BR0212276B1 - sistema de refrigeração por compressão. - Google Patents

Description

"SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO"

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se a sistemas de refrigeração porcompressão que incluem um compressor, um dissipador de calor, umdispositivo de expansão e um absorvedor de calor conectados em um circuitode circulação fechado que pode operar com pressão do lado alto supercrítica,utilizando dióxido de carbono ou uma mistura contendo dióxido de carbonocomo o refrigerante no sistema.

Descrição da Técnica Anterior e Fundamentos da Invenção

Os sistemas de compressão de vapor convencionais dissipam ocalor pela condensação do refrigerante à pressão subcrítica dada pela pressãode saturação à temperatura dada. Estes refrigerantes são mais freqüentementeselecionados de forma que a máxima pressão que ocorra no sistema estejabem abaixo da pressão crítica do refrigerante e usualmente não ultrapassandoum limite dado, por exemplo 25 bars (2500 kPa).

Ao utilizar um refrigerante com baixa temperatura crítica, porexemplo CO2, a pressão no dissipador de calor terá de ser supercrítica se atemperatura do dissipador de calor é alta, por exemplo mais alta que atemperatura crítica do refrigerante, de maneira a obter operação eficiente dosistema. O ciclo de operação será então transcritico, por exemplo comoconhecido do documento WO 90/07683.

Os documentos WO 94/14016 e WO 97/27437 ambosdescrevem um circuito simples para realizar um sistema deste tipo,basicamente compreendendo um compressor, um dissipador de calor, umdispositivo de expansão e um evaporador ligados em um circuito fechado.CO2 constitui o refrigerante de preferência para ambos os sistemas devido apreocupações ambientais.

Um deficiência substancial para ambos WO 94/14016 e WO97/27437 reside no fato de que pressões muito altas ocorrerão nos sistemasdurante condições de imobilização a temperaturas ambiente elevadas.Conforme explanado no WO 97/27437, a pressão tipicamente será superior a100 bar

(10000 kPa) a 60°C. Isto exigirá uma pressão calculada muitoalta para todos os componentes, resultando em componentes pesados edispendiosos. Especialmente esta é uma deficiência na construção decompressores herméticos, para os quais a dimensão do casco é prescrevidapela dimensão do motor elétrico.

O documento WO 94/14016 descreve como isto pode seraperfeiçoado conectando um vaso de expansão aliviador de pressão emseparado conectado com o lado baixo do circuito através de uma válvula. Adesvantagem disto é que aumenta o custo e a complexidade do sistema.

Ainda outra desvantagem do WO 94/14016 e do WO 97/27437é que as especificações de carga, respectivamente 0,55 a 0,7 kg/l de volumeinterno do sistema resultará em uma carga demasiadamente alta para ser idealpara sistemas por exemplo operando a temperaturas mais baixas de absorçãode calor e/ou utilizando compressores hermeticamente selados, tendo umgrande volume de gás no lado baixo do sistema.

Outra deficiência de WO 94/14016 e WO 97/27437 é que nãoleva em consideração o fato d que a carga ideal do sistema será fortementeinfluenciada pela solubilidade do refrigerante no lubrificante para sistemascom compressores lubrificados e também pelos elementos de construção dosistema.

Sumário da Invenção

Um objetivo principal da presente é realizar um sistemasimples e eficiente que evita as deficiências e desvantagens supramencionadas.

A invenção é caracterizada pelo aspectos característicosconforme definidos na reivindicação 1 independente apensa.Aspectos característicos vantajosos da invenção são aindadefinidos nas reivindicações independentes 2-9.

Como declarado acima a invenção é baseada sobre um circuitosimples que compreende pelo menos um compressor, um dissipador de calor,um meio de expansão e um absorvedor de calor. Baseado sobre o fato de queas referências da técnica anterior acima comentadas tratam de circuitos derefrigeração com altas cargas de refrigerante, a requerente, através de testes esimulações surpreendentemente verificou agora que adaptando o volumeinterno de componentes que contém vapor/gás refrigerante durante a operaçãonormal no lado de baixa pressão do sistema, condições operacionais ideaispodem ser obtidas com uma baixa carga para um volume interno dado dosistema. Assim a pressão calculada mais baixa possível para os elementos deconstrução do sistema pode ser obtida.

Desta maneira um vaso de expansão aliviador de pressão emseparado é desnecessário para evitar pressões excedentes sob condições deinatividade a altas temperaturas, e todos componentes ou partes decomponentes no lado baixo do sistema podem ser projetados para umapressão mais baixa. Cálculos e experimentos mostram que a máxima pressãosob condições de inatividade a uma temperatura de 60°C facilmente pode sermantida abaixo de 80 bar (8000 kPa) como CO2 como refrigerante. Ainvenção pode ser usada para reduzir o peso e custo do sistemasignificativamente, mesmo com uma construção simples do sistema.Descrição Sucinta dos Desenhos

A invenção será adicionalmente descrita a seguir meramente atítulo de exemplos e com referência aos desenhos, nos quais:

A fig. 1 ilustra um circuito simples para um sistema decompressão de vapor;

A fig. 2 mostra um exemplo de como a pressão varia nosistema sob condições de inatividade para temperatura variável quandoprojetado de acordo com a invenção e comparado com o WO 97/27437;

A fig. 3 ilustra como o volume e a carga dos diferentescomponentes em um sistema típico de acordo com a invenção contribuempara a carga do sistema para uma carga de sistema ideal comparada com ovolume para faixas de carga de acordo com WO 94/140166 e WO 97/27327,como indicado com áreas hachuradas no diagrama;

A fig. 4 mostra o coeficiente máximo de desempenho (COP)que é dado pela carga ideal do sistema e como o coeficiente de desempenhodecresce se a carga é mais alta ou mais baixa que aquela ideal;

A fig. 5 é um exemplo de um ciclo modificado de maneira aaperfeiçoar o funcionamento do sistema;

A fig. 6 é um exemplo de sistema de condicionamento de arreversível e sistema de bomba de calor.

Descrição Detalhada da Invenção

A fig. 1 ilustra um sistema de compressão de vaporconvencional que compreende um compressor 1, um dissipador de calor 2,um dispositivo de expansão 3 e um absorvedor de calor 4 conectados em umsistema de circulação fechado.

Ao utilizar por exemplo CO2 como refrigerante, a pressão dolato alto pode às vezes ser subcrítica porém um sistema deste tipo tem de sersuscetível de operar à pressão do lado alto supercrítica a temperaturas maisaltas do dissipador de calor, de maneira a obter eficiência ideal do sistema. Olado alto do sistema por conseguinte tem de ser calculado para uma pressãooperacional correspondentemente alta, para CO2 pode estar tipicamente nafaixa superior a 110 bar (11000 kPa) se o ar é usado como um dissipador decalor. O lado baixo do sistema, todavia, poucas vezes exigirá pressõesoperacionais superiores por exemplo a 60 bar (6000 kPa), correspondente auma temperatura de evaporação de cerca de 22°C. A pressão sob condições deinatividade então freqüentemente prescreverá a pressão calculada do lado debaixa pressão, uma vez que o sistema com freqüência tem de poder suportartemperaturas em inatividade de até 60°C ou mais altas. Sob estas condições, onível de pressão pode muitas vezes ser tão alto quanto a máxima pressãooperacional do lado alto do sistema e o sistema pode ser exposto a estes tiposde temperaturas.

A importância da máxima pressão para o cálculo decomponentes é demonstrada por alguns dos códigos existentes, standards eprática usual. Comumente, cinco vezes a máxima pressão é requerida como apressão de arrebentamento mínima. Um componente que pode ser exposto a120 bar (12000 kPa) então exigirá suportar 600 bar (60000 kPa), ao passo queum componente que pode ser exposto a 70 bar (7000 kPa) somente exigecapacidade para suportar 350 bar (35000 kPa). Isto pode levar a umasignificativa diferença em custo de fabricação, dimensão e peso. Isto seráespecialmente importante para componentes como (compressores semi-herméticos, onde a dimensão do casco é bastante grande, prescrevida pelasdimensões do motor elétrico).

De acordo com a invenção é possível calcular ou projetar osistema com relação à carga de refrigerante e volume de diferentescomponentes de forma a reduzir a máxima pressão sob condições deinatividade. Assim, a pressão calculada necessária para o lado baixo dosistema pode ser reduzida de uma maneira simples, sem se afasta da pressãodo lado alto ideal durante a operação do sistema. Isto contribui em um sistemade baixo custo com eficiência ideal.

A intenção da invenção pode ser obtida adaptando o volumeinterno de componentes que contém vapor/gás refrigerante a operação normalno lado de pressão baixa do sistema, condições operacionais ideais podem serobtidas com uma baixa carga para um volume interno dado do sistema. Assima pressão calculada mais baixa possível para os elementos de construção dosistema pode ser obtida. O volume pode por exemplo ser adaptado como umtubo de dimensão maior, que é relativamente econômico mesmo para valoresde pressão mais alta, de maneira a reduzir a pressão calculada do casconecessária de um compressor hermético.

A fig. 2 mostra como a pressão em um sistema de acordo coma invenção pode variar com a temperatura para um sistema de temperaturauniforme em inatividade, ver a curva marcada com 10. Como pode ser visto, apressão no sistema mesmo sob temperaturas ambiente elevadas está abaixo dapressão crítica do refrigerante. Uma curva típica 11 para um sistema deacordo com WO 97/27437 é também incluída, para comparação. Como podeser visto a diferença é significativa.

A fig. 3 mostra como a relação carga/volume acumulada variaatravés das diferentes partes de um sistema selecionado carregado paraproporcionar ótima eficiência no ponto calculado para o sistema, de acordocom a invenção. Como pode ser claramente visto, a carga extrema por volumeinterno no total para este sistema termina em cerca de 0,14 kg/l 20, que estábem abaixo dos limites descritos em WO 94/14016 e WO 97/27437 e que éindicada pelas áreas hachuradas, 21 e 22, respectivamente.

A fig. 4 ilustra como a carga ideal mencionada 30 confere amáxima eficiência, COP, para um sistema de acordo com a invenção, COP édefinida como a relação entre capacidade de resfriamento para um sistema derefrigeração e o insumo de energia para o sistema. Quando a carga é mais altaou mais baixa, o COP decresce rapidamente a um valor significativamenteinferior aquele dado pela carga ideal.

As figs. 2-4 são baseadas sobre simulações detalhadas para umsistema de acordo com a invenção compreendendo um compressor hermético,um trocador de calor interno, um evaporador e um resfriador de gás. A fig. 4corresponde a valores para o sistema quando operado à temperatura ambientede +40°C para rejeição de calor e com a temperatura de evaporação na faixade -1°C a -2°C dependendo da carga e capacidade do sistema. A pressão altaoperacional pode variar entre 70-120 bar (7000-12000 kPa) dependendo dacarga e da temperatura ambiente. A capacidade de resfriamento foi de cercade 700 Watts.

Uma vez que a carga ideal dependerá de fatores comocondições operacionais, elementos de construção do sistema e solubilidade dorefrigerante no lubrificante, a especificação de uma carga por volume internounitário do sistema não é muito pertinente ou útil na prática. De acordo com ainvenção a carga está relacionada com uma máxima pressão resultante nosistema a uma temperatura dada durante inatividade, significando que osistema tem uma temperatura uniforme, isto é, a mesma para o inteirosistema. De acordo com a invenção, esta pressão deve ser a 1,26 da pressãocrítica do refrigerante quando a temperatura do sistema é equalizada a umatemperatura de até 60°C. A pressão resultante a esta temperatura, ou qualqueroutra temperatura que é definida como a máxima temperatura em inatividade,será importante de forma a definir a pressão calculada do lado baixo dosistema, enquanto o valor exceder a máxima temperatura operacional do ladobaixo. Para CO2 puro este limite de pressão corresponde a uma pressão decerca de 93 bar (9300 kPa) à temperatura dada.

Nenhum limite de pressão inferior é designado para ainvenção, uma vez que pressões resultantes mais baixas satisfarão asintenções da invenção, isto e, realizar uma redução da pressão em inatividadecalculada. Todavia, não é provável que a pressão em inatividade a estatemperatura de 60°C, possa ser inferior a 0,14 vezes a pressão crítica, paraCO2 puro correspondente a cerca de 10 bar (1000 kPa).

Vários aperfeiçoamentos da eficiência ou das condiçõesoperacionais do sistema podem ser obtidos utilizando diferentes tipos decomponentes, como compressores de capacidade variável, máquinas deexpansão, diferentes dispositivos de estrangulamento, trocadores de calorinternos, estrangulamento para pressão intermediária ou outrosaperfeiçoamentos de ciclo. Ainda será possível dentro do âmbito de proteçãoconforme definido na reivindicação 1 da invenção, reduzir a pressão calculadade várias partes do sistema, e desse modo reduzir o custo do sistema a umvalor mínimo. Isto também será válido para um receptor incluído no ladobaixo do sistema, se é preferível pela mesma razão incluir um receptor nosistema, não como um vaso em separado proposto para servir como um vasode expansão, como descrito no WO 94/14016, porém como uma parteintegrante do circuito de circulação do sistema.

A fig. 5 mostra uma configuração de sistema possível com umciclo modificado. O sistema do exemplo compreende um compressor de doisestágios 41, um dissipador de calor 42, um meio de expansão 43 ,umabsorvedor de calor 44, um trocador de calor interno 45, outro meio deexpansão 46 e um sub-resfriador interno 47. O estrangulamento para pressãointermediária é realizado de maneira à sub-resfriar o refrigerante de altapressão antes de estrangulamento no sub-resfriador 47, e para reduzir atemperatura final de compressão através da injeção de gás sob pressãointermediária durante a compressão ou entre os dois estágios de umcompressor de duplo estágio 41. De acordo com a invenção a pressãocalculada dos componentes sob pressão intermediária também pode serreduzida, por exemplo o lado de pressão intermediária do trocador de calor 47e as partes do compressor 41 expostas à pressão intermediária.

Um sistema caracterizado pelo fato de que a operação dosistema poder ser revertida, por exemplo como mostrado na fig. 6, tambémpode se beneficiar da invenção. O exemplo mostra um sistema de bomba decalor reversível compreendendo um compressor 51, um trocador de calor 52,um dispositivo de expansão 53, um trocador de calor 54, um trocador de calorinterno 55, outro dispositivo de expansão 56, uma válvula de quatro entradasou saídas 57, uma válvula unidirecional 58 e outra válvula unidirecional 59. Olado de aspiração do compressor sempre estará à baixa pressão no sistema epode assim, beneficiar-se de uma pressão calculada mais baixa conformedescrito anteriormente. O trocador de calor 52, que na modalidade deresfriamento é o evaporador/absorvedor de calor, no lado baixo do sistema, namodalidade de aquecimento estará no lado alto do sistema. A alta pressãomáxima na modalidade de aquecimento, todavia, é com freqüência tão baixaquanto pode ser de 70-80 bar (7000 a 8000 kPa), assim, uma pressão máximainferior em inatividade de acordo com a invenção por conseguinte tambémserá vantajosa para este componente.

O refrigerante preferencial de acordo com a invenção e odióxido de carbono porém a invenção também pode ser usada para misturasde dióxido de carbono e outros fluidos, que podem exibir as mesmascaracterísticas, operado em um ciclo transcritico durante determinadascondições operacionais.

Deve ser enfatizado que o uso da invenção não está limitadoaos exemplos e figuras explanadas na descrição precedente, porém dentro doâmbito das reivindicações a invenção é aplicável a todossistemas onde a intenção da invenção possa ser utilizada.

Claims (9)

1. Sistema de refrigeração por compressão incluindo umcompressor (1), um dissipador ou rejeitador de calor (2)„ um dispositivo deexpansão (3) e um absorvedor de calor (4) conectados em um circuito decirculação fechado que pode operar com pressão supercrítica no lado altocaracterizado pelo fato de que a carga refrigerante e a construção decomponentes do sistema correspondem a uma pressão em estado inativo nointerior do sistema que é inferior a 1,26 vez a pressão crítica do refrigerantequando a temperatura do inteiro sistema é equalizada em 60°C; e em quedióxido de carbono ou uma mistura refrigerante contendo dióxido de carbonosão aplicados como o refrigerante no sistema.

2. Sistema de acordo com a reivindicação I, caracterizado pelofato de que um compressor de múltiplos estágios ou de capacidade variável éusado.

3. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesprecedentes 1 a 2, caracterizado pelo fato de que o compressor é de umaconstrução semi-hermética ou hermética.

4. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesprecedentes 1-3, caracterizado pelo fato de que ele também compreende umtrocador de calor interno.

5. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesprecedentes 1 a 4, caracterizado pelo fato de que ele é projetado para operaçãotranscrítica.

6. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesprecedentes 1 a 5, caracterizado pelo fato de um receptor ou componenteextra proporcionam volume extra no sistema.

7. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesprecedentes 1 a 6, utilizando CO2 como refrigerante, caracterizado pelo fatode que a carga do sistema está entre 18 e 250 gramas por litro do volumeinterno total do sistema.

8. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesprecedentes 1 a 7, caracterizado pelo fato de que modificações de ciclo, taiscomo, mas não limitadas a, estrangulamento à pressão intermediária, sãorealizadas de maneira a aperfeiçoar a eficiência e ou condições operacionais.

9. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesprecedentes 1 a 8, caracterizado pelo fato de que a operação do sistema podeser revertida.