ES2645770T3

ES2645770T3 - Dispositivos de enfriamiento mediante inyección de líquidos criogénicos y procedimientos para la utilización de los mismos

Info

Publication number: ES2645770T3
Application number: ES12738081.4T
Authority: ES
Inventors: Constantine Sandu
Original assignee: Nestec SA
Current assignee: Nestec SA
Priority date: 2011-08-11
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2017-12-07
Anticipated expiration: 2032-07-13
Also published as: US20140166238A1; CA2844781A1; CA2844781C; WO2013020775A3; EP2741622A2; WO2013020775A2; EP2741622B1; US9746250B2

Abstract

Un intercambiador de calor (30), el cual comprende: un serpentín helicoidal de doble espiral (32), el cual se encuentra configurado para recibir por lo menos una composición en su interior; un serpentín helicoidal (36), el cual se encuentra en comunicación fluida con el serpentín helicoidal de doble espiral (32), y el cual se encuentra localizado aguas debajo de éste último; y una tubería intermedia (44), la cual se encuentra en comunicación fluida con el serpentín de doble espiral (32) y un serpentín helicoidal (36), y la cual se encuentra localizada entre éstas, teniendo, la tubería intermedia (44) en cuestión, una válvula de presión de retroceso (34), montada en ésta.

Description

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DESCRIPCION

Dispositivos de enfriamiento mediante inyeccion de Kquidos criogenicos y procedimientos para la utilizacion de los mismos.

ANTECEDENTES Y TRASFONDO DE LA INVENCION

La presente invencion, se refiere, de una forma general, a tecnologfas para la industria alimenticia. De una forma mas espedfica, la presente invencion, se refiere a dispositivos de refrigeracion mediante inyeccion directa de criogenos, los cuales comprenden un serpentm helicoidal de doble espiral (tal como, por ejemplo, en forma de s), una valvula de presion de retroceso, y una bobina helicoidal (tal como, por ejemplo, de forma circular), en donde, los dispositivos en cuestion, permiten una maxima extraccion del calor, de un producto alimenticio calentado, mediante la utilizacion de un lfquido criogenico, directamente inyectado, seguido de una separacion completa de la fase criogenica gaseosa, a partir del producto alimenticio enfriado, al mismo tiempo que se evita la formacion de una espuma estable.

Un ejemplo del dispositivo de refrigeracion de inyeccion directa de criogenos, es el sistema de inyeccion de nitrogeno consistente en el “Nitrogen Inyection System”, fabricado por parte de la firma Pick Heaters, Inc. de West Bend, WI. El sistema de inyeccion de nitrogeno en cuestion, consistente en el “Nitrogen Inyection System (“NIS” - [de sus siglas en idioma ingles] - ), se trata, de una forma esencial, de una modificacion del sistema tradicional de inyeccion directa de vapor (“DSI” - [de sus siglas en idioma ingles, correspondientes a Direct Steam Inyection] -), sistema este ultimo, el cual se utiliza, de una muy generalizada, por parte de la totalidad de la industria de procesado de productos alimenticios. En concordancia con el diseno del sistema DSI, un inyector de vapor, de orificios multiples, (el cual consta de centenares de orificios pequenos), conjuntamente con un mezclador de palas, a modo de helice, asegura el mezclado mtimo del vapor y del producto, dando como resultado una transferencia de calor del 100 %. A efectos de comparacion, el NIS (sistema de inyeccion de nitrogeno) disenado por parte de la firma Pick Heaters, Inc, utiliza el mismo diseno mecanico que el que se describe para el sistema DSI (sistema de inyeccion directa de vapor), en donde, ahora se suministra una corriente de nitrogeno lfquido, al inyector provisto de multiples orificios, en lugar de vapor.

Otro ejemplo del dispositivo de inyeccion directa criogenos, es el que se da a conocer en la Solicitud de Patente Europea EP 1 734 320, concedida a Rosenbaum et al. (“Rosenbaum”). Rosembaum, se refiere a un procedimiento inherente a un proceso continuo para el enfriamiento rapido de un material fluible, procediendo a mezclar el material en cuestion, con un lfquido criogenico (criogeno lfquido), mientras que, el material y el criogeno, fluyen a traves de un mezclador mecanico continuo, en lmea. La descarga del mezclador mecanico continuo, en lmea, puede fluir hacia el interior de un destinatario receptor del producto, para separar y evacuar el criogeno gaseoso, del producto enfriado. El mezclador mecanico, continuo, en lmea, puede operar a unas velocidades de rotacion correspondientes a unos valores comprendidos dentro de unos margenes, los cuales van desde las 400 r. p. m. hasta las 2.000 r. p. m. (r. p. m . = revoluciones por minuto).

El documento de patente estadounidense U S 6 331 072 B1, da a conocer un serpentm helicoidal de doble espiral, para su uso como un intercambiador de calor, con un efecto de mezclado por convencion caotica.

Existe una necesidad, en cuanto al hecho de poder disponer de un dispositivo de refrigeracion o enfriamiento mediante inyeccion directa de criogenos, el cual sea eficiente en cuanto a lo referente al consumo de energfa, y el cual sea capaz de maximizar la extraccion de calor de un producto alimenticio calentado, mediante la utilizacion de un lfquido criogenico (criogeno lfquido), inyectado de una forma directa, y para proporcionar una separacion completa de la fase criogenica gaseosa, del producto alimenticio refrigerado o enfriado, mientras que, de una forma simultanea, se evita la formacion de una espuma estable.

RESUMEN DE LA INVENCION

En una forma general de presentacion, la presente invencion, proporciona un dispositivo de intercambio de calor, el cual tiene serpentm helicoidal de doble espiral, un serpentm helicoidal (de espiral individual) y una tubena intermedia. El serpentm helicoidal (de espiral individual), se encuentra en comunicacion fluida con el serpentm helicoidal de doble espiral, y este se encuentra ubicado corriente abajo del serpentm helicoidal de doble espiral en cuestion. La tubena intermedia, se encuentra en comunicacion fluida con el serpentm helicoidal de doble espiral y el serpentm helicoidal (de espiral individual), y esta se encuentra localizada entre estas y, la tubena intermedia en cuestion, incluye una valvula de presion de retroceso, incorporada en esta.

En una forma de presentacion, en concordancia con la presente invencion, el dispositivo intercambiador de calor, incluye, de una forma adicional, una primera valvula de entrada y una segunda valvula de entrada, en una porcion de entrada del serpentm helicoidal de doble espiral.

En una forma de presentacion, en concordancia con la presente invencion, la primera valvula de entrada, se encuentra configurada para recibir una primera composicion, y una segunda valvula de entrada, se encuentra

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configurada para recibir una segunda composicion. La primera composicion, puede ser un producto susceptible de poderse bombear, calentado, y la segunda composicion, puede ser un lfquido criogenico (criogeno Ifquido).

En una forma de presentacion, en concordancia con la presente invencion, el serpentm helicoidal (de espiral individual), se encuentra configurado para dispensar un producto alimenticio susceptible de poderse bombear, refrigerado o enfriado, y una fase criogenica, gaseosa.

En una forma de presentacion, en concordancia con la presente invencion, el serpentm helicoidal de doble espiral, comprende una seccion del dispositivo, de enfriamiento o refrigeracion y mezclado de fases y, el serpentm (de espiral individual), comprende una seccion del dispositivo de separacion y de enfriamiento o refrigeracion de fases.

En otra forma de presentacion, en concordancia con la presente invencion, se proporciona un procedimiento de inyeccion de un lfquido criogenico de enfriamiento o refrigeracion. El procedimiento en cuestion, incluye el proceder a inyectar un producto calentado y un lfquido criogenico, en un serpentm helicoidal de doble espiral, para formar una mezcla de dos fases, provocando el hecho consistente en que, la mezcla de las dos fases, atraviese el serpentm helicoidal de doble espiral en cuestion, y una valvula de presion de retroceso, la cual se encuentra ubicada aguas abajo del serpentm helicoidal de doble espiral, provocando el hecho consistente en que, la mezcla de dos fases, atraviese una tubena helicoidal (serpentm helicoidal) (de espiral individual), la cual se encuentra ubicada aguas abajo de la valvula de presion de retroceso, en donde, la mezcla de dos fases, se separa, en el interior de la tubena helicoidal (serpentm helicoidal) (de espiral individual), para su conversion en un producto enfriado o refrigerado y una fase criogenica gaseosa, y dispensar el producto enfriado o refrigerado, y la fase criogenica gaseosa, de la tubena helicoidal (serpentm helicoidal) (de espiral individual).

En una forma de presentacion, en concordancia con la presente invencion, el serpentm helicoidal de doble espiral, comprende una seccion del dispositivo, de enfriamiento o refrigeracion de la mezcla de fases. El serpentm helicoidal de doble espiral, puede encontrarse configurado para forzar al producto calentado, y al lfquido criogenico, a que estos, se mezclen, para formar una mezcla de dos fases, y para intercambiar una cantidad maxima del calor, entre las dos fases.

En una forma de presentacion, en concordancia con la presente invencion, el serpentm helicoidal (de espiral individual), comprende una seccion del dispositivo, de enfriamiento o refrigeracion de separacion de fases. El serpentm helicoidal (de espiral individual) en cuestion, puede encontrarse configurado para inducir un flujo de dos fases, entre el producto enfriado o refrigerado, y una fase criogenica gaseosa, en donde, el producto refrigerado o enfriado, fluye en la porcion exterior del interior del serpentm helicoidal (de espiral individual), y en donde, la fase criogenica gaseosa, fluye en la porcion interior del tubo del serpentm helicoidal (de espiral individual).

En una forma de presentacion, en concordancia con la presente invencion, el producto calentado, y el lfquido criogenico, se inyectan al interior de la tubena helicoidal (serpentm helicoidal) de doble espiral, a traves de la primera y segunda valvulas de entrada, respectivamente.

En una forma de presentacion, en concordancia con la presente invencion, la valvula presion de retroceso, se encuentra configurada para incrementar el tiempo de permanencia de la mezcla de dos fases, en el interior del serpentm helicoidal de doble espiral.

En todavfa otra forma de presentacion, en concordancia con la presente invencion, se proporciona un dispositivo Imbrido intercambiador de calor, directo - indirecto. El dispositivo en cuestion, incluye un serpentm helicoidal de doble espiral, el cual se encuentra alojado en el interior de una camara estanca a fluidos, un serpentm helicoidal (de espiral individual), y una tubena intermedia. El serpentm helicoidal de doble espiral, se encuentra configurado para recibir por lo menos una composicion en su interior. El serpentm helicoidal (de espiral individual), se encuentra en comunicacion fluida con el serpentm helicoidal de doble espiral, y este se encuentra localizado aguas abajo del serpentm helicoidal de doble espiral en cuestion. La tubena intermedia, se encuentra en comunicacion fluida con el serpentm helicoidal de doble espiral, y el serpentm helicoidal (de espiral individual), y esta se encuentra ubicada entre estas, teniendo, la tubena intermedia en cuestion, una valvula de presion de retroceso, ubicada en esta.

En una forma de presentacion, en concordancia con la presente invencion, la camara estanca a fluidos, comprende una entrada, la cual se encuentra configurada para recibir un medio de enfriamiento o refrigeracion, y una salida, la cual se encuentra configurada para dispensar el medo de enfriamiento o refrigeracion.

En una forma de presentacion, en concordancia con la presente invencion, la tubena helicoidal (serpentm helicoidal), se encuentra alojada en el interior de una segunda camara estanca a fluidos, la cual tiene una entrada configurada para recibir un medio de enfriamiento o refrigeracion, para dispensar el medio de enfriamiento o refrigeracion.

En todavfa otra forma de presentacion, en concordancia con la presente invencion, se proporciona un dispositivo intercambiador de calor, hfbrido, directo - indirecto. El dispositivo en cuestion, incluye una tubena interior del serpentm helicoidal de doble espiral, la cual se encuentra alojada en el interior de la tubena exterior del serpentm helicoidal de doble espiral, encontrandose configurada, la tubena interior del serpentm helicoidal de doble espiral,

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para recibir por lo menos una composicion en su interior, un serpentm helicoidal (de espiral individual), el cual se encuentra en comunicacion fluida con las tubenas interior y exterior del serpentm helicoidal de doble espiral, y el cual se encuentra localizado aguas abajo con respecto a dichas tubenas interior y exterior del serpentm de doble tubo en cuestion, y una tubena intermedia, la cual se encuentra localizada entre el serpentm helicoidal de doble espiral y el serpentm (de espiral individual), y la cual se encuentra en comunicacion fluida, con las citadas tubenas interior y exterior del serpentm helicoidal de doble espiral y el serpentm helicoidal (de espiral individual), teniendo, la tubena intermediaria, una valvula de presion de retroceso, instalada en esta.

En una forma de presentacion, en concordancia con la presente invencion, la tubena exterior del serpentm helicoidal de doble espiral, incluye una entrada, la cual se encuentra configurada para recibir el medio de enfriamiento o refrigeracion, y una salida, la cual se encuentra configurada para dispensar el medio de enfriamiento o refrigeracion.

En una forma de presentacion, en concordancia con la presente invencion, el tubo del serpentm helicoidal, se encuentra ubicado en el interior de una tubena exterior del serpentm helicoidal en cuestion, y este se encuentra configurado para recibir un medio de enfriamiento o refrigeracion, y una salida, la cual se encuentra configurada para dispensar el medio de enfriamiento o refrigeracion.

En una forma de presentacion, en concordancia con la presente invencion, los dispositivos de la presente invencion, pueden utilizarse como dispositivos de enfriamiento o refrigeracion, como dispositivos de calentamiento, o como una combinacion de entre estos.

Una ventaja de la presente invencion, es la de proporcionar dispositivos de enfriamiento o refrigeracion mejorados.

Otra ventaja de la presente invencion, es la de proporcionar intercambiadores de calor mejorados.

Todavfa otra ventaja de la presente invencion, es la de proporcionar dispositivos mejorados para la produccion de productos alimenticios.

Aun todavfa otra ventaja de la presente invencion, es la de proporcionar procedimientos mejorados para la elaboracion de productos alimenticios.

Otra ventaja de la presente invencion, es la de proporcionar procedimientos mejorados para refrigerar o enfriar productos alimenticios.

Todavfa otra ventaja de la presente invencion, es la de proporcionar dispositivos tnbridos de enfriamiento o refrigeracion, por inyeccion directa - indirecta.

Rasgos distintivos y caractensticas asf como ventajas adicionales de la presente invencion, se encuentran descritos aqrn, es este documento de solicitud de patente, y esos se evidenciaran a rafz de la Descripcion Detallada de las Figuras.

DESCRIPCION RESUMIDA DE LAS FIGURAS

La figura 1, ilustra una vista lateral de un intercambiador de calor correspondiente al arte anterior de la tecnica especializada.

La figura 2, ilustra un cambio en el perfil de la velocidad (tal como, por ejemplo, un flujo laminar), procedente de una tubena recta, hacia el interior del serpentm helicoidal de la presente invencion.

La figura 3 A, ilustra la formacion de celulas de ondas circulares de Dean (Dean Roll-Cells), (tal como por ejemplo, un flujo laminar), en una seccion transversal interior de la salida del tubo del serpentm helicoidal, en concordancia con el arte anterior de la tecnica especializada.

La figura 3 B, ilustra la formacion de celulas de ondas circulares de Dean (Dean Roll-Cells), (tal como por ejemplo, un flujo laminar), en una seccion transversal del exterior de la salida del tubo del serpentm helicoidal, en concordancia con el arte anterior de la tecnica especializada.

La figura 4, ilustra un cambio del perfil de la velocidad (tal como, por ejemplo, un flujo laminar), en un serpentm helicoidal de doble espiral, en concordancia con el arte anterior de la tecnica especializada.

La figura 5, ilustra la geometna de un serpentm helicoidal de doble espiral invertida, en concordancia con el arte anterior de la tecnica especializada.

La figura 6, ilustra una vista en perspectiva de la geometna de un intercambiador de calor de serpentm helicoidal de doble espiral, en concordancia con el arte anterior de la tecnica especializada.

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La figura 7, ilustra una vista lateral del dispositivo de enfriamiento o refrigeracion de inyeccion directa de criogeno, en concordancia con una forma de presentacion de la presente invencion.

La figura 8, ilustra una vista superior lateral del dispositivo de enfriamiento o refrigeracion de inyeccion directa de criogeno, de la figura 7, en concordancia con una forma de presentacion de la presente invencion.

La figura 9, ilustra una vista en perspectiva de un serpentm helicoidal de doble espiral, en un intercambiador de calor, hforido, de inyeccion directa - indirecta de criogeno, en concordancia con una forma de presentacion de la presente invencion.

La figura 10, ilustra una vista en perspectiva de un serpentm helicoidal de doble espiral, en un intercambiador de calor, hforido, de inyeccion directa - indirecta de criogeno, en concordancia con una forma de presentacion de la presente invencion.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA PRESENTE INVENCION

Los intercambiadores de calor, se han venido utilizando, de una forma generalizada, en la industria alimenticia, desde hace algun tiempo. Asf, por ejemplo, la figura 1, ilustra una construccion de un intercambiador de calor, provisto de una armazon o carcasa y un tubo (helicoidal), la cual es conocida. Tal y como se ilustra en la figura 1 en cuestion, el medio de calor, puede entrar en el armazon o carcasa, 12, a traves de la entrada de fluido de la carcasa, 14, en atravesar el exterior de los tubos 16 (tal como, por ejemplo, los consistentes en tubos helicoidales), y el interior del armazon o carcasa 12, y salir del armazon o carcasa 12, en la salida de fluido de la carcasa o armazon, 18. De una forma similar, el producto alimenticio esterilizado, puede entrar en los tubos 16, a traves de la entrada de fluido de los tubos, atravesar el interior de los tubos, 16, y salir de los tubos 16, en una salida de fluido de los tubos, 22. En la forma de presentacion la cual se ilustra en la figura, el medio de enfriamiento y el producto alimenticio, fluyen en direcciones opuestas, para lograr una extraccion de calor maxima, del producto alimenticio calentado. El flujo del medio de enfriamiento o refrigeracion, puede tambien realizarse, no obstante, en la misma direccion.

En la gran mayona de estudios llevados a cabo, de los intercambiadores de calor, el flujo, a traves de las espirales del serpentm helicoidal, se encuentre enfocado a un flujo de fase individual, al flujo de dos o mas fases lfquidas, y / o al flujo de una fase lfquida, la cual acarree una o mas fases solidas. Se conoce muy poco, en terminos de flujo de dos fases, de una fase lfquido criogenico (criogeno lfquido) fno, la cual entre en contacto con una fase de producto lfquido caliente, la cual, al ponerse en contacto con el producto caliente, experimente un cambio de fase, desde lfquida, a gaseosa. Para entender la base de la hidrodinamica (tal como, por ejemplo, la correspondiente al flujo), del flujo de dos fases de una fase de lfquido criogenico, la cual entra en contacto con una fase de producto lfquido caliente, resulta de utilidad el hecho de entender los fundamentos de un flujo de lfquido de fase individual, a traves de las espirales (del serpentm helicoidal). La literatura basica la cual describe los modelos patron de flujo de lfquidos de fase individual, y las capas lfmites o fronterizas, en la espirales o curvaturas, incluye, por ejemplo, al trabajo de M. Rowe, "Measurement and Computations of Flow in Pipe Bends," Journal of Fluid Mechanics, - Mediciones y computaciones del flujo, en curvaturas de tubenas, Diario de mecanica de fluidos - 43 (4), 771 - 783 (1970).

Se asume, para los propositos de discusion, y segun se muestra en la figura 2, el hecho de que el flujo de un lfquido, en una tubena recta, con un diametro “d”, seguido del flujo en el tubo helicoidal (del serpentm), cuyo diametro de tubo, sea tambien “d”, pero, cuyo diametro de curvatura, sea “D”. Y se asume, asf mismo, tambien, a efectos de simplicidad, el hecho de que el flujo, en el interior de la tubena recta, aguas arriba del serpentm helicoidal, se encuentra en un regimen laminar en estado o situacion estable. Bajo estas condiciones, se conoce bien, el hecho consistente en que, el perfil de la velocidad, es el de una parabola, con el valor maximo (“Vmax”), localizada en la lmea o eje central de la tubena recta. Necesariamente, cuando el flujo entra en el tubo helicoidal (del serpentm), la fuerza centnfuga, la cual actua sobre el lfquido, correspondiente a un valor Fc = p v2max / (D / 2), desplaza la localizacion de vmax, hacia fuera de la lmea o eje central, hacia la pared exterior del tubo helicoidal, en donde, p, es la densidad del lfquido (kg m-3), vmax, es la velocidad del lfquido (m s'1), (D / 2), es el radio de curvatura del tubo helicoidal (m), y Fc, es la fuerza centnfuga (N m-3), es decir, la fuera por unidad de volumen de lfquido. Cuanta mas alta son la densidad y la velocidad, respectivamente, y mas pequeno es el radio de curvatura, mayor es la fuerza centnfuga por unidad de volumen de lfquido.

Como resultado del desequilibrio del flujo (es decir, el perfil de la velocidad en un tubo helicoidal, se convierte en asimetrico, con respecto a la lmea o eje central, se origina un flujo secundario, en los planos de la seccion transversal, perpendicular a la lmea o eje central del tubo helicoidal, tal y como se muestra en las figuras 3 A y 3 B. De nuevo, las figuras 3 A y 3 B, son vistas simplificadas de un modelo patron de flujo secundario, generado en un serpentm helicoidal con un diametro de tubo “d”, y un diametro de curvatura “D”, cuando, la velocidad del lfquido, es vmax. Tal y como se muestra en la figuras 3 A y 3 B, el flujo de entrada en la seccion transversal (fig. 3 A) y el flujo de salida en la seccion transversal (fig. 3 B), tienen unos modelos patron de flujo, opuestos, indicando el hecho consistente en que acontece el mezclado en la tubena. Este flujo secundario, se conoce como Flujo de Dean (Dean Flow), y el flujo resultante de los modelos patron de flujo, se conoce como celulas de ondas circulares de Dean (Dean Roll - Cells). La importancia practica del Flujo de Dean, es la consistente en el hecho de que, las celulas de ondas circulares de Dean, contribuyen al mezclado radial del lfquido. En otras palabras, los serpentines helicoidales,

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pueden utilizarse y se estan utilizando como mezcladores en lmea, los cuales no necesitan ninguna otra cosa, mas que un diseno en forma de un serpentm helicoidal. La magnitud del flujo secundario, en los serpentines helicoidales, se describe, normalmente, mediante el denominado Numero de (Dean Number), Dn = Re (d / D), una cantidad exenta de dimensiones; en donde, Re, es el Numero de Reynolds (Reynolds Number), correspondiente a la tubena recta. Puede verse facilmente el hecho consistente en que, en una tubena recta (a saber, con un diametro de curvatura D^-~), el Numero de Dean, es cero; es decir que, no tiene lugar ningun mezclado radial, en el flujo laminar.

Si el flujo de lfquido, tiene lugar en un serpentm helicoidal de doble espiral, tal y como se representa en la figura 4, entonces, la localizacion de la velocidad maxima, Vmax, se desplaza, de una forma alternativa, desde un lado de la lmea o eje central, al otro lado. De una forma mas precisa, si la vmax se encuentra localizada hacia la parte exterior de la primera espiral, entonces, la vmax, se desplaza, hacia la pared exterior de la segunda espiral, y asf, sucesivamente. Debera tomarse debida nota, en cuanto al hecho consistente en que, la pared exterior de la segunda espiral, consistfa, previamente, en la pared interior de la primera espiral y, respectivamente, la pared interior de la segunda espiral, consistfa, en la pared exterior de la primea espiral. El mecanismo el cual induce el mecanismo alternante de cambio o desplazamiento de la vmax alrededor de la lmea o eje central del serpentm de doble espiral, mejora el mezclado en el interior del serpentm de doble espiral. Para los efectos practicos, los serpentines de doble espiral, son mezcladores en lmea, mejorantes del mezclado, y estos pueden utilizarse como tales, debido a los efectos combinados de ambos, las celulas de ondas circulares de Dean (Dean Roll - Cells), y los efectos del cambio en la direccion del flujo, asociados con los serpentines de doble espiral.

Palazoglu y Sandeep, investigaron la distribucion del tiempo de permanencia de las polidipersiones en serpentines de doble espiral, como encontrandose relacionada con el procesado aseptico de productos alimenticios en forma partmulas. "Effect of Holding Tube Configuration on the Residence Time Distribution of Multiple Particles in Helical Tube Flow," - Efecto de la configuracion del tubo de retencion en la distribucion del tiempo de permanencia de partmulas multiples, en el flujo de un tubo del serpentm helicoidal -, Journal of Food Process Engineering - (Diario de Ingeniena de procesado de productos alimenticios) -, 25, 337 - 350 (2002). Esta aplicacion especial,

involucraba el flujo de una fase lfquida, la cual portaba una fase solida polidispersada, en un serpentm de doble espiral, sin ninguna transferencia de calor. Originandose con los efectos del Flujo de Dean (Dean Flow effects) (es decir, los efecto inherentes del mezclado, los cuales se encuentran presentes en los serpentines helicoidales de doble espiral), el tiempo de residencia o permanencia de la polidispersion, era bastante uniforme.

Howell et al., han demostrado el hecho de que era posible el generar un fuerte mezclado radial, en el interior de un serpentm de microcanal helicoidal, bajo la influencia del Flujo de Dean (Dean Flow), el cual posibilitaba un mezclado efectivo de dos lfquidos. "Design and Evaluation of a Dean Vortex-Based Micromixer,"- Diseno y evaluacion de un micromezclador basado en un vortice de Dean -, Lab Chip, 4, 663 - 669 (2004).

Kumar y Nigam, desarrollaron el concepto de serpentines helicoidales curvados, en donde, un primer serpentm helicoidal, viene seguido de un segundo serpentm helicoidal curvado, en un plano, a 90 °, con referencia al plano del primer serpentm helicoidal. . "Numerical Simulation of Steady Flow Fields in Coiled Flow Inverter," - Simulacion numerica de campos de flujo estables en un inversor de flujo helicoidal -, International Journal of Heat and Mass Transfer, - (Diario Interancional de transferencia de calor y de masa) -, 48, 4811 - 4828 (2005). De una forma simplificada, esa geometna, se ilustra en la figura 5, en donde, la geometna en cuestion, podna describirse como un serpentm de doble espiral invertida. Como transicion, desde la primera espiral a la segunda espiral, las celulas de ondas circulares de Dean (Dean Roll - Cells), giran, en un angulo de 90 °, anadiendo, al mezclado, unos efectos los cuales se han discutido ya para el serpentm de doble espiral, en la ilustracion facilitada para la figura 4. Kumar y Nigam, condujeron la simulacion numerica, en un fase lfquida individual, para ambos, los campos de flujo y los campos termicos, en donde, el calentamiento, era debido a la presuncion de una pared de temperatura constante. La geometna del serpentm de doble espiral invertida, fue estudiada, asf mismo, tambien, por parte de Castelain y Legentilhomme, para los propositos expresos de la distribucion del tiempo de permanencia, o de sistemas caoticos. "Residence Time Distribution of Purely Viscous non-Newtonian Fluid in Helically Coiled or Spatially Chaotic Flows," - Distribucion del tiempo de permanencia de fluidos viscosos no Newtonianos, puramente viscosos, en flujos helicoidalmente devanados o espacialmente caoticos -, Chemical Engineering Journal, - (Diario de ingeniena qmmica) -, 120, 181 -291 (2006).

Tal y como se ha demostrado, los serpentines helicoidales, se han venido utilizando en algunos tipos de intercambiadores de calor del tipo armazon y tubo, durante bastante tiempo. Estos tipos de intercambiadores de calor, se encuentran bien establecidos en las aplicaciones industriales, para la transferencia directa de calor. La transferenecia de calor atribuida a los intercambiadores de calor del tipo serpentm helicoidal en un armazon, se origina con los efectos inducidos mediante el Flujo de Dean (Dean Flow) en el interior del serpentm helicoidal. De una forma adicional, la carcasa o armazon de estos intercambiadores de calor, puede reemplazarse por un serpentm helicoidal exterior, conduciendo a los denominados intercambiadores de calor de doble tubo. Estos intercambiadores de calor, son especialmente efectivos para la transferencia de calor, dado el flujo secundario (a saber el Flujo de Dean - [Dean Flow] -), desarrollado con ambos, el serpentm helicoidal interior, y espacio interior entre el serpentm helicoidal interior y el serpentm helicoidal exterior. La geometna de un intercambiador de calor helicoidal de doble tubo, se ilustra en la figura 6. Un estudio de la hidrodinamica de intercambiadores de calor de doble tubo, es la que

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se ilustra en la figura 6. Un estudio de la hidrodinamica de intercambiadores de calor de doble tubo, puede verse en el trabajo realizado por parte de T. J. Rennie, "Numerical and Experimental Studies of a Double-Pipe Heat Exchanger," - Estudios experimentales de intercambiadores de calor de doble tubo -, Ph. D. Thesis, McGill University, Montreal, Canada (2004).

Como contraste al intercambiador indirecto de calor, una de las ventajas de la inyeccion de lfquido criogenico (criogeno lfquido), es la ausencia de una superficie de transferencia de calor, del tipo convencional. Esto es muy interesante, debido al hecho de que, en ausencia de una pared, la cual separe el producto caliente del agente de refrigeracion o enfriamiento, se elimina una resistencia de la transferencia de calor, mayor (tal como, por ejemplo, la transferencia de calor mediante la conduccion a traves de la pared). De una forma adicional, la ausencia de una superficie de transferencia de calor, tiene como resultado la ausencia de suciedad (o de incrustaciones) de la pared solida, la cual separa las dos corrientes de intercambio de calor. Los beneficios producidos mediante la ausencia de ensuciamiento o de incrustaciones, tal como, por ejemplo, una mejor eficiencia de la transferencia de calor, una limpieza mas sencilla del intercambiador de calor, y una calidad mejorada del producto final. De una forma adicional, si la inyeccion directa de lfquido criogenico se emplea de una forma eficiente, la transferencia de calor entre las dos fases (tal como, por ejemplo, siendo el producto alimenticio una fase, y siendo el lfquido / gas criogenico la otra fase), sena altamente eficiente, y esta se describina, de la mejor forma, como una “transferencia de calor, volumetrica”, en comparacion con la transferencia de calor, indirecta, a traves de una superficie de transferencia de calor.

Existen, no obstante, impedimentos tecnicos asociados con la inyeccion directa de lfquido criogenico para las aplicaciones de refrigeracion o enfriamiento. Uno de estos impedimentos es, por ejemplo, la incompatibilidad del dioxido de carbono con el producto alimenticio, en sf mismo, en donde, el dioxido de carbono en cuestion, puede cambiar, de una forma mesurable, el valor pH del producto alimenticio, y afectar de una forma negativa las propiedades del producto alimenticio. Otros impedimentos, se refieren, por ejemplo, a los parametros cnticos del nitrogeno (aprox. 126 K, como la temperatura cntica, y aprox. 34 bar A, como la presion cntica), lo cual apela a hacer atencion a las dificultades tecnicas inherentes a la fabricacion, al almacenaje y a la manipulacion del nitrogeno lfquido, para las aplicaciones practicas. Y todavfa otro impedimento es, por ejemplo, el hecho consistente en que, muchos productos alimenticios, son lfquidos bastante viscosos, los cuales (mediante el enfriamiento o refrigeracion por inyeccion directa de lfquido criogenico), se convierten en relativamente mas viscosos, con la tendencia a crear espumas estables, y de una forma respectiva, disminuyendo de una forma considerable la densidad del producto final. Al mismo tiempo que crear una espuma estable, podna ser preferible, para algunos productos alimenticios, y de una forma general, es deseable, el que estos puedan expulsar la fase gaseosa, a partir del producto alimenticio, tras el enfriamiento o refrigeracion.

De una forma adicional, dado el excepcionalmente reducido calor latente de la evaporacion del nitrogeno lfquido, por instante, este no sena tan eficaz como se desea, en los procesos de enfriamiento o refrigeracion. Comparativamente, si el calor latente de la evaporacion de agua, es de aprox. 2257 kJ kg-1, entonces, el calor latente de la evaporacion, para el nitrogeno lfquido, es de aprox. 199 kJ kg-1 (es decir, unicamente de un porcentaje del 8,80 % del valor para el agua). Con objeto de mejorar la eficiencia de la refrigeracion o enfriamiento de la inyeccion directa de nitrogeno lfquido, el intercambiador de calor, debena disenarse para extraer no unicamente el calor latente de la evaporacion, sino asf mismo, tambien, el calor sensible del vapores de nitrogeno fno. Cuando se procede a anadir hasta el contenido total del calor, la cantidad de energfa, la cual podna intercambiarse con el nitrogeno lfquido, es de aprox. 360 kJ / kg (es decir, de hasta un porcentaje del 16,00 % del valor para el agua). En sf mismo, incluso este incremento en el contenido de calor, el cual puede intercambiarse con el nitrogeno lfquido, es relativamente reducido, en comparacion con el calor latente de la evaporacion de agua. Como tal, para elaborar un liquido criogenico directo, el cual se mas economico, para un uso industrial o a gran escala, los solicitantes, buscaron mejoraron el equipamiento y los procesos, para el enfriamiento o refrigeracion mediante la inyeccion directa de un lfquido criogenico.

La presente invencion, se refiere a la mejora de diseno y de la eficacia del equipamiento utilizado para la refrigeracion o enfriamiento de inyeccion directa de un lfquido criogenico. En terminos de diseno, y en base al comportamiento de las capas lfmite o fronterizas de los serpentines helicoidales. Los solicitantes, han desarrollado un dispositivo, el cual logra una extraccion maxima del contenido de calor del producto alimenticio calentado, y la separacion completa de la fase criogenica gaseosa, del producto enfriado o refrigerado, al mismo tiempo que se evita la formacion de una espuma estable. Los dispositivos, de una forma general, incluyen un serpentm helicoidal de doble espiral (tal como, por ejemplo, en forma de s), en una seccion de enfriamiento o refrigeracion y mezclado de fases del proceso de enfriamiento o refrigeracion, y un serpentm helicoidal (tal como, por ejemplo, de forma circular), en la seccion de enfriamiento o refrigeracion y de separacion de las fases. El serpentm helicoidal de doble espiral. El serpentm helicoidal de doble espiral, y el serpentm helicoidal (de espiral individual), se encuentran separados mediante una seccion intermedia, la cual tiene una valvula de presion de retroceso. En terminos de eficacia del proceso, y tal como se ha mencionado anteriormente, arriba, en este documento de solicitud de patente, el dispositivo en cuestion, es capaz de lograr un extraccion maxima del contenido de calor, de un producto alimenticio calentado (teniendo esta lugar en el interior de las seccion del serpentm helicoidal de doble espiral), y la separacion completa de la fase criogenica gaseosa, del producto enfriado o refrigerado (teniendo esta lugar en el

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interior de la seccion del serpentm helicoidal de doble espiral), al mismo tiempo que evitar la formacion de una espuma estable.

En una forma de presentacion, la presente invencion, proporciona un dispositivo de inyeccion directa de criogeno, incluyendo dos valvulas de retencion (de control), un serpentm helicoidal de doble espiral, una valvula de presion de retroceso, y un serpentm helicoidal (de espiral individual). La red de tubenas la cual conecta con estos elementos basicos, puede ser lineal o no lineal, en dependencia del diseno particular del dispositivo en cuestion. El serpentm helicoidal de doble espiral, se encuentra configurado para mezclar dos fases, la fase de producto, lfquida, caliente, y la fase de criogeno, lfquida, caliente. Bajo estas condiciones, el serpentm helicoidal de doble espiral, actua como una seccion de enfriamiento o refrigeracion y mezclado de fases.

El serpentm helicoidal (de espiral individual), esta previsto para separar las dos fases resultantes, una fase de producto, lfquida, enfriada o refrigerada, y una fase criogenica gaseosa. De una forma correspondientemente en concordancia con lo anteriormente expuesto, el serpentm helicoidal (de espiral individual), tiene el rol interpretativo de actuar como una seccion de enfriamiento o refrigeracion y mezclado de fases. Puesto que, desde el principio hasta el final, ambos, el serpentm de helicoidal de doble espiral, y el serpentm helicoidal (de espiral individual), la fase lfquida de producto y la fase criogenica, se encuentran en contacto directo, tiene lugar, de una forma continua, una transferencia de calor, entre las dos fases. En el interior del serpentm helicoidal de doble espiral, el lfquido criogenico (criogeno lfquido), experimenta un cambio de fase, desde un gas lfquido a un gas fno o refrigerado. En el interior del serpentm helicoidal de doble espiral, la fase criogenica gaseosa refrigerada o enfriada, absorbe calor de la fase de producto, lfquida y, de una forma correspondientemente en concordancia, esta se calienta. De una forma esencial, tras el contacto directo con la fase de producto, lfquida, caliente, en la seccion de mezclado y de enfriamiento de las fases (es decir, el serpentm helicoidal de doble espiral), el flujo local a traves del serpentm helicoidal, puede ser un flujo de tres fases, una fase lfquida del producto, una fase criogenica, lfquida, enfriada o refrigerada, y una fase criogenica, enfriada o refrigerada. En el momento en el cual, el producto y el criogeno, alcanzan la seccion de separacion y enfriamiento o refrigeracion (es decir, el serpentm helicoidal - de espiral individual -), el flujo a traves del serpentm helicoidal, se convierte en un flujo de dos fases, la fase de producto, lfquida, y la fase criogenica, gaseosa, caliente.

La valvula de presion de retroceso, la cual se encuentra localizada despues del serpentm helicoidal de doble espiral, y antes del serpentm helicoidal (de espiral individual), esta disenada para controlar la tasa de expansion de la fase criogenica gaseosa, en el interior del serpentm helicoidal de doble espiral, para controlar el tiempo de contacto entre la fase de producto, lfquida, y la fase criogenica, en el interior de la seccion de la fase de mezclado y de enfriamiento o refrigeracion. El dispositivo de enfriamiento o refrigeracion de inyeccion directa de criogeno, puede tambien incluir, asf mismo, dos valvulas de control (de retencion), las cuales se encuentren localizadas en la entrada del serpentm helicoidal de doble espiral. Una valvula de control (de retencion), puede utilizarse para la admision de la fase de producto, lfquida, enfriada o refrigerada, y la otra valvula de control (de retencion), puede utilizarse para para la admision de la fase criogenica, lfquida, enfriada o refrigerada. El rol interpretativo de las valvulas de control (valvulas de retencion), es el consistente en prevenir o evitar el flujo de retorno o retroceso, desde la seccion de mezclado y enfriamiento o refrigeracion de las fases (a saber, el serpentm helicoidal de doble helice), del dispositivo de enfriamiento o refrigeracion, al interior de las redes de tubenas de suministro del producto lfquido, caliente, y el nitrogeno lfquido, fno.

En por lo menos dos formas adicionales de presentacion de la presente invencion, se proporcionan dos intercambiadores de calor, tubridos, de enfriamiento o refrigeracion directa - indirecta, para los propositos de llevar a cabo la operacion de enfriamiento o refrigeracion de una forma mas economica, en terminos de consumo de criogeno lfquido (lfquido criogenico). En lugar de proceder a la acomodacion de la carga de enfriamiento o refrigeracion, en su totalidad, mediante la inyeccion directa de criogeno lfquido (lfquido criogenico), puede tomarse una porcion de la carga de enfriamiento o refrigeracion, mediante el enfriamiento o refrigeracion directa, a partir de un medio de enfriamiento o refrigeracion, el cual fluya hacia afuera del serpentm helicoidal de doble espiral, tal y como se discutira, de una forma adicional, posteriormente, a continuacion, en este documento de solicitud de patente. Asf, de este modo, la cantidad de criogeno lfquido (lfquido criogenico), puede reducirse, de una forma mesurable, mientras que, el flujo de dos fases, inducido mediante la inyeccion de criogeno lfquido (lfquido criogenico), en el interior del serpentm helicoidal de doble espiral, mejora el coeficiente de transferencia de calor, el cual se encuentra asociado con la transferencia de calor, indirecta.

En la primera de estas dos formas adicionales de presentacion de la presente invencion, el intercambiador de calor tubrido, de enfriamiento o refrigeracion directa - indirecta, incluye un serpentm helicoidal de doble espiral, interior, el cual se encuentra ubicado en el interior de un serpentm helicoidal de doble espiral, exterior - a saber, una configuracion la cual se denomina como configuracion de un diseno de doble tubo -. El serpentm helicoidal de doble espiral, interior, se encuentra configurado para mezclar dos fases (a saber, la fase de producto, lfquida, caliente, y la fase criogenica, enfriada o refrigerada). Bajo estas condiciones, el serpentm helicoidal de doble espiral, interior, actua como una seccion de mezclado y enfriamiento o refrigeracion de fases. Sin embargo, no obstante, la cantidad de criogeno lfquido (lfquido criogenico) directamente inyectado, se encuentra ahora mesurablemente reducida, debido al hecho de que, ahora, la carga de enfriamiento o refrigeracion en su totalidad, no necesita acomodarse de una forma entera, mediante la inyeccion directa de criogeno. En lugar de ello, el medio de enfriamiento o

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refrigeracion el cual circula a traves del serpentm helicoidal de doble espiral, recogera el resto de la carga de enfriamiento o refrigeracion, mediante la transferencia indirecta de calor.

En la segunda de las dos formas adicionales de presentacion de la presente invencion, el intercambiador de calor tnbrido de enfriamiento o refrigeracion directa - indirecta, incluye un serpentm individual de doble espiral, el cual se encuentra alojado en un armazon o carcasa (tal como, por ejemplo, el consistente en una camara estanca a los fluidos). El serpentm helicoidal de doble espiral, se encuentra configurado para mezclar dos fases (a saber, la fase de producto lfquido, caliente, y la fase de lfquido criogenico, refrigerada o enfriada). Bajo estas condiciones, el serpentm helicoidal de doble espiral, actua como una seccion de la fase de mezclado y de enfriamiento o refrigeracion. Sin embargo, no obstante, la cantidad de criogeno lfquido (lfquido criogenico), directamente inyectado, se encuentra ahora mesurablemente reducido, debido al hecho de que, ahora, la carga de enfriamiento o refrigeracion en su totalidad, no necesita acomodarse enteramente, mediante la inyeccion directa de criogeno. En lugar de ello, el medio de circulacion el cual circula a traves de la carcasa o armazon, recogera el resto de la carga de enfriamiento o refrigeracion, mediante la transferencia indirecta de calor.

Volviendo ahora a las figuras, y de una forma particular, a la figura 7, en esta, se ilustra una forma de presentacion del dispositivo de enfriamiento o refrigeracion mediante la inyeccion directa de criogeno, de la presente invencion. El dispositivo de enfriamiento o refrigeracion mediante la inyeccion directa de criogeno, 30, puede ser cualquier tipo de dispositivo de enfriamiento o refrigeracion, mediante inyeccion directa de criogeno, el cual sea eficiente en cuanto a lo referente a la energfa, y el cual se capaz una extraccion de calor maximizada, de un producto alimenticio calentado, y una separacion completa de la fase criogenica gaseosa, del producto alimenticio enfriado o refrigerado, al mismo tiempo que evite la formacion de una espuma estable. La eficacia energetica incrementada, se origina mediante el mezclado mejorado entre las dos fases, el producto lfquido caliente, y la fase criogenica lfquida, fna o refrigerada, la cual se induce mediante el flujo secundario (a saber, el Flujo de Dean - [Dean Flow] -), asociado con espirales helicoidales, tal y como se ha explicado anteriormente, arriba, en este documento de solicitud de patente. Las personas expertas en el arte especializado de la tecnica, apreciaran el hecho consistente en que pueden utilizarse cualesquiera lfquidos criogenicos (criogenos lfquidos), los cuales sean apropiados. En otras palabras, un lfquido criogenico (criogeno lfquido) de la presente invencion, puede ser cualquier tipo de gas licuado, a muy baja temperatura, tal como, por ejemplo, el consistente en el oxfgeno lfquido, el nitrogeno lfquido, el dioxido de carbono lfquido, o el argon lfquido.

Tal y como puede verse en la figura 7, y en una forma de presentacion de la presente invencion, se muestra un dispositivo, 30, para el dispositivo de enfriamiento o refrigeracion de inyeccion de lfquido criogenico (criogeno lfquido). El dispositivo 30, incluye un seccion de mezclado y de enfriamiento o refrigeracion de las fases, 32, una valvula de presion de retroceso, 34, y una seccion de separacion y de enfriamiento o refrigeracion de las fases, 36. Las corrientes de intercambio de calor (tal como, por ejemplo, el producto alimenticio calentado y el lfquido criogenico - [criogeno lfquido] -), se introducen en la base de un serpentm helicoidal de doble espiral, 38, a traves de las correspondientes valvulas de control (de retencion), 40, y estas viajan a traves de la valvula de presion de retroceso, 34, y un serpentm helicoidal (de espiral individual), 42, antes de salir del dispositivo 30, como gas criogenico, y un producto alimenticio enfriado o refrigerado.

Una vez que las dos corrientes de intercambio de calor (tal como, por ejemplo, el producto alimenticio calentado, y el lfquido criogenico - [criogeno lfquido] -), se hayan introducido en las respectivas valvulas de entrada, 40, las dos corrientes de intercambio de calor, forman una mezcla de dos fases. En el interior del serpentm helicoidal de doble espiral, 38, el cambio alternante del perfil de la velocidad, alrededor de la lmea o eje central, el serpentm helicoidal de doble espiral, 38, en cuestion, mejora los efectos combinados de ambos, el flujo de las celulas de ondas circulares de Dean (Dean Roll-Cells flow), y los efectos del cambio en la direccion del flujo, asociado con los serpentines helicoidales de doble espiral, tal y como se ha discutido anteriormente, arriba, en este documento de solicitud de patente, con respecto a las figuras 3 A, 3 B y 4. Las dos fases, la fase del producto, lfquida y la fase criogenica, continuan estando en contacto y, asf, por lo tanto, el intercambio de calor entre estas, a traves de la totalidad de ambos, el serpentm helicoidal de doble espiral, 38, y el serpentm helicoidal (de espiral individual), 36. Sin embargo, no obstante, mientras estan en el interior del serpentm helicoidal individual de doble espiral, 38, las capas limftrofes de las dos fases, se ven forzadas a cruzarse la una con la otra (mejorando asf, de este modo, el mezclado). La configuracion del serpentm helicoidal de doble espiral en cuestion, 38, forzara, a las dos fases, a intercambiar una cantidad maxima de calor, entre estas.

A efectos de comparacion, las capas limttrofes de la dos fases, en el interior del serpentm helicoidal de doble espiral, tienden a permanecer separadas, dado el flujo de dos corrientes, con diferentes densidades, en un campo centnfugo (mejorando asf, de este modo, la separacion. El campo centnfugo, se crea mediante el flujo existente en el interior del serpentm helicoidal (de espiral individual), 42, a lo largo de la trayectoria curvada, con un diametro constante de la curvatura. El resultado obtenido, debena ser, no unicamente una separacion mejorada, sino asf, mismo, tambien, el evitar la formacion de una espuma estable. Combinados, un mezclado mejorado para la transferencia de calor (entre la fase de producto, lfquida, caliente, y la fase criogenica, lfquida, fna o refrigerada), en el interior del serpentm helicoidal de doble espiral, 38, y una separacion mejorada (de la fase de producto, lfquida, de la fase de gas criogenico), en el interior del serpentm helicoidal (de espiral individual), 42, resalta la diferenciacion entre los dispositivos de la presente invencion, y los dispositivos conocidos a rafz del arte especializado de la tecnica anterior.

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Las figuras 7 y 8, ilustran un dispositivo de enfriamiento o refrigeracion mediante la inyeccion directa de ffquido criogenico, correspondiente a una escala de una planta piloto, 30, el cual esta disenado para un producto ffquido entrante, a un caudal de entrada de aprox. 3,6 kg min-1, una temperature de entrada de 85 °C., una temperature de salida de 20 °C, y un calor espedfico de aprox. 3350 J Kg-1 °C-1. Si la energfa la cual pudiera intercambiarse con el criogeno ffquido (ffquido criogenico), es la correspondiente a un valor de aprox. 360 kJ kg-1, entonces, el correspondiente caudal de flujo de ffquido criogenico (criogeno ffquido), es de aprox. 2,8 kg min-1. Bajo estas condiciones, los parametros ffsicos propuestos para el serpentrn helicoidal de doble espiral, 38 (a saber, la seccion de mezclado y enfriamiento o refrigeracion de fases, 32), pueden incluir un diametro de la tubena (“d1”) de aprox. 1.870 pulgadas (correspondiente a dos pulgadas de diametro exterior de la tubena), un diametro de curvature (“D1”) de aprox. 6 pulgadas, y un numero de total de vueltas (tal como, por ejemplo, revoluciones) de 3,5, en donde, al diametro de curvature, D1, se le hace referencia como ffnea o eje central, tal y como se muestra en la figura 8, la cual es una vista superior del dispositivo 30 de la figura 7. De una forma similar, los parametros ffsicos propuestos del serpentrn helicoidal de doble espiral, 42 (es decir, la seccion de separacion y enfriamiento o refrigeracion de fases, 36), pueden incluir un diametro de la tubena (“d2”) de aprox. 1.870 pulgadas (correspondiente a dos pulgadas de diametro exterior de la tubena (“D2”) de aprox. 9 pulgadas, y un numero de total de vueltas (tal como, por ejemplo, de revoluciones), de 3, en donde, al diametro de curvature, D2, se le hace referencia como lmea o eje central, tal y como se muestra en la figura 8.

Las personas expertas en el arte especializado de la tecnica, apreciaran, no obstante, el hecho consistente en que, los dispositivos de la presente invencion, no se limitan unicamente a las dimensiones de la presenta forma de presentacion, la cual se facilita a modo ejemplar, y que, los dispositivos en cuestion, puede tener cualesquiera dimensiones o numeros de vueltas, de los serpentines helicoidales, los cuales sean necesarios para conseguir los parametros deseados del proceso. Asi, por ejemplo, el serpentrn helicoidal de doble espiral, 38, puede tener un diametro d1, el cual sea el correspondiente a un valor comprendido dentro de unos margenes, los cuales vayan desde aprox. 0,5 pulgadas hasta las aprox. 5 pulgadas, o bien, el correspondiente a un valor comprendido dentro de unos margenes, los cuales vayan desde aprox. 1 pulgada hasta las aprox. 4 pulgadas, o bien este puede ser, tambien, el correspondiente a un valor de aprox. 2 pulgadas, o el correspondiente a un valor de aprox. 3 pulgadas. El serpentrn helicoidal de doble espiral, 38, puede tambien tener un diametro de curvature, D1, correspondiente a un valor comprendido dentro de unos margenes, los cuales vayan desde las aprox. 2 pulgadas hasta las aprox. 10, pulgadas, o bien, correspondiente a un valor comprendido dentro de unos margenes, los cuales vayan desde las aprox. 3 pulgadas hasta las aprox. 9 pulgadas, o bien, correspondiente a un valor comprendido dentro de unos margenes, los cuales vayan desde las aprox. 4 pulgadas hasta las aprox. 8 pulgadas, o bien, correspondiente a un valor comprendido dentro de unos margenes, los cuales vayan desde las aprox. 5 pulgadas hasta las aprox. 7 pulgadas, o bien, correspondiente a un valor de aprox. 6 pulgadas. El serpentrn helicoidal de doble espiral, 38, puede tambien tener, asf mismo, cualquier numero de vueltas las cuales sean necesarias para alcanzar los parametros deseados del proceso. Asi, por ejemplo, el serpentrn helicoidal de doble espiral, 38, puede tener un numero de vueltas, el cual vaya desde aprox. 1 vuelta hasta aprox. 2 vueltas, o bien, este puede tener un numero de vueltas, el cual vaya desde aprox. 2 vueltas hasta aprox. 4 vueltas, o bien, este puede tener un numero de vueltas, el cual vaya desde aprox. 3 vueltas hasta aprox. 3,5 vueltas,

Del mismo modo, el serpentrn helicoidal (de espiral individual), 42, puede tener cualesquiera dimensiones las cuales sean necesarias para cumplir con los parametros deseados del proceso. Asi, por ejemplo, el serpentrn helicoidal (de espiral individual), 42, puede tener un diametro d2, el cual sea el correspondiente a un valor comprendido dentro de unos margenes, los cuales vayan desde aprox. 0,5 pulgadas hasta las aprox. 5 pulgadas, o bien, el correspondiente a un valor comprendido dentro de unos margenes, los cuales vayan desde aprox. 1 pulgada hasta las aprox. 4 pulgadas, o bien este puede ser, tambien, el correspondiente a un valor de aprox. 2 pulgadas, o el correspondiente a un valor de aprox. 3 pulgadas. El serpentrn helicoidal (de espiral individual), 42, puede tambien tener un diametro de curvature, D2, correspondiente a un valor comprendido dentro de unos margenes, los cuales vayan desde las aprox. 5 pulgadas hasta las aprox. 13 pulgadas, o bien, correspondiente a un valor comprendido dentro de unos margenes, los cuales vayan desde las aprox. 6 pulgadas hasta las aprox. 12 pulgadas, o bien, correspondiente a un valor comprendido dentro de unos margenes, los cuales vayan desde las aprox. 7 pulgadas hasta las aprox. 11 pulgadas, o bien, correspondiente a un valor comprendido dentro de unos margenes, los cuales vayan desde las aprox. 8 pulgadas hasta las aprox. 10 pulgadas, o bien, correspondiente a un valor de aprox. 9 pulgadas El serpentrn helicoidal (de espiral individual), 42, puede tambien tener, asf mismo, cualquier numero de vueltas las cuales sean necesarias para alcanzar los parametros deseados del proceso. Asi, por ejemplo, el serpentrn helicoidal (de espiral individual), 42, puede tener un numero de vueltas, el cual vaya desde aprox. 1 vuelta hasta aprox. 5 vueltas, o bien, este puede tener un numero de vueltas, el cual vaya desde aprox. 2 vueltas hasta aprox. 4 vueltas, o bien, este puede tener aproximadamente 3 vueltas.

Con objeto de incrementar el tiempo de permanencia en contacto de las dos fases, la cuales fluyen en el interior del serpentrn helicoidal de doble espiral, 38, se encuentra dispuesta una valvula de presion de retroceso, 34, con objeto de reducir la expansion de gas criogenico (criogeno gaseoso). Dados los parametros criticos (tales como, por ejemplo, la temperatura y la presion) del nitrogeno, por ejemplo, es practicamente inviable el hecho de considerar presiones de retroceso, las cuales puedan evitar el hecho de que se evapore el nitrogeno ffquido, en el serpentrn helicoidal de doble espiral, 38. En lugar de ello, se preven presiones de retroceso correspondientes a un valor comprendido dentro de unos margenes de 3 - 5 bar A, con objeto de reducir la expansion del gas criogenico

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(criogeno gaseoso), al punto de un flujo continuo mas uniforme de las dos capas limftrofes de las dos fases de mezclado. En una forma de presentacion, en concordancia con la presente invencion, la valvula de presion de retroceso, 34, es una valvula de pinza, sanitaria, de 2 pulgadas, tal como las que se fabrican por parte de Elasto- Valve Rubber Product, Inc. Sudbury, Ontario, Canada. De una forma correspondientemente en concordancia, el flujo, en el interior de la valvula de presion de retroceso, 34, se encuentra bastante exenta de cualquier tipo de obstruccion. En realidad, el cierre de la valvula de presion de retroceso, 34, puede ser mmimo, dado el hecho consistente en que, algo de la presion de retroceso, se genera mediante el flujo a traves del dispositivo 30 en su totalidad, el cual se encuentra fabricado a base de los dos serpentines helicoidales, 38 (de doble espiral) y 42 (de espiral individual). Para determinados caudales de flujo del producto alimenticio caliente y del criogeno lfquido (lfquido criogenico), la eficacia de la refrigeracion o enfriamiento mediante inyeccion directa de criogeno lfquido (lfquido criogenico), depende de los parametros de diseno del serpentm helicoidal de doble espiral, 38, a saber, los diametros consistentes en el diametro de la tubena, di, en el diametro de la curvatura, Di, y en el numero de vueltas (revoluciones), y el nivel de la presion de retroceso aplicado.

Tal y como se ha discutido de una forma resumida, anteriormente, arriba, en este documento de solicitud de patente, la valvula de presion de retroceso, 34, se encuentra localizada entre la seccion de mezclado y enfriamiento o refrigeracion de fases, 32, y la seccion de separacion y enfriamiento o refrigeracion de fases, 36. Las secciones de tubenas, sobre las cuales se encuentra localizada la valvula de presion de retroceso, 34, y entre la valvula de presion de retroceso, 34, y el serpentm helicoidal de doble espiral, 38, y la valvula de presion de retroceso, 34, y el serpentm helicoidal (de espiral individual), 42, no son cnticas, para la presente invencion. Sin embargo, no obstante, en una forma de presentacion, en concordancia con la presente invencion, y segun se muestra en la figura 7, el serpentm helicoidal de doble espiral, 38, puede encontrarse conectado a una tubena lineal, 44, mediante una tubena acodada, 46. La tubena lineal, 44, puede encontrarse conectada a la valvula de presion de retroceso, 34, la cual, a su vez, se encuentra conectada a una segunda tubena acodada, 46. El serpentm helicoidal (de espiral individual), 42, puede encontrarse conectado a una segunda tubena acodada, 46, mediante una segunda tubena lineal, 44. Las tubenas lineales, 44, y las tubenas acodadas, 46, pueden tener cualesquiera longitudes o diametros, los cuales sean conocidos en el arte especializado de la tecnica, y los cuales sean suficientes, como para permitir el hecho consistente en que, las dos fases, fluyan a su traves.

Con respecto al presente dispositivo, 30, en donde se encuentra involucrado un flujo de dos fases, la combinacion entre el serpentm helicoidal de doble espiral, 38 (en donde tiene lugar el mezclado y el enfriamiento o refrigeracion de fases) y el serpentm helicoidal de doble espiral, 42 (en donde tiene lugar la separacion y el enfriamiento o refrigeracion de fases), demuestra ser una unica y nueva combinacion, la cual permite el avanzar en el enfriamiento o refrigeracion de inyeccion directa de criogeno lfquido (lfquido criogenico) de productos susceptibles de poderse bombear, mas alla de del arte de la tecnica especializada actual. De una forma particular, el equipamiento resultante, posibilita un enfriamiento o refrigeracion eficaz, mientras que, puede minimizarse la formacion de espuma estable.

En dos formas adicionales de presentacion, en concordancia con la presente invencion, se proporcionan dos intercambiadores de calor, tubridos, de enfriamiento o refrigeracion directa - indirecta, para los propositos de llevar a cabo una operacion de enfriamiento o refrigeracion, los cuales son mas economicos, en terminos de consumo de criogeno lfquido (lfquido criogenico). En las formas de presentacion tubridas, las cuales se dan a conocer, en este documento de solicitud de patente, en lugar de proceder a la acomodacion de la carga de enfriamiento o refrigeracion en su totalidad, mediante la inyeccion directa de lfquido criogenico (criogeno lfquido), puede procederse a tomar una porcion de la carga de enfriamiento o refrigeracion, mediante la refrigeracion o enfriamiento directo, procedente de un medio enfriamiento o refrigeracion, el cual fluye en el exterior del serpentm helicoidal de doble espiral. La ventaja de esta forma de presentacion, en concordancia con la presente invencion, es la consistente en que, la cantidad de criogeno lfquido (lfquido criogenico), puede reducirse, de una forma significativa, mientras que, el flujo de dos fases, inducido por la inyeccion de lfquido criogenico (criogeno lfquido), en el interior del serpentm helicoidal de doble espiral, mejora el coeficiente de transferencia de calor, el cual se encuentra asociado con la transferencia indirecta de calor.

En una primera forma de presentacion, tubrida, en concordancia con la presente invencion, y segun se muestra en la figura 9, un intercambiador de calor, tubrido, de enfriamiento o refrigeracion directa - indirecta, 50, incluye un serpentm helicoidal de doble espiral, interior, 52, el cual se encuentra ubicado en una carcasa o armazon, 54 (tal como, por ejemplo, el consistente en una camara estanca a los fluidos). Un medio de enfriamiento o refrigeracion, fluye a traves de la carcasa o armazon 54, y sobre el serpentm helicoidal de doble espiral, 52, el cual se encuentra configurado para mezclar dos fases, la fase de producto, lfquida, y la fase criogenica lfquida, enfriada o refrigerada. Bajo estas condiciones, un serpentm helicoidal de doble espiral, 52, actua como una seccion de mezclado y enfriamiento o refrigeracion de fases. Las ventajas de tal tipo de dispositivo, 50, son multiples: en primer lugar, la cantidad de nitrogeno lfquido, se encuentra significativamente reducida; y en segundo lugar, el flujo de dos fases, el cual se encuentra inducido por la inyeccion de nitrogeno lfquido, en el interior del serpentm helicoidal de doble espiral, 52, mejora el coeficiente de transferencia de calor, en su totalidad, asociado con la transferencia indirecta de calor.

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El concepto de refrigeracion o enfriamiento hnbrido, directo - indirecto, el cual se ilustra en la figura 9, puede tambien aplicarse, as^ mismo, a un serpentm helicoidal (de espiral individual) (el cual no se encuentra ilustrado en la figura), de una forma adicional al serpentm helicoidal de doble espiral, 52, o, bien, en lugar de este ultimo. Asf, de este modo, puede encontrarse ubicado un serpentm helicoidal (de espiral individual), interior, en el interior de una carcasa o armazon, el cual tenga una geometna similar a la que se ilustra en la figura 9, en donde, un serpentm helicoidal (de esfera individual), reemplace al serpentm helicoidal de doble espiral, interior, 52. Como tal, uno cualquiera de entre el serpentm helicoidal (de espiral individual) o el serpentm helicoidal de doble espiral, 52, o bien ambos tipos de serpentines, pueden encontrarse alojados en armazones o carcasas, en una configuracion del tipo bubo en carcasa (o tubo en armazon). De la misma forma, la red de tubenas (la cual no se encuentra ilustrada en la figura), la cual hace la funcion de intermediaria entre el serpentm helicoidal (de serpentm individual), y el serpentm helicoidal de doble espiral, 52, puede tambien encontrarse ubicada en carcasas o armazones, en una configuracion del tipo tubo en carcasa (o tubo en armazon).

En una segunda forma de presentacion hnbrida, en concordancia con la presente invencion, la cual se muestra en la figura 10, se presenta un intercambiador de calor, hnbrido, de refrigeracion o enfriamiento directo - indirecto, 60, el cual incluye un serpentm interior de doble espiral, 62, el cual se encuentra ubicado en el interior de un serpentm exterior de doble espiral, 64, es decir, la que se denomina una configuracion de diseno de doble tubo. Un medio de enfriamiento o refrigeracion, fluye a traves de canal anular el cual se encuentra formado entre el serpentm exterior helicoidal de doble espiral, 64, y el serpentm interior helicoidal (de espiral individual), 62. El serpentm interior helicoidal de doble espiral, 62, en cuestion, se encuentra configurado para mezclar dos fases, a saber, la fase de producto, lfquida, caliente, y la fase criogenica, lfquida, enfriada o refrigerada. Bajo estas condiciones, el serpentm interior helicoidal de doble espiral, 62, actua como una seccion de mezclado y enfriamiento o refrigeracion de fases.

El concepto de refrigeracion o enfriamiento hnbrido, directo - indirecto, el cual se encuentra ilustrado en la figura 10, puede tambien aplicarse, asf mismo, tambien, a un serpentm helicoidal (de espiral individual) (el cual no se encuentra ilustrado en la figura), o en su lugar, a un serpentm interior, helicoidal, de doble espiral, 62. Asf, de este modo, y en una forma de presentacion en concordancia con la presente invencion, el serpentm interior, helicoidal, (de espiral individual), puede encontrarse alojado en el interior de un de un serpentm exterior, helicoidal, de doble espiral, similar a la geometna la cual se ilustra en la figura 6. Un medio de enfriamiento o refrigeracion, fluye a traves del canal anular formado entre el serpentm helicoidal exterior (de espiral individual), y el serpentm helicoidal interior.

Asf, de este modo, se evidenciara, por parte de aquellas personas expertas en el arte de la tecnica especializada, el hecho consistente en que, los dispositivos de la presente invencion, pueden utilizarse para diversos propositos diferentes. Asf, por ejemplo, los dispositivos de la presente invencion, pueden utilizarse para el enfriamiento o refrigeracion directa de criogeno lfquido (lfquido criogenico), en donde, la fase de producto, lfquida, caliente, entra en contacto con una fase de criogeno lfquido (lfquido criogenico), fna, y en donde, se genera un flujo de dos fases, distinto, y cuyas capas liirntrofes, se ven forzadas a cruzarse entre ellas, la una con la otra, en concordancia con los cambios en la direccion del flujo, inducidos mediante el serpentm helicoidal de doble espiral, forzando, de una forma adicional, a las dos fases, a intercambiar la cantidad maxima de calor entre estas.

Los dispositivos de la presente invencion, pueden tambien utilizarse, asf mismo, para la inyeccion directa de vapor, en donde, una fase de producto, lfquida, enfriada, entra en contacto con la fase de vapor, caliente, y en donde, surge un flujo distinto de dos fases, y cuyas capas liirntrofes se ven forzadas a cruzarse entre ellas, la una con la otra, en concordancia con los cambios en la direccion del flujo, inducidos mediante el serpentm helicoidal de doble espiral, forzando, de una forma adicional, a las dos fases, a intercambiar la cantidad maxima de calor entre estas.

Los dispositivos de la presente invencion, pueden utilizarse, de una forma adicional, para la transferencia indirecta de calor, para el calentamiento o el enfriamiento o refrigeracion, en donde, un producto caliente / fno, fluye a traves del serpentm de doble espiral, mientras que, el medio de calentamiento / enfriamiento o refrigeracion, fluye hacia fuera del serpentm helicoidal de doble espiral, bien ya sea a traves de un serpentm helicoidal de doble espiral, o bien ya sea a traves de un armazon o carcasa, la cual envuelve al serpentm helicoidal interior de doble espiral, en cuestion.

Debe entenderse el hecho de que son posibles diversos cambios y modificaciones de las presentes formas preferidas de presentacion, las cuales se han descrito aqrn, en este documento de solicitud de patente, y las cuales resultaran evidentes, para aquellas personas expertas en el arte de la tecnica especializada. Tales tipo de cambios y modificaciones, pueden realizarse sin apartarse del espmtu y el ambito del objeto de la presente invencion, y sin disminuir las ventajas que se pretenden mediante esta. Se pretende asf, por lo tanto, el hecho consistente en que, tales tipos de cambios y de modificaciones, esten cubiertos mediante las reivindicaciones anexas.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. - Un intercambiador de calor (30), el cual comprende:

un serpentm helicoidal de doble espiral (32), el cual se encuentra configurado para recibir por lo menos una composicion en su interior;

un serpentm helicoidal (36), el cual se encuentra en comunicacion fluida con el serpentm helicoidal de doble espiral (32), y el cual se encuentra localizado aguas debajo de este ultimo; y una tubena intermedia (44), la cual se encuentra en comunicacion fluida con el serpentm de doble espiral (32) y un serpentm helicoidal (36), y la cual se encuentra localizada entre estas, teniendo, la tubena intermedia (44) en cuestion, una valvula de presion de retroceso (34), montada en esta.
2. - El intercambiador de calor de la reivindicacion 1, el cual comprende, de una forma adicional, una primera y una segunda valvulas de entrada (40), en una porcion de entrada del serpentm helicoidal de doble espiral (32).
3. - El intercambiador de calor de la reivindicacion 2, en donde, la primera valvula de entrada (40), se encuentra configurada para recibir una primera composicion, y en donde, la segunda valvula de seguridad (40), se encuentra configurada para recibir una segunda composicion.
4. - El intercambiador de calor de la reivindicacion 3, en donde, la primera composicion, se trata de un producto alimenticio susceptible de poderse bombear, y en donde, la segunda composicion, se trata de un lfquido criogenico.
5. - El intercambiador de calor de las reivindicaciones 1 - 4, en donde, el serpentm helicoidal (36), se encuentra configurado para que salga un producto alimenticio susceptible de poderse bombear, enfriado, y una fase gaseosa criogenica.
6. - El intercambiador de calor de las reivindicaciones 1 - 5, en donde, el serpentm helicoidal de doble espiral (32), comprende una seccion del dispositivo, de mezclado y enfriamiento de fases.
7. - El intercambiador de calor de las reivindicaciones 1 - 6, en donde, el serpentm helicoidal (36), comprende una seccion del dispositivo, de mezclado y enfriamiento de fases.
8. - Un procedimiento para el enfriamiento mediante la inyeccion directa de lfquido criogenico, comprendiendo, el procedimiento:

inyectar un producto calentado y un lfquido criogenico, al interior de un serpentm helicoidal de doble espiral (32), para formar una mezcla de dos fases en su interior;

provocando el hecho consistente en que, la mezcla de las dos fases, atraviese el serpentm helicoidal de doble espiral en cuestion, y una valvula de presion de retroceso (34), la cual se encuentra ubicada aguas abajo del serpentm helicoidal de doble espiral, en una valvula intermedia (44), provocando el hecho consistente en que, la mezcla de dos fases, atraviese un serpentm helicoidal (36), el cual se encuentra ubicado aguas abajo de la valvula de presion de retroceso (34), en donde, la mezcla de dos fases, se separa, en el interior del serpentm helicoidal (36), para su conversion en un producto enfriado y una fase criogenica gaseosa, y

dispensar el producto enfriado y la fase criogenica gaseosa, del serpentm helicoidal.
9. - El procedimiento de la reivindicacion 8, en donde, el serpentm helicoidal de doble espiral (32), se encuentra configurado para forzar al producto calentado y al lfquido criogenico, a mezclarse, para formar una mezcla de dos fases, y para intercambiar una cantidad maxima de calor, entre las dos fases.
10. - El procedimiento de la reivindicacion 8 o 9, en donde, el serpentm helicoidal (36), se encuentra configurado para inducir un flujo de dos fases, entre el producto enfriado y la fase criogenica gaseosa, en donde, el producto enfriado en cuestion, fluye, en una porcion exterior del interior del serpentm helicoidal interior, y en donde, la fase criogenica gaseosa, fluye, en la porcion interior del serpentm helicoidal.
11. - El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 8 - 10, en donde, el producto calentado, y el lfquido criogenico, se inyectan al interior del serpentm helicoidal de doble espiral (32), a traves de la primera y segunda valvulas de entrada (40), respectivamente.
12. - El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 8 - 11, en donde, la valvula presion de retroceso (34), se encuentra configurada para incrementar el tiempo de permanencia de la mezcla de dos fases, en el interior del serpentm helicoidal de doble espiral (32).
13. - El intercambiador de calor de una cualquiera de las reivindicaciones 1 - 7, en donde, el serpentm helicoidal (32), se encuentra alojado en el interior de una camara estanca a fluidos (54).
14.- El intercambiador de calor de la reivindicacion 13, en donde, la camara estanca a fluidos (54), comprende una entrada, la cual se encuentra configurada para recibir el medio de enfriamiento, y una salida, la cual se encuentra configurada para dispensar el medio de enfriamiento.

5 15.- El dispositivo intercambiador de calor indirecto, de la reivindicacion 13 o 14, en donde, el serpentm helicoidal

(36), se encuentra alojado en el interior de una segunda camara estanca a los fluidos, la cual comprende una entrada, la cual se encuentra configurada para recibir el medio de enfriamiento, y una salida, la cual se encuentra configurada para dispensar el medio de enfriamiento en cuestion.

FIG. 1

(ARTE ANTERIOR DE LA TECNICA)

Producto alimenticio mas frio

imagen1

Medio de

enfriamiento

Producto alimenticio calentado

Medio de enfriamiento

FIG. 2

(ARTE ANTERIOR DE LA TECNICA)

FIG. 3 A

(ARTE ANTERIOR DE LA TECNICA)

FIG. 3 B

(ARTE ANTERIOR DE LA TECNICA)

imagen2