MXPA04009344A - Metodo de termosifon para proporcionar refrigeracion. - Google Patents
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Abstract
Un metodo en donde se genera refrigeracion, de preferencia usando un crio-enfriador (100) o refrigerador de tubo de pulsos, para producir gas frio de trabajo el cual se usa para licuar fluido de acoplamiento circulante (24, 18) entre un deposito (21) de liquido de fluido de acoplamiento y una carga (26) de refrigeracion, tal como equipo de superconductividad, usando efectos de termosifon para proporcionar refrigeracion a la carga de refrigeracion.
Description
METO DO DE TERMOSI FO N PARA PRO PO RCI ONAR REFRIGERACION
CAMPO TECN ICO
Esta invención se refiere generalmente a la provisión de refrigeración a una carga de refrigeración, y es particularmente ventajosa para proporcionar refrigeración a equipo de superconductividad.
TEC NICA ANTECED ENTE
El equipo de superconductividad opera a muy bajas temperaturas, típicamente debajo de 80°K. Se debe proporcionar refrigeración al equipo de superconductividad en una base continua con el fin de mantener las condiciones muy frías de requisito para sostener la superconductividad. Con frecuencia, el equipo de superconductividad está colocado en una ubicación remota la cual pone u n premio en la confiabilidad del sistema de refrigeración que proporciona le refrigeración. La mayoría de los sistemas de refrigeración requieren el uso de por lo menos una bomba criogénica para entregar el fluido refrigerante a la carga de refrigeración . El uso de sistemas de refrigeración que emplean bombas criogénicas puede ser problemático cuando el sistema de refrigeración se usa para proporcionar refrigeración a equipos de superconductividad.
En consecuencia, es un objetivo de esta invención proporcionar un sistema mejorado para proporcionar refrigeración a una carga de refrigeración la cual tiene alta confiabilidad y que puede ser empleada efectivamente para proporcionar refrigeración a tales aplicaciones como las aplicaciones de superconductividad.
BREVE DESCRI PCION DE LA I NVENCI ON
El anterior y otros objetivos, los cuales se harán aparentes para aquellos expertos en la técnica por la lectura de esta descripción, se obtienen mediante la presente invención la cual es: U n método para proporcionar refrigeración a una carga de refrigeración que comprende: (A) generar un gas frío de trabajo , calentar el gas frío de trabajo mediante intercambio de calor indirecto con vapor de fluido de acoplamiento para producir líquido de fluido de acoplamiento, y formar un depósito de líquido de fluido de acoplamiento que tiene un nivel de líquido; (B) pasar líquido de fluido de acoplamiento desde el depósito de líquido de fluido de acoplamiento a una carga de refrigeración usando un efecto de termosifón, dicha carga de refrigeración que está en una elevación inferior ál nivel de líquido del líquido de fluido de acoplamiento del depósito de líquido de fluido de acoplamiento; y (C) proporcionar refrigeración del líquido de fluido de acoplamiento a la carga de refrigeración y evaporar el líquido de fluido de acoplamiento para producir vapor de fluido de acoplamiento para intercambio de calor indirecto con gas frío de trabajo. Como se usa en la presente el término "termosifón" significa un proceso en donde un fluido se hace circular en un dispositivo mediante la provisión de calor el cual evapora alguna porción del fluido el cual se eleva y es enfriado subsig uientemente y fluye debido a la gravedad de reg reso al punto donde puede ser evaporado otra vez de manera que no se usa dispositivo mecánico para mover el fluido. Como se usa en la presente el término "regenerador" significa un dispositivo térmico en la forma de masa porosa distribuida, tal como esferas, pantallas apiladas, láminas de metal perforadas, y los similares, con buena capacidad térmica para enfriar gas caliente que entra y calentar gas frío que reg resa vía transferencia de calor directa con la masa porosa distribuida. Como se usa en la presente el término "refrigerador de tubo de pulso" significa un dispositivo refrigerador para prod ucir refrigeración de baja temperatura usando componentes adecuados que incluyen u n generador de pulsos. Como se usa en la presente el término "orificio" significa u n dispositivo de restricción de flujo de gas colocado entre el extremo caliente del expansor de tubo de pulsos y un depósito en u n refrigerador de tubo de pulsos. Como se usa en la presente el término "onda de presión " significa energía la cual causa que una masa de gas pase a través de niveles de alta y baja presión en secuencia de una manera cíclica.
BREVE DESCRI PCION DE LOS DIBUJOS
La Figura 1 es una representación simplificada de una modalidad de un refrigerador de tubo de pulsos el cual se puede usar en la práctica de esta invención. La Figura 2 es una representación esquemática de una modalidad de la invención en donde el intercambiador de calor frío del refrigerador de tubo de pulsos está colocado dentro del tanque de fluido de acoplamiento. La Fig u ra 3 es u na representación esquemática de una modalidad de la invención en donde se proporciona refrigeración directamente mediante el fluido de acoplamiento a un dispositivo de superconductividad . La Fig u ra 4 es una representación esquemática de una modalidad de la invención en donde el intercambiador de calor frío del refrigerador de tubo de pulsos está colocado afuera del tanq ue de fluido de acoplamiento. Las Figuras 4A a 4C son diagramas de temperatura/entropía para tres diferentes ciclos de refrigeración los cuales se pueden usar para generar gas frío de trabajo en la práctica de esta invención.
DESCRI PCION DETALLADA DE LA I NVENCION La invención comprende el uso de un ciclo de refrigeración para generar un gas frío de trabajo para licuar fluido de acoplamiento. De preferencia, el gas frío de trabajo se genera mediante el uso de un refrigerador de tubo de pulsos, q ue no tiene partes móviles más allá de las requeridas para generar la onda de presión, para generar refrigeración para producir el gas frío de trabajo para licuar el fluido de acoplamiento. El fluido de acoplamiento licuado se hace pasar, usando el efecto de termosifón, a una carga de refrigeración, eliminando así la necesidad de usar una bomba criogénica. El arreglo incrementa la confiabilidad del sistema para entregar refrigeración, lo cual es especialmente ventajoso cuando el receptor de la refrigeración está en una ubicación remota, tal como es típico del equipo de superconductividad. La invención será descrita en detalle con referencia a los dibujos y en conjunto con el sistema de refrigeración preferido que emplea un refrigerador de tubo de pulsos. Los números en los dibujos son los mismos para , los elementos comunes. El sistema de refrigeración de tubo de pulsos es típicamente un sistema cerrado de refrigeración que hace oscilar un gas de trabajo en un ciclo cerrado y haciendo eso, transfiere una carga de calor desde una sección fría a una sección caliente. La frecuencia y fases de las oscilaciones se determinan por la configuración del sistema. U na modalidad de un refrigerador de tubo de pulsos o sistema de refrigeración se ilustra en la Figura 1 . En el sistema de refrigeración de tubo de pulsos ilustrado en la Figura 1 , el impulsor o generador 1 de onda de presión puede ser un pistón o algún otro dispositivo de compresión mecánica, o un dispositivo acústico o termoacústico de generación de onda, o cualquier otro dispositivo adecuado para proporcionar un pulso u onda de compresión a un gas de trabajo. Es decir, el generador de pulsos entrega energía acústica al gas de trabajo causando oscilaciones de presión y velocidad . Helio es el gas de trabajo preferido; sin embargo, se puede usar cualquier gas de trabajo efectivo en un refrigerador de tubo de pulsos y entre tales se pueden nombrar nitrógeno, oxígeno, argón y neón o mezclas que contienen uno o más de los mismos, tal como aire. El gas de trabajo oscilante se enfría en el post-enfriador 2 mediante intercambio de calor indirecto con el medio de enfriamiento, tal como agua 50. El gas de trabajo en el regenerador 3 se enfría mediante intercambio de calor con medio del regenerador conforme se mueve hacia el intercambiador de calor frío. La geometría y configuración de pulsaciones del sistema de refrigeración de tubo de pulsos es tal que el gas de trabajo oscilante en el intercambiador de calor frío y el extremo 6a frío del tubo 6 de pulsos se expande durante alguna fracción del ciclo de pulsación y se absorbe calor por el gas de trabajo mediante intercambio de calor indirecto lo que proporciona refrigeración a dicho fluido de acoplamiento. La refrigeración del gas de trabajo se hace pasar mediante intercambio de calor indirecto al fluido de acoplamiento como se discutirá más completamente posteriormente. Alguna energía acústica es disipada en el orificio y el calor resultante se remueve del extremo 6b caliente típicamente mediante el uso de un intercambiador 7 de calor caliente mediante intercambio de calor indirecto con el medio de enfriamiento, tal como agua 51 . De preferencia, el sistema de refrigeración de tubo de pulsos emplea un orificio 8 y un depósito 9 para mantener el desplazamiento del gas y los pulsos de presión en fases apropiadas. El tamaño del depósito 9 es suficientemente grande para que ocurra esencialmente muy poca oscilación de presión en ése durante el flujo oscilante en el tubo de pulsos. En la Figura 2 el refrigerador de tubo de pulso, tal como aquel descrito con referencia a la Figura 1 , se ilustra en forma general o de bloques como el artículo 100 excepto para el intercambiador 4 de calor frío el cual se ilustra específicamente. Haciendo referencia ahora a la Figu ra 2, el fluido 1 8 de acoplamiento, que puede estar todo en forma de vapor o puede ser vapor parcialmente y líquido parcialmente, se hace pasar al tanque 13 de fluido de acoplamiento. En la modalidad de ía invención ilustrada en la Figura 2 , el fluido 18 de acoplamiento está en dos fases. La fase 20 líquida cae dentro del tanque 1 3 de fluido de acoplamiento mientras que la fase 1 9 de vapor pasa al ¡ntercambiador 4 de calor frío el cual está colocado dentro del tanque 1 3 de fluido de acoplamiento en la porción superior del tanque 1 3 de fluido de acoplamiento. El vapor 1 9 de fluido de acoplamiento se condensa mediante intercambio de calor indirecto con el gas de trabajo frío antes descrito en el intercambiador 4 de calor frío para producir el líquido 1 1 de fluido de acoplamiento el cual sale entonces del intercambiador 4 de calor frío y, con el líquido 20 de fluido de acoplamiento, forma el depósito 21 de líquido de fluido de acoplamiento dentro del tanque 1 3 de fluido de acoplamiento. El depósito 21 de fluido de acoplamiento tiene un nivel 22 de líquido, el cual es la superficie superior del líquido de fluido de acoplamiento, dentro del tanque 13 de fluido de acoplamiento. El fluido de acoplamiento preferido en la práctica de esta invención es neón. Otros fluidos que se pueden usar como el fluido de acoplamiento en la práctica de esta invención incluyen helio, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, argón , metano, criptón , xenón , R-14, R-23, R-21 8 y mezclas de uno o más de estos antes identificados tal como aire. El refrigerante 26 se hace pasar al dispositivo 25 de carga de refrigeración el cual en la modalidad se ilustra en la Figura 2 como un intercambiador de calor. El refrigerante 26 actúa como la carga de refrigeración y se enfría mediante intercambio de calor indirecto con líquido de fluido de acoplamiento dentro del intercambiador de calor 25. El refrigerante 27 refrigerado resultante se usa entonces para proporcionar refrigeración a, por ejemplo, un dispositivo de superconductividad . El refrigerante puede ser cualquier fluido o mezcla de fluidos cuyo punto de congelación es simultáneamente menor que la temperatura de operación deseada del dispositivo superconductor y menor que el punto de ebullición o punto de burbuja del fluido de acoplamiento. Este incluye, pero no está limitado a, helio, hidrógeno, neón , nitrógeno, oxígeno, argón, metano, criptón, xenón , R-14, R-23, R-218 y mezclas de uno o más de los anteriores, tal como aire. El líquido de fluido de acoplamiento se pasa en la corriente 24 del depósito 21 de líquido de fluido de acoplamiento dentro del tanque 1 3 de fluido de acoplamiento al dispositivo 25 de carga de refrigeración el cual está colocado en una elevación inferior al nivel 22 de líquido de fluido de acoplamiento. El líquido de fluido de acoplamiento se evapora por lo menos parcialmente mediante intercambio de calor indirecto con el refrigerante en el intercambiador 25 de calor por lo que se proporciona refrigeración al refrigerante. El vapor de fluido de acoplamiento resultante se pasa en la corriente 18 de regreso al intercambiador 4 de calor frío para licuefacción contra el gas frío de trabajo. Como se mencionó antes, la corriente 1 8 podría incluir también líquido de fluido de acoplamiento además del vapor de fluido de acoplamiento. El fluido de acoplamiento pasa del tanque de flu ido de acoplamiento al dispositivo de carga de refrigeración y de reg reso al tanque de fluido de acoplamiento mediante el efecto de termosifón eliminando así la necesidad de una bomba criogénica u otra bomba mecánica para procesar el fluido de acoplamiento, aunque se puede usar una bomba para aumentar el efecto de termosifón cuando la densidad del fluido de acoplamiento es muy baja o hay restricciones físicas impuestas que obstaculizan la circulación del fluido de acoplamiento por la fuerza de gravedad . Las caídas de niveles y la presión del sistema están diseñadas de manera que el intercambiador 25 de calor ni se inunda ni queda libre de líquido. En alg unos casos, se puede usar un circuito de control. El cabezal del líq uido, es decir, la altura de líquido en el tanq ue 1 3, se mantiene suficientemente alta para vencer la presión en las líneas y en el intercambiador 25 de calor. La Fig ura 3 ilustra otra modalidad de la invención en donde el dispositivo de carga de refrigeración es un dispositivo superconductor. Los números de la Figura 3 son los mismos que aquellos de la Figura 2 para los elementos comunes, y esos elementos comunes no serán descritos otra vez en detalle. Haciendo referencia ahora a la Figura 3, la corriente 24 de líquido de fluido de acoplamiento se hace pasar al dispositivo 30 superconductor, el cual está colocado más bajo que el nivel 22 de líquido de fluido de acoplamiento, y en donde se evapora por lo menos parcialmente por lo que proporciona refrigeración a la carga de refrigeración . El resultante fluido de acoplamiento evaporado por lo menos parcialmente se hace pasar en la corriente 1 8 del dispositivo 30 superconductor al intercambiador 4 de calor frío, el cual, en la modalidad de la invención ilustrada en la Figura 3 , está colocado dentro del tanque 13 de fluido de acoplamiento. En general, el fluido de acoplamiento puede ser cualquier fluido o mezcla cuyo punto de ebullición (puntos de burbuja y rocío en el caso de una mezcla) esté suficientemente por debajo de la temperatura de salida deseada del refrigerante, o la temperatura de operación deseada del dispositivo superconductor, cuando la presión del fluido de acoplamiento se mantiene por debajo de la presión crítica. La Figura 4 ilustra otra modalidad de la invención en donde el intercambiador de calor frío del sistema de refrigeración de tubo de pulsos está colocado afuera del tanque de fluido de acoplamiento. Los números de la Figura 4 son los mismos que aquellos de la Fig ura 2 para los elementos comunes, y estos elementos comunes no serán descritos otra vez en detalle. Haciendo referencia ahora a la Figura 4, fluido 1 8 de acoplamiento calentado del intercambiador 25 de calor, el cual puede estar total o parcialmente en forma de vapor, se hace pasar al intercambiador 4 de calor frío del refrigerador 00 de tubo de pulsos. El vapor de fluido de acoplamiento se condensa mediante intercambio de calor indirecto con el gas frío de trabajo dentro del intercambiador 4 de calor frío y el líquido de fluido de acoplamiento resultante se hace pasar en la corriente 33 del intercambiador 4 de calor frío al tanque 13 de fluido de acoplamiento en donde forma el depósito 21 de líquido de fluido de acoplamiento que tiene el nivel 22 de líquido. De preferencia; el crio-enfriador o refrigerador de tubo de pulsos se basa en el ciclo de Stirling representado en la Figu ra 4B . Alternativamente, se pueden emplear otros ciclos termod inámicos de refrigeración. A manera de ejemplo, se pueden emplear algunas variaciones prácticas de los ciclos idealizados de Carnot y Brayton, representados en las Figuras 4A y 4C respectivamente. En las Figuras 4A a 4C "Tr" indica la temperatura donde se obtiene la refrigeración. Esta es la temperatura más baja para los ciclos ideales. Otros ciclos de refrigeración que se pueden emplear en el crio-enfriador incluyen refrigeración magnética que emplea materiales magnetocalóricos que operan bajo campos magnéticos, y la refrigeración de Joule-Thomson. Otros ciclos crio-enfriadores útiles incluyen variaciones de un ciclo de Stirling tal como un ciclo de Gifford-Mc ahon, y un ciclo de MGR (refrigeración de gas mezclado) con base en el ciclo de Rankine. El ciclo de MG R involucra un refrigerante hecho de mezclas de gases diferentes que se comprime mediante un compresor común, se enfría mediante un conjunto de intercambiadores de calor pre-enfriados, y se expande vía una expansión isentálpica de Joule-Thomson. Además, el crio-enfriador se podría enfriar previamente usando refrigerante frío o mediante otro refrigerador. Por ejemplo, el refrigerador de tubo de pulsos podría ser enfriado previamente usando refrigeración con nitrógeno líq uido o mediante otra refrigeración tal como SG R (refrigeración de gas simple) o un refrigerador de tipo MG R de Rankine. Ahora, mediante el uso de esta invención se puede generar refrigeración y entregar esa refrigeración a una carga de refrigeración tal como un dispositivo superconductor con pocas o ninguna parte móvil y sin la necesidad de una bomba mecánica, por lo que se incrementa la confiabilidad y, así, la efectividad. Aunque la invención se ha descrito en detalle con referencia a ciertas modalidades preferidas, aquellos expertos en la técnica reconocerán que hay otras modalidades de la invención dentro del espíritu y alcance de las reivindicaciones.
Claims (6)
1 . Un método para proporcionar refrigeración a una carga de refrigeración que comprende: (A) generar un gas frío de trabajo, calentar el gas frío de trabajo mediante intercambio de calor indirecto con vapor (1 9) de fluido de acoplamiento para producir líquido (1 1 ) de fluido de acoplamiento, y formar un depósito (21 ) de líquido de fluido de acoplamiento que tiene un nivel (22) de líquido; (B) pasar líquido de fluido de acoplamiento desde el depósito de líquido de fluido de acoplamiento a una carga (26) de refrigeración usando un efecto de termosifón , dicha carga de refrigeración que está en una elevación inferior al nivel de líquido del líquido de fluido de acoplamiento del depósito de líquido de fluido de acoplamiento; y (C) proporcionar refrigeración del líquido de fluido de acoplamiento a la carga de refrigeración y evaporar el líquido de fluido de acoplamiento para producir vapor de fluido de acoplamiento para intercambio de calor indirecto con gas frío de trabajo.
2. El método de la reivindicación 1 en donde el fluido de acoplamiento comprende neón.
3. El método de la reivindicación 1 en donde el fluido de acopiamiento se hace pasar del depósito de líquido de fluido de acoplamiento a la carga de refrigeración y después se hace pasar de la carga de refrigeración de regreso al depósito de líquido de fluido de acoplamiento enteramente por medio del efecto de termosifón .
4. El método de la reivindicación 1 en donde la carga de refrigeración comprende flu ido refrigerante.
5. El método de la reivindicación 1 en donde la carga de refrigeración comprende eq uipo de superconductividad.
6. El método de la reivindicación 1 en donde el gas frío de trabajo se genera proporcionando un pulso a u n gas de trabajo para producir gas de trabajo comprimido, y expandir el gas de trabajo comprimido en una sección fría de un tubo de pulsos. RES U MEN Un método en donde se genera refrigeración, de preferencia usando un crio-enfriador (1 00) o refrigerador de tubo de pulsos, para producir gas frío de trabajo el cual se usa para licuar fluido de acoplamiento circulante (24, 1 8) entre un depósito (21 ) de líquido de fluido de acoplamiento y una carga (26) de refrigeración , tal como equipo de superconductividad, usando efectos de termosifón para proporcionar refrigeración a la carga de refrigeración.
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