A COSA SERVE UN SERBATOIO CRIOGENICO? FUNZIONAMENTO E CAMPI DI APPLICAZIONE

I serbatoi criogenici rappresentano una delle soluzioni migliori per la gestione dei gas industriali liquefatti. Che cosa sono nella pratica?

Si tratta di contenitori con caratteristiche uniche in grado di conservare sostanze a temperature ultra-basse, mantenendole allo stato liquido grazie a un sofisticato sistema di isolamento termico e controllo della pressione.

Nelle prossime righe cercheremo di comprendere meglio il funzionamento e la loro applicazione nei vari settori. Inoltre, osserveremo anche come l’endoscopia industriale può rivelarsi un’arma vincente per la manutenzione ed il controllo di un serbatoio criogenico.

Cos’è un serbatoio criogenico?

Come già accennato in apertura di questo articolo, un serbatoio criogenico è un contenitore progettato per l’immagazzinamento e il trasporto di gas in forma liquida a temperature estremamente basse, spesso inferiori a –150 °C. 

Il termine “criogenico” deriva dal greco kryos (freddo) e si riferisce alla conservazione di sostanze in condizioni termiche prossime allo zero assoluto. La liquefazione di un gas comporta una drastica riduzione del suo volume. Ad esempio, un litro di ossigeno liquido equivale a circa 860 litri della stessa sostanza allo stato gassoso. Quindi, mantenendolo liquefatto è possibile trasportare o stoccare quantitativi decisamente superiori.

 Quali fluidi vengono conservati nei serbatoi criogenici?

I serbatoi criogenici sono utilizzati per conservare una vasta gamma di fluidi industriali. Tra i principali troviamo:

• ossigeno liquido (LOX): impiegato in ambito ospedaliero per terapie respiratorie e in ambito industriale per processi di ossidazione e taglio termico;
• azoto liquido (LIN): usato nella criogenia alimentare, nel raffreddamento rapido di materiali e nella conservazione di campioni biologici;
• idrogeno liquido (LH₂): componente essenziale nei sistemi di propulsione spaziale e nelle tecnologie energetiche emergenti;
• argon liquido (LAR): utile nella saldatura a gas inerte e nei processi metallurgici;
• elio liquido: indispensabile nella risonanza magnetica nucleare (RMN) e nella ricerca scientifica avanzata.

Come funziona un serbatoio criogenico?

I serbatoi criogenici funzionano sfruttando una serie di principi fisici: l’analisi del comportamento termodinamico dei gas liquefatti, la gestione delle pressioni interne e l’eliminazione del calore in ingresso permette di garantire l’efficacia dei contenitori.

Isolamento termico

Il primo principio su cui si basa il funzionamento di un serbatoio criogenico è l’isolamento termico, necessario per impedire che il calore esterno penetri all’interno e faccia evaporare il liquido industriale. A tal fine, la maggior parte dei serbatoi impiega una configurazione a doppia parete:

• il contenitore interno è a diretto contatto con il fluido e realizzato in acciaio inox o altre leghe criogeniche, resistenti a temperature estreme e a shock termici;
• il rivestimento esterno protegge meccanicamente la struttura ed è spesso costruito in acciaio al carbonio.

Tra i due è presente un’intercapedine in vuoto spinto: eliminando l’aria e quindi le molecole, si interrompe la trasmissione del calore per conduzione e convezione. Il sistema è spesso rafforzato con materiali isolanti come la perlite, la lana di vetro, la silice aerogel o i multistrati riflettenti.

Bilancio energetico e boil-off

Come abbiamo visto nel paragrafo precedente, le accortezze per garantire il massimo isolamento termico sono numerose. Tuttavia, una minima quantità di calore può sempre attraversare le barriere provocando un fenomeno noto come boil-off: una parte del liquido criogenico evapora, generando vapore e aumentando la pressione interna.

Il boil-off rappresenta una perdita inevitabile, ma gestibile. Nei sistemi più avanzati, il gas in eccesso può essere:

• ricondensato e reimmesso nel sistema;
• utilizzato localmente per alimentare processi industriali o apparecchiature mediche;
• scaricato in sicurezza attraverso valvole di sfogo tarate su specifici limiti di pressione.

Gestire al meglio il boil-off scongiura la formazione di sovrapressioni improvvise.

Controllo della pressione

I serbatoi criogenici operano sotto pressione per mantenere il fluido allo stato liquido senza l’utilizzo di sistemi di raffreddamento attivi. Aumentando la pressione, il punto di ebollizione del gas si alza, riducendo la probabilità di vaporizzazione spontanea.

Per mantenere costanti i livelli vengono utilizzati:

• valvole di regolazione della pressione: modulano l’apertura in base alla lettura dei sensori, permettendo uno sfiato controllato;
• valvole di sicurezza (di sovrapressione): dispositivi meccanici che intervengono in caso di malfunzionamento del sistema primario;
• dischi di rottura: elementi a rottura programmata, che si attivano in situazioni estreme per evitare esplosioni.

In serbatoi con gas particolarmente volatili, come l’idrogeno o l’elio, vengono impiegati anche sistemi di reazione passiva per la gestione dell’eventuale rilascio accidentale.

Quali sono i componenti principali di un serbatoio criogenico?

Un serbatoio criogenico è una macchina termodinamica complessa. Ogni componente svolge una funzione fondamentale per la conservazione dei fluidi e per regolare gli scambi termici e di pressione che abbiamo avuto modo di osservare nelle righe precedenti. Analizziamo quindi, uno ad uno i diversi componenti che contraddistinguono i serbatoi criogenici.

Vaso interno (inner vessel)

Il vaso interno è la camera di contenimento del liquido criogenico, progettata per resistere a temperature ultra-basse e a sollecitazioni meccaniche dovute alla pressione interna. È generalmente realizzato in:

• acciaio inox austenitico (tipo 304 o 316L): resistente alla frattura fragile e alla corrosione;
• leghe di alluminio o, in casi speciali, leghe di nichel per gas come l’elio.

Il recipiente interno deve essere saldato con tecniche specialistiche (come la saldatura TIG), per garantire tenuta stagna assoluta e durabilità nel tempo. Eventuali deformazioni o microfessure possono causare perdite pericolose o variazioni di pressione.

 Vaso esterno (outer vessel)

Il guscio esterno svolge una duplice funzione:

• protezione meccanica del contenitore interno;
• supporto dell’isolamento termico.

Il rivestimento esterno viene realizzato in acciaio al carbonio verniciato, talvolta zincato. L’obiettivo è garantire la giusta resistenza agli agenti atmosferici, ai carichi meccanici e, in alcuni casi, a sollecitazioni sismiche.

Sistema di isolamento

L’intercapedine tra vaso interno ed esterno contiene il sistema isolante, il vero cuore del mantenimento criogenico. Questo sistema è composto da:

• vuoto spinto: ottenuto tramite pompe ad alta capacità, riduce drasticamente conduzione e convezione;
• materiali isolanti solidi: perlite, aerogel, lana di vetro o materiali multistrato riflettenti;
• barriere di radiazione infrarossa: per contenere l’irraggiamento termico.

Valvole e dispositivi di regolazione

Il controllo della pressione e il rilascio sicuro del gas evaporato richiedono un set completo di valvole industriali. Tali dispositivi sono costruiti anch’essi in acciaio inox, teflon o altri materiali non degradabili alle basse temperature. I principali sono:

• valvola di sicurezza (relief valve): scarica il gas in eccesso quando la pressione supera il valore limite;
• valvola di sfogo (vent valve): consente lo sfiato manuale controllato;
• valvola di blocco (shut-off valve): isola il serbatoio durante operazioni di manutenzione;
• valvola di prelievo liquido/gas: permette il travaso del contenuto in forma liquida o gassosa;
• valvola di riempimento: regolata per accettare il fluido criogenico in ingresso.

 Strumentazione di controllo

Il monitoraggio continuo dei parametri interni è affidato a una serie di sensori elettronici e analogici:

• indicatori di livello. Solitamente un galleggiante magnetico, radar o differenziale di pressione;
• sensori di temperatura multipunto. Utili per individuare variazioni termiche locali;
• manometri criogenici a quadrante o digitali, con scala tarata per pressioni basse e medie;
• sensori di flusso e di evaporazione per il controllo del boil-off.

Tubi e raccordi

I tubi e i raccordi dei serbatoi criogenici sono progettati per resistere a shock termici e ridurre le dispersioni. Comprendono:

• tubi flessibili isolati (vacuum-jacketed hoses) per il travaso del liquido;
• raccordi rapidi a tenuta criogenica, spesso a doppia guarnizione;
• raccordi filettati e saldati a norma EN/ASME.

Basamento

Il serbatoio criogenico è installato su un basamento progettato per assorbire vibrazioni, carichi statici e dilatazioni termiche. Nei modelli fissi, può essere in:

• cemento armato, con vasca di contenimento liquido in caso di perdita;
• struttura metallica su pattini, nei sistemi trasportabili.

Dove vengono utilizzati i serbatoi criogenici?

La caratteristica di spicco dei serbatoi criogenici è la versatilità, qualità che permette la loro applicazione in numerosi settori, dall’aerospazio fino al campo medico. Vediamo in che modo vengono utilizzati nei diversi contesti operativi.

Settore sanitario

Nel campo medico, l’uso di gas come l’ossigeno liquido (LOX) è imprescindibile per moltissime terapie. I serbatoi criogenici vengono utilizzati per:

• ossigenoterapia: nelle strutture ospedaliere i serbatoi alimentano i sistemi di erogazione di ossigeno puro ai pazienti. La forma liquida consente di immagazzinare volumi considerevoli in spazi ridotti;
• centrali dei gas medicali: i serbatoi sono collegati a reti canalizzate che riforniscono reparti, sale operatorie e unità di terapia intensiva.
• conservazione biologica: azoto liquido e elio sono impiegati per la crioconservazione di cellule staminali, tessuti, plasma e campioni genetici;
• farmaceutica: nella produzione di farmaci biotech e vaccini, il controllo criogenico è utilizzato per processi di liofilizzazione, inattivazione enzimatica e stabilizzazione molecolare.

Settore manifatturiero

Nel comparto industriale, i serbatoi criogenici sono alla base di processi produttivi che richiedono il controllo preciso della temperatura o l’impiego di gas tecnici. Alcuni esempi includono:

• saldatura in atmosfera controllata (TIG/MIG): l’argon liquido è utilizzato per proteggere il bagno di fusione dall’ossidazione, migliorando la qualità del giunto saldato;
• trattamenti termici criogenici: l’azoto liquido viene impiegato per raffreddare metalli, migliorandone durezza e resistenza alla fatica;
• taglio laser e al plasma: i gas criogenici aumentano l’efficienza dei sistemi di taglio ad alta precisione su acciai, alluminio e leghe speciali;
• produzione elettronica: nella fabbricazione di semiconduttori e circuiti integrati, si utilizzano gas ultrapuri conservati in serbatoi criogenici per la deposizione di strati sottili (CVD, PVD).

Settore aerospaziale

I carburanti come l’idrogeno liquido e l’ossigeno liquido sono indispensabili per la propulsione di razzi e veicoli spaziali. I serbatoi vengono progettati con requisiti estremi:

• bassa massa a vuoto per ottimizzare il rapporto spinta/peso;
• elevata tenuta meccanica per resistere a pressioni interne variabili e vibrazioni strutturali;
• gestione del boil-off durante il conto alla rovescia e le fasi di lancio.

Inoltre, nelle missioni di lunga durata, i serbatoi sono parte di sistemi di supporto vitale, per la conservazione dell’ossigeno respirabile o dell’azoto pressurizzato.

Industria alimentare e agroalimentare

Nel settore food & beverage, l’azoto liquido e la CO₂ criogenica sono impiegati per:

• surgelazione rapida (IQF): mantiene la struttura cellulare degli alimenti e ne migliora la conservabilità;
• inertizzazione di oli e liquidi sensibili all’ossidazione, come il vino e l’olio d’oliva;
• trasporto refrigerato: i serbatoi su mezzi mobili alimentano celle frigo criogeniche per il trasporto di carne, pesce e farmaci deperibili.

La manutenzione dei serbatoi attraverso gli endoscopi industriali

Il serbatoio criogenico è un dispositivo di vitale importanza per lo svolgimento di numerose funzioni in moltissimi campi di applicazione. Tutto ciò è possibile anche grazie alla sua complessità ingegneristica. Per assicurare nel tempo il suo corretto funzionamento non si può fare a meno di controlli periodici per verificare lo stato di usura dei singoli componenti.

Gli endoscopi industriali facilitano le operazioni di manutenzione, in quanto permettono di ispezionare le singole parti di un serbatoio criogenico senza smontaggio. Nello specifico sono utili per effettuare:

• verifica dell’isolamento interno: attraverso l’endoscopio è possibile analizzare lo stato di usura del materiale isolante che compone la superficie interna del serbatoio;
• ispezione delle saldature interne del serbatoio: grazie all’alta qualità delle immagini dei videoscopi si possono osservare eventuali imperfezioni nei giunti ed eventuali cambi di colore dovuti all’ossidazione dei materiali;
• ispezione di pompe GNL cariche di liquido; esistono telecamere criogeniche che possono essere immerse direttamente nei fluidi. Tramite la sonda endoscopica si verifica la presenza di eventuali detriti (bulloni, ghiaccio intorno alle valvole di sicurezza), che potranno essere rimossi meccanicamente senza ricorrere allo svuotamento del serbatoio;
• ispezioni tomografiche combinate con l’endoscopia: la tomografia rileva anomalie di temperature nei serbatoi criogenici. Dopodiché con il videoscopio si analizzano le cause della variazione termica (ad esempio un cedimento del materiale isolante o una penetrazione di umidità).

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