ES2532206T3 - Procedimiento e instalación de enfriamiento criogénico usando CO2 líquido y empleando dos intercambiadores en serie - Google Patents

Abstract

Proceso que utiliza CO2 líquido como fluido criogénico para transferir frigorías a productos, proceso del tipo denominado de inyección indirecta donde el CO2 líquido se envía a un sistema de intercambiador térmico donde se evapora, pasando la transferencia de frío a los productos por un intercambio entre la atmósfera que rodea los productos y las paredes frías del intercambiador térmico, estando constituido el sistema de intercambiador por dos intercambiadores montados en serie, el segundo intercambiador (4/5) se mantiene a presión atmosférica o a una presión comprendida entre el punto triple del fluido y la presión atmosférica, caracterizado por que el primer intercambiador (2/3') se mantiene a una presión superior a la presión del punto triple del CO2.

Description

imagen1

DESCRIPCIÓN

Procedimiento e instalación de enfriamiento criogénico usando CO2 líquido y empleando dos intercambiadores en serie

La presente invención se refiere al campo de los procesos de enfriamiento que usan CO2.

5 Como se sabe, la utilización de CO2 en tales procesos de enfriamiento es muy ventajosa puesto que este fluido presenta una fase sólida a -80ºC a presión atmosférica, que permite usar para ciertas aplicaciones hielo seco, hielo muy eficaz en particular para aportar frío de manera localizada sin ninguna instalación frigorífica. Existen numerosas aplicaciones del CO2 sólido, como por ejemplo las bolsas de hielo carbónico cargadas en los contenedores de transporte de productos alimentarios o farmacéuticos, o incluso las utilizaciones para el mantenimiento en frío de las

10 comidas en el campo del transporte aéreo.

Sin embargo, cuando este gas se utiliza en intercambiadores de calor (inyección « indirecta »), típicamente de tubos

o de placas, esta ventaja se transforma en inconveniente porque la aparición intempestiva de la forma sólida del CO2 (nieve carbónica) en un intercambiador conduce muy rápidamente a la obstrucción del mismo. El documento D1 = EP-1 659 355 ilustra el estado de la técnica de tales implementaciones según el preámbulo de la reivindicación de

15 proceso 1 y una instalación según el preámbulo de la reivindicación 6.

Para evitar este inconveniente de paso a la fase sólida, se pretende evitar por tanto que aparezca la fase sólida del CO2, y se favorecen por tanto las condiciones que permiten que el CO2 permanezca en forma líquida o gaseosa en el conjunto de intercambiador.

Para que el intercambio térmico se realice permaneciendo en fase líquida y gaseosa (vaporización del CO2 líquido

20 sin riesgo de que se forme CO2 sólido), la presión en el tubo debe mantenerse a un valor superior a la presión teórica de 5,18 bar correspondiente a la presión del punto triple de este fluido. En la práctica, de alguna manera el sistema se mantiene a una presión de 6 a 7 bar, manteniendo así un margen de seguridad de 0,82 a 1,82 bar.

Mientras que la temperatura de sublimación del CO2 sólido a presión atmosférica es de -80ºC, el hecho de mantener la presión en el intercambiador a 6 bar relativos aumenta la temperatura de vaporización a aproximadamente -50ºC.

25 Por otro lado, el hecho de realizar el intercambio térmico a 6 bar y no a presión atmosférica, disminuye ligeramente la capacidad frigorífica del CO2. En efecto, cuando un kilogramo de CO2 extraído de un almacenamiento, por ejemplo en condiciones convencionales de tipo 20 bar absolutos / -20ºC, entra en un intercambiador, libera 277,97 kJ/kg si se propulsa a -50ºC en forma gaseosa a 6 bar relativos, mientras que para la misma cantidad de CO2, libera 292,6 kJ/kg cuando se propulsa a -50ºC a presión atmosférica, con una ganancia del 5%.

30 A modo de ejemplo, se han encontrado aplicaciones de utilización del CO2 propulsado a 6 bar después de pasar por un intercambiador en el transporte refrigerado en camión, aunque igualmente en túneles o cámaras de ultracongelación; cuando un intercambiador de calor se alimenta con CO2 líquido que se evapora en este intercambiador, extrae el calor del medio a enfriar y produce así el frío deseado; la transferencia del frío a los productos pasa por un intercambio con el aire interno del túnel, de la cámara o del camión mediante medios de

35 ventilación asociados a cada intercambiador.

Por lo tanto, se entiende que sería interesante poder proponer una solución técnica que permita realizar el intercambio térmico en un intercambiador de tipo de tubos o placas (intercambio indirecto), para aquellas temperaturas del intercambiador no obstante bajas (típicamente -50ºC), por supuesto sin poner en riesgo la formación de nieve y sin perder la capacidad calorífica del CO2 después de su expansión a 6 bar a presión

40 atmosférica.

Como se verá con más detalle más adelante, la presente invención propone una nueva solución de intercambio cuyas principales características pueden resumirse de la siguiente manera:

-la solución propuesta aquí reside en la configuración de intercambiador adoptada, donde el intercambiador, que puede ser por ejemplo de tipo de tubos o placas, está constituido por dos

45 intercambiadores montados en serie;

-el primer intercambiador puede alimentarse con CO2 líquido (por ejemplo en condiciones convencionales del tipo -20ºC/20 bar), encontrándose el líquido, antes de llegar al primer intercambiador, un expansor termostático o un conjunto de sonda de temperatura/regulador/válvula, u otro medio que permita ajustar el caudal de CO2 que alcanza el 1er intercambiador a las necesidades térmicas en juego, es decir, controlar un

50 sobrecalentamiento, en otras palabras, una diferencia de temperatura entre la temperatura correspondiente a la presión de vapor saturante (por ejemplo 6 bar, -53,1ºC) y por ejemplo -50ºC, que corresponde a 3,1º de sobrecalentamiento;

-manteniendo en este primer intercambiador una presión superior a 5,18 bar relativos, es decir, la temperatura de cambio de fase del CO2 (y se evita así la formación de nieve), se podrán mantener, por ejemplo, 6 bar absolutos gracias a un regulador o un conjunto de detector de presión/regulador/válvula, colocado a la salida de este primer intercambiador;

imagen2

-esta disposición permite asegurar que el CO2 está presente en el primer intercambiador en una forma estrictamente difásica líquido/gas, sin que en ningún momento las condiciones utilizadas permitan la 5 formación de sólido;

-la temperatura mínima obtenida en este primer intercambiador es entonces cercana a -50ºC;

-según uno de los modos de realización, el regulador a la salida del primer intercambiador va precedido de un separador de fases para evitar cualquier salida de líquido del primer intercambiador.

Este regulador así como la salida del primer intercambiador pueden estar instalados en la parte superior en la

10 instalación general, para evitar las salidas de líquido, pero las configuraciones donde los dos intercambiadores están en el mismo plano son perfectamente posibles.

La presencia opcional del separador mencionado anteriormente ayuda a reforzar la fiabilidad del sistema. Evita el suministro de líquido al regulador y, por lo tanto, la formación de nieve y la obstrucción del mismo.

-En resumen, el CO2 líquido se vaporiza en este primer intercambiador y el gas formado en el 15 intercambiador, por ejemplo a 6 bar, se libera en el segundo intercambiador;

-este segundo intercambiador está a presión atmosférica (y, en todo caso, a una presión inferior a la del punto triple del fluido), el gas pasa mientras entra en este segundo intercambiador de 6 bar (o de la presión mantenida más generalmente en el primer intercambiador) a la presión atmosférica (o, en todo caso, a una presión comprendida entre el punto triple del fluido y la presión atmosférica), produciendo frío, en concreto

20 una temperatura comprendida típicamente entre -60ºC y -70ºC;

-y este es el mérito de la presente invención, puesto que en el segundo intercambiador se utiliza entonces este frío, producido por la expansión a presión atmosférica, y se utiliza entonces toda la energía contenida en el CO2.

La presente invención se refiere entonces a un proceso que utiliza CO2 líquido como fluido criogénico para transferir

25 frigorías a los productos, proceso del tipo denominado de inyección indirecta donde el CO2 líquido es enviado a un sistema de intercambiador térmico donde se evapora, la transferencia de frío a los productos pasa por un intercambio entre la atmósfera que rodea los productos y las paredes frías del intercambiador térmico, estando constituido el sistema de intercambiador por dos intercambiadores montados en serie, caracterizado por que el primer intercambiador se mantiene a una presión superior a la presión del punto triple del CO2 y el segundo

30 intercambiador se mantiene a presión atmosférica o a una presión comprendida entre el punto triple del fluido y la presión atmosférica.

La presente invención se refiere igualmente a una instalación de transferencia de frigorías a productos que utiliza CO2 líquido, utilizando la instalación un proceso del tipo denominado de inyección indirecta y que comprende:

-un sistema de intercambiador térmico capaz de hacer circular el CO2 líquido; y

35 -medios de ventilación asociados al sistema de intercambiador térmico, capaces de poner en contacto la atmósfera que rodea los productos con las paredes frías del sistema de intercambiador térmico,

-utilizando la instalación las siguientes medidas:

-el sistema de intercambiador está constituido por dos intercambiadores montados en serie;

-la instalación comprende, aguas arriba de la entrada del primer intercambiador, un medio capaz

40 de ajustar el caudal de CO2 y de controlar el nivel de sobrecalentamiento con relación con la temperatura correspondiente a la presión de vapor saturante, tal como un expansor termostático o un conjunto de sonda de temperatura/regulador/válvula;

-caracterizado por que la instalación comprende un medio para mantener en el primer intercambiador una presión superior a la presión del punto triple del CO2, preferiblemente un

45 regulador o un conjunto de detector de presión/regulador/válvula,

-el segundo intercambiador está a presión atmosférica o a una presión comprendida entre el punto triple del fluido y la presión atmosférica.

Por lo tanto, la instalación comprende, si fuera apropiado, un medio para mantener en el segundo intercambiador la presión atmosférica o una presión comprendida entre el punto triple del fluido y la presión atmosférica.

50 Otras características y ventajas de la presente invención resultarán más evidentes en la siguiente descripción, realizada a título ilustrativo pero no limitativo, hecha en relación con las figuras 1 y 2 adjuntas que son representaciones esquemáticas parciales de instalaciones conformes a la invención, mostrando la figura 3 el perfil de temperatura esperado en el conjunto de intercambiador, en el lado del CO2 y del fluido termoportador (aire).

imagen3

Se reconoce en la figura 1 la presencia de los siguientes elementos y, por lo tanto, la trayectoria seguida por el CO2, 5 en sus diferentes fases, en esta instalación:

-el primer intercambiador puede alimentarse con CO2 líquido (por ejemplo en condiciones convencionales del tipo -20ºC/20 bar), encontrándose el líquido, antes de llegar al primer intercambiador, un expansor termostático (aguas abajo del punto 1 ) u otro medio que permita ajustar el caudal de CO2 que alcanza el 1er intercambiador a las necesidades térmicas en juego, es decir, controlar un sobrecalentamiento, en otras

10 palabras, una diferencia de temperatura entre la temperatura correspondiente a la presión de vapor saturante (por ejemplo 6 bar, -53,1 ºC) y por ejemplo -50ºC, que corresponde a 3,1ºC de sobrecalentamiento.

Aguas abajo del punto 2 el fluido entra en el 1er intercambiador.

-manteniendo en este primer intercambiador una presión superior a 5,18 bar relativos, la temperatura de

15 cambio de fase del CO2 (que permite así evitar la formación de nieve), gracias al regulador colocado a la salida de este primer intercambiador en la figura (regulador colocado entre los puntos 3 y 4);

-esta disposición permite asegurar que el CO2 está presente en el primer intercambiador en una forma estrictamente difásica líquido/gas, sin que en ningún momento las condiciones utilizadas permitan la formación de sólido;

20 -la temperatura mínima obtenida en este primer intercambiador es entonces de -50ºC;

-en el modo de realización aquí ilustrado, el regulador a la salida del primer intercambiador va precedido de un separador de fases (entre los puntos 3' y 3) para evitar cualquier salida de líquido del primer intercambiador. Para este modo de realización, tanto el regulador como la salida del primer intercambiador están instalados en la parte superior en la instalación general, para evitar las salidas de líquido.

25 -a la salida del punto 4 y, por lo tanto, del regulador, el gas entra en el segundo intercambiador, y vuelve a salir en el punto 5.

La tabla a continuación proporciona las propiedades termodinámicas del fluido en los diferentes puntos de la figura 1 y permite demostrar sin ambigüedad las ventajas de la invención en términos de rendimiento frigorífico. La tabla ilustra en particular varias condiciones de temperatura a las salidas de los intercambiadores.

30 Y para demostrar el interés de la presente invención, se compara exactamente la eficacia energética de un sistema que no utiliza la invención y de un sistema que utiliza la presente invención, en el caso en el que la temperatura final en el intercambiador es de -25ºC y en el caso en el que la temperatura final en el intercambiador es de -5ºC.

Considerando el 1er caso (la temperatura final en el intercambiador es de -25ºC):

-El caso de un sistema que utiliza un único intercambiador: 1 kg de CO2 libera 457 -154,5 = 302,5 kJ

35 -El caso de un sistema que utiliza dos intercambiadores según la invención: 1 kg de CO2 libera 464,5 154,5 = 310 kJ; o bien una ganancia energética del 2,5%.

Segundo caso de ilustración, en el que la temperatura final del intercambiador es de -5ºC:

-El caso de un sistema que utiliza un único intercambiador: 1 kg de CO2 libera 474,6 -154,5 = 320,1 kJ

-El caso de un sistema que utiliza dos intercambiadores según la invención: 1 kg de CO2 libera 480,8 40 154,5 = 326,3 kJ; o bien una ganancia del 1,9%.

imagen4

Tabla 1

Punto en la figura

T (ºC) P (bar abs)i H (kJ/kg)

1

-20,0 19,7 154,5

2

-53,1 6 154,5

3'

-53,1 6 431,6

3

-50,0 6 434,5

3 normal

-25,0 6,0 457,0

3 normal

-5,0 6,0 474,6

4

-63,1 1 434,5

5

-25,0 1 464,5

5

-5,0 1 480,8

Y el perfil de temperatura esperado en el intercambiador en el lado del CO2 y del fluido termoportador (por ejemplo

5 aire para una aplicación de transporte de productos congelados) observado en figura 3 demuestra que la presente invención tiene igualmente un impacto positivo sobre el perfil de temperatura en los intercambiadores: el hecho que la segunda etapa del intercambiador esté a presión atmosférica permite aprovechar un efecto criogénico como demuestran las curvas de esta figura 3.

Si la figura 1 presenta un primer ejemplo de modo de implementación de la invención, la figura 2 presenta otro, que 10 no describiremos en detalle aquí, porque puede comprenderse a partir de su lectura, ilustra la variante que utiliza:

-aguas arriba del primer intercambiador no un expansor termostático sino un conjunto de un orificio calibrado y una válvula de temperatura controlada;

-a la salida de primer intercambiador la instalación no comprende un regulador sino que comprende un conjunto de detector de presión/regulador/válvula.

15

Claims (7)

1. imagen1

   REIVINDICACIONES

   1. Proceso que utiliza CO2 líquido como fluido criogénico para transferir frigorías a productos, proceso del tipo denominado de inyección indirecta donde el CO2 líquido se envía a un sistema de intercambiador térmico donde se evapora, pasando la transferencia de frío a los productos por un intercambio entre la atmósfera que rodea los

   5 productos y las paredes frías del intercambiador térmico, estando constituido el sistema de intercambiador por dos intercambiadores montados en serie, el segundo intercambiador (4/5) se mantiene a presión atmosférica o a una presión comprendida entre el punto triple del fluido y la presión atmosférica, caracterizado por que el primer intercambiador (2/3') se mantiene a una presión superior a la presión del punto triple del CO2.
2. 2. Proceso según la reivindicación 1, caracterizado de la siguiente manera:

   10 -se alimenta CO2 líquido al primer intercambiador, encontrándose el líquido, antes de llegar al primer intercambiador, un medio (1/2) capaz de ajustar el caudal de CO2 y de controlar el nivel de sobrecalentamiento con relación con la temperatura correspondiente a la presión de vapor saturante;

   -se mantiene en el primer intercambiador una presión superior a la presión del punto triple del CO2;

   -se realiza la vaporización del CO2 líquido en el primer intercambiador, y se dirige el gas así formado al

   15 segundo intercambiador, que lo mantiene a presión atmosférica o a una presión comprendida entre el punto triple del fluido y la presión atmosférica.

3. 3.

   Proceso según la reivindicación 2, caracterizado por que dicho medio capaz de ajustar el caudal es un expansor termostático o un conjunto constituido por una sonda de temperatura, un regulador y una válvula.

4. 4.

   Proceso según las reivindicaciones 2 o 3, caracterizado por que se mantiene en el primer intercambiador una

   20 presión superior a la presión del punto triple del CO2 gracias a la presencia de un regulador (3/4) o de un conjunto constituido por un detector de presión, un regulador y una válvula, colocado a la salida de este primer intercambiador.
5. 5. Proceso según la reivindicación 4, caracterizado por que el regulador a la salida del primer intercambiador va precedido de un separador de fases (3'/3).

   25 6. Instalación de transferencia de frigorías a productos usando CO2 líquido, utilizando la instalación un proceso del tipo denominado de inyección indirecta y que comprende:

   -un sistema de intercambiador térmico capaz de hacer circular el CO2 líquido; y

   -medios de ventilación asociados al sistema de intercambiador térmico, capaces de poner en contacto la atmósfera que rodea los productos con las paredes frías del sistema de intercambiador térmico,

   30 utilizando la instalación las siguientes medidas:

   -el sistema de intercambiador está constituido por dos intercambiadores montados en serie (2/3', 4/5);

   -la instalación comprende, aguas arriba de la entrada del primer intercambiador, un medio (1/2) capaz de ajustar el caudal de CO2 y de controlar el nivel de sobrecalentamiento con relación con la temperatura correspondiente a la presión de vapor saturante;

   35 -el segundo intercambiador está a presión atmosférica o a una presión comprendida entre el punto triple del fluido y la presión atmosférica, caracterizado por que la instalación comprende un medio para mantener en el primer intercambiador una presión superior a la presión del punto triple del CO2.
6. 7. Instalación según la reivindicación 6, caracterizada por que dicho medio capaz de ajustar el caudal es un expansor termostático o un conjunto constituido por una sonda de temperatura, un regulador y una válvula.

   40 8. Instalación según la reivindicación 6 o 7, caracterizada por que dicho medio para mantener en el primer intercambiador una presión superior a la presión del punto triple del CO2 es un regulador (3/4) o un conjunto constituido por un detector de presión, un regulador y una válvula, colocado a la salida de este primer intercambiador.
7. 9. Instalación según una de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizada por que comprende un separador de fases

   45 (3'/3), intercalado aguas arriba del medio para mantener el primer intercambiador a una presión superior a la presión del punto triple del CO2.

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