Pieza de separación intermedia para bomba alternativa criogénica.

Un conjunto de bomba alternativa (100) para bombear un fluido criogénico,

comprendiendo el conjunto:

un extremo caliente (102) teniendo un cigüeñal (108) y una cabeza de biela (110);

al menos un extremo frío (104), teniendo cada extremo frío un pistón (116), una cámara de bombeo (132), una lumbrera de succión (114), una lumbrera de ventilación (120) y una lumbrera de descarga(118); y

al menos un acoplamiento (122), conectando cada acoplamiento el extremo caliente a uno de los al menos un extremo frío; y al menos una pieza de separación intermedia (106), estando conectadas cada una de las al menos una pieza de separación intermedia al extremo caliente y a uno de los al menos un extremo frío, superponiéndose a una porción de uno de los al menos un extremo frío; caracterizado por que el conjunto de bomba alternativa comprende además al menos 1 elemento de calentamiento (186, 187) contenido al menos parcialmente en cada una de la al menos una pieza de separación intermedia, estando operativamente dispuesto el al menos un elemento de calentamiento para permitir la circulación de un fluido a través del al menos un elemento de calentamiento.

Pieza de separación intermedia para bomba alternativa criogénica ANTECEDENTES Las bombas alternativas de desplazamiento positivo diseñadas para líquidos criogénicos, o bombas alternativas criogénicas, se usan comúnmente en equipos portátiles para servicios petrolíferos de campo y aplicaciones industriales en las que se suministra nitrógeno como líquido criogénico, bombeado a una presión más alta, vaporizado y a continuación es inyectado en un pozo, tubería, cisterna o se suministra de otra manera para su uso final. Muchos de los diseños de fabricación comerciales comprenden un extremo caliente, múltiples extremos fríos en paralelo, y piezas de separación intermedias que conectan cada uno de los extremos fríos al extremo caliente.

El extremo caliente comprende además un alojamiento, un cigüeñal, bielas y cabezas de bielas que convierten el movimiento rotatorio en movimiento lineal para los extremos fríos. El extremo frío es el cuerpo de bomba que comprende un émbolo o pistón, un cilindro, una cabeza de cilindro, una válvula de succión y una válvula de descarga. Las piezas de separación intermedias aíslan térmicamente el extremo caliente de los extremos fríos a la vez que alinean el pistón del extremo frío con las cabezas de biela de extremo caliente.

Los diseños de extremo frío comerciales comunes tienen segmentos de estanqueidad de pistón que están dispuestos más allá de la longitud de la carrera o recorrido del pistón desde el cilindro de extremo frío. Los segmentos de estanqueidad de pistón impiden que el nitrógeno criogénico a baja presión escape a la atmósfera y potencialmente pulverice nitrógeno criogénico sobre los segmentos para aceite del extremo caliente y de la cabeza de biela que no pueden tolerar temperaturas criogénicas.

El pistón del extremo frío opera por debajo del punto de congelación del agua, por tanto, se puede formar hielo en la porción del pistón del extremo frío que está expuesta al aire ambiente dentro de la pieza de separación intermedia. Un rascador metálico, también llamado limpiador, puede estar dispuesto adyacente a los segmentos de estanqueidad de pistón en oposición al cilindro de extremo frío para limpiar contaminantes, principalmente hielo, del pistón. El limpiador está destinado a proteger los segmentos de estanqueidad de pistón contra el daño físico producido por la acumulación de hielo y otros contaminantes. El limpiador ha sido probado y ha demostrado ser efectivo cuando la bomba alternativa criogénica es operada a una velocidad situada en la porción superior de su entorno de desarrollo, pero el limpiador ha demostrado no ser efectivo cuando la bomba alternativa criogénica opera a bajas velocidades.

Los segmentos de estanqueidad de pistón están hechos frecuentemente de materiales plásticos, mezclas comunes de politetrafluoroetileno (PTFE) y modificadores estructurales tales como fibra de vidrio o de carbono. Estos materiales son adecuados para el servicio a temperaturas criogénicas, pero tienen una velocidad de contracción térmica mucho mayor que la del pistón del extremo frío que está rodeado por los segmentos de estanqueidad de pistón. La diferencia de la contracción térmica aumenta el esfuerzo en los segmentos de estanqueidad de pistón a bajas temperaturas lo que da lugar a un aumento de la deformación del flujo frío.

El diseño de muchas bombas alternativas criogénicas comerciales conlleva un compromiso adecuado para muchas aplicaciones, particularmente cuando la bomba es operada durante períodos sustancialmente inferiores a diez horas antes de que se la deje descongelar, o cuando la bomba gira dentro de la mitad superior de su intervalo de velocidad de diseño. Su diseño, no obstante, da lugar a problemas comunes cuando la bomba es operada a velocidades inferiores durante un período de tiempo extendido. En operación continua, la formación de hielo en los extremos fríos y en las piezas de separación intermedias continúa aumentando a lo largo de un período de tiempo. La acumulación de hielo aísla las porciones del extremo frío y la pieza de separación intermedia que rodea los segmentos de estanqueidad de pistón, y la temperatura de los segmentos de estanqueidad de pistón continúa disminuyendo a lo largo de horas después del comienzo de la operación continua. Una duración extendida a temperaturas frías contribuye a la deformación de los segmentos de estanqueidad de pistón que impide que sean estancos cuando vuelven a ser calentados de nuevo. Además, los limpiadores comunes han demostrado ser una medida efectiva para limpiar toda la condensación y el hielo que resulta de la exposición al vapor de agua ambiente del pistón cuando éste opera a velocidad suficiente, pero los limpiadores, incluso en buenas condiciones o estado, son con frecuencia incapaces de desprender la escarcha dura que se forma en el pistón con la bomba operando a baja velocidad.

Diseños anteriores de extremos fríos han incluido medios para mantener los segmentos de estanqueidad de pistón sustancialmente más calientes que el fluido bombeado. Dichas características de varios diseños incluyen dimensiones alargadas para reducir el calor conducido por la empaquetadura del pistón, aletas que rodean la empaquetadura del pistón para aumentar la transferencia de calor desde el aire ambiente a la empaquetadura del pistón, secciones aislantes para aislar térmicamente la empaquetadura del pistón de la temperatura fría dentro de la cámara de bombeo, y una camisa de fluido para calentar segmentos de estanqueidad de pistón enteriza con el alojamiento que rodea los segmentos de estanqueidad de pistón. El inconveniente de estas medidas es que aumentan en general las dimensiones de la bomba alternativa criogénica, lo que no es deseable a la hora de

montarla en un camión o remolque, y da lugar a que la sustitución de los extremos fríos sea más difícil.

Por ejemplo, la patente de los EE.UU. US 4.396.354 describe una bomba criogénica del tipo alternativo según el preámbulo de la reivindicación 1 que comprende tres subsecciones principales, siendo éstas un cuerpo de bomba tubular, un conjunto de empaquetadura y el cuerpo de bomba que sella el extremo caliente de la bomba, y una sección intermedia que interconecta el conjunto de empaquetadura y el cuerpo de bomba. El cuerpo de bomba tiene en general una construcción tubular que comprende una cámara de bombeo en la que está dispuesto un pistón que realiza movimiento alternativo bajo el control de una biela de pistón. La biela de pistón se extiende hacia fuera de la cámara de bombeo, sobresaliendo axialmente a través de la sección intermedia y del conjunto de empaquetadura donde está adaptada para estar conectada a cualquier mecanismo convencional tal como un cigüeñal para producir el movimiento alternativo de los elementos de bombeo. La cámara de bombeo es estanca en el extremo trasero del cuerpo de la bomba tubular mediante sellado de la biela del pistón con un anillo de estanqueidad, de preferencia de teflón relleno de carbono. El anillo de estanqueidad es mantenido en su lugar mediante un anillo de retención, en el que está ajustado un elemento separador de teflón. La sección intermedia comprende la combinación del elemento separador y un manguito tubular de acero inoxidable y pared delgada que rodea al elemento separador. El manguito tubular está soldado a un extremo del cuerpo de bomba tubular y su otro extremo a una pestaña, a la que está fijado también el conjunto de estanqueidad. El conjunto de estanqueidad, que sella el extremo caliente de la bomba criogénica, comprende un conjunto de anillos de sellado que con frecuencia están hechos de teflón relleno de carbono, y está rodeado de aletas de transferencia de calor. El cuerpo de bomba y la sección intermedia están rodeados por medios de aislamiento anulares, que pueden, por ejemplo, comprender un espacio de aislamiento relleno de materiales de baja conductividad tal como perlita.

Algunas características de los diseños tradicionales de la bomba alternativa criogénica hacen hincapié en reducir el calor transferido al fluido criogénico cuando éste es bombeado para reducir el vapor que debe retornar a un depósito de almacenamiento criogénico. El vapor retornado al depósito aumenta la temperatura del fluido criogénico almacenado, reduciendo la cabeza de succión positiva neta disponible para la bomba alternativa criogénica. El vapor de retorno puede también ser ventilado directamente a la atmósfera debido a la presión de operación del depósito de almacenamiento criogénico. Estas características restringen el calor transferido desde el extremo caliente al extremo frío, y algunas veces reducen la transferencia de calor directamente desde el aire ambiente a través del... [Seguir leyendo]

1. Un conjunto de bomba alternativa (100) para bombear un fluido criogénico, comprendiendo el conjunto:

un extremo caliente (102) teniendo un cigüeñal (108) y una cabeza de biela (110) ; al menos un extremo frío (104) , teniendo cada extremo frío un pistón (116) , una cámara de bombeo (132) , una lumbrera de succión (114) , una lumbrera de ventilación (120) y una lumbrera de descarga (118) ; y al menos un acoplamiento (122) , conectando cada acoplamiento el extremo caliente a uno de los al menos un extremo frío; y al menos una pieza de separación intermedia (106) , estando conectadas cada una de las al menos una pieza de separación intermedia al extremo caliente y a uno de los al menos un extremo frío, superponiéndose a una porción de uno de los al menos un extremo frío; caracterizado por que el conjunto de bomba alternativa comprende además al menos 1 elemento de calentamiento (186, 187) contenido al menos parcialmente en cada una de la al menos una pieza de separación intermedia, estando operativamente dispuesto el al menos un elemento de calentamiento para permitir la circulación de un fluido a través del al menos un elemento de calentamiento.

2. El conjunto de bomba alternativa de la reivindicación 1, en donde cada uno de los al menos un extremo frío

(104) comprende además al menos un segmento de estanqueidad de pistón (146) , y en donde cada uno de los al menos un elemento de calentamiento (186, 187) está dispuesto en una primera posición longitudinal que al menos parcialmente está superpuesto a una segunda posición longitudinal del al menos un segmento de estanqueidad de pistón, estando situadas la primera y la segunda posiciones longitudinales a lo largo de un eje longitudinal (105) del al menos un extremo frío.

3. El conjunto de bomba alternativa de la reivindicación 2, en donde el al menos un elemento de calentamiento comprende un primer elemento de calentamiento (186) y un segundo elemento de calentamiento (187) y en donde al menos una porción del al menos un segmento de estanqueidad de pistón (146) está dispuesta entre el primer elemento de calentamiento y el segundo elemento de calentamiento.

4. El conjunto de bomba alternativa de cualquier reivindicación precedente, en donde cada una de la al menos una pieza de separación intermedia (106) comprende además al menos una ventana (166) formada en ella para permitir el acceso a uno de los al menos un acoplamiento (122) desde el exterior de la al menos una pieza de separación intermedia y una cubierta (236, 238) para cada una de la al menos una ventana.

5. El conjunto de bomba alternativa de cualquier reivindicación precedente, comprendiendo además un motor de combustión interna (204) que tiene un sistema de refrigeración, en donde el fluido es un refrigerante que es hecho circular a través del sistema de refrigeración del motor de combustión interna.

6. El conjunto de bomba alternativa de la reivindicación 5, en donde el motor de combustión interna (204) está operativamente dispuesto para activar el cigüeñal (108) .

7. El conjunto de bomba alternativa de cualquier reivindicación precedente, comprendiendo además una lumbrera de purga (234) dispuesta en cada una de la al menos una pieza de separación intermedia (106) , estando conectada la lumbrera de purga a un suministro de un fluido criogénico (226) , en donde cada una de la al menos una pieza de separación intermedia define un volumen interior y la lumbrera de purga está operativamente dispuesta para inyectar el fluido criogénico en el volumen interior.

8. El conjunto de bomba alternativa de la reivindicación 5 ó la 6, comprendiendo además:

una lumbrera de purga (234) dispuesta en cada una de la al menos una pieza de separación intermedia (106) , estando la lumbrera de purga en comunicación fluida con un suministro de un fluido criogénico (226) ; y un intercambiador de calor (230) operativamente dispuesto para calentar el fluido criogénico contra el refrigerante; en donde cada una de la al menos una pieza de separación intermedia define un volumen interior y la lumbrera de purga está operativamente dispuesta para inyectar el fluido criogénico en el volumen interior.

9. Un método comprendiendo:

(a) bombear un primer fluido criogénico usando un conjunto de bomba alternativa (100) comprendiendo: un extremo caliente (102) teniendo un cigüeñal (108) y una cabeza de biela (110) ; al menos un extremo frío (104) , teniendo cada extremo frío un pistón (116) , una cámara de bombeo (132) , una lumbrera de succión (114) , una lumbrera de ventilación (120) y una lumbrera de descarga (118) ; al menos un acoplamiento (122) , conectando cada acoplamiento el extremo caliente a uno de los al menos un extremo frío; y al menos una pieza de separación intermedia (106) , estando cada una de las al menos una pieza de separación intermedia conectada al extremo caliente y a uno de los al menos un extremo frío y superponiéndose a una porción de uno de los al menos un extremo frío; y 13

(b) durante al menos una porción de la realización del paso (a) , hacer que circule un fluido a través del al menos un elemento de calentamiento (186, 187) dispuesto en cada una de las al menos una pieza de separación intermedia (106) .

10. El método de la reivindicación 9, en donde el paso (b) comprende hacer que circule un fluido, teniendo una temperatura por encima de la temperatura ambiente, a través del al menos un elemento de calentamiento (186, 187) dispuesto en cada una de las al menos una pieza de separación intermedia (106) .

11. El método de la reivindicación 9 ó la 10, comprendiendo además:10

(c) cubrir cualquier ventana (166) dispuesta en cada una de la al menos una pieza de separación intermedia (106) mientras se está realizando el paso (a) .

12. El método de cualquiera de las reivindicaciones 9 a la 11, comprendiendo además:15

(d) hacer que circule el fluido a través de un sistema de refrigeración de un motor de combustión interna (204) .

13. El método de la reivindicación 12, comprendiendo además: 20

(e) activar el cigüeñal (108) con el motor de combustión interna (204) .

14. El método de cualquiera de las reivindicaciones 9 a la 13, comprendiendo además:

(f) purgar un volumen interno definido por cada una de las al menos una pieza de separación intermedia (106) usando un segundo fluido criogénico.

15. El método de la reivindicación 12 ó la 13, comprendiendo además:

(f) purgar un volumen interno definido por cada una de las al menos una pieza de separación intermedia (106) usando un segundo fluido criogénico.

(g) calentar el segundo fluido criogénico contra el refrigerante antes de usar el segundo fluido criogénico del paso (f) .