BR112016023438B1

BR112016023438B1 - Sistema para aquecimento e/ou resfriamento de um fluido, sistema de controle arranjado para controlar o aquecimento e/ou resfriamento de um volume de fluido, método para aquecimento e/ou resfriamento de um fluido, e, meio legível por máquina

Info

Publication number: BR112016023438B1
Application number: BR112016023438-3A
Authority: BR
Inventors: Tony Robinson
Original assignee: Esg Pool Ventilation Limited
Priority date: 2014-04-10
Filing date: 2015-04-10
Publication date: 2022-10-04
Also published as: US10208966B2; BR112016023438A8; DK3129730T3; CN106574806B; TW201600816A; GB2514000A; PL3129730T3; GB201406515D0; ES2796868T3; JP6663908B2; JP2017516059A; GB2514000B; HUE051095T2; US20170030594A1; WO2015155543A1; EP3129730A1; TWI681159B; CN106574806A; BR112016023438A2; EP3129730B1

Abstract

SISTEMA E MÉTODO PARA AQUECIMENTO E/OU RESFRIAMENTO DE UM FLUIDO, SISTEMA DE CONTROLE, E, MEIO LEGÍVEL POR MÁQUINA. Um método e um sistema para aquecimento e/ou resfriamento de um fluido, o método compreendendo mover o fluido através de um lado secundário de um trocador de calor e controlar a temperatura de um lado primário do trocador de calor, de modo que a temperatura do lado primário do trocador de calor é mantida substancialmente em um intervalo de temperatura determinado de uma temperatura de referência, que é uma função de pelo menos uma de: uma temperatura de uma entrada para o lado secundário e uma temperatura de uma saída do lado secundário.

Description

[001] A invenção é relativa a um sistema para aquecimento e/ou resfriamento de fluido e métodos relacionados. Em particular, porém não exclusivamente, modalidades da invenção podem se referir a um sistema para transferir calor para e/ou a partir de água. Em particular, porém não exclusivamente, modalidades podem ser arranjadas para aquecer um suprimento de água para consumo posterior.

[002] É conveniente descrever o fundamento de modalidades em relação a aquecimento e/ou resfriamento de água. Contudo, será apreciado que os princípios delineados podem ser aplicados a fluidos diferentes de água.

[003] Diversos sistemas de suprimento de água mantêm um suprimento de água em um recipiente de armazenamento que é então ou aquecido e/ou resfriado por um mecanismo de transferência de calor. Diversos sistemas da técnica precedente movimentam a água do recipiente de armazenamento para o mecanismo de transferência de calor e retornam a água à qual calor foi adicionado e/ou removido de volta para o recipiente de armazenamento.

[004] No caso de um sistema de aquecimento é conhecido utilizar caldeiras como o mecanismo de transferência de calor, as quais queimam combustíveis fósseis para gerar calor que é usado para aquecer a água que passa através da caldeira. Tais sistemas geram volume substanciais de CO2 e a geração global do fluido quente (por exemplo, água) poderia não ser tão eficiente quanto desejado, tanto em termos de custo quanto de geração de CO2.

[005] De acordo com um primeiro aspecto da invenção é provido um sistema de aquecimento e/ou de resfriamento de fluido, arranjado para aquecer e/ou resfriar um fluido, e que compreende pelo menos um dos seguintes: 1. uma bomba de calor que compreende pelo menos um de um compressor, um evaporador que tem uma temperatura de evaporação na qual o refrigerante evapora no mesmo, e um condensador que tem uma temperatura de condensação na qual refrigerante condensa no mesmo, conectados por um sistema de tubulação de refrigerante e arranjado para transportar um refrigerante, e; no qual um do condensador e do evaporador provê um trocador de calor entre o fluido e o refrigerante; o trocador de calor pode ter: (i) uma entrada primária arranjada, em uso, para receber o refrigerante; e (ii) uma entrada secundária arranjada, em uso, para receber o fluido; e (iii) uma saída secundária arranjada, em uso, para dar saída ao fluido; 2. um recipiente de armazenamento de fluido tipicamente arranjado, em uso, para permitir que o fluido do mesmo seja circulado através do trocador de calor por meio da entrada secundária em um sistema de tubulação de aquecimento; 3. pelo menos um sensor de temperatura tipicamente arranjado para monitorar uma temperatura do fluido e para gerar uma saída de temperatura; e 4. um controlador do sistema, tipicamente arranjado para ter introduzida no mesmo a pelo menos uma saída de temperatura e para gerar uma temperatura de referência a partir dele, no qual a temperatura de referência é uma função da temperatura do fluido por em pelos menos uma da entrada secundária e da saída secundária, e em que: (a) quando o fluido deve ser aquecido, o compensador provê o trocador de calor e o controlador é adicionalmente arranjado para controlar a temperatura de condensação em resposta à temperatura de referência, de modo que a temperatura de condensação é mantida substancialmente em um intervalo de temperatura determinado acima da temperatura de referência; e/ou (b) quando o fluido deve ser resfriado, o evaporador provê o trocador de calor, e o controlador é adicionalmente arranjado para controlar a temperatura de evaporação em resposta à temperatura de referência, de modo que a temperatura de evaporação é mantida substancialmente em um intervalo de temperatura determinado abaixo da temperatura de referência.

[006] Modalidades que empregam bombas de calor são vantajosas, uma vez que elas proporcionam aquecimento e resfriamento dentro do sistema, e sistemas podem facilmente incluir válvulas para permitir que ocorra inversão de direção de transferência de calor. Em segundo lugar, elas usam entrada de energia para o sistema para mover energia térmica de uma fonte de calor para um dissipador térmico, ou vice-versa, onde a energia movida pode ser maior, talvez substancialmente, do que a energia introduzida para o sistema.

[007] Além disto, a eficiência de modalidades pode ser aumentada, assegurando que a temperatura de condensação é um intervalo de temperatura determinado acima da temperatura de referência.

[008] Em sistemas de aquecimento tradicionais a temperatura de condensação é ajustada em um nível acima da temperatura de água quente desejada, isto é, a temperatura à qual fluido dentro do recipiente de armazenamento de fluido deve ser aquecida. Tipicamente esta temperatura de água quente é 60°C, e assim a temperatura de condensação é ajustada em uma temperatura acima desta, tal como, por exemplo, 70°C. A maior parte, se não todo o processo de aquecimento é, portanto, realizado usando um meio de aquecimento (o refrigerante) em uma temperatura mais alta do que a temperatura na qual o fluido deve ser aquecido. Em contraste, em pelo menos algumas das modalidades, a temperatura do refrigerante é repetidamente ajustada para uma temperatura acima daquela do fluido que está sendo aquecido (isto é, a temperatura real do fluido ao invés da temperatura final desejada), com a diferença entre a temperatura de condensação e a temperatura do fluido (isto é, o intervalo de temperatura determinado), sendo controlada. Algumas modalidades são arranjadas para controlar o intervalo de temperatura determinado para ser o mínimo alcançável. Tipicamente, portanto, modalidades são arranjadas para controlar a temperatura de condensação para aumentar desde um mínimo no início do aquecimento do fluido, quando a temperatura do fluido é a mínima, até um máximo na completação do processo de aquecimento do fluido e, portanto, a temperatura de condensação média é mais baixa do que aquela em sistemas tradicionais. Tais modalidades, portanto, calculam uma temperatura de condensação alvo que é a temperatura de referência mais o intervalo de temperatura determinado.

[009] De modo vantajoso, modalidades que controlam a temperatura de condensação para ser substancialmente um intervalo de temperatura determinado acima da temperatura de referência, aumentam o coeficiente de desempenho (COP) do sistema. O COP é definido o como a saída de aquecimento útil dividida pela entrada de energia para o compressor da bomba de calor. Por exemplo, em um tal sistema de aquecimento o COP pode ser 8,8 quando a temperatura de condensação é 25°C, mas apenas 2,2 ou menos quando a temperatura de condensação é de aproximadamente 65°C.

[0010] Assim, o COP médio do sistema se torna uma média ponderada sobre a sua faixa operacional, e acredita-se que a média de uma modalidade típica se torna 5.5. Será apreciado que modalidades que operam com tal COP global serão mais eficientes na geração de fluido quente e/ou usarão menos CO2 do que os sistemas usados para aquecer fluido, por exemplo, água, em que a temperatura de condensação é mantida acima da temperatura final do fluido.

[0011] Preferivelmente, a bomba de calor é uma bomba de calor de fonte de ar, opcionalmente pode ser uma bomba de calor de fonte subterrânea, uma bomba de calor de fonte de água, ou um sistema de bomba de calor que compreende diversas bombas de calor, opcionalmente tendo diferentes fontes de calor externas.

[0012] O condensador pode compreender um trocador de calor arranjado para extrair calor do refrigerante dentro do sistema de tubulação de refrigerante. Assim, quando o sistema é arranjado para aquecer o fluido, o condensador pode ser referido como um trocador de calor condensador ou como um trocador de calor.

[0013] Em um sistema de resfriamento as posições do condensador e do evaporador são invertidas, e o fluido que flui no sistema é resfriado. A pessoa versada irá apreciar que o sistema de tubulação de refrigerante é um mecanismo para mover calor em qualquer de um sistema de resfriamento ou de aquecimento. Quando o sistema é arranjado para resfriar o fluido o evaporador pode compreender um trocador de calor arranjado para extrair calor do fluido dentro do sistema de tubulação de aquecimento. Assim, quando o sistema é arranjado para resfriar o fluido, o evaporador pode ser referido como um trocador de calor evaporador ou como um trocador de calor.

[0014] Em um sistema que é reversível entre um sistema de aquecimento e um de resfriamento, o sistema pode ter modificações ao sistema de tubulação de refrigerante, tipicamente incluído válvulas para mudar a direção de fluxo entre os componentes do sistema de tubulação refrigerante. A pessoa versada irá apreciar como fazer isto.

[0015] Em um sistema de resfriamento, e quando um sistema que é reversível entre um sistema de aquecimento e um de resfriamento está operando como um sistema de resfriamento, a pessoa versada irá entender que a temperatura de evaporação é controlada em lugar da temperatura de condensação.

[0016] Em um sistema de aquecimento a diferença entre a temperatura de condensação e uma temperatura representativa da temperatura do fluido dentro do lado secundário do trocador de calor condensador, isto é, a temperatura de fluido na saída secundária ou entrada secundária do condensador, ou em um ponto entre as duas, é tipicamente minimizada ou de outra forma reduzida, para otimizar, ou de outra maneira melhorar o rendimento e a temperatura de condensação é mais alta do que a temperatura de fluido na saída secundária. Em contraste, em um sistema de resfriamento, a diferença entre a temperatura de evaporação e uma temperatura representativa da temperatura do fluido dentro do lado secundário do trocador de calor condensador, isto é, a temperatura do fluido na saída secundária ou entrada secundária do condensador ou em um ponto entre as duas, é tipicamente minimizada, ou de outra maneira reduzida, para otimizar, ou de outra maneira melhorar, o rendimento, e a temperatura de evaporação é mais baixa do que a temperatura de fluido na saída secundária. O sistema é, portanto, invertido para tirar proveito do mesmo aspecto do teorema de Carnot, que é um resultado da segunda lei de termodinâmica, como seria entendido pela pessoa versada.

[0017] No restante da descrição o sistema de aquecimento é descrito para concisão e simplicidade. A pessoa versada irá entender com referência aos parágrafos acima, como o sistema e o método são ajustados para resfriamento.

[0018] O pelo menos um sensor de temperatura pode ser localizado na entrada secundária para medir a temperatura de fluido que penetram no condensador diretamente na entrada secundária. Alternativamente ou adicionalmente, o sensor de temperatura pode ser localizado em qualquer lugar ao longo do tubo desde o recipiente de armazenamento de fluido ou dentro do recipiente de armazenamento do fluido, junto a este tubo; a perda de calor conhecida ao longo do tubo que pode ela mesmo ser uma função de temperatura, pode ser usada para calcular a temperatura na entrada secundária.

[0019] Alternativamente ou adicionalmente, o sensor pode ser localizado na saída secundária a partir do condensador ou ao longo do tubo a partir da saída secundária para o recipiente de armazenamento de fluido. A diferença de temperatura conhecida entre a entrada secundária e a saída secundária do condensador pode ser usada para calcular a temperatura na entrada secundária a partir daquela na saída secundária. A perda de calor conhecida ao longo do tubo pode ser usada em adição se o sensor de temperatura está localizado ao longo do tubo desde a saída secundária até o recipiente de armazenamento de fluido.

[0020] Mais do que um sensor de temperatura pode ser provido.

[0021] O controlador pode ser arranjado para gerar a temperatura de referência de acordo com uma função de pelo menos uma dentre a temperatura de entrada secundária e a temperatura de saída secundária. Em uma modalidade a temperatura de referência pode ser uma média das temperaturas de entrada secundária e saída secundária. Contudo, a pessoa versada irá apreciar que a temperatura de condensação deve ser acima da temperatura a mais alta do fluido dentro do lado secundário do trocador de calor condensador. Modalidades são, portanto, tipicamente arranjadas para manter o intervalo determinado para ser grande o suficiente para fazer a temperatura de condensação alvo que é igual à temperatura de referência mais o intervalo determinado acima da temperatura a mais alta do fluido dentro do lado secundário do trocador de calor condensador.

[0022] Em algumas modalidades a saída de temperatura pode ser a temperatura do fluido que entra no condensador na entrada secundária. Alternativamente, a temperatura do fluido que entra no condensador na entrada secundária pode ser calculada a partir da saída de temperatura como descrito acima por meio do controlador.

[0023] O controlador, que pode ser um controlador digital, calcula a temperatura de condensação mínima que irá transmitir a quantidade de calor desejada a partir do lado secundário do condensador para o fluido no fundo do recipiente de armazenamento de fluido. Este cálculo pode levar em consideração as características do trocador de calor condensador, e faz com que a temperatura de condensação seja ajustada para uma temperatura de condensação alvo substancialmente o intervalo de temperatura determinado acima da temperatura de referência.

[0024] Isto é, o controlador do sistema pode ser arranjado para variar de tempo a tempo a temperatura de condensação em resposta à temperatura de referência. De tempo a tempo pode ser em tempo real, ou em tempo substancialmente real, ou pode significar de modo periódico. O período entre variações pode ser, por exemplo, substancialmente qualquer dos seguintes: 1 segundo, 2 segundos, 4 segundos, 6 segundos, 8 segundos, 10 segundos, 20 segundos, 30 segundos, 45 segundos, 1 minuto, 2 minutos, 5 minutos, ou similar. De modo concebível, o controlador pode fazer cálculos com um intervalo mais curto do que 1 segundo, porém acredita-se que o atraso no sistema de controle pode significar que tal período curto não é necessário. A pessoa versada irá apreciar que o período entre variações deveria ser curto o suficiente, de modo que a temperatura do fluido que está sendo aquecido não muda substancialmente dentro do período de modo a fazer a temperatura de condensação imprecisa de acordo com o método delineado aqui, que deveria resultar no sistema operar de modo menos eficiente do que seria desejado.

[0025] Tipicamente, o controlador do sistema é arranjado para manter a temperatura de condensação de modo que o intervalo de temperatura determinado entre a temperatura de condensação alvo e a temperatura de referência seja tão baixo quanto praticamente possível. Neste contexto, o intervalo de temperatura mínimo prático determinado, e daí a temperatura de condensação mínima prática, ser dependente do trocador de calor usado, entre outras variáveis, e pode significar pelo menos um dos seguintes: (i) baixa o suficiente para assegurar que condensação completa do gás para um líquido ocorra dentro do condensador; (ii) uma quantidade determinada acima de uma temperatura que o sistema de aquecimento está mantendo dentro do lado secundário do trocador de calor condensador, com isto permitindo perdas de troca de calor; e (iii) deixar margem suficiente acima da temperatura que o sistema de aquecimento está mantendo dentro do lado secundário do trocador de calor condensador para assegurar que condensação completa do gás para um líquido ocorra dentro do condensador.

[0026] A quantidade determinada que a temperatura de condensação seja mantida acima da temperatura do fluido na saída a partir do lado secundário do trocador de calor condensador pode ser substancialmente qualquer uma das seguintes: 1°C, 2°C, 2°C, 4°C, 5°C, 6°C, e preferivelmente menos do que 5°C.

[0027] A temperatura de referência é usada como uma medida da temperatura dentro do lado secundário do trocador de calor condensador, porém pode não ser diretamente qualquer uma das temperaturas do fluido na entrada secundária, na saída secundária, ou em qualquer lugar dentro do lado secundário do trocador de calor condensador. A temperatura de referência é uma função conhecida da temperatura do trocador de calor de; isto é, a temperatura na entrada secundária, na saída secundária, ou em qualquer lugar dentro do lado secundário do trocador de calor condensador é calculável usando a temperatura de referência e ganhos de calor conhecidos ou calculáveis, perdas e gradientes de temperatura, e diferenças dentro do sistema.

[0028] O sistema de tubulação de aquecimento pode compreender uma bomba arranjada para bombear fluidos ao redor do sistema de tubulação de aquecimento. A bomba pode ser de velocidade variável, com isto permitindo o controle da temperatura de condensação. Aqui será apreciado que os lados primário e secundário do trocador de calor condensador estão em equilíbrio termodinâmico, e que a mudança de um parâmetro que afeta entrada de calor para, ou a saída de calor de, qualquer dos lados primário ou secundário irá afetar o equilíbrio. A temperatura de condensação (ou evaporação), a temperatura de entrada e a temperatura de saída são, portanto, valores inter-relacionados, eles são reciprocamente dependentes. Desta maneira, modalidades da invenção podem ser imaginadas como otimizando a funcionalidade do sistema de aquecimento e/ou de resfriamento ao redor de uma faixa de equilíbrios que são ajustados pelas capacidades térmicas dos sistemas de tubulação de aquecimento e refrigerante, e fluido e refrigerante respectivamente nos mesmos.

[0029] O sistema de tubulação de aquecimento pode compreender um tubo de contorno arranjado para permitir a um fluido contornar o trocador de aquecimento do sistema de tubulação de aquecimento. O sistema de tubulação de aquecimento pode também compreender uma válvula arranjada para controlar a quantidade de fluido permitido fluir através do tubo de contorno.

[0030] O controlador do sistema pode ser ainda arranjado para controlar a vazão do fluido dentro do sistema de tubulação de aquecimento através do condensador como uma função de variáveis em adição à saída de temperatura. Por exemplo, estas variáveis podem incluir qualquer um ou mais dos seguintes: as características térmicas de um fluido a ser aquecido pelo sistema de aquecimento; as características de temperatura de um trocador de calor associado com o fluido dentro do sistema de tubulação de aquecimento. Tais modalidades são vantajosas em que elas possibilitam melhoramento, que pode ser otimização, do rendimento de energia do aquecimento e/ou do resfriamento do sistema.

[0031] Em algumas modalidades o trocador de calor condensador pode ser parcialmente ou completamente localizado dentro do recipiente de armazenamento de fluido.

[0032] De acordo com um segundo aspecto da invenção é provido um sistema de controle arranjado para controlar o aquecimento e/ou o resfriamento de um volume de fluido usando um trocador de calor, e que compreender: pelo menos uma entrada para ter introduzida na mesma a saída de um sensor de temperatura arranjado para monitorar uma temperatura de um fluido ser aquecido; e em que o controlador é arranjado para gerar uma temperatura de referência a partir da pelo menos uma entrada de temperatura para ele, em que a temperatura de referência é uma função da temperatura de pelo menos uma de uma entrada secundária e saída e o controlador é adicionalmente arranjado para controlar uma temperatura do lado primário do trocador de calor em resposta à temperatura de referência, de modo que a temperatura do lado primário do trocador de calor é mantida substancialmente em um intervalo de temperatura determinado acima da temperatura de referência.

[0033] De acordo com um terceiro aspecto da invenção é provido um método para aquecer e/ou resfriar um fluido dentro de um recipiente de armazenamento de fluido, o método compreendendo movimentar o fluido a partir do recipiente de armazenamento até um lado secundário de um trocador de calor e controlar a temperatura do lado primário do trocador de calor, de modo que a temperatura do lado primário do trocador de calor seja mantida substancialmente em um intervalo de temperatura determinado acima de uma temperatura de referência, a temperatura de referência sendo uma função de pelo menos um de: uma temperatura de uma entrada para o lado secundário, uma temperatura de uma saída do lado secundário.

[0034] De acordo com um quarto aspecto da invenção é provido um meio legível por máquina que contém instruções que quando lidas por uma máquina fazem com que a máquina desempenhe como o sistema do primeiro e/ou segundo aspectos da invenção ou façam com que a máquina proporcione o método do terceiro aspecto da invenção.

[0035] Em qualquer dos aspectos acima da invenção o meio legível por máquina pode compreender qualquer um dos seguintes: um disco flexível, um CD ROM, um DVD ROM/RAM (incluindo um R/RW e +R/+RW) um disco rígido, a memória de estado sólido (incluindo um “pen drive”, um cartão SD, um Memorystick™, um cartão flash compacto, ou similar), uma fita, qualquer outra forma de armazenamento óptico-magnética, um sinal transmitido (inclusive uma descarga da Internet, uma transferência FTP, etc.), ou qualquer outro meio adequado.

[0036] A pessoa versada irá apreciar que uma característica discutida em relação a um dos aspectos acima da invenção pode ser aplicada “mutatis mutantis” ao outro dos aspectos da invenção.

[0037] Referência a um sistema de tubulação aqui pode também ser imaginada como uma referência a um sistema de tubo.

[0038] Segue agora à guisa de exemplo, apenas uma descrição detalhada de uma modalidade da presente invenção com referência aos desenhos que acompanham. Nos quais: a figura 1 mostra um esquema de uma modalidade do sistema na qual uma bomba de calor de fonte de ar é usada para aquecer água; e a figura 2 mostra um esquema dos controles da modalidade da invenção mostrada na figura 1.

[0039] Por razões de clareza é conveniente descrever uma modalidade em termos de um sistema arranjado para aquecer um fluido, em particular para aquecer água. Contudo, a pessoa versada irá apreciar que outras modalidades podem ser arranjadas para aquecer e/ou resfriar outros fluidos.

[0040] O sistema de aquecimento de água quente 100 mostrado na figura 1 tem base no uso de uma bomba de calor de fonte de ar (ASHP) 110. O sistema de aquecimento 100 inclui um compressor 102, trocador de calor condensador 104 e evaporador 106, cada um dos quais está articulado por um sistema de tubulação de refrigerante 108 e arranjado para prover um ciclo de refrigeração. Uma válvula de controle de evaporação 112 é provida dentro do sistema de tubulação de refrigerante 108 entre o condensado 104 e o evaporador 106. O sistema de tubulação de refrigerante 108 é arranjado para conduzir um refrigerante através de um lado primário 104a do trocador de calor condensador 104.

[0041] O refrigerante flui dentro do sistema de tubulação de refrigerante 108 a partir do evaporador 106 até o compressor 102. O gás nesta seção de tubo está em baixa pressão e temperatura, o compressor 102 aumenta a temperatura e pressão, e o refrigerante aquecido, pressurizado, então flui para um lado primário 104a do trocador de calor condensador 104 penetrando através de uma entrada primária 124a que condensa o fluido dentro do sistema de tubo de refrigerante 108 para um líquido em pressão alta, temperatura moderada, que então sai através de uma saída primária 124b. O trocador de calor condensador 104 permite calor ser transferido do refrigerante para o fluido. O refrigerante de temperatura mais baixa é então retornado através da válvula de controle de evaporação 112 para o evaporador 106 que extrai calor da fonte de calor que neste caso é ar exterior 132. A válvula de controle de evaporação 112 (que pode ser imaginada como um meio de controle de expansão) deixa o líquido de pressão alta expandir para o interior do evaporador 106 para um gás frio, de baixa pressão.

[0042] A passagem de refrigerante ao redor do sistema de tubulação de refrigerante 108 foi descrita em termos relativos tal como baixo, médio, alto. A pessoa versada irá apreciar que estes termos são descritos com referência a outras partes do sistema de tubulação de refrigerante 108.

[0043] O sistema 100 inclui um recipiente de armazenamento de água quente 114, um sistema de tubulação de aquecimento 116a, 116b, e pelo menos duas bombas 118, 120. Água fria penetra no recipiente de armazenamento de água quente 114 através da alimentação fria 122 em uma região fundo do recipiente 114. A água fria que penetra no recipiente 114 aqui substitui a água que deixa o recipiente 114 através do sistema de tubulação de água 116b para ser usada para serviços de água quente 126, tais como lavagem, chuveiros, banhos e similares.

[0044] Ao mesmo tempo, para aquecer a água para lavagem, o sistema de tubulação de água 116a circula água fria a partir da região de fundo do tanque para um lado secundário 116b do trocador de calor condensador 104. A água que flui para o interior do lado secundário 104b é aquecida com calor a partir do lado primário 104a do trocador de calor condensador 104 e retornada para o recipiente 114.

[0045] Água quente no recipiente 114 estratifica de modo que água quente pode ser armazenada para uso no topo do recipiente, enquanto água mais fria penetra e é aquecida nos níveis inferiores no recipiente.

[0046] O sensor de temperatura 130 mede a temperatura da água em uma região da entrada secundária 128a do trocador de calor condensador 104.

[0047] Em modalidades alternativas, o sensor de temperatura 130 é localizado em qualquer lugar sobre a alça de tubulação 116a ou dentro do recipiente 114, junto à entrada para a alça de tubulação 116a. Em tais modalidades a pessoa versada irá apreciar que existe tipicamente uma queda de temperatura conhecida ao redor de pontos do sistema de tubulação de aquecimento, e a temperatura da água na entrada secundária 126a pode ser determinada a partir de outros pontos do sistema de tubulação de aquecimento.

[0048] O sensor de temperatura 130 provê uma saída de temperatura.

[0049] Em modalidades alternativas ou adicionais, o sistema ainda compreende sensores adicionais de temperatura e/ou de temperatura e pressão. De modo vantajoso, tais sensores são posicionados na entrada e/ou saída do compressor 102 e/ou evaporador 106, e em uma ou mais posições no, ou junto ao, recipiente de armazenamento de fluido 114.

[0050] Em adição à válvula 112, o sistema de tubulação de refrigerante também compreende uma outra válvula 222 arranjada para controlar a velocidade na qual refrigerante pode passar.

[0051] A figura 2 mostra um sistema de controle 200 da modalidade descrita acima. Em particular, um controlador 202 é provido para aceitar entradas como descrito abaixo, e processar estas entradas para controlar o sistema descrito em relação à figura 1.

[0052] De modo conveniente, o controlador 202 compreendeu um processador. O processador pode ser qualquer processador adequado tal como Intel™ i3™, i5™, i7™, ou similares, um processador AMD™ Fusion™, e um processador Apple™ A7™.

[0053] Esta saída de temperatura a partir do sensor de temperatura 130 é provida como uma entrada para o controlador do sistema de controle 202. O controlador 202 controla a temperatura de condensação do trocador de calor condensador 104 em resposta à saída de temperatura, de modo que a temperatura de condensação é um intervalo de temperatura determinado acima de uma temperatura de referência gerado a partir da temperatura da água que penetra na entrada secundária 128a.

[0054] Nesta modalidade a saída de temperatura representa a temperatura da água que penetra na entrada secundária 128a. Em modalidades alternativas ou adicionais, o sensor de temperatura 130 é localizado na ou junto à saída secundária 128b e a saída de temperatura representa a temperatura da água que deixa a saída secundária 128b. A temperatura de referência é então gerada pelo controlador 202 usando a saída de temperatura.

[0055] Em modalidades adicionais ou alternativas o sensor de temperatura 130 não é localizado na entrada secundária 128a ou saída 128b e é, ao invés disto, localizado em qualquer outro lugar na região da tubulação 116a; a temperatura do fluido que penetra na entrada secundária 128a ou que deixa a saída secundária 128b é calculável usando a saída de temperatura e outros fatores tal como perda de calor a partir de tubos e diferença de temperatura entre a entrada secundária 128a e saída secundária 128b. A saída de temperatura é portanto uma função conhecida da temperatura da água que penetra na entrada secundária 128a e/ou a temperatura da água que deixa a saída secundária 128b. A temperatura de referência é então gerada a partir da saída de temperatura pelo controlador 202.

[0056] Existe um gradiente de temperatura através do lado secundário 104b do trocador de calor condensador 104 e a temperatura de referência é alguma função baseada na pelo menos uma temperatura dentro do lado secundário 104b. Em algumas modalidades a temperatura de referência é a temperatura média entre a entrada secundária 128a e a saída secundária 128b.

[0057] Na presente modalidade o intervalo de temperatura determinado é pré-ajustado por um usuário ou por software provido com o trocador de calor condensador 104. Em outras modalidades o controlador 202 calcula o intervalo de temperatura a usar, com base em fatores que incluem um ou mais dos seguintes: (i) o tipo de trocador de calor; (ii) a temperatura da água na entrada secundária; (iii) a temperaturas de condensação máxima e mínima do condensador; (iv) a temperatura de referência; e (v) a temperatura de água quente desejada, isto é, a temperatura à qual fluido dentro do recipiente de armazenamento de fluido deve ser aquecido.

[0058] O controlador 202 então faz com que o compressor 102 e/ou a válvula de controle do evaporador 112 regule a vazão e/ou pressão e temperatura do refrigerante dentro da tubulação de refrigerante, de modo a reduzir ou aumentar a temperatura de condensação dentro do trocador de calor condensador 104, de modo que a temperatura de condensação seja a ou seja próxima da temperatura de referência mais a diferença de temperatura determinada.

[0059] Na descrição abaixo, as conexões entre o controlador 202 e os diversos componentes estão descritas como conexões com fio. Estas conexões podem operar sobre qualquer protocolo adequado tal como RS232, RS485, TCP/IP, USB, Firewire, ou similar, ou um protocolo proprietário. Contudo, em outras modalidades é também possível que as conexões sejam sem fio, caso em que protocolos tal como Bluetooth, WIFI ou um protocolo proprietário pode também ser adequado.

[0060] Na modalidade mostrada na figura 2, o controlador 202 se comunica com o compressor 102 e o sensor de temperatura 130 de modo eletrônico, através de canais de comunicação com fio 210b e 210i, respectivamente. O controlador 202 controla o compressor 102 para modular o compressor 102 de modo a permitir ajustamento da temperatura de condensação.

[0061] Em algumas modalidades o controlador 202 também se comunica com uma ou mais das válvulas 112, 122 nos lados primário e secundário do compressor 102, de modo a regular o fluxo através do compressor 102, e daí ajustar a temperatura de condensação.

[0062] Em modalidades alternativas ou adicionais, o controlador 202 se comunica com outros sensores de temperatura tal como abaixo para prover dados adicionais/realimentação. Assim, cada um dos sensores de temperatura a seguir é arranjado para gerar uma saída de temperatura que é introduzida para o controlador 202: 203a em uma região da saída secundária 128b da bomba de calor condensador 104; 230b em uma região do nível inferior do recipiente de armazenamento de fluido 114; 230c em uma região do nível mais alto do recipiente de armazenamento de fluido 114; e 230d em uma região da saída do evaporador 106.

[0063] Em modalidades alternativas ou adicionais o controlador 202 se comunica com sensores de pressão/temperatura 232a, 232b em uma região da entrada do condensador primário 124a e/ou em uma região da entrada do evaporador 106.

[0064] De modo vantajoso, modalidades que utilizam sensores de temperatura em adição ao sensor de temperatura 103, aumentam a precisão da temperatura de referência e/ou do cálculo do intervalo de temperatura e/ou para otimizar ainda mais o sistema de aquecimento.

[0065] O controlador 202 também se comunica com alguns ou todos dos mecanismos de controle de saída 220, 112 e 222. O controlador 202 pode modular a saída do compressor 102 por meio do controlador do motor do compressor 220. Adicionalmente ou alternativamente, o controlador 202 pode fazer com que a válvula de expansão do evaporador 112 e a válvula de controle do condensador 222 sejam abertas ou fechadas, ou ajustadas entre as duas posições extremas. Adicionalmente ou alternativamente, o controlador 102 pode regular o motor do ventilador do evaporador 240 e a bomba secundária do condensador 118.

Claims

1. Sistema (100) para aquecimento e/ou resfriamento de um fluido para uma temperatura desejada, sendo a temperatura desejada a temperatura na qual o fluido dentro do sistema (100) para aquecimento e/ou resfriamento de um fluido deve ser aquecido ou resfriado, cujo sistema (100) para aquecimento e/ou resfriamento de um fluido compreende: uma bomba de calor (110) que compreende um compressor, um evaporador (106) tendo uma temperatura de evaporação, no qual o refrigerante, dessa maneira, evapora, e um condensador (104) tendo uma temperatura de condensação, no qual o refrigerante, dessa maneira, se condensa, conectado por um sistema de tubulação arranjado para transportar um refrigerante; em que um dentre o condensador (104) e o evaporador (106) provê um trocador de calor (104) entre o fluido e o refrigerante; o trocador de calor (104) tendo: (i) uma entrada primária (124a) arranjada, em uso, para receber o refrigerante; (ii) uma entrada secundária (128a) arranjada, em uso, para receber o fluido; e (iii) uma saída secundária (128b) arranjada, em uso, para emitir o fluido; um recipiente de armazenamento de fluido (114) arranjado, em uso, para permitir que o fluido do mesmo seja circulado através do trocador de calor (104) por meio da entrada secundária (128a), e para receber fluido retornado da saída secundária (128b), em um sistema de tubulação de aquecimento (116a); pelo menos um sensor de temperatura (130) arranjado para monitorar uma temperatura do fluido e para gerar uma saída de temperatura; e um controlador do sistema (202) arranjado para ter entrada do mesmo, pelo menos uma saída de temperatura e para gerar uma temperatura de referência a partir da pelo menos uma entrada da temperatura do mesmo, em que a temperatura de referência é uma temperatura medida de pelo menos uma de uma entrada (128a) e saída secundária (128b) do trocador de calor (104), e o controlador (202) é adicionalmente arranjado para controlar uma temperatura do lado primário (104a) do trocador de calor (104) em resposta à temperatura de referência, caracterizado pelo fato de que a temperatura do lado primário (104a) do trocador de calor (104) é repetidamente ajustada pelo controlador (202) de modo a ser mantida substancialmente em um intervalo de temperatura determinado a partir da temperatura de referência à medida que a temperatura do fluido aproxima da temperatura desejada, de modo que: (a) quando o fluido deve ser aquecido, o condensador (104) é o trocador de calor (104), a temperatura do lado primário (104a) é a temperatura de condensação, e o controlador (202) é arranjado para controlar a temperatura de condensação em resposta à temperatura de referência, de modo que a temperatura de condensação é mantida substancialmente no intervalo de temperatura determinado acima da temperatura de referência aumentando assim a temperatura de condensação de um mínimo no início do aquecimento do fluido, quando a temperatura de referência é a menor, até um máximo na completação do processo de aquecimento do fluido; e/ou, (b) quando o fluido deve ser resfriado, o evaporador (106) é o trocador de calor, a temperatura do lado primário (106) é a temperatura de evaporação, e o controlador (202) é arranjado para controlar a temperatura de evaporação em resposta à temperatura de referência, de modo que a temperatura de evaporação é mantida substancialmente no intervalo de temperatura determinado abaixo da temperatura de referência, reduzindo assim a temperatura de evaporação de um máximo no início do resfriamento do fluido, quando a temperatura de referência é a maior, até um mínimo na completação do processo de resfriamento do fluido.

2. Sistema (100) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um dos seguintes se aplica: (i) o sensor de temperatura (130) está localizado em uma região da entrada secundária (128a) do trocador de calor (104), de modo que a temperatura da entrada secundária (128a) pode ser determinada; ou (ii) o sensor de temperatura (130) não está localizado na entrada secundária (128a) e o controlador (202) é arranjado para calcular a temperatura do fluido que entra na entrada secundária (128a) usando a saída de temperatura.

3. Sistema (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que existe um gradiente de temperatura conhecido entre o lado primário (104a) do trocador de calor (104) através do qual o refrigerante flui e um lado secundário (104b) do trocador de calor (104) através do qual o fluido flui e o intervalo de temperatura determinado corresponde substancialmente ao gradiente de temperatura.

4. Sistema (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o controlador (202) está arranjado para manter pelo menos um dos seguintes: (i) a temperatura de condensação em um mínimo enquanto ainda garante que a transferência de calor ocorra entre o refrigerante e o fluido; e/ou (ii) a temperatura de evaporação em um máximo enquanto ainda garante que a transferência de calor ocorra entre o refrigerante e o fluido, sendo que opcionalmente o mínimo significa uma diferença de temperatura entre 1 e 6 graus centígrados entre a temperatura de condensação e uma temperatura do fluido em uma saída de um lado secundário (104b) do trocador de calor (104).

5. Sistema (100) de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que um dos seguintes se aplica: (1) o máximo significa uma diferença de temperatura entre 1 e 6 graus centígrados entre a temperatura de evaporação e uma temperatura do fluido na saída de um lado secundário (104b) do trocador de calor (104); e, o mínimo significa uma diferença de temperatura entre a temperatura de condensação e uma temperatura do fluido em uma saída de um lado secundário (104b) do trocador de calor (104) de entre 1 e 4 graus centígrados, sendo que opcionalmente o mínimo significa uma diferença de temperatura entre a temperatura de condensação e uma temperatura do fluido em uma saída de um lado secundário (104b) do trocador de calor (104) de cerca de 2 graus centígrados.

6. Sistema (100) de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o máximo significa uma diferença de temperatura entre a temperatura de evaporação e uma temperatura do fluido em uma saída de um lado secundário (104b) do trocador de calor (104) de cerca de 1 e 4 graus centígrados, sendo que opcionalmente o máximo significa uma diferença de temperatura entre a temperatura de evaporação e uma temperatura do fluido em uma saída de um lado secundário (104b) do trocador de calor (104) de cerca de 2 graus centígrados.

7. Sistema (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que pelo menos um dos seguintes se aplica: (a) a bomba de calor (110) é pelo menos uma das seguintes: (i) uma bomba de calor de fonte de ar; (ii) uma bomba de calor de fonte subterrânea; e (iii) uma bomba de calor de fonte de água; e (b) o controlador do sistema (202) é adicionalmente arranjado para controlar a vazão do fluido dentro do sistema de tubulação de aquecimento (116a) através do trocador de calor (104) como uma função de variáveis em adição à saída de temperatura, sendo que opcionalmente as variáveis em adição à saída de temperatura incluem pelo menos uma das seguintes: (i) as características térmicas do fluido; e (ii) as características de temperatura do trocador de calor (104).

8. Sistema (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que uma temperatura de condensação e/ou temperatura de evaporação alvo é calculada pelo controlador (202), em que o cálculo usa fatores incluindo um ou mais dos seguintes: (i) tipo de trocador de calor (104); (ii) a temperatura de fluido na entrada secundária (128a); (iii) temperaturas de condensação máximas e/ou mínimas do condensador (104); (iv) temperaturas de evaporação máximas e/ou mínimas do evaporador (106); (v) perdas no sistema de aquecimento do fluido; e (vi) uma temperatura de fluido alvo do fluido dentro do recipiente de armazenamento de fluido (114).

9. Sistema de controle (200) arranjado para controlar o aquecimento e/ou resfriamento de um volume de fluido contido dentro de um recipiente de armazenamento de fluido (114) para uma temperatura desejada usando uma bomba de calor (110) que compreende um compressor, um evaporador (106) tendo uma temperatura de evaporação, no qual o refrigerante, dessa maneira, evapora, e um condensador (104) tendo uma temperatura de condensação, no qual o refrigerante, dessa maneira, se condensa, conectado por um sistema de tubulação de refrigerante (108) arranjado para transportar um refrigerante, onde um dentre o condensador (104) e o evaporador (106) provê um trocador de calor (104) entre o fluido e o refrigerante, sendo a temperatura desejada a temperatura na qual o volume de fluido é para ser aquecido ou resfriado usando o trocador de calor (104) e a bomba de calor (110), cujo sistema de controle (200) compreende: pelo menos uma entrada (210g) arranjada para ter entrada do mesmo, a saída de um sensor de temperatura (130) arranjado para monitorar uma temperatura do fluido a ser aquecido ou resfriado, sendo que um controlador (202) é arranjado para gerar uma temperatura de referência a partir da pelo menos uma entrada da temperatura do mesmo, em que a temperatura de referência é uma temperatura medida de pelo menos uma de uma entrada (128a) e saída secundária (128b) do trocador de calor (104) através das quais o fluido escoa, e o controlador (202) é adicionalmente arranjado para controlar uma temperatura do lado primário (104a) do trocador de calor (104) através do qual o refrigerante escoa em resposta à temperatura de referência, caracterizado pelo fato de que a temperatura do lado primário (104a) do trocador de calor (104) é repetidamente ajustada pelo controlador (202) de modo a permanecer substancialmente em um intervalo de temperatura determinado a partir da temperatura de referência à medida que a temperatura do fluido aproxima da temperatura desejada, de modo que: (a) quando o fluido deve ser aquecido, o condensador (104) é o trocador de calor, a temperatura do lado primário (104a) é a temperatura de condensação, e o controlador (202) é arranjado para controlar a temperatura de condensação em resposta à temperatura de referência, de modo que a temperatura de condensação é mantida substancialmente no intervalo de temperatura determinado acima da temperatura de referência aumentando assim a temperatura de condensação de um mínimo no início do aquecimento do fluido, quando a temperatura de referência é a menor, até um máximo na completação do processo de aquecimento do fluido; e/ou, (b) quando o fluido deve ser resfriado, o evaporador (106) é o trocador de calor, a temperatura do lado primário (106) é a temperatura de evaporação, e o controlador (202) é arranjado para controlar a temperatura de evaporação em resposta à temperatura de referência, de modo que a temperatura de evaporação é mantida substancialmente no intervalo de temperatura determinado abaixo da temperatura de referência, reduzindo assim a temperatura de evaporação de um máximo no início do resfriamento do fluido, quando a temperatura de referência é a maior, até um mínimo na completação do processo de resfriamento do fluido.

10. Sistema (200) de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que dentro do trocador de calor (104) que o sistema de controle (200) está arranjado para controlar, existe um gradiente de temperatura conhecido entre o lado primário (104a) do trocador de calor (104) e o lado secundário (104b) do trocador de calor (104) e o intervalo de temperatura determinado corresponde substancialmente ao gradiente de temperatura.

11. Sistema (200) de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 ou 10, caracterizado pelo fato de que um dos seguintes se aplica: (i) o controlador (202) é arranjado para manter a temperatura do lado primário (104a) em um mínimo enquanto ainda garante que a transferência de calor ocorra entre o refrigerante e o fluido, quando o sistema (200) é arranjado para aquecer o fluido; ou, (ii) o controlador (202) é arranjado para manter a temperatura do lado primário (104a) em um máximo enquanto ainda garante que a transferência de calor ocorra entre o refrigerante e o fluido, quando o sistema (200) é arranjado para resfriar o fluido, sendo que opcionalmente o mínimo e/ou o máximo significa uma diferença de temperatura entre a temperatura do lado primário (104a) e uma temperatura do fluido em uma saída de um lado secundário (104b) do trocador de calor (104) de entre 1 e 7 graus centígrados, e opcionalmente entre 1 e 4 graus centígrados, mais opcionalmente 2 graus centígrados.

12. Método para aquecimento e/ou resfriamento de um fluido dentro de um recipiente de armazenamento de fluido (114) para uma temperatura desejada usando uma bomba de calor (110) que compreende um compressor, um evaporador (106) tendo uma temperatura de evaporação, no qual o refrigerante, dessa maneira, evapora, e um condensador (104) tendo uma temperatura de condensação, no qual o refrigerante, dessa maneira, se condensa, conectado por um sistema de tubulação de refrigerante (108) arranjado para transportar um refrigerante, onde um dentre o condensador (104) e o evaporador (106) provê um trocador de calor (104) entre o fluido e o refrigerante, sendo a temperatura desejada a temperatura na qual o volume de fluido é para ser aquecido ou resfriado, o método compreendendo mover o fluido do recipiente de armazenamento (114) através de um lado secundário (104b) do trocador de calor (104) da bomba de calor (110) e de volta para o recipiente de armazenamento (114), e controlar a temperatura de um lado primário (104a) do trocador de calor (104), caracterizado pelo fato de que a temperatura do lado primário (104a) do trocador de calor (104) é repetidamente ajustada de modo a permanecer substancialmente em um intervalo de temperatura determinado a partir de uma temperatura de referência que é uma temperatura de pelo menos uma de: uma temperatura de uma entrada (128a) para o lado secundário (104b) e uma temperatura de uma saída (128b) do lado secundário (104b), à medida que a temperatura do fluido aproxima da temperatura desejada, de modo que: (a) quando o fluido deve ser aquecido, o condensador (104) é o trocador de calor, a temperatura do lado primário (104a) é a temperatura de condensação, e o controlador (202) é arranjado para controlar a temperatura de condensação em resposta à temperatura de referência, de modo que a temperatura de condensação é mantida substancialmente no intervalo de temperatura determinado acima da temperatura de referência aumentando assim a temperatura de condensação de um mínimo no início do aquecimento do fluido, quando a temperatura de referência é a menor, até um máximo na completação do processo de aquecimento do fluido; e/ou, (b) quando o fluido deve ser resfriado, o evaporador (106) é o trocador de calor, a temperatura do lado primário (106) é a temperatura de evaporação, e o controlador (202) é arranjado para controlar a temperatura de evaporação em resposta à temperatura de referência, de modo que a temperatura de evaporação é mantida substancialmente no intervalo de temperatura determinado abaixo da temperatura de referência, reduzindo assim a temperatura de evaporação de um máximo no início do resfriamento do fluido, quando a temperatura de referência é a maior, até um mínimo na completação do processo de resfriamento do fluido.

13. Método de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que pelo menos um dos seguintes se aplica: (a) quer: (i) o lado primário (104a) do trocador de calor (104) compreende uma parte de um condensador (104) dentro de um ciclo de refrigeração; ou (ii) o lado primário (104a) do trocador de calor (104) compreende uma parte de um evaporador (106) dentro de um ciclo de refrigeração; e (b) o ciclo de refrigeração é provido por uma bomba de calor (110).

14. Meio legível por máquina, caracterizado pelo fato de que contém instruções que, quando lidas por uma máquina, fazem com que a máquina funcione como o sistema (100, 200) como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 11 ou proveja o método como definido em qualquer uma das reivindicações 12 ou 13.