MXPA99011766A - Sistema de refrigeracion de carga variable particularmente para temperaturas criogenicas - Google Patents

Abstract

Un método para generar refrigeración, especialmente sobre un amplio rango de temperatura que incluye temperaturas criogénicas, en donde se forma una mezcla no tóxica, no inflamable y poco o no reductora de ozono a partir de componentes definidos y mantenida en forma de carga variable a través de pasos de compresión, enfriamiento, expansión y calentamiento en un ciclo de refrigeración.

Description

SISTEMA DE REFRIGERACIÓN DE CARGA VAR IABLE PARTICULARMENTE PARA TEMPERATURAS CRIOGÉN ICAS CAMPO TÉCN ICO Esta invención se refiere de manera general a refrigeración y, más particularmente, al uso de fluidos refrigerantes de componentes múltiples. La invención es útil particularmente para proporcionar refrigeración hasta temperaturas criogénicas.

ANTECEDENTES DE LA TÉCNICA La refrigeración se genera convencionalmente comprimiendo y después expandiendo un fluido refrigerante dentro de un circuito de refrigeración. Ejemplos bien conocidos de tales sistemas convencionales incluyen refrigeradores y acondicionadores de aire. Típicamente el refrigerante es un componente fluido sencillo que sufre un cambio de fase a una temperatura requerida de un líquido a un gas haciendo así su calor latente de vaporización disponible para propósitos de enfriamiento. La eficiencia del sistema convencional puede ser mejorada usando un fluido de componentes múltiples como el refrigerante el cual puede proporcionar cantidades variables de refrigeración sobre un rango requerido de temperatura. Sin embargo, ciclos de refrigeración con fluidos de componentes múltiples no pueden proporcionar efectivamente refrigeración sobre un rango amplio de temperatura hasta temperaturas criogénicas más frías. Además, la mayoría de los fluidos refrigerantes bien conocidos son tóxicos, inflamables y/o reductores de ozono. Consecuentemente, es un objetivo de esta invención proporcionar un método para generar refrigeración usando un fluido refrigerante de componentes múltiples el cual puede proporcionar refrigeración en un amplio rango de temperatura hasta temperaturas criogénicas. Es otro objetivo de esta invención proporcionar un fluido refrigerante de componentes múltiples el cual no es tóxico, no inflamable, y poco o no reductor de ozono.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Los anteriores y otros objetivos, los cuales se harán aparentes para aquellos expertos en la técnica a la lectura de esta descripción , se obtienen mediante la presente invención, un aspecto de la cual es: Un método para generar refrigeración que comprende: (A) comprimir una mezcla refrigerante de carga variable que comprende por lo menos un componente del grupo que consiste de fluorocarburos, hidrofluorocarburos, y fluoroéteres y por lo menos un componente del grupo que consiste de fluorocarburos, hidrofluorocarburos, hidroclorofluorocarburos, fluoroéteres, gases atmosféricos e hidrocarburos para producir una mezcla refrigerante de carga variable comprimida; (B) enfriar la mezcla refrigerante de carga variable comprimida para producir una mezcla refrigerante de carga variable comprimida enfriada; (C) expandir la mezcla refrigerante de carga variable comprimida, enfriada y generar refrigeración para producir una mezcla refrigerante de carga variable de temperatura menor; y (D) calentar la mezcla refrigerante de carga variable de temperatura menor. Otro aspecto de la invención es: Una mezcla refrigerante la cual es no tóxica, no inflamable y poco reductora de oxígeno que comprende por lo menos un componente del grupo que consiste de fluorocarburos, hidrofluorocarburos, y fluoroéteres y por lo menos un componente del grupo que consiste de fluorocarburos, hidrofluorocarburos, hidroclorofluorocarburos, fluoroéteres, gases atmosféricos e hidrocarburos. Como se usa en la presente el término "refrigerante de carga variable" significa una mezcla de dos o más componentes en proporciones tales que la fase líquida de estos componentes sufre un cambio de temperatura continuo y creciente entre el punto de burbuja y el punto de rocío de la mezcla. El punto de burbuja de la mezcla es la temperatura, a una presión dada, en donde la mezcla está toda en la fase líquida pero agregando calor se iniciará la formación de una fase vapor en equilibrio con la fase líquida. El punto de rocío de la mezcla es la temperatura, a una presión dada, en donde la mezcla está toda en la fase vapor pero quitando calor se iniciará la formación de una fase líquida en equilibrio con la fase vapor. Por lo tanto, la región de temperatura entre el punto de burbuja y el punto de rocío de la mezcla es la región en donde ambas fases líquida y vapor coexisten en equilibrio. En la práctica de esta invención las diferencias de temperatura entre el punto de burbuja y el punto de rocío para el refrigerante de carga variable es por lo menos 10° K, de preferencia por lo menos 20° K y lo más preferiblemente por lo menos 50° K. Como se usa en la presente, el término "fluorocarburo" significa uno de los siguientes: tetrafluorometano (CF4), perfluoroetano (C2F6), perfluoropropano (C3F8) , perfluorobutano (C4F10) , perfluoropentano (C5F12) , perfluoroeteno (C2F4), perfluoropropeno (C3F6), perfluorobuteno (C4F8), perfluoropenteno (C5F10), hexafluorociclopropano (ciclo-C3F6), y octafluorociclobutano (ciclo-C F8). Como se usa en la presente, el término "hidrofluorocarburo" significa uno de los siguientes: fluoroformo (CH F3), pentafluoroetano (C H F5) , tetrafluoroetano (C2H2F4), heptafluoropropano (C3H F7), hexafluoropropano (C3H2F6) , pentafluoropropano (C3H3Fs), tetrafluoropropano (C3H4F4) , nonafluorobutano (C4HF9), octafluorobutano (C4H2F8), undecafluoropentano (C5HF . . ), fluoruro de metilo (CH3F), difluorometano (CH F2), fluoruro de etilo (C2H5F), difluoroetano (C2H4F2), trifluoroetano (C2H3F3), difluoroeteno (C2H2F2), trifluoroeteno (C2H F3), fluoroeteno (C2H3F), pentafluoropropeno (C3H FS), tetrafluoropropeno (C3H2F ) , trifluoropropeno (C3H3F3), difluoropropeno (C3H F2), heptafluorobuteno (C4H F7), hexafluorobuteno (C4H2F6), y nonafluoropenteno (C5H F9). Como se usa en la presente, el término "hidroclorofluorocarburo" significa uno de los siguientes: clorodifluorometano (CHCI F2), clorofluorometano (CH2CIF), clorometano (C H3CI), diclorofluorometano (CHCI2F), clorotetrafluoroetano (C2HCIF4), clorotrifluoroetano (C2H2CIF3), clorodifluoroetano (C2H3CIF2) , clorofluoroetano (C2H4CIF), diclorodifluoroetano (C2H2CI2F2), diclorofluoroetano (C2H3CI2F), dicloroetano (C2H4CI2), triclorofluoroetano (C2H2CI3F), triclorodifluoroetano (C2HCI3F2), tricloroetano (C2H3Cl3), tetraclorofluoroetano (C2HCI F), cloroeteno (C2H3CI), dicloroeteno (C2H2CI2), diclorofluoroeteno (C2H2CIF), y diclorodifluoroeteno (C2HCIF2). Como se usa en la presente, el término "fluoroéter" significa uno de los siguientes: trifluorometoxi-perfluorometano (CF3-O-CF3), difluorometoxi-perfluorometano (CHF2-O-CF3), fluorometoxi-perfluorometano (CH2F-O-CF3), difluorometoxi-difluorometano (CHF2-O-CHF2), difluorometoxi-perfluoroetano (CHF2-O-C2F5), difluorometoxi-1 ,2,2,2-tetrafluoroetano (CHF2-O-C2H F ), difluorometoxi-1 , 1 ,2,2-tetrafluoroetano (CHF2-O-C2HF4), perfluoroetoxi-fluorometano (C2F5-O-CH2F), perfluorometoxi-1 , 1 ,2-trifluoroetano (CF3-O-C2H2F3), perfluorometoxi-1 ,2,2-trifluoroetano (CF3-O-C2H2F3), ciclo-1 , 1 ,2,2-tetrafluoropropiléter (ciclo-C3H F4-O-), ciclo-1 , 1 ,3,3-tetrafluoropropiléter (ciclo-C3H2F4-O-), perfluorometoxi-1 , 1 ,2,2-tetrafluoroetano (CF3-O-C2H F4), ciclo-1 , 1 ,2,3,3-pentafluoropropiléter (ciclo-C3H5-O-), perfluorometoxi-perfluoroacetona (CF3-O-CF2-O-CF3), perfluorometoxi-perfluoroetano (CF3-O-C2Fs), perfluorometoxi-1 ,2,2,2-tetrafluoroetano (CF3-O-C2H F4), perfluorometoxi-2,2,2-trifluoroetano (CF3-O-C2H2F3), ciclo-perfluorometoxi-perfluoroacetona (ciclo-CF2-O-CF2-O-CF2-), y ciclo-perfluoropropiléter (ciclo-C3F6-O).

Como se usa en la presente, el término "gas atmosférico" significa uno de los siguientes: nitrógeno (N2), argón (Ar), criptón (Kr), xenón (Xe), neón (Ne), dióxido de carbono (CO2), oxígeno (O2), y helio (He). Como se usa en la presente, el término "hidrocarburo" significa uno de los siguientes: hidrógeno (H2), metano (CH4), etano (C2H6), eteno (C2H4), propano (C3H8), propeno (C3H6), butano (C H10), buteno (C4H8), ciclopropano (C3H6), y ciclobutano (C H8). Como se usa en la presente, el término "no tóxico" significa no plantear un peligro agudo o crónico cuando se maneja de acuerdo con limites de exposición aceptables. Como se usa en la presente, el término "no inflamable" significa que o no tiene punto de flasheo o punto de flasheo muy alto de por lo menos 600° K. Como se usa en la presente, el término "reductor bajo de ozono" significa que tiene un potencial reductor de ozono menor que 0.15 como lo define la convención del Protocolo de Montreal en donde el diclorofluorometano (CCI2F2) tiene un potencial reductor de ozono de 1 .0. Como se usa en la presente, el término "no reductor de ozono" significa que no tiene componente que contenga un átomo de cloro, bromo o yodo. Como se usa en la presente, el término "punto de ebullición normal" significa la temperatura de ebullición a una presión de una atmósfera estándar, es decir, 1.034 kilogramos por centímetro cuadrado absolutos.

Como se usa en la presente, el término "temperatura criogénica" significa una temperatura de 150° K o menos. Como se usa en la presente, el término "intercambio de calor indirecto" significa poner dos líquidos en relación de intercambio de calor sin ningún contacto físico o intermezclado de fluidos entre ellos. Como se usa en la presente, el término "expansión" significa efectuar una reducción en presión. Como se usa en la presente, los términos "turbo expansión" y "turbo expansor" significan respectivamente método y aparato para el flujo de fluido a alta presión a través de una turbina para reducir la presión y la temperatura del fluido generando con esto refrigeración.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es un diagrama generalizado de temperatura contra concentración para una mezcla refrigerante de carga variable a una presión dada. La Figura 2 es una representación esquemática de un sistema en donde puede ser practicada la invención. La Figura 3 es una representación esquemática de otro sistema en donde puede ser practicada la invención. La Figura 4 es una representación esquemática de un sistema de tres circuitos en donde puede ser usada la invención para proporcionar refrigeración en un amplio rango de temperaturas.

DESCR I PCIÓN DETALLADA La invención comprende una mezcla refrigerante compuesta de componentes definidos en proporciones que forman una mezcla refrigerante de carga variable y el uso de tal mezcla refrigerante en un ciclo de refrigeración. La mezcla refrigerante de carga variable puede ser en fases de todo gas, gas/líquido, o todo líquido dependiendo del proceso y la posición dentro del proceso, es decir, la posición de intercambio de calor (parte superior, media, fondo). De preferencia, el ciclo es un ciclo de circulo cerrado. Las mezclas refrigerantes de carga variable muestran un cambio de temperatura suave que acompaña un cambio de fase. Esto se muestra en la Figura 1 , un diagrama de temperatura versus concentración de una mezcla refrigerante de carga variable a una presión dada. Con cualquier mezcla dada de componentes A y B (x mezcla) a temperatura (t mezcla), 2 fases existirán, la composición del vapor saturado (x mezcla v) diferirá del líquido en equilibrio con el vapor y el líquido tendrá la composición (x mezcla I). Conforme la temperatura es disminuida, ambas, la composición de fase líquida y la composición de fase vapor cambiarán enriqueciéndose cada una en componente B. La mezcla que se condensa está cambiando constantemente su composición y así su temperatura de condensación. Es este aspecto lo que hace posible mejorar el rendimiento de un ciclo de refrigeración. La mejoría del ciclo está relacionada al uso de componentes múltiples, cada uno con su propio punto de ebullición normal y calor latente de evaporación asociado. La selección apropiada de los componentes de refrigerante, concentraciones óptimas en la mezcla, junto con niveles de presión operativos, y ciclos de refrigerante, permiten la generación de cantidades variables de refrigeración en el rango de temperatura requerido. La provisión de la refrigeración variable como una función de la temperatura permite el control óptimo de diferencias de temperatura de intercambio de calor dentro del sistema usuario de refrigeración y con esto reduce los requerimientos de energía del sistema. La mezcla refrigerante de carga variable de esta invención comprende por lo menos un componente del grupo que consiste de fluorocarburos, hidrofluorocarburos, y fluoroéteres y por lo menos un componente del grupo que consiste de fluorocarburos, hidrofluorocarburos, hidroclorofluorocarburos, fluoroéteres, gases atmosféricos e hidrocarburos. Una mezcla refrigerante de carga variable preferida de esta invención comprende por lo menos dos componentes del grupo que consiste de fluorocarburos, hidrofluorocarburos, y fluoroéteres y por lo menos un componente del grupo que consiste de fluorocarburos, hidrofluorocarburos, hidroclorofluorocarburos, fluoroéteres, gases atmosféricos e hidrocarburos. Otra mezcla refrigerante de carga variable preferida de esta invención comprende por lo menos un fluorocarburo y por lo menos un componente del grupo que consiste de hidrofluorocarburos y gases atmosféricos. Otra mezcla refrigerante de carga variable preferida de esta invención comprende por lo menos un fluorocarburo, por lo menos un hidrofluorocarburo y por lo menos un gas atmosférico.

Otra mezcla refrigerante de carga variable preferida de esta invención comprende por lo menos tres componentes del grupo que consiste de fluorocarburos, hidrofluorocarburos, y fluoroéteres y por lo menos un componente del grupo que consiste de fluorocarburos, hidrofluorocarburos, hidroclorofluorocarburos, fluoroéteres, hidrocarburos y gases atmosféricos. Otra mezcla refrigerante de carga variable preferida de esta invención comprende por lo menos dos componentes del grupo que consiste de fluorocarburos, hidrofluorocarburos, y fluoroéteres y por lo menos un gas atmosférico. Otra mezcla refrigerante de carga variable preferida de esta invención comprende por lo menos dos componentes del grupo que consiste de fluorocarburos, hidrofluorocarburos, y fluoroéteres y por lo menos un gas atmosférico y por lo menos un componente del grupo que consiste de fluorocarburos, hidrofluorocarburos, hidroclorofluorocarburos, fluoroéteres, hidrocarburos y gases atmosféricos. Otra mezcla refrigerante de carga variable preferida de esta invención comprende por lo menos dos componentes del grupo que consiste de fluorocarburos, hidrofluorocarburos, y fluoroéteres y por lo menos dos gases atmosféricos. Otra mezcla refrigerante de carga variable preferida de esta invención incluye por lo menos un fluoroéter, es decir, comprende por lo menos un fluoroéter y por lo menos un componente del grupo que consiste de fluorocarburos, hidrofluorocarburos, hidroclorofluorocarburos, fluoroéteres, hidrocarburos y gases atmosféricos. En una modalidad preferida de la invención la mezcla refrigerante de carga variable no contiene hidroclorofluorocarburos. En otra modalidad preferida de la invención el refrigerante de carga variable no contiene hidrocarburos. Lo más preferido, el refrigerante de carga variable no contiene hidroclorofluorocarburos ni hidrocarburos. Lo más preferible, el refrigerante de carga variable es no tóxico, no inflamable y no reductor de ozono y cada componente de la mezcla refrigerante de carga variable es ya sea un fluorocarburo, hidrofluorocarburo, fluoroéter o gas atmosférico. En una modalidad preferida de la invención el refrigerante de carga variable consiste solamente de fluorocarburos. En otra modalidad preferida de la invención el refrigerante de carga variable consiste solamente de fluorocarburos e hidrofluorocarburos. En otra modalidad preferida de la invención el refrigerante de carga variable consiste solamente de fluorocarburos y gases atmosféricos. En otra modalidad preferida de la invención el refrigerante de carga variable consiste solamente de fluorocarburos, hidrofluorocarburos y fluoroéteres. En otra modalidad preferida de la invención el refrigerante de carga variable consiste solamente de fluorocarburos, fluoroéteres y gases atmosféricos. Lo más preferible, cada componente del refrigerante de carga variable es ya sea un fluorocarburo, hidrofluorocarburo, fluoroéter o un gas atmosférico.

La invención es particularmente ventajosa para usarse para alcanzar temperaturas criogénicas eficientemente a partir de temperaturas ambiente. Las Tablas 1 -15 enlistan ejemplos preferidos de mezclas refrigerantes de carga variable de esta invención. Los rangos de concentración dados en las Tablas están en por ciento en mol. Los ejemplos mostrados en las Tablas 1 -5 son mezclas preferidas para generar refrigeración por arriba de aproximadamente 200° K y los ejemplos mostrados en las Tablas 6-15 son mezclas preferidas para generar refrigeración por debajo de aproximadamente 200° K.

TABLA 1 COMPONENTE RANGO DE CONCENTRACIÓN CsF .2 5-35 C4F .o 0-25 C3F8 10-50 C2F6 10-60 CF4 0-25 TABLA 2 COMPONENTE RANGO DE CONCENTRACIÓN CsF .2 5-35 C3F8 10-50 CHF3 10-60 CF4 0-25 TABLA 3 COMPONENTE RANGO DE CONCENTRACIÓN C3H3F5 5-35 C2H2F4 5-20 C2HFS 5-20 C2F6 10-60 CF4 0-25 TABLA 4 COMPONENTE RANGO DE CONCENTRACIÓN CHF2-O-C2HF4 5-35 C4F?o 0-25 15 CF3-O-CHF2 10-25 C2F6 10-60 CF4 0-25 TABLA 5 COMPONENTE RANGO DE CONCENTRACIÓN CHF2-O-C2HF_ 5-35 C3H2Fs 0-25 25 CF3-O-CHF2 10-50 CHF3 10-60 CF4 0-25 TABLA 6 COMPONENTE RANGO DE CONCENTRACIÓN CsF12 5-25 C4F . o 0-15 CsFjt 10-40 CF4 10-50 Ar 0-40 N2 10-80 10 TABLA 7 COMPONENTE RANGO DE CONCENTRACIÓN C3H3F5 5-25 15 C4F . o 0- 1 5 C3F8 10-40 CHF3 0-30 CF4 10-50 Ar 0-40 20 He 10-80 TABLA 8 COMPON ENTE RANGO DE CONCENTRACIÓN C3H3FS 5-25 C2H2F4 0-20 C2HF5 5-20 C2F6 0-30 CF4 10-50 30 Ar 0-40 N2 10-80 TABLA 9 COMPONENTE RANGO DE CONCENTRACIÓN CHF2-O-C2H F4 5-25 C4H 10 0-15 CF3-O-CHF2 10-40 C2F6 0-30 CF4 10-50 Ar 0-40 10 N2 10-80 TABLA 10 COMPONENTE RANGO DE CONCENTRACIÓN C3H3F5 5-25 CsH2F8 0-15 CF3-O-CHF2 10-40 CHF3 0-30 CF4 0-25 20 Ar 0-40 N2 10-80 TABLA 11 COMPONENTE RANGO DE CONCENTRACIÓN CsF.2 5-25 C4F.o 0-15 C3F8 10-40 C2F6 0-30 CF4 10-50 Ar 0-40 N2 10-80 10 Ne 0-10 He 0-10 TABLA 12 15 COMPONENTE RANGO DE CONCENTRACIÓN C3H3F5 5-25 C4F.o 0-15 C3F8 10-40 CHF3 0-30 20 CF4 10-50 Ar 0-40 N2 10-80 Ne 0-10 He 0-10 25 TABLA 1 3 COMPONENTE RANGO DE CONCENTRACIÓN C3H3F5 5-25 C3H2F6 0-1 5 5 C2H2F4 5-20 C2HF5 5-20 C2F6 0-30 CF4 10-50 Ar 0-40 10 N2 10-80 Ne 0-10 He 0-10 TABLA 14 COM PONENTE RA NGO DE CONCENTRACIÓN CH F2-O-C2H F A 5-25 C4H?o 0-15 CF3-O-CHF2 10-40 20 CF3-O-CF3 0-20 C2FS 0-30 CF4 10-50 Ar 0-40 N2 10-80 25 Ne 0-10 He 0-10 TABLA 15 COM PONENTE RANGO DE CONCENTRACIÓN C3H3F5 5-25 CF3-O-CHF2 10-40 CHF3 0-30 CF4 0-25 Ar 0-40 N2 10-80 Ne 0-10 He 0-10 La Figura 2 ilustra un ciclo de refrigeración en donde puede ser practicada la invención. Haciendo referencia ahora a la Figura 2, la mezcla refrigerante de carga variable de esta invención recircula en un circuito 1 de refrigeración. El refrigerante 2 es comprimido mediante paso a través del compresor 3 para formar un fluido 4 refrigerante comprimido, enfriado a cerca de la temperatura ambiente mediante paso a través del post-enfriador 70, y enfriado entonces y de preferencia por lo menos parcialmente licuado mediante paso a través del cambiador de calor 5. A menos que se especifique otra cosa, cada paso de intercambio de calor ilustrado en los dibujos es un paso de intercambio de calor indirecto. El fluido 6 refrigerante enfriado es estrangulado entonces, es decir expandido, a través de la válvula 7 a una presión menor. La expansión por presión se puede realizar mediante una turbina, tal como una expansión de gas, expansión de dos fases, o turbina de expansión de líquido. La refrigeración producida puede ser utilizada en un nivel de temperatura sencillo o angosto enfriando un fluido 8 mediante intercambio de calor indirecto en el intercambiador de calor 9, o puede ser utilizada en un rango de temperatura mucho más amplio en el intercambiador de calor 5. La refrigeración puede ser usada para enfriar una o más corrientes de fluido que pasan a través del ¡ntercambiador de calor 5 como lo ilustra la corriente 10 a contra corriente y la corriente 1 1 concurrente. Aunque sobre una base global, la corriente 1 1 se muestra como siendo calentada en el intercambiador 5, en una base local puede ser enfriada dentro del intercambiador 5. La mezcla refrigerante calentada resultante se pasa entonces como corriente 2 al compresor 3 y el ciclo se repite. El arreglo de enfriamiento podría incluir también un circuito 12 pre-enfriador en donde una mezcla refrigerante 13 de carga variable de esta invención diseñada para proveer refrigeración en niveles intermedios de temperatura es comprimida en el compresor 14 pre-enfriador, enfriada a temperatura ambiente en el post-enfriador 71 , y el fluido comprimido 15 resultante es enfriado en el intercambiador de calor 5. El fluido 16 enfriado resultante es estrangulado a través de una válvula o una turbina 17 adecuada para generar refrigeración y el fluido refrigerante 18 de menor temperatura resultante es calentado y reciclado después como corriente 13 al compresor 14. El efecto del circuito pre-enfriador puede ser realizado por remoción intermedia de algo de la mezcla refrigerante y reciclando el líquido como se ilustra en la Figura 3. El aspecto de reciclado de líquido proporciona flexibilidad de proceso para igualar las mezclas refrigerantes a los rangos requeridos de temperatura y evita enfriamiento innecesario y congelamiento potencial del refrigerante líquido. Los numerales en la Figura 3 son los mismos de aquellos de la Figura 2 para los elementos comunes los cuales no serán descritos en detalle otra vez. Haciendo referencia ahora a la Figura 3, el fluido refrigerante 20 es comprimido mediante paso a través del compresor 21 para formar el fluido refrigerante 22 comprimido el cual es enfriado del calor de compresión hasta cerca de la temperatura ambiente por el post-enfriador 71 y enfriado después y parcialmente condensado por travesía parcial del intercambiador de calor 5. La mezcla refrigerante 23 de dos fases enfriada se pasa al separador de fases 24 en donde es separada en vapor y líquido. El vapor 25 es enfriado adicionalmente a través del intercambiador de calor 5, estrangulado a través de la válvula 26 y calentado mediante paso a través del intercambiador de calor 9 y/o 5. El líquido 27 se pasa a través de la válvula 28 y vaporizado después mediante paso a través del intercambiador de calor 5. En la modalidad ilustrada en la Figura 3, el líquido se combina con el vapor de presión menor el cual es estrangulado a través de la válvula 26 antes de evaporación. La mezcla refrigerante calentada resultante es regresada después como corriente 29 al compresor 21 y el ciclo de refrigeración comienza otra vez. Aunque se ilustra una separación de fase sencilla, se entiende que podrían ser utilizadas separaciones de fases múltiples en diferentes niveles de temperatura para proporcionar circuitos de pre-enfriamiento en etapas.

La invención es útil particularmente para proporcionar refrigeración desde temperatura ambiente hasta temperatura criogénica, aún tan baja como una temperatura de 5o K. Aunque la invención puede ser usada para proporcionar tal refrigeración sobre este rango entero de temperatura en un circuito sencillo, es preferible generalmente proporcionar esta refrigeración en una pluralidad de circuitos en cascada. El uso de circuitos en cascada múltiples permite a cada circuito proporcionar refrigeración en un rango seleccionado de temperatura. Con esto la selección de una mezcla refrigerante adecuada se facilita, puesto que la mezcla seleccionada solamente necesita ser operable sobre un rango de temperatura más limitado. Note que aunque cada circuito en cascada tiene el propósito de proveer refrigeración principalmente sobre su rango de temperatura asociado, también puede proveer alguna refrigeración en niveles mayores de temperatura. Así, los circuitos en cascada pueden traslaparse algo entre ellos con respecto a la provisión de refrigeración en un rango dado de temperatura. El sistema de circuitos en cascada se ilustra y discute en conjunto con la Figura 4. Haciendo referencia ahora a la Figura 4 fluido refrigerante de carga variable de temperatura mayor que comprende dos o más de, por ejemplo, tetrafluorometano, fluoroformo, perfluoropropano, perfluorobutano, pentafluoropropano, tetrafluoroetano, difluorometoxi-difluorometano, y perfluoropentano, recircula en el circuito 30 de temperatura mayor en donde la refrigeración se proporciona desde la temperatura ambiente de aproximadamente 300° K hasta aproximadamente 200° K. El fluido refrigerante 31 de temperatura mayor a aproximadamente 300° K es comprimido en el compresor 32, enfriado a través del enfriador 33 y el intercambiador de calor 60 y estrangulado a través de la válvula 34 para producir el fluido refrigerante 35 de temperatura menor a aproximadamente 200° K. El fluido refrigerante de temperatura menor es calentado entonces otra vez hasta aproximadamente 300° K y regresado como corriente 31 al compresor 32. El fluido refrigerante de carga variable de temperatura intermedia, que puede contener nitrógeno y/o argón además de uno o más de los componentes mencionados para el fluido de temperatura mayor, recircula en el circuito 40 de temperatura intermedia en donde se proporciona refrigeración desde aproximadamente 200° K hacia abajo hasta aproximadamente 100° K. El fluido refrigerante 41 de temperatura intermedia es comprimido en el compresor 42, enfriado a través del enfriador 43 e intercambiadores de calor 60 y 61 , y estrangulado a través de la válvula 44 para producir fluido refrigerante 45 de temperatura menor a aproximadamente 100° K el cual es calentado y regresado después como corriente 41 al compresor 42. El fluido refrigerante de temperatura muy baja que comprende 2 o más de nitrógeno, argón, helio, neón e hidrógeno recircula en el circuito 50 de temperatura muy baja en donde el nivel de temperatura se lleva desde aproximadamente 100° K hasta aproximadamente 20° K o aún más bajo. El fluido refrigerante 51 de temperatura muy baja es comprimido en el compresor 52, enfriado a través del enfriador 53 e intercambiadores de calor 60, 61 y 62, y estrangulado a través de la válvula 54 para producir fluido refrigerante 55 de temperatura más baja a aproximadamente 20° K o más bajo el cual es calentado mediante paso a través del calentador 56 e intercambiadores de calor 62, 61 y 60 y regresado después como corriente 51 al compresor 52. La invención es útil especialmente para proporcionar refrigeración en un amplio rango de temperatura, particularmente uno en el cual se abarquen temperaturas criogénicas. En una modalidad preferida de la invención, cada uno de los dos o más componentes de la mezcla refrigerante de carga variable tiene un punto de ebullición normal el cual difiere en por lo menos 20 grados Kelvin del punto de ebullición de cada otro componente en esa mezcla refrigerante. Esto aumenta la efectividad para proporcionar refrigeración sobre un amplio rango de temperatura, particularmente uno que abarque temperaturas criogénicas. En una modalidad particularmente preferida de la invención, el punto de ebullición normal del componente de ebullición más alto del fluido refrigerante de componentes múltiples es por lo menos 50° K, de preferencia por lo menos 100° K, más preferiblemente por lo menos 200° K, mayor que el punto de ebullición normal del componente de ebullición más bajo del fluido refrigerante de componentes múltiples. Los componentes y sus concentraciones que hacen la mezcla refrigerante de esta invención son tales que forman una mezcla refrigerante de carga variable y mantienen de preferencia tal característica de carga variable en todo el rango completo de temperatura del método de la invención. Esto aumenta marcadamente la eficiencia con la cual puede ser generada la refrigeración y utilizada sobre tal rango amplio de temperatura. El grupo definido de componentes tiene un beneficio agregado porque pueden ser usados para formar mezclas que son no tóxicas, no inflamables y poco o no reductoras de ozono. Esto proporciona ventajas adicionales sobre refrigerantes convencionales los cuales son típicamente tóxicos, inflamables y/o reductores de ozono. Una mezcla refrigerante de carga variable preferida de esta invención la cual es no tóxica, no inflamable y no reductora de ozono comprende dos o más componentes del grupo que consiste de C5F12, CHF2-O-C2HF4, C4HF9, C3H3FS, C2Fs-O-CH2F, C3H2F6, CHF2-O-CHF2, C4F10, CF3-O-C2H2F3, C3HF7, CH2F-O-CF3, C2H2F4, CHF2-O-CF3, C3Fß, C2HFS, CF3-O-CF3, C2F6, CHF3, CF4, O2, Ar, N2, Ne y He. La invención puede ser usada para generar refrigeración para un gran número de usos, especialmente para aplicaciones criogénicas. Entre tales usos puede uno nombrar procesos de separación de gases tales como separaciones criogénicas de aire y otras separaciones criogénicas y mejoramiento de calidad de gas natural, aparatos de licuefacción, congelamiento de alimentos, recuperación de gas venteado, bombeo de calor, almacenaje criogénico de líquidos y recondensación, cristalización, solificación en recipientes de transporte, molienda a baja temperatura, almacenaje y transporte de productos químicos, almacenaje y transporte de material biológico y médico, y cuartos refrigerados, es decir cuartos fríos utilizados para manejo y almacenaje de materiales. Aunque la invención ha sido descrita con referencia a ciertas modalidades preferidas, aquellos expertos en el arte reconocerán que hay otras modalidades de la invención dentro del espíritu y el alcance de las reivindicaciones.

Claims (10)

1. REIVI NDICACIONES 1. Un método para generar refrigeración que comprende: A) comprimir una mezcla de refrigerante de carga variable que comprende por lo menos un componente del grupo que consiste de fluorocarburos, hidrofluorocarburos fluoroéteres y por lo menos un componente del grupo que consiste de fluorocarburos, hidrofluorocarburos, hidroclorofluorocarburos, fluoroéteres, gases atmosféricos e hidrocarburos para producir una mezcla refrigerante de carga variable comprimida; B) enfriar la mezcla refrigerante de carga variable comprimida para producir una mezcla refrigerante de carga variable comprimida enfriada; C) expandir la mezcla refrigerante de carga variable comprimida, enfriada y generar refrigeración para producir una mezcla refrigerante de carga variable de temperatura más baja; y D) calentar la mezcla refrigerante de carga variable de temperatura más baja.
2. 2. El método de la reivindicación 1 , en donde la mezcla refrigerante de carga variable comprimida es condensada parcialmente como resultado del enfriamiento del paso (B), el líquido resultante y vapor remanente son separados, y el vapor es enfriado adicionalmente después antes del calentamiento.
3. 3. El método de la reivindicación 1 llevado a cabo con una primera mezcla refrigerante de carga variable y entonces llevado a cabo con una segunda mezcla refrigerante de carga variable en donde la primera mezcla refrigerante de carga variable es calentada mediante el enfriamiento de la segunda mezcla refrigerante de carga variable.
4. 4. Un método para generar refrigeración a una temperatura criogénica que comprende: (A) comprimir una mezcla de refrigerante de carga variable que comprende por lo menos un componente del grupo que consiste de fluorocarburos, hidrofluorocarburos fluoroéteres y por lo menos un componente del grupo que consiste de fluorocarburos, hidrofluorocarburos, hidroclorofluorocarburos, fluoroéteres, gases atmosféricos e hidrocarburos para producir una mezcla refrigerante de carga variable comprimida; (B) enfriar la mezcla refrigerante de carga variable comprimida para producir una mezcla refrigerante de carga variable comprimida enfriada; (C) expandir la mezcla refrigerante de carga variable comprimida, enfriada y generar refrigeración para producir una mezcla refrigerante de carga variable de temperatura más baja; y (D) calentar la mezcla refrigerante de carga variable de temperatura más baja.
5. 5. Una mezcla refrigerante la cual es no tóxica, no inflamable, y poco reductora de ozono que comprende por lo menos un componente del grupo que consiste de fluorocarburos, hidrofluorocarburos y fluoroéteres y por lo menos un componente del grupo que consiste de fluorocarburos, hidrofluorocarburos, hidroclorofluorocarburos, fluoroéteres, gases atmosféricos e hidrocarburos.
6. 6. La mezcla refrigerante de la reivindicación 5, en donde cada uno de los componentes de la mezcla tiene un punto de ebullición normal el cual difiere en por lo menos 20 grados Kelvin del punto de ebullición normal de cada uno de los otros componentes de la mezcla refrigerante.
7. 7. La mezcla refrigerante de la reivindicación 5, en donde el punto de ebullición normal del componente de ebullición más alto de la mezcla refrigerante es por lo menos 50° K más alto que el punto de ebullición normal del componente de ebullición más bajo de la mezcla refrigerante.
8. 8. La mezcla refrigerante de la reivindicación 5, que comprende por lo menos un fluorocarburo, por lo menos un hidrofluorocarburo y por lo menos un gas atmosférico.
9. 9. La mezcla refrigerante de la reivindicación 5, que comprende por lo menos dos componentes del grupo que consiste de fluorocarburos, hidrofluorocarburos y fluoroéteres y por lo menos dos gases atmosféricos.
10. 10. La mezcla refrigerante de la reivindicación 5, que comprende por lo menos un fluoroéter y por lo menos un componente del grupo que consiste de fluorocarburos, hidrofluorocarburos, fluoroéteres, hidroclorofluorocarburos, hidrocarburos y gases atmosféricos.