BR112016011701B1 - Dispositivo refrigerante para aumentar a eficiência termodinâmica - Google Patents

Abstract

dispositivo refrigerante para aumentar a eficiência termodinâmica trata-se de uma bomba de calor que compreende um circuito fechado que contém um fluido refrigerante e um lubrificante, sendo que o circuito fechado compreende um compressor de fluido (1) e um circuito de retorno para retornar o fluido para o compressor, sendo que o compressor se estende no circuito fechado entre uma entrada de fluido e uma saída de fluido, sendo que o circuito de retorno se estende no circuito fechado, de modo complementar para o compressor, entre a saída de fluido e a entrada de fluido, sendo que o circuito de retorno compreende um condensador (2) , um expansor (3) e um evaporador (4) , sendo que o dito circuito de retorno compreende uma primeira linha que se estende entre a saída de fluido e o condensador, uma segunda linha que se estende entre o condensador e o expansor, uma terceira linha que se estende entre o expansor e o evaporador, e uma quarta linha que se estende entre o evaporador e a entrada de fluido, sendo que o dito circuito fechado compreende um primeiro alargamento (5) de uma linha do circuito de retorno, que contém canos (50), sendo que o fluido compreende uma mistura de um primeiro freon r32 (difluorometano) , um segundo freon r125 (pentafluoroetano) e um terceiro freon r134a (1,1,1,2- tetrafluoroetano), e o lubrificante que compreende um óleo de polioléster sintético.

Description

[001] A invenção refere-se a uma bomba de calor e, em particular, ao aprimoramento da eficiência termodinâmica de uma bomba de calor.

[002] A técnica anterior conhece, a partir do pedido internacional WO 2009/004124, um dispositivo anterior para produzir calor, em um sistema termodinâmico, através de circulação de um fluido pressurizado através de uma pluralidade de canos em um alargamento de uma linha de uma bomba de calor em que o fluido está em forma gasosa, entre um trocador e um compressor.

[003] Embora esse dispositivo anterior produza calor, continua dificil para a técnica anterior adaptar o mesmo à criação de uma bomba de calor que possa ser usada como uma caldeira no inverno em uma residência, ou de uma bomba de calor reversível, que possa ser usada como uma caldeira no inverto e como uma unidade de ar condicionado no verão. Tal bomba cria uma transferência de calor em vez de uma produção de calor.

[004] Os Documentos WO 2009/053726, U.S. 2009/11J900, JP 2001/317840 e WO 2013/164439 descrevem outros dispositivos da técnica anterior.

[005] O objetivo da presente invenção é superar as desvantagens da técnica anterior.

[006] Uma matéria da presente invenção consiste, portanto, em uma bomba de calor que compreende um circuito fechado que contém um fluido refrigerante e um lubrificante, sendo que o circuito fechado compreende um compressor de fluido e um circuito de retorno para retornar o fluido para o compressor, sendo que o compressor se estende no circuito fechado entre uma entrada de fluido e uma saida de fluido, sendo que o circuito de retorno se estende no circuito fechado, de modo complementar para o compressor, entre a saida de fluido e a entrada de fluido, sendo que o circuito de retorno compreende um condensador, um expansor e um evaporador, sendo que o dito circuito de retorno compreende uma primeira linha que se estende entre a saida de fluido e o condensador, uma segunda linha que se estende entre o condensador e o expansor, uma terceira linha que se estende entre o expansor e o evaporador e uma quarta linha que se estende entre o evaporador e a entrada de fluido, sendo que o dito circuito fechado compreende um primeiro alargamento de uma linha do circuito de retorno que contém canos, sendo que o fluido compreende uma mistura de um primeiro Freon R32 (difluorometano), um segundo Freon R125 (pentafluoroetano) e um terceiro Freon R134a s (1,1,1,2-tetrafluoroetano) e o lubrificante que compreende um óleo de polioléster sintético.

[007] Em algumas modalidades da invenção: - o circuito fechado compreende um segundo alargamento de uma linha do circuito de retorno; - o dito primeiro alargamento é posicionado na dita primeira linha; - dito segundo alargamento é posicionado na dita segunda linha; - o óleo de polioléster sintético é da classe ISO VG 32; - o óleo de polioléster sintético da classe ISO VG 32 tem o nome comercial Emkarate® RL32-3 MAF; - o fluido refrigerante é um Freon R407C; - o fluido refrigerante é um Freon R407A; - os canos são posicionados verticalmente; - o primeiro alargamento é posicionado verticalmente; - o primeiro alargamento é posicionado verticalmente e com fluido ascendente; - o segundo alargamento é posicionado verticalmente.

[008] A invenção também se refere a: um uso de uma bomba de calor conforme descrito acima, para os propósitos de aquecimento de um invólucro, em que o evaporador é levado para contato térmico com o lado de fora do invólucro e o condensador é levado para contato térmico com o lado de dentro do invólucro a fim de aprimorar a eficiência termodinâmica da operação de aquecimento; - um uso de uma bomba de calor conforme descrito acima, para os propósitos de resfriamento de um invólucro, em que o evaporador é levado para contato térmico com o lado de dentro do invólucro e o condensador é levado para contato térmico com o lado de fora do invólucro a fim de aprimorar a eficiência termodinâmica da operação de resfriamento;

[009] Em uma variante, o dito fluido refrigerante ascende no primeiro alargamento.

[010] Esses recursos e outros da presente invenção se tornarão mais claramente aparentes na descrição detalhada a seguir feita em referência ao desenho anexo, dada sem limitação implicita e em que a Figura 1 representa esquematicamente uma bomba de calor de acordo com uma modalidade vantajosa da presente invenção.

[011] Para os propósitos da presente revelação, as seguintes designações são usadas: "Bomba de calor": um dispositivo termodinâmico para transferir calor de uma fonte resfriada pela bomba de calor retirando-se calor dessa fonte (ou dissipador de calor), em contato com um evaporador da bomba, para uma fonte aquecida pela bomba através de evacuação de calor dessa fonte (ou fonte de calor) em contato com um condensador da bomba. Uma bomba também compreende um compressor alimentado por uma fonte de energia externa que torna possivel a transferência de calor do dissipador de calor para a fonte de calor, de acordo com a segunda lei de termodinâmica e compreende um expansor para reduzir a pressão imposta no fluido, pelo compressor. 0 condensador e o evaporador, que são os trocadores de calor da bomba, são conectados por duas ramificações ou linhas de transporte de fluido refrigerante, formando um circuito fechado que compreende, em série no circuito, em uma das ramificações, o compressor e, em série no circuito, na outra ramificação, o expansor. 0 circuito fluidico fechado contém, de uma maneira vedada a vazamentos, um fluido refrigerante, feito para fluir no circuito pelo compressor e que circula especificamente do evaporador para o condensador, através do compressor e que circula do condensador para o evaporador, através do expansor. A bomba é adaptada para retirar calor do dissipador de calor, através de evaporação desse fluido no evaporador, para transportar calor para a fonte de calor do evaporador para o condensador através do compressor e abandonar esse calor para a fonte de calor, através de condensação do fluido no condensador. "Bomba de calor reversível": uma bomba de calor que opera entre um dissipador de calor e uma fonte de calor em que um sistema adicional conhecido de válvulas fluidicas torna possivel mover de um modo de aquecimento da fonte de calor, em contato com um primeiro trocador, por um dissipador de calor, em contato com um segundo trocador, para um modo de resfriamento da fonte de calor, revertendo- se a direção de circulação do fluido no circuito, ou revertendo-se a ordem dos trocadores no circuito para a mesma direção de circulação do fluido. Uma bomba de calor reversível necessita de uma transferência de calor e não uma criação. "COP": um coeficiente de desempenho Q/W que caracteriza a eficiência termodinâmica de uma bomba através de uma razão de energia entre a energia Q, em forma térmica transferida pela bomba do dissipador de calor para a fonte de calor e a energia W, na forma de trabalho, normalmente trabalho elétrico, necessária para a operação da bomba. Um número alto caracteriza uma bomba eficiente. Esse número pode ser maior do que um sem contradizer a segunda lei de termodinâmica. "Freon": nome comercial comum de clorofluorocarbonos ou CFCs classificados por vários corpos tal como especificamente a "ASHRAE" (Sociedade Americana Engenheiros de Aquecimento, Refrigeração e Ar-Condicionado, Inc.) de acordo com uma lista numerada em que um Freon é identificado por um número "abc", em que a = (número de C) -1, b = (número de H) + 1 e c = número de F. Se a for igual a 0, isso é omitido na formula. Freons são denominados no pedido tanto por sua fórmula quimica quanto pelo nome "Freon" seguido por um número abc da classificação, ou por F seguido por um número abc, ou por R seguido por abc.

[012] No pedido, o seguinte será, desse modo, particularmente considerado: - Freon 32 ou R32 ou F32 que é difluorometano; - Freon 125 ou R125 ou F125 que é pentafluoroetano; Freon 134a ou F134a ou R134a que é 1,1,1,2- tetrafluoroetano; - Freon R407C que é uma mistura tipicamente de 23% de R32, 25% de R125 e 52% de R134a (porcentagens em peso), R407A (20%, 40%, 40%) e R407F (30%, 30%, 40%) . Sendo que todas as misturas de R32, R125 e R134 são denotadas por "familia Freon R407", uma subfamilia da familia que consiste em todos os Freons dentre o conjunto de fluidos refrigerantes ou agentes refrigeradores. R407A é especificamente menos rica em R134a do que R407C. "Óleos sintéticos" ou "óleos de POE": óleos de polioléster sintéticos usados para os propósitos de lubrificação do compressor de uma bomba de calor, especificamente para aquecer ou resfriar habitações, que usam R32, R125 e R134a na composição do fluido refrigerante usado por essa bomba. Esses óleos são perfeitamente misciveis, nas temperaturas de evaporador e de condensação da bomba, com R32, R125 e R134a, a fim de permitir um retorno de óleo misturado com esses Freons na fase liquida, do condensador para o evaporador da bomba. Os Freons R32, R125 e R134a na fase gasosa também são solúveis nesses óleos, de modo a assegurar um retorno na fase gasosa do Freon do evaporador para o compressor da bomba e para promover da melhor forma possivel o transporte do óleo, especialmente na forma de uma névoa de óleo carregada com Freon entre o compressor e os trocadores de calor da bomba, ou seja, a montagem consiste em dois elementos que são o evaporador e o condensador da bomba. "Posicionada verticalmente": em uma bomba de calor em funcionamento normal in normal denota, para um alargamento de uma linha ou canos de uma linha, uma orientação que define uma direção de fluxo paralela ou antiparalela ao campo de gravidade. Essa noção também denota uma linha ou canos em que os regimes de fluxo de duas fases em canos verticais se aplicam preferencialmente aos regimes de fluxo de duas fases horizontais, devido a sua orientação. Mais geralmente, essa noção também denota uma linha ou canos que têm um declive para um fluxo e que não é, portanto, horizontal. A noção não é, portanto, limitada, dentro do significado da invenção, a um paralelismo rigido ao campo de gravidade de canos ou de um alargamento de uma linha.

[013] 0 circuito fechado compreende o compressor de fluido 1 e um circuito de retorno para retornar o fluido para o compressor. 0 compressor se estende no circuito fechado entre a entrada de fluido e a saida de fluido, sendo que o circuito de retorno se estende no circuito fechado, de modo complementar para o compressor, entre a saida de fluido e a entrada de fluido. 0 circuito de retorno compreende o condensador 2, o expansor 3 e o evaporador 4. O dito circuito de retorno desse modo compreende uma primeira linha que se estende entre a saida de fluido e o condensador, uma segunda linha que se estende entre o condensador e o expansor, uma terceira linha que se estende entre o expansor e o evaporador e uma quarta linha que se estende entre o evaporador e a entrada de fluido.

[014] De acordo com a invenção, o dito circuito fechado compreende um primeiro alargamento 5 de uma linha do circuito de retorno que contém canos 50; sendo que o fluido compreende uma mistura de um primeiro Freon R32 (difluorometano) , um segundo Freon R125 (pentafluoroetano) e um terceiro Freon R134a (1,1,1,2-tetrafluoroetano) e o lubrificante compreende um óleo de polioléster sintético.

[015] A invenção é descrita abaixo a titulo de exemplo com referência a uma Figura 1, que representa uma bomba de calor fornecida com dois alargamentos de linha: uma primeira linha alargamento 5, com canos 50, posicionados uma saida de fluido do compressor 1 da bomba e um condensador 2 da bomba e um segundo alargamento 6 sem canos posicionados entre o condensador 2 e o expansor 3 da bomba. A bomba também tem um evaporador 4. Entretanto, um único alargamento pode também ser previsto.

[016] Pode ser feito uso, por exemplo, de uma bomba de calor para aquecimento de marca AIRWELL® e que tem uma potência nominal de 12 kW.

[017] A invenção pode também ser executada com uma bomba de calor de referência AIRMEC®, do modelo ANF 50 com uma potência de 15 kW ou o modelo ANF 100 com uma potência igual a 35 kW. A invenção não é, portanto, limitada a um fabricante ou a um modelo especifico.

[018] A bomba pode usar um conjunto de linhas de cobre que tem um diâmetro interno de quatorze milímetros (14 mm) que forma um circuito fechado que é vedado a vazamentos em relação a gases e a liquidos, sendo que o circuito fechado é imerso na atmosfera.

[019] Inserido nesse circuito está um compressor 1 de referência ZB38KCE que tem uma entrada de fluido e uma saida de fluido. Percorrendo-se através do circuito fechado fora do compressor, da saida de fluido ou da descarga do compressor para a entrada de fluido do compressor ou influxo, encontrados em série no circuito fechado estão um primeiro alargamento 5 com canos 50, um condensador 2, um segundo alargamento 6 sem canos, um expansor 3 e um evaporador 4.

[020] O primeiro alargamento com canos consiste, sobre uma primeira linha de 14 mm, em um aumento local no diâmetro interno da linha ou primeiro alargamento. Esse primeiro alargamento 5 contém canos internos 50, por exemplo, sete tubos que têm um diâmetro interno de 5 mm para um diâmetro externo de 8,5 mm, cercado pelo primeiro alargamento da linha. 0 diâmetro interno do alargamento é adequado para ser capaz de circular os tubos e a espessura do alargamento é adequada para resisti à pressão máxima especificada para o fluido nessa parte da bomba.

[021] O diâmetro interno do alargamento é, para 7 tubos dispostos de modo compacto, igual a 3 vezes o diâmetro externo de um tubo, isto é, cerca de 25,5 mm. Para um número maior de tubos, esse diâmetro interno do alargamento pode ser deduzido como sendo o diâmetro externo dos tubos, retido de uma maneira compacta.

[022] Uma soma dos cortes transversais internos dos tubos de 5 mm será escolhida que é igual ao corte transversal interno da linha de 14 mm para uma bomba de 15 kW e que é igual ao dobro do corte transversal interno para uma bomba de 35 kW.

[023] Se uma linha de corte transversal interno maior for dotada de um alargamento, a mesma razão entre o diâmetro dos canos e o diâmetro da linha que a dessa primeira modalidade será escolhida, isto é, aqui uma razão igual a 14 mm/5 mm ou 2.8.

[024] O comprimento dos canos do primeiro alargamento será tomado como igual a cerca de 22 cm para uma bomba de origem de AERMEC® e 13 cm para uma bomba de origem de AIRWELL®.

[025] O condensador, um elemento conhecido, é encontrado no circuito após o primeiro alargamento.

[026] O segundo alargamento é projetado para operar na fase liquida para o fluido refrigerante e o óleo, é, por exemplo, idêntico ao primeiro alargamento, mas pode ou não compreender canos, sendo que estes não foram reconhecidos como essencial para obter o efeito da invenção com o segundo alargamento presente no circuito além do primeiro alargamento. 0 segundo alargamento é seguido, a jusante, pelo expansor. O expansor é um elemento conhecido, que opera principalmente na fase liquida, em sua entrada e é projetado para produzir uma mistura de duas fases de gás e líquido na operação normal da bomba de calor da invenção.

[027] O expansor é seguido, a jusante, pelo evaporador, um elemento conhecido.

[028] Em um uso no modo de aquecimento, a bomba é levada para contato, no evaporador, com a atmosfera que circunda um invólucro a ser aquecido e no condensador com um circuito para aquecer o invólucro.

[029] Em um uso no modo de resfriamento, a bomba é levada para contato no evaporador com um invólucro a ser resfriado e no condensador com a atmosfera que circunda o invólucro.

[030] Válvulas fluidicas conhecidas podem tornar possivel passar, por meio de uma ação do usuário de um modo de aquecimento para um modo de resfriamento, se a bomba de acordo com a invenção for reversivel.

[031] O Freon escolhido para todas as bombas é um Freon R407C ou R407A e o óleo pé um óleo EMKARATE® RL32-3 MAF, miscivel com o Freon escolhido em todas as temperaturas de operação.

[032] Geralmente, para a implantaçao da invenção, será feito uso de um fluido refrigerante ou agente refrigerador e um óleo que são misciveis uns com os outros.

[033] A familia de fluido refrigerante formada pelos Freons de designação R407 e os óleos misciveis com os Freons dessa familia especificamente constituem um conjunto de fluidos que podem ser usados mm a invenção.

[034] Independentemente da explicação do fenômeno fisico por trás da invenção aplicada a uma bomba comercial modificada pelo primeiro alargamento com canos e o segundo alargamento e que opera com uma mistura de óleo EMKARATE® RL32-3 MAF e uma mistura de R32, R125 e R134a, certas indicações abaixo que foram observadas pelo requerente durante diversos experimentos podem ser usadas por uma pessoa versada na técnica para reproduzir, adaptar ou estender a invenção a outras misturas de fluido refrigerantes e óleo e para projetar, em virtude do ensinamento da mesma, uma bomba de calor que tem eficiência termodinâmica aprimorada.

[035] 0 principio geral da invenção é estimado na data da patente para ser a habilidade de transportar o óleo de uma bomba de calor, na forma de uma emulsão de gotas de óleo, adequada para aumentar as trocas de calor no condensador e no evaporador da bomba. Os meios da invenção que são o primeiro e o segundo alargamento, portanto, tendem a regenerar ou manter essa emulsão em sua forma adequada para aprimorar a operação dos trocadores de calor (condensador e evaporador) da bomba.

[036] A presença de gotas, tomadas como sinônimo de bolhas (que contêm gás) em um meio de transporte de gás, ou de gotas tomadas como sinônimas de "antibolhas" (bolhas de óleo que contêm gás) em um meio de transporte de liquido, é considerado como se fornecesse locais de nucleação para a condensação do meio de transporte ou a evaporação desse meio, que favorece as trocas de calor, durante suas mudanças de fase nos trocadores da bomba.

[037] Essa emulsão é estimada, na fase gasosa, a ser uma névoa de goticulas que forma uma emulsão "monodispersa" de óleo em uma fase gasosa (isto é, que tem goticulas para as quais os valores dos diâmetros são centrados fortemente em um valor comum) , que tem uma vida útil suficiente para alcançar o condensador e aprimorar as trocas de calor no mesmo. A invenção, portanto, usa um primeiro meio para formar uma névoa de óleo entre o compressor e o condensador. Um meio especifico é, desse modo, um meio para impor uma pressão negativa em gotas de óleo que absorveram um gás refrigerante de transporte devido à solubilidade do gás no óleo e para dar origem à aparição de bolhas de gás nas gotas que são capazes de estourar em goticulas mais finas.

[038] Essa emulsão é estimada, na fase liquida, a ser uma mistura de goticulas de óleo que formam uma emulsão "monodispersa" de óleo em uma fase liquida, que tem uma vida útil suficiente para alcançar o expansor, para passar através do mesmo, para alcançar o evaporador e para aprimorar as trocas de calor no mesmo, a fim de finalmente retornar ao compressor regularmente ao longo do tempo e na forma de uma névoa de óleo que tem um diâmetro uniforme de gotas de óleo e para aprimorar a eficiência isentrópica do mesmo através de uma lubrificação aprimorada, em comparação com uma comercial bomba.

[039] A invenção, desse modo, usa a fim de aprimorar o COP de uma bomba de calor, um primeiro meio para formar uma névoa de óleo entre o compressor e o condensador e um segundo meio para formar uma dispersão de gotas de óleo na fase liquida entre o condensador e o compressor, sendo que é possivel para essas gotas estourarem em goticulas ou em bolhas na passagem através do expansor e para alcançar o evaporador.

[040] Os elementos da invenção que são o primeiro alargamento com canos e o segundo alargamento pode, desse modo, ser adaptados por uma pessoa versada na técnica a fim de alcançar esse objetivo.

[041] Apenas o alargamento com canos é anteriormente conhecido na fase gasosa com qualquer Freon e como fonte de calor secundária.

[042] 0 aprimoramento na eficiência termodinâmica ou no COP do conjunto de uma bomba de calor que usa um ou mais alargamentos, um fluido refrigerante especifico e um óleo miscivel com o fluido refrigerante, não foi, portanto, esperado, na técnica anterior. O efeito obtido torna possível prever usos de aquecimento ou resfriamento com uma bomba dotada de pelo menos um alargamento.

[043] Esse aprimoramento é obtido sem um aumento em temperatura nos contornos do primeiro alargamento por si só, que não opera, portanto, como uma fonte de calor secundária.

[044] Foi, desse modo, possível com a invenção observar, com R407C e com um único alargamento com canos, um aumento no COP de 27% em +7 °C, em uma bomba AIRWELL®.

[045] Com R407A, um aumento em COP de 21% foi obtido na mesma temperatura.

[046] Resultados comparáveis, como porcentagens de aumento no COP, foram obtidos para uma bomba ANF 50 ou ANF 100 AERMEC®.

[047] Entretanto, com um único alargamento, esse resultado de aprimoramento no COP é degradado abaixo da temperatura de +7 °C quando um único alargamento é usado. O mesmo se torna especialmente inutilizável na prática a 0 °C, sendo que a porcentagem de aumento no COP se torna menor do que 10%.

[048] A fim de obter um aumento no COP sobre uma faixa estendida de -7 °C a +7 °C, o segundo alargamento é, portanto, adicionado ao primeiro alargamento.

[049] Nesse caso, para uma máquina de marca AIRWELL", os recursos de aumento em potência térmica observados foram os seguintes com os dois alargamentos, também denominado "kit" da invenção: A) MÁQUINA AIRWELL® de 12 kW NOMINAL - ÓLEO de POE E R407C

[050] A.l) Temperatura 7 °C: potência de fabricante 12,72 kW; potência com kit 16,1; aumento no COP 27%

[051] A.2) Temperatura 0 °C: potência de fabricante 10,65 kW; potência com kit 14,24; aumento no COP 34%

[052] A.3) Temperatura -7 °C: potência de fabricante 8,5 kW; potência com kit 11,67; aumento no COP 37% B) MÁQUINA AIRWELL® de 12 kW NOMINAL - ÓLEO de POE E R407A

[053] B.l) Temperatura 7 °C: potência de fabricante 12,67 kW; potência com kit 15,28; aumento no COP 21%

[054] B.2) Temperatura 0 °C: potência de fabricante 11,09 kW; potência com kit 13,65; aumento no COP 23%

[055] B.3) Temperatura -7 °C: potência de fabricante 9,03 kW; potência com kit 10,32; aumento no COP 14%

[056] Resultados comparáveis, como porcentagens de aumento no COP, foram obtidos para uma bomba ANF 50 ou uma bomba ANF 100 AERMEC®.

[057] É, portanto, observado que os dois alargamentos tornam possivel assegurar um aumento no COP sobre uma faixa de temperatura inteira e especialmente as temperaturas mais frias. Também é observado que em um modo preferencial da invenção, será feito uso de R407C e um óleo miscivel com o mesmo tal como um óleo de polioléster ou de POE.

[058] Esses resultados, portanto, demonstram a utilidade da invenção em termos de economia de energia no uso de uma bomba de calor.

[059] Os elementos desse primeiro modo são definidos abaixo de uma maneira mais detalhada.

[060] 0 primeiro alargamento é composto sobre seu comprimento e percorre ao longo do circuito fechado da saida de fluido do compressor para a primeira linha que une a saida de fluido do compressor ao condensador, de uma primeira zona de aumento em diâmetro interno da linha, de uma segunda zona de diâmetro interno constante da linha e de uma terceira zona de decréscimo em diâmetro interno da linha.

[061] De uma maneira conhecida, a mudança em diâmetro da primeira zona pode ser executada por um primeiro cone, o ângulo do ápice do qual torna possivel, para as condições de operação fluidicas normais da bomba, levar a uma separação das linhas de fluxo que percorrem através da bomba.

[062] De uma maneira conhecida, a mudança em diâmetro da terceira zona pode ser executada por um segundo cone, o ângulo do ápice do qual torna possivel, para as condições de operação fluidicas normais da bomba, não levar a uma separação das linhas de fluxo que percorrem através da bomba.

[063] De qualquer forma, a segunda zona do primeiro alargamento será vantajosamente posicionada verticalmente, quando o fluido refrigerante for uma mistura de Freons e óleo. Essa zona terá, desse modo, uma disposição de chaminé ou uma função de chaminé ou duto vertical para o primeiro alargamento, que opera, normalmente, com um fluido refrigerante gasoso e gotas de óleo.

[064] Essa disposição irá habilitar uma transferência de calor para o condensador e não uma produção de calor que não alcança o condensador, aumentando-se a vida útil da emulsão de Freon e gotas de óleo após o fluido ter passado através do primeiro alargamento e habilitando-se os mesmos a alcançar o condensador apesar da coalescência.

[065] Tal estrutura vertical habilita, para um Freon ou uma mistura de Freons que é/são solúveis em um óleo presente como gotas transportadas com o gás, diversos efeitos simultâneos que resultam na criação e ou regeneração de uma emulsão de gás e óleo que é estável ao longo do tempo, tal como aquela produzida convencionalmente pelo compressor, em sua saida de descarga e em que as gotas são normalmente "polidispersas" (isto é, consideravelmente variável acerca de um valor central) em termos de diâmetro.

[066] Pode-se mencionar, dentre esses efeitos, a: - uma expansão de Joule-Thomson no primeiro cone torna possivel, para a porção dos gases solúveis nas gotas de óleo, formar bolhas que estouram em goticulas que são menores do que as gotas e que são bem dimensionadas; - uma separação das linhas de fluxo do fluido que dá origem a um volume morto no primeiro cone em que turbulências são criadas que dividem as gotas que são transportadas para as mesmas; uma seleção das gotas pelos tubos verticais que proibe ou desencoraja a circulação do óleo em forma de filme para o condensador, dando-se origem a ondas ao longo dos tubos e produzindo-se espuma de goticulas ao longo desses tubos a partir de um filme de óleo nas paredes dos tubos; - uma seleção das gotas pelos tubos verticais que age como um colimador da direção das gotas e da massa das mesmas, favorecendo-se o transporte das goticulas em vez das gotas, a massa das gotas que favorece a captura das mesmas ao longo dos tubos e a transformação das mesmas em espuma de goticulas de uma maneira conhecida na mecânica de fluidos de duas fases em tubos verticais; - uma tranquilização do fluxo através dos tubos e do segundo cone, que habilita um transporte das goticulas criadas pelo primeiro alargamento vertical sem coalescência e com gotas de baixa pressão até o condensador que segue o primeiro alargamento no circuito.

[067] Para uma mistura de gás refrigerante e óleo, uma pessoa versada na técnica será capaz de modificar o comprimento dos tubos e o diâmetro dos mesmos a fim de obter um efeito de divisão de óleo favorável ao aumento na eficiência termodinâmica da bomba, eficiência ou COP medido por meios conhecidos da técnica anterior.

[068] Especificamente, uma mudança na composição em circulação da mistura inicialmente introduzida no circuito fluídico poderia ser uma indicação de operação da invenção. Para uma mistura inicial de R407C introduzida, será possivel observar variações nas composições da mistura medida na saida do compressor, ao longo do tempo como uma função das condições de operação: temperatura externa, temperatura do circuito hidráulico, ajuste do expansor. Uma vez que a solubilidade diferencial dos componentes de R407C no óleo é variável, uma captura do óleo nos tubos do primeiro alargamento também poderia explicar essa variação na composição em circulação.

[069] Entretanto, tal variação que também muda a densidade da mistura em circulação não pode por si própria explicar um amento no COP, um aumento na potência elétrica necessária para mover essa mistura mais pesada precisa ser fornecido ao mesmo tempo. A influência da solubilidade mútua do óleo e dos Freons é, portanto, considerada um indicador útil para o desenvolvimento do primeiro alargamento vertical para os múltiplos casos práticos de uma bomba de acordo com a invenção que opera com R4 07C ou suas variantes, ou com uma mistura de R32, R125 e R134a em proporções não padronizadas.

[070] Não é excluido para um Freon especifico que não uma mistura de R32, R125 e R134a também ser usado, de acordo com a invenção, desde que um aumento na potência térmica do condensador seja observado na introdução de um primeiro alargamento no circuito fluidico de uma bomba que opera com esse Freon especifico.

[071] Mais geralmente, conforme indicado acima, uma mistura especifica de qualquer (Freon ou não Freon) fluido refrigerante e um óleo solúvel com qualquer um dos fluidos refrigerantes gasosos e misciveis com qualquer um dos fluidos refrigerantes liquidos, nas temperaturas de operação do circuito fechado de uma bomba de calor, uma mistura especifica que tornaria possivel observar um aumento na potência térmica do condensador na introdução de um primeiro alargamento com canos verticais entre o compressor e o condensador da bomba de calor que opera com essa mistura especifica, estaria de acordo com o ensinamento da invenção.

[072] Uma pessoa versada na técnica, na presença de tal aumento, poderia ajustar o comprimento dos tubos ou ajustar a distância que separa o primeiro alargamento do condensador, no circuito fluidico, a fim de otimizar o aumento em potência observado no condensador, por exemplo, medindo-se a temperatura de uma água quente emitida de um circuito de aquecimento em contato térmico com o condensador. Uma pessoa versada na técnica poderia também variar a verticalidade dos tubos permitindo-se um ângulo que dá aos tubos um declive que habilita o fluxo do óleo para baixo, enquanto mantém um efeito na potência térmica do condensador em relação a uma verticalidade rigida.

[073] .Para os pares de fluido refrigerante e óleo de acordo com a invenção que usam uma mistura de R32, R125 e R134a, o aprimoramento de porcentagens no COP, para R407C, R407A e R407F, são as seguintes:

[074] Para um fluido refrigerante geral, a mistura de óleo na forma de gotas de óleo e de gás, tal como Freons na fase gasosa, que passa através do primeiro alargamento, essa estrutura é projetada para formar um meio de dividir regularmente as gotas de óleo com o resultado de formar uma emulsão de gotas e de gás que é suficientemente estável, em termos de vida útil das gotas, para habilitar as mesmas a alcançar o condensador e formar locais de nucleação que aprimoram as trocas de calor no condensador e a eficiência termodinâmica da bomba. Para uma mistura de formação de espuma de óleo e de gás, a mesma ideia inventiva geral de um meio para formar uma emulsão será aplicada ao design do primeiro alargamento com canos, mas em vez de uma emulsão de gotas em um ou mais gases, o primeiro alargamento será projetado a fim de formar uma emulsão de bolhas no gás ou gases.

[075] Um modo misturado, para o qual uma emulsão de gotas, mas também de bolhas de óleo, é formado pelo primeiro alargamento entre o óleo e os Freons presentes na primeira linha não é excluido como uma função das propriedades de tensão de superfície relativas do óleo e dos Freons na temperatura e na pressão de operação do fluido na primeira linha.

[076] A invenção foi testada com misturas dos Freons R32, R125 e R134a induzida por uma introdução de R407C e um óleo EMKARATE® RL32-3 MAF no circuito de uma bomba modificada pelo primeiro alargamento posicionado verticalmente e que tem o segundo alargamento.

[077] Qualquer fluido refrigerante e um óleo solúvel e miscivel com esse fluido refrigerante, que produzem um aumento na potência térmica do condensador no mesmo circuito, estariam de acordo com o ensinamento da invenção, sendo esse aumento um critério da invenção. O resultado da invenção é, entretanto, obtido quando esse aumento em potência é obtido ao mesmo tempo em que um aumento em COP. Uma pessoa versada na técnica irá, portanto, ser capaz, dentre os pares de fluido refrigerante e óleo que dão origem a um aumento na potência térmica, de determinar, introduzindo-se o segundo alargamento, os pares que dão origem a um aumento no COP.

[078] Especificamente, para os Freons, um óleo de polioléster sintético ou "POE", uma familia que compreende óleos conhecidos por serem misciveis com os Freons na fase liquida e em que os Freons na fase gasosa são solúveis, estaria de acordo com o ensinamento da invenção com os Freons.

[079] Em uma segunda modalidade da invenção, a operação de uma bomba de calor ANF 50 AERMEC® comercial modificada de acordo com a invenção é explicada em detalhes em termos de pressão e temperatura na bomba.

[080] Um compressor (denominado ZB38KCE) é usado. Esse compressor é de tecnologia de "Rolagem" e descarrega uma mistura de um óleo de polioléster EMKARATE® RL32-3 MAF, R32 gasoso, R125 gasoso e R134a gasoso a uma temperatura de T = 87 °C e uma pressão de P = 1.800 kpa (18 bar).

[081] O óleo é considerado uma forma liquida por todo o circuito fechado nas temperaturas e pressões mencionadas.

[082] O primeiro alargamento é vertical e tem um fluido ascendente, o mesmo experimenta P = 1.800 kpa (18 bar) e T = 84 °C na entrada e P - 1.800 kpa (18 bar) e T = 84 °C na saida. A mistura de R32, R125 e R134a é gasosa na saida. Não há, portanto, em operação normal nessa modalidade, aumento em temperatura na saida do primeiro alargamento em relação a sua entrada e esse alargamento, portanto, não opera como uma fonte de calor.

[083] 0 condensador experimenta P = 1.800 kpa (18 bar) e T = 84 °C na entrada e na saida P = 1.800 kpa (18 bar) e T = 45 °C. A mistura de R32, R125 e R134a é liquida na saida.

[084] O segundo alargamento é descendente vertical e experimenta P = 1.800 kpa (18 bar) e T = 45 °C na entrada e P = 1.800 kpa (18 bar) e T = 45 °C na saida. A mistura de R32, R125 e R134a é liquida na saida, com periodos de duas fases de liquido e gás em que bolhas aparecem. Não há, portanto, em operação normal nessa modalidade, aumento em temperatura na saida do segundo alargamento em relação a sua entrada e esse alargamento, portanto, não opera como uma fonte de calor.

[085] 0 expansor experimenta P = 700 kpa (7 bar), T = 13 °C na saída. A mistura de R32, R125 e R134a é uma mistura de duas fases de líquido e gás na saída.

[086] O evaporador experimenta P = 700 kpa (7 bar) e T = 13 °C na entrada. A mistura de R32, R125 e R134a é gasosa na saída.

[087] O compressor suga uma mistura de óleo EMKARATE® RL32-3 MAE, R32, R125 e R134 a P = 400 kpa (4 bar) e T = 5 °C.

[088] Nessa configuração, os aumentos no COP são comparáveis a aqueles de uma máquina de marca AIRWELLÕ mencionada acima para a primeira modalidade, sobre a faixa de temperatura que se estende de -7 °C a +7 °C.

[089] A invenção é aplicável industrialmente no campo de bombas de calor e unidades de ar-condicionado.

[090] Diversas modificações são acessíveis a um versado na técnica sem que se afaste do escopo da presente invenção conforme descrito nas reivindicações anexas.

Claims (14)

1. Bomba de calor compreendendo um circuito fechado contendo um fluido refrigerante e um lubrificante, o circuito fechado compreendendo um compressor de fluido (1) e um circuito de retorno para retornar o fluido para o compressor, o compressor se estendendo no circuito fechado entre uma entrada de fluido e uma saída de fluido, o circuito de retorno se estendendo no circuito fechado, de modo complementar para o compressor, entre a saída de fluido e a entrada de fluido, o circuito de retorno compreendendo um condensador (2), um expansor (3) e um evaporador (4), o dito circuito de retorno compreendendo uma primeira linha se estendendo entre a saída de fluido e o condensador, uma segunda linha se estendendo entre o condensador e o expansor, uma terceira linha se estendendo entre o expansor e o evaporador, e uma quarta linha se estendendo entre o evaporador e a entrada de fluido, caracterizada pelo fato de que o dito circuito fechado compreende um primeiro alargamento (5) de uma linha do circuito de retorno contendo canos (50), para impor uma pressão negativa em gotas do óleo lubrificante que absorveram o fluido refrigerante devido à solubilidade do fluido refrigerante no lubrificante, para dar origem à aparição de bolhas de gás nas gotas que estouram em gotículas mais finas, formando assim uma névoa do lubrificante entre o compressor (1) e o condensador (2), em que o fluido refrigerante compreende uma mistura de um primeiro Freon R32 (difluorometano), um segundo Freon R125 (pentafluoroetano) e um terceiro Freon R134a (1,1,1,2- tetrafluoroetano), e em que o lubrificante compreende um óleo de polioléster sintético.

2. Bomba, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o circuito fechado compreende um segundo alargamento (6) de uma linha do circuito de retorno.

3. Bomba, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que o dito primeiro alargamento (5) é posicionado na dita primeira linha.

4. Bomba, de acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizada pelo fato de que o dito segundo alargamento (6) é posicionado na dita segunda linha.

5. Bomba, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que o óleo de polioléster sintético é da classe ISO VG 32.

6. Bomba, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que o fluido refrigerante é um Freon R407C.

7. Bomba, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que o fluido refrigerante é um Freon R407A.

8. Bomba, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizada pelo fato de que os ditos canos (50) são posicionados verticalmente.

9. Bomba, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizada pelo fato de que o dito primeiro alargamento (5) é posicionado verticalmente.

10. Bomba, de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que o dito primeiro alargamento (5) é posicionado verticalmente e com fluido refrigerante ascendente.

11. Bomba, de acordo com a reivindicação 2 e qualquer uma das reivindicações 3 a 10, caracterizada pelo fato de que o dito segundo alargamento é posicionado verticalmente.

12. Uso de uma bomba de calor, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 11, para os propósitos de aquecimento de um invólucro, caracterizado pelo fato de que o evaporador é levado para contato térmico com o lado de fora do invólucro, e o condensador é levado para contato térmico com o lado de dentro do invólucro a fim de aprimorar a eficiência termodinâmica da operação de aquecimento.

13. Uso de uma bomba de calor, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 11, para os propósitos de resfriamento de um invólucro, caracterizado pelo fato de que o evaporador é levado para contato térmico com o lado de dentro do invólucro, e o condensador é levado para contato térmico com o lado de fora do invólucro a fim de aprimorar a eficiência termodinâmica da operação de resfriamento.

14. Uso, de acordo com a reivindicação 12 ou 13, caracterizado pelo fato de que o dito fluido refrigerante ascende no dito primeiro alargamento.

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