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Impianto Liquefattore

Alcuni dispositivi sperimentali hanno bisogno di essere raffreddati a basse temperature.
E’ il caso, ad esempio, dei magneti superconduttori. Anche i sensori di dispositivi diagnostici in numerose diverse applicazioni possono trarre vantaggio dall’operare a basse temperature, grazie alle quali è possibile migliorare il rapporto segnale/rumore.
Per raffreddare simili apparecchiature si utilizza tipicamente l’elio liquido, il cui punto d’ebollizione normale ha una temperatura di 4.2 K (circa –269°C). Vi sono molte diverse applicazioni dell’elio liquido tra le attività di ricerca perseguite presso il Centro ENEA di Frascati, gran parte delle quali sono svolte nell’ambito della Unità Tecnico Scientifica Fusione. Gli esperimenti con la macchina FTU (Frascati Tokamak Upgrade) richiedono elio liquido per raffreddare i magneti del sistema di riscaldamento ausiliario ECRH (Electron Cyclotron Resonance Heating), così come per solidificare piccoli proiettili di deuterio da lanciare ad alta velocità nel plasma o per mantenere fredde le diagnostiche del plasma. Anche la Sezione Superconduttività utilizza ingenti quantitativi di elio liquido per esperimenti con grandi magneti superconduttori e per prove a basse temperature di componenti critici.
L’elio liquido, tuttavia, è piuttosto costoso, sicché, se il consumo complessivo è abbastanza grande, può essere vantaggioso recuperare l’elio evaporato durante gli esperimenti. Il gas recuperato può essere nuovamente liquefatto, previa purificazione, in modo da poter riutilizzare lo stesso quantitativo di elio molte volte. Questa pratica, a fronte dell’investimento iniziale necessario per installare gli impianti necessari, può ridurre in modo significativo i costi di approvvigionamento di elio liquido.

Un impianto di recupero ed un liquefattore di elio sono operativi presso il Centro ENEA di Frascati da molti anni (il primo liquefattore di elio fu installato nel 1956). L’ultimo potenziamento del sistema è stato portato a termine nell’aprile 1999, con l’installazione di un nuovo liquefattore di elio, fornito dalla ditta inglese Linde Cryogenics Ltd., in sostituzione di un precedente impianto di fabbricazione statunitense CTI (Cryogenic Technologies Inc.), ormai obsoleto.

impianto LiquefattoreFigura 1 - La camera fredda del liquefattore di
elio Linde TCF20 (sulla destra) e il dewar di
stoccaggio dell’elio liquido (al centro)
L’attuale impianto consiste di una camera fredda TCF20 (figura 1) equipaggiata con un purificatore integrato e due espansori a turbina per il pre-raffreddamento del gas, un compressore a vite KAESER DS241 munito di un suo sistema di rimozione dell’olio (figura 2), un essiccatore in linea, un serbatoio tampone di elio puro da 7 m3, un pannello di controllo delle pressioni ed un pannello analitico, equipaggiato con un misuratore della concentrazione di impurezze ed un igrometro.

Durante il processo, l’elio liquido prodotto viene raccolto in un dewar (un particolare contenitore dotato di un opportuno isolamento termico) autopressurizzato da 1000 litri, mediante uno speciale tubo di trasferimento. L’elio liquido viene quindi trasfuso in contenitori dewar più piccoli, utilizzando un’apposita linea di travaso, per essere distribuito agli utenti.
compressore a viteFigura 2 – Il compressore a vite KAESER
DS241 (sullo sfondo) e il relativo sistema
di rimozione olio (in primo piano)
Un controllore logico programmabile (PLC) Allen-Bradley sovrintende le operazioni automatiche dall’impianto, la cui capacità produttiva nominale, con o senza preraffreddamento in azoto liquido, è rispettivamente di 60 o 30 litri di elio liquido all’ora. Allo scopo di monitorare le prestazione del liquefattore, tutti i dati rilevanti sono costantemente registrati in un computer collegato al PLC.
Durante i trasferimenti di elio liquido, sia per effettuare travasi dal dewar di stoccaggio ai fini della distribuzione che per raffreddare un esperimento, l’elio evapora. I vapori vengono convogliati, mediante una rete di tubazioni che si dirama in tutto il Centro, verso il collettore di una sacca di recupero (gasbag) posta nell’edificio del liquefattore (figura 3). Quando la sacca diviene gonfia di elio, due compressori multistadio comprimono automaticamente il gas dalla gasbag nell’impianto di stoccaggio dell’elio impuro, dotato di una capacità complessiva di circa 1700 m3NTP (equivalenti a circa 2200 litri di elio liquido). Il gas recuperato diviene così disponibile per essere purificato e liquefatto nuovamente. Naturalmente l’elio non può essere recuperato completamente, per cui si rende necessario acquistare periodicamente delle piccole quantità di elio per compensare le inevitabili perdite.

Figura 3 – Schema dell’impianto di recupero dell'elioSchema dell’impianto di recupero dell'elio


Diverse decine di migliaia di litri di elio liquido vengono distribuite ogni anno agli utenti per la loro sperimentazione, con un’efficienza di recupero complessiva di circa l’86%. La tabella 1 riassume l’attività svolta dagli impianti di recupero e di liquefazione dell’elio nel biennio 2001/02.

TABELLA 1 – Attività degli impianti di recupero e liquefazione dell’elio nel biennio 2001/02
Anno Elio liquido distribuito (litri) Elio
liquido
distribuito
nell'anno
(litri)
Elio
liquido
acquistato
nell'anno
(litri)
Totale
Elio
liquefatto

(litri)
Totale
Elio
manipolato

(litri)
Evaporazione
per
trasferimenti
alla
distribuzione
Efficienza di
recupero
FTU Super-
cond.
Altri
2001 9.300 79.918 1.866 91084 15.261 94.040 109.301 20,0% 86,0%
2002 7.829 60.290 315 68.434 11.680 70.441 82.121 20,0% 85,8%
TOT. 17.129 140.208 2.181 159.518 26.941 164.481 191.422 20,0% 85,9%