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 mediante 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 un 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 una sucesión cercana, con períodos intermedios más largos durante los cuales se pueden recargar los cilindros de almacenamiento.
Cuando se permite que un gas de un cilindro a alta presión fluya hacia otro cilindro que contiene gas a una presión más baja, 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 se verá influenciada por la temperatura, pero a una temperatura constante, la presión de equilibrio se describe mediante la ley de presiones parciales de Dalton y la ley de Boyle para gases ideales.
La fórmula para la presión de equilibrio es:
Un ejemplo podría ser un cilindro de 100 litros (volumen interno) (V 1 ) presurizado a 200 bar (P 1 ) que llena un cilindro de 10 litros (volumen interno) (V 2 ) que no estaba presurizado (P 2 = 1 bar) (lo que da como resultado que ambos cilindros se igualen a aproximadamente 180 bar (P 3 ). Si luego se usara otro cilindro de 100 litros presurizado esta vez a 250 bar 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 mayor presión, el cilindro de 10 litros se igualaría a aproximadamente 225 bar y el cilindro de 100 litros de menor presión no podría usarse para rellenarlo. En un sistema de almacenamiento en cascada, se usan varios cilindros grandes para llevar un cilindro pequeño hasta la presión deseada, utilizando siempre primero el cilindro de suministro con la presión utilizable más baja y luego el cilindro con la presión utilizable más baja. 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 un tiempo significativo y se puede aceptar una eficiencia menor para ahorrar tiempo. La transferencia real se puede calcular utilizando la ecuación de estado general del gas si se mide con precisión la temperatura del gas en el cilindro.
Un cilindro de equipo de respiración se puede llenar hasta 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 sexo opuesto, para la decantación directa). Los cilindros de almacenamiento están disponibles en una variedad de tamaños, generalmente 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 mezclar a presión parcial mezclas de gases respirables para buceo , para economizar el oxígeno relativamente caro, para el nitrox y el helio aún más caro en mezclas de trimix o heliox . [2]
El almacenamiento en cascada se utiliza en las estaciones de servicio de gas natural comprimido (GNC). Normalmente, se utilizan tres tanques de GNC y primero se carga el combustible del vehículo desde uno de ellos, lo que dará como resultado un llenado incompleto, quizás a 2000 psig para un tanque de 3000 psig. El segundo y tercer tanque acercarán el tanque del vehículo a 3000 psig. La estación normalmente tiene un compresor, que rellena los tanques de la estación, utilizando gas natural de una línea de servicios públicos. Esto evita el llenado excesivo accidental del tanque, lo que podría suceder con un sistema que utiliza un solo tanque de combustible a una presión más alta que la presión objetivo para el vehículo.
En los sistemas de almacenamiento en cascada para el almacenamiento de hidrógeno , por ejemplo en las estaciones de hidrógeno , el dispensador de combustible A extrae hidrógeno del tanque A, mientras que el dispensador B extrae combustible del tanque de hidrógeno B. Si el dispensador A se utiliza en exceso, el tanque A se agotará antes que el tanque B. En este punto, el dispensador A se cambia al tanque C. El tanque C entonces 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 cerrará las válvulas de control para cambiar a su estado anterior. [ cita requerida ] [4]
Los cilindros de almacenamiento se pueden utilizar de forma independiente en secuencia utilizando un látigo de transferencia portátil con un manómetro y una válvula de purga manual, para transbordar el cilindro receptor hasta que se haya alcanzado la presión de llenado adecuada, o los cilindros de almacenamiento se pueden conectar a un sistema colector y un panel de control de llenado con uno o más látigos de llenado.
Idealmente, cada cilindro de almacenamiento tiene una conexión independiente al panel de llenado con un manómetro de presión de contenido y una válvula de suministro dedicada a ese cilindro, y un manómetro de llenado conectado al látigo de llenado, de modo que el operador pueda ver de un vistazo la siguiente presión más alta 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 cuando están en uso, o pueden conectarse de forma permanente y rellenarse mediante un compresor a través de un sistema de llenado dedicado, que puede ser automatizado o controlado manualmente.
Generalmente se instala una válvula de seguridad de sobrepresión en línea entre el compresor y las unidades de almacenamiento para proteger los cilindros contra el llenado excesivo, y cada cilindro también puede estar protegido por un disco de ruptura .
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