BR112016020276B1 - Circuito de referigeração bifásico, passivo - Google Patents
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Abstract
CIRCUITO DE REFERIGERAÇÃO BIFÁSICO, PASSIVO. A presente invenção refere-se a um circuito de refrigeração (2) bifásico, passivo, com um evaporador (6) e um condensador (18) para um agente refrigerante conduzido no circuito de refrigeração (2), sendo que no evaporador (6) estão conectadas uma linha de alimentação de evaporador (4) e uma linha de descarga de evaporador (10), e sendo que no condensador (18) estão conectadas uma linha de alimentação de condensador (16) e uma linha de descarga de condensador (22). Um circuito de refrigeração desse tipo deve ser aprimorado, de tal modo que a uma estrutura do sistema simples e de baixo preço, picos de pressão durante a operação são reduzidos ou até mesmo completamente evitados. Para esse fim, está previsto de acordo com a invenção que a linha de alimentação de evaporador (4), a linha de descarga de evaporador (10), a linha de alimentação e condensador (16) e a linha de descarga de condensador (22) estão conectadas em um recipiente de amortecimento (24) em comum, sendo que na linha de descarga de condensador (22), na operação do circuito de refrigeração (2), forma-se uma coluna de líquido (52) de agente refrigerante líquido, que assume a função de uma vedação de líquido (50), bem como a de um amortecedor de vibrações hidrodinâmico.
Description
[0001] A presente invenção refere-se a um circuito de refrigeração bifásico passivo.
[0002] Sistemas de transporte de calor bifásicos, nos quais o agente refrigerante (também chamado de agente frigorífico) guiado em um circuito passa por uma transição de fase de líquido para gasosos e novamente de volta, possibilitam, em comparação com circuitos monofásicos, a pequenas diferenças de temperaturas transmitidas, altos índices de transporte de calor. No entanto, os sistemas bifásicos apresentam nitidamente mais graus de libertação e, portanto, são mais complicados de ser controlados do que os sistemas monofásicos. Isso vale, em medida especial, para sistemas passivos, que dispensam sistemas ativos para influenciar a corrente, tais como bombas elétricas ou similares, e nos quais o transporte do agente refrigerante, na verdade, é causado exclusivamente pelas diferenças de temperatura existentes entre a fonte de calor associada e o dissipador de calor. Particularmente, flutuações de pressão irregulares e picos de pressão, especialmente ondas de pressão no sistema de tubos, induzidas pela condensação, uma vez que nessa conexão, podem ocorrer solicitações mecânicas extremas. No pior dos casos, as mesmas levam a uma destruição do sistema.
[0003] A invenção tem por base a tarefa de aprimorar um circuito da espécie citada incialmente, de tal modo que a estrutura do sistema, mantida de modo simples e a baixo custo, podem ser reduzidos ou até mesmo completamente impedidos picos de pressão durante a operação.
[0004] Essa tarefa é solucionada por um circuito com as características da presente invenção.
[0005] Um componente essencial da aparelhagem é um recipiente de amortecimento, também chamado de estabilizador de recipiente de desacoplamento, com um volume a ser adaptado para o caso de configuração especial e pelo menos quatro conectores para as linhas do circuito de refrigeração, que levam ao evaporador e ao condensador e que saem dos mesmos. Além disso, no conector para o retorno do condensador está instalado um componente formado à maneira de tubo, que possibilita a formação de uma coluna de líquido. Essa coluna de líquido causa uma estabilização da corrente em áreas de transição, pelo fato de funcionar como amortecedor de vibrações hidrodinâmico. Além disso, pela coluna de líquido é obtida uma redução de pressão na saída do condensador, do que resulta uma diferença de pressão transmitida no condensador e, com isso, uma corrente de massa aumentada.
[0006] Em resumo, os picos de pressão temidos até agora, podem ser reduzidos ou até mesmo completamente impedidos pela aparelhagem proposta, que funciona como amortecedor de vibrações hidrodinâmico. Além disso, pelas relações de pressão modificadas no circuito, é induzida ou estabilizada uma corrente dirigida (minimização ou eliminação de refluxos secundários), a diferença de pressão transmitida no condensador é ampliada, o que aumenta a corrente de massa, que concretiza o transporte de calor e, portanto, como resultado, obtém um aumento de potência significativo.
[0007] Em outras palavras, a modificação proposta de um circuito de refrigeração bifásico por uma estabilização passiva e um aumento de potência, obtém uma operação nitidamente mais robusta, e, portanto, uma aptidão mais alta para a prática, em relação a sistemas anteriores. Pela densidade de potência aumentada do sistema bifásico, quantidades de calor grandes podem ser descarregadas passivamente, a pequenas diferenças de temperatura transmitidas, que não podem ser realizadas em sistemas monofásicos.
[0008] Aplicações potenciais são, por exemplo, na área nuclear, a descarga de calor de reservas em meios úmidos, a refrigeração de componentes (por exemplo, em bombas, agregados a diesel, transformadores), a refrigeração de recipientes e a refrigeração de espaços com uma carga térmica induzida eletricamente. Naturalmente, também são possíveis múltiplas aplicações na área não nuclear.
[0009] Vantajosamente, a vedação de líquido está no espaço interno do recipiente de amortecimento, particularmente, como componente em uma peça do mesmo ou montado previamente no mesmo, o que facilita a montagem do sistema total.
[00010] Em uma primeira variante vantajosa, a vedação de líquido, também designada como sifão, apresenta uma seção de tubo em forma de U, S ou J, tal como é corrente, por exemplo, na área de instalações domésticas.
[00011] Em uma segunda variante vantajosa, a vedação de líquido está concretizada pelo fato de que um tubo ou extremidade de tubo imerge em um recipiente ou depósito, que circunda o mesmo lateralmente, aberto para cima em direção ao espaço interno do recipiente de amortecimento, de modo que é possível a formação de uma coluna de líquido.
[00012] Em uma modalidade preferida, a linha de abastecimento do evaporador e a linha de descarga do evaporador saem na região do fundo do recipiente de amortecimento mais precisamente, em alguma distância uma da outra. Desse modo está garantido que, por um lado, a mistura de agente refrigerante líquido e evaporado, que entra através da linha de descarga do evaporador, pode separar-se no recipiente de amortecimento, e que, por outro lado, o agente refrigerante, que se acumula na região do fundo, pode sair de modo simples e desimpedido na linha de alimentação do evaporador.
[00013] A linha de alimentação do condensador, por outro lado, sai, de preferência, na região do teto do vaporizador, de modo que o vapor, que se acumula acima do agente refrigerante líquido, pode entrar de modo simples e desimpedido nessa linha.
[00014] Para suporte da circulação natural no circuito de refrigeração, o recipiente de amortecimento está disposto, de preferência, abaixo do condensador, sendo que a linha de descarga do condensador - opcionalmente, exceto pela seção que contém a vedação de líquido - está formada, pelo menos predominantemente, como tubo de descida.
[00015] As vantagens obtidas com a invenção consistem, particularmente, no fato de que por um desacoplamento dos circuitos do evaporador e do condensador e pela realização de um amortecedor de vibrações hidrodinâmico, são concretizadas medidas reguladoras em um sistema passivo, pra estabelecer uma corrente estável e dirigida no evaporador e no condensador.
[00016] Um exemplo de modalidade da invenção é explicado mais detalhadamente, a seguir, por meio de desenhos. Nesse caso, mostra, em cada caso, em forma fortemente simplificada e esquematizada:
[00017] Figura 1 um circuito de refrigeração bifásico, passivo, de acordo com o estado da técnica,
[00018] Figura 2 um circuito de refrigeração bifásico, passivo, de acordo com a invenção, e
[00019] Figura 3 uma variante alternativa a um detalhe da Figura 2.
[00020] Partes iguais ou de função igual estão dotadas em todas as figuras dos mesmos sinais de referência.
[00021] A Figura 1 mostra uma vista geral esquemática sobre um circuito de refrigeração 2 convencional, tal como é usado em múltiplas aplicações técnicas, nas quais se trata da descarga de calor em excesso de regiões de instalação aquecidas. As direções de corrente dos fluidos envolvidos estão ilustradas, em cada caso, por setas de corrente.
[00022] Um agente refrigerante guiado em um circuito entra, inicialmente, em forma líquida, através de uma linha de alimentação de evaporador 4 (também chamado de linha de adução ou linha de abastecimento) em um evaporador 6. O evaporador 6 está formado como trocador de calor, que é aquecido através de uma fonte de calor 70 acoplada termicamente, aqui, meramente de modo exemplificado na forma de uma linha de aquecimento 8, que conduz um meio de aquecimento. Por transmissão de calor da fonte de calor 70, o agente refrigerante é evaporado pelo menos parcialmente no evaporador 6. O vapor de agente refrigerante deixa o evaporador 6 através de uma linha de descarga de evaporador 10 (também chamada de refluxo de evaporador ou linha de vapor).
[00023] Mais a jusante, o vapor de agente refrigerante entra através de uma linha de alimentação de condensador 16 (também chamada de adução de condensador) em um condensador 18. O condensador 18 está configurado como trocador de calor, que está acoplado termicamente em um dissipador de calor 72, aqui, meramente a título de exemplo, na forma de uma linha de refrigeração 20, que conduz um meio refrigerante. Por transmissão e calor ao dissipador de calor 72, o vapor de agente refrigerante é condensado no condensador 18. O agente refrigerante, novamente liquefeito dessa maneira, deixa o condensador 18, através de uma linha de descarga de condensador 22 (também chamada de refluxo de condensador), que mais a jusante passa para a linha de alimentação do evaporador 4, de modo que ali o circuito inicia-se de novo.
[00024] No caso de um circuito de refrigeração com corrente forçada, entre a linha de descarga do evaporador 10 e a linha de alimentação de condensador 18 está ligada uma bomba 14, para transporte do agente refrigerante.
[00025] Para diversas aplicações, o circuito de refrigeração 2 está, no entanto, formado, de preferência, como circuito passivo, que dispensa componentes ativos, particularmente, bombas. Nesse caso, a linha de descarga do evaporador 10 passa diretamente para a linha de alimentação do condensador 16. Nesse caso, o circuito do agente refrigerante é causado de acordo com o princípio da circulação natural pela diferença de temperatura entre fonte de calor 70 e dissipador de calor 72. Para esse fim, os componentes envolvidos estão dispostos um ao outro em altura geodésica apropriada e dimensionar de modo apropriado as respectivas secções transversais de linha etc. O agente refrigerante, no que se refere à sua temperatura de ebulição, está ajustado de maneira apropriada à combinação de relações de temperatura e pressão no circuito de refrigeração 2, de modo que a evaporação desejada ocorre efetivamente no evaporador 6 e a condensação, no condensador 18. Devido à troca de fases do agente refrigerante de líquido para gasoso e de volta, fala-se de um circuito de refrigeração bifásica.
[00026] Sistemas de transporte de calor possibilitam a pequenas diferenças de temperatura transmitidas, altos índices de transporte de calor. No entanto, picos de pressão ou picos de condensação representam um problema existencial, uma vez que podem apresentar- se solicitações mecânicas extremas. As mesmas levam, no pior dos casos, a uma destruição do sistema.
[00027] Devido aos processos não estacionários e, em parte, caóticos, nos componentes condutores de corrente, podem ocorrer, na verdade, flutuações ou vibrações fortes no sistema, de modo que áreas de corrente condutoras de vapor são deslocadas para regiões com temperaturas de parede mais frias. Depois, eventualmente ocorre uma condensação súbita do vapor e, portanto, os picos de condensação citados.
[00028] De grosso modo, isso pode ser entendido da seguinte maneira: quando uma bolha de vapor se forma em uma tubulação do evaporador, ocorre um forte resfriamento do entorno. É especialmente interessante um resfriamento cíclico da parede de tubo. Isso quer dizer, que a parede necessita novamente de algum tempo para aquecer-se e atingir o superaquecimento necessário. Portanto, localmente existem fortes flutuações, que oscilam com uma determinada frequência. Como no tubo de evaporador estão presentes regiões de ebulição diferentes, que oscilam com frequências diferentes, resulta, mesmo em um estado global estacionário, localmente, um estado não estacionário. Como em sistemas passivos as condições de ebulição locais também são, no entanto, responsáveis pela força de acionamento da corrente, estão sempre presentes flutuações de corrente. No pior dos casos, resulta localmente ou globalmente uma ressonância e todo o sistema cai em um estado muito desfavorável (com uma descarga de calor, eventualmente, nitidamente diminuída).
[00029] Além disso, existe ainda a seguinte desvantagem: dependendo do nível no qual se encontra o dissipador de calor, pode ocorrer no condensador um resfriamento abaixo do ponto de congelação. O líquido resfriado abaixo do ponto de congelação primeiramente precisa novamente ser levado à temperatura de ebulição no evaporador. Como, porém a passagem de calor monofásica é nitidamente pior do que a passagem bifásica, o potencial do evaporador só é aproveitado de modo insuficiente.
[00030] Esses fenômenos são reduzidos ou até mesmo completamente impedidos pela aparelhagem proposta de acordo com a invenção na Figura 2. A descrição a seguir baseia-se na descrição da Figura 1 e concentra-se nas modificações agora realizadas do circuito de refrigeração 2.
[00031] Um elemento essencial da modificação é o recipiente de amortecimento, incorporado no circuito de refrigeração 2, em conexão com uma coluna de líquido, atuante como amortecedor de vibrações hidrodinâmico, que, em vista de sua função para desacoplamento dos circuitos de evaporador e condensador, também pode ser designado como recipiente de desacoplamento (veja abaixo). O recipiente de amortecimento 24 apresenta um espaço interno 28, fechado por todos os lados por uma parede de contenção 26, de modo rígido à pressão, em relação ao entorno, cujo volume está dimensionado de tamanho suficiente, em vista das tarefas principais, que lhe estão associadas, o amortecimento de vibrações e condução do meio. Além disso, estão previstos quatro conectores 30, 32, 34, 36, funcionalmente diferentes um do outro, que estão conectados de maneira específica com o sistema de condução do circuito de refrigeração 2. Durante a operação do circuito de refrigeração 2, acumulam-se no espaço interno 28 do recipiente de amortecimento 24 agente refrigerante líquido, bem como vapor de agente refrigerante, sendo que a fase líquida, devido à gravidade atuante deposita-se para baixo, em direção à região do fundo e a fase gasosa em forma de vapor acumula-se acima da mesma, em direção à região do teto.
[00032] Um primeiro conector 30 está guiado pela parede de contenção 26 na região de fundo 38 do recipiente de amortecimento 24, particularmente, diretamente no fundo. Ele está conectado com a linha de alimentação do evaporador, que leva à entrada do evaporador, de modo que o agente refrigerante líquido, que se acumula na região do fundo 38, corre através do conector 30 e a linha de alimentação do evaporador 4 para o evaporador 6, onde ocorre a evaporação do agente refrigerante.
[00033] Em um segundo conector 32, que também está guiado pela parede de contenção 24 na região de fundo 38 do recipiente de amortecimento 24, particularmente, diretamente no fundo, opcionalmente, um pouco mais alto, está conectada a descarga de evaporador 10 vinda da saída do evaporador 44. Em geral, o agente refrigerante não é evaporado completamente no evaporador 6, mas apenas parcialmente, e a mistura formada de agente refrigerante e vapor de agente refrigerante é guiada, portanto através da linha de descarga de evaporador 10 e da conexão 32 ao espaço interno 28 do recipiente de amortecimento 24, onde ocorre uma separação de fases, tal como já descrito.
[00034] Um terceiro conector 34 está guiado pela parede de contenção 26 na região do teto 40 do recipiente de amortecimento 24, particularmente, diretamente no teto. No mesmo está conectada a linha de alimentação de condensador, que leva à entrada de condensador 46, de modo que o vapor de agente de refrigeração, que se acumula na região do teto 40, corre através do conector 34 e da linha de alimentação do condensador 16 para o condensador, onde ocorre a condensação do vapor de agente refrigerante.
[00035] Finalmente, um quarto conector 36 está guiado pela parede de contenção 26 na região do teto 40 do recipiente de amortecimento 24, particularmente, diretamente no teto. No mesmo está conectada a linha de descarga do condensador 22, vinda da saída do condensador 48, de modo que o agente refrigerante liquefeito no condensador 18 corre através da linha de descarga do condensador 22 e da conexão 36 para o recipiente de amortecimento 24.
[00036] Nos três conectores 30, 32, 34, citados primeiramente, as tubulações 4, 10, 16 conectadas saem diretamente no espaço interno do recipiente de amrotecimento24, uma vez que em condições de corrente normais em operação, é possível uma compensação de pressão entre o espaço interno 28 e essas tubulações 4, 10, 16. Diferentemente disso, o quarto conector 36 está constituído de tal modo que a tubulação conectada no mesmo, a saber, a linha de descarga do condensador 22, sai no espaço interno 28 do recipiente de amortecimento 24, sob formação de uma vedação para líquidos. Uma vedação de fluido 50 desse tipo também é designada como sifão ou trap. Pela coluna de líquido 52 de agente refrigerante líquido, que se forma na operação do circuito de refrigeração, a passagem de gás é impedida ou, em todo o caso, dificultada, de modo que existe uma separação de pressão entre o espaço interno 28 e a linha de descarga do condensador 22. A altura δH da coluna de líquido que se forma está correlacionada, nesse caso, com a diferença de pressão δp prevalecente.
[00037] A vedação de líquidos 50 pode, em princípio, estar disposta fora do recipiente de amortecimento 24. Mas, convenientemente, ela está concretizada em uma seção de tubo no espaço interno 28 do recipiente de amortecimento 24 e pode assumir qualquer forma conveniente para a função. Por exemplo, ela pode apresentar uma extremidade de tubo 54, tal como representado na Figura 2, que imerge de cima em um recipiente 56 aberto para cima. Alternativamente ou adicionalmente, podem ser usadas as seções de tubo em forma de U, S ou J, conhecidas, ou modalidades funcionalmente equivalentes, tal como está representado, a título de exemplo, na Figura 3, por meio de um arco em J.
[00038] Através da coluna de líquido 52 do sifão, é realizado o refluxo do vapor, bem como o amortecimento do sistema. Isto é, na dependência das instabilidades de sistema a ser esperadas, precisa ser realizada a coluna de líquido 52. Na Figura 2, a abertura apontada para cima do recipiente 56 circundante apresenta uma área de secção transversal nitidamente maior do que o tubo 54 que está imergindo. Isto é, uma pequena diferença de altura no recipiente 56 realiza uma diferença de altura nitidamente maior no tubo 54 (dependendo das relações de superfície). Como toda a diferença de altura δH está correlacionada, nesse caso, com a diferença de pressão δp,atua-se contra as oscilações de pressão no sistema. A altura de embutimento do sifão precisa ser ajustada sobre toda a largura de banda do sistema. Isto é, a rendimentos de calor pequenos, a fase líquida encontra-se, predominantemente, na região de evaporação - o recipiente está praticamente vazio. A altos rendimentos de calor, uma quantidade relativamente grande da fase líquida encontra-se no recipiente (devido à alta proporção de vapor no evaporador). Os componentes devem ser configurados nessa base.
[00039] Para suporte da circulação natural no circuito de refrigeração 2, o evaporador 6, o condensador 18 e o recipiente de amortecimento encontram-se um em relação ao outro em altura geodésica apropriada. Particularmente, o recipiente de amortecimento 24 está disposto, de preferência, abaixo do condensador 18, de modo que a linha de descarga de condensador 22, que leva ao recipiente de amortecimento 24, está configurada, substancialmente, como tubo de descida. Sob pontos de vista meramente hidrostáticos, é visto, ainda, como vantajoso, dispor o evaporador 6 abaixo do recipiente de amortecimento 24. Consequentemente, a linha de descarga do evaporador 10 é, de preferência, um tubo de subida e a linha de alimentação do evaporador 4, um tubo de descida. Mas, como aqui trata-se de um sistema de fluido dinâmico, que, além disso, ainda apresenta duas fases, poderia ser que, na prática, uma disposição diferente, se mostrasse positiva.
[00040] Em resumo, portanto, no circuito de refrigeração 2 de acordo com a Figura 2, tanto o laço de linhas, que leva do evaporador 6 ao condensador 18, como também o laço de linhas, que leva do condensador 18 ao evaporador, são conduzidos pelo recipiente de amortecimento 24 em comum. A coluna de líquido 52 no recipiente de amortecimento 24, junto com o volume de compensação formado pelo espaço interno 28, causa um desacoplamento dos circuitos e uma estabilização da corrente, em regiões de transição, pelo fato de funcionar como amortecedor de vibrações hidrodinâmico. Além disso, pela coluna de líquido 52 é obtida uma redução de pressão no lado da saída no condensador 18, do que resulta um aumento da diferença de pressão transmitida no condensador 18 e, portanto, uma corrente de massa aumentada no circuito de refrigeração 2.
[00041] Uma outra vantagem do recipiente de amortecimento 24 reside em um preaquecimento do produto de condensação. Como na saída do evaporador 44 existe um teor de vapor (relativo) menor do que um, uma parte do líquido saturado corre pelo recipiente de amortecimento 24 novamente de volta para a entrada do evaporador 42. Nesse caso, ocorre uma mistura do produto de condensação, opcionalmente resfriado para abaixo do ponto de congelação, com o líquido saturado. Consequentemente, as regiões de passagem de calor monofásicas no evaporador são diminuídas e o processo como um todo é aperfeiçoado (otimização termodinâmica).
[00042] A aparelhagem representada nas Figuras 2 e 3 serve, portanto, tanto para aumento da eficiência da descarga de calor, como também para a redução de picos de condensação, no caso de um processo de circuito bifásico passivo. Lista de Sinais de Referência 2 circuito de refrigeração 4 linha de alimentação do evaporador 6 evaporador 8 linha de aquecimento 10 linha de descarga de evaporador 14 bomba 16 linha de alimentação de condensador 18 condensado 20 linha de refrigeração 22 linha de descarga de condensador 24 recipiente de amortecimento 26 parede de contenção espaço interno primeiro conector segundo conector terceiro conector quarto conector região de fundo região coberta entrada de evaporador saída de evaporador entrada de condensador saída de condensador vedação de líquido coluna de líquido extremidade de tubo recipiente seção de tubo fonte de calor dissipador de calor
Claims (5)
1. Circuito de refrigeração (2) bifásico passivo com um evaporador (6) e um condensador (18) para um agente refrigerante conduzido no circuito de refrigeração (2), sendo que no evaporador (6) estão conectadas uma linha de alimentação de evaporador (4) e uma linha de descarga de evaporador (10), e sendo que no condensador (18) estão conectadas uma linha de alimentação de condensador (16) e uma linha de descarga de condensador (22), sendo que, ainda, a linha de alimentação de evaporador (4), a linha de descarga de evaporador (10), a linha de alimentação de condensador (16) e a linha de descarga de condensador (22) estão conectadas em um recipiente de amortecimento (24) em comum, sendo que na linha de descarga de condensador (22), na operação do circuito de refrigeração (2), forma-se uma coluna de líquido (52) de agente refrigerante líquido, que assume a função de uma vedação de líquido (50), bem como a função de um amortecedor de vibrações hidrodinâmico, caracterizado pelo fato de que a linha de descarga de condensador (22) desemboca na região coberta (40) do recipiente de amortecimento (24) e apresenta uma seção do tubo que se salienta para dentro do espaço interno (28) do recipiente de amortecimento (24), no qual está concretizada a vedação de líquido (50).
2. Circuito de refrigeração (2) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a vedação de líquido (50) apresenta uma seção de tubo (58) em forma de U, S ou J.
3. Circuito de refrigeração (2) de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a vedação de líquido (50) apresenta uma extremidade de tubo (54), que imerge em um recipiente (56) aberto para cima.
4. Circuito de refrigeração (2) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a linha de alimentação de evaporador (4) e a linha de descarga de evaporador (10) desembocam na região de fundo (38) do recipiente de amortecimento (24).
5. Circuito de refrigeração (2) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o recipiente de amortecimento (24) está disposto abaixo do condensador (18), e sendo que a linha de descarga de condensador (22) está formada, predominantemente, como tubo de descida.
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