ES2293038T3

ES2293038T3 - Metodo para la produccion de frio e instalacion para la puesta en practica del metodo.

Info

Publication number: ES2293038T3
Application number: ES03771135T
Authority: ES
Inventors: Driss Stitou; Bernard Spinner; Pierre Neveu
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 2002-07-24
Filing date: 2003-07-11
Publication date: 2008-03-16
Anticipated expiration: 2023-07-11
Also published as: AU2003264716A1; PT1523643E; EP1523643A2; US20060090476A1; JP4335134B2; WO2004011860A3; US7621149B2; DE60316295D1; FR2842892A1; WO2004011860A2; FR2842892B1; ATE373212T1; AU2003264716A8; JP2005533993A; EP1523643B1; DE60316295T2

Abstract

Procedimiento para la producción de frío por un sistema termoquímico que comprende tres fenómenos reversibles utilizando el gas G en tres recintos (EC), (1) y (2), siendo las respectivas temperaturas de equilibrio TE(EC), T(E1) y TE(2) a una determinada presión tales que TE(EC) < TE(2) < TE(1), hallándose en contacto térmico los recintos (1) y (2), caracterizado porque, a partir de un estado en el que los tres recintos se hallan a la temperatura ambiente y a la misma presión: - en una primera fase, se aisla el recinto (1), se ponen en comunicación los recintos (EC) y (2) para provocar la síntesis exotérmica en (2), siendo absorbido el calor por el recinto (1); - en una segunda fase, se aisla el recinto (2) y se establece la comunicación entre los recintos (EC) y (1) para provocar la síntesis exotérmica en (1), siendo absorbido el calor por el recinto (2); - en una tercera fase, se establece la comunicación entre los tres recintos y se aporta energía calorífica al recinto (1) para provocar las etapas de descomposición exotérmica en (1) y en recupere la temperatura ambiente.

Description

Método para la producción de frío e instalación para la puesta en práctica del método.

La invención hace referencia a una instalación y a un procedimiento para la producción de frío por un sistema termoquímico, especialmente para la congelación de diferentes productos o para la producción de agua helada.

Son ya conocidas instalaciones para la producción de calor o de frío basadas en los cambios de fase líquido/gas o sorciones reversibles entre un gas, denominado gas de trabajo, y un sorbente líquido o sólido. Una sorción reversible puede consistir en una absorción de un gas por un líquido, una adsorción de un gas sobre un sólido, o 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 ser representados sobre el diagrama de Clausius-Clapeyron por su recta de equilibrio

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siendo P y T, respectivamente, la presión y la temperatura, siendo \DeltaH y \DeltaS, respectivamente, la entalpía y la entropía del fenómeno (descomposición, síntesis, evaporación, condensación) de que se trate en cada caso, y siendo R la constante de los gases perfectos.

En una instalación del tipo que nos ocupa la etapa endotérmica puede aprovecharse para congelar diferentes productos (especialmente, agua en vistas a la obtención de cubitos de hielo) o para la producción de agua fría.

Han sido ya descritos diferentes reactores y procedimientos basados en estos principios.

En el documento EP 0810410 aparece descrito un dispositivo que comprende un reactor y un evaporador/condensa-
dor conexionados por un conducto equipado con una válvula. El reactor es la sede de una reacción termoquímica o de una adsorción sólido-gas. Se halla dotado de medios para calentar el sólido que contiene y de medios pare 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 en el curso de la reacción exotérmica. El procedimiento de gestión de este dispositivo consiste en establecer la comunicación del evaporador/condensador con el reactor cuando el evaporador/condensador se halla lleno con el gas de trabajo bajo forma líquida, lo que desarrolla 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 impulsar y condensar el gas de trabajo hacia el evaporador/condensador. La puesta en marcha de los medios destinados a calentar el sólido en el reactor se inicia antes de haber terminado la etapa precedente. El frío producido en el evaporador/condensador puede ser utilizado para la obtención de agua fría o de cubitos de hielo. Sin embargo, en el dispositivo en cuestión, los tiempos de los ciclos son relativamente largos a causa de qué la regeneración del dispositivo se lleva a cabo a una alta temperatura Th, mientras que el enfriamiento del reactor se realiza a la temperatura ambiente To. Consecuentemente, el reactor experimenta una amplitud térmica relativamente importante entre la temperatura de regeneración y la temperatura ambiente lo que se traduce en un débil coeficiente de rendimiento.

En el documento EP 0835414 se describe un procedimiento para la producción de frío y/o de calor mediante fenómenos termoquímicos que utiliza un gas G, en una instalación que comprende dos reactores (R_{1}, R_{2}) que contienen, respectivamente, una sal (S_{1}, S_{2}), un evaporador para el gas G y un condensador para el gas G. La temperatura de equilibrio de la sal S_{1} es inferior a la temperatura de equilibrio de la sal S_{2} a una determinada presión. Los reactores se hallan situados en contacto térmico de manera que pueden intercambiarse calor. Los reactores, el evaporador y el condensador se ponen en relación de una manera selectiva por medio de conductos provistos de válvulas. En el estado inicial, los reactores y el condensador se hallan en comunicación, a la presión del condensador. Durante el funcionamiento, uno de los reactores se halla en modo de síntesis mientras que el otro reactor se halla en modo de descomposición. En esta forma de funcionamiento, el frío se produce a un sólo nivel de temperatura, es decir a la temperatura de de evaporación en el evaporador. En el documento WO 37/40328 aparece descrito un dispositivo para la producción de frío que comprende dos reactores, concebidos de manera que intercambien el calor por convección.

El objetivo de la presente invención estriba en proporcionar un procedimiento y una instalación que permite una producción frigorífica de volumen muy elevado, por ejemplo, del orden de 200 kW/m^{3}, con unas duraciones de los ciclos notablemente reducidas y unos rendimientos muy interesantes, especialmente para la producción instantánea y rápida de agua fría, o para la congelación rápida de diferentes productos (por ejemplo, para la producción de cubitos de hielo).

El procedimiento que constituye objeto de la presente invención para la producción de frío por un sistema termoquímico comprende tres fenómenos reversibles que utilizan el gas G en tres recintos (EC), (1) y (2), siendo las respectivas temperaturas de equilibrio T_{E(EC)}, T_{E(1)} y T_{E(2)}, a una determinada presión, tales que T_{E(EC)} < T_{E(2)} < T_{E(1)}, y hallándose en contacto térmico los recintos (1) y (2). El procedimiento se caracteriza porque, a partir de un estado en el que los tres recintos se hallan a la temperatura ambiente a la misma presión,

-: en una primera fase, se aísla el recinto (1) y se ponen en comunicación los recintos (EC) y (2) para provocar la síntesis exotérmica en (2), siendo absorbido el calor por el recinto (1);

-: en una segunda fase, se aísla el recinto (2) y se ponen en comunicación los recintos (EC) y (1) para provocar la síntesis exotérmica en (1), siendo absorbido por el recinto (2) el calor originado;

-: en una tercera fase, se ponen en comunicación los tres recintos y se aporta la energía calorífica al recinto (1) para provocar las etapas de descomposición exotérmica en (1) y en (2), en vistas a regenerar la instalación, que seguidamente se permite que recupere la temperatura ambiente.

De una manera más precisa:

-: en el curso de una etapa preliminar, se aíslan unos de otros los tres recintos y se les sitúa a la temperatura ambiente, conteniendo respectivamente tales recintos SEC+G, S1 y S2;

-: en el curso de una primera fase, se ponen en comunicación los recintos (EC) y (2), permaneciendo aislado el recinto (1), para provocar la síntesis exotérmica en (2) y la producción de frío en el recinto (EC) a la temperatura de equilibrio en (EC) correspondiente a la presión en el conjunto integrado por (2) y (EC);

-: en el curso de una segunda fase, se aísla el recinto (2) y se establece la comunicación entre los recintos (EC) y (1), para provocar la síntesis exotérmica en (1) y la producción de frío en el recinto (EC) a la temperatura de equilibrio en (EC) correspondiente a la presión en el conjunto integrado por (1) y (EC);

-: en el curso de una tercera fase, se ponen en relación los tres recintos para provocar la síntesis en (EC) y la descomposición en (2), y se suministra la energía calorífica a (1) para provocar la descomposición en (1);

-: en el curso de una cuarta fase, se aíslan los tres recintos y se les deja enfriar hasta alcanzar la temperatura ambiente.

De esta manera queda completado el ciclo de producción de frío.

El fenómeno reversible en los reactores (1) y (2) puede consistir en una sorción reversible elegida entre las reacciones químicas reversibles entre el gas G y un sólido, las adsorciones del gas G sobre un sólido, y las absorciones del gas G por un líquido.

El fenómeno reversible en el dispositivo (EC) puede ser una sorción tal como la que se ha definido anteriormente o un cambio de fase líquido/gas del gas G. Los cambios de fase líquido/gas resultan preferentes dado que permiten producir frío con una mayor velocidad que las sorciones, como consecuencia de la más reducida inercia térmica del sistema.

En lo sucesivo, en el presente texto, "sorción" designará una sorción reversible, "fenómeno" designará un fenómeno reversible elegido entre las sorciones y los cambios de fase líquido/gas, "cambio L/G" designará el cambio de fase líquido/gas del gas G, "S1", "S2" y "SEC" designarán el sorbente en el estado pobre en gas o en su caso G en el estado gaseoso, respectivamente, en el reactor (1), el reactor (2) y el dispositivo (EC), "S1+G", "S2+G" y "SEC+G" designarán el sorbente en el estado rico en gas o, en su caso, G en el estado líquido, respectivamente, en el reactor (1), en el reactor (2) y en el dispositivo (EC).

Como ejemplo de gas G resulta posible citar el amoniaco (NH_{3}) y sus derivados, el hidrógeno (H_{2}), el dióxido de carbono (CO_{2}), el agua (H_{2}O), el sulfuro de hidrógeno (H_{2}S), el metano y otros gases naturales. Como reacción de sorción es posible citar las reacciones que utilizan amoniacatos (por ejemplo, cloruros, bromuros, yoduros o sulfatos), hidratos, carbonatos o hidruros.

El procedimiento que constituye objeto de la presente invención puede ser llevado a la práctica por medio de una instalación que comprende un elemento endotérmico constituido por un dispositivo (EC) y un elemento exotérmico constituido por un reactor (1) y un reactor (2). La referida instalación se caracteriza porque:

-: los reactores (1) y (2) se hallan en contacto térmico, de manera que cada uno de ellos constituye una masa térmica activa para el otro;

-: los reactores (1) y (2) y el dispositivo (EC) se hallan provistos de medios que permiten ponerlos selectivamente en comunicación;

-: el reactor (1) y el reactor (2) se hallan provistos de medios de calefacción (6) y de medios (5) para evacuar el calor;

-: el iniciarse el ciclo

*: los reactores (1) y (2) contienen respectivamente un sorbente S1 y un sorbente S2 susceptibles de participar en una sorción reversible que utiliza en gas G, estando situada la curva de equilibrio de la sorción reversible en (1) en un ámbito de temperatura más elevado que el correspondiente a la curva de equilibrio de la sorción reversible en (2) en el diagrama de Clapeyron;

*: El dispositivo (EC) contiene un compuesto G susceptible de experimentar un cambio de fase líquido/gas o un sorbente SEC+G rico en gas G susceptible de participar en una sorción reversible cuya temperatura de equilibrio es inferior a la temperatura de equilibrio de la sorción reversible en el reactor (2).

En una forma particular de realización, el contacto térmico entre los reactores (1) y (2) se lleva a cabo situando el reactor (1) en el interior del reactor (2). Por ejemplo, los reactores (1) y (2) pueden ser concéntricos, estando situado el reactor (1) en el interior del reactor (2).

En otra forma de realización, cada uno de los reactores (1) y (2) se halla constituido por varias placas huecas que contienen los correspondientes sorbentes, estando alternadas las placas de uno de ellos con las placas del otro. El espesor de las placas es típicamente del orden de entre 1 y 3 cm.

En una instalación de acuerdo con la invención, la producción de frío tiene lugar a nivel del dispositivo (EC). Si el frío se destina a la producción de cubitos de hielo o de agua fría, la instalación comprende además un depósito (3) que contiene el agua en contacto térmico directo con el dispositivo (EC). Si se desea producir cubitos de hielo, se utiliza preferentemente un depósito (3) compartimentado de acuerdo con las dimensiones de los cubitos de hielo que se pretende obtener. Cuando la instalación se utiliza para fabricar agua fría, el depósito 3 puede estar constituido por un serpentín a lo largo del que circula el agua, integrado en la pared del dispositivo (EC). Si la instalación se destina a congelar diferentes productos, el depósito (3) puede presentar la forma adecuada para contener y congelar correctamente dichos productos.

La figura 1 representa un esquema de una instalación realizada de acuerdo con la invención.

En esta figura, la instalación comprende un reactor (1) provisto de medios de calefacción (6), un reactor (2) en contacto térmico con el reactor (11) y provisto de medios de refrigeración (5), un dispositivo (EC), unos conductos provistos de válvulas V1 y V2 que permiten poner selectivamente en contacto los reactores (1) y (2) con (EC). El reactor (1) contiene un sorbente S1 ca paz de formar una sorción con un gas G. El reactor (2) contiene un sorbente S2 capaz de formar una sorción con el gas G, siendo la temperatura de equilibrio de S1 superior a la temperatura de equilibrio de S2 a una determinada presión. El dispositivo (EC) con tiene el gas G en estado líquido o un sorben te SEC capaz de formar una sorción con el gas G, siendo la temperatura de equilibrio de SEC inferior a la temperatura de equilibrio de S2 a una determinada presión. El dispositivo (EC) se halla ventajosamente constituido por un evaporador/condensador (designado en lo sucesivo por evaporador) que constituye la sede de un cambio de fase líquido/gas (L/G). (EC) se halla en contacto térmico directo con un depósito (3) integrado en su pared, que contiene agua.

La instalación y el procedimiento que constituyen objeto de la invención resultan particularmente interesantes cuando el dispositivo (2) es un evaporador/condensador (designado en lo sucesivo por evaporador). En una forma particular de realización, el evaporador presenta una estructura como la que se ha representado en las figuras 2 y 3. En la figura 2 se ha representado una vista en sección transversal, y la figura 3 constituye una vista en sección longitudinal.

El evaporador se halla constituido por un cilindro (8) que se halla cerrado por sus dos extremidades y que presenta una sección circular. La sección circular presenta en su parte superior un arco de círculo cóncavo que corresponde a la sección del depósito de cubitos de hielo (7). En el interior del evaporador se hallan situadas unas aletas huecas (9), dispuestas en sentido longitudinal. Un tubo (10) conexionado al conducto que permite la transferencia del gas G entre el evaporador y los reactores (1) o (2) penetra en el recinto cilíndrico del evaporador a través de una abertura prevista en una de las extremidades del cilindro, y queda directamente situado por debajo del depósito de cubitos de hielo (7). El gas de trabajo G, bajo la forma de un líquido en ebullición, se halla situado en el fondo del evaporador. El espacio definido entre las paredes de las aletas es ocupado por el material con cambio de fase.

La pared exterior del evaporador (8) se constituye a base de un material dotado de una difusividad térmica elevada, es decir, con una reducida capacidad térmica, para permitir un descenso rápido de la temperatura de la pared, y un alto grado de conductividad térmica, para permitir una formación rápida de los cubitos de hielo. Resulta apropiado, por ejemplo, un material a base de aluminio, que presenta una capacidad térmica reducida y un elevado grado de conductividad, y que resulta compatible con el amoníaco, que es un gas frecuentemente utilizado en las instalaciones para producción de frío a temperaturas negativas. Las aletas (9) aumentan la difusión del calor del líquido en ebullición hacia el depósito de los cubitos de hielo, aumentando al mismo tiempo la resistencia mecánica del evaporador. El depósito de cubitos de hielo 7 se halla provisto de una multiplicidad de tabiques transversales, situadas de manera que confieran a los cubitos la forma que en cada caso se desee. La forma global adoptada por el depósito de los cubitos de hielo posee una geometría en forma de media luna tórica, lo que permite un fácil desmoldeo de los cubitos
formados.

El material con cambio de fase M situado entre las paredes de las aletas huecas mantiene la temperatura del evaporador a una baja temperatura, lo que permite prolongar la fase de producción de cubitos de hielo durante la fase transitoria de calentamiento para la regeneración del reactor aislado del evaporador.

La particular configuración del tubo (10) y su posicionamiento en el retinto del evaporador se calculan de manera que los gases calientes, provenientes del reactor durante la fase 5 de establecimiento de la comunicación entre el reactor a alta presión y el evaporador mantenido a baja presión por el material con cambio de fase, tropiezan en primer lugar con el depósito de los cubitos de hielo, lo que facilita el desprendimiento de estos cubitos.

En una forma particular de realización, el procedimiento que constituye objeto de la invención para la producción de frío se pone en práctica mediante una instalación como la que se ha descrito, en la que el recinto (EC) contiene además un material con cambio de fase sólido/líquido M. El material con cambio de fase M se elige de tal manera que la temperatura de solidificación sea al menos ligeramente inferior a la temperatura de producción de frío en (EC) correspondiente a la síntesis en (2). Resulta conveniente una diferencia de temperatura de algunos grados, por ejemplo, de 1ºC a 10ºC. Por ejemplo, esta temperatura es de 0ºC cuando el objetivo que se persigue estriba en la fabricación de cubitos de hielo. El material M puede elegirse, por ejemplo, entre las parafinas tales como las n-alcalinas con entre 10 y 20 átomos de carbono, las mezclas eutécticas y las soluciones eutécticas. Sin embargo, durante la etapa de regeneración, la temperatura en el recinto (EC) es la correspondiente a la fusión del material M, induciendo una temperatura de regeneración inferior a la que correspondería en ausencia del material con cambio de fase. Esta variante de realización práctica del procedimiento que constituye objeto de la invención permite, consecuentemente, reducir la duración de un ciclo y la cantidad de energía requerida por el proceso de regeneración.

La puesta en práctica del procedimiento que constituye objeto de la invención por medio de una instalación según la invención se describirá a continuación de una manera más detallada haciendo referencia a las figuras 4 a 7, en relación con una instalación en la que (EC) es un evaporador/condensador. Las figuras 4 a 7 representan la posición de la instalación en el diagrama Clausius Clapeyron, en las diferentes fases de un ciclo de funcionamiento. Las curvas sobre los diagramas corresponden a fenómenos monovariantes. El funcionamiento de la instalación seria de todas formas idéntico si se utilizara en los reactores (1) y/o (2) un fenómeno divariante, correspondiente, por ejemplo, a la absorción del gas G por una solución absorbente (por ejemplo, agua/NH_{3}, agua/LiBr) o la adsorción del gas G sobre la superficie de un sólido activo (por ejemplo, carbón activo o zeolito).

Fase inicial

En el curso de una fase inicial, se situan los elementos (1), (2) y (EC) a la temperatura ambiente T_{0} y se les aísla unos de otros manteniendo cerradas las válvulas V1 y V2. Al estar los elementos aislados unos de otros, se hallan en sus respectivas presiones de equilibrio a T_{0}, designadas por PE^{0}, P1^{0} y P2^{0}. (1) y (2) contienen respectivamente S1 y S2. (EC) contiene G bajo forma líquida. S1, S2 y G se eligen de tal manera que P1^{0} < P2^{0} < PE^{0}. la situación de los elementos ha sido representada por 1^{0}, 2^{0} y E^{0} en el diagrama representado en la figura 4.

Fase 1

Fase de primera producción de frío

La válvula V^{1} permanece cerrada. La instalación funciona por el reactor (2) y el evaporador (EC). La apertura de la válvula V_{2} provoca una igualación de presiones (PE^{1} = P2^{1}) entre (EC) y (2). El evaporador (EC) pasa de la posición E^{0} hacia E^{1} y el reactor (2) pasa de la posición 2^{0} hacia la posición 2^{1}. La evolución de las respectivas posiciones ha sido representada en la figura 4. En el estado 2^{1}, el reactor (2) se halla en posición de síntesis, mientras que en el estado E^{1}, el evaporador (EC) se halla en estado de evaporación. El establecimiento de la comunicación entre (EC) y (2) provoca un descenso brutal de temperatura en (EC) y la temperatura pasa de T_{0} a T_{E1}. Este descenso de temperatura permite así en un primer tiempo la congelación rápida del agua contenida en un depósito (que no ha sido representado en la figura 1) integrado en la pared del evaporador. Puede entonces observarse un primer pico de potencia. El gas liberado por la evaporación en (EC) es absorbido por el sorbente S2 contenido en (2), lo que provoca un aumento de temperatura del reactor (2) como consecuencia de que la sorción sea notablemente exotérmica. La energía producida por la sorción en (2) es absorbida por el reactor (1) que se halla aislado de (EC) pero en contacto térmico con (2). El reactor (1) constituye entonces una capacidad térmica que permite que el reactor (2) se mantenga lejos de su equilibrio termodinámico. En reactor (1) pasa entonces de la posición 1^{0} hacia la posición 1^{1} manteniéndose sobre su recta de equilibrio termodinámico.

Fase 2

Fase de segunda producción de frío

Cuando la síntesis es total en el reactor (2) al finalizar la fase 1 [cuya duración viene determinada por la naturaleza y las cantidades de elementos utilizados en (2) y en (EC)], se cierra la válvula V_{2} y se abre inmediatamente la válvula V_{1}. La instalación pasa entonces a funcionar a base del reactor (1) y del evaporador (EC). El equilibrio de presiones que se establece entre el reactor (1) y el evaporador (EC) determina que estos elementos pasen de las posiciones representadas por E^{1} y 1^{1} a las posiciones representadas por E^{2} y 1^{2}. Esta evolución ha sido representada en la
figura 5.

En el evaporador (EC) en E^{2} se produce frío, es decir a una temperatura T_{E2} inferior a la temperatura de producción de frío T_{E1} en la fase 1. Como sea que las fases 1 y 2 se efectuan una a continuación de la otra, estas fases proporcionan elevadas potencias de producción de frío a T_{E2}, de terminando únicamente que (EC) pase del nivel T_{E1} al nivel T_{E2}. Durante esta fase, el reactor (2) desarrolla la función de capacidad térmica para el reactor (1). El reactor (2) que absorbe el calor de la reacción exotérmica procedente del reactor (1), aumenta de temperatura y se situa sobre su equilibrio termodinámico en 2^{2}. Merced a esta capacidad térmica, el reactor (1) permanece en 1^{2} que es una posición alejada. de su equilibrio termodinámico, lo que permite alcanzar un segundo pico de producción de potencia frigorífica.

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Fase 3

Fase de desprendimiento de los cubitos de hielo y de regeneración

Al finalizar o antes de finalizar la fase 2, se abre la válvula V_{2}, permaneciendo abierta la válvula V_{1}.

Los elementos (1), (2) y (EC) se sitúan rápidamente en las posiciones 1^{3}, 2^{3} y C^{3} a correspondiente a las fases 1 y 2. El con tenido del reactor (2) se halla en posición de descomposición y el contenido del reactor (1) se mantiene en la posición de síntesis. Las distancias de equilibrio de estas síntesis/descomposición se mantienen a niveles importantes, a causa del contacto térmico existente entre los reactores (1) y (2). De ello se deduce que la descomposición en el reactor (2) es más rápida que la síntesis que finaliza en el reactor (1). En estas condiciones, se produce inmediatamente una condensación en el dispositivo (EC) que evoluciona rápidamente hacia la posición C^{3}. Esta condensación exotérmica resulta posible dado que el calor es absorbido por la fusión superficial de los cubitos de hielo, lo que determina su desprendimiento facilitando de esta manera su evacuación posterior del dispositivo (EC). El inicio del funcionamiento de los medios de calefacción (6) en (1) desde el principio de esta fase (al mismo tiempo que la apertura de la válvula V2), determina la condensación en (EC) que evoluciona progresivamente desde la posición C^{3} a un nivel de presión C^{4} que permite nuevamente la condensación del gas G. La condensación resulta nuevamente posible, cuando el reactor (1) se halla en la posición 1^{4} y cuando la presión de condensación pasa a ser superior a la presión de vapor saturante correspondiente a la temperatura media del fluido de refrigeración del elemento (EC) (por ejemplo, la temperatura del aire exterior). La temperatura T_{1}^{4} es la temperatura de regeneración (Treg) y el dispositivo (EC) se halla en la posición C^{4} lo que impulsa al reactor (2) hacia la posición 2^{4} igualmente a nivel de la presión impuesta por la condensación. La posición termodinámica C^{4} es entonces necesariamente tal como la temperatura correspondiente a la posición C^{4} es superior a la temperatura ambiente To, y ello en razón de la transferencia de calor de condensación hacia el pozo de calor. La regeneración del dispositivo implica que la extracción del calor de esta condensación exotérmica deba efectuarse en un pozo de calor, pudiendo ser el aire ambiente o un circuito de refrigeración. La evolución de la posición de los diferentes elementos ha sido representada en la figura 6.

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Fase 4

Fase de enfriamiento y de retorno a la fase inicial

Desde el momento en que termina la regeneración de los reactores (1) y (2), se cierran las válvulas V1 y V2. Se enfrían entonces los reactores aislados de esta manera, ya sea naturalmente, ya sea con ayuda de unos medios de refrigeración (5) (ventiladores, circuito de refrigeración, ...) provocando un descenso de temperatura y de presión. Cada uno de los elementos evoluciona según su curva de equilibrio termodinámico hasta alcanzar la temperatura ambiente y recuperar de esta manera su posicionamiento inicial, respectivamente, en E^{0}, 1^{0} y 2^{0}. El dispositivo se sitúa de esta manera en las condiciones iniciales de la fase de almacenamiento de la producción de frío del inicio del ciclo de funcionamiento. La evolución de a posición de los diferentes elementos en el curso de esta fase ha sido representada en la figura 7.

Cuando el procedimiento que constituye objeto de la invención se pone en práctica por medio de una instalación en la que el recinto (EC) contiene además un material con cambio de fase M cuya temperatura de cambio de fase T_{M} es al menos ligeramente inferior a la temperatura de producción de frío T_{E1} en (EC) correspondiente a la síntesis en (2), la regeneración de los sorbentes contenidos en los reactores (1) y (2) es más rápida. Los sucesivos estados en los que se hallan los reactores (1) y (2) y el recinto (EC) en el curso de las sucesivas fases se muestran en el diagrama de Clausius-Clapeyron que se ha representado en la figura 8. En esta forma de realización, el dispositivo (EC) puede adoptar la configuración que se ha representado en las figuras 2 y 3.

Fase inicial

Esta fase es análoga a la fase inicial que se ha descrito anteriormente. Los elementos (1), (2) y (EC) se hallan en la posición representada por 1^{0}, 2^{0} y E^{0} en la figura 8.

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Fase 1

Fase de primera producción de frío

La válvula V_{1} permanece cerrada. La instalación funciona por medio del reactor (2) y el evaporador (EC). La apertura de la válvula V_{2} provoca una igualación de presiones (PE^{1} = P2^{1}) entre (EC) y (2). El evaporador (EC) pasa de la posición E^{0} hacia la posición E^{1} y el reactor (2) pasa de la posición 2^{0} hacia la posición 22^{1}. En el estado 2^{1}, el reactor (2) se halla en la posición de síntesis, mientras que en el estado E^{1}, el evaporador (EC) se halla en estado de evaporación.

El establecimiento de la comunicación entre (EC) y (2) provoca un descenso brutal de temperatura en (EC) que pasa de T_{0} a T_{E1}. Este descenso de la temperatura permite de esta manera, en un primer tiempo, el enfriamiento rápido y después la congelación parcial del agua contenida en el depósito 7 integrado en la pared del evaporador, y permite después la solidificación del material M. El gas liberado por la evaporación en (EC) es absorbido por el sorbente S2 contenido en (2), lo que provoca un aumento de temperatura del reactor (2) como consecuencia de qué la sorción es altamente exotérmica. La energía producida por la sorción en (2) es absorbida por el reactor (1) que se halla aislado de (EC) pero se halla en contacto térmico con (2). El reactor (1) desarrolla entonces las funciones de una capacidad térmica que permite que el reactor (2) se mantenga alejado de su equilibrio termodinámico. El reactor (1) pasa entonces de la posición 1^{0} la posición 1^{1} permaneciendo dentro de su línea de equilibrio termodinámico.

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Fase 2

Fase de segunda producción de frío

La presencia de un material con cambio de fase en (EC) no modifica el desarrollo de la fase 2. Al finalizar esta fase, los reactores (1) y (2) y el recinto (EC) se hallan en las respectivas posiciones 1^{2}, 2^{2} y E^{2}.

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Fase 3

Fase de desprendimiento de los cubitos de hielo y de regeneración

Al finalizar la fase 2, se abre la válvula V_{2}, permaneciendo abierta la válvula V_{1}.

Los elementos (1), (2) y (EC) se sitúan rápidamente en las posiciones 1^{3}, 2^{3} y C^{3} a un nivel de presión intermedio entre los correspondientes a las fases 1 y 2. El contenido del reactor (2) se halla en posición de descomposición y el contenido del reactor (1) permanente de la posición de síntesis. Las separaciones con respecto al equilibrio de estas síntesis/descomposición continúan siendo importantes, a causa del contacto térmico que existe entre los reactores (1) y (2). De ello se deduce que la descomposición en el reactor (2) es más rápida que la síntesis que termina en el reactor (1). En estas condiciones, se inicia inmediata mente una condensación en el dispositivo (EC) que evoluciona rápidamente hacia la posición C^{3}. Esta condensación exotérmica resulta posible dado que el calor es absorbido por la fusión superficial de los cubitos de hielo, lo que induce su desprendimiento facilitando de esta manera su extracción ulterior del dispositivo (EC). El inicio de funcionamiento de los medios de calefacción (6) en (1) desde el inicio de esta fase (al mismo tiempo que la apertura de la válvula V2), mantienen la condensación en (EC) que continua de evolucionar progresiva mente desde la posición C^{3} hacia la posición C^{4} permitiendo de nuevo obtener una condensación efectiva del gas. La condensación resulta nuevamente posible cuando el reactor (1) se halla en la posición 1^{4'} y cuando la presión de condensación se convierte en superior a la presión de vapor saturante correspondiente a la temperatura T_{M} de fusión del material con cambio de fase. La temperatura T_{1}^{4'} es la temperatura de regeneración (Treg) y el dispositivo (EC) se halla en posición C^{4'}, lo que determina que el reactor (2) pase a la posición 2^{4'} igualmente a este nivel de presión impuesto por la condensación del gas G.

La apertura de la válvula V_{2}, permaneciendo abierta la válvula V_{1}, y el inicio de funcionamiento de los medios de calefacción (6) en el reactor (1), determina el inicio de la desorción rápida en el reactor (2) y el desprendimiento y la evacuación de los cubitos de hielo, así como el final de la síntesis en el reactor (1) seguido de la desasorción en (1). La temperatura de condensación impuesta a la temperatura T_{M} por la fusión del eutéctico permite, por una parte, realizar la condensación del gas a una temperatura inferior a la temperatura ambiente, lo que permite disminuir claramente la amplitud térmica recorrida por el dispositivo (EC) implicando un mejor grado de eficacia del procedimiento y unas duraciones de ciclos más reducidas. Por otra parte, la presión de condensación P_{C4}, es más reducida que la presión P_{C4} obtenida en el caso de proceder sin los materiales con cambio de fase lo que determina una disminución de la temperatura de regeneración de (1), y consecuentemente la correspondiente a (2), lo que implica una disminución de la energía consumida para la regeneración de (1) y de (2) determinando además en este caso un mejor grado de eficacia del procedimiento y una reducción de los tiempos necesarios para los ciclos.

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Fase 4

Fase de enfriamiento y de retorno a la fase inicial

El retorno a la temperatura T_{0} se lleva a cabo, para el conjunto de la instalación, en un tiempo más reducido en presencia de un material con cambio de fase, como consecuencia de que el reactor (1) se halla a una temperatura más reducida.

En su configuración más general, la instalación que constituye objeto de la invención, gobernada por el procedimiento objeto de la invención, permite de esta manera producir un frío de alta potencia sobre unos periodos de tiempo muy reducidos, que pueden permitir la producción casi instantánea de cubitos de hielo, por ejemplo. Por otra parte, cuando la instalación contiene un material con cambio de fase en el elemento endotérmico, la temperatura de regeneración en el reactor funcionando a la temperatura más elevada resulta disminuida, lo que por un lado disminuye la duración del proceso y disminuye también el consumo de energía.

Claims

1. Procedimiento para la producción de frío por un sistema termoquímico que comprende tres fenómenos reversibles utilizando el gas G en tres recintos (EC), (1) y (2), siendo las respectivas temperaturas de equilibrio T_{E(EC)}, T_{(E1)} y T_{E(2)} a una determinada presión tales que T_{E(EC)} < T_{E(2)} < T_{E(1)}, hallándose en contacto térmico los recintos (1) y (2), caracterizado porque, a partir de un estado en el que los tres recintos se hallan a la temperatura ambiente y a la misma presión:

-: en una primera fase, se aisla el recinto (1), se ponen en comunicación los recintos (EC) y (2) para provocar la síntesis exotérmica en (2), siendo absorbido el calor por el recinto (1);

-: en una segunda fase, se aisla el recinto (2) y se establece la comunicación entre los recintos (EC) y (1) para provocar la síntesis exotérmica en (1), siendo absorbido el calor por el recinto (2);

-: en una tercera fase, se establece la comunicación entre los tres recintos y se aporta energía calorífica al recinto (1) para provocar las etapas de descomposición exotérmica en (1) y en recupere la temperatura ambiente.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque:

-: en el estado inicial, los recintos (EC), (1) y (2) se hallan aislados unos de otros y se hallan situados a la temperatura ambiente, los recintos (1) y (2) contienen su respectivo sorbente S1 y S2 en el estado pobre en gas G, y el recinto (EC) contiene G en estado líquido o el sorbente en estado rico en gas G;

-: en el curso de la primera fase, el establecimiento de la comunicación entre los recintos (EC) y (2) provoca la producción de frío en el recinto (EC) a la temperatura de equilibrio en (EC) que corresponde a la presión en el conjunto integrado por (2) y (EC);

-: en el curso de la segunda fase, el establecimiento de la comunicación entre los recintos (EC) y (1) provoca la producción de frío en el recinto (EC) a la temperatura de equilibrio en (EC) correspondiente a la presión en el conjunto integrado por (1) y (EC);

-: en el curso de la tercera fase, el establecimiento de la relación entre los tres recintos provoca la síntesis en (EC) y la descomposición en (2), y después la aportación de energía calorífica a (1) provoca la descomposición en (1).

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3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el fenómeno reversible en los reactores (1) y (2) se elige entre las reacciones químicas reversibles entre el gas G y un sólido, las adsorciones del gas G sobre un sólido, y las absorciones del gas G por un líquido.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el fenómeno reversible en el dispositivo (EC) es un cambio de fase líquido/gas.

5. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el fenómeno reversible en el dispositivo (EC) es una sorción elegida entre las reacciones químicas reversibles entre el gas G y un sólido, las adsorciones del gas G sobre un sólido, y las absorciones del gas G por un líquido.

6. Instalación para la puesta en práctica del procedimiento según la reivindicación 1, comprendiendo un elemento endotérmico constituido por un dispositivo (EC) y un elemento exotérmico constituido por un reactor (1) y un reactor (2) en contacto térmico, de manera que cada uno de ellos constituye una masa térmica activa para el otro, caracterizado porque:

-: los reactores (1) y (2) y el dispositivo (EC) se hallan provistos de medios que permiten establecer selectivamente la comunicación entre los mismos;

-: al inicio de ciclo:

*: los reactores (1) y (2) contienen respectivamente un sorbente S1 y un sorbente S2 susceptibles de participar en una sorción reversible que utiliza en gas G, siendo la temperatura de equilibrio de la sorción reversible en (1) superior a la temperatura de equilibrio de la sorción reversible en (2) a una determinada presión;

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7. Instalación según la reivindicación 6, caracterizada porque el dispositivo (EC) se halla en contacto térmico directo con un depósito (3) que contiene agua.

8. Instalación según la reivindicación 6, caracterizada porque el dispositivo (EC) contiene además un material con cambio de fase líquido/sólido, cuya temperatura de cambio de fase es inferior a la temperatura de producción de frío.

9. Instalación según la reivindicación 6, caracterizada porque el dispositivo (EC) es un evaporador constituido por un cilindro (8) que se halla cerrado por sus dos extremidades, cuya sección circular presenta en su parte superior un arco de círculo cóncavo que corresponde a la sección del depósito de los cubitos de hielo (7) y que comprende además:

-: unas aletas huecas (9) situadas en el interior del cilindro, en el sentido longitudinal, estando ocupado el espacio entre dichas aletas por un material con cambio de fase sólido/líquido;

-: un tubo (10) unido a un conducto que permite la transferencia del gas G entre el evaporador y el reactor (2), penetra en el recinto cilíndrico del evaporador a través de una abertura prevista en una de las extremidades del cilindro, y queda situado directamente por debajo de la pared del depósito de los cubitos de hielo (7), estando situado el gas de trabajo G, bajo la forma de un líquido en ebullición, en el fondo del evaporador.

10. Instalación según la reivindicación 6, caracterizada porque el reactor (1) se halla situado en el interior del reactor (2).

11. Instalación según la reivindicación 10, caracterizada porque los reactores (1) y (2) son concéntricos, estando situado el reactor (1) en el interior del reactor (2).

12. Instalación según la reivindicación 6, caracterizada porque cada uno de los reactores (1) y (2) se halla constituido por varias placas huecas que contienen los respectivos sorbentes, estando alternadas las placas de uno de los reactores con las placas del otro reactor.

13. Instalación según la reivindicación 8, caracterizada porque la distancia entre la temperatura de cambio de fase del material con cambio de fase y la temperatura de producción de frío es de 1ºC a 10ºC.