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Un sistema de llenado en cascada es un sistema de almacenamiento de cilindros de gas a alta presión que se utiliza para rellenar 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 cilindros pequeños sin compresor. Además, un sistema en cascada es útil como depósito para que un compresor de baja capacidad pueda satisfacer la demanda de llenado de varios cilindros pequeños en rápida sucesión, con períodos intermedios más largos durante los cuales se pueden recargar los cilindros de almacenamiento.
Principio de funcionamiento
Cuando se permite que un gas contenido en un cilindro a alta presión fluya hacia otro cilindro que contiene gas a menor presión, las presiones se igualarán a un valor intermedio entre las dos presiones iniciales. La presión de equilibrio se ve afectada por la velocidad de transferencia, ya que esta a su vez está influenciada por la temperatura; sin embargo, a temperatura constante, la presión de equilibrio se describe mediante la ley de Dalton de las 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 y el volumen iniciales de un cilindro.
- P2 y V2 son la presión y el volumen iniciales del otro cilindro .
- y P 3 es la presión de equilibrio.
Un ejemplo podría ser un cilindro de 100 litros (volumen interno) (V1 ) presurizado a 200 bar (P1 ) que llena un cilindro de 10 litros (volumen interno) (V2 ) que no estaba presurizado (P2 = 1 bar) (resultando en que ambos cilindros se igualan a aproximadamente 180 bar (P3 ) ). Si luego se utilizara otro cilindro de 100 litros presurizado esta vez a 250 bar para "rellenar" el cilindro de 10 litros, ambos cilindros se igualarían a unos 240 bar. Sin embargo, si se utilizara primero el cilindro de 100 litros de mayor presión, el cilindro de 10 litros se igualaría a unos 225 bar y el cilindro de 100 litros de menor presión no podría utilizarse para rellenarlo. En un sistema de almacenamiento en cascada, se utilizan 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, y luego el cilindro con la siguiente presión más baja. presión, y así sucesivamente.
En la práctica, las transferencias teóricas solo se pueden lograr si se permite que los gases alcancen el equilibrio térmico antes de la desconexión. Esto requiere un tiempo considerable, y puede aceptarse una menor eficiencia para ahorrar tiempo. La transferencia real se puede calcular utilizando la ecuación general de estado de los gases si se mide con precisión la temperatura del gas en el cilindro.
Usos
Conjuntos de respiración
Un cilindro de un equipo de respiración puede llenarse a su presión de trabajo trasvasando el oxígeno 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 sexo opuesto, para trasvasar directamente). Los cilindros de almacenamiento están disponibles en una variedad de tamaños, generalmente desde una capacidad interna de 50 litros hasta más de 100 litros. [ 3 ]
En el caso más general, se utiliza una manguera de alta presión, conocida como manguera 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 respiratorios para buceo , para economizar en el oxígeno, relativamente caro, para el nitrox , y el helio, aún más caro, en mezclas de trimix o heliox . [ 2 ]
Suministro de combustible mediante gas natural comprimido
El almacenamiento en cascada se utiliza en las estaciones de servicio de gas natural comprimido (GNC). Normalmente se utilizan tres tanques de GNC, y el vehículo se abastece primero de uno de ellos, lo que resulta en un llenado incompleto, quizás hasta 2000 psig para un tanque de 3000 psig. El segundo y tercer tanque completarán el llenado del tanque del vehículo hasta alcanzar una presión cercana a los 3000 psig. La estación suele contar con un compresor que rellena los tanques utilizando gas natural de la red de suministro. Esto evita el sobrellenado accidental del tanque, que podría ocurrir con un sistema que utilice un solo tanque de combustible a una presión superior a la presión objetivo para el vehículo.
Almacenamiento de hidrógeno
Un sistema de almacenamiento en cascada propuesto para el almacenamiento de hidrógeno , por ejemplo en estaciones de hidrógeno , utiliza bancos de almacenamiento en cascada separados para cada dispensador , con un sistema automático para cambiar al banco de mayor presión si un dispensador está sobreutilizado. [ 4 ]
Los bancos de almacenamiento constarían de tres tanques cada uno, y el llenado se realizaría según la presión de equilibrio, en orden de la menor diferencia positiva entre el tanque de almacenamiento y el tanque del vehículo, hasta que este último esté lleno. Los bancos de almacenamiento estarían equipados con un sistema de ventilación de seguridad para evitar el sobrellenado, con discos de ruptura de alta presión adicionales (8000 psi) entre los compresores y las unidades de almacenamiento, y con ventilación a la atmósfera a una distancia segura del personal y la infraestructura. [ 4 ]
Disposición del sistema
Los cilindros de almacenamiento pueden utilizarse de forma independiente y secuencial mediante una manguera de transferencia portátil con manómetro y válvula de purga manual, para trasvasar el cilindro receptor hasta alcanzar la presión de llenado adecuada, o bien, los cilindros de almacenamiento pueden conectarse a un sistema de colector y a un panel de control de llenado con una o más mangueras de llenado.
Lo ideal es que cada cilindro de almacenamiento tenga una conexión independiente al panel de llenado, con un manómetro de presión de contenido y una válvula de suministro dedicados a ese cilindro, y un manómetro de llenado conectado al tubo de llenado, de modo que el operador pueda ver de un vistazo la siguiente presión superior del cilindro de almacenamiento en comparación con la presión del cilindro receptor.
Los cilindros de almacenamiento pueden llenarse de forma remota y conectarse al colector mediante una manguera flexible durante su uso, o bien conectarse de forma permanente y rellenarse mediante un compresor a través de un sistema de llenado específico, que puede ser automatizado o controlado manualmente.
Normalmente, se instala una válvula de seguridad contra 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 del mal desde dentro". Medicina hiperbárica y de buceo . 38 (2). Sociedad de Medicina Subacuática del Pacífico Sur : 145– 51. PMID 22692708 .
- 1 2 Harlow, V (2002). Oxygen Hacker's Companion . Airspeed Press. ISBN 0-9678873-2-1.
- ↑ "Dimensiones de cilindros de gas especiales" (PDF) . www.airproducts.com . Archivado del original (PDF) el 11 de septiembre de 2008.
- 1 2 Baur, Stuart; Sheffield, John; Enke, David; Martin, Kevin; Brownfield, Mark; Amornwattana, Sunisa; Tirasirichai, Chakkaphan; Hartman, Travis; Ganson, Troy; Brower, Michael; Morton, Nicholas; Baird, Greg; Cremer, Chris; Stecher, Ryan; O'Connell, Dan; Kukic, Amir; Cox, Leroy (2004). Primer Concurso Anual de Diseño de Hidrógeno para Estudiantes Universitarios: Estación de Suministro de Hidrógeno (PDF) (Informe). Universidad de Missouri – Rolla. Archivado del original (PDF) el 26 de julio de 2007.Enlace roto
Enlaces externos
Contenido multimedia relacionado con el sistema de llenado Cascade en Wikimedia Commons.
- Gases respiratorios
- Equipos de apoyo para el buceo
- Tecnologías del gas
- Almacenamiento de hidrógeno
- Recipientes a presión