Un sistema de llenado en cascada es un sistema de almacenamiento de cilindros de gas a alta presión que se utiliza para el llenado de cilindros de gas comprimido más pequeños. [1] [2] En algunas aplicaciones, cada uno de los cilindros grandes se llena con un compresor ; de lo contrario, se pueden llenar de forma remota y reemplazar cuando la presión es demasiado baja para una transferencia efectiva. El sistema en cascada permite llenar pequeños cilindros sin compresor. Además, un sistema en cascada es útil como depósito para permitir que un compresor de baja capacidad satisfaga la demanda de llenar varios cilindros pequeños en sucesión cercana, con períodos intermedios más largos durante los cuales los cilindros de almacenamiento se pueden recargar.
Principio de funcionamiento
Cuando se permite que el gas contenido en un cilindro a alta presión fluya a otro cilindro que contenga gas a una presión más baja, las presiones se igualarán a un valor en algún lugar entre las dos presiones iniciales. La presión de equilibrio se ve afectada por la velocidad de transferencia, ya que estará influenciada por la temperatura, pero a temperatura constante, la presión de equilibrio se describe mediante la ley de Dalton de presiones parciales y la ley de Boyle para gases ideales.
La fórmula para la presión de equilibrio es:
- P 3 = (P 1 × V 1 + P 2 × V 2 ) / (V 1 + V 2 )
- donde P 1 y V 1 son la presión inicial y el volumen de un cilindro
- P 2 y V 2 la presión inicial y el volumen del otro cilindro
- y P 3 es la presión de equilibrio.
Un ejemplo podría ser un cilindro de 100 litros (volumen interno) (V 1 ) presurizado a 200 bar (P 1 ) llenando un cilindro de 10 litros (volumen interno) (V 2 ) que no estaba presurizado (P 2 = 1 bar) ( resultando en ambos cilindros igualando a aproximadamente 180 bar (P 3 ) Si otro cilindro de 100 litros presurizado esta vez a 250 bar se usara para "rellenar" el cilindro de 10 litros, ambos cilindros se igualarían a aproximadamente 240 bar. Sin embargo, si se usara primero el cilindro de 100 litros de presión más alta, el cilindro de 10 litros se igualaría a aproximadamente 225 bar y el cilindro de 100 litros de presión más baja no se podría usar para llenarlo. En un sistema de almacenamiento en cascada, se usan varios cilindros grandes para llevar un cilindro pequeño a la presión deseada, utilizando siempre primero el cilindro de suministro con la presión utilizable más baja, luego el cilindro con la siguiente presión más baja, y así sucesivamente.
En la práctica, las transferencias teóricas solo se pueden lograr si se permite que los gases alcancen un equilibrio de temperatura antes de la desconexión. Esto requiere mucho tiempo y se puede aceptar una menor eficiencia para ahorrar tiempo. La transferencia real se puede calcular usando la ecuación de estado general del gas si la temperatura del gas en el cilindro se mide con precisión.
Usos
Conjuntos de respiración
Un cilindro del equipo de respiración puede llenarse a su presión de trabajo decantando desde cilindros más grandes (a menudo de 50 litros). (Para facilitar esto, el cuello del cilindro del rebreather Siebe Gorman Salvus tenía la misma rosca que un cilindro de almacenamiento de oxígeno, pero del género opuesto, para el decantado directo). Los cilindros de almacenamiento están disponibles en una variedad de tamaños, típicamente desde 50 litros de capacidad interna hasta más de 100 litros. [3]
En el caso más general, se utiliza una manguera de alta presión conocida como látigo de llenado para conectar el panel de llenado o el cilindro de almacenamiento al cilindro receptor.
El llenado en cascada se utiliza a menudo para la mezcla a presión parcial de mezclas de gases respirables para el buceo , para economizar el oxígeno relativamente caro, para el nitrox y el helio aún más caro en mezclas de trimix o heliox . [2]
Abastecimiento de gas natural comprimido
El almacenamiento en cascada se utiliza en las estaciones de servicio de gas natural comprimido (GNC). Por lo general, se utilizarán tres tanques de GNC, y primero se cargará combustible a un vehículo con uno de ellos, lo que resultará en un llenado incompleto, tal vez a 2000 PSI para un tanque de 3000 PSI. El segundo y tercer tanque acercarán el tanque del vehículo a 3000 PSI. La estación normalmente tiene un compresor, que llena los tanques de la estación, utilizando gas natural de una línea de servicios públicos. Esto evita que el tanque se sobrellene accidentalmente, lo que podría suceder con un sistema que usa un solo tanque de combustible a una presión más alta que la presión objetivo para el vehículo.
Almacenamiento de hidrógeno
En los sistemas de almacenamiento en cascada para el almacenamiento de hidrógeno , como por ejemplo en las estaciones de hidrógeno , el surtidor de combustible A extrae hidrógeno del tanque A, mientras que el surtidor B extrae combustible del tanque de hidrógeno B. Si el surtidor A se sobreutiliza, el tanque A se agotará antes que el tanque B En este punto, el dispensador A se cambia al tanque C. El tanque C abastecerá a los dispensadores A y B y al tanque A hasta que el tanque A se llene a la misma presión que el tanque B y los dispensadores se desconecten, después de lo cual el sistema de control se cerrará. las válvulas de control para cambiar a su estado anterior. [ cita requerida ] [4]
Disposición del sistema
Los cilindros de almacenamiento se pueden usar de manera independiente en secuencia usando un látigo de transferencia portátil con un manómetro y una válvula de purga manual, para llenar el cilindro receptor hasta que se alcance la presión de llenado adecuada, o los cilindros de almacenamiento se pueden conectar a un sistema de colector y un llenar el panel de control con uno o más látigos de llenado.
Idealmente, cada cilindro de almacenamiento tiene una conexión independiente al panel de llenado con un manómetro de contenido y una válvula de suministro dedicados a ese cilindro, y un manómetro de llenado conectado al látigo de llenado, para que el operador pueda ver de un vistazo la siguiente presión más alta del cilindro de almacenamiento en comparación. a la presión del cilindro receptor.
Los cilindros de almacenamiento pueden llenarse de forma remota y conectarse al colector mediante una manguera flexible cuando están en uso, o pueden conectarse y rellenarse permanentemente mediante un compresor a través de un sistema de llenado dedicado, que puede ser automatizado o controlado manualmente.
Por lo general, se instala una válvula de seguridad de sobrepresión en línea entre el compresor y las unidades de almacenamiento para proteger los cilindros del sobrellenado, y cada cilindro también puede estar protegido por un disco de ruptura .
Referencias
- ^ Millar IL; Mouldey PG (2008). "Aire comprimido para respirar - el potencial para el mal desde dentro" . Buceo y Medicina Hiperbárica . Sociedad de Medicina Subacuática del Pacífico Sur . 38 : 145–51. Archivado desde el original el 25 de diciembre de 2010 . Consultado el 28 de febrero de 2009 .
- ^ a b Harlow, V (2002). Compañero del hacker de oxígeno . Prensa de velocidad aérea. ISBN 0-9678873-2-1.
- ^ Dimensiones de cilindros de gas especiales Archivado el 11 de septiembre de 2008 en Wayback Machine Air Products
- ↑ Hydrogen Fueling Station Pag 4. Archivado el 26 de julio de 2007, en Wayback Machine. Enlace roto
enlaces externos
- Medios relacionados con el sistema de llenado en cascada en Wikimedia Commons