Study of heat losses in cryogenic high-pressure nitrogen tanks

Liquid nitrogen (LN2) is widely employed across various industries, encompassing food, pharmaceuticals, and electronics. Despite the expanding global market for liquid nitro gen, production and distribution costs present significant challenges. Cryogenic tanks are specifically engineered to sustain the liquid at low temperatures but encounter issues related to heat and autopressurization. These challenges are particularly pronounced in high-pressure tanks, which, for safety reasons, are typically filled to only 50-60% capacity, leaving empty space to accommodate evaporation and volume fluctuations. Such design decisions lead to economic disadvantages, including additional logistics costs due to in creased refilling trips. The study aims to comprehend the primary factors influencing heat conduction in cryo genic tanks. By developing a simplified mathematical model to elucidate the physical phenomena of evaporation and autopressurization, it becomes feasible to predict the rate of evaporation and pressure fluctuations over time, contingent upon storage conditions and tank design. By identifying the parameters with the greatest impact on the evaporation phenomenon, an optimal configuration satisfying the need to increase filling percentage while adhering to pressure rise limits was determined. Consequently, calculations were performed to as sess the savings in cryogenic product, reduced delivery costs, and lower CO2 emissions associated with the optimal configuration compared to the standard configuration used currently.

L’azoto liquido (LN2) è ampiamente utilizzato in diversi settori industriali, tra cui quello alimentare, farmaceutico e elettronico. Mentre il mercato globale dell’azoto liquido è in es pansione, i costi di produzione e distribuzione rappresentano sfide significative. I serbatoi criogenici sono appositamente progettati per mantenere il liquido a basse temperature, ma incontrano problemi legati al calore e all’autopressurizzazione. Queste sfide sono partico larmente pronunciate nei serbatoi ad alta pressione, che, per motivi di sicurezza, vengono di solito riempiti solo al 50-60% della capacità, lasciando spazio vuoto per accomodare l’evaporazione e le variazioni di volume. Tali decisioni progettuali comportano svantaggi economici, tra cui consistenti costi aggiuntivi di logistica dovuti ai maggiori viaggi di ri fornimento. Questo studio mira a comprendere i principali fattori che influenzano la conduzione del calore nei serbatoi criogenici. Sviluppando un modello matematico semplificato che de scrive i fenomeni fisici di evaporazione e autopressurizzazione, diventa possibile prevedere il tasso di evaporazione e le fluttuazioni di pressione nel tempo, a seconda delle condizioni di stoccaggio e di design del serbatoio. Identificando i parametri di maggior impatto sul fenomeno di evaporazione, è stata de terminata una configurazione ottimale che soddisfa la necessità di incrementare la per centuale di riempimento rispettando i limiti di aumento di pressione. Di conseguenza, sono stati eseguiti calcoli per valutare i risparmi di prodotto criogenico, i costi ridotti di consegna e le minori emissioni di CO2, associate alla configurazione ottimale rispetto alla configurazione standard attualmente in uso.