ES2245121T3 - Dispositivo para la esterilizacion termica de liquidos. - Google Patents

Abstract

Dispositivo para esterilización térmica de líquidos, especialmente de agua, con un intercambiador de calor de contracorriente, que tiene un conducto con una sección térmica y una sección refrigerante, interconectadas hidráulicamente, y está provisto de una fuente de calefacción para calentamiento del líquido, estando la sección térmica y la sección refrigerante dispuestas en forma de serpentín alrededor de la fuente de calefacción (13), la fuente de calefacción (13) esencialmente en el centro del serpentín, siendo el conducto (3) de material flexible, enrollable, estando las espiras del conducto (3) superpuestas y tocándose mutuamente, caracterizado porque está previsto un mecanismo (7) que posibilita la circulación del líquido solamente en sentido desde la sección térmica (4) hacia la sección refrigerante (5).

Description

Dispositivo para esterilización térmica de líquidos.

Descripción de la invención

La invención se refiere a un dispositivo para la esterilización térmica de líquidos, especialmente de agua potable, según el preámbulo de la reivindicación de patente 1.

Tal tipo de dispositivo para la esterilización de agua potable se conoce por el documento DE 195 22 234 A1. Este dispositivo cuenta con una bomba que absorbe el agua a esterilizar y la bombea a través de la sección térmica de un intercambiador de calor de contracorriente, a una caldera, donde la misma es calentada para exterminar gérmenes o bacterias. El agua caliente es bombeada en sentido contrario desde la caldera a través de la sección refrigerante del intercambiador de calor, siendo enfriada allí a temperatura de uso al ceder calor al agua absorbida en la sección térmica.

En el documento DE 31 19 632 A1 se describe una instalación de esterilización de leche que presenta un circuito láctico y un circuito caloportador independiente, estando ambos circuitos acoplados térmicamente mediante sendos intercambiadores de calor comunes.

Por el documento DE 42 00 588 A1 se conoce un dispositivo para la esterilización térmica de alimentos susceptibles de ser bombeados, que consiste esencialmente de un tubo helicoidal dispuesto horizontalmente, el cual se llena en partes iguales con pasta de alimentos y vapor sobrecalentado. Mediante rotación del tubo helicoidal, la pasta de alimentos es transportada y esterilizada.

El documento DE 40 03 987 C2 describe un intercambiador de calor con dos circuitos de líquidos que se emplea para el esterilizado térmico.

Por el documento DE 39 25 795 A1 se conoce un intercambiador de calor de serpentín con una carcasa cilíndrica que presenta un conducto de afluencia para un primer medio dispuesto tangencialmente y cuya sección puede variarse mediante una válvula de estrangulación. En la carcasa se encuentra un conducto en espiral por el cual circula un segundo medio. El primer medio fluye primero a lo largo de la pared de la carcasa, luego entre las espiras del serpentín hasta el centro del mismo, y desde allí, por un conducto de salida, hacia fuera de la carcasa.

El documento DE 32 02 587 A1 describe un intercambiador de calor en espiral fabricado en cerámica y compuesto de tres conductos de circulación independientes, destinado al intercambio de calor entre gases de combustión y líquidos.

Un intercambiador de calor de serpentín similar se describe en la patente DE 29 21 841, el cual cuenta con un serpentín para la circulación de un medio a refrigerar y dos conductos de refrigeración independientes, también en espiral.

Por el documento DE 35 09 226 C2 se conoce un intercambiador de calor en espiral con una carcasa cilíndrica, en la cual se encuentra una tira de chapa de forma helicoidal que separa los conductos de circulación para los medios intercambiadores de calor.

En el documento DE 31 22 947 A1 se describen varios intercambiadores de calor de serpentín, cuyos tubos van soldados entre sí en las superficies de contacto. Dichos intercambiadores presentan diferentes secciones tubulares y formas helicoidales como, por ejemplo, espirales de contorno circular, rectangular, octogonal o cónico.

Por el documento DE 33 19 521 C2 se conoce un intercambiador de calor de serpentín cuyos conductos en espiral están dispuestos en dos semicarcasas separadas por una pared. El medio a refrigerar fluye por una entrada en una de las semicarcasas, de allí por un serpentín hacia adentro, a una cámara en el centro de la misma, luego hacia la otra semicarcasa y de allí, por un correspondiente conducto, hacia la salida en esta semicarcasa. De manera inversa, el medio refrigerante fluye por serpentines desde la segunda a la primera semicarcasa.

El objetivo de la invención consiste en crear un dispositivo para la esterilización térmica de líquidos, especialmente de agua potable, que sea de fabricación simple y económica, de construcción compacta y de bajo consumo de energía.

Las características de la reivindicación de patente 1 cumplen con dicho objetivo. En las reivindicaciones secundarias se describen configuraciones ventajosas y variantes de la invención.

La invención se basa en la idea de utilizar para la esterilización térmica de líquidos un intercambiador de calor de contracorriente en cuyo centro se encuentra una fuente de calefacción.

La fuente de calefacción está rodeada de un conducto en forma de espiral, por el cual circula el líquido a esterilizar. El conducto está formado principalmente por láminas flexibles, ya sea de metal o de plástico, y va enrollado en forma de serpentín en torno a la fuente de calor. El concepto "en forma de serpentín" no debe entenderse aquí en estricto sentido matemático, sino que más bien significa que las espiras individuales del conducto están dispuestas "una encima de la otra" y están en contacto, es decir, las secciones transversales de las espiras pueden estar ubicadas en el mismo plano - de manera similar a una espiral matemática - o estar dispuestas en forma esferoidal en torno a la fuente de calefacción. El conducto cuenta con dos canales de circulación: uno de alimentación hacia la fuente de calor, la sección térmica del intercambiador de calor, y uno de descarga de la fuente de calor, la sección refrigerante del intercambiador. Dado que las espiras individuales se tocan, cada zona de la sección térmica está en contacto térmico, a ambos lados, con una sección refrigerante, y cada zona de la sección refrigerante a su vez, también a ambos lados, está en contacto térmico con una sección térmica, a excepción de la espira más interior y de la más exterior. El líquido circulante en la sección térmica es precalentado entonces mediante intercambio térmico con el líquido circulante en la sección refrigerante, calentado a temperatura de esterilización por la fuente de calefacción y enfriado a continuación en la sección refrigerante.

La disposición en espiral del conducto se logra mediante el empleo de material elástico, es decir, fácilmente flexible, "enrollándolo" simplemente en torno a la fuente de calefacción, lo que posibilita una transmisión térmica óptima (es decir, veloz y de baja pérdida) al líquido a esterilizar.

Mediante el continuo intercambio térmico entre el agua caliente esterilizada a enfriar y el agua fría de alimentación a esterilizar, se alcanza una temperatura de precalentamiento relativamente elevada, de modo que, para lograr la temperatura máxima requerida para la esterilización, basta una potencia relativamente pequeña de la fuente de calefacción. Además, el agua esterilizada es enfriada nuevamente mediante el intercambio térmico a una temperatura aproximada a la de uso, por lo cual puede emplearse de inmediato.

El enrollar el conducto elástico en torno a la fuente de calefacción tiene además la ventaja de que el dispositivo puede fabricarse muy compacto y que incluso presiones mayores de líquidos o vapores, que se producen cerca de la fuente de calefacción (es decir, en espiras "interiores"), se distribuyen a todas las espiras, lo que posibilita el empleo de materiales conductores elásticos económicos. Mediante la disposición esferoidal del conducto se logra una distribución especialmente uniforme de la presión del líquido y simultáneamente un diseño muy compacto. Además, debido a la elasticidad del conducto se asegura que algunas espiras sigan en estrecho contacto en caso de una dilatación producto de la presión de agua o vapor, con lo cual se logra una buena transmisión térmica.

Como en las proximidades de la fuente de calefacción se alcanzan temperaturas de 100 a 150ºC, con lo cual el agua se evapora localmente, la sobrepresión temporal que se forma es distribuida a través el conducto flexible por todo el intercambiador de calor. A raíz de la flexibilidad del conducto, las tuberías con sobrepresión relativa se dilatan y las tuberías con baja presión relativa se estrechan, con lo que se produce un tipo de movimiento peristáltico que(adicionalmente a la presión del agua en la entrada del intercambiador de calor) favorece el continuo transporte de agua. Así, junto con una válvula de retención en la entrada, el agua circula por el intercambiador a golpes o impulsos, con fases de velocidad de circulación altas y bajas. Debido a este "efecto de bombeo", el dispositivo trabaja también con una mínima presión de agua a la entrada del intercambiador. Merced a las fases de velocidad de circulación elevada se previene la calcificación y el ensuciamiento del intercambiador.

En la sección térmica está previsto un mecanismo como, por ejemplo, una válvula de retención, que permita la circulación de líquidos únicamente en dirección hacia la sección refrigerante e impida un reflujo hacia una alimentación de agua, por ejemplo, hacia una red de suministro a la cual esté conectada la sección térmica del dispositivo. Mediante el calentamiento del agua a, p. ej., 100 ó 150ºC se produce en el circuito una presión de varios bares, que puede ser mayor que la presión del agua en la red de suministro, por lo que la válvula de retención impide el reflujo. La válvula de retención se cierra hasta que la presión del agua en el circuito - debido a la descarga de agua de la sección refrigerante - disminuya hasta o por debajo del nivel de presión del agua en la red de suministro, de modo que pueda ingresar nuevamente agua fresca para ser esterilizada. La válvula de retención está colocada preferentemente en la entrada de la sección térmica, es decir, directamente en el punto de conexión con el suministro de agua.

El dispositivo que corresponde a la invención se puede emplear de numerosas maneras, dado que se requieren únicamente un suministro de energía como, p. ej., un tomacorrientes para la fuente de calefacción y una toma de agua, siendo posible el funcionamiento también con una presión de agua relativamente baja. Esto posibilita su utilización, por ejemplo, en hogares o clínicas, como aparato intercalado en máquinas o también en países en vías de desarrollo, donde se requiera esterilizar agua de manera económica y local.

En una variante de la invención, el conducto está compuesto de dos láminas elásticas soldadas una a otra en sus bordes longitudinales. También es posible, como alternativa, fabricar el conducto con tres capas de láminas soldadas entre sí en sus bordes longitudinales, con cada uno de los extremos de las dos láminas exteriores soldados a uno de los extremos del conducto. Como material pueden emplearse, por ejemplo, láminas flexibles de metal o de plástico. De manera alternativa también es posible emplear como conducto dos tubos elásticos, especialmente tubos capilares o mangueras, embutido uno dentro del otro, quedando conformadas ambas secciones del conducto por el espacio anular entre ambos tubos y por el tubo interior. También se pueden utilizar tubos paralelos o mangueras que gracias al "enrollado" mantengan del mismo modo un buen contacto térmico entre sí.

En lo sucesivo se explica más detalladamente la invención en base a distintas variantes. Se muestran:

Fig. 1a una primera variante de un dispositivo conforme a la invención.

Fig. 1b una segunda variante de un dispositivo de acuerdo a la invención.

Fig. 2a un corte transversal de un conducto compuesto de dos láminas soldadas entre sí.

Fig. 2b la zona de transición entre la primera y la segunda sección del conducto de la fig. 2a;

Fig. 3a un conducto compuesto de tres láminas soldadas entre sí;

Fig. 3b la zona de transición del conducto de la fig. 3a;

Fig. 4a un conducto compuesto de dos tubos; y

Fig. 4b la zona de transición del conducto de la fig. 4a.

La fig. 1a muestra un dispositivo 1 para esterilización térmica de líquidos, compuesto de una carcasa cilíndrica 2, en la cual se encuentra un conducto 3 enrollado en forma de espiral, que presenta una sección térmica 4 y una sección refrigerante 5. Al final de la entrada 6 de la sección térmica 4 se encuentra una válvula de retención 7 y una pieza de conexión 8, mediante la cual puede conectarse el dispositivo a un suministro de agua como, p. ej., a un grifo. La válvula de retención 7 posibilita la afluencia de agua hacia la sección térmica 4 en el sentido indicado por la flecha 9 e impide un reflujo hacia el suministro de agua. Al final de la salida 10 de la sección refrigerante 5 se encuentra una pieza de conexión 11 con una pieza de salida abierta 12, por la cual el agua puede descargarse sin impedimentos o a la cual puede conectarse una manguera, una máquina, etc.

En el medio de la carcasa 2 se encuentra un dispositivo de calefacción 13 que puede calentarse, por ejemplo, eléctricamente, y que se compone de la carcasa cilíndrica de la fuente de calefacción 13a con un filamento de calefacción 13b dispuesto en su interior, el cual es alimentado con corriente mediante un cable de conexión 14 que sale de la carcasa 2, o mediante una ficha 15, respectivamente. La carcasa de la fuente de calefacción 13a presenta un orificio de admisión 13c para la entrada del agua a calentar, el cual está conectado con la sección térmica 4, y un orificio de descarga 13d para salida del agua caliente, conectado a la sección del conducto 5. Obviamente, el filamento de calefacción 13b está aislado eléctricamente del líquido circulante.

El agua que entra a la sección térmica 4 a través de la pieza de conexión 8 y la válvula de retención 7, fluye hasta el medio de la "espiral conductora" en el sentido indicado por la flecha 15, siendo calentada gradualmente por el agua de retorno en la sección refrigerante 5. En una zona 16, en el interior de la carcasa de la fuente de calefacción 13a, el agua alcanza su temperatura máxima y fluye entonces - como se indica mediante las flechas 17 y 18 - por la "espiral conductora" hasta el fin 10 de la sección refrigerante 5 hacia fuera. Allí, el agua se descarga a través de la pieza de conexión 11 y de la pieza de salida 12, como está indicado por las flechas 19 y 20.

Debido al estrecho contacto a ambos lados de las secciones 4 y 5 del conducto, el agua afluente a través de la sección térmica 4 es precalentada por el agua saliente en la sección refrigerante 5, mientras que el agua saliente en la sección refrigerante 5 es enfriada por el agua afluente en la sección térmica 4. A través de las espiras en contacto de las secciones primera y de refrigeración 4 y 5, respectivamente, tiene lugar un "intercambio interno de calor". Esto tiene la ventaja de que el agua afluente en la sección térmica 4 está ya precalentada en la espira más interna de la "espiral conductora" a una temperatura relativamente alta, y puede calentarse, mediante una potencia relativamente pequeña de la fuente de calefacción, a la temperatura de esterilización deseada, la cual se logra en la zona 16 entre la sección térmica 4 y la sección refrigerante 5.

Como alternativa a la variante mostrada, en la cual el conducto 3 está enrollado de tal modo que la sección transversal de cada espira está ubicada en un mismo plano, es posible también una disposición esencialmente esferoidal del conducto 3, en la cual únicamente la alimentación energética de la fuente de calefacción como, por ejemplo, conductores eléctricos, puede eventualmente condicionar un desvío de la forma esférica. En lugar de la pieza de conexión 8 y de la pieza de salida 12 se puede colocar también un manguito, mediante el cual el dispositivo quede conectado a un sistema de tuberías.

La fig. 1b muestra una variante conforme a la invención, en la cual, a diferencia de la fig. 1ª, las secciones del conducto 4 y 5 no están "conectadas" a la carcasa de la fuente de calefacción 13a y el agua a esterilizar no circula en torno al filamento de calefacción 13b. Aquí, el calor del filamento de calefacción 13b se transmite mediante conducción térmica a través de la carcasa de la fuente de calefacción 13a al conducto 3 enrollado en ella y, por ende, al agua circulante en su interior, indicándose con 21 una zona de transición entre la sección térmica 4 y la sección refrigerante 5.

Las fig. 2a, 3a y 4a muestran secciones transversales del conducto 3, y las fig. 2b, 3b y 4b, secciones longitudinales de la zona de transición 21 del conducto 3 que se muestra en la fig. 1b.

El conducto que se muestra en las fig. 2a y 2b consta de dos láminas 22 y 23 respectivamente, las cuales están soldadas entre sí en sus bordes 24 y 25, circulando el agua por el hueco formado por ambas láminas 22 y 23, como se indica en la fig. 2b mediante la flecha 17. En la zona de transición 21 (comp. fig. 1b), entre la sección térmica 4 y la sección refrigerante 5, el conducto 3 está "rebatido", de modo que ambas secciones 4 y 5 se tocan, lo cual posibilita una buena transmisión térmica.

El doble conducto "rebatido" de tal modo va enrollado en serpentín en torno a la fuente de calefacción.

Las fig. 3a y 3b muestran otra variante, en la cual el conducto 3 está formado por tres láminas elásticas, las láminas 22 y 23, y entre medio una lámina separadora 26. En concordancia con las variantes de las fig. 2a y 2b, las láminas 22, 23 y 26 van soldadas en los bordes. Un primer hueco 27, situado entre la lámina 22 y la lámina de separación 26, constituye la sección térmica 4, y un segundo hueco 28, ubicado entre la lámina 23 y la lámina de separación 26, forma la sección refrigerante 5. A diferencia de la variante que se muestra en las fig. 2a y 2b, las láminas 22 y 23 están soldadas entre sí en un extremo 29, el cual forma la zona de transición 21 entre la sección térmica 4 y la sección refrigerante 5. La lámina de separación 26 tiene en la zona de transición 21 un "extremo libre", lo cual posibilita una circulación de líquidos desde la sección térmica 4 hacia la sección refrigerante 5, de acuerdo a la flecha 17.

Las fig. 4a y 4b muestran otra variante, en la cual el conducto 3 está conformado por dos tubos 31 y 32, embutidos uno dentro del otro. Un espacio anular 33, situado entre ambos tubos 31 y 32, forma la sección térmica 4 (o la sección refrigerante 5), y un hueco 34, rodeado por el tubo interior 32, forma la sección refrigerante 5 (o la sección térmica 4).

En la zona de transición 21, el tubo 31 está sellado por una pared de confinación 35, mientras que el tubo 32 está abierto allí, de modo que el agua puede fluir de la sección térmica 4 y de la sección refrigerante en el sentido que indica la flecha 17.

Claims (10)

1. Dispositivo para esterilización térmica de líquidos, especialmente de agua, con un intercambiador de calor de contracorriente, que tiene un conducto con una sección térmica y una sección refrigerante, interconectadas hidráulicamente, y está provisto de una fuente de calefacción para calentamiento del líquido, estando la sección térmica y la sección refrigerante dispuestas en forma de serpentín alrededor de la fuente de calefacción (13),la fuente de calefacción (13) esencialmente en el centro del serpentín, siendo el conducto (3) de material flexible, enrollable, estando las espiras del conducto (3) superpuestas y tocándose mutuamente, caracterizado porque está previsto un mecanismo (7) que posibilita la circulación del líquido solamente en sentido desde la sección térmica (4) hacia la sección refrigerante (5).

2. Dispositivo según reivindicación 1, caracterizado porque el mecanismo consiste en una válvula de retención (7).

3. Dispositivo, según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque el mecanismo (7) está dispuesto sobre la sección térmica (4).

4. Dispositivo, según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el mecanismo (7) está dispuesto al final de la entrada (6) de la sección térmica (4).

5. Dispositivo, según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el conducto (3) está formado por dos láminas elásticas (22, 23), las cuales están soldadas entre sí en sus bordes longitudinales (24, 25).

6. Dispositivo, según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el conducto (3) está formado por tres láminas elásticas (22, 23, 26) soldadas entre sí en sus bordes longitudinales (24, 25), estando dos de ellas (22, 23) separadas por la tercera lámina (26).

7. Dispositivo, según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el conducto (3) está formado por dos conductos individuales (31, 32) de forma tubular embutidos uno dentro del otro.

8. Dispositivo, según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque las espiras del conducto (3) están situadas en un mismo plano.

9. Dispositivo, según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque las espiras del conducto (3) están dispuestas en forma esferoidal.

10. Dispositivo, según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el conducto (3) consiste en una lámina de metal o una lámina de plástico.