PT1523643E - Processo para a produção de frio e instalação para execução do processo - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO "Processo para a produção de frio e instalação para execução do processo" 0 invento refere-se a uma instalação e a um processo para a produção de frio por um sistema termoquímico, nomeadamente para a congelação de diversos produtos ou para a produção de água gelada. São conhecidas instalações de produção de calor ou de frio com base em mudanças de fase de líquido para gás ou sorções reversíveis entre um gás, o denominado gás de trabalho, e um sorvente líquido ou sólido. Uma sorção reversível pode ser uma absorção de um gás por um líquido, uma adsorção de um gás num sólido, ou uma reacção entre um gás e um sólido. Uma sorção reversível entre um sorvente S e um gás G é exotérmica no sentido da síntese S + G -< SG, e endotérmica no sentido da decomposição SG -> S + G. Numa mudança de fase líquido/gás de G, a condensação é exotérmica e a evaporação é endotérmica.

Estes fenómenos reversíveis podem ser representados no diagrama de Clausius-Clapeyron pela sua recta de equilíbrio

lnP = f(-1/T), mais precisamente lnP = -ΔΗ/RT+AS/R sendo P e T, respectivamente, a pressão e a temperatura, sendo ΔΗ e AS, respectivamente, a entalpia e a entropia do fenómeno (decomposição, síntese, evaporação, condensação) colocado em acção, e sendo R a constante dos gases perfeitos.

Pode ser tirada vantagem do passo endotérmico numa instalação deste tipo para congelar diversos produtos (nomeadamente da água para a obtenção de pedras de gelo) ou para a produção de água fria.

Foram descritos diversos reactores e processos com base nestes princípios.

Em EP0810410 é descrito um dispositivo que compreende um reactor e um evaporador/condensador, ligados por uma conduta 2

ΕΡ 1 523 643 /PT munida de válvula. 0 reactor é a sede de uma reacção termoquímica ou de uma adsorção sólido-gás. 0 mesmo compreende meios para aquecer o sólido que o mesmo contém e meios para eliminar o calor da reacção de síntese exotérmica, sendo estes meios constituídos quer por um permutador de calor, quer pelo aumento da massa térmica do reactor. 0 reactor está disposto de tal modo que com o seu conteúdo, o mesmo tem uma massa térmica suficiente para absorver o calor produzido durante a reacção exotérmica. 0 processo de gestão deste dispositivo consiste em colocar em comunicação o evaporador/condensador com o reactor, quando o evaporador/condensador está cheio com o gás de trabalho na forma líquida, o qual tem por efeito refrigerar o evaporador/condensador por evaporação, depois colocar em funcionamento os meios destinados a aquecer o sólido a fim de descarregar e condensar o gás de trabalho para o evaporador/condensador. A colocação em funcionamento dos meios destinados aquecer de novo o sólido no reactor não começa antes que o passo anterior esteja terminado. 0 frio produzido no evaporador/condensador pode ser utilizado para produzir água fria ou pedras de gelo. No entanto, neste dispositivo, os tempos dos ciclos são relativamente longos, devido ao facto da regeneração do dispositivo se fazer a alta temperatura Th e a refrigeração do reactor se fazer à temperatura ambiente To. Por consequência, o reactor percorre uma amplitude térmica entre a temperatura de regeneração e a temperatura ambiente relativamente importante, o que induz um fraco coeficiente de rendimento.

Em EP-0835414 é descrito um processo para a produção de frio e/ou de calor por fenómenos termoquímicos, utilizando um gás G, numa instalação que compreende dois reactores (Ri, R2) que contêm, respectivamente, um sal (Si, S2) , um evaporador para o gás G e um condensador para o gás G. A temperatura de equilíbrio do sal Si é inferior à temperatura de equilíbrio do sal S2 para uma dada pressão. Os reactores são colocados em contacto térmico de maneira a poderem permutar o calor. Os reactores, o evaporador e o condensador são relacionados de maneira selectiva com o auxílio de condutas munidas de válvulas. No estado inicial, os reactores e o condensador estão em comunicação, à pressão do condensador. Durante o funcionamento, um dos reactores está no modo de síntese 3

ΕΡ 1 523 643 /PT enquanto que ο outro reactor está no modo de decomposição. Neste modo de funcionamento, é produzido frio num único nível de temperatura, quer dizer à temperatura de evaporação no evaporador. Em WO 97/40328 é descrito um dispositivo para a produção de frio que compreende dois reactores, concebidos de maneira a permutarem o calor por convecção. 0 objectivo do presente invento é fornecer um processo e uma instalação que permitem uma produção frigorífica volúmica muito elevada, por exemplo, da ordem de 200 kW/m3, com durações de ciclos fortemente reduzidas e rendimentos mais interessantes, nomeadamente para a produção instantânea e rápida de água fria, ou para a congelação rápida de diversos produtos (por exemplo, para a produção de pedras de gelo). 0 processo de acordo com o presente invento para a produção de frio por um sistema termoquímico compreende três fenómenos reversíveis, utilizando o gás G, em três recintos (EC), (l) e (2), sendo as respectivas temperaturas de equilíbrio TE(EC), TE(1) e TE(2) a uma dada pressão tais que

Te(eo < Te(2) < TE(d , estando os recintos (1) e (2) em contacto térmico. 0 mesmo é caracterizado por, a partir de um estado, no qual os três recintos estão à temperatura ambiente e à mesma pressão, - numa primeira fase, se isolar o recinto (1), se colocar em comunicação os recintos (EC) e (2) , para provocar a síntese exotérmica em (2), sendo o calor formado absorvido pelo recinto (1); - numa segunda fase, se isolar o recinto (2) e se colocar em comunicação os recintos (EC) e (1) , para provocar a síntese exotérmica em (1), sendo o calor formado absorvido pelo recinto (2); - numa terceira fase, se colocar em comunicação os três recintos e se fornecer energia calorífica ao recinto (1), para provocar os passos de decomposição exotérmica em (1) e em (2) , com a finalidade de regenerar a instalação, que é deixada em seguida voltar à temperatura ambiente. 4

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De maneira mais precisa: - no decurso de uma fase preliminar, isolam-se os três recintos entre si e colocam-se os mesmos à temperatura ambiente, contendo os ditos recintos, respectivamente, SEC+G, SI e S2; - no decurso de uma primeira fase, colocam-se os recintos (EC) e (2) em comunicação, ficando o recinto (l) isolado, para provocar a síntese exotérmica em (2) e a produção de frio no recinto (EC) â temperatura de equilíbrio em (EC), que corresponde â pressão no conjunto formado por (2) e (EC); - no decurso de uma segunda fase, isola-se o recinto (2) e colocam-se os recintos (EC) e (1) em comunicação, para provocar a síntese exotérmica em (1) e a produção de frio no recinto (EC) à temperatura de equilíbrio em (EC), que corresponde à pressão no conjunto formado por (D e (EC); - no decurso de uma terceira fase, relacionam-se os três recintos, para provocar a síntese em (EC) e a decomposição em (2), e comunica-se energia calorífica a (1) para provocar a decomposição em (1); - no decurso de uma quarta fase, isolam-se os três recintos e deixa-se os mesmos arrefecer até â temperatura ambiente. 0 ciclo de produção de frio fica assim completo. 0 fenómeno reversível nos reactores (1) e (2) pode ser uma sorção reversível, escolhida entre as reacções químicas reversíveis, entre o gás G e um sólido, as adsorções do gás G num sólido, e as absorções do gás G por um líquido. 0 fenómeno reversível no dispositivo (EC) pode ser uma sorção tal como definida atrás, ou uma mudança de fase líquido/gás do gás G. As mudanças de fase líquido/gás são preferidas, porque as mesmas permitem produzir frio com uma 5

ΕΡ 1 523 643 /PT maior velocidade do que com as sorções, devido ao facto da inércia térmica mais fraca do sistema.

Na continuação do texto, "sorção" deverá ser entendida como uma sorção reversível, "fenómeno" deverá ser entendido como um fenómeno reversível, escolhido entre as sorções e as mudanças de fase líquido/gás, "alteração L/G" deverá ser entendida como a mudança de fase líquido/gás do gás G, "Sl", "S2" e "SEC" deverão ser entendidos como o sorvente no estado pobre em gás ou, no caso em apreço, G no estado gasoso, respectivamente, no reactor (1) , no reactor (2) e no dispositivo (EC), "Sl+G", "S2+G" e "SEC+G" deverão ser entendidos como o sorvente no estado rico em gás ou, no caso em apreço, G no estado líquido, respectivamente, no reactor (1), no reactor (2) e no dispositivo (EC).

Como exemplo de gás G, podem ser citados o amoníaco (NH3) e os seus derivados, o hidrogénio (H2) , o dióxido de carbono (C02) , a água (H20) , o sulfureto de hidrogénio (H2S), o metano e outros gases naturais. Como reacção de sorção, podem ser citadas as reacções que utilizam amoniacados* (por exemplo, cloretos, brometos, iodetos ou sulfatos) , hidratos, carbonatos ou hidretos. 0 processo de acordo com o presente invento pode ser executado com o auxílio de uma instalação, a qual compreende um elemento endotérmico, constituído por um dispositivo (EC), e um elemento exotérmico, constituído por um reactor (1) e um reactor (2). A dita instalação é caracterizada por: - os reactores (1) e (2) estarem em contacto térmico, de maneira que cada um constitui uma massa térmica activa para o outro; - os reactores (1) e (2) e o dispositivo (EC) estarem munidos de meios que permitem colocar os mesmos selectivamente em comunicação; - o reactor (1) e o reactor (2) estarem munidos de meios de aquecimento (6) e de meios (5) para evacuar o calor; no início do ciclo 6

ΕΡ 1 523 643 /PT * os reactores (1) e (2) conterem, respectivamente, um sorvente SI e um sorvente S2, susceptíveis de participarem numa sorção reversível, que coloca em acção um gás G, estando a curva de equilíbrio da sorção reversível em (1) situada num domínio de temperatura mais elevado que o da curva de equilíbrio da sorção reversível em (2) no diagrama de Clapeyron; * o dispositivo (EC) conter um composto G, susceptível de ser sujeito a uma mudança de fase líquido/gás, ou um sorvente SEC+G rico em gás G, susceptível de participar numa sorção reversível, cuja temperatura de equilíbrio é inferior à temperatura de equilíbrio da sorção reversível no reactor (2).

Num modo de realização particular, o contacto térmico entre os reactores (1) e (2) é realizado colocando o reactor (1) no interior do reactor (2). Por exemplo, os reactores (1) e (2) podem ser concêntricos, estando o reactor (1) colocado no interior do reactor (2).

Num outro modo de realização, cada um dos reactores (1) e (2) é constituído por diversas placas ocas, que contêm os respectivos sorventes, estando as placas de um alternadas com as placas do outro. A espessura das placas é tipicamente da ordem de 1 a 3 cm.

Numa instalação de acordo com o invento, a produção de frio tem lugar ao nível do dispositivo (EC) . Se o frio for destinado à produção de pedras de gelo ou de água fria, a instalação compreende ainda um reservatório (3) , que contém água em contacto térmico directo com o dispositivo (EC). Se for desejado produzir pedras de gelo, é utilizado, de preferência, um reservatório (3) compartimentado com o tamanho pedras de gelo desejadas. Quando a instalação é utilizada para fabricar água fria, o reservatório 3 pode ser uma serpentina, na qual circule da água, integrada na parede do dispositivo (EC). Se a instalação for destinada à congelar diversos produtos, o reservatório (3) tem a forma adequada para conter e congelar correctamente os produtos. 7

ΕΡ 1 523 643 /PT A figura 1 representa um esquema de uma instalação de acordo com o invento.

Nesta figura, a instalação compreende um reactor (1) munido de meios de aquecimento (6), um reactor (2) em contacto térmico com o reactor (1) e munido de meios de refrigeração (5) , um dispositivo (EC), condutas munidas de válvulas VI e V2, que permitem colocar os reactores (1) e (2) selectivamente em contacto com (EC). 0 reactor (1) contém um sorvente SI capaz de formar uma sorção com um gás G. 0 reactor (2) contém um sorvente S2 capaz de formar uma sorção com o gás G, sendo a temperatura de equilíbrio de SI superior à temperatura de equilíbrio de S2 a uma dada pressão. 0 dispositivo (EC) contém o gás G no estado líquido ou um sorvente SEC capaz de formar uma sorção com o gás G, sendo a temperatura de equilíbrio de SEC inferior à temperatura de equilíbrio de S2 a uma dada pressão. 0 dispositivo (EC) é vantajosamente um evaporador/condensador (indicado a seguir por evaporador) lugar de uma mudança de fase líquido/gás (L/G). (EC) está em contacto térmico directo com um reservatório (3) integrado na sua parede e que contém água. A instalação e o processo de acordo com o invento são particularmente interessantes quando o dispositivo (2) é um evaporador/condensador (indicado a seguir por evaporador). Num modo de realização particular, o evaporador tem uma estrutura tal como representada nas figuras 2 e 3. A figura 2 representa uma vista em secção transversal, a figura 3 representa uma vista em corte longitudinal. 0 evaporador é constituído por um cilindro (8) , o qual está fechado nas suas duas extremidades e o qual tem uma secção circular. A secção circular inclui na sua parte superior um arco de círculo côncavo, correspondente a secção do depósito de pedras de gelo (7) . Estão colocadas aletas ocas (9) no interior do evaporador, no sentido longitudinal. Um tubo (10) ligado à conduta, que permite a transferência do gás G entre o evaporador e os reactores (1) ou (2) , penetra no recinto cilíndrico do evaporador por uma perfuração realizada numa das extremidades do cilindro, e o mesmo está colocado directamente por debaixo da parede do depósito de pedras de gelo (7) . 0 gás de trabalho G com a forma de um 8

ΕΡ 1 523 643 /PT líquido em ebulição está colocado no fundo do evaporador. 0 espaço entre as paredes das aletas está ocupado pelo material de mudança de fase M. A parede exterior do evaporador (8) é realizada num material que tem uma qualidade de difusão térmica elevada, quer dizer uma fraca capacidade térmica para permitir uma descida rápida da temperatura da parede e uma grande condutividade térmica para permitir uma formação rápida das pedras de gelo. Um material à base de alumínio, por exemplo, o qual tem uma capacidade térmica fraca e uma condutividade elevada, é apropriado, devido â sua compatibilidade com o amoníaco, o qual é um gás frequentemente utilizado nas instalações para a produção de frio a temperaturas negativas. As aletas (9) aumentam a difusão do calor do líquido em ebulição para o reservatório de pedras de gelo, bem como a resistência mecânica do evaporador. 0 reservatório de pedras de gelo 7 está munido de múltiplas divisórias transversais, colocadas de modo a obter a forma desejada para as pedras de gelo. A forma global do depósito de pedras de gelo possui uma geometria adaptada em meia-lua tórica, o que permite uma desmoldagem fácil das pedras de gelo formadas. 0 material de mudança de fase M colocado entre as paredes das aletas ocas mantêm a temperatura do evaporador a uma temperatura baixa, o que permite prolongar a fase de produção das pedras de gelo, durante a fase transitória de aquecimento para a regeneração do reactor isolado do evaporador. A configuração particular do tubo (10) e a sua posição no recinto do evaporador são tais que os gases quentes, provenientes do reactor durante a fase 5 de colocação em comunicação do reactor a alta pressão e do evaporador mantido a baixa pressão pelo material de mudança de fase, vão bater em primeiro lugar na parede do depósito de pedras de gelo, o que facilita o descolamento das pedras de gelo.

Num modo de realização particular, o processo, de acordo com o invento, para a produção de frio é executado com o auxílio de uma instalação tal como descrita acima, na qual o recinto (EC) contém ainda um material de mudança de fase 9

ΕΡ 1 523 643 /PT sólido/líquido Μ. 0 material de mudança de fase M é escolhido de tal modo que a temperatura de solidificação seja pelo menos, ligeiramente inferior à temperatura de produção de frio em (EC) , correspondente à síntese em (2) . Uma diferença de temperatura de alguns graus, por exemplo, de 1°C a 10°C é conveniente. Por exemplo, esta temperatura é de 0°C, quando o objectivo procurado é o fabrico de pedras de gelo. 0 material M pode ser escolhido, por exemplo, entre as parafinas, tais como as n-alcanos, tendo de 10 a 2 0 átomos de carbono, as misturas eutéticas e as soluções eutéticas. O processo desenrola-se da mesma maneira que no caso geral descrito atrás. No entanto, durante o passo de regeneração, a temperatura no recinto (EC) é a da fusão do material M, que induz uma temperatura de regeneração inferior â que a mesma seria na ausência do material de mudança de fase. Esta variante de execução do processo do invento permite, por consequência, reduzir a duração de um ciclo e a quantidade de energia requerida para a regeneração. A utilização do processo do invento numa instalação, de acordo com o invento, é descrita com mais pormenor a seguir com referência às figuras 4 a 7, para uma instalação, na qual (EC) é um evaporador/condensador. As figuras 4 a 7 representam a posição da instalação no diagrama de Clausius-Clapeyron, com as diferentes fases de um ciclo de funcionamento. As curvas nos diagramas correspondem a fenómenos monovariantes. O funcionamento da instalação será, no entanto, semelhante se fosse utilizado, nos reactores (1) e/ou (2), um fenómeno bivariante correspondente, por exemplo, a absorção do gás G por uma solução absorvente (por exemplo água/NH3, água/LiBr) ou a adsorção do gás G na superfície de um sólido activo (por exemplo carvão activo ou zeólito).

Fase inicial:

No decurso de uma fase inicial, são colocados os elementos (l) , (2) e (EC) à temperatura ambiente T0 e os mesmos são isolados entre si, mantendo as válvulas VI e V2 fechadas. Os elementos, que estão isolados uns dos outros, encontram-se à sua respectiva pressão de equilíbrio a T0, indicadas por PE°, Pl° e P2°. (1) e (2) contêm, respectivamente, Sl e S2. (EC) contém G na forma líquida. Sl, 10

ΕΡ 1 523 643 /PT S2 e G são escolhidos de tal modo que Pl°< P2°< PE°. A situação dos elementos está representada por Io, 2o e E° no diagrama da figura 4.

Fase 1: Fase da primeira produção de frio A válvula Vi fica fechada. A instalação funciona por meio do reactor (2) e do evaporador (EC) . A abertura da válvula V2 provoca uma igualação de pressão (PE1 = P21) entre (EC) e (2). 0 evaporador (EC) passa da posição E° para E1 e o reactor (2) da posição 2o para 21. A evolução das respectivas posições está representada na figura 4. No estado 21, o reactor (2) está na posição de síntese, enquanto que no estado E1, o evaporador (EC) está no estado de evaporação. A colocacão em comunicacão de (EC) e de (2) provoca uma baixa brutal de temperatura em (EC) e a temperatura passa de T0 a TEi. Esta baixa de temperatura permite assim num primeiro tempo a congelação rápida da água contida num reservatório (não representado na figura l), integrado na parede do evaporador. É então observado um primeiro pico de potência. 0 gás libertado pela evaporação em (EC) é absorvido pelo sorvente S2 contido em (2) , o que provoca uma subida de temperatura do reactor (2) devida ao facto da sorcão ser fortemente exotérmica. A energia produzida pela sorcão em (2) é absorvida pelo reactor (1) , o qual está isolado de (EC) , mas em contacto térmico com (2). 0 reactor (1) constitui então uma capacidade térmica que permite ao reactor (2) manter-se longe do seu equilíbrio termodinâmico. 0 reactor (1) passa então da posição Io para a posição l1, ficando na sua recta de equilíbrio termodinâmico.

Fase 2: Fase da segunda produção de frio

Quando a síntese é total no reactor (2) no fim da fase 1 [cuja duração é determinada pela natureza e pelas quantidades de elementos utilizados em (2) e (EC) ] , é fechada a válvula V2 e é imediatamente aberta a válvula Vi. A instalação funciona então através do reactor (1) e do evaporador (EC). 0 equilíbrio de pressão que se estabelece entre o reactor (1) e o evaporador (EC) faz passar estes elementos das posições representadas por E1 e l1 para as posições representadas por E2 e l2. Esta evolução está representada na figura 5. 11

ΕΡ 1 523 643 /PT É produzido frio no evaporador (EC) em E2, quer dizer a uma temperatura TE2 inferior à temperatura de produção de frio TEi na fase 1. Devido ao facto das fases 1 e 2 serem efectuadas uma a seguir à outra, as mesmas proporcionam grandes potências de produção de frio a TE2, apenas accionando (EC) do nível Te1 para TE2. Durante esta fase, o reactor (2) desempenha o papel de capacidade térmica para o reactor (l). 0 reactor (2), o qual absorve o calor da reacção exotérmica, emitido pelo reactor (1), aumenta de temperatura e coloca-se no seu equilíbrio termodinâmico em 22. Graças a esta capacidade térmica, o reactor (1) fica em l2, a qual é uma posição afastada do seu equilíbrio termodinâmico, o que permite um segundo pico de grande produção de potência frigorífica.

Fase 3: fase de descolamento das pedras de gelo e de regeneração

No fim ou antes do fim da fase 2, é aberta a válvula V2, ficando a válvula Vi aberta.

Os elementos (1), (2) e (EC) são rapidamente colocados nas posições l3, 23 e C3 num nível de pressão intermédio entre o das fases 1 e 2. 0 conteúdo do reactor (2) está na posição de decomposição e o conteúdo do reactor (1) fica na posição de síntese. As diferenças no equilíbrio desta síntese/decomposição tornam-se importantes, por causa do contacto térmico, o qual existe entre os reactores (1) e (2). Daqui resulta que a decomposição no reactor (2) é mais rápida do que a síntese, a qual termina no reactor (1) . Assim, é iniciada imediatamente uma condensação no dispositivo (EC), o qual evolui rapidamente para a posição C3. Esta condensação exotérmica é possível porque o calor é absorvido pela fusão superficial das pedras de gelo, o que induz o seu descolamento facilitando assim a sua evacuação posterior do dispositivo (EC). A colocação em funcionamento dos meios de aquecimento (6) em (1) desde o início desta fase (ao mesmo tempo que a abertura da válvula V2), origina a condensação em (EC), o qual evolui progressivamente da posição C3 a um nível de pressão C4, o que permite de novo a condensação do gás G. A condensação é de novo possível, quando o reactor (1) se 12

ΕΡ 1 523 643 /PT encontra na posição l4 e quando a pressão de condensação se torna superior à pressão do vapor de saturação correspondente à temperatura média do fluido de refrigeração do elemento (EC) (por exemplo, a do ar exterior) . A temperatura Ti4 é a temperatura de regeneração (Treg) e o dispositivo (EC) está na posição C4, o que leva o reactor (2) na posição 24 igualmente ao nível da pressão imposta pela condensação. A posição termodinâmica C4 é então necessariamente tal que a temperatura correspondente na posição C4 é superior à temperatura ambiente To, isto devido à transferência do calor de condensação para os dissipadores de calor. A regeneração do dispositivo implica que a extraccão do calor desta condensação exotérmica deva ser efectuada num dos dissipadores de calor, que podem ser o ar ambiente ou um circuito de refrigeração. A evolução da posição dos diferentes elementos está representada na figura 6.

Fase 4: Fase de refrigeração e de retorno à fase inicial

Desde que a regeneração dos reactores (1) e (2) termine, fecham-se as válvulas VI e V2. Os reactores assim isolados são então refrigerados, quer naturalmente, quer com o auxílio dos meios de refrigeração (5) (ventilador, circuito de refrigeração,...) provocando uma baixa de temperatura e de pressão. Cada elemento evolui de acordo com a sua curva de equilíbrio termodinâmica até atingir a temperatura ambiente e reencontrar assim o posicionamento inicial, respectivamente, em E°, Io e 2o. 0 dispositivo é assim colocado nas condicões iniciais da fase de armazenagem da produção de frio do início do ciclo de funcionamento. A evolução da posição dos diferentes elementos no decurso desta fase está representada na figura 7.

Quando o processo do invento é executado com uma instalação, na qual o recinto (EC) contém ainda um material de mudança de fase M, cuja temperatura de mudança de fase TM é, pelo menos, ligeiramente inferior à temperatura de produção de frio TEi em (EC) , que corresponde à síntese em (2), a regeneração dos sorventes continua nos reactores (1) e (2) é mais rápida. Os estados sucessivos nos quais se encontram os reactores (1) e (2) e o recinto (EC) no decurso das fases sucessivas são mostrados no diagrama de Clausius- 13

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Clapeyron, representado na figura 8. Neste modo de realização, o dispositivo (EC) pode ter a configuração representada nas figuras 2 e 3.

Fase inicial: A mesma é semelhante à fase inicial descrita acima. Os elementos (1) , (2) e (EC) estão na posição representada por 1°, 2o e E° na figura 8.

Fase 1: Fase da primeira produção de frio A válvula Vi está fechada. A instalação funciona por intermédio do reactor (2) e do evaporador (EC). A abertura da válvula V2 provoca uma igualação de pressão (PE1 = P21) entre (EC) e (2). 0 evaporador (EC) passa da posição E° para E1 e o reactor (2) da posição 2o para 21. No estado 21, o reactor (2) está na posição de síntese, enquanto que no estado E1, o evaporador (EC) está no estado de evaporação. A colocação em comunicação de (EC) e de (2) provoca uma baixa brutal da temperatura em (EC), a qual passa de T0 a TEi. Esta baixa de temperatura permite assim, num primeiro tempo, a refrigeração rápida, depois a congelação parcial da água contida no reservatório 7, integrado na parede do evaporador, depois a solidificação do material M. 0 gás liberto pela evaporação em (EC) é absorvido pelo sorvente S2, contido em (2) , o que provoca uma subida de temperatura do reactor (2) , devido ao facto da sorção ser fortemente exotérmica. A energia produzida pela sorção em (2) é absorvida pelo reactor (1) , o qual está isolado de (EC), mas em contacto térmico com (2) . 0 reactor (1) constitui então uma capacidade térmica que permite ao reactor (2) manter-se longe do seu equilíbrio termodinâmico. 0 reactor 1 passa então da posição Io para a posição l1, ficando sobre a sua recta de equilíbrio termodinâmico.

Fase 2: Fase da segunda produção de frio A presença de um material de mudança de fase em (EC) não modifica o desenvolvimento da fase 2. No fim desta fase, os reactores (1) e (2) e o recinto (EC) encontram-se nas respectivas posições l2, 22, E2. 14

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Fase 3: fase de descolamento das pedras de gelo e de regeneração

No fim da fase 2, abre-se a válvula V2, ficando a válvula Vi aberta.

Os elementos (1) , (2) e (EC) colocam-se rapidamente nas posições l3, 23 e C3 num nível de pressão intermédio entre o das fases l e 2. 0 conteúdo do reactor (2) está na posição de decomposição e o conteúdo do reactor (1) está na posição de síntese. As diferenças no equilíbrio desta síntese/decomposicão são importantes, devido ao contacto térmico que existe entre os reactores (1) e (2) . De tal resulta que a decomposição no reactor (2) é mais rápida do que a síntese que termina no reactor (1) . Assim, é iniciada imediatamente uma condensação no dispositivo (EC), o qual evolui rapidamente para a posição C3. Esta condensação exotérmica é possível porque o calor é absorvido pela fusão superficial das pedras de gelo, o que induz o seu descolamento, facilitando assim a sua posterior evacuacão do dispositivo (EC). A colocacão em funcionamento dos meios de aquecimento (6) em (1) desde o início desta fase (ao mesmo tempo da abertura da válvula V2), origina a condensação em (EC) , o qual continua a evoluir progressivamente da posição C3 para a posição C4', que permite obter de novo uma condensação efectiva do gás. A condensação é de novo possível, quando o reactor (1) se encontre na posição l4' e logo que a pressão de condensação se torne superior à pressão do vapor saturante, que corresponde à temperatura TM de fusão do material de mudança de fase. A temperatura Ti4' é a temperatura de regeneração (Treg) e o dispositivo (EC) está na posição C4', o que leva o reactor (2) para a posição 24' igualmente neste nível de pressão imposto pela condensação do gás G.

A abertura da válvula V2, ficando a válvula Vi aberta, e a colocacão em funcionamento dos meios de aquecimento (6) no reactor (1) inicia a desorcão rápida no reactor (2) e o descolamento e a evacuacão das pedras de gelo, o fim da síntese no reactor (1) seguida da desorcão em (1). A temperatura de condensação imposta à temperatura TM pela fusão eutética permite ainda realizar a condensação do gás G 15

ΕΡ 1 523 643 /PT a uma temperatura inferior à temperatura ambiente, o que permite diminuir nitidamente a amplitude térmica percorrida pelo dispositivo (EC), implicando uma melhor eficácia do processo e durações de ciclos mais curtas. Por outro lado, a pressão de condensação PC4, é mais fraca do que a pressão PC4, obtida no caso em que não existe material com mudança de fase, o que origina uma diminuição da temperatura de regeneração de (1) e, por consequência, a de (2) , o que implica uma diminuição da energia consumida pela regeneração de (1) e de (2) , originando por isso uma melhor eficácia do processo e uma redução dos tempos de ciclos.

Fase 4: Fase de refrigeração e de retorno à fase inicial 0 retorno à temperatura T0 é efectuado, para o conjunto da instalação, num tempo mais curto na presença de um material de mudança de fase, devido ao facto do reactor (1) se encontrar a uma temperatura mais baixa. A instalação, de acordo com o invento, na sua configuração mais geral, gerada pelo processo do invento, permite assim produzir frio de grande potência com durações muito curtas, que podem permitir a produção quase instantânea, por exemplo, de pedras de gelo. Ainda, quando a instalação contiver um material de mudança de fase no elemento endotérmico, a temperatura de regeneração no reactor, que funciona à temperatura a mais elevada, é diminuída, o que, por um lado, encurta a duração do processo e, por outro, diminui o consumo de energia.

Lisboa,

Claims (13)

1. ΕΡ 1 523 643 /PT 1/4 REIVINDICAÇÕES 1 - Processo para a produção de frio por um sistema termoquímico, o qual compreende três fenómenos reversíveis que utiliza o gás G, em três recintos (EC), (1) e (2), sendo as respectivas temperaturas de equilíbrio TE(Ec), TE(i) e TE(2) a uma dada pressão tais que TE(EC) < TE<2) < TE(u, estando os recintos (1) e (2) em contacto térmico, caracterizado por, a partir de um estado, no qual os três recintos estão à temperatura ambiente com a mesma pressão: - numa primeira fase, se isolar o recinto (1), se colocar em comunicação os recintos (EC) e (2), para provocar a síntese exotérmica em (2), sendo o calor formado absorvido pelo recinto (1) ; - numa segunda fase, se isolar o recinto (2) e se colocar em comunicação os recintos (EC) e (1), para provocar a síntese exotérmica em (1), sendo o calor formado absorvido pelo recinto (2) ; - numa terceira fase, se colocar em comunicação os três recintos e se fornecer energia calorífica ao recinto (1) , para provocar os passos de decomposição exotérmica em (1) e em (2) , com a finalidade de regenerar a instalação, que é deixada em seguida voltar â temperatura ambiente.
2. 2 - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por: - no estado inicial, os recintos (EC) , (1) e (2) serem isolados entre si e colocados à temperatura ambiente, os recintos (1) e (2) conterem o seu respectivo sorvente SI e S2 no estado pobre em gás G, e o recinto (EC) conter G no estado líquido ou o sorvente no estado rico em gás G; no decurso da primeira fase, a colocação em comunicação dos recintos (EC) e (2) provocar a produção de frio no recinto (EC) à temperatura de equilíbrio em (EC), que corresponde â pressão no conjunto formado por (2) e (EC); ΕΡ 1 523 643 /PT 2/4 - no decurso da segunda fase, a colocação em comunicação dos recintos (EC) e (1) , provocar a produção de frio no recinto (EC) à temperatura de equilíbrio em (EC), que corresponde à pressão no conjunto formado por (1) e (EC); no decurso da terceira fase, a colocação em relacionamento dos três recintos provocar a síntese em (EC) e a decomposição em (2) , depois o fornecimento de energia calorífica a (l) provocar a decomposição em (l).
3. 3 - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o fenómeno reversível nos reactores (1) e (2) ser escolhido entre as reacções químicas reversíveis entre o gás G e um sólido, as adsorções do gás G num sólido, e as absorções do gás G por um líquido.
4. 4 - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o fenómeno reversível no dispositivo (EC) ser uma mudança de fase líquido/gás.
5. 5 - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o fenómeno reversível no dispositivo (EC) ser uma sorção escolhida entre as reacções químicas reversíveis entre o gás G e um sólido, as adsorções do gás G num sólido, e as absorções do gás G por um líquido.
6. 6 - Instalação para a execução do processo de acordo com a reivindicação 1, que compreende um elemento endotérmico constituído por um dispositivo (EC) e um elemento exotérmico constituído por um reactor (1) e um reactor (2), em contacto térmico, de maneira que cada um dos mesmos constitui uma massa térmica activa para o outro, caracterizada por: - os reactores (1) e (2) e o dispositivo (EC) estarem munidos de meios que permitem colocar os mesmos selectivamente em comunicação; - o reactor (1) e o reactor (2) estarem munidos de meios de aquecimento (6) e de meios (5) para evacuarem o calor; no início de um ciclo: ΕΡ 1 523 643 /PT 3/4 * os reactores (1) e (2) conterem, respectivamente, um sorvente SI e um sorvente S2, susceptíveis de participarem numa sorção reversível, que coloca em acção um gás G, sendo temperatura de equilíbrio da sorção reversível em (1) superior à temperatura de equilíbrio da sorção reversível em (2) a uma dada pressão; * o dispositivo (EC) conter um composto G, susceptível de ser sujeito a uma mudança de fase líquido/gás, ou um sorvente SEC+G rico em gás G, susceptível de participar numa sorção reversível, cuja temperatura de equilíbrio é inferior à temperatura de equilíbrio da sorção reversível no reactor (2).
7. 7 - Instalação de acordo com a reivindicação 6, caracterizada por o dispositivo (EC) estar em contacto térmico directo com um reservatório (3) que contém água.
8. 8 - Instalação de acordo com a reivindicação 6, caracterizada por o dispositivo (EC) conter ainda um material de mudança de fase líquido/sóiido, cuja temperatura de mudança de fase é inferior â temperatura de produção de frio.
9. 9 - Instalação de acordo com a reivindicação 6, caracterizada por o dispositivo (EC) ser um evaporador, constituído por um cilindro (8), o qual está fechado nas suas duas extremidades, cuja secção circular inclui na sua parte superior um arco de círculo côncavo, que corresponde à secção do depósito de pedras de gelo (7) e o qual compreende ainda: - aletas ocas (9), colocadas no interior do cilindro, no sentido longitudinal, estando o espaço entre as aletas ocas ocupado por um material de mudança de fase sólido/líquido; - um tubo (10) , ligado a uma conduta que permite a transferência do gás G entre o evaporador e o reactor (2) , penetra no recinto cilíndrico do evaporador por uma perfuração, realizada numa das extremidades do cilindro, e colocado directamente por debaixo da parede do depósito de pedras de gelo (7) , estando o gás de trabalho G com a forma de um líquido em ebulição colocado no fundo do evaporador. ΕΡ 1 523 643 /PT 4/4
10. 10 - Instalação de acordo com a reivindicação 6, caracterizada por o reactor (1) estar colocado no interior do reactor (2).
11. 11 - Instalação de acordo com a reivindicação 10, caracterizada por os : reactores (1) e (2) serem concêntricos, estando o reactor (1) colocado no interior do reactor (2) .
12. 12 - Instalação de acordo com a reivindicação 6, caracterizada por cada um dos reactores (1) e (2) ser constituído por diversas placas ocas , que contêm os respectivos sorventes, estando as placas de um alternadas com as placas do outro.
13. 13 - Instalação de acordo com a reivindicação 8, caracterizada por a diferença entre a temperatura de mudança de fase do material de mudança de fase e a temperatura de produção de frio ser de 1°C a 10°C. Lisboa,