ES2197568T3 - Sistema de refrigeracion de carga variable, particularmente para temperaturas criogenicas. - Google Patents

Sistema de refrigeracion de carga variable, particularmente para temperaturas criogenicas.

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Abstract

Un método de generar refrigeración que comprende: (A) comprimir una mezcla refrigerante de carga variable que comprende al menos un com-ponente del grupo que consiste en hidro-carburos fluorados, hidrocarburos hidrofluo-rados y éteres fluorados y al menos un componente del grupo que consiste en hidro-carburos fluorados, hidrocarburos hidrofluo-rados, éteres fluorados y gases atmosfé-ricos, siendo dichos componentes diferentes y no conteniendo dicha mezcla refrigerante ni hidrocarburos ni hidrocarburos hidroclo-rofluorados, y en la que el punto de ebulli-ción normal del componente de punto de ebullición más elevado de la mezcla refri-gerante es al menos 100ºK más elevado que el punto de ebullición normal del componente de punto de ebullición más bajo de la mezcla refrigerante, para producir una mezcla re-frigerante de carga variable comprimida; (B) enfriar la mezcla refrigerante de carga variable comprimida para producir una mezcla refrigerante de carga variable comprimida enfriada; (C) expandir la mezcla refrigerante de carga variable comprimida y enfriada y generar re-frigeración para producir una mezcla re-frigerante de carga variable de temperatura más baja; y (D) calentar la mezcla refrigerante de carga variable de temperatura más baja.

Description

Sistema de refrigeración de carga variable, particularmente para temperaturas criogénicas.
Campo de la técnica
Esta invención se refiere generalmente a refrigeración y más particularmente, al uso de fluidos refrigerantes de múltiples componentes útiles para generar refrigeración. La invención es particularmente útil para proporcionar refrigeración por debajo de las temperaturas criogénicas.
Técnica anterior
La refrigeración se genera convencionalmente mediante compresión y a continuación expansión de un fluido refrigerante dentro de un circuito de refrigeración. Ejemplos bien conocidos de tales sistemas convencionales incluyen los refrigeradores y los acondicionadores de aire. Típicamente el refrigerante es un fluido de componente único que experimenta un cambio de fase a una temperatura requerida desde un líquido a un gas haciendo así disponible su calor latente de vaporización para propósitos de enfriamiento. La eficacia del sistema convencional se puede mejorar mediante el uso de un fluido de componentes múltiples tal como el refrigerante que puede proporcionar cantidades variables de refrigeración sobre un intervalo de temperatura requerido. Sin embargo, los ciclos de refrigeración de componentes múltiples conocidos no pueden proporcionar eficazmente refrigeración sobre un intervalo de temperatura amplio por debajo de las temperaturas criogénicas más frías. Además, los fluidos refrigerantes más conocidos son tóxicos, inflamables y/o destructores de ozono.
En el Documento EP-A-0.516.093 se describe una unidad de refrigeración que comprende un circuito refrigerante secundario a temperatura elevada y un circuito refrigerante secundario a baja temperatura para formar un circuito cerrado refrigerante independiente que exhibe un efecto de refrigeración mediante el cual un refrigerante descargado de un compresor se condensa y a continuación se evapora, y un evaporador del circuito refrigerante secundario a temperatura elevada y el condensador del circuito refrigerante secundario a baja temperatura forman un cambiador térmico. La unidad usa un refrigerante mezcla no azeotrópica que comprende un refrigerante inorgánico seleccionado del grupo que consiste de argón y nitrógeno, un hidrocarburo y al menos un refrigerante seleccionado del grupo que consiste en hidrocarburo hidroclorofluorado, hidrocarburo hidrofluorado, hidrocarburo e hidrocarburo fluorado.
Los substitutos del clorodifluorometano (HCFC-22) se describen en el Documento US-A-5.736.063.
De acuerdo con esto es un objeto de esta invención proporcionar un método de generar refrigeración usando un fluido refrigerante de componentes múltiples que puede proporcionar refrigeración sobre un intervalo de temperatura amplio por debajo de las temperaturas criogénicas.
Es otro objeto de esta invención proporcionar un fluido refrigerante de componentes múltiples que no sea tóxico, no sea inflamable, y que destruya poco o nada el ozono.
Sumario de la invención
Los anteriores y otros objetivos, que serán evidentes a las personas especializadas en la técnica tras una lectura de esta descripción, se alcanzan mediante la presente invención, un aspecto de la cual es:
Un método de generar refrigeración según se define en la reivindicación 1.
Otro aspecto de la invención es:
Una mezcla refrigerante según se define en la reivindicación 5.
Según se usa aquí la expresión ``refrigerante de carga variable'' quiere decir una mezcla de dos o más componentes en proporciones tales que la fase líquida de estos componentes experimenta un cambio de temperatura continuo y creciente entre el punto de burbujeo y el punto de rocío de la mezcla. El punto de burbujeo de la mezcla es la temperatura, a una presión dada, en la que la mezcla está toda en la fase líquida pero la adición de calor iniciará la formación de una fase de vapor en equilibrio con la fase líquida. El punto de rocío de la mezcla es la temperatura, a una presión dada, en la que la mezcla está toda en la fase vapor pero la extracción de calor iniciará la formación de una fase líquida en equilibrio con la fase vapor. Por consiguiente, la región de temperatura entre el punto de burbujeo y el punto de rocío de la mezcla es la región en la que coexisten en equilibrio tanto la fase líquida como la vapor. En la práctica de esta invención las diferencias de temperatura entre el punto de burbujeo y el punto de rocío para el refrigerante de carga variable es de al menos 10ºK, preferiblemente de al menos 20ºK y lo más preferiblemente de al menos 50ºK.
Según se usa aquí la expresión ``hidrocarburo fluorado'' quiere decir uno de los siguientes: tetrafluorometano (CF_{4}), perfluoroetano (C_{2}F_{6}), perfluoropropano (C_{3}F_{8}), perfluorobutano (C_{4}F_{10}), perfluoropentano (C_{5}F_{12}), perfluoroetileno (C_{2}F_{4}), perfluoropropileno (C_{3}F_{6}), perfluorobuteno (C_{4}F_{6}), perfluoropenteno (C_{5}F_{10}), hexafluorociclopropano (ciclo-C_{3}F_{6}) y octafluorociclobutano (ciclo-C_{4}F_{8}).
Según se usa aquí la expresión ``hidrocarburo hidrofluorado'' quiere decir uno de los siguientes: fluoroformo (CHF_{3}), pentafluoroetano (C_{2}HF_{5}), tetrafluoroetano (C_{2}H_{2}F_{4}), heptafluoropropano (C_{3}HF_{7}), hexafluoropropano (C_{3}H_{2}F_{6}), pentafluoropropano (C_{3}H_{3}F_{5}), tetrafluoropropano (C_{3}H_{4}F_{4}), nonafluorobutano (C_{4}HF_{9}), octafluorobutano(C_{4}H_{2}F_{8}), undecafluoropentano (C_{5}HF_{11}), fluoruro de metilo (CH_{3}F), difluorometano (CH_{2}F_{2}), fluoruro de etilo (C_{2}H_{5}F), difluoroetano (C_{2}H_{4}F_{2}), trifluoroetano (C_{2}H_{3}F_{3}), difluoroetileno (C_{2}H_{2}F_{2}), trifluoroetileno (C_{2}HF_{3}), fluoroetileno (C_{2}H_{3}F), pentafluoropropileno (C_{3}HF_{5}), tetrafluoropropileno (C_{3}H_{2}F_{4}), trifluoropropileno (C_{3}H_{3}F_{3}), difluoropropileno (C_{3}H_{4}F_{2}), heptafluorobuteno (C_{4}HF_{7}), hexafluorobuteno (C_{4}H_{2}F_{6}) y nonafluoropenteno (C_{5}HF_{9}).
Según se usa aquí la expresión ``hidrocarburo hidroclorofluorado'' quiere decir uno de los siguientes: clorodifluorometano (CHClF_{2}), clorofluorometano (CH_{2}ClF), clorometano (CH_{3}Cl), diclorofluorometano (CHCl_{2}F), clorotetrafluoroetano (C_{2}HClF_{4}), clorotrifluoroetano (C_{2}H_{2}ClF_{3}), clorodifluoroetano (C_{2}H_{3}ClF_{2}), clorofluoroetano (C_{2}H_{4}ClF), cloroetano (C_{2}H_{5}Cl), diclorotrifluoroetano (C_{2}HCl_{2}F_{3}), diclorodifluoroetano (C_{2}H_{2}Cl_{2}F_{2}), diclorofluoroetano (C_{2}H_{3}-Cl_{2}F), dicloroetano (C_{2}H_{4}Cl_{2}), triclorofluoroetano (C_{2}H_{2}-Cl_{3}F), triclorodifluoroetano (C_{2}HCl_{3}F_{2}), tricloroetano (C_{2}H_{3}-Cl_{3}), tetraclorofluoroetano (C_{2}HCl_{4}F), cloroetileno (C_{2}H_{3}-Cl), dicloroetileno (C_{2}H_{2}Cl_{2}), diclorofluoroetileno (C_{2}H_{2}-ClF) y diclorodifluoroetileno (C_{2}HClF_{2}).
Según se usa aquí la expresión ``éter fluorado'' quiere decir uno de los siguientes: trifluorometoxi-perfluorometano (CF_{3}-O-CF_{3}), difluorometoxi-perfluorometano (CHF_{2}-O-CF_{3}), fluorometoxi -perfluorometano (CH_{2}F-O-CF_{3}), difluoro-metoxi-difluorometano (CHF_{2}-O-CHF_{2}), difluorometoxi-perfluoroetano (CHF_{2}-O -C_{2}F_{5}), difluorometoxi-1,2,2,2-tetrafluo-roetano (CHF_{2}-O -C_{2}HF_{4}), difluorometoxi-1,1,2,2-tetrafluoro-etano (CHF_{2} -C_{2}HF_{4}), perfluoroetoxi-fluorometano (C_{2}F_{5}-O-CH_{2}F), perfluorometoxi-1,1,2-trifluoroetano (CF_{3}-O-C_{2}H_{2}F_{3}), perfluorometoxi-1,2,2-trifluoroetano (CF_{3}O-C_{2}H_{2}F_{3}), ciclo-1,1,2,2-tetrafluoropropiléter (ciclo-C_{3}H_{2}F_{4}-O-), ciclo-1,1,-3,3-tetrafluoropropiléter (ciclo-C_{3}H_{2}F_{4}-O-), perfluorometoxi-1,1,2,2-tetrafluoroetano (CF_{3}-O-C_{2}HF_{4}), ciclo-1,1,2,3,3-pentafluoropropiléter 
\hbox{(ciclo  -  C _{3} H _{5}   -  O-)}
, perfluorometoxi-perfluoroacetona (CF_{3}-O-CF_{2}-O-CF_{3}), perfluorometoxi-perfluoroetano (CF_{3}-O-C_{2}F_{5}), perfluorometoxi-1,2,2,2-tetrafluoroetano (CF_{3}-O-C_{2}HF_{4}), perfluorometoxi-2,2,2-trifluoroetano (CF_{3}-O-C_{2}H_{2}F_{3}), ciclo-perfluorometoxi-perfluoroacetona (ciclo-C-F_{2}-O-CF_{2}-O-CF_{2}-) y ciclo-perfluoropropiléter (ciclo-C_{3}F_{6}-O).
Según se usa aquí la expresión ``gas atmosférico'' quiere decir uno de los siguientes: nitrógeno (N_{2}), argón (Ar), kriptón (Kr), xenón (Xe), neón (Ne), dióxido de carbono (CO_{2}), oxígeno (O_{2}) y helio (He).
Según se usa aquí el término hidrocarburo significa uno de los siguientes: hidrógeno (H_{2}), metano (CH_{4}), etano (C_{2}H_{6}), etileno (C_{2}H_{4}), propano (C_{3}H_{8}), propileno (C_{3}H_{6}), butano (C_{4}H_{10}), buteno (C_{4}H_{8}), ciclopropano (C_{3}H_{6}) y ciclobutano (C_{4}H_{8}).
Según se usa aquí la expresión ``no tóxico'' significa que no posee un peligro agudo o crónico cuando se maneja de acuerdo con límites de exposición aceptables.
Según se usa aquí la expresión ``no inflamable'' significa bien que no tiene punto de inflamación o un punto de inflamación muy elevado de al menos 600ºK.
Según se usa aquí la expresión ``destrucción baja de ozono'' significa que tiene un potencial de destrucción del ozono inferior a 0,15 según se define mediante la convención del Protocolo de Montreal en la que el dicloro-fluorometano (CCl_{2}F_{2}) tiene un potencial de destrucción del ozono de 1,0.
Según se usa aquí la expresión ``no destructor del ozono'' significa que no tiene un componente que contenga un átomo de cloro, bromo o yodo.
Según se usa aquí la expresión ``punto de ebullición normal'' significa la temperatura de ebullición a la presión estándar de 1 atmósfera.
Según se usa aquí la expresión ``temperatura criogénica'' significa una temperatura de 150ºK ó inferior.
Según se usa aquí la expresión ``cambio de calor indirecto'' significa llevar dos fluidos en la relación de cambio de calor sin cualquier contacto físico o de entremezclado de los fluidos uno con otro.
Según se usa aquí el término ``expansión'' significa efectuar una reducción en la presión.
Según se usa aquí los términos ``turboexpansión'' y ``turboexpansor'' significan respectivamente el método y el aparato para el flujo del fluido de alta presión a través de una turbina para reducir la presión y la temperatura del fluido generando de este modo refrigeración.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 es un diagrama generalizado de temperatura frente a concentración para una mezcla refrigerante de carga variable a una presión dada.
La Figura 2 es una representación esquemática de un sistema en el que se puede practicar la invención.
La Figura 3 es una representación esquemática de otro sistema en el que se puede practicar la invención.
La Figura 4 es una representación esquemática de un sistema de tres circuitos en el que se puede usar la invención para proporcionar refrigeración sobre un intervalo de temperatura amplio.
Descripción detallada
La invención comprende una mezcla refrigerante compuesta de componentes definidos en proporciones que forman una mezcla refrigerante de carga variable y el uso de dicha mezcla refrigerante en un ciclo de refrigeración. La mezcla refrigerante de carga variable puede ser toda fase gas, gas/líquido, o toda fase líquida dependiendo del procedimiento y de la posición dentro del procedimiento, es decir la posición del cambio de calor (en la parte superior, en el medio, o en la parte inferior). Preferiblemente el ciclo es un ciclo de circuito cerrado. Las mezclas refrigerantes de carga variable muestran un cambio suave de temperatura que acompaña un cambio de fase. Esto se demuestra en la Figura 1, un diagrama de temperatura frente a concentración de una mezcla refrigerante de carga variable a una presión dada. Con cualquier mezcla dada de los componentes A y B (xmix) a la temperatura (tmix), existirán dos fases, la composición del vapor saturado (xmixv) diferirá de la del líquido en equilibrio con el vapor y el líquido tendrá la composición (xmixl). A medida que se reduce la temperatura, cambiará tanto la composición de la fase líquida como la composición de la fase de vapor, llegando a estar cada una enriquecida en el componente B. La mezcla que se condensa está cambiando constantemente su composición y así su temperatura de condensación. Es esta característica la que hace posible mejorar el rendimiento de un ciclo de refrigeración. La mejora del ciclo está relacionada con el uso de componentes múltiples, cada uno con su punto de ebullición normal y el calor latente de vaporización asociado. La selección apropiada de los componentes refrigerantes, las concentraciones óptimas en la mezcla, junto con los niveles de la presión de operación, y los ciclos del refrigerante, permite la generación de cantidades variables de refrigeración sobre el intervalo de temperatura requerido. La provisión de la refrigeración variable como una función de la temperatura permite el control óptimo de las diferencias de temperatura de cambio de calor dentro del sistema del usuario de refrigeración y reduce de este modo los requerimientos de energía del sistema.
La mezcla refrigerante de carga variable de esta invención comprende al menos un componente del grupo que consiste en hidrocarburos fluorados, hidrocarburos hidrofluorados y éteres fluorados y al menos un componente del grupo que consiste en hidrocarburos fluorados, hidrocarburos hidrofluorados, éteres fluorados, y gases atmosféricos.
Una mezcla refrigerante de carga variable preferida de esta invención comprende al menos dos componentes del grupo que consiste en hidrocarburos fluorados, hidrocarburos hidrofluorados y éteres fluorados y al menos un componente del grupo que consiste en hidrocarburos fluorados, hidrocarburos hidrofluorados, éteres fluorados, y gases atmosféricos.
Otra mezcla refrigerante de carga variable preferida de esta invención comprende al menos un hidrocarburo fluorado y al menos un componente del grupo que consiste en hidrocarburos hidrofluorados y gases atmosféricos.
Otra mezcla refrigerante de carga variable preferida de esta invención comprende al menos un hidrocarburo fluorado, al menos un hidrocarburo hidrofluorado y al menos un gas atmosférico.
Otra mezcla refrigerante de carga variable preferida de esta invención comprende al menos tres componentes del grupo que consiste en hidrocarburos fluorados, hidrocarburos hidrofluorados y éteres fluorados y al menos un componente del grupo que consiste en hidrocarburos fluorados, hidrocarburos hidrofluorados, éteres fluorados, y gases atmosféricos.
Otra mezcla refrigerante de carga variable preferida de esta invención comprende al menos dos componentes del grupo que consiste en hidrocarburos fluorados, hidrocarburos hidrofluorados y éteres fluorados y al menos un gas atmosférico.
Otra mezcla refrigerante de carga variable preferida de esta invención comprende al menos dos componentes del grupo que consiste en hidrocarburos fluorados, hidrocarburos hidrofluorados y éteres fluorados, al menos un gas atmosférico y al menos un componente del grupo que consiste en hidrocarburos fluorados, hidrocarburos hidrofluorados, éteres fluorados, y gases atmosféricos.
Otra mezcla refrigerante de carga variable preferida de esta invención comprende al menos dos componentes del grupo que consiste en hidrocarburos fluorados, hidrocarburos hidrofluorados y éteres fluorados y al menos dos gases atmosféricos diferentes.
Otra mezcla refrigerante de carga variable preferida de esta invención incluye al menos un éter fluorado, es decir comprende al menos un éter un fluorado y al menos un componente del grupo que consiste en hidrocarburos fluorados, hidrocarburos hidrofluorados, éteres fluorados, y gases atmosféricos.
El refrigerante de carga variable no contiene ni hidrocarburos hidroclorofluorados ni hidrocarburos. Lo más preferiblemente el refrigerante de carga variable no es tóxico, no es inflamable y no destruye el ozono y cada componente de la mezcla refrigerante de carga variable es bien un hidrocarburo fluorado, un hidrocarburo hidrofluorado, un éter fluorado o un gas atmosférico.
En una realización preferida de la invención el refrigerante de carga variable consiste exclusivamente en hidrocarburos fluorados. En otra realización preferida de la invención el refrigerante de carga variable consiste exclusivamente de hidrocarburos fluorados y de hidrocarburos hidrofluorados. En otra realización preferida de la invención el refrigerante de carga variable consiste exclusivamente de hidrocarburos fluorados y de gases atmosféricos. En otra realización preferida de la invención el refrigerante de carga variable consiste exclusivamente en hidrocarburos fluorados, hidrocarburos hidrofluorados y éteres fluorados. En otra realización preferida de la invención el refrigerante de carga variable consiste exclusivamente en hidrocarburos fluorados, éteres fluorados y gases atmosféricos. Lo más preferiblemente cada componente del refrigerante de carga variable es bien un hidrocarburo fluorado, un hidrocarburo hidrofluorado, un éter fluorado o un gas atmosférico.
La invención es particularmente ventajosa para su uso en conseguir eficazmente temperaturas criogénicas a partir de las temperaturas ambiente. Las Tablas 1-14 listan los ejemplos preferidos de mezclas refrigerantes de carga variable de esta invención. Los intervalos de concentración proporcionados en las Tablas son en por ciento en moles. Los ejemplos mostrados en las Tablas 1-5 son mezclas preferidas para generar refrigeración por encima de aproximadamente 200ºK y los ejemplos mostrados en las Tablas 6-14 son mezclas preferidas para generar refrigeración por debajo de aproximadamente 200ºK.
TABLA 1 
\nobreak\vskip.5\baselineskip\centering\begin{tabular}{|l|c|}\hline
 Componente  \+ Intervalo de concentración \\\hline  C _{5} F _{12} 
 \+ 5  -  35 \\  C _{4} F _{10}   \+
0  -  25 \\  C _{3} F _{8}   \+ 10  -  50 \\
 C _{2} F _{6}   \+ 10  -  60 \\  CF _{4}   \+
0  -  25
\\\hline\end{tabular}\par\vskip.5\baselineskip
TABLA 2 
\nobreak\vskip.5\baselineskip\centering\begin{tabular}{|l|c|}\hline
 Componente  \+ Intervalo de concentración \\\hline  C _{5} F _{12} 
 \+ 5  -  35 \\  C _{3} H _{3} F _{6}   \+
0  -  25 \\  C _{3} F _{8}   \+ 10  -  50 \\
 CHF _{3}   \+ 10  -  60 \\  CF _{4}   \+
0  -  25
\\\hline\end{tabular}\par\vskip.5\baselineskip
TABLA 3 
\nobreak\vskip.5\baselineskip\centering\begin{tabular}{|l|c|}\hline
 Componente  \+ Intervalo de concentración \\\hline 
C _{3} H _{3} F _{5}   \+ 5  -  35 \\ 
C _{3} H _{3} F _{6}   \+ 0  -  25 \\ 
C _{2} H _{2} F _{4}   \+ 5  -  20 \\  C _{2} HF _{5}  
\+ 5  -  20 \\  C _{2} F _{6}   \+ 10  -  60
\\  CF _{4}   \+ 0  -  25
\\\hline\end{tabular}\par\vskip.5\baselineskip
TABLA 4 
\nobreak\vskip.5\baselineskip\centering\begin{tabular}{|l|c|}\hline
 Componente  \+ Intervalo de concentración \\\hline 
CHF _{2}   -  O  -  C _{2} HF _{4}   \+
5  -  35 \\  C _{4} F _{10}   \+ 0  -  25 \\
 CF _{3}   -  O  -  CHF _{2}   \+
10  -  25 \\ 
CF _{3}   -  O  -  CF _{3}   \+
0  -  20 \\  C _{2} F _{6}   \+ 10  -  60 \\
 CF _{4}   \+ 0  -  25
\\\hline\end{tabular}\par\vskip.5\baselineskip
TABLA 5 
\nobreak\vskip.5\baselineskip\centering\begin{tabular}{|l|c|}\hline
 Componente  \+ Intervalo de concentración \\\hline 
CHF _{2}   -  O  -  C _{2} HF _{4}   \+
5  -  35 \\  C _{3} H _{2} F _{6}   \+
0  -  25 \\ 
CF _{3}   -  O  -  CHF _{2}   \+
10  -  50 \\  CHF _{3}   \+ 10  -  60 \\ 
CF _{4}   \+ 0  -  25
\\\hline\end{tabular}\par\vskip.5\baselineskip
TABLA 6 
\nobreak\vskip.5\baselineskip\centering\begin{tabular}{|l|c|}\hline
 Componente  \+ Intervalo de concentración \\\hline  C _{5} F _{12} 
 \+ 5  -  25 \\  C _{4} F _{10}   \+
0  -  15 \\  C _{3} F _{8}   \+ 10  -  40 \\
 C _{2} F _{6}   \+ 0  -  30 \\  CF _{4}   \+
10  -  50 \\  Ar  \+ 0  -  40 \\  N _{2}  
\+ 10  -  80
\\\hline\end{tabular}\par\vskip.5\baselineskip
TABLA 7 
\nobreak\vskip.5\baselineskip\centering\begin{tabular}{|l|c|}\hline
 Componente  \+ Intervalo de concentración \\\hline 
C _{3} H _{3} F _{5}   \+ 5  -  25 \\  C _{4} F _{10}  
\+ 0  -  15 \\  C _{3} F _{8}   \+ 10  -  40
\\  CHF _{3}   \+ 0  -  30 \\  CF _{4}   \+
10  -  50 \\  Ar  \+ 0  -  40 \\  N _{2}  
\+ 10  -  80
\\\hline\end{tabular}\par\vskip.5\baselineskip
TABLA 8 
\nobreak\vskip.5\baselineskip\centering\begin{tabular}{|l|c|}\hline
 Componente  \+ Intervalo de concentración \\\hline 
C _{3} H _{3} F _{5}   \+ 5  -  25 \\ 
C _{3} H _{3} F _{6}   \+ 0  -  15 \\ 
C _{2} H _{2} F _{4}   \+ 0  -  20 \\  C _{2} HF _{5}  
\+ 5  -  20 \\  C _{2} F _{6}   \+ 0  -  30
\\  CF _{4}   \+ 10  -  50 \\  Ar  \+
0  -  40 \\  N _{2}   \+ 10  -  80
\\\hline\end{tabular}\par\vskip.5\baselineskip
TABLA 9 
\nobreak\vskip.5\baselineskip\centering\begin{tabular}{|l|c|}\hline
 Componente  \+ Intervalo de concentración \\\hline 
C _{3} H _{3} F _{5}   \+ 5  -  25 \\ 
C _{3} H _{2} F _{6}   \+ 0  -  15 \\ 
CF _{3}   -  O  -  CHF _{2}   \+
10  -  40 \\  CHF _{3}   \+ 0  -  30 \\ 
CF _{4}   \+ 0  -  25 \\  Ar  \+ 0  -  40 \\
 N _{2}   \+ 10  -  80
\\\hline\end{tabular}\par\vskip.5\baselineskip
TABLA 10 
\nobreak\vskip.5\baselineskip\centering\begin{tabular}{|l|c|}\hline
 Componente  \+ Intervalo de concentración \\\hline  C _{5} F _{12} 
 \+ 5  -  25 \\  C _{4} F _{10}   \+
0  -  15 \\  C _{3} F _{8}   \+ 10  -  40 \\
 C _{2} F _{6}   \+ 0  -  30 \\  CF _{4}   \+
10  -  50 \\  Ar  \+ 0  -  40 \\  N _{2}  
\+ 10  -  80 \\  Ne  \+ 0  -  10 \\  He  \+
0  -  10
\\\hline\end{tabular}\par\vskip.5\baselineskip
TABLA 11 
\nobreak\vskip.5\baselineskip\centering\begin{tabular}{|l|c|}\hline
 Componente  \+ Intervalo de concentración \\\hline 
C _{3} H _{3} F _{5}   \+ 5  -  25 \\  C _{4} F _{10}  
\+ 0  -  15 \\  C _{3} F _{8}   \+ 10  -  40
\\  CHF _{3}   \+ 0  -  30 \\  CF _{4}   \+
10  -  50 \\  Ar  \+ 0  -  40 \\  N _{2}  
\+ 10  -  80 \\  Ne  \+ 0  -  10 \\  He  \+
0  -  10
\\\hline\end{tabular}\par\vskip.5\baselineskip
TABLA 12 
\nobreak\vskip.5\baselineskip\centering\begin{tabular}{|l|c|}\hline
 Componente  \+ Intervalo de concentración \\\hline 
C _{3} H _{3} F _{5}   \+ 5  -  25 \\ 
C _{3} H _{2} F _{6}   \+ 0  -  15 \\ 
C _{2} H _{2} F _{4}   \+ 5  -  20 \\  C _{2} HF _{5}  
\+ 5  -  20 \\  C _{2} F _{6}   \+ 0  -  30
\\  CF _{4}   \+ 10  -  50 \\  Ar  \+
0  -  40 \\  N _{2}   \+ 10  -  80 \\  Ne 
\+ 0  -  10 \\  He  \+ 0  -  10
\\\hline\end{tabular}\par\vskip.5\baselineskip
TABLA 13 
\nobreak\vskip.5\baselineskip\centering\begin{tabular}{|l|c|}\hline
 Componente  \+ Intervalo de concentración \\\hline 
CHF _{2}   -  O  -  C _{2} HF _{4}   \+
5  -  25 \\  C _{4} F _{10}   \+ 0  -  15 \\
 CF _{3}   -  O  -  CHF _{2}   \+
10  -  40 \\ 
CF _{3}   -  O  -  CF _{3}   \+
0  -  20 \\  C _{2} F _{6}   \+ 0  -  30 \\ 
CF _{4}   \+ 10  -  50 \\  Ar  \+ 0  -  40
\\  N _{2}   \+ 10  -  80 \\  Ne  \+
0  -  10 \\  He  \+ 0  -  10
\\\hline\end{tabular}\par\vskip.5\baselineskip
TABLA 14 
\nobreak\vskip.5\baselineskip\centering\begin{tabular}{|l|c|}\hline
 Componente  \+ Intervalo de concentración \\\hline 
C _{3} H _{3} F _{5}   \+ 5  -  25 \\ 
C _{3} H _{2} F _{6}   \+ 0  -  15 \\ 
CF _{3}   -  O  -  CHF _{3}   \+
10  -  40 \\  CHF _{3}   \+ 0  -  30 \\ 
CF _{4}   \+ 0  -  25 \\  Ar  \+ 0  -  40 \\
 N _{2}   \+ 10  -  80 \\  Ne  \+ 0  -  10
\\  He  \+ 0  -  10
\\\hline\end{tabular}\par\vskip.5\baselineskip
La Figura 2 ilustra un ciclo de refrigeración en el que se puede practicar la invención. En referencia ahora a la Figura 2, la mezcla refrigerante de carga variable de esta invención se recircula en un circuito o lazo de refrigeración 1. El refrigerante 2 se comprime mediante su paso a través del compresor 3 para formar el fluido refrigerante comprimido 4, enfriado a cerca de la temperatura ambiente mediante su paso a través del refrigerador posterior 70, y a continuación enfriado y preferiblemente al menos parcialmente licuado mediante su paso a través del cambiador de calor 5. A menos que se especifique de otro modo, cada etapa de cambio de calor ilustrada en los dibujos es una etapa de cambio de calor indirecto. A continuación el fluido refrigerante enfriado 6 se estrangula, es decir se expansiona, a través de la válvula 7 a una presión inferior. La expansión de la presión se puede realizar mediante una turbina, tal como una turbina de expansión de gas, de expansión de dos fases, o de expansión de líquido. La refrigeración producida se puede utilizar a un nivel de temperatura único o estrecho mediante enfriamiento de un fluido 8 mediante cambio de calor indirecto en el cambiador de calor 9, o se puede utilizar durante un intervalo de temperatura mucho más amplio en el cambiador de calor 5. La refrigeración se puede usar para enfriar una o más corrientes de fluido que pasan a través del cambiador de calor 5 según se ilustra mediante la corriente en contracorriente 10 y la corriente en paralelo 11. Aunque sobre una base global, la corriente 11 se muestra como que se calienta en el cambiador 5, sobre una base local ella puede ser enfriada dentro del cambiador 5. La mezcla refrigerante calentada que se obtiene se hace pasar a continuación como corriente 2 al compresor 3 y se repite el ciclo.
El dispositivo de refrigeración puede incluir también un circuito o lazo de preenfriamiento 12 en el que una mezcla refrigerante de carga variable 13 de esta invención diseñada para proporcionar refrigeración a niveles de temperatura intermedios se comprime en un compresor del preenfriador 14, se enfría a temperatura ambiente en el refrigerador posterior 71, y el fluido 15 comprimido que se obtiene se enfría en el cambiador de calor 5. El fluido enfriado que se obtiene se estrangula a través de una válvula o de una turbina adecuada 17 para generar refrigeración y el fluido 18 refrigerante a temperatura más baja que se obtiene se calienta y a continuación se recicla como corriente 13 al compresor 14.
El efecto del circuito preenfriador se puede conseguir mediante la separaciónintermedia de algo de la mezcla refrigerante y del reciclo de líquido según se ilustra en la Figura 3. La característica de reciclo de líquido proporciona la flexibilidad del procedimiento para adaptar las mezclas refrigerantes a los intervalos de temperatura requeridos y evita los enfriamientos innecesarios y la congelación potencial del refrigerante líquido. Los numerales en la Figura 3 son los mismos que los de la Figura 2 para los elementos comunes los cuales no se describirán de nuevo en detalle. En referencia ahora a la Figura 3, el fluido refrigerante 20 se comprime mediante su paso a través del compresor 21 para formar el fluido refrigerante comprimido 22 el cual es enfriado del calor de compresión a cerca de la temperatura ambiente mediante el refrigerador posterior 71 y a continuación enfriado y parcialmente condensado mediante su travesía parcial del cambiador de calor 5. La mezcla refrigerante 23 de dos fases enfriada se hace pasar al separador de fases 24 en el que se separa en vapor y líquido. El vapor 25 se enfría adicionalmente a través del cambiador de calor 5, se estrangula a través de la válvula 26 y se calienta mediante su paso a través del cambiador de calor 9 y/ó 5. El líquido 27 se hace pasar a través de la válvula 28 y a continuación se vaporiza mediante su paso a través del cambiador de calor 5. En la realización ilustrada en la Figura 3 el líquido se combina con el vapor de presión más baja el cual se estrangula a través de la válvula 26 con anterioridad a su vaporización. La mezcla refrigerante calentada que se obtiene se retorna a continuación como corriente 29 al compresor 21 y comienza un nuevo ciclo de refrigeración. Aunque se ilustra una separación de fase única, se entiende que se pueden utilizar separaciones de fases múltiples a diferentes niveles de temperatura para proporcionar circuitos de enfriamiento previo escalonados.
La invención es particularmente útil para proporcionar refrigeración desde la temperatura ambiente hasta temperaturas criogénicas, incluso hasta temperaturas tan bajas 5ºK. Mientras que la invención se puede usar para proporcionar dicha refrigeración sobre este intervalo completo de temperatura en un circuito único, es generalmente preferible proporcionar esta refrigeración en una pluralidad de circuitos en cascada. El uso de los circuitos múltiples en cascada permite que cada circuito proporcione la refrigeración sobre un intervalo de temperatura seleccionado. De este modo se facilita la selección de una mezcla refrigerante adecuada, puesto que la mezcla seleccionada necesita sólo ser operable sobre un intervalo de temperatura más limitado. Adviértase que aunque se pretende que cada circuito en cascada proporcione refrigeración principalmente sobre su intervalo de temperatura asociado, puede proporcionar también algo de refrigeración a niveles de temperatura más elevados. Así los circuitos en cascada se pueden solapar algo unos con otros con respecto a proporcionar refrigeración en un intervalo de temperatura dado.
El sistema de circuito en cascada se ilustra en y se trata en conjunción con la Figura 4. En referencia ahora a la Figura 4 el fluido refrigerante de carga variable a temperatura más elevada que comprende dos o más de, por ejemplo, tetrafluorometano, fluoroformo, perfluoropropano, perfluorobutano, pentafluoropropano, tetrafluoroetano, difluorometoxi-difluorometano y perfluoropentano, se recircula en el circuito 30 a temperatura más elevada en el que se proporciona refrigeración desde la temperatura ambiente de aproximadamente 300ºK hasta aproximadamente 200ºK. El fluido refrigerante 31 a temperatura más elevada a aproximadamente 300ºK se comprime en el compresor 32, se enfría a través del refrigerante 33 y del cambiador de calor 60 y se estrangula a través de la válvula 34 para producir el fluido refrigerante 35 de temperatura más baja a aproximadamente 200ºK. A continuación el fluido refrigerante a temperatura más baja se calienta de nuevo a aproximadamente 300ºK y se retorna como corriente 31 al compresor 32.
El fluido refrigerante de carga variable de temperatura intermedia que puede contener nitrógeno y argón además de uno o más de los componentes indicados para el fluido de temperatura más elevada, se recircula en el circuito 40 de temperatura intermedia en el que se proporciona refrigeración desde aproximadamente 200ºK hasta aproximadamente 100ºK. El fluido refrigerante 41 de temperatura intermedia se comprime en el compresor 42, se enfría a través del refrigerante 43 y de los cambiadores de calor 60 y 61, y se estrangula a través de la válvula 44 para producir el fluido refrigerante 45 de temperatura más baja a aproximadamente 100ºK que se calienta y a continuación se retorna como corriente 41 al compresor 42.
El fluido refrigerante de temperatura muy baja que comprende dos o más de nitrógeno, argón, helio, neón, e hidrógeno se recircula en el circuito 50 de temperatura muy baja en el que el nivel de temperatura se lleva desde aproximadamente 100ºK a aproximadamente 20ºK o incluso más baja. El fluido refrigerante 51 de temperatura muy baja se comprime en el compresor 52, se enfría a través del refrigerante 53 y de los cambiadores de calor 60, 61 y 62, y se estrangula a través de la válvula 54 para producir el fluido refrigerante 55 de temperatura más baja a aproximadamente 20ºK o más baja que se calienta mediante su paso a través del calentador 56 y de los cambiadores de calor 62, 61 y 60 y a continuación se retorna como corriente 51 al compresor 52.
La invención es especialmente útil para proporcionar refrigeración sobre un intervalo de temperatura amplio, particularmente uno que abarca las temperaturas criogénicas. En una realización preferida de la invención cada uno de los dos o más componentes de la mezcla refrigerante de carga variable tiene un punto de ebullición normal que difiere en al menos 20 grados Kelvin del punto de ebullición normal de cada uno de los otros componentes de la mezcla refrigerante. Esto mejora la eficacia de proporcionar refrigeración sobre un intervalo amplio de temperaturas, particularmente uno que abarca las temperaturas criogénicas. En una realización particularmente preferida de la invención, el punto de ebullición normal del componente de punto de ebullición más elevado del fluido refrigerante multicomponentes es al menos 100ºK, lo más preferiblemente al menos 200ºK, superior al punto de ebullición normal del componente de punto de ebullición más bajo del fluido refrigerante multicomponentes.
Los componentes y sus concentraciones que constituyen la mezcla refrigerante de esta invención son tales como para formar una mezcla refrigerante de carga variable y preferiblemente mantener una característica tal de carga variable a lo largo del intervalo completo de temperatura del método de la invención. Esto mejora marcadamente la eficacia con la que se puede generar la refrigeración y utilizada sobre tal un intervalo amplio de temperaturas. El grupo definido de componentes tiene un beneficio añadido porque ellos se pueden usar para formar mezclas que no son tóxicas, no son inflamables y destruyen poco o nada el ozono. Esto proporciona ventajas adicionales sobre los refrigerantes convencionales que típicamente son tóxicos, inflamables y/o destruyen el ozono.
Una mezcla refrigerante de carga variable preferida de esta invención que no es tóxica, no es inflamable y no destruye el ozono comprende dos o más componentes del grupo que consiste en C_{5}F_{12}, CHF_{2}-O-C_{2}HF_{4}, C_{4}HF_{9}, C_{3}H_{3}F_{5}, C_{2}F_{5}-O-CH_{2}F, C_{3}H_{2}F_{6}, CHF_{2}-O-CHF_{2}, C_{4}F_{10}, CF_{3}-O-C_{2}H_{2}F_{3}, C_{3}HF_{7}, CH_{2}F-O-CF_{3}, C_{2}H_{2}F_{4}, CHF_{2}-O-CF_{3}, C_{3}F_{8}, C_{2}HF_{5}, CF_{3}-O-CF_{3}, C_{2}F_{6}, CHF_{3}, CF_{4}, O_{2}, Ar, N_{2}, Ne y He.
La invención se puede usar para generar refrigeración para un gran número de usos, especialmente para aplicaciones criogénicas. Entre dichos usos se pueden nombrar los procedimientos de separación de gases tales como las separaciones criogénicas del aire y otras separaciones criogénicas y revalorización del gas natural, aparatos de licuación, congelación de alimentos, recuperación del gas de emisión, bomba de calor, almacenamiento criogénico de líquidos y recondensación de recipientes de transporte, cristalización, solidificación, molienda a baja temperatura, almacenamiento y transporte de productos químicos, almacenamiento y transporte de material biológico y médico, y habitaciones refrigeradas, es decir habitaciones frías utilizadas para el manejo y almacenamiento de materiales.

Claims (9)

1. Un método de generar refrigeración que comprende:
(A)
comprimir una mezcla refrigerante de carga variable que comprende al menos un componente del grupo que consiste en hidrocarburos fluorados, hidrocarburos hidrofluorados y éteres fluorados y al menos un componente del grupo que consiste en hidrocarburos fluorados, hidrocarburos hidrofluorados, éteres fluorados y gases atmosféricos, siendo dichos componentes diferentes y no conteniendo dicha mezcla refrigerante ni hidrocarburos ni hidrocarburos hidroclorofluorados, y en la que el punto de ebullición normal del componente de punto de ebullición más elevado de la mezcla refrigerante es al menos 100ºK más elevado que el punto de ebullición normal del componente de punto de ebullición más bajo de la mezcla refrigerante, para producir una mezcla refrigerante de carga variable comprimida;
(B)
enfriar la mezcla refrigerante de carga variable comprimida para producir una mezcla refrigerante de carga variable comprimida enfriada;
(C)
expandir la mezcla refrigerante de carga variable comprimida y enfriada y generar refrigeración para producir una mezcla refrigerante de carga variable de temperatura más baja; y
(D)
calentar la mezcla refrigerante de carga variable de temperatura más baja.
2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la mezcla refrigerante de carga variable comprimida se condensa parcialmente como consecuencia del enfriamiento de la etapa (B), se separan el líquido que se obtiene y el vapor restante, y el vapor después de esto se enfría adicionalmente con anterioridad al calentamiento.
3. El método de acuerdo con la reivindicación 1, realizado con una primera mezcla refrigerante de carga variable y a continuación realizado con una segunda mezcla refrigerante de carga variable en el que la primera mezcla refrigerante de carga variable se calienta mediante enfriamiento de la segunda mezcla refrigerante de carga variable.
4. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que en la etapa (C) dicha mezcla refrigerante de carga variable de temperatura más baja se produce a una temperatura criogénica.
5. Una mezcla refrigerante que no es tóxica, no es inflamable y de destrucción baja de ozono que comprende al menos un componente del grupo que consiste en hidrocarburos fluorados, hidrocarburos hidrofluorados y éteres fluorados, y al menos un componente del grupo que consiste en hidrocarburos fluorados, hidrocarburos hidrofluorados, éteres fluorados y gases atmosféricos, siendo dichos componentes diferentes y no conteniendo dicha mezcla refrigerante ni hidrocarburos ni hidrocarburos hidroclorofluorados, y en el que el punto de ebullición normal del componente de punto de ebullición más elevado de la mezcla refrigerante es al menos 100ºK más elevado que el punto de ebullición normal del componente de punto de ebullición más bajo de la mezcla refrigerante.
6. La mezcla refrigerante de acuerdo con la reivindicación 5, en la que cada uno de los componentes de la mezcla tiene un punto de ebullición normal que difiere en al menos 20 grados Kelvin del punto de ebullición normal de cada uno de los otros componentes de la mezcla refrigerante.
7. La mezcla refrigerante de acuerdo con la reivindicación 5, que comprende al menos un hidrocarburo fluorado, al menos un hidrocarburo hidrofluorado y al menos un gas atmosférico.
8. La mezcla refrigerante de acuerdo con la reivindicación 5, que comprende al menos dos componentes del grupo que consiste en hidrocarburos fluorados, hidrocarburos hidrofluorados y éteres fluorados y al menos dos gases atmosféricos.
9. La mezcla refrigerante de acuerdo con la reivindicación 5, que comprende al menos un éter fluorado y al menos un componente del grupo que consiste en hidrocarburos fluorados, hidrocarburos hidrofluorados, éteres fluorados, y gases atmosféricos.
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