Vaporizador de GNL de última generación
Consorcio: IKM Flux, Jiskoot Solutions, Valland, Intertec, ToffeeX, EOS Additive Minds | Caso práctico
Cómo el diseño generativo y FA metálica FA una reducción superior al 50 % en la variabilidad de las mediciones.
Para superar estas limitaciones, un consorcio intersectorial formado por IKM Flux, Intertec, Jiskoot Solutions, ToffeeX, Valland y EOS desarrolló un vaporizador de GNL de última generación.
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IKM Flux: Osupervisó el diseño y las pruebas del sistema de muestreo
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Intertec: Provided y certificado el calentador integrado
- Jiskoot Soluciones: Desarrollo de conceptos y liderazgo en diseño
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ToffeeX: Dentregó el software de diseño generativo.
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Valland: Fabricó el componente utilizando un EOS M 290 con aluminio AlSi10Mg de .
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EOS: Proporcionó la FA y FA diseño para FA , lo que permitió que el diseño generativo basado en la física se convirtiera en un componente certificado y listo para su uso en el campo.
El resultado es un componente monolítico de aluminio fabricado mediante impresión 3D que integra canales de flujo en espiral optimizados, estructuras de turbulencia controladas y cavidades de aislamiento al vacío. Durante su implementación en la terminal de GNL de Equinor en Hammerfest en marzo de 2025, el nuevo vaporizador redujo la variabilidad de las mediciones de GHV en más de un 50 %, lo que demuestra el impacto en el rendimiento de los sistemas termofluidos diseñados digitalmente y fabricados con FA metálica.
Desafío
La vaporización del GNL es un proceso termodinámicamente sensible. El GNL entra en el vaporizador a aproximadamente -160 °C y debe vaporizarse y sobrecalentarse por completo para garantizar un muestreo representativo. Los diseños tradicionales de vaporizadores, basados normalmente en conceptos de calentadores coaxiales y componentes mecanizados de forma convencional, ofrecen un control limitado sobre la distribución del flujo de calor, los gradientes de temperatura y el comportamiento de las fases a lo largo de la trayectoria del flujo.
Como resultado, puede producirse una vaporización desigual, lo que da lugar a una calidad inestable y distorsiona las mediciones del GHV y el índice de Wobbe. La caída de presión introduce una complejidad adicional: una pérdida de presión insuficiente reduce la turbulencia y la eficiencia de la transferencia de calor, mientras que una caída de presión excesiva afecta negativamente al acondicionamiento del flujo. Las pérdidas de calor ambientales, especialmente en instalaciones árticas o marítimas, desestabilizan aún más el rendimiento del vaporizador.
La fabricación convencional limita la geometría de los canales, la integración del aislamiento y la densidad de las características funcionales. Por lo tanto, para lograr un muestreo de GNL consistente y de alta precisión, era necesario rediseñar un vaporizador capaz de optimizar la transferencia de calor, la estabilidad de la presión, la homogeneidad del flujo y la contención térmica dentro de un sistema compacto y listo para su uso en el campo, sin dejar de ser totalmente fabricable y compatible con las actualizaciones.
Solución
Vaporizador de GNL de diseño generativo y FAmetálico
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Diseño generativo basado en la física
El consorcio definió varios objetivos de rendimiento vinculados entre sí: maximizar la transferencia de calor cerca de la interfaz del calentador, garantizar una vaporización temprana y completa, mantener los límites de caída de presión definidos, minimizar la pérdida de calor ambiental y garantizar la fabricabilidad mediante FA metálica.
Utilizando la plataforma de diseño generativo ToffeeX, estos objetivos se resolvieron mediante simulaciones multifísicas que abarcaban la convección, la conducción, la distribución del campo de presión y FA .
La geometría de flujo interno de doble espiral resultante aumenta el tiempo de residencia del GNL en las regiones calentadas, al tiempo que induce una turbulencia controlada esencial para una transición de fase uniforme. Las características de acondicionamiento y mezcla del flujo surgieron directamente del proceso de optimización basado en la física, en lugar de ser introducidas manualmente por los ingenieros. Este enfoque minimizó las regiones estancadas y los fenómenos de flujo incontrolado, lo que dio como resultado una calidad de vapor estable en todo el rango de funcionamiento. -
Aislamiento integrado y diseño FA
Una característica definitoria del nuevo diseño es la integración de cavidades de aislamiento al vacío directamente en la estructura portante del vaporizador. Esto reduce significativamente la pérdida de calor al entorno, algo fundamental para un muestreo estable de GNL en condiciones ambientales adversas, y solo es factible mediante la fabricación aditiva.
El componente se desarrolló de acuerdo con estrictas normas. Diseño para la fabricación aditiva (DfAM). EOS Additive Minds apoyó la creación de una arquitectura interna totalmente autoportante que no requiere estructuras de soporte internas durante FA metálica. Esto garantiza una eliminación fiable del polvo, reduce el uso de material y mejora la solidez operativa a largo plazo.
La geometría optimizada topológicamente se reconstruyó utilizando Rhino/Grasshopper, mientras que las regiones internas de celosía se generaron mediante modelado implícito en nTop y se procesaron de forma nativa dentro del flujo de trabajo de construcción de EOS. -
Fabricación en sistemas EOS
El vaporizador se fabricó en AlSi10Mg utilizando la tecnología EOS de fusión por láser de lecho de polvo metálico. Mientras que las primeras versiones de desarrollo se llevaron a cabo en un EOS M 290, los componentes finales se fabricaron en un EOS M 400-4. Un conjunto de parámetros de espesor de capa de 40 µm, combinado con una estrategia de salto de capa, permitió obtener una alta calidad de superficie y acelerar el tiempo de construcción mediante la impresión de las regiones centrales con una altura de capa efectiva de 80 µm.
A pesar de la altura del componente, de 279 mm, y de su compleja geometría interna, los parámetros de proceso optimizados garantizaron una excelente precisión dimensional, una calidad de impresión estable y un rendimiento térmico fiable. Los puertos de evacuación de polvo se integraron directamente en el diseño, lo que permitió la eliminación completa del polvo residual de los canales de flujo en espiral y las cavidades de aislamiento.
El vaporizador final es un componente único y monolítico de aluminio, sin soldaduras, sin juntas y sin soportes internos, probado a 150 bar(g) para cumplir con los estrictos requisitos de clasificación ATEX y listo para un funcionamiento industrial exigente.
Vaporizador de GNL fabricado mediante impresión 3D
En AlSi10Mg, se muestra una sección que revela los canales de flujo de doble espiral diseñados generativamente y las cavidades de aislamiento al vacío integradas.
Resultados
Durante las pruebas de campo realizadas en marzo de 2025 en la terminal de GNL de Equinor en Hammerfest, se evaluó el vaporizador fabricado mediante aditivos en comparación con una unidad antigua en condiciones de funcionamiento idénticas.
A caudales de hasta 1400 SL/h, la desviación estándar de las mediciones del poder calorífico bruto (GHV) se redujo en más del 50 %, lo que indica una mejora significativa de la estabilidad de la vaporización y la repetibilidad del muestreo. El calentador cerámico integrado de 500 W aumentó de forma fiable la temperatura del GNL de -160 °C a aproximadamente +60 °C, mientras que la geometría espiral optimizada garantizó una vaporización temprana y completa. Los operadores informaron de la casi eliminación de la deriva de las mediciones y de un comportamiento del índice de Wobbe notablemente más predecible en ciclos de muestreo prolongados. El vaporizador se integró perfectamente en la infraestructura de medición existente, lo que confirmó su idoneidad como solución de modernización inmediata.
Estos resultados demuestran que la fabricación aditiva metálica y el diseño generativo basado en la física pueden ofrecer mejoras de rendimiento que antes eran inalcanzables con las tecnologías de vaporización convencionales.
Resultados e impacto en el sector
El vaporizador de última generación establece un nuevo referente en cuanto a precisión y fiabilidad en la transferencia de custodia de GNL. Su diseño compacto y modular permite configuraciones tanto con sonda montada como independientes, lo que lo hace compatible con nuevas instalaciones y con actualizaciones de sistemas existentes.
Al integrar la gestión térmica, el comportamiento estructural, el rendimiento de mezcla y el aislamiento en una única geometría diseñada digitalmente, la solución ofrece:
- Mayor precisión en la medición para la transferencia de custodia de GNL.
- mayor cumplimiento normativo
- Mayor confianza en la determinación del contenido energético.
- variabilidad operativa reducida
- Fiabilidad a largo plazo gracias al FA monolítico FA .
El éxito de la implementación sobre el terreno confirma que la fabricación aditiva metálica está lista para aplicaciones reguladas y críticas para la seguridad en los sectores del GNL y la energía, lo que abre nuevas posibilidades de diseño y mejoras cuantificables en el rendimiento de los componentes térmicos y de control de flujo de próxima generación. El proyecto demuestra cómo EOS permite la transición de la ingeniería basada en la simulación al hardware industrial totalmente certificado en el sector energético mundial.
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Departamento de consultoría técnica, que combina la experiencia en impresión 3D de diversos sectores. Nuestro equipo de Additive Minds colabora con sus ingenieros para optimizar y ampliar los procesos de impresión 3D industrial.
