BRPI0708415A2 - método para estabelecer um sistema de isolamento criogênico - Google Patents

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Abstract

MéTODO PARA ESTABELECER UM SISTEMA DE ISOLAMENTO CRIOGêNICO é descrito um método para estabelecer um sistema de isolamento criogênico em que é provido aerogel a um espaço de isolamento selável (1) definido por uma parede interna e externa (2, 3) que é pressurizada e despressurizada. A pressurização é realizada preferivelmente usando um gás condensável, preferivelmente dióxido de carbono, provido no espaço deisolamento (1). O gás condensável é resfriado para despressurizar o espaço de isolamento pelo resfriamento de pelo menos uma parede (2, 3) a uma temperatura menor que 190 K (-83 <198>C) e resfriado a temperaturas criogênicas, tipicamente pela aplicação de refrigeração do líquido criogênico.

Description

"MÉTODO PARA ESTABELECER UM SISTEMA DE ISOLAMENTOCRIOGÊNICO"
CAMPO TÉCNICO
Esta invenção diz respeito no geral a sistemas de isolamento e,mais particularmente, a sistemas de isolamento destinados ao uso atemperaturas criogênicas.
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO
Sistemas de isolamento a vácuo criogênicos convencionaispara vasos de parede dupla exigem um alto vácuo, tipicamente menor que 1mícron Hg a 0 °C. O propósito do vácuo é reduzir condução/convecção degás. O alto vácuo necessário é caro de se produzir, exigindo grandes temposde bomba a elevadas temperaturas. Isto resulta em um alto custo de fabricaçãopara equipamento isolado a vácuo. Uma vez obtido, o alto vácuo énotoriamente difícil de ser mantido durante a vida útil do equipamento, quepode tipicamente ser de 15 a 20 anos, e observa-se na prática que, a despeitode todas as precauções, a pressão no espaço de vácuo inevitavelmenteaumenta, causando uma drástica perda de desempenho. Uma alternativa é usarisolamento de espuma. Entretanto, este isolamento tem uma perda de calormuito mais alta do que isolamento a vácuo. A menos que medidas elaboradassejam tomadas para selar isolamentos de espuma, a infiltração de água farácom que eles se degradem rapidamente. Dessa maneira, é necessário umsistema de isolamento criogênico que seja confiável por toda sua vida útil,barato de fabricar, tenha um alto desempenho e que seja relativamenteinsensível a perda de vácuo.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
É descrito um método para estabelecer um sistema deisolamento criogênico compreendendo:
(A) prover um espaço de isolamento contendo aerogel edefinido por uma parede interna e uma parede externa;(B) conduzir pelo menos uma pressurização e pelo menos umadespressurização do espaço de isolamento contendo aerogel, em que apressurização compreende prover gás condensável ao espaço de isolamentocontendo aerogel; e
(C) resfriar pelo menos uma parede do espaço de isolamentocontendo aerogel a uma temperatura menor que 190 K (-83 0C).
Na forma aqui usada, o termo "gás condensável" significa umgás que tem uma pressão de vapor na condição fria que é significativamentemenor que a pressão que seria de se esperar aplicando-se a lei dos gases ideaisna temperatura média do espaço de isolamento. Tipicamente, isto será oresultado de o gás condensável passar por uma mudança de fase de gás parasólido. Entretanto, o isolamento de aerogel tem uma área específicaextremamente alta e, quando resfriado a temperatura criogênica, é capaz deabsorver uma certa quantidade de gás.
DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS
A única figura é uma representação seccional transversalsimplificada de uma modalidade da invenção, em que o espaço de isolamentoé definido pelas paredes de um conduto de parede dupla.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
A invenção é aplicável para uso com qualquer estrutura ouvaso de parede dupla, tal como um tubo de parede dupla ou um tanque deparede dupla. A figura ilustra uma seção de tubo ou conduto de parede dupla,e a invenção será discutida com mais detalhes com referência à figura.
Referindo-se agora à figura, o espaço de isolamento 1 é ovolume definido pela parede interna 2 e a parede externa 3 do conduto deparede dupla 4. O espaço de isolamento 1 contém aerogel 5 que pode ser naforma de um compósito de aerogel, tal como uma manta que compreendeaerogel combinado com tela de fibra tal como poliéster, fibra de vidro, fibrade carbono, fibra de sílica e suas misturas. Preferivelmente, pelo menos 75porcento do volume do espaço de isolamento é cheio com aerogel oucompósito de aerogel.
Qualquer aerogel adequado pode ser usado na prática destainvenção. O aerogel preferido na prática desta invenção é aerogel de sílica.
Aerogel pode ser produzido como um bloco monolítico, bem como umparticulado na forma de grânulos, contas ou finos de pó, ou como uma mantade aerogel compósito que incorpora tela de fibra. Um geral ou aerogel é umarede tridimensional coerente, rígida e contínua de partículas coloidais. Géissão produzidos pela agregação de partículas coloidais, tipicamente sobcondições ácidas, quando sais neutralizantes estão ausentes, para formar umamicroestrutura de gel tridimensional. Quando o gel é seco, isto é, quandolíquido é removido dos poros, por meio do que a microestrutura do gelcoerente é preservada, tal como por secagem supercrítica, forma-se um gel debaixa densidade ou um aerogel. Um processo adequado para a produção deum aerogel está descrito na patente U.S. 3.122.520. Um processo adequadopara a produção de um compósito de aerogel está descrito na patente U.S.6.670.402. O aerogel preferivelmente é um aerogel de óxido metálico,particularmente aerogel de sílica. As partículas de aerogel podem ter qualquerdensidade adequada, preferivelmente cerca de 0,05 g/cm a cerca de 0,15g/cm.sup3. As partículas de aerogel também podem ter qualquer áreasuperficial adequada, preferivelmente pelo menos cerca de 200 m /g. A áreasuperficial aqui descrita é calculada com base na quantidade de nitrogênioadsorvido em cinco diferentes pressões relativas em uma faixa de 0,05 a 0,25atm de acordo com o modelo Brunauer-Emmett-Teller (BET), referenciadoem Gregg, S. J., e Sing, K.S.W., "Adsorption, Surface Area and Porosity", p.285, Academic Press, New York (1991).
Partículas de aerogel têm propriedades altamente desejáveis,tais como, por exemplo, transparência ótica, densidade extremamente baixa, econdutividade térmica muito baixa. As partículas de aerogel podem terqualquer diâmetro adequado. Preferivelmente, o diâmetro desubstancialmente todas as partículas de aerogel é cerca de 0,5 mm ou mais(por exemplo, cerca de 1 mm ou mais). Mais preferivelmente, o diâmetro desubstancialmente todas as partículas de aerogel é cerca de 5 mm ou menos(por exemplo, cerca de 0,5 ou 1 mm a cerca de 5 mm). O aerogel pode serempregado na prática desta invenção em qualquer forma adequada. Porexemplo, o aerogel pode ser incorporado em uma manta misturando-o comfibras tais como fibras de poliéster, fibra de vidro, fibra de carbono, sílica ouquartzo, dependendo da aplicação. A manta de aerogel/fibra compósita ementão envolta firmemente no tubo em uma série de camadas. Nestaconfiguração, é possível prover blindagem contra radiação, entrelaçandofolhas finas de um material de baixa emissividade, tipicamente um metalpolido tal como cobre ou alumínio. Uma segunda vantagem desta opção é queo aerogel pode ser envolto usando maquinário existente para aplicarIsolamento MultiCamadas.
Uma segunda opção é encher o espaço de parede dupla comuma forma particulada de aerogel. Vários pós, grânulos e contas encontram-sedisponíveis em faixas de tamanho de 0,5 a 5,0 mm. Para encher um espaçoisolante com particulado é em geral desejável orientar o tubo verticalmente deforma que o espaço anular seja cheio de baixo para cima. Isto garante que nãofiquem espaços vazios que podem afetar adversamente o desempenho.Inúmeros métodos encontram-se disponíveis para manusear pós. O métodoadequado para transferir o aerogel é usar um transferidor a vácuo.
É também possível embalar o aerogel em sacos pré-formados.Cada saco é cheio com aerogel e purgado com um gás condensável,preferivelmente dióxido de carbono. O saco é então evacuado, idealmente auma pressão na faixa entre 1.000 a 10.000 mícrons, e selado. Sob pressãoambiente, o volume do saco é reduzido, de forma que ele se encaixefacilmente no espaço de isolamento. Para grandes espaços de isolamento, taiscomo tanques, reboques, etc., múltiplos sacos podem ser usados para encher oespaço de isolamento. Para espaços de isolamento menores, tais comocondutos, o saco pode ser pré-formado como uma concha que se ajusta àforma dos contornos do espaço de isolamento. Se aerogéis forem embaladosdesta maneira, o espaço de isolamento deve ainda ser purgado com gáscondensável, e será evacuado a uma pressão similar à pressão interna de cadasaco. Materiais de saco adequados são materiais poliméricos com uma baixapermeabilidade suficiente para permitir que vácuo seja mantido na duração doprocesso de montagem. Com este sistema, é necessário garantir que umafração suficiente do volume de isolamento é cheio com os sacos contendoaerogel, de maneira tal que, quando os sacos expandirem, não existamespaços vazios.
Uma terceira opção é combinar o uso de mantas de compósitode aerogel e particulados de aerogel. Em todos os casos, é possível usar tantouma forma hidrofílica quanto hidrofóbica de aerogel. O particulado de aerogelhidrofóbico pode ser comprimido sem perder sua estrutura, e tem um baixoteor de água. O aerogel hidrofílico é menos compressível e tem uma altaafinidade por água. Além disso, o aerogel hidrofílico não é inflamável emoxigênio puro e é, portanto, mais adequado para este serviço.
Para selar o espaço de parede dupla, as extremidades têm queser soldadas, de maneira tal que o espaço fique hermeticamente selado. Umamanta de aerogel de alta temperatura ou um material de fibra de vidro que nãoé danificado pela alta temperatura do processo de soldagem deve ser usadopróximo das soldas. Durante a fabricação de um conduto de parede dupla, temque ser provido um dispositivo para permitir a expansão diferencial do tubointerno em relação ao tubo externo. Em geral, isto é conseguido suprindo-seum fole de expansão. Os foles são geralmente colocados na camisa, emvirtude de, neste caso, os foles serem expostos a pressão de vácuo, em vez depressão de processo. A principal desvantagem desta colocação é que, natemperatura operacional, o comprimento da camisa é reduzido e o sistema desuporte de tubos tem que ser projetado para acomodar o movimento. Emboraos foles sejam expostos a dano ambiental e mecânico, no caso de falha, aconseqüência está limitada à perda de vácuo. Um segundo método parapermitir expansão térmica diferencial é usar seções de mangueira flexíveltanto no tubo interno quanto no tubo externo.
O espaço de isolamento contendo aerogel é purgado.Preferivelmente, uma bomba de vácuo é usada inicialmente para evacuar oespaço de isolamento a uma pressão na faixa de 1.000 a 10.000 mícrons Hg afim de remover qualquer umidade ou hidrocarbonetos pesados no materialaerogel deixado na fabricação. O espaço de isolamento contendo aerogelentão passa por pelo menos uma pressurização e pelo menos umadespressurização, em que a pressurização compreende prover um gáscondensável tal como gás dióxido de carbono, isto é, um fluidocompreendendo pelo menos 99,5 porcento molar de dióxido de carbono, a umespaço de isolamento contendo aerogel. Outros gases condensáveis quepodem ser usados incluem N20, R-134a, nitrogênio, oxigênio ou argônio. Aetapa de pressurização pode ser tão alta quanto a pressão nominal da paredeexterna. A etapa de despressurização pode ser tão alta quanto uma atmosfera,ou tão baixa quanto 10 mícrons, mas tipicamente ficará na faixa de 1.000 a10.000 mícrons. Preferivelmente, o espaço de isolamento contendo aerogelpassa por pelo menos dois ciclos, pode passar por até 10 ciclos desses.Preferivelmente, a pressão final do espaço de isolamento após a últimadespressurização é na faixa de 1.000 a 10.000 mícrons.
Pelo menos uma parede, preferivelmente apenas a paredeinterna, do espaço de isolamento contendo aerogel é resfriada a umatemperatura menor que 190 K (-83 0C). Preferivelmente, este resfriamento érealizado provendo-se líquido criogênico, tal como o líquido 6 mostrado nafigura, ao vaso de parede dupla. Líquidos criogênicos adequados incluemnitrogênio líquido, oxigênio líquido, argônio líquido, gás natural liqüefeito,hélio liqüefeito e hidrogênio líquido. À medida que a temperatura no espaçode isolamento contendo aerogel cai, e quando pelo menos uma parede ousuperfície interna da estrutura de parede dupla é resfriada até a temperaturaexigida, ocorre uma redução de pressão adicional. O espaço de isolamentocontendo aerogel é resfriado, preferivelmente a uma temperatura menor que oponto de congelamento do gás condensável, na pressão final desejada(tipicamente 1-5 mícrons). Durante o resfriamento, a temperatura no espaçode isolamento contendo aerogel cai. Se a parede ou superfície da estrutura deparede dupla for resfriada a uma temperatura igual ou inferior ao ponto decongelamento do gás condensável na pressão prevalecente, o gáscondensável, por exemplo, dióxido de carbono, migrará para as superfíciesinternas e congelará, reduzindo ainda mais a pressão no espaço de isolamento.O aerogel, a manta, caso haja, e qualquer captador absorverá os gasescondensáveis e não condensáveis, aumentando a intensidade do vácuo inicialdo espaço de isolamento, bem como removendo qualquer vazamento queocorre com o tempo.
Durante operação, inevitavelmente haverá um aumento depressão no espaço de isolamento por causa de vazamento pelas pequenascapilaridades ou outras aberturas no espaço de vácuo, desprendimento degases de materiais expostos a espaço de vácuo e/ou permeação de gases pelasparedes do espaço de vácuo. Isolamento de vácuo tradicional exige um vácuona faixa de 1 a 10 mícrons para ser efetivo. O sistema de vácuo aerogel destainvenção permanece efetivo na faixa de 10 a 10.000 mícrons, em que efetivoé definido como uma fuga de calor menor que do isolamento tipo espuma semvácuo. Uma vez que a pressão de trabalho aceitável para um sistema de vácuoaerogel é muito maior que o isolamento a vácuo tradicional, vazamentosignificativo pode ser tolerado antes de ocorrer uma perda drástica doisolamento. E um aspecto importante desta invenção que medidas elaboradasnão precisam ser tomadas para garantir que a pressão no espaço de isolamentocontendo aerogel seja bastante baixa. Isto resulta em um benefício econômico,em virtude de o custo de fabricação do equipamento ser reduzido.
Os vários tipos de isolamento usados no armazenamento etransferência de líquidos criogênicos podem ser convenientementesubdivididos em cinco categorias (1) vácuo; (2) isolamento multicamadas; (3)isolamento de pó e fibras; (4) isolamento de espuma; e (5) isolamentos deusos especiais. Os limites entre essas categorias gerais não são de modonenhum distintos. Por exemplo, um isolamento de pó pode tanto conter umgás quanto ser evacuado, e poderia, neste último caso, apresentarpropriedades bastante similares às de isolamento a vácuo. Este esquema declassificação, entretanto, oferece uma estrutura pela qual tipos amplamentevariados de isolamento criogênico podem ser discutidos.
A transferência de calor pelos vários isolamentos pode ocorrerpor diversos mecanismos diferentes, mas geralmente envolve condução emsólido, condução em gás e convecção e radiação. O propósito de qualquerisolamento é minimizar a transferência de calor acumulada por esses váriosmecanismos. A condutividade térmica aparente de um isolamento, medidaexperimentalmente para incorporar todos esses modos de transferência decalor, oferece o melhor meio pelo qual se comparam diferentes tipos deisolamento. O espaço de isolamento na prática desta invenção tem umacondutividade térmica aparente de menos de 3 mW/mK a uma pressão maiorque 10 mícrons.
Existem vários desenhos mecânicos para o conduto, queincluem foles no tubo interno, foles no tubo externo e foles na extremidade decada seção. O conduto flexível é também disponível. Mantas de aerogelseriam adequadas para incorporação neste último. Em alguns casos, pode serdesejável incorporar um material de peneira molecular, preferivelmente omais próximo possível da parede interna, para adsorver oxigênio e nitrogênioindesejados que podem vazar da atmosfera, e/ou fluido criogênico que vazapara o espaço de isolamento. Aerogéis têm uma área superficialextremamente grande e, quando resfriados a temperaturas criogênicas, sãocapazes de adsorver algumas quantidades de gases indesejados, tais comonitrogênio e oxigênio. Além disso, a invenção pode incluir qualquer dasmedidas tradicionalmente usadas para garantir vácuo, tais como captadores epeneiras moleculares, e pode também incluir blindagem de radiação.
Embora a invenção tenha sido descrita com detalhes comreferência a certas modalidades preferidas, versados na técnica percebem queexistem outras modalidades da invenção dentro do espírito e escopo dasreivindicações.

Claims (15)

1. Método para estabelecer um sistema de isolamentocriogênico, caracterizado pelo fato de que compreende:(A) prover um espaço de isolamento contendo aerogel edefinido por uma parede interna e uma parede externa;(B) conduzir pelo menos uma pressurização e pelo menos umadespressurização do espaço de isolamento contendo aerogel, em que apressurização compreende prover gás condensável ao espaço de isolamentocontendo aerogel; e(C) resfriar pelo menos uma parede do espaço de isolamentocontendo aerogel a uma temperatura menor que 190 K (-83 0C).
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o espaço de isolamento é entre uma parede interna e uma paredeexterna de um conduto de parede dupla.
3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o espaço de isolamento é entre uma parede interna e uma paredeexterna de um tanque de parede dupla.
4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o aerogel é na forma de uma manta de aerogel.
5. Método de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelofato de que a manta de aerogel compreende aerogel combinado com tela defibra.
6. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o aerogel é na forma particulada.
7. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o aerogel é provido no espaço de isolamento em sacos.
8. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o gás condensável é dióxido de carbono.
9. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que pelo menos dois ciclos de pressurização e despressurização sãoconduzidos no espaço de isolamento contendo aerogel.
10. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o espaço de isolamento contendo aerogel é resfriado porrefrigeração pelo líquido criogênico.
11. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o espaço de isolamento contendo aerogel compreendeadicionalmente peneira molecular, captadores e/ou blindagem contraradiação.
12. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o aerogel compreende aerogel de sílica.
13. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o espaço de isolamento antes do resfriamento tem umapressão na faixa de 1.000 a 10.000 mícrons.
14. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o espaço de isolamento é evacuado antes da ditapressurização usando uma bomba de vácuo.
15. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o espaço de isolamento tem uma condutividade térmicaaparente de menos de 3 mW/mK a uma pressão superior a 10 mícrons.
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