 214 de calor de aceite. Como se utiliza en la presente, una "porción dividida" de una corriente es una porción que tiene la misma composición química que una corriente de la cual se tomó. El intercambiador 214 de calor de aceite remueve el calor de una o más corrientes de aceite (colectivamente representadas por una corriente 274) que incluye sistemas de potencia hidráulica y sistemas de aceite lubricante presurizado que de otra manera pueden liberarse en la atmósfera a través de enfriadores de aceite con aletas. Una corriente 276 enfriada entonces sale del intercambiador 214 de calor de aceite y regresa al depósito de aceite respectivo o bomba para que se vuelva a circular. La caída de presión a través del intercambiador 214 de calor de aceite se equilibra por la mayor fracción de refrigerante de la bomba 260 de circuito de refrigerante de vaporizador con orifico al conducto 203 hacia el intercam iador 204 de calor de aire de carga del motor. Los motores a diesel modernos enfrían el aire de carga desde el turbocompresor para reducir la formación de NOx al reducir la temperatura de combustión pico y al incrementar la densidad de energía. La alta temperatura de una corriente de gas de escape del motor es calor residual a menos que se capture. El refrigerante remueve el calor de una corriente 266 de aire de carga del motor en el intercambiador 204 de calor de aire de carga del motor y después se alimenta mediante el conducto 206 hacia el intercambiador 208 de calor de gas de escape del motor. La corriente de aire de carga del motor enfriada continúa a través del conducto 268 hasta el colector de admisión de aire del motor. El refrigerante absorbe el calor de la corriente 270 de gas de escape del en el intercambiador 208 de calor de gas de escape del motor. El gas de escape del motor enfriado sale a través del conducto 272 hasta un silenciador o directamente a la atmósfera.

Una corriente de refrigerante resultante del intercambiador 208 de calor de gas de escape del motor entonces se alimenta mediante el conducto 210 para que se mezcle con una corriente de refrigerante desde el intercambiador 214 de calor de aceite mediante el conducto 216 hacia el conducto 217. El refrigerante mezclado fluye a través del conducto 217 y hacia el intercambiador 218 de calor de gas de escape de vaporizador caldeado donde el calor que de otra manera puede elevarse a la atmósfera se transfiere desde una corriente 278 de gas de escape de vaporizador de caldeo directo hacia una corriente de refrigerante. El gas de escape 280 de vaporizador caldeado enfriado se descarga a la atmósfera. Una corriente de refrigerante entonces se transporta mediante el conducto 220 desde el intercambiador 218 de calor de gas de escape de vaporizador caldeado hacia el intercambiador 222 de calor de vapor de condensación donde el vapor 282 suministrado- se condensa y transfiere el calor latente al refrigerante. El vapor se convierte en la fase líquida cuando se enfría, y el condensado resultante se descarga mediante el conducto 284. Una corriente de refrigerante se encuentra en su punto más caliente en el circuito de refrigerante en el conducto 224 que sale del intercambiador 222 de calor de vapor de condensación antes de entrar al vaporizador 226 de refrigerante. Dentro del vaporizador 226 de refrigerante el calor se transfiere desde una corriente de refrigerante a través de la tubería de alta presión hacia una corriente 262 de nitrógeno líquido criogénico (LIN) para formar una corriente 264 de nitrógeno vaporizado (GAN) para su uso en los procesos del cliente. El refrigerante sale del vaporizador 226 de refrigerante a través del conducto 228 y entra a la válvula 230 termostática de refrigerante. Si la temperatura de una corriente de refrigerante alcanza la temperatura de operación normal, la válvula 230 termostática de refrigerante dirigirá de manera proporcional una porción dividida o toda una corriente de refrigerante a través del conducto 234 y hacia el radiador 236 que se enfría por el aire ambiente forzado desde un ventilador en el motor a diesel (no mostrado) .

De forma importante, la modalidad ejemplar descrita en la presente no desvía el calor del aire de carga o gas de escape del motor lejos del circuito 200 de refrigerante de vaporizador no caldeado cuando el calor es indeseable, sino de hecho incrementa la capacidad de disipación de calor del circuito 200 de refrigerante de vaporizador no caldeado al incrementar el tamaño del radiador 236 de motor por encima de la clasificación de disipación de calor de una unidad de potencia de motor a diesel estándar, y al incrementar la capacidad de aire del ventilador de motor (no mostrado) que hace pasar el aire a través del radiador 236.

Un diseño del circuito de refrigerante alternativo para el vaporizador no caldeado puede desviar una corriente 266 de aire de carga del motor para derivar el intercambiador 204 de calor de aire de carga del motor y desviar una corriente 270 de escape del motor para derivar el intercambiador 208 de calor de gas de escape del motor cuando el calor absorbido no pueda utilizarse para vaporizar nitrógeno. Esta alternativa puede permitir que el radiador 236 de motor y el ventilador de motor asociado (no mostrado) se dimensionen de acuerdo con las clasificaciones estándar para la unidad de potencia de motor a diesel.

Cuando la corriente de refrigerante es mucho más fría que las temperaturas normales de operación del motor, el refrigerante que sale de la válvula 230 termostática de refrigerante puede dirigirse a través del conducto 232' de derivación del radiador. Una corriente 238 del radiador y una corriente 232 de derivación del radiador entonces entran al colector 240 de refrigerante. Parte de o todo el flujo de refrigerante hacia el colector 240 de refrigerante entonces fluye a través del cabezal 242 de depósito de refrigerante donde se conecta con el conducto 243 de depósito de refrigerante. La proporción de flujo de refrigerante a través del conducto 243 de depósito de refrigerante es casi estática.

Típicamente, una porción diminuta de refrigerante fluirá desde el depósito 244 de refrigerante a través del conducto 243 de depósito de refrigerante hacia el cabezal 245 de retorno de refrigerante como una o más líneas de purgado pequeñas desde el motor o radiador no indicadas en el diagrama de flujo esquemático hacia el depósito de refrigerante. Los pequeños drenajes purgan el aire al depósito 244 de refrigerante el cual es el punto alto del sistema 200 de refrigerante y también calientan el refrigerante en el depósito 244 de refrigerante para formar la presión de vapor de refrigerante del sistema. Este proceso incrementa el cabezal de aspiración positiva neta disponible para las bombas 246 y 260 de refrigerante a mayores temperaturas de operación. Las fluctuaciones de temperatura en el circuito 200 de refrigerante de vaporizador no caldeado 200 también resultarán en menores flujos transitorios netos hasta y desde el depósito 244 de refrigerante mediante el conducto 243.

La unidad de potencia de motor a diesel (comprendida de por lo menos 236, 241, 246, 248, 250, 252, 254, 256, 266, y 270) de la bomba híbrida forma una porción del circuito 200 de refrigerante. La bomba 246 de refrigerante de motor incrementa la presión de refrigerante a través del conducto 248 hacia los sistemas 250 de refrigeración del motor, que incluyen los forros de cilindro, los cabezales, el turbocompresor, el compresor de aire, enfriador de EGR (reciclaje de gas de escape), etc., (colectivamente no mostrados) . Después de salir del sistema 250 de enfriamiento del motor, el refrigerante caliente se dirige mediante el conducto 252 hacia el termostato 254 de motor, donde el termostato 254 de motor se abre de manera proporcional para enfriar una porción dividida de una corriente de refrigerante. Cuando una corriente de refrigerante de los sistemas 250 de enfriamiento del motor y el conducto 252 se encuentra por debajo de la temperatura de operación de motor normal, esencialmente todo el refrigerante se dirige a través del conducto 256 nuevamente al conducto 241 de aspiración de la bomba 246 de refrigerante de motor. Cuando la temperatura de refrigerante alcanza o excede la temperatura de operación (por ejemplo, 175°F (79°C) a 210°F (99°C) ) , una porción dividida incrementada de refrigerante se dirige a través del conducto 258 mediante el termostato 254 que se mezcla con el refrigerante del cabezal 245 de retorno en el conducto 259 de aspiración de la bomba 260 de circuito de refrigerante de vaporizador.

Cuando este refrigerante se dirige al circuito de de refrigerante más grande, el refrigerante se intercambia del colector 240 de refrigerante y una corriente 238 del radiador nuevamente a la unidad de potencia de motor a diesel a través del conducto 239. El circuito de refrigerante más grande es más frío que el sistema de refrigerante de motor, de este modo el calor se distribuye desde la unidad de potencia de motor a diesel y desde otras fuentes hacia el circuito 200 de refrigerante de vaporizador no caldeado para vaporizar una corriente 262 de nitrógeno líquido criogénico, y el calor absorbido por el nitrógeno enfría el circuito 200 de refrigerante de vaporizador no caldeado para proporcionar enfriamiento para la unidad de potencia de motor a diesel.

El circuito 300 de refrigerante de vaporizador no caldeado mostrado en la Figura 3 es un ejemplo de numerosas configuraciones alternativas de los intercambiadores de calor del circuito 200 de refrigerante de vaporizador no caldeado. Es importante colocar la bomba 260 de circuito de refrigerante de vaporizador y el depósito 244 de refrigerante con respecto a la bomba 246 de refrigerante de motor en una ubicación que proporcionará poca diferencia en presión desde el depósito 244 de refrigerante hasta las lumbreras de aspiración de ambas bombas 241, 260 para evitar daño a las bombas 246, 260 por cavitación. Un diseño óptimo del circuito 300 de refrigerante de vaporizador no caldeado dispondrá los intercambiadores 304, 308, 314, 318, 322 de calor, tal como aquellos que utilizan fluidos de calentamiento a mayores temperaturas que se colocan en la parte más caliente del circuito 300 de refrigerante de vaporizador no caldeado para maximizar la eficiencia, pero algunos factores prácticos también hacen influencia en la configuración. El gas 370 de gas de escape del motor típicamente es más caliente que el circuito 382 de vapor suministrado, el circuito 366 de aire de carga de motor, y el circuito 374 de aceite hidráulico y lubricante. A pesar de la mayor temperatura del gas de escape del motor, el valor para simplificar el conducto al instalar el intercambiador 308 de calor de gas de escape del motor cerca del intercambiador 304 de calor de aire de carga y el intercambiador 314 de calor de aceite supera la eficiencia máxima debido al menor peso y a menos componentes . Con al circuito 200 de refrigerante de vaporizador no caldeado, el circuito 300 de refrigerante de vaporizador no caldeado es idéntico en el orden de componentes en la dirección del flujo de refrigerante desde la válvula 230 termostática de refrigerante hasta el conducto 202 de descarga de la bomba 260 de circuito de refrigerante de vaporizador.

El circuito 300 de refrigerante de vaporizador no caldeado difiere de otro circuito 200 de refrigerante de vaporizador no caldeado en el orden de los siguientes intercambiadores de calor y corrientes de interconexión. El refrigerante del conducto 202 de descarga entra al intercambiador 318 de calor de gas de escape de vaporizador caldeado, donde el calor se absorbe de una corriente 378 de escape de vaporizador caldeado. El vaporizador de escape de vaporizador caldeado se descarga a la atmósfera a través del conducto 380, y el refrigerante se dirige al intercambiador 322 de calor de vapor de condensación mediante el conducto 320. Dentro del intercambiador 322 de calor de vapor de condensación, el calor se transfiere desde una corriente 382 de vapor suministrado hacia una corriente de refrigerante. El condensado se descarga a través del conducto 384, y el refrigerante pasa a través del conducto 324 al vaporizador 326 de refrigerante. El refrigerante transfiere el calor en el vaporizador 326 de refrigerante hasta una corriente 362 de nitrógeno líquido criogénico entrante. El nitrógeno líquido criogénico se vaporiza y calienta conforme absorbe el calor de refrigerante. El nitrógeno vaporizado sale a través del conducto 364. El refrigerante se mueve desde el vaporizador 326 de refrigerante a través del conducto 328. Una pequeña porción dividida de refrigerante se divide de una corriente 328 de refrigerante hacia el conducto 312, y entra al intercambiador 314 de calor de aceite. El intercambiador 314 de calor de aceite enfría una corriente 374 de aceite entrante con una corriente de refrigerante. El aceite refrigerado se regresa al depósito de aceite (no mostrado) o la bomba de aceite (no mostrada) a través del conducto 376. La porción dividida más grande de una corriente 328 de refrigerante entra al intercambiador 304 de calor de aire de carga del motor mediante el conducto 303. El refrigerante absorbe el calor del aire 366 de turboalimentación del motor entrante. El aire de turboalimentación del motor enfriado sale del intercambiador 304 de calor de aire de carga del motor a través del conducto 368, donde entra al colector de admisión de aire del motor (no mostrado) . El refrigerante fluye desde el íntercambiador 304 de calor aire de carga del moto'r a través del conducto 306 hasta el intercambiador 308 de calor de gas de escape del motor, en el cual el calor se absorbe de una corriente 370 de gas de escape del motor. El gas de escape del motor enfriado sale a través del conducto 372 al silenciador del motor (no mostrado) o directamente a la atmósfera. El refrigerante sale del intercambiador de calor de gas de escape del motor a través del conducto 310 donde se une con una corriente 316 del intercambiador 314 de calor de aceite. Una corriente 317 de refrigerante combinada fluye a la válvula 230 termostática de refrigerante.

El circuito 300 de refrigerante de vaporizador puede ser óptimo si es preferible colocar la bomba 260 de circuito de refrigerante de vaporizador más cercana al intercambiador 318 de calor de gas de escape de vaporizador de caldeo directo, o si la proporción de presión del lado del refrigerante de un intercambiador 308 de calor de gas de escape del motor comercial es menor que la presión de descarga de la bomba 260 de circuito de refrigerante de vaporizador.

La Figura 4 ilustra un circuito 400 de refrigerante de vaporizador no caldeado ejemplar que incluye un sistema de control de acuerdo con una modalidad de la presente invención. El sistema de control proporciona respuestas de control automático para limitar la temperatura del circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado al reducir el flujo entrante de calor de algunas de las fuentes de calor. El circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado debe ser más frío que la temperatura de operación normal del motor a diesel para proporcionar enfriamiento adecuado para el motor. Adicionalmente, un menor límite de temperatura se impone en el circuito de refrigerante para evitar que la mezcla de refrigerante de agua-etilenglicol se congele en la superficie de los tubos del intercambiador de calor de vaporizador refrigerante de nitrógeno líquido. El sistema de control también proporciona un sistema automatizado de control para el vaporizador caldeado para equilibrar automáticamente el gasto térmico en respuesta a las fluctuaciones de calor proporcionadas desde los circuitos del motor debido a los cambios en las condiciones ambientales del clima. Los dispositivos se indican para permitir que los circuitos auxiliares que incluyen el aire de turboalimentación del motor y los circuitos de aceite hidráulico y lubricante tengan un control de temperatura adecuado cuando el enfriamiento no pueda proporcionarse por el circuito de refrigerante de vaporizador.

El nitrógeno líquido se descarga desde las bombas criogénicas (no mostradas) a través del conducto o línea 402. El flujo de nitrógeno se divide en una mayor porción dividida a través del conducto 404 a los vaporizadores 412, 436 y una menor porción dividida a través del conducto 476 a la válvula 478 de control de derivación de vaporizador. El nitrógeno para los vaporizadores en el conducto 404 se divide nuevamente en una porción dividida primaria a través del conducto 406 a la válvula 408 de control de vaporizador de ref igerante, y la porción dividida secundaria a través del conducto 416 a la válvula 418 de derivación de vaporizador de refrigerante. El nitrógeno que pasa a través de la válvula 408 de control de nitrógeno de vaporizador de refrigerante tiene un orificio al conducto 410 hacia el vaporizador 412 de refrigerante, donde el calor se transfiere desde una corriente de refrigerante que entra desde el conducto 588 hacia el nitrógeno líquido criogénico. El nitrógeno que deriva el vaporizador 412 de refrigerante a través de la válvula 418 pasa a través del conducto 420. Un controlador 430 de válvula de derivación de vaporizador de refrigerante calcula la caída de presión a través del vaporizador 412 de refrigerante y la válvula 408 de control de nitrógeno de vaporizador de refrigerante al restar la señal 428 de presión corriente abajo de la señal 424 de presión corriente arriba. Como se utiliza en la presente, corriente abajo y corriente arriba se refieren a la dirección de flujo pretendido dentro del fluido de proceso transferido. Si la dirección de flujo pretendida del fluido de proceso es desde el primer dispositivo hasta el segundo dispositivo, el segundo dispositivo se encuentra en comunicación de flujo de fluido corriente abajo del primer dispositivo.

El sensor 426 de presión corriente abajo es común con la presión en el conducto 420, y el sensor 422 de presión corriente arriba es común con la presión en el conducto 416. El controlador 430 de válvula de derivación de vaporizador de refrigerante envía una señal 432 proporcional a la válvula 428 de derivación de vaporizador de refrigerante para regular el nitrógeno para mantener una caída de presión que proporciona una fuerza de impulsión adecuada para alimentar de preferencia el nitrógeno a través di vaporizador 412 de refrigerante. Cuando la válvula 408 de control de nitrógeno de vaporizador de refrigerante regula el nitrógeno entrante, la válvula 418 de derivación de vaporizador de refrigerante responderá a la apertura para mantener la caída de presión. En esta descripción, la caída de presión a través del vaporizador de refrigerante se mantiene por una válvula de control, sensores y un controlador para proporcionar desconexión positiva de una corriente 420 de derivación cuando el vaporizador 412 de refrigerante tenga una amplia temperatura en una corriente 588 de refrigerante entrante para vaporizar toda una corriente de nitrógeno, pero un método más simple para instalar una válvula de retención con una alta presión de agrietamiento en lugar de la válvula de control, sensores, y controlador puede proporcionar una mejora similar de eficiencia en el vaporizador caldeado. El nitrógeno vaporizado en el conducto 414 se une con el nitrógeno de una corriente 420 de derivación de vaporizador de refrigerante en el conducto 434 al intercambiador 436 de calor de vaporizador caldeado donde el calor se proporciona desde una corriente 457 de gas de combustión de vaporizador.

El conducto 440 de aire forzado desde un soplador centrífugo o axial entra al quemador 442 de vaporizador caldeado. Combustible líquido tal como queroseno o diesel se distribuye al quemador 442 de vaporizador caldeado desde el conducto 444 desde una bomba de combustible de desplazamiento positivo (no mostrada) . La ramificación 446 de conducto de combustible proporciona control de presión en el conducto 452 de combustible al liberar una porción dividida de una corriente de combustible a través de la válvula 448 de control de presión de combustible hasta el conducto 450 de retorno de combustible. Múltiples válvulas de solenoide de combustible paralelas se representan por la válvula 454. Cada válvula 454 de solenoide de combustible se conecta a un conducto 456 de combustible dedicado que proporciona combustible a presión a las boquillas de pulverización dentro del quemador 442 de vaporizador caldeado, donde la combustión del combustible calienta una corriente 440 de aire. El gas de combustión se dirige a través del conducto 457 al intercambiador 436 de calor de vaporizador caldeado donde el calor se transfiere a través de la tubería del intercambiador de calor del intercambiador 436 de calor de vaporizador caldeado hacia una corriente de nitrógeno desde el conducto 434.

Una corriente 438 de nitrógeno de salida de vaporizador contiene un sensor 466 de temperatura que envía la señal 468 de temperatura al controlador 470 de vaporizador caldeado. El controlador 470 de vaporizador caldeado también recibe las señales 464 y 460 desde el sensor 462 de temperatura de entrada del vaporizador de refrigerante y el sensor 458 de temperatura de entrada del vaporizador caldeado, respectivamente. La temperatura se mide en la entrada de ambos vaporizadores para proporcionar lógica de control permisiva que no encenderá el vaporizador por encima de la proporción de combustible mínima a menos que el nitrógeno líquido criogénico se detecte en cualquiera de los dos vaporizadores. El controlador 470 de vaporizador caldeado envía señales 472 de activación/inactivación a cada una de las válvulas 454 de solenoide de combustible paralelas y una señal 474 proporcional a la válvula 448 de control de presión de combustible. El controlar 470 de vaporizador caldeado mide la desviación del sensor 466 de temperatura de salida de vaporizador a partir del punto establecido y responde con ajustes a la presión de combustible y el número de boquillas que inyecta combustible en el quemador. La combinación y secuencia de señales a las válvulas 454 y la válvula 448 controlan la temperatura de combustión al manipular la proporción de combustible.

La temperatura de descarga admisible de las bombas de nitrógeno para aplicaciones industriales puede variar de casi -300°F (-184°C) a más de 600°F (316°C) para incorporar aplicaciones donde el nitrógeno se utiliza como medio de calentamiento o enfriamiento. La proporción de flujo admisible similarmente es variable, y puede operar sobre un margen de 20:1 con cierto equipo. Vaporizadores de caldeo directo no pueden operar continuamente con una temperatura de salida de nitrógeno que permita formación de hielo en los tubos del intercambiador de calor en el colector de salida. También, las proporciones de flujo de nitrógeno mínimas con frecuencia se calientan por encima de las temperaturas de descarga deseadas cuando el vaporizador de calor directo se opera a la mínima proporción de combustible. Una aplicación que requiere que la temperatura de descarga de la bomba se encuentre por debajo que la mínima temperatura de salida de vaporizador operativa necesita la válvula 478 de control de derivación de vaporizador. El nitrógeno líquido que pasa a través de la válvula 478 de control de derivación de vaporizador se distribuye a través de la tubería 480 donde se enfría la temperatura del nitrógeno que sale del vaporizador 438 de caldeo directo. La corriente de nitrógeno mezclado se distribuye a través de la tubería 482 donde la temperatura se detecta por el sensor 484 de temperatura de descarga. La señal 486 del sensor se comunica al controlador 488 de temperatura de descarga de la bomba, el cual se puede ajustar por el usuario y envía una señal 492 proporcional para modular la válvula 478 de control de derivación de vaporizador. Adicionalmente, el punto establecido de temperatura de descarga se comunica por la señal 490 al controlador 470 de vaporizador caldeado. El controlador 470 de vaporizador caldeado utilizará el punto establecido del controlador 488 de temperatura de descarga para controlar la temperatura de salida del vaporizador en o por encima de la temperatura de salida admisible mínima.

La sección del sistema de control que representa el circuito de refrigerante es idéntica a la configuración del circuito 200 de refrigerante de vaporizador no caldeado en la Figura 2, descrito en detalle. La bomba 494 de circuito de refrigerante de vaporizador es una bomba centrífuga que incrementa la presión de refrigerante en la corriente 496 de descarga de bomba de refrigerante. El sensor 498 de presión en la corriente 494 de descarga de la bomba de refrigerante se conecta al controlador 596 de temperatura de refrigerante mediante la señal 500. La presión de refrigerante anormalmente baja en la corriente 494 de descarga de bomba de refrigerante que puede ser indicativa de pérdida de circulación de refrigerante provocará que los dispositivos controlados por el controlador 596 de temperatura de refrigerante no cumplan con las posiciones de seguridad ante fallos que limitarán la transferencia de calor dentro y fuera del circuito de refrigerante. El flujo de refrigerante de la corriente 496 de descarga de bomba de refrigerante se divide en dos porciones divididas. La mayor parte del flujo se dirige a través del conducto 532 al intercambiador 534 de calor de aire de carga de motor y el intercambiador 552 de calor de gas de escape de motor, conectado por el conducto 550. Una fracción más pequeña del flujo de refrigerante se dirige a través del conducto 502 al intercambiador 504 de calor de aceite. El gas 554 de escape de motor del turbocompresor del motor (no mostrado) o un catalizador de tratamiento de gas de escape y diesel (no mostrado) transfiere calor hasta la corriente 550 de refrigerante que entra al intercambiador 552 de calor de gas de escape del motor, después sale a través del conducto 556 al silenciador del motor o se dirige a la atmósfera.

La temperatura del circuito de refrigerante del vaporizador no caldeado normalmente puede operar bajo temperatura ambiente, bajo algunas condiciones, y otras veces el circuito de refrigerante del vaporizador no caldeado puede operar bajo la temperatura deseada del aire de carga del motor. Los fabricantes de motores a diesel especifican los límites de temperatura de carga dé aire mínimo y máximo. El límite de temperatura máximo se pretende para mantener las emisiones de NOx dentro de los límites que cumplan con las regulaciones de EPA no en carretera. El límite mínimo se pretende para evitar una cantidad significativa de agua condensada entre al colector de admisión del motor después de que el aire se comprime y se enfría. Una sección del circuito de aire de carga de motor se indica en la Figura 4 para mitigar estos factores. El conducto 536 muestra el aire de carga caliente comprimido del turbocompresor de motor (no mostrado) con orificio al intercambiador 534 de calor de aire de carga. El conducto 538 transfiere el aire de carga al enfriador 540 de aire de carga enfriado por aire común en muchos motores a diesel industriales no carreteros que cumplen con los límites de emisiones de 3o Nivel de EPA. El enfriador 540 de aire de carga enfriado por aire es necesario debido a que el intercambiador 534 de calor de aire de carga no enfría adecuadamente el aire de carga cuando la temperatura del circuito de refrigerante se aproxima a la temperatura de operación del circuito de refrigerante- de motor. Cuando las condiciones operativas funcionan en la temperatura de aire de carga por debajo del límite de temperatura mínimo especificado por el fabricante del motor, parte del agua puede condensarse a partir del vapor de agua en el aire ambiente. Esta agua puede transportarse a través del conducto 542 hacia el separador 544 de agua. La baja velocidad de aire y los cambios en la dirección de flujo en el separador 544 de agua permite que el condensado se reúna en la parte inferior donde se descarga a través del conducto 548 hasta una trampa flotadora automática (no mostrada) o dispositivo similar que drena el agua sin descargar el aire comprimido. El aire de descarga que sale del separador 544 de agua tiene un orificio a través del conducto 546 al colector de admisión del motor. El aire de carga se encontrará por debajo de la temperatura de aire de carga máxima especificada por el fabricante del motor. El aire de carga puede encontrarse por debajo de la temperatura de aire de carga específica mínima, pero es adecuado para admisión de aire sin condensado. El intercambiador 534 de calor de aire de carga, el enfriador 540 de aire de carga enfriado por aire, y el separador 544 de agua todos deben tener un diseño de caída de presión baja de modo que la inclusión de los componentes adicionales no exceda la caída de presión del circuito de aire de carga máximo especificada por el fabricante del motor.

Cuando el motor se encuentre en funcionamiento, el gas de escape del motor transfiere continuamente el calor hacia el circuito de refrigerante del vaporizador no caldeado en el intercambiador 552 de calor de gas de escape del motor. No se requieren disposiciones directas para limitar la transferencia de calor desde el gas de escape hasta el refrigerante, pero el tamaño del radiador 610 y el ventilador de enfriamiento del motor (no mostrado) deben incrementarse para compensar el calor adicional que el refrigerante debe disipar cuando el vaporizador 412 de refrigerante no transfiera calor hacia la corriente de nitrógeno.

La porción dividida del flujo de refrigerante en el conducto 502 al intercambiador 504 de calor de aceite devolverá el calor del conducto de aceite si la temperatura del circuito de refrigerante se encuentra por debajo de la temperatura de operación permisible máxima del aceite. El conducto 506 representa una porción de baja presión de una línea de retorno de circuito hidráulico o de circuito de aceite lubricante. El flujo de aceite se divide (en porciones divididas) entre el conducto 508 al intercambiador 504 de calor de aceite y el conducto 512 para derivar el intercambiador 504 de calor de aceite. El aceite sale del intercambiador 504 de calor aceite a través del conducto 510 y se une con la corriente 512 de derivación del intercambiador de calor de aceite dentro de la válvula 514 termostática. La válvula 514 termostática de preferencia desvía el aceite frío alrededor del intercambiador 504 de calor de aceite para evitar una alta viscosidad de aceite si la temperatura del circuito de refrigerante se encuentra por debajo de la temperatura de operación mínima deseada del circuito de aceite hidráulico o lubricante. Un ajuste de temperatura adecuado de la válvula 514 termostática puede ser de aproximadamente 110°F (43°C) . El aceite mezclado sale de la válvula 514 termostática a través del conducto 516 y se divide nuevamente para el enfriador 520 de aceite mediante los conductos 518 y 524. Este enfriador 520 de aceite puede ser un enfriador con aletas que disipará el calor a la atmósfera por arrastre natural o aire forzado, y es necesario cuando la temperatura del circuito de refrigerante es mayor que la temperatura de operación permisible máxima del aceite. El conducto 518 distribuye el aceite al enfriador 520 de aceite, y el conducto 524 deriva el aceite directamente a la válvula 526 termostática. El aceite enfriado sale del enfriador de aceite a través del conducto 522 y se mezcla con la corriente 524 de aceite de derivación dentro de la válvula 526 termostática. Un ajuste de temperatura adecuado de la válvula 526 termostática puede ser de aproximadamente 150 °F (65°C) . La corriente 528 de aceite enfriada regresa al depósito de aceite para los circuitos de aceite de lubricación, circuitos hidráulicos de bucle abierto, y líneas de drenaje de caja hidráulica de bucle cerrado. La corriente 528 de aceite enfriado regresa a la bomba hidráulica en un circuito hidráulico de bucle cerrado. El intercambiador 504 de calor de aceite, el enfriador 520 de aceite, los termostatos 514, 526, y la tubería de interconexión pueden implementarse en ambos sistemas hidráulicos de bucle abierto y bucle cerrado.

El refrigerante del intercambiador 552 de calor de gas de escape del motor en el conducto 558 se une con la corriente 530 de refrigerante del enfriador 504 de aceite. El refrigerante combinado continúa hacia el intercambiador 562 de calor de gas de escape de vaporizador caldeado a través del conducto 560. El gas de combustión caliente puede ser tan alto como 800°F (427°C) después de transferir el calor hacia el intercambiador 436 de calor de vaporizador caldeado. La proporción de gas de combustión depende del diseño de vaporizador particular, pero aproximadamente tiene 9,000 pies cúbicos por minuto (255 metros cúbicos por minuto) para un vaporizador caldeado modelo 660K de Aireo. La alta proporción de gas de combustión y la temperatura potencialmente alta puede transferir una gran cantidad tremenda de calor al circuito de refrigerante que no puede disiparse a través del radiador, y debe distribuirse desde el intercambiador 562 de calor de gas de escape de vaporizador caldeado bajo algunas condiciones operativas para evitar sobrecalentar el motor o poner en ebullición el refrigerante en los tubos de intercambiar de calor. El gas de combustión se envía a través del conducto 564 al desviador 566 de escape del vaporizador caldeado. El desviador 566 de escape de vaporizador caldeado descarga una porción o toda la corriente de gas de combustión directamente a la atmósfera cuando es necesario mediante el conducto 568. De otra manera, el desviador 566 de gas de escape de vaporizador caldeado dirige el gas de combustión a través del conducto 570 al íntercambiador 562 de calor de gas de escape de vaporizador caldeado, y después lo descarga a la atmósfera mediante el conducto 572. El desviador 566 de escape de vaporizador caldeado es un mecanismo proporcional que recibe una señal 600 del controlador 596 de temperatura de refrigerante. El desviador 566 de escape de vaporizador caldeado puede cambiar la dirección del gas de escape sobre un margen de temperatura de 165°F (74°C) a 175°F (79°C) , el cual se encuentra por debajo de la temperatura de los termostatos de motor a diesel típicos modernos.

El refrigerante del intercambiador 562 de calor de gas de escape de vaporizador caldeado tiene un orificio al intercambiador 578 de calor de vapor de condensación a través del conducto 574 siempre que opera la bomba híbrida. Cuando el vapor se suministra a través del conducto 580, la válvula 582 de control de vapor controla la proporción de vapor que fluye a través de la tubería 584 hacia la cubierta del intercambiador 578 de calor de vapor de condensación. Dentro del intercambiador 578 de calor de vapor de condensación, el vapor se licúa en los tubos de refrigerante y fluye por gravedad a la parte inferior del intercambiador 578 de calor de vapor de condensación, donde el condensado de vapor se descarga a través del conducto 586 hacia una trampa de vapor (no mostrada) , en la cual el condensado se drena, pero el vapor se conserva. La presión del vapor dentro del intercambiador 578 de calor de vapor de condensación es el control primario sobre la proporción de calor transferida al circuito de refrigerante. La válvula 582 de control de vapor recibe una señal 602 del controlador 596 de temperatura de refrigerante. El refrigerante caliente sale del intercambiador 578 de calor de vapor de condensación y se transfiere a través del conducto 588 al vaporizador 412 de refrigerante. Cuando el nitrógeno líquido criogénico fluye al vaporizador 412 de refrigerante, el refrigerante transfiere calor a través de la tubería de alta presión hacia la corriente de nitrógeno.

El refrigerante que sale del vaporizador 412 de refrigerante fluye a través del conducto 590 donde la temperatura se monitorea por el sensor 592 de temperatura de refrigerante. Este sensor de temperatura envía la señal 594 al controlador 596 de temperatura de refrigerante. Cuando la temperatura de refrigerante se aproxima a la mínima temperatura de operación admisible entre 40°F (4°C) y 50°F (10°C) , el controlador 596 carga la señal 598 en la válvula 408 de control de nitrógeno de vaporizador de refrigerante para reducir el flujo de nitrógeno a través del vaporizador 412 de refrigerante para limitar el calor removido del circuito de refrigerante. Cuando la temperatura de refrigerante alcanza la temperatura de operación admisible máxima entre 165°F (74°C) y 175°F (79°C) , el controlador 596 ajusta la señal 600 al desviador 566 de gas de escape del vaporizador caldeado para reducir el flujo de gas de escape en el intercambiador 562 de calor de gas de escape de vaporizador caldeado, y el controlador 596 ajusta la señal 602 en la válvula 582 de control de vapor para reducir el flujo de vapor en el intercambiador 578 de calor de vapor de condensación, de este modo limitando el calor transferido al refrigerante. El refrigerante del conducto 590 continúa a la válvula 604 termostática de refrigerante. Esta válvula 604 termostática de refrigerante puede establecerse en aproximadamente 175°F (79°C) , la cual ligeramente se encuentra por debajo de la temperatura en la cual se abre el termostato de motor a diesel, pero no tan baja para que produzca la proporción de transferencia de calor en el vaporizador 412 de refrigerante. La válvula 604 termostática de refrigerante envía el refrigerante frío a una corriente 606 de derivación de radiador. Cuando la temperatura del refrigerante incrementa, la válvula 604 termostática de refrigerante dirige el refrigerante a través del conducto 608 al radiador 610. El radiador proporcionado con una unidad de potencia de motor a diesel estándar no se clasifica para cargas de calor adicionales de la corriente 544 de escape de motor, ni de la corriente 536 de aire de turboalimentación cuando el calor no puede utilizarse para vaporizar el nitrógeno en el vaporizador 412 de refrigerante. El radiador 610 en el circuito de refrigerante debe diseñarse para aceptar estas cargas de calor además de la clasificación de disipación de calor de motor normal . La corriente 612 de refrigerante del radiador 610 y la corriente 606 de derivación de radiador fluyen hacia el colector 614 de refrigerante. El flujo primario del colector 614 de refrigerante se transfiere hacia el colector 616 de depósito de refrigerante el cual se encuentra en comunicación con el depósito 620 de refrigerante a través del conducto 618. El flujo primario continúa a través del conducto 622 donde una corriente 624 de refrigerante fría desde el termostato 638 de motor entra y se mezcla en el conducto 642 de aspiración de bomba de circulación de refrigerante.

Cuando el refrigerante del termostato 138 de motor se dirige mediante el conducto 624 hacia la succión 642 de bomba de circuito de- refrigerante del vaporizador, el refrigerante se intercambia del colector 614 de refrigerante de enfriador y la corriente 612 de radiador hacia el conducto 626 donde el refrigerante se mezcla con el derivador 640 de refrigerante de motor más caliente del termostato 638 del motor hacia el conducto 628 de aspiración de la bomba 630 de refrigerante de motor. La bomba 630 de refrigerante de motor incrementa la presión de refrigerante en el conducto 632 a los sistemas de enfriamiento de motor combinado representados por el bloque 634.

La bomba 494 de circuito de refrigerante de vaporizador se prefiere para calcular el refrigerante en una proporción mayor que la de la bomba 130 de refrigerante de motor para evitar que el refrigerante del termostato 638 del motor derive el vaporizador de refrigerante y el radiador de motor al fluir consecutivamente a través de los conductos 624, 622, 616, 614, y 626. Un ejemplo de tal equipo que utiliza un motor a diesel 6135HF485 de John Deere con una capacidad de bomba 630 de refrigerante de motor de 150 galones por minuto (568 litros por minuto) puede circular el refrigerante a través del circuito de vaporizador desde la bomba 494 a 200 galones por minuto (757 litros por minuto) .

Un ejemplo de un vaporizador caldeado que puede adaptarse con un desviador 566 de gas escape de vaporizador, el intercambiador 562 de calor de gas de escape de vaporizador caldeado, y un controlador 470 de automatización de vaporizador con elementos de control asociados es un vaporizador modelo 660K de Airco/Cryoquip con un soplador de velocidad fija y tres válvulas 454 de solenoide de combustible paralelas, cada válvula de solenoide proporciona combustible a dos boquillas de pulverización de presión.

El dispositivo indicado por el controlador 596 de temperatura de refrigerante puede ser un solo dispositivo, o puede ser varios dispositivos de control dedicados a elementos de control individuales. Los dispositivos separados indicados por el controlador 488 de temperatura de descara de nitrógeno y el controlador 470 de vaporizador caldeado pueden combinarse alternativamente en un solo dispositivo de control .

EJEMPLOS Una bomba híbrida se construyó con un sistema de proceso y control de nitrógeno ilustrado en la Figura 4, pero con un diseño de circuito de refrigerante no caldeado ilustrado en la Figura 3. La unidad de potencia del motor a diesel fue un John Deere con clasificación de 13.5L modelo 6135HF485 a 450 hp (336 kw) . La bomba criogénica triplex alternativa de desplazamiento positivo utilizada fue una Paul/Airco/ACD modelo 3-LMPD con una carrera de 2 pulgadas (50.8 mm) y extremos fríos con un calibre de 2 pulgadas (50.8 mm) . La potencia del motor se transfirió a la bomba triplex a través de una transmisión manual de automóvil RTO-119009MLL de Eaton Fuller. El vaporizador caldeado es un vaporizador modelo 660K de Airco/Cryoquip .

Las pruebas de rendimiento se realizaron durante la fabricación en cuatro escenarios de proporción de descarga de nitrógeno, temperatura y presión. El primer escenario de prueba se ejecutó con una proporción de flujo de nitrógeno de 216,000 pies cúbicos estándar por hora (6,116 nm3/hr) a condiciones de descarga de 65°F (18°C) y 2,900 psig (200 barg) . El segundo escenario de prueba se ejecutó a 231,000 SCFH (6,541 nm3/hr) con una descarga de 70°F (21°C) a 600 psig (41.4 barg) . Con resultado sorprendente, las proporciones de consumo de combustible del vaporizador caldeado efectivas fueron de 15 galones por hora (56.8 L/hr) y 23 galones por hora (87.1 L/hr). Las proporciones de consumo de combustible estimadas de un vaporizador 660K de Airco/Cryoquip para realizar las mismas condiciones sin la configuración del vaporizador de la bomba de nitrógeno híbrida son 28 galones por hora (106 L/hr) y 34 galones por hora (128.7 L/hr), respectivamente. Incluyendo el consumo de combustible del motor estimado de un motor a diesel Detroit 8V-92T, la configuración de vaporizador puede atribuirse con 30% y 24% de reducciones en el consumo total del combustible de bomba.

El tercer escenario de prueba es muy similar a la operación de una bomba no caldeada convencional que opera a una baja proporción ya que no se utilizó el vaporizador caldeado. Este escenario de prueba produjo una proporción de flujo de nitrógeno de 68,900 pies cúbicos estándar por hora (1,951 nirvVhr) a 270 psi (18.6 bar) de presión de descarga a una temperatura de descarga de 70°F (21°C) . La bomba híbrida fue capaz de distribuir las condiciones de nitrógeno sin el uso del vaporizador caldeado. En comparación con el consumo de combustible de vaporizador estimado de un vaporizador de 660K de Aireo instalado en una bomba caldeada convencional, los ahorros de combustible de 11 galones por hora (41.6 L/hr) demostró la reducción en el consumo del combustible que puede ser necesario para utilizar de cierta manera el vaporizador caldeado de 660K de Aireo. El consumo de combustible resultó en una reducción de combustible estimada de 58% con respecto a un consumo de combustible de predicción modelo de un vaporizador caldeado con vaporizador 660K de Aireo y el motor a diesel Detroit Diesel 8V-92T.

Un cuarto escenario de prueba se ejecutó con vapor saturado a 70 psig (4.8 barg) suministrado al intercambiador de calor de vapor de condensación a través de tres mangueras paralelas de ¾" (DN 20) . La bomba híbrida se abrió a una proporción de descarga de 111,000 SCFH (3,143 nm3/hr) en condiciones de descarga de 370 psig (25.5 barg) y 100°F (38°C) . El vaporizador caldeado no se operó en este escenario. El consumo de combustible estimado para un vaporizador 660K de Aireo para proporcionar las mismas condiciones de descarga es de 18 galones por hora (68.1 L/hr) . El uso del intercambiador de calor de vapor de condensación en tándem con el calor del motor produjo una reducción estimada de 69% en el consumo de combustible con respecto a una bomba de nitrógeno con un vaporizador 660K de Aireo y un motor a diesel Detroit 8V-92T.

La siguiente Tabla 1 ilustra los datos de los cuatro escenarios de prueba: Tabla 1 (1) Lectura promedio de la pantalla del módulo de control de motor electrónico del motor. (2) Proporción de consumo de combustible estimada basándose en la correlación de la presión de boquilla de combustible. (3) Modelo de proporción de consumo de combustible de motor estimada basándose en los datos totales en un motor a Diesel Detroit 8V-92T. (4) Modelo de proporción de consumo de combustible de vaporizador caldeado convencional estimado basándose en los datos totales en un vaporizador modelo 660K de Aireo.

Aunque los aspectos de la presente invención se han descrito junto con las modalidades preferidas de las diversas figuras, se entenderá que otras modalidades similares pueden utilizarse o modificaciones y adiciones pueden hacerse a la modalidad descrita para realizar la misma función de la presente invención sin desviarse de la misma. La invención reclamada, por lo tanto, no debe limitarse a ninguna modalidad individual, sino más bien debe interpretarse en una extensión y alcance de acuerdo con las reivindicaciones anexas. Por ejemplo, debe entenderse que los siguientes aspectos son parte de esta descripción: Aspecto 1. Una bomba, que comprende: a. una fuente criogénica para proporcionar un fluido criogénico para vaporización; b. una bomba criogénica en comunicación de flujo de fluido con la fuente criogénica para incrementar la presión del fluido criogénico; c. un circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado en comunicación de flujo de fluido con la bomba criogénica y adaptado para aceptar el fluido criogénico para formar una corriente caliente; d. un vaporizador de caldeo directo corriente abajo y en comunicación de flujo de fluido con el circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado y adaptado para aceptar una corriente caliente del circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado para formar una corriente sobrecalentada; y e. una unidad de potencia de motor a diesel para proporcionar potencia a la bomba criogénica, el circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado, y el vaporizador de caldeo directo.

Aspecto 2. La bomba del Aspecto 1, que además comprende un intercambiador de calor adaptado para aceptar una corriente de gas de escape del vaporizador de caldeo directo y un refrigerante de agua-etilenglicol del circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado, en donde una corriente de gas de escape del vaporizador de caldeo directo se intercambia por calor con el refrigerante de agua-etilenglicol .

Aspecto 3. La bomba de los Aspectos 1 ó 2 , donde el circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado comprende un intercambiador de calor de vapor de condensación adaptado para aceptar una corriente de vapor de una fuente externa para el intercambio de calor con el fluido criogénico a través del refrigerante de agua-etilenglicol .

Aspecto 4. La bomba de cualquiera de los Aspectos 1 a 3, que además comprende un sistema de control adaptado para controlar la temperatura de por lo menos el circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado.

Aspecto 5. La bomba de cualquiera de los Aspectos 1 a 4, en donde el fluido criogénico es nitrógeno.

Aspecto 6. Una bomba, que comprende: a. una fuente criogénica para proporcionar un fluido criogénico para vaporización; b. una bomba criogénica en comunicación de flujo de fluido con la fuente criogénica para incrementar la presión del fluido criogénico; c. un circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado en comunicación de flujo de fluido con la bomba criogénica y adaptado para aceptar el fluido criogénico para formar una corriente caliente, el circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado comprende un intercambiador de calor de vapor de condensación adaptado para aceptar una corriente de vapor de externa para el intercambio de calor con el circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado; y d. una unidad de potencia de motor a diesel para proporcionar potencia a la bomba criogénica y el circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado .

Aspecto 7. La bomba del Aspecto 6 , que además comprende un vaporizador de caldeo directo corriente abajo y en comunicación de flujo de fluido con el circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado y adaptado para aceptar la corriente caliente del circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado para producir una corriente sobrecalentada .

Aspecto 8. La bomba del Aspecto 7, que además comprende un inte cambiador de calor adaptado para aceptar una corriente de gas de escape del vaporizador de caldeo directo y un refrigerante de agua-etilenglicol del circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado, en donde la corriente de gas de escape del vaporizador de caldeo directo se intercambia por calor con el refrigerante de agua-etilenglicol .

Aspecto 9. La bomba de cualquiera de los Aspectos 6 a 8, que además comprende un sistema de control adaptado para controlar la temperatura de por lo menos el circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado.

Aspecto 10. La bomba de cualquiera de los Aspectos 6 a 9, en donde el fluido criogénico es nitrógeno.

Aspecto 11. Un proceso para sobrecalentar un fluido criogénico, que comprende: a. proporcionar un fluido criogénico para vaporización,- a. presurizar el fluido criogénico; b. calentar el fluido criogénico presurizado en un circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado para formar un fluido presurizado caliente; y c. calentar adicionalmente el fluido presurizado caliente en un vaporizador de caldeo directo colocado corriente abajo y en comunicación de flujo de fluido con el circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado para formar una corriente sobrecalentada.

Aspecto 12. El proceso del Aspecto 11 ó 14, que además comprende intercambiar por calor una corriente de gas de escape del vaporizador de caldeo directo y un refrigerante de agua-etilenglicol del circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado para calentar el refrigerante de agua-etilenglicol .

Aspecto 13. El proceso del Aspecto 12, en donde el refrigerante de agua-etilenglicol caliente se utiliza para calentar el fluido criogénico presurizado.

Aspecto 14. El proceso del Aspecto 11 ó 12, que además comprende intercambiar por calor una corriente de vapor de una fuente externa con el refrigerante de agua-etilenglicol para calentar el refrigerante de agua-etilenglicol .

Aspecto 15. El proceso del Aspecto 14, en donde el refrigerante de agua-etilenglicol caliente se utiliza para calentar el fluido criogénico presurizado.

Aspecto 16. El proceso de cualquiera de los Aspectos 11 a 15, que además comprende monitorear por lo menos el circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado para controlar la temperatura del refrigerante de agua-etilenglicol .

Aspecto 17. El proceso de cualquiera de los Aspectos 11 a 16, en donde el fluido criogénico es nitrógeno.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una bomba, caracterizada porque comprende: a. una fuente criogénica para proporcionar un fluido criogénico para vaporización; b. una bomba criogénica en comunicación de flujo de fluido con la fuente criogénica para incrementar la presión del fluido criogénico; c. un circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado en comunicación de flujo de fluido con la bomba criogénica y adaptado para aceptar el fluido criogénico para formar una corriente caliente; d. un vaporizador de caldeo directo corriente abajo y en comunicación de flujo de fluido con el circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado y adaptado para aceptar la corriente caliente del circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado para formar una corriente sobrecalentada; y e. una unidad de potencia de motor a diesel para proporcionar potencia a la bomba criogénica, el circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado, y el vaporizador de caldeo directo.

2. La bomba de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porgue el circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado comprende un intercambiador de calor de vapor de condensación adaptado para aceptar una corriente de vapor de una fuente externa para intercambio de calor con el fluido criogénico a través del refrigerante de agua-etilenglicol .

3. La bomba de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada además porque comprende un intercambiador de calor adaptado para aceptar una corriente de gas de escape del vaporizador de caldeo directo y un refrigerante de agua-etilenglicol del circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado, en donde la corriente de gas de escape del vaporizador de caldeo directo se intercambia por calor con el refrigerante de agua-etilenglicol .

4. La bomba de conformidad con la reivindicación 3, caracterizada porgue el circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado comprende un intercambiador de calor de vapor de condensación adaptado para aceptar una corriente de vapor de una fuente externa para el intercambio de calor con el fluido criogénico a través del refrigerante de agua-etilenglicol.

5. La bomba de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada además porque comprende un sistema de control adaptado para controlar la temperatura de por lo menos el circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado.

6. La bomba de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el fluido criogénico es nitrógeno.

7. Una bomba, caracterizada porque comprende: a. una fuente criogénica para proporcionar un fluido criogénico para vaporización; b. una bomba criogénica en comunicación de flujo de fluido con la fuente criogénica para incrementar la presión del fluido criogénico; c. un circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado en comunicación de flujo de fluido con la bomba criogénica y adaptado para aceptar el fluido criogénico para formar una corriente caliente, el circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado comprende un intercambiador de calor de vapor de condensación adaptado para aceptar una corriente de vapor de una fuente externa para intercambio de calor con el circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado; y d. una unidad de potencia de motor a diesel para proporcionar potencia a la bomba criogénica y al circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado .

8. La bomba de conformidad con la reivindicación 7, caracterizada además porgue comprende un vaporizador de caldeo directo corriente abajo y en comunicación de flujo de fluido con el circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado y adaptado para aceptar la corriente caliente del circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado para producir una corriente sobrecalentada.

9. La bomba de conformidad con la reivindicación 8 , caracterizada además porque comprende un intercambiador de calor adaptado para aceptar una corriente de gas de escape del vaporizador de caldeo directo y un refrigerante de agua-etilenglicol del circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado, en donde la corriente de gas de escape del vaporizador de caldeo directo se intercambia por calor con el refrigerante de agua-etilenglicol .

10. La bomba de conformidad con la reivindicación 7, caracterizada además porque comprende un sistema de control adaptado para controlar la temperatura de por lo menos el circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado.

11. La bomba de conformidad con la reivindicación 7, caracterizada porque el fluido criogénico es nitrógeno.

12. Un proceso para sobrecalentar un fluido criogénico, caracterizado porque comprende: a. proporcionar un fluido criogénico para vaporización; b. presurizar el fluido criogénico; c. calentar el fluido criogénico presurizado en un circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado para formar un fluido presurizado caliente; y d. calentar adicionalmente el fluido presurizado caliente en un vaporizador de caldeo directo colocado corriente abajo y en comunicación de flujo de fluido con el circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado para formar una corriente sobrecalentada.

13. El proceso de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado además porque comprende intercambio de calor de una corriente de gas de escape del vaporizador de caldeo directo y un refrigerante de agua-etilenglicol del circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado para calentar el refrigerante de agua-etilenglicol .

14. El proceso de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque el refrigerante de agua-etilenglicol caliente se utiliza para calentar el fluido criogénico presurizado .

15. El proceso de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado además porque comprende intercambio de calor de una corriente de vapor de una fuente externa con el refrigerante de agua-etilenglicol para calentar el refrigerante de agua-etilenglicol.

16. El proceso de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque el refrigerante de agua-etilenglicol caliente se utiliza para calentar el fluido criogénico presurizado .

17. El proceso de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado además porque comprende intercambio de calor de una corriente de vapor de una fuente externa con el refrigerante de agua-etilenglicol para calentar el refrigerante de agua-etilenglicol.

18. El proceso de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque el refrigerante de agua-etilenglicol caliente se utiliza para calentar el fluido criogénico presurizado .

19. El proceso de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado además porque comprende monitorear por lo menos el circuito de refrigerante de vaporizador no caldeado para controlar la temperatura del refrigerante de agua-etilenglicol .

20. El proceso de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque el fluido criogénico es nitrógeno.