ES2291895T3

ES2291895T3 - Procedimiento y dispositivo para la produccion de frio rapido y de elevada potencia.

Info

Publication number: ES2291895T3
Application number: ES04742266T
Authority: ES
Inventors: Bernard Spinner; Driss Stitou; Olivier Bertrand
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2008-03-01
Anticipated expiration: 2024-03-12
Also published as: WO2004085933A2; US7775066B2; EP1608920B1; FR2852676A1; DE602004007782T2; US20080202132A1; FR2852676B1; EP1608920A2; ATE368203T1; WO2004085933A3; DE602004007782D1; JP4563378B2; JP2006520884A

Abstract

Procedimiento para la producción rápida de frío a una temperatura útil Tu que utiliza un sistema termoquímico basado en el acoplamiento de fenómenos físico-químicos reversibles entre un gas y un sorbente sólido o líquido, siendo dichos fenómenos exotérmicos en un sentido y endotérmicos en el otro sentido, designados por fenómeno BT y fenómeno HT, siendo dichos fenómenos tales que, a una determinada presión, la temperatura de equilibrio del fenómeno BT es inferior a la temperatura de equilibrio del fenómeno HT, consistiendo dicho procedimiento en efectuar al menos un ciclo constituido por una etapa de producción de frío y una etapa de regeneración a partir de un estado inicial en el que un reactor (2) en el que se produce el fenómeno BT y un reactor (1) en el que se produce el fenómeno HT se hallan a la temperatura ambiente y están aislados uno de otro, cuyo procedimiento se caracteriza porque: - el fenómeno BT es un cambio de fase líquido/gas del fluido G o una absorción del fluido G por un sorbente líquido; - el fenómeno HT es una sorción del fluido G por un sorbente líquido o sólido; - la fase endotérmica del fenómeno BT se efectua en un reactor aislado térmicamente del ambiente; - la fase exotérmica del fenómeno BT se efectua en un condensador (4) que se halla en comunicación permanente con el reactor (1) en el que se produce el fenómeno HT, siendo seguidamente transferido el fluido G condensado hacia el reactor (2) en el que se efectua la fase endotérmica del fenómeno BT; - la etapa de producción de frío, constituida por la fase endotérmica del fenómeno BT que libera un fluido frigorígeno G bajo la forma de gas, comprende: ¿ una fase A1 en el curso de la cual el reactor en el que se produce el fenómeno HT (designado a continuación como reactor HT) y el reactor en el que se produce el fenómeno BT (designado a continuación como reactor BT se hallan comunicados entre sí (5); ¿ una fase A2 en el curso de la cual los reactores (1, 2) HT y BT se hallan aislados uno de otro y el reactor HT es calentado; - la etapa de regeneración, constituida por la fase endotérmica del fenómeno que libera el fluido G en forma de gas, comprende: ¿ una fase C en el curso de la cual el reactor HT es calentado (6) y se halla en comunicación permanente con un condensador; ¿ una fase D consistente en transferir el fluido G en forma líquida desde el condensador (4) hacia el reactor (2) BT; ¿ una fase E consistente en enfriar el reactor HT para situarlo nuevamente en las condiciones iniciales.

Description

Procedimiento y dispositivo para la producción de frío rápido y de elevada potencia.

La presente invención hace referencia a un procedimiento y un dispositivo para la producción de frío de una manera rápida y con un alto grado de potencia.

Es ya conocido el sistema de producción de calor o de frío mediante unas instalaciones basadas en intercambios de fase líquido/gas o en sorciones reversibles entre un gas, denominado gas de trabajo, y un sorbente líquido o sólido. Una sorción reversible puede estar constituida por la absorción de un gas por un líquido, por una adsorción de un gas sobre un sólido o por una reacción entre un gas y un sólido. Una sorción reversible entre un sorbente S y un gas G es exotérmica en el sentido de la síntesis S + G \rightarrow SG, y endotérmica en el sentido de la descomposición SG \rightarrow S + G. En un cambio de fase líquido/gas de G, la condensación es exotérmica y la evaporación es endotérmica. Estos fenómenos reversibles pueden estar representados sobre el diagrama de Clausius-Clapeyron por su recta de equilibrio en

P = f(-1/T),

más precisamente en

P = - \frac{\Delta H}{RT} + \frac{\Delta S}{R}

constituyendo, respectivamente, P y T la presión y la temperatura, \DeltaH y \DeltaS, respectivamente, la entalpía y la entropía del fenómeno (descomposición, síntesis, evaporación, condensación) de que se trate en cada caso. La etapa endotérmica puede ser utilizada en una instalación del indicado tipo para congelar diferentes productos (especialmente, agua para la obtención de cubitos de hielo) o para la producción de agua fría.

Así, en el documento EP-0810410 se aparece descrito un reactor que es el lugar de producción de una reacción termoquímica o de una adsorción sólido-gas utilizando un gas G, y un recinto acoplado al reactor a través de un conducto provisto de una válvula que funciona alternativamente como evaporador y como condensador para el gas G. El reactor comprende medios para calentar su contenido y medios para eliminar el calor de la reacción de síntesis exotérmica, estando constituidos estos medios ya sea por un intercambiador de calor, ya sea por el aumento de la masa térmica del reactor. El reactor se halla calculado de manera que, junto con su contenido, presenta una masa térmica suficiente para absorber el calor producido cuando se realiza la reacción exotérmica. El procedimiento de gestión de este dispositivo consiste en establecer la comunicación el evaporador/condensador con el reactor cuando el evaporador/condensador se halla lleno del gas de trabajo bajo forma líquida, lo que produce el efecto de enfriar el evaporador/condensador por evaporación, y después en poner en marcha los medios destinados a calentar el sólido con objeto de rechazar y condensar el gas hacia el evaporador/condensador. La puesta en marcha de los medios destinados a recalentar el sólido en el reactor se inicia antes de que se acabe la etapa precedente. Sin embargo, en este dispositivo, las duraciones de los ciclos son relativamente largas como consecuencia de qué la refrigeración del dispositivo se realiza a alta temperatura Th y que el enfriamiento del reactor se lleva a cabo a la temperatura ambiente To. Consecuentemente, el reactor recorre una amplitud térmica entre la temperatura de regeneración y la temperatura ambiente relativamente importante lo que determina un débil coeficiente de rendimientos. Por otra parte, como sea que la condensación exotérmica se efectúa en el mismo recinto que la evaporación exotérmica, la amplitud térmica del recinto eva-
porador/condensador es elevada, lo que determina unos tiempos de ciclos prolongados y disminuye los rendimientos.

En el documento WO-97/40328 aparece descrito un dispositivo para la producción de frío y/o de calor que comprende dos reactores en contacto térmico, alternativamente conectados, respectivamente, ya sea a un condensador ya sea a un evaporador. En este dispositivo, la producción de frío se realiza a partir de un evaporador que libera un gas de trabajo G el cual, durante la etapa de regeneración, es impulsado hacia un condensador. En el documento US-A-1922452 se describe un dispositivo de este mismo tipo.

En el documento EP-0580848 se describe un dispositivo para la producción de frío y/o de calor, en el que la producción de frío se realiza a partir de un evaporador que libe el gas de trabajo G. El dispositivo comprende por una parte un evaporador y un condensador separados, así como dos conjuntos de dos reactores para cada uno de ellos, funcionando los dos conjuntos de una manera invertida y alternada para determinar la producción contínua de frío. Durante la fase de producción de frío en uno de los conjuntos, los reactores de dicho conjunto se hallan acoplados al evaporador, mientras que en el mismo periodo, los reactores del segundo conjunto se hallan acoplados al condensador y funcionan en fase de regeneración. Seguidamente, se invierten las conexiones y los reactores del primer conjunto se hallan acoplados al condensador para la fase de regeneración, mientras que los reactores del segundo conjunto se hallan acoplados al evaporador para la fase de producción de frío. El evaporador y el condensador se hallan estudiados para poder intercambiar calor con el ambiente, lo que disminuye el rendimiento de la producción de frío. Los dispositivos correspondientes a los documentos de la técnica anterior a los que se ha hecho referencia comprenden siempre dos reactores que funcionan en oposición de fase, estando conectado uno de los reactores al condensador mientras que el otro reactor se halla conectado al evaporador. Consecuentemente, el evaporador y el condensador se hallan siempre operativos, hallándose alternativamente aislados y conectados a uno u otro de los reactores.

En el documento EP-0382586 se describe un dispositivo para la producción de frío que comprende un evaporador y un condensador para el gas de trabajo, y dos reactores en los que se producen fenómenos reversibles diferentes que utilizan un mismo gas de trabajo. Los reactores funcionan de manera alternada. Un determinado reactor se halla acoplado al evaporador cuando se halla en la fase de síntesis (producción de frío), y se halla acoplado al condensador cuando se halla en la fase de descomposición (regeneración). La temperatura del condensador es superior a la del evaporador. El evaporador y el condensador se hallan estudiados para poder intercambiar calor con el ambiente, lo que provoca una disminución del rendimiento de la producción de frío.

Los procedimientos para la producción de frío pertenecientes a la técnica anterior requieren una particular forma de gestión, que resulta relativamente compleja como consecuencia de la gestión delicada de las conexiones entre los diferentes componen tes que integran el dispositivo. Además, los dispositivos de la técnica anterior para la producción de cubitos de hielo destinados a una utilización doméstica se hallan esencialmente constituidos por sistemas basados en la compresión mecánica del vapor, que utilizan un fluido friogeno. Por lo general, un simple amovible de cubitos de hielo se halla dispuesto en un compartimiento refrigerado que se mantiene a una temperatura comprendida entre -10ºC y -22ºC. En estas condiciones, el agua contenida en el recipiente de cubitos de hielo se congela al cabo de varias horas (típicamente, del orden de entre 4 y 5 horas para aproximadamente 200 g de agua) por intercambio térmico con el aire del compartimiento refrigerado. Los cubitos son conservados en el referido compartimiento refrigerado durante unos periodos de tiempo que pueden prolongarse desde algunos días hasta varias decenas de días, lo que determina una degradación de su calidad, e incluso una contaminación de los cubitos a causa de la polución y/o de inclusiones minerales, de manera que los cubitos de hielo acaban finalmente resultando inapropiados para su consumo.

El objetivo de la presente invención estriba en proporcionar un procedimiento y un dispositivo menos complejos para la producción rápida de frío útil con una elevada potencia, especialmente para la producción rápida de cubitos de hielo en el instante en cada caso elegido por el usuario, o para la producción de cubitos de una manera contínua y/o periódica con unas duraciones de ciclos relativamente cortas (inferiores a 10 minutos, por ejemplo).

El procedimiento que constituye objeto de la invención para la producción rápida de frío a una temperatura Tu utiliza un sistema termoquímico basado en el acoplamiento de fenómenos físico-químicos reversibles entre un gas y un sorbente sólido o líquido, al ser los expresados fenómenos exotérmicos en un sentido y endotérmicos en el otro sentido, designados por fenómeno BT y fenómeno HT, siendo estos fenómenos tales que, a una determinada presión, la temperatura de equilibrio del fenómeno BT es inferior a la temperatura de equilibrio del fenómeno HT. El procedimiento en cuestión consiste en efectuar al menos un ciclo constituido por una etapa de producción de frío y una etapa de regeneración a partir de un estado inicial en el que un reactor en el que se produce el fenómeno BT y un reactor en el que se produce el fenómeno HT se hallan a la temperatura ambiente y aislados uno de otro, estando constituida la etapa por la fase endotérmica del fenómeno BT que libera un fluido frigorígeno G bajo la forma de gas, y estando constituida la etapa de regeneración por la fase endotérmica del fenómeno HT que libera el fluido G bajo la forma de gas. El procedimiento se caracteriza porque:

-: el fenómeno BT es un cambio de fase líquido/gas del fluido G o una absorción del fluido G por parte de un sorbente líquido;

-: el fenómeno HT es una sorción reversible del fluido G por un sorbente líquido o sólido;

-: la fase endotérmica del fenómeno BT, correspondiente a la producción de frío, se realiza en un reactor térmicamente aislado del ambiente;

-: la fase exotérmica del fenómeno BT, correspondiente a la regeneración, se lleva a cabo en un condensador en comunicación con el reactor en el que se realiza el fenómeno HT, siendo seguidamente transferido el fluido G condensado hacia el reactor en el que se realiza la fase endotérmica del fenómeno BT;

-: la etapa de producción de frío comprende:

\bullet: una fase A1 en el curso de la cual el reactor en el que se produce el fenómeno HT (designado en lo que sigue como reactor HT) y el reactor en el que se produce el fenómeno BT (designado en lo que sigue como reactor BT) se ponen en comunicación;

\bullet: una fase A2 en el curso de la cual los reactores HT y BT se hallan aislados uno de otro y el reactor HT es calentado;

-: la etapa de regeneración comprende:

\bullet: una fase C en el curso de la cual el reactor HT es calentado y se halla en comunicación permanente con un condensador;

\bullet: una fase D consistente en transferir el fluido G bajo forma líquida desde el condensador hacia el reactor BT;

\bullet: una fase E consistente en enfriar el reactor HT para reconducirlo hacia las condiciones iniciales.

Cuando se pone en práctica el procedimiento que constituye objeto de la invención, es indispensable que el reactor en el que se produce el fenómeno reversible HT se halle en comunicación con el condensador durante la etapa de regeneración. Durante la etapa de producción de frío, el expresado reactor HT y el condensador pueden hallarse o no en comunicación. El establecimiento de la comunicación permanente permite evitar las intervenciones que serían necesarias para evitar la comunicación después de una interrupción.

La fase A1 es una fase de producción activa de frío: el establecimiento de la comunicación entre los reactores Ht y BT provoca la producción espontánea de gas G en el reactor BT. Al ser endotérmico este fenómeno produce frío. La fase A2 es una fase de producción pasiva de frío: a pesar de que no exista ya liberación de gas en el reactor BT a causa de qué los reactores BT y HT se hallen aislados uno de otro, se produce frío como consecuencia de que la masa térmica del reactor BT absorbe por su parte calor. Paralelamente, el calentamiento del reactor HT permite situarlo en las condiciones de regeneración, lo que determina la liberación en forma de gas del fluido G que es absorbido por el sorbente del reactor HT durante la fase precedente de producción de frío. Durante la etapa C, la liberación en forma de gas del fluido G a partir del reactor HT continua, y el gas es transferido hacia el condensador en el que se condensa espontáneamente, siendo evacuado el calor de condensación a través de los medios con los que se halla equipado el condensador. Durante la etapa D, el paso a través de un condensador del fluido G liberado en forma de gas en el curso de la etapa D, permite introducir en el reactor BT el fluido friorígeno G enfriado y bajo forma líquida, lo que limita el aumento de la temperatura en el reactor BT y acelera el inicio de la etapa endotérmica (productora de frío útil) durante el ciclo siguiente en el referido reactor BT. De esta manera, los ciclos de funcionamiento del dispositivo resultan notablemente cortos.

La duración de la etapa D es muy reducida, típicamente inferior a 1 minuto. La etapa D puede efectuarse durante el desarrollo de la etapa C.

Cuando el procedimiento se dedica a la fabricación de cubitos de hielo, estos cubitos se forman sobre un soporte situado en el interior del reactor BT. En este caso, el procedimiento puede comprender una fase B intermedia entre la fase A2 de producción pasiva de frío y la fase C de la etapa de regeneración, en vistas a determinar el desprendimiento de los cubitos de hielo del soporte en el que los mismos se han formado. Esta etapa intermedia B puede consistir en poner en comunicación el condensador y el reactor BT durante un periodo de tiempo muy corto (típicamente inferior a 1 minuto) para conducir hacia las proximidades del soporte en el que se forman los cubitos una parte del gas caliente liberado en la etapa endotérmica del reactor HT. Por otra parte esta fase puede realizarse por otros medios especialmente mediante unas resistencias eléctricas integradas en la pared del reactor BT o aplicadas sobre estas paredes o situadas en el interior de este reactor BT en las proximidades del soporte de los cubitos de hielo.

En una particular forma de realización, en el curso de la etapa A1 se evacúa el calor producido por la etapa exotérmica en el reactor HT, con objeto de mantener la temperatura en dicho reactor dentro de un valor inferior a su temperatura de equilibrio. De ello se deduce un funcionamiento más rápido del dispositivo con un rendimiento mejor.

El procedimiento que constituye objeto de la presente invención puede ser llevado a la práctica en un dispositivo como el que se ha representado en la figura 1. Este dispositivo comprende dos reactores (1) y (2) y un condensador (4) provisto de medios (8) para evacuar el calor. El reactor (2) (en el que se produce el fenómeno BT) se halla acoplado al condensador (4) por medio de un conducto (10) provisto de una válvula (5), y el condensador (4) se halla acoplado al reactor (1) (en el que se produce en fenómeno HT) por medio de un conducto (9). El reactor (1) se halla provisto de medios de calefacción (8) y de medios (7) para evacuar el calor, y contiene un sorbente líquido o sólido capaz de engendrar un fenómeno reversible con un fluido frigorígeno G. El reactor (2) se halla dotado de medios (11) que permiten aislarlo térmicamente del ambiente, y contiene la forma líquida de fluido frigorígeno G o un sorbente liquido capaz de absorber el fluido frigorígeno G. Resulta particularmente ventajoso utilizar un evaporador como reactor (2). Durante la fase A1 de la etapa de producción de frío, el fluido G liberado bajo la forma de gas por el reactor (2) circula hacia el reactor (1) a través del conducto (10), el condensador (4) inactivado y el conducto (9). En esta forma de realización, el condensador (4) se halla permanentemente conectado al reactor (1), mientras que el reactor (2) se halla únicamente conectado al reactor (1) durante las fases Al, B y D. Cuando el dispositivo se destina a la producción de cubitos de hielo, se sitúa en el reactor (2) un recipiente para cubitos (3), de tal manera que al menos una parte de este recipiente se halle en contacto con el fluido frigorígeno.

En otra forma de realización, que ha sido representada en la figura 2, el dispositivo comprende además un conducto (12) provisto de una válvula (13) que conexiona directamente los reactores (1) y (2).

En un dispositivo como el que constituye objeto de la invención, durante la etapa de producción de frío correspondiente a la fase exotérmica del fenómeno HT, resulta particularmente ventajoso mantener, en el reactor (1), la temperatura a un nivel inferior a la temperatura de equilibrio, con objeto de mejorar el rendimiento y la velocidad de reacción. Este objetivo puede alcanzarse mediante la utilización de un reactor (1) provisto de medios para evacuar o absorber el calor durante la etapa exotérmica. Dicho objetivo puede por otra parte alcanzarse utilizando un reactor (1) en el que se produzca un fenómeno reversible entre un sólido activo y el fluido G, estando mezclado dicho sólido activo con un material poroso que presente un alto grado de difusividad térmica. El material poroso puede ventajosamente hallarse constituido por grafito natural expandido y recomprimido. El sólido activo puede ser carbón activo cuando el fluido frigorígeno se halle constituido por metanol o amoníaco. El sólido activo puede igualmente elegirse entre las sales reactivas tales como los halogenuros de metales alcalino-terrosos (por ejemplo, cloruros tales como MnCl_{2}, SrCl_{2}, NiCl_{2}, bromuros tales como CaBr_{2}, SrBr_{2}, sulfatos tales como CuSO_{4}) destinados a reaccionar de una manera reversible con un gas activo, tal como, por ejemplo, el amoníaco o sus derivados tales como la monometilamina y la dimetilamina.

La puesta en práctica del procedimiento que constituye objeto de la invención por medio de un dispositivo tal como el que se ha representado en la figura 1 se describirá de manera detalla a continuación, en relación con un dispositivo en el que el reactor (2) es un evaporador, el fluido frigorígeno se ha designado por G, el reactor (1) contiene un sólido activo S. El evaporador comprende una cubeta integrada para cubitos de hielo (3) que contiene el líquido que se trata de congelar. El estado del dispositivo en el curso de las diferentes etapas ha sido representado mediante diagramas de Clausius-Clapeyron (figuras 3 a 8) en los que P representa la presión y T la temperatura, las curvas L/G representan las curvas de equilibrio del cambio de estado líquido-gas en el evaporador, y las curvas S/G representan las curvas de equilibrio del fenómeno de sorción en el reactor (1). T_{AM} designa la temperatura ambiente, T_{EV} designa la temperatura en, el evaporador, T_{RE} designa la temperatura en el reactor (1), T_{EO} designa la temperatura de equilibrio del fenómeno de sorción en el reactor (1), P_{EV} designa la presión en el evaporador, P_{RE} designa la presión en el reactor (1), T_{RGE} designa la temperatura de regeneración. Las menciones VF y V0 significan, respectivamente, que la válvula (5) situada entre el evaporador y el condensador se halla cerrada o abierta.

El estado inicial del primer ciclo de funcionamiento del dispositivo ha sido representado en la figura 3. En este instante, el evaporador se halla lleno de fluido frigorígeno G bajo forma líquida mientras que el sólido activo S contenido en el reactor (1) presenta una composición pobre en fluido G. El evaporador y el reactor (1) se hallan a la temperatura ambiente T_{AM} y en sus respectivas presiones de equilibrio: el evaporador se halla a alta presión P_{EV}, mientras que el reactor se halla a baja presión P_{RE}. El condensador, que no contiene líquido, se halla a la temperatura ambiente y a la presión del reactor. La válvula (5) se halla en la posición de cierre.

La etapa A1, correspondiente a la producción activa instantánea de frío, ha sido representada en la figura 4: el evaporador y el reactor (1) se hallan comunicados entre sí a través del condensador que permanece inactivo y que constituye de esta manera una simple tubería para permitir el paso del gas desde el evaporador hacia el reactor (1). El fluido frigorígeno contenido bajo forma líquida en el evaporador se evapora, provocando de esta manera un descenso brutal de la temperatura del evaporador, lo que permite la congelación rápida del agua contenida en la cubeta para la formación de cubitos de hielo. El fluido liberado en forma de gas por la evaporación es absorbido por el sólido activo del reactor (1), lo que provoca un aumento de temperatura del reactor como consecuencia de la sorción exotérmica. A causa del paso del gas frío, la temperatura de la pared del condensador disminuye, lo que favorecerá ulteriormente la condensación del gas durante la fase de regeneración del reactor. En un primer tiempo, la energía producida por la reacción en el reactor (1) es absorbida por la masa térmica del reactor, lo que determina que aumente la temperatura del contenido de dicho reactor (1) que se aproxima a su equilibrio termo-dinámico, determinando un descenso de la producción frigorífica. Cuando el reactor se halla dotado de medios (7) para evacuar el calor, este intercambiador de calor permite evacuar la parte de energía producida por la reacción de síntesis que no es absorbida por la masa térmica del contenido del reactor (1) y permite enfriar el reactor con objeto de mantener el sólido reactivo en las condiciones de síntesis, (T_{RE} < T_{EQ}), lo que limita el descenso de la producción frigorífica. Resulta importante la producción de una potencia frigorífica instantánea inicialmente a causa de la diferencia de temperaturas (T_{EQ} - T_{AM}) notable que puede observarse inicialmente en el reactor (1).

Para la fase A2: la válvula (5) se halla en la posición de cierre. El reactor (1) se halla aislado del evaporador, pero permanece en comunicación con el condensador. Se calienta entonces el reactor (1). Este calentamiento permite que el reactor (1) se desplace a lo largo de su equilibrio termodinámico, provocando simultáneamente un aumento de temperatura y de presión en el reactor (1) y en el condensador (4) inactivo. En el evaporador, el fluido frigorígeno no se evapora ya como consecuencia de que la válvula (5) se halla cerrada. Sin embargo, la producción de frío continua de manera pasiva a causa de que la masa térmica del evaporador absorbe, a su vez, el calor necesario para que prosiga la congelación del agua contenida en la cubeta de los cubitos. El estado del dispositivo durante esta fase ha sido representado en la figura 5.

Para la fase B: el establecimiento de la comunicación durante un corto instante (por ejemplo, durante algunas decenas de segundos) del reactor (1) situado en las condiciones de regeneración a alta presión con el evaporador mantenido a baja presión por su masa térmica, permite la desorción rápida del gas del reactor (1). El evaporador que recibe el gas caliente procedente del reactor (1), desarrolla entonces las funciones de un condensador durante un corto instante. Esta fase permite desprender los cubitos de hielo de las paredes de la correspondiente cubeta, cuando el gas caliente llega a la zona apropiada de las paredes de dicha cubeta. Por otra parte, la diferencia de temperaturas (T_{ER} - T_{EQ}) inicialmente observada en el reactor como consecuencia de la diferencia de presión permite una desorción rápida del gas reactivo, acelerando de esta manera la fase de regeneración. El estado del dispositivo en esta fase ha sido representado en la figura 6.

La fase C es la fase de regeneración rápida del dispositivo. Desde el momento en el que se han desprendido los cubitos de hielo (pudiendo efectuarse su evacuación posteriormente), se cierra de nuevo la válvula (5). Se mantiene el calentamiento del reactor (1) que continua la desorción del gas, siendo transferido este gas hacia el condensador enfriado por los medios (8) en el que se condensa. El gas condensado es acumulado progresivamente bajo forma líquida en la parte inferior del condensador. El estado del dispositivo ha sido representado en la figura 7.

La fase D se inicia desde el momento en el que finaliza la regeneración. El reactor (1) es enfriado y se abre la válvula (5) durante un corto instante (típicamente algunas decenas de segundos). La alta presión que reina en el condensador permite propulsar el gas condensado contenido en el condensador hacia el evaporador que de esta manera se llena de líquido. El evaporador se mantiene a una temperatura más reducida que si hubiera servido como condensador, lo que reduce la duración del ciclo y mejora la eficacia del sistema de producción de frío a causa de que se disminuye la cantidad de frío consumida por el descenso de temperatura del evaporador. Seguidamente, se cierra la válvula (5) y se continua de enfriar el reactor (1) aislado, lo que provoca un descenso de la temperatura y de la presión. De esta manera se sitúa al dispositivo en las condiciones iniciales de la fase de almacenamiento de la producción de frío del principio del segundo ciclo de funcionamiento. El estado del dispositivo durante esta fase ha sido representado en la figura 8.

Cuando el procedimiento se pone en práctica a través de un dispositivo como el que ha sido representado en la figura 2, que comprende un conducto (12) provisto de una válvula (13) que comunica directamente el reactor (1) con el evaporador, este dispositivo funciona de una manera análoga. En el estado inicial del primer ciclo de funcionamiento, las válvulas (5) y (13) se hallan en la posición de cierre. En el curso de la fase A1, se abre la válvula (13) para establecer la comunicación directa entre el reactor (1) y el evaporador, pudiendo estar abierta cerrada la válvula (5). En el curso de las fases A2 y C, las dos válvulas se hallan cerradas. En el curso de la etapa B, al menos una de las válvulas (5) y (13) se halla abierta. En el curso de la etapa D, la válvula (13) se halla cerrada mientras que la válvula (5) se halla abierta. Al finalizar esta etapa D, se cierran las dos válvulas.

Cuando la finalidad del procedimiento estriba en la producción de cubitos de hielo, el reactor (2) se halla ventajosamente constituido por un evaporador que comprende una cubeta para los mismos (3). El evaporador se destina a contener el fluido friogénico bajo la forma líquida que, al evaporarse, permite la producción del frío, y se halla térmicamente aislado del ambiente, lo que permite reducir las pérdidas frigoríficas hacia dicho ambiente. De acuerdo con una forma preferente de realización, el depósito para los cubitos de hielo se halla simple mente integrado en el evaporador formando parte integrante del mismo. De acuerdo con otra forma de realización, el indicado depósito o cubeta se halla simplemente fijado o depositado sobre una pared del evaporador que se halla en contacto con el fluido frigorífico en ebullición, ya sea directamente, ya sea mediante unas aletas.

La pared del recipiente de los cubitos de hielo debe hallarse constituida a partir de un material que presente una difusividad térmica importante (es decir, una reducida capacidad térmica que permita un descenso rápido de la temperatura de la pared y un elevado grado de conductividad térmica que favorezca una formación rápida de los cubitos de hielo), que sea compatible con el fluido friogénico, y que presente una buena resistencia a la presión. Los materiales a base de aluminio (por ejemplo, el aluminio 5086 ó 5083) y los aceros corresponden a estos criterios cuando el fluido frigorígeno se halla constituido por el amoniaco.

Un evaporador que comprenda un recipiente para los cubitos de hielo integrado puede estar constituido por dos perfiles huecos dotados de diferentes concavidades, que se hallen acoplados a través de sus bordes longitudinales, estando situado el perfil que presenta la más reducida concavidad por encima del perfil que presenta la mayor concavidad, estando orientadas hacia arriba las respectivas concavidades. Las concavidades pueden hallarse definidas, por ejemplo, por unas porciones de arcos circulares o elípticos de diferentes diámetros, estando entonces constituidos los perfiles por unas porciones de tubos de sección cilíndrica o elíptica truncados longitudinalmente.

Los perfiles pueden hallarse en contacto a través de su generatriz inferior. El perfil superior constituye la cubeta de los cubitos de hielo y el perfil inferior constituye el depósito de fluido frigorígeno. Esta geometría permite un contacto directo entre el fluido frigorígeno en ebullición y la pared inferior del recipiente de los cubitos de hielo.

Resulta preferible que el recipiente de los cubitos de hielo se halle compartimentado por unos tabiques que permitan la obtención de unos cubitos separados dotados de la forma que en cada caso se desee. Estos tabiques desarrollan además la función de aumentar el grado de rigidez del conjunto y de intensificar las transferencias térmicas para favorecer la formación rápida de los cubitos.

Con objeto de evitar una recuperación excesivamente importante de la temperatura del evaporador durante las fases de no producción activa de frío, puede aumentarse aún más la capacidad térmica mediante la utilización de tabiques huecos, que contengan un material de cambio de fase, o mediante la utilización de un perfil inferior provisto de alveolos rellenados con un material con cambio de fase.

Los tabiques se hallarán dotados preferentemente de escotaduras que faciliten el llenado homogéneo de la cubeta con el agua, y faciliten la separación de los cubitos de hielo unos de otros durante la fase de evacuación.

Pueden situarse unas aletas en el espacio definido entre los dos perfiles para mejorar la difusividad térmica. Estas aletas pueden ser huecas y contener un material con cambio de fase.

En las figuras 9 y 10 se ha representado una forma de realización de un evaporador en el que los perfiles presentan una concavidad cilíndrica y las respectivas secciones de estos perfiles han sido calculadas de manera que la distancia entre los bordes longitudinales de uno de los perfiles es idéntica a la distancia existente entre los bordes longitudinales del otro perfil, estando conexionados entre sí los dos perfiles a lo largo de sus bordes longitudinales. En la figura 9 se ha representado una vista en sección. La figura 20 es una vista en sección longitudinal. El evaporador se halla constituido por un perfil inferior (14) que se halla cerrado por sus dos extremidades y que comporta en su parte superior una ranura longitudinal definida por el perfil superior (18) que presenta un diámetro más reducido. El referido perfil superior con forma el recipiente para los cubitos de hielo (3) que puede contener varios cubitos se parados separados por unos tabiques (17) cuyo material constitutivo se elegirá preferentemente en vistas a mejorar la difusión de frío hacia los cubitos. En el interior del evaporador se hallan emplazadas unas aletas (15) que pueden ser huecas y contener un material con cambio de fase, ya sea en sentido longitudinal, tal como se ha representado en la figura 9, ya sea en sentido transversal (no representado). Un tubo (16) conexionado al conducto permite la transferencia del gas G entre el evaporador y el reactor (1), penetrando en el recinto cilíndrico del evaporador a través de una abertura prevista en una de las extremidades del cilindro y quedando directamente situado bajo la pared del recipiente de los cubitos de hielo (3). El fluido frigorígeno G ha sido representado bajo la forma de un líquido en ebullición situado sobre el fondo del evaporador.

En las figuras 11a y 11b se ha representado una forma de realización en la que los perfiles presentan una concavidad cilíndrica y se hallan calculados de manera que la distancia entre los bordes longitudinales del perfil de mayor diámetro es superior a la distancia entre los bordes longitudinales del otro perfil, quedando situado el fondo del perfil de más reducido diámetro por encima del fondo del perfil de mayor diámetro. La figura 11a es una vista esquemática en perspectiva por transparencia. La figura 11b es una vista esquemática en sección. Los fondos de los perfiles inferior (14) y superior (18) no se hallan en contacto, y sus respectivos bordes longitudinales se hallan unidos entre sí a través de los segmentos longitudinales (19) y (19'). Unos tabiques (17) dotados de una escotadura (20) dividen el recipiente de los cubitos de hielo definida por la parte cóncava del perfil (18) en una serie de compartimientos.

En las figuras 12a y 12b se ha representado una forma de realización en las que las secciones respectivas de los perfiles han sido calculadas de manera que la distancia entre los bordes longitudinales del perfil de mayor diámetro es superior a la distancia existen te entre los bordes longitudinales del otro perfil, estando en contacto el fondo del perfil de menor diámetro con el fondo del perfil de mayor diámetro. La figura 12a es una vista esquemática en perspectiva, por transparencia. La figura 12b es una vista esquemática en sección. Los fondos de los perfiles inferior (14) y superior (18) se hallan en contacto, y sus respectivos bordes longitudinales se hallan unidos entre si a través de los segmentos longitudinales (19) y (19'). Unos tabiques (17) dotados de unas escotaduras (20) dividen en una serie de compartimientos el recipiente de cubitos de hielo definido por la parte cóncava del perfil (18).

En la figura 13 se ha representado otra forma de realización de un evaporador, en el que el recipiente de cubitos de hielo se halla constituido por un simple recipiente (100) destinado a acoger el líquido que se trata de congelar. Este recipiente se halla provisto de un aislante térmico (100) situado en la periferia para limitar las pérdidas térmicas con el ambiente. Este recipiente es amovible y se adapta sobre la par te inferior del evaporador (102) comportan do igualmente un aislante térmico (108). El evaporador (102) se halla provisto de aletas exteriores (101) que quedan sumergidas en el recipiente de los cubitos y de aletas interiores (103) que permiten intensificar la ebullición del fluido frigorígeno. El evaporador se halla igualmente provisto de una tubulura (104) destinada a permitir la conexión con el resto del dispositivo.

Claims

1. Procedimiento para la producción rápida de frío a una temperatura útil T_{u} que utiliza un sistema termoquímico basado en el acoplamiento de fenómenos físico-químicos reversibles entre un gas y un sorbente sólido o líquido, siendo dichos fenómenos exotérmicos en un sentido y endotérmicos en el otro sentido, designados por fenómeno BT y fenómeno HT, siendo dichos fenómenos tales que, a una determinada presión, la temperatura de equilibrio del fenómeno BT es inferior a la temperatura de equilibrio del fenómeno HT, consistiendo dicho procedimiento en efectuar al menos un ciclo constituido por una etapa de producción de frío y una etapa de regeneración a partir de un estado inicial en el que un reactor (2) en el que se produce el fenómeno BT y un reactor (1) en el que se produce el fenómeno HT se hallan a la temperatura ambiente y están aislados uno de otro, cuyo procedimiento se caracteriza porque:

-: el fenómeno BT es un cambio de fase líquido/gas del fluido G o una absorción del fluido G por un sorbente líquido;

-: el fenómeno HT es una sorción del fluido G por un sorbente líquido o sólido;

-: la fase endotérmica del fenómeno BT se efectua en un reactor aislado térmicamente del ambiente;

-: la fase exotérmica del fenómeno BT se efectua en un condensador (4) que se halla en comunicación permanente con el reactor (1) en el que se produce el fenómeno HT, siendo seguidamente transferido el fluido G condensado hacia el reactor (2) en el que se efectua la fase endotérmica del fenómeno BT;

-: la etapa de producción de frío, constituida por la fase endotérmica del fenómeno BT que libera un fluido frigorígeno G bajo la forma de gas, comprende:

\bullet: una fase A1 en el curso de la cual el reactor en el que se produce el fenómeno HT (designado a continuación como reactor HT) y el reactor en el que se produce el fenómeno BT (designado a continuación como reactor BT se hallan comunicados entre sí (5);

\bullet: una fase A2 en el curso de la cual los reactores (1, 2) HT y BT se hallan aislados uno de otro y el reactor HT es calentado;

-: la etapa de regeneración, constituida por la fase endotérmica del fenómeno que libera el fluido G en forma de gas, comprende:

\bullet: una fase C en el curso de la cual el reactor HT es calentado (6) y se halla en comunicación permanente con un condensador;

\bullet: una fase D consistente en transferir el fluido G en forma líquida desde el condensador (4) hacia el reactor (2) BT;

\bullet: una fase E consistente en enfriar el reactor HT para situarlo nuevamente en las condiciones iniciales.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque entre la fase A2 de producción pasiva de frío y la fase C de la etapa de regeneración, comprende una fase intermedia B para determinar el desprendimiento de los cubitos de hielo.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque la fase B consiste en establecer la comunicación entre el condensador y el reactor BT durante un periodo de tiempo de corta duración, para conducir hacia las proximidades del soporte sobre el que se forman los cubitos de hielo, una parte del gas caliente liberado por la etapa endotérmica del reactor HT.

4. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque la fase B se realiza por medio de resistencias eléctricas integradas en o aplicadas sobre la pared del reactor BT o en el reactor BT en las proximidades del soporte de los cubitos de hielo.

5. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque, en el curso de la etapa A1, se evacua el vapor formado en la etapa exotérmica en el reactor HT.

6. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la etapa D se efectua durante el desarrollo de la etapa G.

7. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el reactor en el que se lleva a cabo el fenómeno H'1' y el condensador se hallan en comunicación de una manera permanente.

8. Dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque:

-: comprende dos reactores (1) y (2) y un condensador (4) provisto de medios (8) para llevar a cabo la evacuación del calor;

-: el reactor (2) se halla conexionado al condensador (4) por medio de un común conducto (10) equipado con una válvula (5);

-: el condensador (4) se halla conexionado al reactor (1) por medio de un conducto (9);

-: el reactor (1) se halla provisto de medios de calefacción (6) y de medios (7) para evacuar el calor, y contiene un sorbente líquido o sólido capaz de realizar una sorción reversible de un fluido frigorígeno G;

-: el reactor (2) se halla dotado de medios (11) que permiten aislarlo térmicamente del ambiente, y contiene la forma líquida del fluido frigorígeno B o un sorbente líquido capaz de absorber el fluido frigorígeno G.

9. Dispositivo según la reivindicación 8, caracterizado porque comprende además un conducto (12) provisto de una válvula (13) que conexiona directamente los reactores (1) y (2).

10. Dispositivo según una de las reivindicaciones 8 ó 9, caracterizado porque el reactor (2) se halla constituido por un evaporador.

11. Dispositivo según una de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizado porque el reactor (2) es un evaporador provisto de un recipiente para cubitos de hielo (3).

12. Dispositivo según la reivindicación 11, caracterizado porque el recipiente para los cubitos de hielo forma parte del evaporador.

13. Dispositivo según la reivindicación 11, caracterizado porque el recipiente para los cubitos de hielo se halla fijado o apoyado sobre una pared del evaporador que está en contacto con el fluido frigorífico en ebullición, directamente o a través de unas aletas.

14. Dispositivo según la reivindicación 12, caracterizado porque el evaporador se halla constituido por dos perfiles huecos que presentan concavidades diferentes y que se hallan unidos a través de sus bordes longitudinales, estando situado el perfil que presenta una más reducida concavidad por encima del perfil que presenta una mayor concavidad, estando orientadas hacia arriba las respectivas partes cóncavas, constituyendo el perfil que presenta la menos concavidad el recipiente para cubitos de hielo, mientras que el perfil que presenta la mayor concavidad constituye el depósito para el fluido frigorígeno.

15. Dispositivo según la reivindicación 14, caracterizado porque las concavidades se hallan constituidas por unas porciones de arcos circulares o elípticos de diámetro diferentes, estando los perfiles constituidos por porciones de tubos de sección cilíndrica o elíptica truncados longitudinalmente.

16. Dispositivo según la reivindicación 14, caracterizado porque los perfiles se hallan en contacto a través de su generatriz inferior.

17. Dispositivo según una de las reivindicaciones 11 a 16, caracterizado porque el recipiente para los cubitos de hielo se halla compartimentado por medio de tabiques.

18. Dispositivo según la reivindicación 17, caracterizado porque los tabiques son huecos y contienen un material con cambio de fase.

19. Dispositivo según la reivindicación 14, caracterizado porque el perfil inferior se halla provisto de alveolos llenos de un material con cambio de fase.

20. Dispositivo según la reivindicación 17, caracterizado porque los tabiques presentan escotaduras.

21. Dispositivo según la reivindicación 14, caracterizado porque en el espacio comprendido entre los dos perfiles se hallan situadas unas aletas.

22. Dispositivo según la reivindicación 21, caracterizado porque las aletas son huecas y contienen un material con cambio de fase.

23. Dispositivo según la reivindicación 13, caracterizado porque:

-: el recipiente para los cubitos de hielo se halla constituido por una cubeta (100);

-: el indicado recipiente se halla provisto de un aislante térmico (100) situado en su periferia;

\newpage

-: el referido recipiente es amovible y se adapta sobre la parte inferior del evaporador (102) el cual comporta igualmente un aislamiento térmico (108);

-: el evaporador (102) se halla provisto de aletas exteriores (101) que penetran en el recipiente para los cubitos de hielo, así como de aletas interiores (103);

-: el evaporador se halla provisto de una tubulura (104) que permite conexionarlo al resto del dispositivo.