ES2256904T3 - Aparato para producir finas particulas de nieve de un flujo de dioxido de carbono liquido. - Google Patents
Aparato para producir finas particulas de nieve de un flujo de dioxido de carbono liquido.Info
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Abstract
LA INVENCION SE REFIERE A UN SISTEMA PARA PRODUCIR UNA CORRIENTE DE PARTICULAS DE NIEVE FINAS, EL CUAL INCLUYE UN CONDUCTO PARA PROPORCIONAR UNA CORRIENTE PRESURIZADA DE UN LIQUIDO CRIOGENICO Y UNA TOBERA ACOPLADA A DICHO CONDUCTO, QUE TIENE UNA VIA DE ENTRADA Y UNA VIA DE SALIDA EN COMUNICACION CON EL CONDUCTO. EXISTE UN ELEMENTO DE EXPANSION SITUADO EN EL INTERIOR DE LA TOBERA Y CUBRIENDO LA VIA DE ENTRADA. EL ELEMENTO DE EXPANSION PROPORCIONA MULTIPLES CANALES FINOS PARA EL PASO DE FLUIDO CRIOGENICO HACIA EL INTERIOR DE UNA ZONA DE BAJA PRESION, PERMITIENDO ASI LA EXPANSION DEL FLUIDO CRIOGENICO DURANTE SU PASO A TRAVES DEL ELEMENTO DE EXPANSION. EN UNA REALIZACION PREFERIDA DE LA INVENCION, EL FLUIDO CRIOGENICO ES DIOXIDO DE CARBONO Y LOS PARAMETROS DEL SISTEMA SE FIJAN PARA PERMITIR QUE EL FLUIDO CRIOGENICO ENTRE EN UNA FASE SOLIDA, SITUADA EN O PROXIMA A LA SUPERFICIE DE SALIDA DEL ELEMENTO DE EXPANSION, Y QUE SALGA DE LA MISMA EN FORMA DE PARTICULADO DE NIEVE FINA.
Description
Aparato para producir finas partículas de nieve
de un flujo de dióxido de carbono líquido.
Esta invención se refiere a un aparato para
producir partículas de nieve criógenas divididas finamente, y más
particularmente a una estructura de boquilla mejorada para recibir
un flujo de dióxido de carbono líquido y proporcionar a partir de
ella un flujo de partículas de nieve finas de dióxido de
carbono.
Partículas de nieve producidas a partir de
dióxido de carbono son utilizadas en una amplia variedad de
aplicaciones de enfriamiento y congelación. Dichas partículas de
nieve de dióxido de carbono puede ser utilizadas, por ejemplo, en
refrigeración, para procedimientos de enfriamiento y congelación,
así como en la producción de hielo seco. Más particularmente,
dichas partículas de nieve son útiles en aplicaciones tanto de
alimentación como otras, por ejemplo, enfriamiento, congelación y
refrigeración de alimentos, así como para el enfriamiento rápido
y/o de puntos o zonas durante el tratamiento de materiales diversos,
no alimentos.
Las partículas de nieve de dióxido de carbono son
producidas típicamente mediante la expansión rápida de dicho
dióxido de carbono líquido a través de un pequeño orificio. El
dióxido de carbono líquido es obtenido por compresión de gas de
dióxido de carbono y mantenimiento de él a unas condiciones de
presión y temperatura apropiadas para la refrigeración. Por
ejemplo, en depósitos de almacenamiento voluminosos, el dióxido de
carbono almacenado a una presión aproximada de 20 bares y una
temperatura aproximada de -18ºC está en forma de líquido. En el
punto de uso, el dióxido de carbono líquido es convertido en una
mezcla de nieve de dióxido de carbono y vapor, mediante la
expansión rápida a través de un pequeño orificio.
Los aparatos de la técnica anterior para la
producción de nieve hecha de dióxido de carbono emplean orificios
relativamente sencillos para permitir que se produzca la expansión
del dióxido de carbono líquido suministrado. No obstante, los
dispositivos o boquillas de expansión de la técnica anterior crean
una configuración de zona de colisión, y son voluminosos y
difíciles de adaptar a espacios pequeños. Estos dispositivos o
boquillas de la técnica anterior son conocidos también para la
impulsión de las partículas de nieve fuera de trompas u orificios a
alta velocidad. La alta velocidad de la nieve de dióxido de carbono
crea cierta dificultad en la aplicación de una mantilla de nieve
uniforme, y puede dañar elementos frágiles, tales como aplicaciones
de queso sobre pizzas o de crema batida o montada sobre artículos de
panadería. Además, cuando se aplica en procedimientos de
enfriamiento, la alta velocidad puede producir picaduras en la
superficie o incluso romper materiales frágiles, tales como los
recubiertos con barreras. Además, la salida a alta velocidad de las
partículas de nieve crea niveles de ruido altos, que afectan a la
seguridad y medio ambiental del personal que trabaja en su
proximidad.
Se han hecho intentos para tratar de evitar la
aplicación desigual de la nieve de dióxido de carbono. Por ejemplo,
se han dispuesto trompas especialmente conformadas a la salida del
orificio de expansión; se han utilizado orificios fijos que
descargan contra una placa de rebote; han sido utilizados orificios
variables que descargan dentro de recipiente cerrados; y se han
intentado combinaciones de todos los métodos anteriores.
Por ejemplo, la patente de EE.UU. núm.
3.667.
242 de Kilburn describe una estructura para producir nieve de dióxido de carbono en la que éste es dirigido dentro de una parte superior de una trompa cilíndrica, hueca, y de paredes dobles, dotada de una parte inferior abierta y una parte superior cerrada. Una boquilla en la parte más superior de la trompa cilíndrica imparte un movimiento tangencial turbulento a la nieve formada en la trompa.
242 de Kilburn describe una estructura para producir nieve de dióxido de carbono en la que éste es dirigido dentro de una parte superior de una trompa cilíndrica, hueca, y de paredes dobles, dotada de una parte inferior abierta y una parte superior cerrada. Una boquilla en la parte más superior de la trompa cilíndrica imparte un movimiento tangencial turbulento a la nieve formada en la trompa.
La patente de EE.UU. núm. 4.111.362 de Carter,
Jr. describe una disposición de boquilla para fabricar nieve de
dióxido de carbono, en la que pares de chorros de dióxido de carbono
son dispuestos transversalmente de modo que inyecten dicho dióxido
de carbono dentro de una zona de trompa. Las mezclas del chorro en
expansión de nieve y vapor son dirigidas al interior de unos
caminos de colisión, con lo que se disipa la energía de los
chorros.
La patente de EE.UU. núm. 4.145.894 de Frank y
col. describe un aparato para la producción de nieve de dióxido de
carbono, en el que dióxido de carbono líquido es dirigido al
interior de una cámara a través de una boquilla. La nieve
resultante es dispersada por un tambor accionado por un motor y
dotado de aletas a modo de escobillas, que toman la nieve y la
depositan sobre artículos que están siendo desplazados a lo largo
de una cinta transportadora.
La patente de EE.UU. núm. 4.376.511 de Franklin,
Jr. describe un dispositivo para la formación de nieve de dióxido
de carbono, en el que un colector está situado dentro de un miembro
de canal y la nieve de dióxido de carbono es dispersada hacia los
lados del miembro de canal, lo que hace que parte de la energía
cinética de la nieve de dióxido de carbono sea disipada.
La patente de EE.UU. núm. 4.462.423 de Franklin,
Jr. describe un cabezal para la formación de nieve de dióxido de
carbono en el que varias boquillas están situadas a lo largo de un
tubo colector, para permitir la distribución de la nieve de dióxido
de carbono a las diversas zonas a lo largo de dicho tubo
colector.
La patente de EE.UU. núm. 4.640.460 de Franklin,
Jr. describe un colector para la formación de nieve de dióxido de
carbono, en el que hay dispuestas un par de boquillas dentro de un
depósito. Un suministro de dióxido de carbono líquido,
aproximadamente a 200 bares, es enviado a los extremos de entrada de
las boquillas. Además, dióxido de carbono líquido es aplicado a los
extremos de entrada de la boquilla a través de un conducto de
suministro, de modo que se enfríe dicho conducto de suministro en
cuantía suficiente para reducir la temperatura del dióxido de
carbono líquido que está siendo suministrado al punto triple.
La patente de EE.UU. núm. 5.020.330 de Rhoades y
col. describe un congelador de alimentos que incluye una o más
boquillas para dirigir partículas de nieve de dióxido de carbono
sobre productos alimenticios. El dióxido de carbono líquido marcha
entubado, de modo que fluye sólo hacia arriba y/o de modo horizontal
hacia las boquillas de pulverización. Por tanto, cualquier dióxido
de carbono sólido que pueda acumularse adyacente al lado de aguas
arriba de los orificios de pulverización es fundido por el vapor del
dióxido de carbono que marcha hacia arriba en la tubería.
El documento
EP-A-0 721 801 describe una boquilla
de limpieza mediante pulverización con un chorro de CO_{2}, que
comprende un disco de orificios dotado de una serie de orificios
redondos. Estos orificios están dispuestos según un modelo
predeterminado, preferiblemente circular o lineal, a través de una
parte central del disco de orificios, y están hechos, por ejemplo,
mediante taladro con láser, o alternativamente por mecanización
mediante descarga de electrones. Cuando se utiliza la boquilla de
pulverización de chorro, gas de CO_{2} es pasado a través de un
abertura de entrada circular de la boquilla hacia la pluralidad de
orificios, al tiempo que se mantiene la presión requerida de la
pulverización del chorro para proporcionar la limpieza de
precisión.
Existe la necesidad de cabezales y boquillas de
distribución de nieve de dióxido de carbono que produzcan una nieve
de partículas finas, y en la que se eviten partículas de nieve a
alta velocidad. Además, dichos dispositivos deben producir
partículas de nieve de dióxido de carbono de dimensiones
relativamente constantes, de modo que se asegure una distribución
relativamente uniforme de las partículas sobre alimentos u otros
productos o materiales que se estén enfriando.
De acuerdo con ello, un objeto de esta invención
es proporcionar una estructura de boquilla mejorada para la
producción de partículas de nieve finas de dióxido de carbono.
Otro objeto de esta invención es proporcionar una
estructura mejorada para proporcionar partículas de nieve de
dióxido de carbono divididas finamente, en la que se evite el
bloqueo de las boquillas por partículas de dióxido de carbono
solidificadas.
Un aspecto de la presente invención es un aparato
como se define en la reivindicación 1. Otro aspecto de ella es un
método como se define en la reivindicación 9.
Un sistema para producir un flujo de partículas
de nieve finas incluye un conducto para proporcionar un flujo a
presión de un fluido criógeno, y una boquilla acoplada a dicho
conducto, cuya boquilla tiene un camino de entrada y otro de salida
en comunicación con dicho conducto. Un miembro de expansión está
situado dentro de la boquilla, y cubre el camino de salida. El
miembro de expansión proporciona canales de diámetro fino múltiples
para el paso del fluido criógeno al interior de una zona de presión
más baja, con lo que se permite la expansión del fluido criógeno
durante el paso a través del miembro de expansión. En una
realización preferida, el fluido criógeno es dióxido de carbono, y
los parámetros del sistema se establecen para permitir que el
fluido de dióxido de carbono entre en una fase de sólido y vapor en
o cerca de la superficie de salida del miembro de expansión, y la
fase de sólido para salir de dicho miembro como partículas de nieve
finas.
El sistema de la presente invención se contempla
para uso como reemplazo de cualesquiera de los dispositivos de
formación de nieve existentes. De acuerdo con ello y como así se
contempla, esta invención puede ser utilizada separadamente, como
por ejemplo, en lugar de una trompa de nieve o dispositivo de
enfriamiento de una zona o punto, o como parte de un sistema
general que puede ser utilizado en un congelador de alimentos, un
refrigerador, o una cinta para cobertura con nieve. Los expertos en
la técnica apreciarán que esta invención no se limita a cualquier
uso particular, y puede ser utilizada en cualquier aplicación en la
que se desee el uso de un material criógeno para refrigeración,
enfriamiento, o congelación.
Los presentes inventores contemplan
específicamente que esta invención pueda ser utilizada en una
cierta variedad de aplicaciones de enfriamiento, congelación, y
refrigeración de alimentos, y que incluye, sin limitarse a ello,
cintas de aplicación de nieve, congeladores y refrigeradores de
alimentos. Por ejemplo, en el tratamiento de alimentos congelados
picados, tales como carnes picadas congeladas, la carne en bruto
debe ser enfriada rápidamente después de picarla (ya que esta
operación añade inherentemente cierta cantidad de calor al
producto) antes de ser envasada y congelada. La presente invención
puede ser utilizada ventajosamente para esta finalidad, ya que crea
partículas de nieve finas que pueden ser depositadas continuamente,
de manera controlada, sobre la carne picada al salir de la
picadora. La presente invención, cuando se utiliza en una planta de
tratamiento en la que el personal trabaje en proximidad inmediata al
equipo, cuenta con la ventaja añadida de que la máquina actúa con
poco ruido, ya que la nieve es suministrada sin que salga a alta
velocidad.
La presente invención puede ser utilizada
también, por ejemplo, en refrigeradores y congeladores de
alimentos, donde hay contacto directo entre el alimento y el
material criógeno. Esta invención puede ser utilizada en dicho
equipo, dado que muchos congeladores y refrigeradores comerciales
utilizan los dispositivos de creación de nieve existentes. La
ventaja con el presente sistema está en la creación de partículas de
nieve finas, que proporcionan un aumento en la transferencia
térmica debido a su capacidad de formar una mayor superficie de
contacto con el alimento.
Se contempla además que la presente invención
pueda ser utilizada en cualquier procedimiento de aplicación de
enfriamiento, tal como el que puede ser necesario en la fabricación
de materiales recubiertos o de materiales hechos con materias
primas fundidas o semifundidas. Por ejemplo, materiales de barrera
de asfalto son producidos mediante el recubrimiento de un sustrato
con asfalto caliente. Después del recubrimiento, el material de
barrera debe ser enfriado uniformemente en toda su superficie antes
de su tratamiento ulterior, para evitar el engomado del material.
Esto se lleva a cabo tradicionalmente mediante el enfriamiento en
línea, lo que hace difícil tratar esos materiales de manera
continua. Sin embargo, mediante el uso de la presente invención
puede ser obtenido un enfriamiento continuo y eficiente, ya que
aquélla proporciona una nieve en partículas finas que puede ser
aplicada de modo uniforme sobre la totalidad de la superficie de un
material.
De acuerdo con ello, la presente invención
proporciona un sistema versátil para producir un flujo de
partículas de nieve finas que puede ser utilizado en una amplia
variedad de aplicaciones de enfriamiento, refrigeración, y
congelación, en industrias tanto alimenticias como de otro tipo.
La fig. 1 es una vista en corte de una primera
realización de una boquilla utilizada en conformidad con la
invención, en combinación con una cámara de presión intermedia y una
bocina no ilustradas en la fig. 1.
La fig. 2 es una versión modificada de la
boquilla de la fig. 1, en la que es empleado un anillo de retención
para impedir la expansión del miembro situado dentro de la
boquilla.
La fig. 3A es una vista en corte desde arriba de
la boquilla de la primera realización, que incorpora una bocina
para ensanchar la configuración de la salida de nieve producida con
ella, sin ilustrar la cámara de presión intermedia.
La fig. 3B es una vista de un corte lateral de la
boquilla de la fig. 3A.
La fig. 4 ilustra la boquilla de la fig. 1, en la
que una bocina de nieve comunica con la salida procedente de una
cámara de presión intermedia, cuya bocina de nieve evita que la
nieve se mezcle con la atmósfera circundante y sea evaporada por
ella.
Las figs. 5 a 7 son tablas que indican los
resultados obtenidos en los ensayos realizados con la forma de
boquilla de la fig. 2 y una cámara de presión intermedia asociada;
la fig. 5 con una boquilla que tiene una anchura de ranura de 0,56
mm; la fig. 6, con anchura de ranura de 0,89 mm; y la fig. 7 con
anchura de ranura de 1,57 mm.
Cada una de las disposiciones de boquilla que se
describen seguidamente incluye un miembro de expansión que tiene a
su través múltiples canales finos, que ocluyen el camino del fluido
criógeno y proporcionan múltiples caminos de expansión. Dentro de
los canales de expansión se produce la expansión del fluido
criógeno, y la conversión de dicho fluido criógeno expandido (si es
dióxido de carbono) en partículas de nieve y vapor.
El material preferido para el miembro de
expansión es acero inoxidable sinterizado. No obstante, es
aceptable cualquier material que proporcione múltiples canales
porosos para el paso de un fluido criógeno a la zona de presión
inferior. El material de expansión debe tener caminos múltiples para
la expansión del fluido criógeno, de modo que en combinación con el
gradiente de presión a su través, dicho fluido criógeno, si es
dióxido de carbono, sea convertido en vapor y en partículas de nieve
finas, que salen de la inserción de expansión a una velocidad
inferior a la que se produciría si la caída de presión para el mismo
flujo fuese creada por un único orificio. La expresión "material
de expansión" aquí utilizada incluye como materiales de base,
metales, cerámica, vidrios, plásticos, compuestos, pantalla o
pantallas, disposiciones de "lana de acero", y todos los
materiales de fabricación de los antes citados.
Productos porosos de acero inoxidable sinterizado
pueden ser obtenidos de la Mott Metallurgical Corporation,
Farmington Industrial Park, 84 Spring Lane, Farmington, Connecticut.
Las inserciones porosas pueden ser fabricadas con varios grosores y
diámetros, y puede ser especificada en cuanto a porosidad, una
dimensión de por ejemplo, 0,2 a 100 micrómetros en varias
gradaciones, y preferiblemente de aproximadamente 5 a
aproximadamente 20 micrómetros. La forma y tamaño de poros de la
inserción porosa puede variar de acuerdo con la aplicación y
estructura de la boquilla. Por ejemplo, una inserción de porosidad
de 5 micrómetros creará menos nieve por unidad de área que una
inserción de porosidad de 10 micrómetros de igual área superficial.
Si el procedimiento requiere un modelo circular, puede ser utilizado
un disco. Si se precisa un modelo de nieve en abanico puede
disponerse un disco o tapa con una zona porosa en forma de abanico
en la salida de la boquilla. Además, un disco de expansión u otra
forma puede descargar su configuración de nieve contra una placa de
deflexión, para producir la dispersión deseada de las partículas de
nieve.
El fluido criógeno preferido es dióxido de
carbono, ya que presenta un carácter benigno cuando se aplica a
alimentos y puede ser empleado en muchas aplicaciones de
enfriamiento. No obstante, se entiende que la invención es
aplicable igualmente a otros fluidos criógenos, que pueden ser
controlados para crear un modelo criógeno dispersado finamente
mediante el uso de un miembro de expansión situado dentro de una
estructura de boquilla.
Es bien sabido que el dióxido de carbono muestra
un "punto triple" a una presión aproximada de 5,2 bares y
-57ºC. Como antes se ha dicho, el dióxido de carbono líquido es
almacenado con frecuencia aproximadamente a 22 bares, y
aproximadamente a -18ºC. Cuando el dióxido de carbono líquido es
suministrado con dicha presión y temperatura a una boquilla que
incorpora está invención, se prefiere que el miembro de expansión
tenga un grosor y un diámetro de canal fino, que dadas las
presiones de entrada y de salida permita que el dióxido de carbono
líquido que pase a su través alcance el punto triple en o cerca de
la cara de salida del miembro de
expansión.
expansión.
Como ya se ha dicho, el dióxido de carbono
líquido alcanza el miembro de expansión aproximadamente a -18ºC
(desde el recipiente de almacenamiento), penetra en los canales del
miembro, y comienza la expansión (debido a la diferencia de presión
a su través), cuya expansión produce el enfriamiento del fluido. Con
un miembro de expansión de grosor suficiente se alcanzan
aproximadamente -57ºC y aproximadamente 5 bares en o cerca de la
superficie de salida del miembro de expansión, con lo que se
proporcionan las condiciones que permiten la creación de las
partículas de nieve. Los diámetros de canal fino limitan el tamaño
de las partículas de nieve que son creadas. La diferencia de
presión a través del miembro de expansión y el componente de vapor,
sirven como fuerzas de conducción para producir la eyección de las
partículas de nieve.
De esa manera, el líquido / vapor que pasa a
través de los canales finos es convertido en partículas de nieve en
o cerca del lado de salida de la boquilla. Se ha comprobado que
aunque el punto triple se produce dentro de la estructura del
miembro de expansión, la sustancial diferencia de presión entre las
caras de entrada y de salida del miembro de expansión hace que las
partículas de nieve y de vapor se muevan a través de los canales
finos de manera no impedida.
Pasando ahora a la fig. 1, la boquilla 10 recibe
un flujo de dióxido de carbono líquido a través de la entrada 12.
Un disco de expansión 14 (preferiblemente acero inoxidable poroso)
está situado en el extremo de salida de la boquilla 10, y es
mantenido en su sitio mediante una tuerca de retención 16 enroscada
sobre la boquilla 10. El dióxido de carbono líquido que fluye por
la entrada 12 penetra en el disco de expansión 14 y experimenta su
expansión durante el paso a través de los poros de dicho disco 14,
De acuerdo con ello, se crea nieve en o cerca de la superficie de
salida del disco de expansión 14, que sale desde de él como
resultado de la diferencia de presión a su través.
En la fig. 2 se ilustra una versión alternativa
de la boquilla de la fig. 1, que incorpora un anillo de retención
18 en torno a la periferia del disco de expansión 14. El anillo de
retención 18 evita el flujo de dióxido de carbono líquido en torno
a los bordes de dicho disco de expansión 14, y permite que la
boquilla 10 acomode tamaños diversos del disco en un dispositivo
"estándar" de sujeción del disco citado.
Las figs. 3A y 3B ilustran la posición de una
bocina 30 en la salida de la boquilla 10, para proporcionar una
guía o deflexión de las partículas de nieve que salen desde el disco
de expansión 14. La bocina 10 no sólo proporciona dirección a la
nieve de dióxido de carbono, sino que evita también que la nieve
generada se evapore antes de alcanzar el material que se ha de
enfriar. La bocina 10 está diseñada para ser llenada por el flujo
de nieve y vapor, de modo que se mantenga la humedad u otros
componentes condensables que rodean dicha bocina 30 sin ser
succionados y condensados dentro de la citada bocina 30. Dicha
condensación puede llegar a producir el bloqueo de la boquilla
10.
El aparato de la invención emplea una cámara de
presión intermedia para controlar la presión sobre el lado de
salida de las inserciones de disco de expansión. La contrapresión
sobre el lado de salida de las inserciones de expansión reduce la
diferencia de presión a través de la inserción de disco de
expansión. Dado que el lado de salida está presurizado, la
diferencia entre la presión en el lado de salida y el punto triple
del dióxido de carbono dentro del disco de expansión es reducida. La
disposición de una cámara de presión intermedia permite que la
presión en el lado de entrada sea reducida, al tiempo que se
mantiene el punto triple de dióxido de carbono en o cerca de la
superficie de salida del miembro de disco de expansión.
La cámara de presión intermedia: I) permite que
el sólido y el vapor sean "entubados" con una orientación
deseada; II) proporciona una caída de presión para permitir una
segunda expansión; III) permite que la segunda expansión sea
conformada para proporcionar una conformación deseada de la nieve en
la salida; y IV) permite una caída de presión inferior en la
segunda expansión, para permitir así una salida de nieve y vapor a
velocidad inferior.
Una cámara de presión intermedia evita también
que penetre aire en la corriente de nieve y vapor hasta después de
que dicha corriente está en la forma deseada. Dado que la humedad
procedente del aire se condensa en la corriente de vapor frío y de
nieve, la humedad congelada puede bloquear y redirigir dicha nieve
y vapor frío. Igualmente, la nieve fina producida por el miembro de
disco de expansión no se aglomera en el ambiente de equilibrio seco
producido en la zona de presión intermedia, lo que permite que
continúe la eyección de la nieve sin taponamiento por la formación
de hielo seco.
Dado que la segunda expansión es de 2,4 bares (o
menos) hasta presión atmosférica, resulta una velocidad de descarga
disminuida, lo que ocurriría si la expansión fuese de 33 bares hasta
presión atmosférica (a través del miembro de expansión).
La condición de presión de equilibrio en la
cámara de presión intermedia varía preferiblemente desde una
presión positiva por encima de la ambiental hasta aproximadamente
2,4 bares. A presiones superiores aproximadamente a 2,4 bares, es
más probable que el punto triple, aproximadamente a 5,2 bares, se
produzca en la cámara intermedia (es decir, el lado de salida a
presión baja) en vez de durante el paso a través del miembro de
disco de expansión, y haga que la cámara de presión intermedia se
inunde con dióxido de carbono líquido. Además, puede existir una
condición de presión inestable, que permita que el líquido en la
cámara de presión intermedia alcance el punto triple y forme
dióxido de carbono sólido. Dicha formación puede bloquear la
segunda salida de expansión procedente de la cámara de presión
intermedia.
La fig. 4 ilustra la boquilla de la fig. 1, en la
que se ha añadido una cámara de presión intermedia 36 a la salida
de la boquilla 10. La cámara 36 de presión intermedia comprende una
cámara cerrada 11 con una ranura 38 para la salida del vapor de
dióxido de carbono y de partículas de nieve. El tamaño de la ranura
38 controla la presión dentro de la cámara 30 de presión intermedia,
y ayuda además a asegurar que se alcanza el punto triple durante el
paso a través del miembro de expansión 14.
Como se muestra en la fig. 4, ha sido conectada
una bocina 42 para recibir el vapor y la nieve que salen por la
ranura 38. Cuando el vapor y la nieve pasan por la entrada 33 a la
bocina 42, la configuración de salida de la nieve tiende a
ensancharse dentro de la bocina 42, y su velocidad tiende también a
disminuir. Además, al recibir la bocina 42 la nieve y el vapor
procedentes de la cámara 36 de presión intermedia evita la mezcla
dicha nieve y vapor con la atmósfera circundante, y conserva la
nieve así hasta el punto de aplicación.
Las figs. 5 a 7 son tablas que muestran los
resultados obtenidos en los ensayos realizados sobre una boquilla
formada de acuerdo con la fig. 4, con el uso de inserciones porosas
de acero inoxidable de varios diámetros. La fig. 5 ilustra los
resultados obtenidos con una boquilla dotada de una ranura de salida
con anchura de 0,56 mm, de la cámara de presión intermedia. Las
figs. 6 y 7 ilustran los resultados obtenidos con anchuras de
ranura de 0,89 mm y de 1,57 mm. respectivamente.
En cada uno de los ensayos con estas boquillas,
fueron constantes los siguientes parámetros: ángulo de ranura, 45º;
grosor de la inserción porosa; 1,59 mm; tamaños de poro, 0,127 mm;
presión de entrada, 20,3 bares. Por cada anchura de ranura fueron
ensayadas cuatro inserciones porosas de diámetro diferente, para
determinar si resultaría una configuración de salida de nieve
aceptable (es decir, que el punto triple fuese alcanzado en o cerca
de la superficie de salida del miembro de expansión). En todos estos
ensayos, excepto el ensayo 4 de la fig. 5, se consiguieron unas
configuraciones de nieve aceptables. En el ensayo 4 de la fig. 5 se
produjo la inundación de la cámara de presión intermedia con dióxido
de carbono líquido sin nieve. Los ensayos demostraron también que
la presión en la cámara intermedia podía ser controlada mediante el
uso de diferentes anchuras de ranura y tamaños de canal del miembro
de expansión. Como se muestra, se consiguieron presiones inferiores
en la cámara intermedia mediante el uso de mayores anchuras de
ranura, el aumento del tamaño de canal del miembro de expansión, o
una combinación de lo anterior. Por tanto, los ensayos indicaron
que la configuración de la nieve y las velocidades de salida de
nieve / vapor podían ser ajustadas mediante la variación de los
parámetros antes citados, para adaptarse a la aplicación dada.
Se entiende que la descripción anterior es sólo
ilustrativa de la invención. Los expertos en la técnica podrán
idear varias modificaciones y alternativas sin apartarse de dicha
invención. De acuerdo con ello, la presente invención está
destinada a comprender todas las citadas alternativas,
modificaciones, y variaciones, que queden dentro del alcance de las
reivindicaciones adjuntas.
Claims (11)
1. Un aparato para producir y depositar
partículas de nieve finas sobre materiales que han de ser
refrigerados, enfriados, o congelados, que comprende:
- un conducto para proporcionar un flujo a
presión de líquido criógeno;
- una boquilla (10) acoplada a dicho conducto,
que cuenta con una salida y una camino interior entre dicho
conducto y la citada salida;
- un miembro de expansión (14, 34) que cubre
dicho camino y proporciona múltiples canales finos para el paso de
dicho fluido criógeno hacia la citada salida, cuyo miembro de
expansión (14, 34) es un miembro poroso;
- una cámara (30, 36) de presión intermedia
acoplada a la citada salida de dicha boquilla (10), cuya cámara de
presión intermedia tiene una abertura de salida que asegura la
presencia de una presión intermedia en dicha cámara cuando se
produce la presencia de dicho flujo presurizado de líquido criógeno;
y
- una bocina (30, 42) conectada para recibir la
nieve que sale de la cámara (30, 36) de presión intermedia, cuya
bocina tiene un área de la sección transversal que aumenta en la
dirección del flujo de nieve.
2. El aparato como se expone en la reivindicación
1, en el que dicho miembro de expansión (14, 34) es de forma en
general plana, está montado en dicha boquilla (10), y está rodeado
por un retenedor (16).
3. El aparato como se expone en las
reivindicaciones 1 o 2, en el que dicho fluido criógeno es dióxido
de carbono.
4. El aparato como se expone en la reivindicación
3, en el que las dimensiones del miembro de expansión (14, 34) y de
los canales finos dentro del citado miembro de expansión son
seleccionadas, en relación con la presión de dicho flujo
presurizado de dióxido de carbono y de una presión de salida, de
modo que el flujo presurizado del fluido de dióxido de carbono
entre en una fase sólida durante su paso a través de los citados
canales finos de dicho miembro de expansión (14, 34), y salga de él
con configuración de nieve fina.
5. El aparato como se expone en la reivindicación
3, en el que las dimensiones de dicho miembro de expansión (14, 34)
y de los canales finos dentro de él son seleccionadas, en relación
con la presión de dicho flujo presurizado de dióxido de carbono y
la presión de salida, de modo que se haga que un punto triple del
dióxido de carbono se produzca en o cerca de la salida de dicho
miembro de expansión.
6. El aparato como se expone en una de las
reivindicaciones 1 a 5, en el que dicho miembro de expansión (14,
34) comprende acero inoxidable sinterizado.
7. El aparato como se expone en una de las
reivindicaciones precedentes, en el que dicho miembro de expansión
poroso (14, 34) tiene unos tamaños de poro de 0,2 a 100
micrómetros.
8. El aparato como se expone en la reivindicación
7, en el que dicho miembro de expansión poroso (14, 34) tiene unos
tamaños de poro de 5 a 20 micrómetros.
9. Un método para producir partículas de nieve
finas y para depositarlas sobre materiales que han de ser
refrigerados, enfriados, o congelados, que comprende las operaciones
de:
- pasar un flujo de líquido criógeno presurizado
a través de múltiples canales finos de un miembro de expansión
poroso (14, 34) a una zona de presión inferior;
- expandir el fluido criógeno durante su paso a
través del miembro de expansión (14, 34), y convertir el fluido
criógeno expandido en partículas de nieve finas, que salen del
miembro de expansión como resultado de la diferencia de presión a
través de dicho miembro de expansión;
- proporcionar una presión intermedia en el lado
de salida del miembro de expansión (14, 34) y proporcionar una
segunda expansión del fluido criógeno, desde dicha presión
intermedia a presión atmosférica;
- pasar la nieve que sale del miembro de
expansión (14, 34) a través de una bocina (30, 42) y esparcir la
configuración de la nieve dentro de la bocina en la dirección del
flujo de dicha nieve; y
- depositar sobre la superficie del material que
ha de ser refrigerado partículas de nieve fina enfriadas o
congeladas que salen de la bocina (30, 42).
10. El método de la reivindicación 9, en el que
el fluido criógeno es dióxido de carbono, y en el que las
dimensiones de dicho miembro de expansión (14, 34), los canales
finos dentro del citado miembro de expansión, la presión de dicho
flujo presurizado de dióxido de carbono, y la presión de salida,
son ajustados de modo que se haga que un punto triple de dicho
dióxido de carbono se produzca en o cerca de la salida de dicho
miembro de expansión.
11. El método de la reivindicación 9 o 10, en el
que una contrapresión es generada en el lado de salida del miembro
de expansión (14, 34), para reducir la diferencia de presión a
través de dicho miembro de expansión.
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