ES2262497T3 - Metodo y aparato para aglomerar particulas finas de nieve. - Google Patents

Abstract

Un dispositivo para formar nieve a partir de fluidos presurizados, que comprende: un conducto de alimentación para entregar un flujo de fluido presurizado, un miembro de expansión unido al conducto de alimentación, conteniendo el miembro de expansión una pluralidad de canales para reducir la presión del gas y convertir el fluido a presión reducida en una corriente con mezcla de fases de gas y de finas partículas de nieve, teniendo la pluralidad de canales un diámetro medio y una longitud media de al menos el doble de su diámetro medio, y una cámara de aglomeración unida a la pluralidad de canales para aglomerar las finas partículas de nieve mediante el contacto conjunto de las finas partículas de nieve, en el que la cámara de aglomeración consiste en (i) una bocina de nieve con forma cilíndrica, para descargar partículas de nieve aglomerada, teniendo dicha bocina de nieve un diámetro de al menos tres veces el diámetro del conducto de alimentación, o (ii) un miembro tubular curvado para dirigir las partículas finas de nieve contra una superficie del miembro tubular curvado para la aglomeración de las partículas finas de nieve, teniendo el miembro tubular un extremo abierto.

Description

Método y aparato para aglomerar partículas finas de nieve.

Esta invención está relacionada con un método y un aparato para producir partículas de nieve criogénica. Particularmente, está relacionada con un método mejorado y una estructura de tobera para convertir un flujo de fluido de dióxido de carbono en un flujo de vapor y finas partículas de nieve, y para aglomerar después las finas partículas de nieve en copos más grandes.

Antecedentes de la invención

Algunas partículas producidas a partir de dióxido de carbono se utilizan ampliamente en la producción de alimentos congelados. El almacenamiento masivo de gran capacidad de líquido de dióxido de carbono se hace posible manteniendo el gas de dióxido de carbono bajo una presión y temperatura apropiadas para las condiciones de refrigeración. Si se mantienen los depósitos de almacenamiento a 0º Fahrenheit
(-18ºC), con una presión de aproximadamente 300 p.s.i (2 MPa), el dióxido de carbono estará en forma líquida. En el momento de utilización, el dióxido de carbono líquido se convierte en una mezcla de nieve fina de dióxido de carbono y vapor, mediante la expansión rápida del mismo a través de una multitud de pequeños orificios.

Los aparatos de la técnica anterior para la producción de dióxido de carbono convertido en nieve emplean orificios relativamente simples para permitir que ocurra una expansión de la alimentación de líquido de dióxido de carbono. Sin embargo, típicamente, los dispositivos o toberas de expansión de la técnica anterior, tales como bocinas y orificios de nieve, crean un formato de impactos por puntos. Éstos son ruidosos, y voluminosos y difíciles de instalar en espacios pequeños. La alta velocidad de la nieve de dióxido de carbono crea también una dificultad para aplicar un manto de nieve uniforme, y puede dañar elementos frágiles, tales como recubrimientos de queso en las pizzas o recubrimientos batidos en elementos de bollería.

La patente de Estados Unidos núm. 3 667 242 de Kilburn, describe una estructura para producir nieve de dióxido de carbono donde el dióxido de carbono líquido fluye en una parte superior de una bocina hueca cilíndrica, con paredes laterales dobles. Esta bocina tiene una parte inferior abierta y una parte superior cerrada. Una tobera, situada en la parte más alta de la bocina cilíndrica, imparte un movimiento tangencial en remolino a la nieve formada en la bocina.

La patente de Estados Unidos núm. 4 111 362 de Carter, Jr. describe una configuración de tobera para hacer nieve de dióxido de carbono. Unas parejas de chorros transversales de dióxido de carbono inyectan dióxido de carbono en una región de la bocina. Las mezclas de chorros en expansión de nieve y vapor colisionan para disipar la energía de los chorros.

La patente de Estados Unidos núm. 4 287 719 utiliza un tubo rectangular curvado (Bocina en forma de J) para inyectar vapor y una mezcla sólida radialmente, a lo largo de las paredes de dos cilindros situados en la salida de la bocina en forma de J. El posicionamiento inyecta la mitad del flujo de CO_{2} a lo largo de una pared de un cilindro e inyecta la otra mitad a lo largo de una pared del otro cilindro. Esta inyección forma dos corrientes de rotación contrarias de nieve de CO_{2}. Estas corrientes caen verticalmente hacia abajo y se mezclan conjuntamente para formar mucha nieve a baja velocidad.

La patente de Estados Unidos Núm. 4 376 511 de Franklin, Jr. describe un dispositivo de formación de nieve de dióxido de carbono, en el que hay situada una válvula distribuidora dentro de un elemento de canal y se dispensa la nieve de dióxido de carbono hacia los lados del elemento de canal. Esto disipa algo de la energía cinética de la nieve.

La patente de Estados Unidos núm. 4 462 423 de Franklin, Jr. describe un cabezal de formación de nieve de dióxido de carbono. Unas toberas situadas a lo largo del cabezal permiten a múltiples regiones dispensar nieve de dióxido de carbono.

La patente de Estados Unidos núm. 4 640 460 de Franklin, Jr., describe un cabezal de formación de nieve de dióxido de carbono que contiene una pareja de toberas. Un suministro de dióxido de carbono líquido alimenta los extremos de entrada de las toberas. Además, al aplicar dióxido de carbono líquido a los extremos de entrada de la tobera enfría la línea de suministro para reducir la temperatura del dióxido de carbono líquido que es suministrado al punto triple.

Se han hecho intentos de superar los problemas de los métodos y formatos previos de aglomeración. Pero hay poca técnica anterior sobre el tema de la aglomeración de nieve fina o de un método de aglomeración de nieve fina.

Por ejemplo, la patente de Estados Unidos núm. 5 868 003 de Simas y otros colaboradores, describe un aparato para producir partículas de nieve fina en la gama de 0,2 a 300 micras. Este aparato está acoplado a diversos dispositivos de aglomeración directamente o bien a través de una expansión intermedia de presión. Este dispositivo produce una corriente de copos finos a alta velocidad. Estos copos se subliman en contacto con objetos alimentarios a temperatura ambiente. Esta tecnología es altamente eficaz para la rápida congelación de objetos. Desafortunadamente, la alta velocidad presenta problemas con alimentos delicados y de baja densidad. Además, los proveedores de alimentación desean enfriar pero no congelar diversos alimentos tales como el pescado fresco. Los finos copos producidos por esta tecnología congelan el alimento antes de que pueda constituirse en un recubrimiento protector.

Hay necesidad de un aparato y un método mejorados de dispensación de nieve que produzcan una nieve altamente aglomerada. Más aún, tales dispositivos deben producir partículas de nieve de dimensiones de partícula relativamente constante, de manera que se asegure una aplicación uniforme de las partículas por todo el alimento u otros productos a enfriar.

El aparato de toberas de dispensación de nieve puede tener problemas con los que las partículas de nieve atascan las toberas o los tubos de descarga. Además, las toberas han requerido una orientación prácticamente vertical con relación a la superficie o producto a recubrir con nieve. También han requerido dispositivos de descarga de bocinas relativamente grandes, que no son adecuadas para aplicaciones en espacios físicamente limitados ni para descargas en zonas muy localizadas.

Las toberas de dispensación de nieve fina han tenido una aplicación limitada porque su corriente de alta velocidad de partículas finas, por ejemplo, de alrededor de 10 a 300 micras, no ha sido útil para algunas aplicaciones de la nieve. Las partículas finas de nieve tienden a sublimarse inmediatamente al caer y no se amontonan sobre el producto. Un chorro de esta fina nieve que entra en el aire a temperatura ambiente normal, se sublimará casi inmediatamente a medida que se expande alejándose de la tobera, debido a la mezcla de aire caliente con la nieve fina. Además, el flujo de alta velocidad de partículas finas tiende a impedirles que se adhieran a ciertas superficies. Los dispositivos de aglomeración han contenido típicamente inyectores y bocinas que tratan de expandir y ralentizar uniformemente la mezcla sólida de vapor. Estos tipos de dispositivos no proporcionan la suficiente aglomeración de nieve fina. Las bocinas típicas intentan evitar las expansiones y contracciones repentinas en algunas zonas. Esto conduce a problemas de taponamiento debidos a la recirculación del flujo.

Consecuentemente, es un objeto de esta invención proporcionar un aparato mejorado de toberas de dispensación de nieve que puedan aglomerar partículas de nieve y proporcionar copos de nieve más grandes.

Es un objeto adicional de esta invención proporcionar un aparato mejorado de toberas de dispensación que pueda modificar el tamaño, la velocidad de las partículas de nieve y el formato de la nieve.

Es otro objeto adicional de esta invención proporcionar una tobera mejorada de dispensación de nieve que sea silenciosa, pequeña, de formato sencillo y que funcione en todas las orientaciones.

Es un objeto adicional de esta invención proporcionar una estructura mejorada para sostener un miembro de expansión y montarlo sobre las toberas de dispensación de nieve.

Es un objeto adicional de esta invención proporcionar un método mejorado de aglomeración de partículas de nieve finas en partículas mayores de tamaño más útil.

Sumario de la invención

El dispositivo forma nieve a partir de fluidos de dióxido de carbono presurizado. Un conducto de alimentación entrega un flujo de fluido presurizado. Un miembro de expansión unido al conducto de alimentación contiene una pluralidad de canales para reducir la presión en el fluido y convertir el fluido de presión reducida en una corriente de fases mezcladas de gas y de finas partículas de nieve. Los canales tienen un diámetro medio y una longitud media de al menos el doble de su diámetro medio. Una cámara de aglomeración unida a la pluralidad de canales aglomera las finas partículas de nieve haciendo que entren en contacto conjuntamente las finas partículas de nieve.

El método produce grandes copos de nieve a partir de dióxido de carbono presurizado. Primero proporciona un suministro de fluido presurizado y después envía el fluido presurizado a una cámara de baja presión a través de una pluralidad de canales. La expansión del fluido presurizado crea una mezcla de finas partículas de nieve y de gas. La pluralidad de canales tiene un diámetro medio y una longitud media de al menos el doble de su diámetro medio. Finalmente, la aglomeración de las finas partículas de nieve en copos de nieve forma un producto adecuado para múltiples aplicaciones de refrigeración.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es una vista en sección vertical de un aparato de fabricación de nieve con una bocina cilíndrica unida, que muestra los formatos del flujo de sólidos/vapor.

La figura 2 es una vista en sección vertical de un conjunto de miembro de expansión sosteniendo una inserción de múltiples canales.

La figura 3 es una vista en sección vertical de un conjunto de miembro de expansión sosteniendo una inserción de canal poroso.

La figura 4 es una vista en sección vertical de un aparato de tobera, con sus piezas en sección, que muestra los formatos de flujo de sólidos/vapor.

La figura 5 es una vista en sección vertical de un aparato de tobera que incorpora un tubo doblado y una bocina para la nieve.

La figura 6 es una vista en sección vertical de otro modo de realización de un aparato de tobera que incorpora un tubo doblado.

La figura 7 es una vista en sección vertical, con partes seccionadas, que muestra el formato del flujo de dióxido de carbono sólido y en vapor a través del tubo doblado de la figura 6.

La figura 8 es una vista en sección vertical de un aparato de tobera que incluye una cámara de presión intermedia.

La figura 9 es una vista en sección vertical de un aparato de tobera que incorpora una tobera en forma de ranura.

La figura 10 es una vista en alzado lateral de una parte de los medios de conducción ilustrados en la figura 9, según se vería a lo largo de la línea 10-10.

Descripción detallada de la invención

El dispositivo y el método convierten una fina corriente de una nieve sometida a sublimación en útiles copos de nieve aglomerados. La fina corriente forma una expansión controlada de un fluido criogénico a través de un canal. El fluido criogénico preferido es dióxido de carbono. Sin embargo, ha de entenderse que la invención es igualmente aplicable a otros fluidos criogénicos que se expanden a través de canales, para crear un formato criogénico finamente disperso.

Haciendo referencia a la figura 1, el gas presurizado, tal como el dióxido de carbono líquido, entra en un conducto 12 de alimentación. El gas presurizado viaja a través de los canales 14 para producir una corriente de finas partículas de nieve. Ventajosamente, el fluido criogénico entra en los canales como un líquido y sale de los canales como una mezcla de nieve y gas. Más ventajosamente, el líquido entra en los canales bajo condiciones de saturación. Los canales tienen una longitud media de al menos el doble de su diámetro medio. Esta relación de la longitud al diámetro proporciona una caída gradual de la presión y una corriente útil de nieve finamente colimada. Si la longitud media es al menos cinco veces el diámetro medio, el dispositivo forma una corriente colimada de nieve sin una caída de presión disruptiva. Los medios 16 de conducto se conectan directamente a una bocina 18 de nieve de forma cilíndrica para proporcionar un ánima 20 con una superficie continua lisa desde su entrada 22 hasta la salida 24 de la bocina. Los medios 16 de conducto se comunican y conectan con la bocina 18 a través de una expansión repentina y discontinua, en una zona determinada por un orificio 26 de entrada en la placa superior 28, que está situada concéntricamente sobre la bocina 18 de nieve.

La bocina 18 de nieve actúa como una tobera que ralentiza y mezcla el flujo de partículas de nieve de dióxido de carbono y los vapores, y hace que las partículas de nieve se aglomeren. El desacoplo en la zona del flujo inyectado a través de unos medios 16 de conducto con la zona de la bocina 18 de nieve crea unos formatos de circulación en la entrada 22. Los vectores divergentes 30 de velocidad en la región de entrada de la bocina 18 muestran cómo el flujo de sólidos y vapor divergen del chorro que sale de los medios de conducto hacia la pared exterior de la bocina. Los vectores 32 de velocidad uniforme en la región de salida de la bocina 18 muestran cómo sale el flujo de sólidos aglomerados y vapor desde la bocina 18. Una zona 34 de recirculación permite la divergencia y ralentización del flujo de nieve. Esto refuerza la aglomeración de finas partículas sólidas en copos más grandes. Así, la velocidad de la corriente de la mezcla de gas/sólidos en la salida 24 de la bocina es relativamente uniforme y lenta, el tamaño de la partícula es grande, y el formato del rociado de nieve es aproximadamente igual al diámetro de salida de la bocina 18. Esto es adecuado para dispensar con cuidado copos de nieve relativamente grandes sobre productos frágiles o sobre una cinta u otro material que necesite ser enfriado. Si la bocina 18 tiene un diámetro de al menos tres veces el diámetro del conducto 12 de alimentación, formará efectivamente copos de nieve grandes que no se subliman inmediatamente en contacto con los objetos a temperatura ambiente.

Haciendo referencia a la figura 2, un conjunto 50 de un miembro de expansión incluye un soporte 52 del miembro de expansión. El soporte 52 tiene una cavidad 54 y un miembro 56 de expansión que consiste en una pluralidad de finos canales 55 que cruzan a través del soporte del miembro de expansión en la cavidad. El cuerpo del soporte 52 tiene unas superficies principales opuestas, una superficie inferior 58 y una superficie superior 60, una parte central 62 y una parte periférica 64. La parte periférica 64 de la superficie 60 tiene una hendidura anular 66 y un miembro de hermeticidad o junta tórica 68, que se asienta sobre la hendidura. Las superficies inferior y superior 58 y 60 del soporte 52 contienen, respectivamente, un orificio inferior y múltiples canales finos 70, 55. Estos se comunican con la cavidad 54. Los múltiples canales finos 55 tienen diámetros que son mucho menores que el de la cavidad 54. El orificio 70 y los canales 55 están adaptados, es decir, estructuralmente dimensionados y situados, de manera que dejan al descubierto múltiples canales finos 55. Esto permite pasar al dióxido de carbono líquido a través del orificio inferior 70, y que salga una mezcla de nieve y vapores de dióxido de carbono por los canales 55 de salida.

La figura 3 muestra un soporte 52 del miembro de expansión que tiene una cavidad 54 y un miembro 56 de expansión asentado sobre la cavidad. Un miembro 56' de expansión consiste en un miembro, disco o inserto poroso. El cuerpo del soporte 52 tiene unas superficies principales opuestas, una superficie inferior 58 y una superficie superior 60, una parte central 62 y una parte periférica 64. La parte periférica 64 de la superficie 60 tiene una hendidura anular 66 y un miembro de hermeticidad o junta tórica 68 asentada sobre la hendidura. Las superficies inferior y superior 58 y 60 del soporte 52 tienen unos orificios inferior y superior 70 y 72. Éstos se comunican con la cavidad 54. El orificio superior 72 tiene un diámetro que es menor que el de la cavidad 54, de manera que la parte central 62 del soporte 52 tiene un reborde 74 contiguo al orificio superior 72. Éste cubre y en parte define la cavidad 54. El reborde 74 impide que el miembro 56' de expansión se extienda a través del orificio superior 72. Los orificios 70 y 72 dejan al descubierto múltiples canales finos (no ilustrados) en el miembro poroso 56 de expansión. Esto permite al dióxido de carbono líquido pasar a través del orificio inferior 70, y que salgan la nieve y los vapores de dióxido de carbono por su orificio superior 72.

La figura 4 muestra un aparato 80 de tobera que incluye un miembro tubular 82, axialmente alargado, de forma axialmente telescópica dentro del collarín 84. Un miembro tubular 82 tiene una entrada 86, una cara final 88 en la entrada, una salida 90, y un ánima 92 que se extiende entre su entrada 86 y la salida 90. La superficie exterior del miembro tubular 82 se aplica por fricción con el ánima 92 del collarín 84 para impedir el movimiento axial relativo entre el miembro tubular 82 y el collarín 84. Así, cuando las sujeciones del anillo de retención se comprimen, cierran herméticamente la cara final de la entrada del collarín 84 contra el soporte 52.

Este dibujo ilustra que al inyectar dióxido de carbono en forma sólida fina y en forma de vapor, a través de una pequeña zona, por unos medios 16 de conducto más grande, se crea la zona 34 de recirculación de nieve. El ánima de los medios 16 de conducto tiene una superficie lisa continua para impedir la acumulación de partículas de nieve. Así, por ejemplo, el ánima 92 del miembro tubular 82 tiene, ventajosamente, una superficie lisa continua desde su entrada hasta su salida. Al montar la cara final de la entrada del miembro tubular, directamente contra la superficie superior del soporte 52, las partículas de nieve de dióxido de carbono emitidas desde el miembro 56 de expansión no tienen ninguna irregularidad o protuberancia que pudiera originar una acumulación incontrolada de partículas de nieve y el consiguiente atasco.

Los medios de conducto no necesitan ser una unidad de una sola pieza desde la entrada hasta la salida. Así, los medios de conducto pueden incluir secciones individuales que se unen conjuntamente a través de una superficie o transición lisa. La salida de los medios de conducto puede incluir una bocina de nieve u otro dispositivo situado en el extremo terminal de los medios de conducto para controlar o dirigir el flujo de partículas de nieve desde los medios de conducto.

Haciendo referencia a la figura 5, un aparato opcional 80' de tobera tiene un miembro tubular 82 conectado a través de una transición superficial recta a una bocina 100 de descarga en forma cónica, para proporcionar un ánima 102 con una superficie lisa continua, desde su entrada 104 hasta su salida 106. El miembro tubular 82 tiene una parte curvada 110 para aumentar la aglomeración de partículas de nieve de dióxido de carbono, cuando pasan a través de una sección 102 del ánima de una parte curvada 110. Un miembro tubular 82 tiene también una parte 112 de entrada recta, aguas arriba de la parte curvada 110 y que se comunica con ésta. La parte curvada 110 incluye también o se comunica con una parte tubular 114 que apunta hacia abajo y que se conecta a través de una transición lisa con una bocina 100 alineada axialmente. La pared de la bocina 100 es acampanada para proporcionar una difusión apropiada del flujo. La bocina cónica 100 actúa como una tobera divergente que hace que diverja y se ralentice el flujo de partículas de nieve y los vapores de dióxido de carbono y origina la aglomeración de partículas de nieve. Así, la velocidad de la corriente de flujo es relativamente lenta, el tamaño de la partícula es grande, y el formato del rociado de nieve es ligeramente más ancho que el diámetro de salida de la bocina 100. Esto es adecuado para dispensar cuidadosamente copos de nieve de dióxido de carbono relativamente mayores sobre productos frágiles, o sobre una cinta u otro material que necesite ser enfriado.

La longitud de la bocina 100 determina la capacidad de flujo del miembro 56 de expansión. Si se desea una tobera de gran caudal, una bocina mayor ralentiza suficientemente el flujo, y aglomera las partículas de nieve de dióxido de carbono. Si la longitud de la bocina permanece constante y el gas presurizado entra con un caudal menor, la cantidad de partículas de nieve y de vapor de dióxido de carbono en la corriente del flujo puede no ser suficiente y el aire podrá infiltrarse en el interior de la bocina 100. Este arrastre de aire puede ser perjudicial porque la humedad del aire se congelará y se amontonará sobre la superficie interior de la bocina 100, obstruyendo el flujo de partículas de nieve.

Haciendo referencia a la figura 6, un aparato preferido 120 de tobera tiene un collarín 122 con un escalón 124 que emerge radialmente para proporcionar un ánima 125 de mayor diámetro que acepta axialmente una parte recta 126 de entrada de un miembro tubular 128 y se aplica por fricción sobre ella, para proporcionar una superficie continua lisa del ánima a través de la unión o interfaz del collarín 122 con el miembro tubular 128. El miembro tubular 128 tiene una parte curvada 130 que se extiende a través de un ángulo de alrededor de 90 grados para aglomerar las partículas de nieve de dióxido de carbono. Una parte recta 132 de salida, aguas debajo de la parte curvada 130, proporciona una corriente de flujo estrechamente colimada de partículas de nieve aglomeradas de dióxido de carbono, a través de la parte 134 de salida y de su salida 136. El miembro tubular 128 es opcionalmente acampanado en su salida 136 para impedir que se amontone la nieve. Para una descarga de copos de alta velocidad, el miembro tubular 128 y la salida 136 tienen superficies iguales de su sección transversal.

Haciendo referencia a la figura 7, el miembro tubular 128 contiene el flujo de finas partículas de nieve y vapor de dióxido de carbono, emitidos desde su miembro 56 de expansión (véase la figura 6). Típicamente, para el dióxido de carbono líquido expandido en condiciones atmosféricas, la mezcla sale en una relación porcentual en peso de nieve/gas del 40/60. Esta mezcla llena la parte recta 126 de entrada del miembro tubular 128. Cuando la corriente mezclada pasa a través de la parte curvada 130, la mayor densidad de partículas sólidas o copos hace que se desplacen hacia la superficie exterior del ánima 125 del miembro tubular 128. Las partículas de nieve fluyen así cerca de esa superficie y a lo largo de ella, de forma tal que las partículas se rozan entre sí y se aglomeran en copos más grandes. A diferencia de la nieve formada en toberas convencionales, esta nieve tiene una zona superficial grande y fluye como una mezcla con la fase del vapor, (las toberas convencionales forman nieves con zonas superficiales inferiores que se desplazan independientemente de la fase de vapor y tienden a aglomerarse). Esta característica exclusiva del flujo de zona superficial grande parece permitir que la mezcla fluya bordeando las curvas. Consecuentemente, la corriente del flujo que pasa a través de la parte recta 134 de salida, aguas debajo de la parte curvada 130, con una fracción mayor de copos de nieve aglomerados 138. La parte recta 134 de salida distribuye el flujo y proporciona una corriente de flujo de salida estrechamente colimada de grandes copos aglomerados.

Haciendo referencia a la figura 8, un aparato 140 de tobera tiene un conducto escalonado 142 y acepta axialmente y se aplica sobre un miembro tubular 144. Los medios 146 de conducto incluyen un tubo o miembro intermedio 148 de presión. El interior del tubo intermedio 148 de presión forma una cámara intermedia 150 de presión. El tubo intermedio de presión 148 se monta axialmente dentro del miembro tubular 144 y se aplica en él, preferiblemente, por fricción. El extremo de entrada del miembro intermedio 148 de presión tiene una brida 152 que se extiende hacia fuera y una cara final 154 de entrada que se monta comprimiendo estrechamente el anillo 156 de retención contra el soporte 52. El miembro intermedio 148 de presión se extiende a través de una parte de una porción recta 158 de entrada del miembro tubular 144. Tiene una ranura angular 160 en un extremo que dirige una corriente de partículas de nieve y vapor contra la superficie inferior contigua del ánima 162 del miembro tubular. Preferiblemente, la ranura 160 tiene una longitud mínima equivalente al menos alrededor de dos o tres veces el diámetro del ánima 162, aguas arriba del inicio de la parte curvada 160. El miembro intermedio 148 de presión crea un flujo de recirculación dentro del miembro tubular 144, que refuerza el efecto de aglomeración. El mayor diámetro del miembro tubular 144 (comparado con el miembro intermedio 148 de presión), ralentiza la velocidad del flujo de vapor/partículas de nieve y permite una aglomeración adicional de partículas de nieve de dióxido de carbono a medida que se desplazan a través del miembro tubular 144.

Las figuras 9 y 10 ilustran otro modo de realización, donde una tobera 170 contiene un miembro tubular 172 y una parte curvada 174. La parte curvada 174 se extiende a través de un ángulo de menos de 90 grados para aglomerar partículas de nieve. La nieve aglomerada sale a través de una parte recta 176 que tiene una parte 178 de diámetro reducido y una parte acampanada 180. Como se ilustra en la figura 10, y como se vería en sección transversal (no ilustrada), la salida acampanada 180 tiene una ranura rectangular 182, estrecha y alargada, que tiene preferiblemente esquinas redondeadas. La salida acampanada 180 tiene una superficie de la sección transversal menor que la superficie de la sección transversal del diámetro normal aguas arriba del miembro tubular 172. Éste y la forma de la ranura de la salida acampanada 180 aceleran el flujo y reducen el tamaño de las partículas de nieve aglomeradas cuando fluyen a través de la ranura 182. Esto proporciona una corriente ancha y plana del flujo de salida, que tiene una velocidad más alta y un tamaño de partículas menor que la corriente del aparato de tobera. La corriente del flujo proporcionada por el aparato 170 de tobera, es apropiada para efectuar una alta transferencia de calor desde un producto expuesto. Un modo de realización del aparato 170 de tobera que proporcionaba tal corriente de flujo, tenía un miembro tubular 172 con un diámetro interior del ánima de alrededor de 0,465 pulgadas (1,18 cm), y un salida 182 en forma de ranura que tiene una anchura interna de la ranura de alrededor de 0,075 pulgadas (0,19 cm) y una longitud interna de la ranura de alrededor de 0,75 pulgadas (1,9 cm).

Cuando se emplean medios de conducto que tienen una salida 180 con forma de ranura estrecha y acampanada, como en las figuras 9 y 10, el caudal, el diámetro del ánima y la geometría de los medios de conducto, por ejemplo el miembro tubular 172, y la cantidad de aglomeración y el tamaño de las partículas en la parte 178 de salida, deben coincidir con la superficie de la salida en forma de ranura. Esto permite que la corriente de partículas de nieve fluya apropiadamente a través de la salida 180 sin acumulaciones ni atascos. Por ejemplo, mientras que un miembro de expansión que tenga un caudal de 2,4 libras/min. (1,09 Kg/min) que se emplea con un miembro tubular 172 y una superficie de salida en forma de ranura de 0,075 pulgadas (0,19 cm) por 0,75 pulgadas (1,9 cm) se comportaba sin ningún problema, un miembro de expansión con un caudal inferior de 1 libra/min. (0,453 kg/min) empleado en el mismo aparato, originaba un aumento de aglomeración y mayores tamaños de partículas en la parte 178 de salida, que se acumulaban y atascaban la salida 180. Así, a medida que el caudal disminuye, el diámetro y la geometría de los medios de conducto y el intervalo de la punta deben ser ajustados para reducir la aglomeración o aumentar la zona de salida para permitir que fluyan las partículas más grandes a través de la salida.

El soporte del miembro de expansión puede estar hecho de cualquier material adecuado, tal como latón, acero inoxidable, aluminio, u otro material que no pueda corroerse fácilmente. El material preferido es acero inoxidable. Para el diseño ilustrado en la figura 2, el soporte 52 está mecanizado de forma tal que su cavidad 54 tenga un diámetro menor, por ejemplo, de alrededor de 0,001 hasta alrededor de 0,002 pulgadas (0,002 a 0,005 cm), que el del miembro de expansión. Esto es para que asiente y sostenga el miembro de expansión en la cavidad con un ajuste de interferencia. Así, evita el uso de adhesivos que podrían ensuciar los finos canales del miembro de expansión. El miembro de expansión es presionado profundamente en la cavidad 54 para cerrar herméticamente contra el reborde del soporte, entre el miembro de expansión y el reborde. Esto evita que las partículas de nieve que escapan entre el miembro de expansión y el reborde, que pueden originar la emisión de caudales y formatos irregulares, sean emitidas desde el miembro de expansión. El tamaño y la forma del orificio superior del soporte determinan la superficie del flujo y el formato del rociado del dióxido de carbono sólido y en forma de vapor emitido desde el miembro de expansión. Al reducir el diámetro del orificio superior se reduce la superficie del flujo y la capacidad de flujo del miembro de expansión.

El aparato de tobera facilita una corriente de flujo continuo y suave de partículas de nieve de dióxido de carbono desde su comienzo hasta su salida desde el aparato. Una superficie de ánima continua y suave no tiene, ventajosamente, irregularidades en su superficie, por ejemplo, escorias, o huecos, o protuberancias tales como bordes salientes en las uniones o interfaces, que podrían proporcionar un sitio para la acumulación de partículas de nieve u originar esta acumulación, atascando el aparato. Los medios de conducto pueden incluir la parte del camino interno de la tobera que está aguas debajo de un miembro de expansión. Esto es operativo dentro de su camino interno. La superficie lisa continua se extiende desde el miembro de expansión, preferiblemente desde el soporte hasta la salida de los medios de conducto. Los medios de conducto pueden ser de sección transversal no circular.

El aparato de tobera produce partículas de nieve de dióxido de carbono forzando el fluido de dióxido de carbono presurizado a través de un miembro de expansión poroso que tiene unos finos canales a su través en la gama de alrededor de 0,2 a 500 micras. De la manera más ventajosa, los canales tienen un diámetro medio de alrededor de 50 a 500 micras. El aparato de tobera incluye una estructura para alterar el tamaño, la velocidad o formato del flujo de las partículas de nieve para adaptarse a una amplia gama de aplicaciones. Por ejemplo, el aparato de tobera puede proporcionar tamaños de partículas más grandes a través del uso de medios de conducto que tengan una parte curvada para aglomerar las partículas de nieve finas emitidas desde el miembro de expansión, a medida que pasan a través de la parte curvada. La cantidad de curvatura puede extenderse a través de cualquier ángulo adecuado, incluyendo desde menos de 90 grados hasta alrededor de 250 grados. Preferiblemente, la curvatura tiene lugar en un ángulo de al menos alrededor de 90 grados. Por ejemplo, la figura 5 muestra medios de conducto en forma de miembro tubular cuya parte curvada es mayor de 90 grados, y en las figuras 6 a 8, alrededor de 90 grados. La curvatura del conducto consigue la cantidad de aglomeración deseada y el tamaño de partículas deseado. Ventajosamente, estos copos tienen una dimensión media máxima de al menos alrededor de 0,5 mm. De la manera más ventajosa, el copo tiene una dimensión máxima del al menos
5 mm.

Un miembro o tubo intermedio de presión, preferiblemente en la parte de entrada de los medios de conducto, consigue también copos grandes. Aunque la presión de la corriente del flujo de dióxido de carbono en forma sólida y de vapor, en un miembro intermedio de presión, puede variar desde la presión del punto triple a cero psig (0 Pa), la presión preferida ahí es menor que 5 psig (34 Kpa). La presión en el miembro intermedio de presión es ajustada dimensionando la abertura de la ranura para que sea suficientemente ancha para un caudal determinado. El flujo que sale de la ranura es un chorro en forma de cuña que incide sobre la superficie del ánima del miembro tubular. El radio del miembro tubular y la forma del chorro forman un formato del flujo en forma de torbellino dentro del ánima. Esto hace que las partículas de nieve de la corriente del flujo se acoplen entre sí y se aglomeren. Aunque cualquier orientación de un miembro intermedio de presión se comportará satisfactoriamente, la figura 8 muestra la orientación preferida en la que el ángulo descendente de la ranura 160 está en el mismo plano que la curvatura del miembro tubular 144.

Pueden obtenerse también tamaños de partículas más grandes por medios de conducto que incluyan dispositivos tales como una bocina de nieve, que diverja y ralentice la corriente de nieve, y aglomere las partículas de nieve de dióxido de carbono en la corriente.

Se ha averiguado que para toberas que emplean un miembro poroso de expansión que tenga una especificación de alrededor de 10 hasta alrededor de 40 micras, o múltiples canales finos con diámetros de 50 hasta alrededor de 300 micras, con el aparato de tobera de las figuras 6 a 8, son preferibles para proporcionar la aglomeración y tamaños de partícula más grandes, adecuados para aplicaciones de envolturas de nieve o para otras necesidades de nieve en puntos localizados.

Se ha averiguado también que para aparatos de toberas que emplean un miembro de expansión con una especificación mayor en micras, desde alrededor de 40 hasta alrededor de 100 micras, los medios de conducto sin miembro intermedio de presión, tal como el ilustrado en las figuras 1, 6 y 7, proporcionan partículas suficientemente aglomeradas y tamaños de partícula suficientemente grandes, adecuadas para aplicaciones de envolturas de nieve o para otras necesidades de nieve en puntos localizados.

Se ha averiguado que para aparatos de toberas que emplean un miembro de expansión con una especificación desde alrededor de 10 hasta alrededor de 40 micras, o múltiples canales finos con diámetros de 50 hasta alrededor de 300 micras, los medios de conducto que están unidos a bocinas cónicas o cilíndricas, tal como el aparato de tobera de la figura 1, son preferibles para proporcionar la aglomeración de tamaños de partícula más grandes para aplicación de nieve en las cintas u otras aplicaciones de la nieve por zonas.

La velocidad de las partículas de nieve que salen de los medios de conducto puede ser modificada, por ejemplo, empleando una bocina tal que produzca un flujo divergente y reduzca la velocidad del flujo desde la salida, o empleando una salida acampanada de diámetro más pequeño, en forma de ranura, tal como se ilustra en las figuras 9 y 10. Esto reduce la aglomeración y acelera el flujo a través de su salida. La velocidad puede ser modificada también seleccionando la capacidad de flujo del miembro de expansión, o aumentando el número y diámetro de los finos canales del miembro de expansión, o bien modificando el tamaño del orificio superior del soporte del miembro de expansión.

El caudal de masa afecta a la cantidad de aglomeración conseguida a través del dispositivo, y al diámetro efectivo, D2, del tubo o bocina unidos a la corriente del sólido y del vapor que salen del miembro de expansión con un diámetro efectivo D1. Cuando la relación D2/D1 se aproxima a infinito, la cantidad de aglomeración se acerca a cero. Esto es lo mismo que inyectar directamente en el aire sin ninguna bocina. Cuando la relación D2/D1 se acerca a 1, de nuevo existe muy poca aglomeración. Esto es similar a inyectar en un tubo intermedio de presión. Hay una velocidad muy alta y muy poca aglomeración. Preferiblemente, la relación D2/D1 debe estar entre alrededor de 1,5 y 10 para conseguir una buena aglomeración.

Cuando el flujo de masa a través del sistema aumenta, la cantidad de aglomeración en el sistema disminuye. Esto es un efecto de la velocidad. Para aplicaciones de rociado de nieve por zonas, se ha averiguado que para relaciones de diámetros entre alrededor de 2,25 a 10, con respectivas velocidades de vapor entre alrededor de 800 a 35 pies por minuto (240 a 11 metros por minuto), se consigue una buena aglomeración. Para aplicaciones de rociado de nieve en puntos determinados, utilizando tubos doblados, se ha averiguado que para relaciones de diámetros entre alrededor de 1,5 a 2,25 con respectivas velocidades de vapor entre alrededor de 3500 a 800 pies por minuto (1070 a 240 metros por minuto) se consigue una buena aglomeración. El formato del flujo que sale de los medios de conducto puede ser modificado aún más, por ejemplo utilizando unos medios de conducto tales como un miembro tubular con una parte de salida recta como en la figuras 6 a 8, para proporcionar una corriente estrechamente colimada, utilizando una bocina como en la figura 1 para hacer que el flujo sea divergente, o utilizando una salida acampanada en forma de ranura, tal como en las figuras 9 y 10, para proporcionar un formato de flujo aplanado.

Los aparatos de tobera de la invención son ventajosos por las razones adicionales de que son pequeños y silenciosos, y pueden emplearse en cualquier orientación que se desee. La tobera de dispensación de nieve puede aglomerar finas partículas de nieve y modificar el tamaño de la partícula de nieve, la velocidad y el formato del rociado de nieve. Más aún, esta tobera funciona en todas las orientaciones. Además, proporciona una estructura mejorada para sostener un miembro de expansión y montarlo en toberas de dispensación de nieve. Finalmente, proporciona un método mejorado para aglomerar partículas finas de nieve en partículas de nieve mayores de tamaño más útil, que no se subliman inmediatamente en contacto con los objetos a temperatura ambiente. Esto es útil tanto para refrigerar como para congelar productos alimentarios.

Debe entenderse que la descripción anterior es solamente ilustrativa de la invención. Los expertos en la técnica pueden concebir diversas alternativas y modificaciones sin apartarse de la invención. Consecuentemente, se pretende que la presente invención abarque todas esas alternativas, modificaciones y variantes.

Claims (8)

1. Un dispositivo para formar nieve a partir de fluidos presurizados, que comprende:

un conducto de alimentación para entregar un flujo de fluido presurizado,

un miembro de expansión unido al conducto de alimentación, conteniendo el miembro de expansión una pluralidad de canales para reducir la presión del gas y convertir el fluido a presión reducida en una corriente con mezcla de fases de gas y de finas partículas de nieve, teniendo la pluralidad de canales un diámetro medio y una longitud media de al menos el doble de su diámetro medio, y

una cámara de aglomeración unida a la pluralidad de canales para aglomerar las finas partículas de nieve mediante el contacto conjunto de las finas partículas de nieve,

en el que la cámara de aglomeración consiste en (i) una bocina de nieve con forma cilíndrica, para descargar partículas de nieve aglomerada, teniendo dicha bocina de nieve un diámetro de al menos tres veces el diámetro del conducto de alimentación, o (ii) un miembro tubular curvado para dirigir las partículas finas de nieve contra una superficie del miembro tubular curvado para la aglomeración de las partículas finas de nieve, teniendo el miembro tubular un extremo abierto.

2. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que la cámara de aglomeración consiste en una tobera conformada para la recirculación de la nieve fina para que se aglomeren las partículas finas de nieve.

3. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que un cuerpo de soporte contiene el miembro de expansión entre superficies opuestas.

4. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que la pluralidad de canales tiene una longitud media de al menos cinco veces el diámetro medio de los canales.

5. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que hay unida una bocina de nieve a la cámara de aglomeración para descargar partículas de nieve aglomeradas, y dicha bocina de nieve tiene un miembro tubular y una salida de igual superficie para producir un flujo de alta velocidad de las partículas de nieve aglomeradas.

6. Un método apara producir copos de nieve grandes a partir de fluido presurizado, que comprende los pasos de:

(A) proporcionar un suministro de fluido presurizado;

(B) enviar el fluido presurizado a una cámara de baja presión a través de una pluralidad de canales, para crear una mezcla de finas partículas de nieve y de gas, teniendo la pluralidad de canales un diámetro medio y una longitud media de al menos el doble de su diámetro medio; y

(C) aglomerar las finas partículas de nieve en copos de nieve en una cámara de aglomeración que consiste en (i) una bocina de nieve de forma cilíndrica para descargar partículas de nieve aglomeradas, teniendo dicha bocina de nieve un diámetro de al menos tres veces el diámetro del conducto de alimentación, o (ii) un miembro tubular curvado para dirigir las finas partículas de nieve contra una superficie del miembro tubular curvado para aglomerar las finas partículas de nieve, teniendo el miembro tubular un extremo abierto.

7. El método de la reivindicación 6, en el que el dióxido de carbono líquido viaja a través de la pluralidad de canales para formar copos de nieve de dióxido de carbono y gas de dióxido de carbono.

8. El método de la reivindicación 6, en el que la pluralidad de canales tiene una longitud media de al menos cinco veces el diámetro medio.