ES2552565A1

ES2552565A1 - Dispositivo de mantenimiento de la temperatura en un recipiente de aislamiento térmico

Info

Publication number: ES2552565A1
Application number: ES201500496A
Authority: ES
Inventors: Juan MARTÍNEZ-VAL PIERA
Original assignee: Fundacion para el Fomento de la Innovacion Industrial
Current assignee: Fundacion para el Fomento de la Innovacion Industrial
Priority date: 2015-07-03
Filing date: 2015-07-03
Publication date: 2015-11-30
Anticipated expiration: 2035-07-03
Also published as: ES2552565B1

Abstract

Dispositivo de mantenimiento de la temperatura en un recipiente de aislamiento térmico. Dispositivo que se ubica en un recipiente de aislamiento térmico, cerrado herméticamente, que consiste en un depósito de paredes sólidas dentro del cual se carga un material en estado bifásico, quedando firmemente cerrado dicho depósito una vez cargado del material bifásico; y estando el depósito separado de la carga útil por un espacio por el cual circula el aire interior del cajón, manteniéndose dicho espacio mediante rejillas verticales provistas de pequeñas patas perpendiculares al plano de la rejilla; y existiendo asimismo un espacio de circulación de aire entre los paquetes de carga útil y las paredes del recipiente.

Description

DISPOSITIVO DE MANTENIMIENTO DE LA TEMPERATURA EN UN RECIPIENTE DE AISLAMIENTO TÉRMICO

SECTOR DE LA TÉCNICA

La invención se encuadra en el campo de los contenedores y cajas con aislante térmico, y particularmente en los que utilizan una sustancia de gran capacidad calorífica, para dotar de mayor inercia térmica al contenido específico del contenedor.

ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN

La invención se relaciona con los sistemas de transporte de productos farmacéuticos y alimentarios, estando estos últimos regulados por el acuerdo internacional de transporte de mercancías perecederas, que en España se materializa en el "Texto consolidado del Acuerdo sobre transportes internacionales de mercancías perecederas y sobre vehículos especiales utilizados en esos transportes (ATP) hecho en Ginebra el 1 de septiembre de 1970, actualizado a 23 de septiembre de 2013", Boletín Oficial del Estado de 15 de noviembre de 2013, página 91311. En el ámbito de farmacia existen guías publicadas por la Organización Mundial de la Salud, como es "Qualification of

shipping containers". Technical supplement to WHO Technical Report Series, No. 961, 2011. Annex 9: Model guidance for the storage and transport of time and temperature-sensitive pharmaceutical products, de enero 2014.

En el campo específico de la propiedad industrial existe el área clasificatoria 865D88/16 en el que no se han encontrado antecedentes directos de la invención, ni tampoco en las A01J, A01F25/14 ni B67. También se consultó la F17 para gases, por posible involucración de vapores en el dispositivo.

PROBLEMA TÉCNICO A RESOLVER

El problema a resolver se centra en encontrar una configuración mecánicamente sencilla y con garantía de rigidez, en la que se establezca una situación térmica que aproveche eficientemente el sumidero de calor, con lo que se proteja más adecuadamente la carga contenida en el recipiente de aislamiento térmico.

EXPLICACiÓN DE LA INVENCiÓN

La invención se aplica a una caja, contenedor o recipiente de aislamiento térmico, cerrado herméticamente, en el cual, lo específico de la invención es:

ubicar en la parte central del interior del recipiente, en sentido vertical, un depósito de paredes sólidas dentro del cual se carga un material en estado bifásico, que puede ser seleccionado entre sólido y líquido, y por tanto involucrar al proceso de fusión-solidificación; o entre líquido y vapor, y por tanto involucrar al proceso de evaporacióocondensación; siendo el proceso de cambio de estado el caracterizado por la presión y la temperatura existente en dicho depósito central, quedando firmemente cerrado dicho depósito central una vez cargado del material bifásico; estando dicho depósito central separado de la carga útil por un espacio por el cual circula el aire interior del cajón, manteniéndose dicho espacio mediante rejillas verticales provistas de pequeñas patas perpendiculares al plano de la rejilla; y estando los paquetes de carga útil separados de las paredes del recipiente, mediante una rejilla que confina dichos paquetes de carga útil, quedando un espacio perimetral entre las paredes y los paquetes; circulando el aire interior del cajón por dicho espacio perimetral; y estando dicho depósito central y estando los paquetes de carga útil apoyados en una base sólida agujereada o taladrada, y provista dicha base de pequeñas patas de apoyo que apoyan en el fondo del interior del recipiente, y correspondiendo la localización de algunos de los taladros al espacio libre que queda alrededor de las paredes del depósito central, y correspondiendo la localización de otros taladros de la base al espacio libre que queda entre los paquetes de carga útil y las paredes del recipiente o caja; y quedando un espacio libre entre la cara interior de la tapa del recipiente y las caras superiores de los paquetes de carga útil, pudiendo circular el aire interior del recipiente por dicho espacio libre, manteniéndose dicho espacio mediante una rejilla provista de pequeñas patas perpendiculares al plano de la rejilla.

En una variante de la morfología del dispositivo, el depósito central se prolonga por su parte inferior en un plato cerrado que apoya en el fondo del interior del cajón o recipiente, pudiendo el plato tener forma circular, o forma cuadrangular, o cualquier otra forma con cabida en el perímetro interior del fondo del cajón.

En otra variante de la morfología del dispositivo, aplicable a sistemas bifásicos sólido-líquido en el dispositivo, dentro del depósito central se ubican unas paredes verticales porosas, taladradas o en rejilla, dentro de las cuales queda confinada inicialmente la fase sólida, cuando se carga el dispositivo con su material.

Y en otra variante de la morfología del dispositivo, aplicable a sistemas bifásicos líquido-vapor en el dispositivo, la pared superior del depósito central es de material elástico deformable, y por encima de dicha pared elástica se ubica una placa horizontal desplazable, guiada por una paredes verticales sólidas que son prolongación de las paredes del depósito central, estando atrapada dicha placa entre dicha pared elástica por abajo, y un muelle por arriba, estando este muelle sujeto por arriba al tope superior de las paredes que guían el desplazamiento de la placa.

Por último se expone la variante del dispositivo que no usa el aire interior del cajón como fluido calorífero, sino que emplea un fluido contenido dentro de unas bolsas de plástico o de material sólido deformable, a lo largo de las cuales se mueve por el mismo efecto de convección natural ya explicado, teniendo cada bolsa una parte ampliada, o peto, que abarca en su superficie lateral todo un lado de las paredes del cajón, más una parte tipo banda alargada en contacto con el foco frío, más sendas partes de conexión entre peto y banda, y viceversa, estando la primera de las conexiones en la parte de arriba de los paquetes de carga, y estando la conexión fría, entre banda y peto, por debajo de los paquetes, existiendo además una brida de cierre a presión entre el final de la conexión caliente o superior y el comienzo de la banda alargada descendente.

EXPLICACiÓN DE LAS FIGURAS

La figura 1 corresponde a una sección recta transversal en alzado del dispositivo dentro de un cajón o recipiente isotermo, cuando el sistema bifásico es de sólido-líquido.

La figura 2 representa una vista en planta del dispositivo dentro de un cajón o recipiente isotermo.

La figura 3, similar a la 1, corresponde así mismo a un sistema bifásico sólido-líquido, que incluye un plato cerrado inferior, apoyado en el fondo.

La figura 4, similar a la 1, es una sección recta transversal en alzado del dispositivo dentro de un cajón o recipiente isotermo, cuando el sistema bifásico es de líquido-vapor.

La figura 5 es análoga a la 4, incluyendo el plato horizontal cerrado apoyado en el fondo.

La figura 6 es análoga a la 5, con la inclusión de un cierre de tipo elástico en la parte superior del depósito 3.

La figura 7 muestra la sección recta de la variante en la que se utiliza un fluido calorífero que va encauzado dentro de bolsas plásticas.

La figura 8 es una sección recta vertical del dispositivo presentado en la figura 7.

La figura 9 muestra la parte superior del dispositivo presentado en las dos figuras anteriores.

La figura 10 muestra una de las bolsas empleadas para contener el fluido calorífero, en el dispositivo de las tres figuras anteriores.

Para facilitar la comprensión de las figuras de la invención, y de sus modos de realización, a continuación se relacionan los elementos relevantes de la misma:

1.: Paredes del cajón o recipiente donde se instala el dispositivo

2.: Paquete de carga útil cuya temperatura hay que mantener

3.: Depósito central interno en el que se ubica un contenido material bifásico que actúa de sumidero de calor. Queda firmemente cerrado una vez se carga de material, que puede ser de un uso, o reciclable.

4.: En el caso de sistemas bifásicos de fusión-solidificación, parte exterior del depósito 3, en la cual se concentra parte de la fase líquida.

5.: Espacio vertical entre los paquetes de carga útil 2 y la parte exterior del depósito 3, o de su parte exterior 4. El número 5 se subsigue de "bU o de

"e" en algunas referencias a partes geométricas que están orientadas de manera distinta a las partes 5.

6.: Rejilla vertical de separación entre la parte interior del depósito 3, que es donde se aloja la parte sólida en el caso de sistemas bifásicos de fusión-solidificación, y la parte exterior 4.

7.: Tapa del recipiente o cajón.

8.: Espacio libre que queda entre la tapa 7 y la parte superior de los paquetes de carga útil, 2.

9.: Espacio que queda a lo largo del interior de las paredes laterales del cajón, entre éste y los paquetes (2) de carga útil.

10.: Rejilla o base con patas de apoyo y taladros, apoyada sobre el fondo de la caja.

11.: Depósito principal del sumidero de calor (3)

12.: Depósitos secundarios, perpendiculares al 11, Y del mismo género.

13.: Plato inferior que forma un todo con la parte 4 del depósito 3 en sistemas bifásicos sólido-líquido, y que se asienta sobre el fondo del cajón.

14.: Espacio libre entre la rejilla 10 Y el plato 13

15.: Parte del depósito 3 ocupada por el vapor cuando el sistema bifásico es de líquido-vapor.

16.: Parte del depósito 3 ocupada por el líquido cuando el sistema bifásico es de líquido-vapor.

17.: Plato inferior que forma un todo el depósito 3 en sistemas bifásicos líquido-vapor, y que se asienta sobre el fondo del cajón, y es la primera parte que se llena de líquido.

18.: Muelle de presión de la pared elástica del depósito 3.

19.: Plancha intermedia entre la pared elástica 20 del depósito 3, y el muelle

18.

20.: Pared elástica del depósito 3 (utilizable en los equilibrios líquido-vapor para relajar la presión si aumenta la energía interna).

21.: Banda de la bolsa de fluido calorífero.

22.: Peto de dicha bolsa.

23.: Conexión superior o caliente, de peto a banda.

24.: Conexión inferior o fría, de banda a peto.

25.: Brida o boca a presión, de enganche para cerrar el circuito de cada bolsa. La contraparte se denota con 25b.

MODO PREFERENTE DE REALIZACiÓN DE LA INVENCiÓN

Para materializar la invención es preciso seleccionar el material bifásico, sea sólido-líquido; sea líquido-vapor. Para la materialización del primer caso se selecciona hielo-agua líquida, cuyo calor latente de fusión es 334 kJlkg. También es importante el calor específico del agua, que es de 4,18 kJlkg· K Y el del hielo, que es prácticamente la mitad 2,09 kJlkg·K. A presión ordinaria, de 1 atm, el estado de equilibrio es OOC (273,1 K). El ligero sub-enfriamiento que tenga el hielo por debajo de OOC y el ligero sobre-calentamiento del agua líquida, por encima de O°C tienden a compensarse, y aunque el proceso de transmisión de calor es lento (especialmente en el seno del hielo) al cabo de un tiempo, que depende de varios factores, y en especial de la relación superfICie a volumen de los trozos de hielo, se tiene esencialmente una masa de agua líquida a O°C, con una masa de hielo entre la cual permea el agua, estando dicho hielo a temperatura ligeramente bajo o. El agua, por su capacidad de moverse en minicorrientes de convección, es el agente que actúa en la transferencia de calor con el resto de los componentes del sistema, cediendo calor, si están más fríos, o enfriándolos, si están más calientes.

Un agente fundamental en ese intercambio es el aire del interior de la caja, que es en esta disposición el agente que recibe el calor que entra, si consideramos que fuera hay una temperatura ambiental superior. El aire se calentaría al ascender por los espacios (9) que dan a las paredes del cajón (1) seguiría su camino por el espacio (8) debajo de la tapa cerrada (7) e iría (por convección natural, esto es, principio de Arquímedes) hacía el foco frío, que es el depósito central (3) alrededor del cual bajará, cediendo el calor al agua de dentro del depósito. Dicho calor se emplearía en fundir cierta cantidad de hielo, pasando a agua. En ese paso no hay ningún problema; pero sí en el inverso (que se produciría en la situación contraria, con temperaturas ambientales por debajo de OOC, pues se da el comportamiento anómalo del agua, que crece de volumen al transformarse en hielo, lo cual exige cierta flexibilidad al receptáculo del depósito central; lo cual no es sin embargo materia de la invención, como tampoco lo es la exigencia elemental de que haya compatibilidad química entre

5 el material del que está hecho el depósito y el agua).

Lo que se logra con este dispositivo, en la situación de alta temperatura exterior, que es la más propicia al uso del hielo/agua, es que el calor entrante no tenga que atravesar la carga útil que hay dentro del cajón hasta llegar al sumidero de calor o foco frío, sino que el calor llega al foco frío directamente, a

10 través d las corrientes de convección natural que se forman con el aire interior del cajón, por la geometría de disposición que es sustancial al dispositivo. De esa manera, el interior de los paquetes de carga útil permanece isotermo, prácticamente a la temperatura la que se cargó, que típicamente sería de unos grados centígrado sobre cero.

15 El sistema bifásico hielo-agua también puede usarse con un fluido conducido, como especifica esa variante de la invención, usando por ejemplo etilenglicol, que congela a 13°C bajo cero; o un eutéctico de bajo punto de fusión, como es la disolución acuosa de la sal cloruro de amonio con 19,7% en masa, que se congela 15,4 oC bajo cero.

20 Para materializar la invención con cambio de fase de líquido a vapor cabe usar el decafluoruro de butilo, C4F10 o perfluoruro derivado del butano, en el que todos los H de la molécula se sustituyen por F. Es un fluido no tóxico, ni inflamable, ni prohibido por ninguna convención, de 238 gramos por mol, y con propiedades termodinámicas muy ajustadas a los rangos de interés en el

25 transporte de medicinas sensibles. La tabla siguiente recoge los datos más significativos, referidos al sistema bifásico en equilibrio a una temperatura dada:

T (OC): P (MPa) g/litro, vap. Kgllitro, liq. fJ. E interna (I~v) J/g

O: 0,11 12,24 1,58 87,5

2: 0,12 13,2 1,58 86,7

5: 0,134 14,7 1,57 86,5

8: 0,15 16,4 1,56 86,3

10: 0,16 17,6 1,55 84

La idea de la invención radica en que el fluido calorífero ceda calor al depósito central donde está contenido el perfluoruro de butilo, que inicialmente se carga a OOC (y se autoajusta a 0,11 MPa, es decir, 1,1 atm, en números redondos) y va evaporándose a medida que le entra el calor de fuera. Para calcular cuanta carga térmica puede absorber sin traspasar ciertos umbrales, supóngase que se carga el material al valor dicho de OOC en un depósito de10 litros, en el que inicialmente habrá G moles en estado vapor y Q moles en estado líquido; y estos Q moles se irán evaporando hasta que lo hagan completamente, en cuyo momento se ha alcanzar 10°C de temperatura, pero no más; y por tanto, en el volumen total del depósito estarán los G+Q moles a 10°C y en estado vapor.

Para plantear el balance de masa y de volumen, es preferible emplear el concepto de volumen molar (litros/mol) en fase vapor y en fase líquida, que corresponden a los inversos de las densidades teniendo en cuenta que un mol son 238 gramos, y que designamos por Vy y V, siendo VT el volumen total. Se tiene:

G(moles)·Vy(litro/mol a O OC) + Q(moles)·V,(litro/mol a O OC) = VT

(G+Q)(moles)·Vy(litro/mol a 10 OC) = VT

siendo los valores

Vy(litro/mol a O OC) = 19,44

V,(litro/mol a O OC) = 0,15

Vy(litro/mol a 10 OC) = 13,54

De donde se obtiene que Q= (5,9/13,4)·G

Yen definitiva que G=0,51 moles y Q= 0,226 ;es decir, 53,7 gramos, que son los que se evaporan, lo que produce una absorción de calor, en forma de incremento de energía interna de 4,65 kW. Como se han puesto en juego 0,736 moles (175 gramos) la capacidad de sumidero térmico es de 26,25 kJlkg; notoriamente menor que la del hielo, que estará por debajo, pero próxima, a su calor latente de fusión, que es de 334 kJlkg; aunque el perfluroruro presenta al ventaja de actuar justo en un rango coincidente con el que se quiere mantener para ciertos productos.

Téngase en cuenta que una carga térmica de 1W durante 1h implica un total de 3,6 kJ de energía. Esa carga térmica depende de múltiples factores que no tienen relación directa con la invención, pero se deja esta cifra como referencia.

La utilización de una pared elástica que se deforma al aumentar la presión interna, mejora las prestaciones de la invención. Con objeto de proteger dicha pared y no someterla a deformaciones desproporcionadas, se dispone un muelle que equilibra la deformación. Supóngase que el muelle se retrae de tal manera que equilibra una presión de 0,16 MPa (que es la presión de equilibrio entre fases a 100C) con un desplazamiento que implica un aumento de 1 litro en el volumen del depósito, lo cual hace que la segunda ecuación del sistema cambie

a:

13,54·(G+Q)= 11

De lo cual se obtiene, en primer lugar,

Q=O,58G

Yen definitiva, G=O,5514; y Q=O,3 moles, lo que equivale a 71g, y por ende 6,14kJ (que es un 32% mayor que el valor anterior, aunque el incremento de volumen haya sido sólo de un 10%).

Un tema que se ha de tener en cuenta en la aplicación práctica de la invención es la posible condensación del vapor de agua contenido en el aire de la caja, que puede requerir la presencia de sustancias higroscópicas en el interior del cajón, lo cual no es sin embargo parte de la invención.

Una vez descrita de forma clara la invención, se hace constar que las realizaciones particulares anteriormente descritas son susceptibles de modificaciones de detalle siempre que no alteren el principio fundamental y la esencia de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES

1 -Dispositivo de mantenimiento de /a temperatura en un recipiente de aislamiento térmico, aplicado a una caja, contenedor o recipiente (1) de aislamiento térmico que queda cerrado herméticamente, caracterizado porque

se ubica en la parte central del interior del recipiente, en sentido vertical, un depósito (3) de paredes sólidas dentro del cual se carga un material en estado bifásico, que puede ser seleccionado entre sólido y líquido, y por tanto involucrar al proceso de fusiónsolidificación; o entre líquido y vapor, y por tanto involucrar al proceso de evaporación-condensación; siendo el proceso de cambio de estado el caracterizado por la presión y la temperatura existente en dicho depósito central, quedando firmemente cerrado dicho depósito central una vez cargado del material bifásico; estando dicho depósito central separado de la carga útil por un espacio (5) por el cual circula el aire interior del cajón, manteniéndose dicho espacio mediante rejillas verticales provistas de pequeñas patas perpendiculares al plano de la rejilla; y estando los paquetes (2) de carga útil separados de las paredes del recipiente, mediante una rejilla que confina dichos paquetes de carga útil, quedando un espacio perimetral (9) entre las paredes y los paquetes; circulando el aire interior del cajón por dicho espacio; y estando dicho depósito central y estando los paquetes de carga útil apoyados en una base sólida (10) agujereada o taladrada, y provista dicha base de pequeñas patas de apoyo que apoyan en el fondo del interior del recipiente, y correspondiendo la localización de algunos de los taladros al espacio libre que queda alrededor de las paredes del depósito central (5), y correspondiendo la localización de otros taladros de la base al espacio libre (9) que queda entre los paquetes de carga útil y las paredes del recipiente o caja;

y quedando un espacio libre (8) entre la cara interior de la tapa (7) del recipiente y las caras superiores de los paquetes de carga útil, pudiendo circular el aire interior del recipiente por dicho espacio libre, manteniéndose dicho espacio mediante una rejilla provista de pequeñas patas perpendiculares al plano de la rejilla.

2 -Dispositivo de mantenimiento de /a temperatura en un recipiente de aislamiento térmico, según reivindicación primera, caracterizado porque el depósito central (3) se prolonga por su parte inferior en un plato cerrado (13, 17) que apoya en el fondo del interior del cajón o recipiente, pudiendo el plato tener forma circular, o forma cuadrangular, o cualquier otra forma con cabida en el perímetro interior del fondo del cajón.

3 -Dispositivo de mantenimiento de /a temperatura en un recipiente de aislamiento térmico, según cualquiera de las reivindicaciones primera o segunda, caracterizado porque dentro del depósito central se ubican unas paredes verticales porosas (6), taladradas o en rejilla, dentro de las cuales queda confinada inicialmente la fase sólida, cuando se carga el dispositivo con su material, siendo esto aplicable a sistemas bifásicos sólido-líquido en el dispositivo.

4 -Dispositivo de mantenimiento de /a temperatura en un recipiente de aislamiento térmico, según cualquiera de las reivindicaciones primera o segunda, caracterizado por que la pared superior del depósito central es de material elástico deformable (20), y por encima de dicha pared hay una placa horizontal desplazable (19), guiada por una paredes verticales sólidas que son prolongación de las paredes del depósito central, estando atrapada dicha placa entre dicha pared elástica por abajo, y un muelle (18) por arriba, estando este muelle sujeto por arriba al tope superior de las paredes que guían el desplazamiento de la placa, siendo esto aplicable a sistemas bifásicos líquidovapor en el dispositivo.

5 -Dispositivo de mantenimiento de /a temperatura en un recipiente de aislamiento térmico, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que se ubican unas bolsas de plástico o de material sólido deformable, a lo largo de las cuales se mueve por convección natural un fluido, teniendo cada bolsa una parte ampliada o peto (22) que abarca todo un lado de las paredes del cajón (1), más una parte tipo banda alargada (21) en contacto con el foco frío, más una conexión (23) entre peto y banda en la parte de arriba de los paquetes de carga (2), y otra conexión (24) entre banda y peto, por debajo de los paquetes, existiendo además una brida (25) de cierre a presión entre el final de la conexión superior y el comienzo de la banda alargada (21 ) descendente.