BRPI0417143B1 - Método e planta para resfriamento de fluidos por contato direto com gases liquefeitos - Google Patents

Description

MÉTODO E PLANTA PARA RESFRIAMENTO DE FLUIDOS POR CONTATO

DIRETO COM GASES LIQUEFEITOS A presente invenção se refere a um método e planta para resfriamento de um fluido de acordo com a introdução das reivindicações independentes. A invenção provê um método e planta para resfriamento de fluidos no estado liquido, possivelmente também contendo elementos sólidos, por meio de um fluido de resfriamento consistindo em um gãs liqüefeito, tal como, N2, C02, Ar ou uma mistura dos mesmos, o fluido de resfriamento passando do estado gasoso ou de vapor seguindo a transferência de calor.

Como é amplamente conhecido, para resfriar um líquido, mecanismos ou plantas são geralmente usados, os quais possuem superfícies de separação entre o fluido de resfriamento e o fluido a ser resfriado. Contudo, essa solução necessariamente implica em um coeficiente de transferência de calor total e uma ação mecânica baixos nos fluidos devido à fricção entre esses e as superfícies de separação. Essa ação mecânica limita o uso desse tipo de mecanismo, uma vez que esse fenômeno pode degradar as características organolépticas do fluido a ser resfriado, tal como no caso da polpa de uva prensada.

Um método para resfriar fluidos usando gases liqüefeitos já é conhecido de uma patente anterior do mesmo depositante. A patente (IT1313938) descreve um método para resfriar um líquido de um modo controlado usando gases liqüefeitos como refrigerantes, o líquido possivelmente também contendo corpos sólidos. 0 método consiste na alimentação do líquido a ser resfriado a um elemento de contenção, também alimentando ao elemento uma quantidade apropriada de gãs liqüefeito, tal que esse último entre em contato direto com o líquido, esse contato levando à transformação do gás liqüefeito em uma fase gasosa e ao resfriamento do líquido, o gãs ou vapor e o líquido resfriado então sendo extraídos do elemento de contenção.

Nessa patente anterior, um conduto é provido para transferir o fluido refrigerado e o gás ou vapor, gerado durante a transferência pelo mecanismo no qual acontece a transferência de calor, para o mecanismo no qual os dois fluidos são separados, esse conduto sendo atravessado pelos fluidos em alta velocidade, de modo que ambos, o líquido resfriado ou a mistura sólida-líquida de duas fases, e o fluido de resfriamento no estado de gãs ou vapor são transferidos simultaneamente.

Se as características do líquido a ser resfriado forem tais que capacitem o mesmo, quaisquer partes sólidas contidas podem sofrer danos dentro desse conduto em razão de sua alta velocidade, um exemplo não limitante sendo dano às uvas no caso da polpa de uva prensada.

Um objetivo da presente invenção é prover um método e planta para resfriamento de líquido, possivelmente também contendo elementos sólidos, que representam um aperfeiçoamento em relação aos métodos e plantas semelhantes conhecidos.

Outro objetivo é prover uma planta que utiliza mecanismos compactos e modalidades operativas simplificadas em comparação às plantas conhecidas semelhantes.

Esses e outros objetivos que ficarão claros aos versados na técnica são obtidos pelo método e planta de acordo com as reivindicações apensas. A presente invenção ficará mais evidente a partir dos desenhos anexos, que são providos por meio de exemplo não limitante e nos quais: A figura 1 é uma vista esquemãtica de uma planta de acordo com a invenção; A figura 2 mostra um injetor de gás liqüefeito da planta da figura 1;

As figuras 3, 4 e 5 mostram três variantes da tubulação de alimentação para o gás de resfriamento liqüefeito e o gás ou vapor usado na planta da figura 1.

Com referência àquelas figuras, uma tubulação 1 é mostrada compreendendo uma bomba 2 arrastando um líquido a ser resfriado (contido em seu próprio tanque ou presente em uma tubulação de transferência, não mostrada). A partir da bomba se estende uma tubulação 3 provida com uma válvula 3a através da qual o líquido a ser resfriado é alimentado a um elemento de contenção e de transferência de calor (ou resfriador 4) onde ele entra em contato direto com o gás liqüefeito retirado de seu próprio tanque de armazenamento 5, através de uma ou mais tubos 6 (apenas um sendo mostrado nas figuras) providos com uma válvula de três vias 8 e um injetor 7 que alimenta o gás liqüefeito ao resfriador 4. 0 injetor 7, mostrado na figura 2, é dimensionado para permitir que quantidades definidas de gás liqüefeito passem através de um orifício dimensionado 7a, após o gás liqüefeito, originando do tubo 6, ter passado através da porção 7c.

Na figura 2, o número de referência 7b indica um sistema móvel conhecido (por exemplo, uma porca de anel) para conexão ao restante do tubo 6 ou à válvula 8.

Se a pressão no tanque 5 for insuficiente para injetar o gás liquefeito dentro do resfriador 4, uma bomba com características apropriadas para fornecimento da pressão necessária é conectada dentro do tubo 6, a bomba não sendo mostrada nas figuras.

Como exemplo, o fluido de resfriamento é um gás liqüefeito tal como N2, C02 ou Ar.

Um tubo de gás ou vapor 9 provido com uma válvula 10 é conectado a válvula 8, do tipo de três vias conhecida, o gás ou vapor sendo injetado pelo injetor 7 ao resfriador 4, ao invés do gás liqüefeito quando a válvula 8 fecha a passagem de gás liqüefeito ao longo do tubo 6. O gás ou vapor é alimentado da maneira descrita acima para prevenir o injetor 7 de encher com líquido de resfriamento ao longo da porção 7c, quando o gás liqüefeito alimentado através do injetor não for necessário, com risco de que novamente conectando o injetor 7 associado ao tubo 6, o contato aconteça entre o gás liqüefeito e o líquido a ser resfriado, com possível congelamento desse último, devido a baixa temperatura obtida e, conseqüente obstrução do injetor 7, assim impedindo sua operação correta.

As figuras 3 e 4 mostram duas soluções alternativas para injetar gás ou vapor ao injetor 7, quando esse último não é atravessado por gás liqüefeito.

Especificamente, na solução mostrada na figura 3, a válvula de três vias é substituída por duas válvulas de uma via, uma conectada ao tubo 6 e a outra ao tubo 9; com essa solução, quando o gás liqüefeito tiver de ser injetado, a válvula 8a é aberta e a válvula 10 é fechada e, vice-versa, quando o gás tiver de ser injetado, a válvula 10 ê fechada e a válvula 8a é aberta. A solução mostrada na figura 4 é utilizada quando a pressão do gás ou vapor presente no tubo 9 for inferior aquela do gás liqüefeito presente no tubo 6 e maior que aquela presente no resfriador 4, e consiste na substituição da válvula 10, mostrada nas figuras 1 e 3, por uma válvula de não retorno unídirecional 10a, que permite que o gás ou vapor passe quando a válvula 8 está fechada. A partir do precedente, segue-se que o injetor 7 é sempre atravessado por um gás liqüefeito ou por um gás ou vapor, assim prevenindo a presença na porção 7c, do líquido a ser resfriado. A figura 5 mostra uma solução que não usa o injetor 7 com o orifício dimensionado 7a, porém utiliza apenas uma válvula de controle 8b para dispensar o gás liqüefeito.

No resfriador 4, o contato direto entre o gás liqüefeito e o líquido a ser resfriado acontece em uma pressão maior que a atmosférica. Os componentes conhecidos são instalados no refrigerante para medir os parâmetros de processo, tais como, um ou mais indicadores de temperatura 13, indicadores de nível 12 e indicadores de pressão 11.

Um tubo de descarga 18 com válvula relativa 19 é instalado na parte superior do resfriador 4 de modo a retirar o gás ou vapor gerado pelo gás liqüefeito, que é desenvolvido dentro do resfriador 4, como resultado da transferência de calor. Regulando-se apropriadamente a abertura da válvula 19, a pressão dentro do elemento de contenção 4 pode ser regulada, conforme será descrito, essa pressão sendo usada para impulsionar o líquido resfriado para fora do elemento de contenção 4 através da tubulação 14 .

Uma parte do gás ou vapor desenvolvido dentro do resfriador 4 pode ser retirada do tubo 18 por um tubo 22, essa parte de gãs ou vapor sendo alimentada, usando fluido de energização originando-se da tubulação 24 (conectada a um tanque apropriado ou a uma tubulação distribuidora da mesma) provida com uma válvula 25 e ajudada por um injetor 23 conhecido, na parte inferior do resfriador 4 para misturar adequadamente o líquido a ser resfriado e o gãs liqüefeito presente no mesmo. Por exemplo, o injetor 23 é um conduto de expansão-compressão conhecido como um tubo Venturi, porém pode ser qualquer outra máquina que arraste que comprima o vapor arrastado do resfriador 4 usando energia eletromecânica, sem a ajuda de um fluido de energização. O tubo de descarga de fluido resfriado 14 é posicionado na parte inferior do refrigerante e é provido com uma válvula 15 e um tubo 16 para alimentar o gás fluidificante ou vapor com a válvula relativa 17. A finalidade dessa alimentação de gás fluidificante ou vapor é misturar o líquido presente no tubo 14, mesmo quando o líquido permanece estacionário lá e não escoa.

Esse expediente significa que, em razão dessa ação de mistura, quando o fluxo do líquido refrigerado deve continuar, a fricção que a pressão o resfriador 4 deve superar é do tipo dinâmica ao invés de estática, sendo bem conhecido que a fricção dinâmica é menor que a fricção estática, de modo que a pressão necessária para reativar o fluxo é menor, nesse caso, que a sem mistura do líquido, a razão de reativação de fluxo inicial consequentemente sendo inferior que a sem fluidificação, assim mais lentamente modificando as condições operacionais e, consequentemente, limitando as oscilações do sistema ao redor do equilíbrio hidrodinâmico.

Na parte inferior do resfriador 4 também é instalado um tubo 20 com válvula relativa 21 para possível adição de gás ou vapor com a finalidade de misturar adequadamente o liquido a ser resfriado e o gás de resfriamento, dentro do resfriador.

De modo a controlar o processo de resfriamento, a invenção compreende uma unidade de controle (não mostrada, compreendendo, por exemplo, um processador eletrônico e/ou uma unidade programável ou PC) e outros componentes eletromecanicos conhecidos, a finalidade sendo posicionar os componentes da planta (tais como, válvulas 8, 10, 15, 17, 19, 21, 25 e a bomba 2) conforme necessário para operação apropriada da planta e de acordo com a lógica descrita aqui doravante. A unidade de controle (não mostrada) recebe os valores dos parâmetros medidos, tais como, temperaturas, do indicador 13, o nível do indicador 12 e a pressão do indicador 11 e processa os valores determinados de acordo com os algoritmos conhecidos com os quais o sistema é provido. 0 resultado do processamento dos algoritmos é a definição do estado (tal como posições da válvula, isto é, aberta/fechada/parcialmente aberta, etc.) dos componentes durante operação, esse estado sendo obtido pelo sistema com a ajuda de componentes eletropneumáticos controlados conhecidos, conectados às partes móveis da planta (por exemplo válvulas).

Um método possível para operar a invenção será descrito agora por meio de ilustração não limitante.

Um líquido a ser resfriado é forçado através da planta 3 e dentro do resfriador 4 onde seu nível é determinado pelo indicador 12 e sua temperatura pela sonda 13. O indicador de nível 12 é ligado por correlação algorítmica a uma válvula 19 conectada dentro do tubo 18, esta correlação algorítmica associando um grau determinado de abertura da válvula 19 com o nível de fluido presente no resfriador 4, determinado pelo indicador 12.

Especificamente, vários algoritmos de correlação podem ser usados, porém todos possuem as seguintes características: - abertura menor da válvula 19 corresponde ao nível maior, - fechamento total da válvula 19 corresponde a um nível escolhido como o máximo permitido para operação. O indicador de temperatura 13 determina continuamente a temperatura da mistura de fluidos, isto é, o líquido a ser resfriado, o gás liqüefeito e o vapor de gás liqüefeito presentes no resfriador 4 e se esse ê maior que o valor ajustado necessário, a unidade de controle alimenta o gás liqüefeito para dentro do resfriador 4, através de uma ou mais tubulações 6 conectadas a um ou mais injetores 7.

Aqueles injetores 7 que em um dado momento não são atravessados pelo gás liqüefeito são atravessados pelo gás ou vapor através dos tubos 9 conectados aos injetores por posicionamento correto da válvula de três vias e abertura da válvula 10; alternativamente, se a válvula de três vias 3 não estiver presente, porém ao invés disso um dos três expedientes indicados nas figuras 3 e 4 for provido, essas conexões são feitas por fechamento da válvula 8a e abertura da válvula 10 se o expediente adotado for aquele indicado na figura 3 ou por fechamento apenas da válvula 8a, se o expediente adotado for aquele da figura 4.

No começo do processo de resfriamento, o líquido a ser resfriado, forçado dentro do resfriador 4 pela bomba 2, começa a encher o resfriador e quando seu nível alcança um limite mínimo, definível em qualquer tempo específico pela unidade de controle, essa última abre a válvula 15 e possivelmente a válvula 17 conectada ao tubo 16, para permitir que o líquido resfriado contido em 4, se a pressão interna permitir, possa emergir para alimentação ao destino necessário. A válvula 17 é aberta principalmente quando o líquido resfriado tem uma viscosidade alta, consequentemente apresentando uma resistência considerável ao movimento e para isso requerendo uma pressão alta dentro do resfriador 4.

Conforme a alimentação de líquido a ser resfriado continua, seu nível dentro do resfriador 4 continua a aumentar. Em virtude da correlação entre o nível e o grau de abertura da válvula 19 e consequentemente da queda de pressão que isso gera no vapor deixando o tubo 18, em um determinado ponto a pressão ê atingida no resfriador sendo suficiente para superar a queda de pressão através da tubulação de transferência 14. Quando a pressão é atingida, o líquido resfriado começa a deixar o resfriador através do tubo 14.

Para um melhor entendimento do mencionado anteriormente, deve ser notado que a pressão suficiente é obtida porque se o líquido resfriado não emergir ou emergir em uma razão inferior à razão de entrada, o nível do fluido dentro do resfriador aumenta, então em virtude da correlação algorítmica entre o nível medido e a abertura da válvula 19 conectada ao tubo de descarga 18, para o gás ou vapor gerado por transferência de calor entre o gás liqüefeito e o líquido a ser resfriado, a válvula 19 tende a fechar, para oferecer resistência â saída e gás ou vapor e consequentemente gerar dentro do resfriador 4 uma pressão necessária e suficiente para ejetar o líquido resfriado. A pressão estabiliza em um valor tal, de modo a permitir que uma razão de fluxo de saída do líquido resfriado seja obtida igual à razão de fluxo de entrada, isto significando um nível constante e consequentemente, se no meio tempo não houverem variações no fluxo de gás ou vapor gerado pelo fluido de resfriamento a ser descartado, um grau constante de abertura da válvula 19 é obtido, assim encontrando uma situação de equilíbrio hidrodinâmico dentro do resfriador. 0 valor dos parâmetros envolvidos na posição de equilíbrio hidrodinâmico, tais como, pressão interna e nível de fluido e/ou abertura da válvula 19, pode variar com o tempo, dependendo das características hidrodinâmicas dos fluidos envolvidos, do gás liqüefeito e do líquido a ser resfriado, suas razões de fluxo e quedas de pressão que o líquido resfriado deve superar para alcançar seu próximo destino, a jusante do tubo 14. A invenção, estruturada desse modo, opera continuamente por injeção daquela quantidade de gãs liqüefeito necessária e suficiente para o resfriamento necessário do líquido transitando através do resfriador 4.

Se o líquido a ser resfriado possuir uma viscosidade e/ou densidade tais que sua mistura por gãs ou vapor desenvolvido pelo gãs liqüefeito e passagem através da massa de fluido contida no resfriador 4 é insuficiente para resfriamento uniforme, a mistura necessária pode ser obtida por alimentação ao mesmo de uma quantidade de gás ou vapor suficiente para a finalidade, através do tubo 20 e válvula 21.

Outro modo de obter mistura suficiente, enquanto limitando a quantidade de gás ou vapor a ser adicionada, é o uso dos tubos 22, 24, 26 e do injetor 23 e da válvula 25 do modo como se segue.

Abrindo-se a válvula 25 a uma extensão definida, uma quantidade determinada de gás ou líquido entra no injetor 23 através da tubulação 24, para atuar como um fluido de energização que, por criar um vácuo no tubo 22, arrasta o gãs ou vapor da tubulação 18 e mistura o mesmo com o gãs ou vapor de energização que, através do tubo 26 é alimentado ao fundo do resfriador 4 para consequentemente obter um grau adequado de mistura.

Quando do término do processo de resfriamento, o resfriador pode ser esvaziado de seu conteúdo simplesmente não alimentando o líquido a ser fechado, fechando a válvula 3a e a válvula 19 e alimentando gãs, vapor ou gãs liqüefeito para o resfriador, até esse produzir uma pressão suficiente para expelir todo o líquido resfriado contido no resfriador.

Claims (18)

1. Método para o resfriamento continuo controlado de um fluido em um estado liquido por uso de um fluido de resfriamento consistindo em um gás liqüefeito contido no tanque (5) , o liquido a ser resfriado sendo do tipo de alimentação ou de outro tipo, o líquido também estando em fase simples ou múltiplas fases e possivelmente também contendo corpos sólidos, o método compreendendo alimentação do liquido a ser resfriado em um elemento de contenção e transferência de calor (4), também alimentando ao elemento (4) uma quantidade apropriada de fluido de resfriamento, tal como um gás liqüefeito, retirado do tanque (5) conectado ao elemento (4) por pelo menos um conduto (6), o fluido de resfriamento entrando em contato direto no elemento com o líquido a ser resfriado, o contato conduzindo â transformação do fluido de resfriamento para uma fase gasosa ou de vapor e o resfriamento do líquido a ser resfriado, caracterizado pelo que se segue: - o fluido de resfriamento no estado gasoso e o fluido resfriado são diretamente extraídos do elemento de contenção (4) em um modo jã separado; a pressão no elemento recipiente e de transferência de calor (4) é regulada pela queda de pressão através da válvula (19) posicionada em um conduto de descarga para o gás liqüefeito transformado na fase gasosa após transferência de calor com o fluido a ser resfriado; - o nível de fluido a ser resfriado no elemento é determinado por um indicador (12) o indicador sendo ligado por correlação algorítmica â válvula (19), essa correlação algorítmica associada a um determinado grau de abertura da válvula (19) com o nível do fluido presente no elemento, determinado pelo indicador.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o contato entre o fluido de resfriamento ou gás liquefeito e o líquido a ser resfriado acontece a uma pressão maior que a atmosférica.

3. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o fluido de resfriamento ou gás liqüefeito alimentado ao elemento de contenção e transferência de calor (4) é pressurizado.

4. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a pressão no elemento de contenção e transferência de calor (4) é usada para retirar o fluido resfriado do elemento.

5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que o gás liqüefeito ê escolhido de N2, C02 e Ar.

6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4 ou 5, caracterizado pelo fato de que o líquido resfriado e o gás liqüefeito, esse último na fase gasosa seguindo a trasnferência de calor, são extraídos do elemento de retenção e transferência de calor (4) nas extremidades superior e inferior desse elemento.

7. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a inserção de gãs ou vapor de inserção dentro do elemento de contenção e transferência de calor (4) facilita a mistura entre o líquido a ser resfriado e o gãs liqüefeito.

8. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que os gases ou vapores inseridos são do mesmo tipo que o gás liquefeito.

9. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que os gases inseridos ou vapores são de um tipo diferente do gãs liquefeito.

10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7, 8 ou 9, caracterizado pelo fato de que o gãs ou vapor é inserido dentro do elemento de contenção e transferência de calor, de acordo com as características físicas do líquido a ser resfriado que está presente no elemento.

11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10, caracterizado pelo fato de que existe controle contínuo da temperatura, pressão e nível do fluido no elemento de contenção e transferência de calor (4).

12. Planta para implementar o método de qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 ou 11, a planta compreendendo um tanque (5) de gãs liquefeito, o tanque (5) sendo conectado por pelo menos um conduto (6) a um elemento de contenção e transferência de calor (4), ao elemento (4) sendo conectado por pelo menos um conduto (3) para alimentar um líquido a ser resfriado, esse último sendo disposto para ser resfriado no interior do elemento de contenção e transferência de calor (4) , o elemento (4) compreendendo uma câmara interna simples a qual os condutos (3, 6) mencionados anteriormente são conectados e dentro da qual o gãs liqüefeito e o líquido a ser resfriado entram em contato, caracterizada pelo que se segue: - o elemento (4) compreende condutos de descarga (14, 18) através dos quais os fluidos são extraídos separadamente após seu contato direto; o conduto (18) para descarga de fluido de resfriamento do elemento de contenção e transferência de calor compreende um elemento de válvula (19) permitindo que a pressão no interior do elemento seja regulada; - a planta compreende um indicador (12) de nível do fluido a ser resfriado no elemento, o indicador sendo ligado por correlação algorítmica à válvula (19), essa correlação algorítmica associando um determinado grau de abertura da válvula (19) com o nível do fluido presente no elemento, determinado pelo indicador.

13. Planta, de acordo com a reivindicação 12, caract eri zada pelo fato do conduto (6) para o gás liqüefeito é conectado ao elemento de contenção e transferência de calor (4) através de um injetor (7) com um orifício dimensionado (7a) para a entrada do gás liqüefeito no elemento.

14. Planta, de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato de que o conduto (6) para o gás liqüefeito é conectado ao elemento de contenção e transferência de calor (4) por um tubo provido com uma válvula de controle de fluxo.

15. Planta, de acordo com a reivindicação 13, caracterizada pelo fato de que é conectada ao conduto de gás liqüefeito (6) , a montante do injetor (7) , de um conduto (9) para alimentar gás ou vapor ao injetor, quando o fluxo de gás liqüefeito para o elemento de contenção e transferência de calor através do conduto (6) cessar.

16. Planta, de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato de que o conduto de descarga (18) , através do qual o gás liquefeito que passou para a fase gasosa após transferência de calor com o líquido a ser resfriado é extraído, é conectado a uma unidade de circuito compreendendo condutos (22, 26) e injetor (23) para retirar parte do gás ou vapor do conduto de descarga (18) e para injetar o mesmo dentro do elemento de contenção e transferência de calor (4) a fim de facilitar a mistura do gás liqüefeito com o líquido a ser resfriado.

17. Planta, de acordo com a reivindicação 16, caracteri zada pelo fato de que a unidade de circuito é conectada ao conduto de alimentação (24) para energizar o fluido.

18. Planta, de acordo com a reivindicação 16, caracterizada pelo fato de que compreende um conduto adicional (20) conectado a uma parte inferior do elemento de contenção e transferência de calor (4) , a fim de alimentar gás ou vapor ao elemento para facilitar a mistura do gás liqüefeito ao líquido a ser resfriado.