BR112020026171A2

BR112020026171A2 - sistema de arrefecimento de múltiplas cascatas

Info

Publication number: BR112020026171A2
Application number: BR112020026171-8A
Authority: BR
Inventors: Andrey Dobkin; Mikhael Sitkovsky
Original assignee: N. A. M. Technology Ltd.
Priority date: 2018-06-19
Filing date: 2019-05-07
Publication date: 2021-03-23
Also published as: CN113825957A; WO2019244144A1; EP3811000A4; US20210270499A1; SG11202012695RA; IL260159B; MX2020013866A; EP3811000A1; JP2021527794A; AU2019291673A1; IL260159A

Abstract

Trata-se de um sistema de arrefecimento de múltiplas cascatas que tem um elemento refrigerante que flui em componentes de refrigeração, que compreende pelo menos um primeiro trocador de calor configurado para receber o elemento refrigerante a partir de um componente dos componentes de refrigeração, e arrefecimento com um primeiro fluido fornecido por uma máquina de sorção, e pelo menos um segundo trocador de calor configurado para receber o elemento refrigerante a partir do pelo menos um primeiro trocador de calor e regular a temperatura do elemento refrigerante com um segundo fluido fornecido por um arrefecedor auxiliar. O elemento refrigerante flui a partir de pelo menos um segundo trocador de calor para outro componente dos componentes de refrigeração.

Description

“SISTEMA DE ARREFECIMENTO DE MÚLTIPLAS CASCATAS” CAMPO DA TÉCNICA

[0001] A presente matéria divulgada se refere à refrigeração em geral. Mais particularmente, a presente matéria divulgada se refere à melhoria da eficiência energética de sistemas de arrefecimento.

ANTECEDENTES

[0002] O aparelho em cascata comercialmente disponível consiste tipicamente em um ou mais aparelhos de refrigeração de circuito único, em que cada aparelho compreende um compressor, evaporador, condensador, válvula de expansão e trocadores de calor. Tipicamente, um aparelho em cascata representa um aparelho de refrigeração de dois circuitos, desse modo, diferentes potências de elementos refrigerantes por cascata. As bombas de calor podem funcionar em ciclos em cascata com vários elementos refrigerantes, como um aparelho do tipo pré-arrefecimento de ar, que utiliza o ar como um carreador de calor, enquanto o circuito de arrefecimento primário inclui um compressor, um condensador, evaporador e trocador de calor de fluxo triplo. Tal aparelho em cascata comercialmente disponível emprega compressor auxiliar, condensador e evaporador que pode ser conectado ao trocador de calor de fluxo triplo.

[0003] O uso de dois ou mais compressores acionados por eletricidade é comum nos aparelhos de refrigeração em cascata existentes. Os aparelhos de refrigeração em cascata de baixa temperatura operam com a energia elétrica de entrada 30 a 40% maior do que a refrigeração de saída.

[0004] Em outros sistemas disponíveis comercialmente, um aparelho de refrigeração pode compreender tanto circuitos de compressão quanto de absorção. O circuito de absorção pode compreender um motor ou uma combinação de gerador elétrico primário. Um acionador do mesmo fornece ao gerador do circuito de absorção energia térmica e ao acionamento elétrico do circuito de refrigeração energia elétrica. Essa forma de acoplamento de um compressor de refrigeração a um circuito de absorção não permite classificar o aparelho de refrigeração acima como um em cascata. Por outro lado, pode muito bem ser classificado como um aparelho híbrido, em que o compressor fornece o vapor de elemento refrigerante ao condensador ou ao trocador de calor médio.

BREVE SUMÁRIO

[0005] De acordo com um primeiro aspecto da presente matéria divulgada, um sistema de arrefecimento de múltiplas cascatas, que tem um elemento refrigerante que flui em componentes de refrigeração, sendo que o sistema compreende:

[0006] pelo menos um primeiro trocador de calor configurado para receber o elemento refrigerante a partir de um componente dos componentes de refrigeração e arrefecimento com um primeiro fluido fornecido por uma máquina de sorção;

[0007] pelo menos um segundo trocador de calor configurado para receber o elemento refrigerante a partir do pelo menos um primeiro trocador de calor e regular uma temperatura do elemento refrigerante com um segundo fluido fornecido por um arrefecedor auxiliar; e

[0008] em que o elemento refrigerante flui de pelo menos um segundo trocador de calor para outro componente dos componentes de refrigeração.

[0009] Em algumas modalidades exemplificativas, o pelo menos um primeiro trocador de calor e o pelo menos um segundo trocador de calor são integrados em pelo menos um trocador de calor duplo e em que o elemento refrigerante é arrefecido pelo primeiro fluido e regulado pelo segundo fluido, em o pelo menos um trocador de calor duplo simultaneamente.

[0010] Em algumas modalidades exemplificativas, o pelo menos um segundo trocador de calor é configurado para regular uma temperatura do primeiro fluido com o segundo fluido; e em que o pelo menos um primeiro trocador de calor está configurado para receber o primeiro fluido do pelo menos um segundo trocador de calor para arrefecer o elemento refrigerante, e em que o elemento refrigerante flui de pelo menos um primeiro trocador de calor para o outro componente dos componentes de refrigeração.

[0011] Em algumas modalidades exemplificativas, o pelo menos um segundo trocador de calor é configurado para arrefecer o segundo fluido com o primeiro fluido, em que o pelo menos um primeiro trocador de calor é configurado para receber um segundo fluido arrefecido do pelo menos um segundo trocador de calor para arrefecer o elemento refrigerante, e em que o elemento refrigerante flui de pelo menos um primeiro trocador de calor para o outro componente dos componentes de refrigeração.

[0012] Em algumas modalidades exemplificativas, a máquina de sorção é selecionada a partir de um grupo que consiste em máquina de absorção; máquina de adsorção; e qualquer combinação das mesmas.

[0013] Em algumas modalidades exemplificativas, a máquina de sorção é alimentada principalmente por energia residual que é selecionada a partir de um grupo que consiste em água cinza; vapor; gás de escape, água quente; e qualquer combinação dos mesmos.

[0014] Em algumas modalidades exemplificativas, o segundo fluido é adotado para regular a temperatura do elemento refrigerante devido à temperatura inconsistente do primeiro fluido, resultante da volatilidade da energia residual.

[0015] Em algumas modalidades exemplificativas, o componente é um condensador e o outro componente é uma válvula de expansão.

[0016] Em algumas modalidades exemplificativas, o elemento refrigerante é selecionado a partir de um grupo que consiste em R22; R410A; R12; R134; e qualquer combinação dos mesmos.

[0017] Em algumas modalidades exemplificativas, o primeiro fluido e o segundo fluido são selecionados a partir de um grupo que consiste em água; R22; R410A; R12; R134; e qualquer combinação dos mesmos.

[0018] De acordo com outro aspecto da presente matéria divulgada, um método de operação do sistema de arrefecimento de múltiplas cascatas é fornecido, sendo que o método compreende:

[0019] receber o elemento refrigerante do componente;

[0020] arrefecer o elemento refrigerante com o primeiro fluido;

[0021] regular a temperatura do elemento refrigerante com o segundo fluido; e

[0022] fluir o elemento refrigerante para o outro componente.

[0023] Em algumas modalidades exemplificativas, a dita regulação da temperatura é a regulação da temperatura do primeiro fluido com o segundo fluido.

[0024] Em algumas modalidades exemplificativas, o dito arrefecimento do elemento refrigerante está arrefecendo e regulando a temperatura do elemento refrigerante com o segundo fluido e em que o primeiro fluido está arrefecendo o segundo arrefecimento.

[0025] Em algumas modalidades exemplificativas, o sistema de arrefecimento de múltiplas cascatas é instalado em um veículo de transporte.

[0026] Em algumas modalidades exemplificativas, a máquina de sorção é alimentada por energia residual que é selecionada a partir de um grupo que consiste em fluido de radiador do motor do veículo, óleo do motor do veículo, gases de escape; e qualquer combinação dos mesmos.

[0027] Em algumas modalidades exemplificativas, o arrefecedor auxiliar é alimentado por baterias auxiliares.

[0028] A menos que definido de outra maneira, todos os termos técnicos e científicos usados no presente documento têm o mesmo significado como é compreendido geralmente por um indivíduo de habilidade comum na técnica à qual essa matéria divulgada pertence. Embora métodos e materiais similares ou equivalentes aos descritos no presente documento possam ser usados na prática ou em teste da presente matéria divulgada, os métodos e materiais adequados são descritos abaixo. Em caso de conflito, o relatório descritivo, incluindo definições, prevalecerá. Além disso, os materiais, métodos e exemplos são apenas ilustrativos e não se destinam a ser limitantes.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0029] Algumas modalidades da matéria divulgada descrita, apenas a título de exemplo, com referência aos desenhos anexos. Agora, com referência específica aos desenhos em detalhes, é enfatizado que os detalhes mostrados são a título de exemplo e para fins de discussão ilustrativa das modalidades preferenciais da presente matéria divulgada apenas, e são apresentados com o intuito de fornecer o que se acredita ser a descrição mais útil e facilmente compreensível dos princípios e aspectos conceituais da matéria divulgada. Nesse caso, nenhuma tentativa é feita para se mostrar detalhes estruturais em maiores detalhes do que o necessário para um entendimento fundamental da matéria divulgada, a descrição tomada com os desenhos, tornando evidente para os indivíduos versados na técnica como várias formas da matéria divulgada podem ser incorporadas na prática.

[0030] Nos desenhos:

[0031] A Figura 1 mostra um diagrama de blocos de uma configuração de um sistema de arrefecimento de múltiplas cascatas, de acordo com algumas modalidades exemplificativas da matéria divulgada;

[0032] A Figura 2 mostra um diagrama de blocos de outra configuração do sistema de arrefecimento de múltiplas cascatas, de acordo com algumas modalidades exemplificativas da matéria divulgada;

[0033] A Figura 3 mostra um diagrama de blocos de ainda outra configuração do sistema de arrefecimento de múltiplas cascatas, de acordo com algumas modalidades exemplificativas da matéria divulgada;

[0034] A Figura 4 mostra um diagrama de blocos de ainda outra configuração do sistema de arrefecimento de múltiplas cascatas, de acordo com algumas modalidades exemplificativas da matéria divulgada; e

[0035] A Figura 5 representa um diagrama P-H do sistema de arrefecimento de múltiplas cascatas, de acordo com algumas modalidades exemplificativas da matéria divulgada.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0036] Antes de explicar pelo menos uma modalidade da matéria divulgada em detalhes, deve ser entendido que a matéria revelada não está limitada em sua aplicação aos detalhes de construção e da disposição dos componentes apresentados na descrição a seguir ou ilustrados nos desenhos. A matéria divulgada tem capacidade de outras modalidades ou de ser praticada ou realizada de várias maneiras. Além disso, deve ser entendido que a fraseologia e terminologia empregadas no presente documento são para fins de descrição e não devem ser consideradas limitantes. Os desenhos, em geral, não estão em escala. Para maior clareza, elementos não essenciais foram omitidos em alguns dos desenhos.

[0037] Um objetivo técnico da presente divulgação é melhorar a eficiência energética dos sistemas de arrefecimento em cascatas de pelo menos um trocador de calor entre o condensador e o evaporador de um sistema de refrigeração comercialmente disponível. Em algumas modalidades exemplificativas, o trocador de calor pode ser adicionado ao sistema de arrefecimento. O trocador de calor pode utilizar fluidos residuais para absorver o calor do elemento refrigerante que flui entre um condensador e um evaporador do sistema comercialmente disponível. Um efeito técnico da utilização da matéria divulgada é reduzir significativamente o consumo de energia, baixando-se a temperatura do elemento refrigerante com o trocador de calor.

[0038] Outro problema técnico tratado pela matéria divulgada é a utilização da disponibilidade de fluidos residuais, como vapor, água cinza, uma combinação dos mesmos ou semelhantes. Além disso, abordar a natureza da inconstância e instabilidade dos fluidos residuais que podem afetar a precisão do sistema de arrefecimento, por exemplo, ponto de ajuste de temperatura e consumo de energia.

[0039] Outra solução técnica é colocar em cascata pelo menos um sistema de arrefecimento baseado em compressor, além do trocador de calor, para regular a temperatura do elemento refrigerante e compensar pela inconstância dos fluidos residuais fornecidos ao trocador de calor. Deve ser observado que, tipicamente, ocorrem perdas de fluidos residuais nas horas de trabalho fora da coleta. Desse modo, outro aspecto da presente divulgação é sustentar soluções de eficiência energética, mesmo se as fontes de fluidos residuais não forem fornecidas continuamente.

[0040] Um efeito técnico da utilização da matéria divulgada é a alta eficiência do consumo de energia de um aparelho de refrigeração. Os parâmetros mais importantes de operação de um aparelho de refrigeração com uma cascata de dois circuitos são a alta precisão de controle dos parâmetros de sua operação e a estabilidade de operação.

[0041] Agora, em referência à Figura 1, que mostra um diagrama de blocos de uma primeira configuração de um sistema de arrefecimento de múltiplas cascatas 100, de acordo com algumas modalidades exemplificativas da matéria divulgada. O sistema de arrefecimento pode compreender um compressor 101, um condensador 102, um trocador de calor principal 103, um trocador de calor auxiliar 104, válvula de expansão 105, evaporador 107 e sensor de temperatura 106. Além disso, um condutor de elemento refrigerante 111 pode ser usado para conectar os componentes de refrigeração listados acima em um circuito, como a configuração representada na Figura 1. Em algumas modalidades exemplificativas, um elemento refrigerante, como R22, R410A, R12, R134 ou semelhantes, pode estar fluindo no condutor 111 e através dos componentes de refrigeração listados acima.

[0042] Em algumas modalidades exemplificativas, o elemento refrigerante flui em um circuito do compressor 101 para o evaporador 107 na seguinte ordem: primeiro condensador 102, 2º circuito de elemento refrigerante do trocador de calor principal 103, 3º circuito de elemento refrigerante do trocador de calor auxiliar 104 e a última válvula de expansão 105 antes de expandir para o evaporador 107. Em algumas modalidades exemplificativas, o elemento refrigerante flui através do circuito primário 103P do trocador de calor principal 103 e, então, através do circuito primário 104P do trocador de calor principal 103. O elemento refrigerante pode ser arrefecido por fluido que flui através do circuito 108 (doravante fluido, 108) do trocador de calor 103, bem como o fluido que flui no circuito 109 (doravante, fluido 109) do trocador de calor auxiliar 104.

[0043] Em algumas modalidades exemplificativas, o trocador de calor principal 103 pode ser usado como uma segunda etapa no sistema em cascata para arrefecer o elemento refrigerante com fluido 108. O fluido 108 pode ser fornecido por uma máquina de sorção (não mostrada). Adicional ou alternativamente, o trocador de calor auxiliar 104 pode ser usado como uma terceira etapa no sistema em cascata para arrefecer o elemento refrigerante com fluido 109. O fluido 109 pode ser fornecido por um sistema de arrefecimento comercialmente disponível que serve como um sistema de arrefecimento auxiliar (não mostrado). A máquina de sorção tipicamente utiliza fluido residual como sua fonte de energia, em que o consumo de energia tanto do sistema de arrefecimento auxiliar (ACS) quanto da máquina de sorção é substancialmente menor do que o sistema básico, ou seja, sistema 100 menos ambos os trocadores de calor. Será observado que o coeficiente de desempenho (COP) do sistema 100 é dramaticamente melhorado devido à utilização para o arrefecimento adicional do elemento refrigerante com fluido 108 que utilizou energia residual.

[0044] Em algumas modalidades exemplificativas, o trocador de calor auxiliar 104 pode ser usado como uma terceira etapa de arrefecimento no sistema em cascata. O trocador de calor auxiliar 104 pode ser conectado após o trocador de calor principal 103, a fim de estabilizar a temperatura do elemento refrigerante, devido à volatilidade do fluido residual e/ou qualquer outro suprimento de material de absorção. Além disso, o trocador de calor auxiliar 104 pode ser usado para controlar o arrefecimento até a temperatura desejada, desse modo, usado como um regulador. Isso afeta o benefício de todo o sistema, traz estabilidade às suas operações e aumenta a vida útil do compressor e da válvula de expansão 105. Em algumas modalidades exemplificativas, o trocador de calor auxiliar 104 pode ser um sistema de arrefecimento comercialmente disponível que fornece fluido de elemento refrigerante para o segundo circuito 109, a fim de regular a temperatura do elemento refrigerante principal e compensar pelas perdas de temperatura devido à falta de consistência de calor residual.

[0045] Será entendido que o sistema de autorregulação em cascata dupla pode não requerer a ativação do trocador de calor auxiliar 104 no caso de produção aumentada de fluido residual, em que vapor, água cinza ou semelhantes contribuem com a maior parte da energia. No entanto, na ausência de fluido residual, a maior parte da carga recai sobre o condensador 102 e o ACS que fornece o fluido 109, que trabalhará em sensações térmicas e, consequentemente, em um COP muito mais alto do que o COP de uma máquina comercialmente disponível.

[0046] Em algumas modalidades exemplificativas, a máquina de sorção pode utilizar material absorvente sólido em vez de fluido. Adicional ou alternativamente, a máquina de sorção pode ser facilitada com um reservatório de calor suplementar (sobressalente) (residual) que irá alimentar a máquina durante a ausência de energia residual.

[0047] Em algumas modalidades exemplificativas da matéria divulgada, o sistema de arrefecimento de múltiplas cascatas 100 pode ser utilizado em veículos de transporte de carga (FTV), como caminhões refrigerados, vagões refrigerados ferroviários, contêineres de expedição ou semelhantes. FTV refrigerados são usados para transportar mercadorias perecíveis em temperaturas específicas. O sistema de arrefecimento 100 da presente divulgação também pode ser utilizado em navios de carga para manter temperaturas específicas no transporte a granel, como carne, peixe, material de perigo de vegetação ou semelhantes.

[0048] Em tais modalidades exemplificativas de FTV, o sistema de arrefecimento 100 pode ser semelhante à modalidade representada na Figura 1, no entanto, o trocador de calor principal 103 e o trocador de calor auxiliar 104 podem ser alimentados de forma diferente. O trocador de calor principal 103 pode ser usado como uma segunda etapa no sistema em cascata para arrefecer o elemento refrigerante com fluido 108. O fluido 108 pode ser fornecido por uma máquina de sorção (não mostrada). Em algumas modalidades exemplificativas, uma máquina de sorção utilizada em modalidades de FTV pode diferir da máquina de sorção estacionária típica, devido à fonte da energia residual que a mesma usa. Em modalidades de FTV, a fonte alternativa da energia residual pode ser selecionada a partir de um grupo que consiste em: fluido do radiador do motor do veículo, óleo do motor do veículo, gases de escape e qualquer combinação dos mesmos, ou semelhantes.

[0049] Adicional ou alternativamente, o trocador de calor auxiliar 104 pode ser usado como uma terceira etapa no sistema em cascata para arrefecer o elemento refrigerante com fluido 109. O fluido 109 pode ser fornecido por um sistema de arrefecimento comercialmente disponível alimentado por baterias auxiliares carregáveis (não mostradas). Em algumas modalidades exemplificativas, as baterias auxiliares podem ser adaptadas para serem alimentadas pelo alternador de veículo e linha de alimentação, enquanto o veículo está estacionando.

[0050] A utilização da máquina de sorção e do ACS em modalidades de FTV reduz significativamente o consumo de energia em comparação com veículos de refrigeração disponíveis comercialmente e, desse modo, melhora drasticamente o COP.

[0051] O efeito técnico adicional da utilização dos recursos de FTV da matéria divulgada é a redução do consumo de combustível do veículo abaixo de um limite regulamentar, que ganha isenção do uso de biodiesel.

[0052] Agora, em referência à Figura 2, que mostra um diagrama de blocos de uma segunda configuração de um sistema de arrefecimento de múltiplas cascatas 200, de acordo com algumas modalidades exemplificativas da matéria divulgada. O sistema de arrefecimento pode compreender componentes de refrigeração, como um compressor 101, um condensador 102, um trocador de calor duplo 110, uma válvula de expansão 105, um evaporador 107 e sensor de temperatura 106. Além disso, um condutor de elemento refrigerante 111 pode ser usado para conectar os componentes de refrigeração listados acima em um circuito, como a configuração representada na Figura 2. Em algumas modalidades exemplificativas, um elemento refrigerante (fluido), como R22, R410A, R12, R134, ou semelhantes, podem estar fluindo no condutor 111 e através dos componentes de refrigeração listados acima.

[0053] Em algumas modalidades exemplificativas, o elemento refrigerante flui em um circuito do compressor 101 para o condensador 102, em seguida, para o trocador de calor duplo 110 e, em seguida, para a válvula de expansão 105 antes de se expandir no evaporador

107. Em algumas modalidades exemplificativas, o fluxo de elemento refrigerante através de um circuito primário 110P, do trocador de calor duplo 110, pode ser arrefecido por um primeiro fluido que flui através de um primeiro circuito 108 e um segundo fluido que flui em um segundo circuito 109 do trocador de calor duplo 110.

[0054] Em algumas modalidades exemplificativas, o primeiro fluido que flui através de um primeiro circuito 108, doravante fluido

108, pode ser água ou qualquer um dos elementos refrigerantes, como descrito acima. Do mesmo modo, o segundo fluido que flui em um segundo circuito 109, doravante fluido 109, também pode ser ou água ou qualquer um dos elementos refrigerantes descritos acima. O fluido 108 pode ser fornecido por uma máquina de sorção comercialmente disponível (não mostrada), enquanto o fluido 109 pode ser um elemento refrigerante típico, geralmente fornecido pelo ACS (não mostrado).

[0055] Deve ser observado que as máquinas de sorção são usadas para remover calor da água gelada utilizando-se energia residual de vapor, gás de escape, água quente e qualquer combinação dos mesmos, ou semelhantes, para regenerar a solução de sorção. A sorção é um processo e químico através do qual a substância se torna fixada à outra. Será observado que a presente divulgação pode utilizar ou máquinas de absorção ou de adsorção. As máquinas de absorção incorporam uma substância em um estado que muda para um estado diferente, por exemplo, líquidos que são absorvidos por um sólido ou gases que são absorvidos por um líquido. As máquinas de adsorção ligam íons e moléculas à superfície de outra fase, por exemplo, reagentes adsorvidos em uma superfície de catalisador sólido. Por exemplo, as máquinas de adsorção incorporam uma substância sólida que absorve o elemento refrigerante de fluido e as máquinas de absorção incorporam uma substância líquida que absorve o elemento refrigerante de gás.

[0056] Em algumas modalidades exemplificativas, ou uma máquina de absorção ou uma máquina de adsorção (não mostrada) podem ser usadas para arrefecer o fluido 108, que subsequentemente arrefece o elemento refrigerante (que flui para o circuito primário 110P) do trocador de calor duplo 110. Portanto, ao colocar em cascata o trocador de calor duplo 110 para arrefecer ainda mais o elemento refrigerante, com máquina de sorção que utiliza energia residual, aumenta o coeficiente de desempenho (COP) do sistema.

[0057] Adicional ou alternativamente, um ACS (não mostrado), tal como, um arrefecedor, ou semelhante pode ser utilizado para regular o fluido 109, que subsequentemente arrefece o elemento refrigerante (que flui para o circuito primário 110P) do trocador de calor duplo 110. Será observado que o fluido 109 pode ser usado para regular a temperatura do elemento refrigerante que flui para o circuito primário 110P. Em algumas modalidades exemplificativas, o arrefecimento e a regulação do elemento refrigerante podem ser realizados simultaneamente pelo fluido 108 e fluido 109, respectivamente.

[0058] A regulação pode ser necessária devido à natureza inconstante da energia residual que aciona a máquina de sorção. Em algumas modalidades exemplificativas, a energia residual, como água cinza, vapor ou semelhantes, pode ser acumulada durante as horas de pico, a fim de compensar as horas fora de pico, sustentando, desse modo, o fornecimento contínuo para a máquina de sorção. Em tais modalidades, o fluido 109 pode ser usado para regular a temperatura do elemento refrigerante a fim de compensar pela demanda de arrefecimento e pela instabilidade da temperatura do fluido 108. Em outras modalidades exemplificativas, o fluido 109 também pode ser usado para compensar pelas horas fora de pico, em sistemas que não possuem acumuladores de energia residual.

[0059] Em algumas modalidades exemplificativas, o arrefecimento do elemento refrigerante do sistema em cascata pode ser realizado em três fases; 1ª pelo compressor 101 com condensador 102; 2ª pelo fluido 108 e 3ª pelo fluido 109. Deve ser observado que o segundo circuito 109 do trocador de calor duplo 110 pode ser usado para estabilizar a temperatura do elemento refrigerante devido à volatilidade do fluido residual, o que pode afetar o rendimento da máquina de sorção. O segundo circuito 109 também pode ser usado para controlar o arrefecimento até a temperatura desejada. Essa configuração do sistema de arrefecimento em cascata 200 melhora a eficiência de todo o sistema, traz estabilidade às suas operações e aumenta a expectativa de vida do compressor 101 e da válvula de expansão 105. Em algumas modalidades exemplificativas, o fluido 109 pode ser fornecido por um sistema de arrefecimento comercialmente disponível que alimenta o fluido elemento refrigerante 109 para o segundo circuito 109 a fim de regular a temperatura do elemento refrigerante principal e a compensar pelas perdas de temperatura devido à falta de consistência de calor residual.

[0060] Será entendido que o sistema de autorregulação em cascata dupla pode não requerer a ativação do trocador de calor auxiliar 104 no caso de produção aumentada de fluido residual, em que vapor, água cinza ou semelhantes contribuem com a maior parte da energia. No entanto, na ausência de fluido residual, a maior parte da carga recai sobre o compressor 101, o condensador 102 e o ACS, que trabalharão em sensações térmicas e, consequentemente, em um COP muito mais alto do que o COP de uma máquina comercialmente disponível. Deve ser observado que, o COP do sistema em cascata de arrefecimento é dramaticamente melhorado devido à utilização para o acúmulo de energia no fluido residual.

[0061] Agora, em referência à Figura 3, que mostra um diagrama de blocos de uma segunda configuração de um sistema de arrefecimento de múltiplas cascatas 300, de acordo com algumas modalidades exemplificativas da matéria divulgada. O sistema de arrefecimento pode compreender componentes de refrigeração, como um compressor 101, um condensador 102, um trocador de calor principal 103, um trocador de calor auxiliar 104, uma válvula de expansão 105, um evaporador 107 e sensor de temperatura 106. Além disso, um condutor de elemento refrigerante 111 pode ser usado para conectar os componentes de refrigeração listados acima em um circuito, como a configuração representada na Figura 3. Em algumas modalidades exemplificativas, um elemento refrigerante, como R22, R410A, R12, R134 ou semelhantes, pode estar fluindo no condutor 111 e através dos componentes de refrigeração listados acima.

[0062] Em algumas modalidades exemplificativas, o elemento refrigerante (fluido) flui em um circuito do compressor 101 para o condensador 102, em seguida, para o trocador de calor principal 103 e, em seguida, para a válvula de expansão 105 antes de se expandir para o evaporador 107. O elemento refrigerante flui através de um circuito primário 103P, do trocador de calor principal 103, para a válvula de expansão 105. O elemento refrigerante pode ser arrefecido no trocador de calor principal 103 pelo fluido 108, fornecido por uma máquina de sorção (não mostrada), para o circuito 108. Em algumas modalidades exemplificativas, o fluido 108 primeiro entra no trocador de calor auxiliar 104 para propósitos de arrefecimento adicional e regulação de temperatura. O fluido 108 pode ser regulado no trocador de calor auxiliar 104 por um segundo fluido que flui no circuito 109 do trocador de calor auxiliar 104.

[0063] Em algumas modalidades exemplificativas, o primeiro fluido que flui através do circuito 108 (fluido 108) pode ser água ou qualquer um dos elementos refrigerantes, como descrito acima. Do mesmo modo, o segundo fluido que flui em um segundo circuito 109, doravante fluido 109, também pode ser ou água ou qualquer um dos elementos refrigerantes descritos acima.

[0064] O fluido 108 pode ser fornecido por uma máquina de sorção comercialmente disponível (não mostrada), enquanto o fluido 109 pode ser um elemento refrigerante típico, geralmente fornecido pelo ACS (não mostrado).

[0065] Deve ser observado que as máquinas de sorção são usadas para remover calor da água gelada, utilizando-se energia residual em uma forma de vapor, gás de escape, água quente e qualquer combinação dos mesmos, ou semelhantes para regenerar a solução de sorção. A sorção é um processo e químico através do qual a substância se torna fixada à outra. É observado que a presente divulgação pode utilizar ou máquinas de absorção ou de adsorção. As máquinas de absorção incorporam uma substância em um estado que muda para um estado diferente, por exemplo,

líquidos que são absorvidos por um sólido ou gases que são absorvidos por um líquido. As máquinas de adsorção ligam íons e moléculas à superfície de outra fase, por exemplo, reagentes adsorvidos em uma superfície de catalisador sólido.

[0066] Em algumas modalidades exemplificativas, uma máquina de absorção ou máquina de adsorção (não mostrada) podem ser usadas para arrefecer o fluido 108, que, subsequentemente, arrefece o elemento refrigerante (que flui para o circuito primário 103P) do trocador de calor principal 103. Portanto, ao colocar em cascata o trocador de calor principal 103 para arrefecer ainda mais o elemento refrigerante, com máquina de sorção que utiliza energia residual, aumenta o coeficiente de desempenho (COP) do sistema.

[0067] Adicional ou alternativamente, um ACS (não mostrado) pode ser utilizado para arrefecer o fluido 109, que arrefece o fluido 108 no trocador de calor principal 103. Será observado que o fluido 109 pode ser usado para regular a temperatura do fluido 108 devido à natureza inconstante da energia residual que aciona a máquina de sorção. Em algumas modalidades exemplificativas, a energia residual, como água cinza, vapor ou semelhantes, pode ser acumulada durante as horas de pico, a fim de compensar as horas fora de pico, sustentando, desse modo, o fornecimento contínuo para a máquina de sorção. Em tais modalidades, o fluido 109 pode ser usado para regular a temperatura do fluido 108 a fim de compensar pela demanda de arrefecimento e pela instabilidade da temperatura do fluido 108.

[0068] Em algumas modalidades exemplificativas, o arrefecimento do elemento refrigerante do sistema em cascata pode ser realizado em três fases; 1ª pelo compressor 101 com condensador 102; 2ª pelo fluido 108 e 3ª pelo fluido 109. Deve ser observado que o circuito 109 do trocador de calor 104 pode ser usado para estabilizar a temperatura do fluido 108, devido à volatilidade do fluido residual, o que pode afetar o rendimento da máquina de sorção. O circuito 109 também pode ser usado para controlar o arrefecimento até a temperatura desejada. Essa configuração do sistema de arrefecimento em cascata 300 melhora a eficiência do sistema inteiro, traz estabilidade para suas operações e aumenta a expectativa de vida do compressor e da válvula de expansão 105. Em algumas modalidades exemplificativas, o fluido 109 pode ser fornecido por um sistema de arrefecimento comercialmente disponível que alimenta fluido de elemento refrigerante 109 para o circuito 109 a fim de regular a temperatura do fluido

108.

[0069] Será entendido que o sistema de autorregulação em cascata dupla pode não exigir a ativação do sistema de arrefecimento adicional que fornece fluido 108 nos casos de produção de fluido residual aumentada, em que vapor, água cinza ou semelhantes contribuem com a maior parte da energia.

[0070] Agora, em referência à Figura 4, que mostra um diagrama de blocos de uma quarta configuração de um sistema de arrefecimento de múltiplas cascatas 400, de acordo com algumas modalidades exemplificativas da matéria divulgada. Deve ser observado que a quarta configuração a seguir do sistema de arrefecimento de múltiplas cascatas 400 pode ser adequada para aplicação, em que o fornecimento de energia residual é muito volátil e pode ser interrompido frequentemente.

[0071] O sistema de arrefecimento pode compreender componentes de refrigeração, como um compressor 101, um condensador 102, um trocador de calor principal 104, um trocador de calor auxiliar 103, uma válvula de expansão 105, um evaporador 107 e sensor de temperatura 106. Além disso, um condutor de elemento refrigerante 111 pode ser usado para conectar os componentes de refrigeração listados acima em um circuito, como a configuração representada na Figura 4. Em algumas modalidades exemplificativas, um elemento refrigerante, como R22, R410A, R12, R134 ou semelhantes, pode estar fluindo no condutor 111 e através dos componentes de refrigeração listados acima.

[0072] Em algumas modalidades exemplificativas, o elemento refrigerante flui em um circuito do compressor 101 para o condensador 102, em seguida, para o trocador de calor principal 104 e, em seguida, para a válvula de expansão 105 antes de se expandir para o evaporador 107. O elemento refrigerante flui através de um circuito primário 104P, do trocador de calor principal 103, para a válvula de expansão 105. O elemento refrigerante pode ser arrefecido no trocador de calor principal 104 por fluido 109, que é fornecido pelo ACS (não mostrado), como um sistema de condicionamento de ar, um refrigerador ou semelhante. O fluido 109 pode ser utilizado para arrefecer o elemento refrigerante, que flui para o circuito primário 104P do trocador de calor principal 104. Em algumas modalidades exemplificativas, o fluido 109 pode ser alimentado através de um circuito 109 para o trocador de calor auxiliar 103, para propósitos de arrefecimento adicional, antes de entrar no trocador de calor principal 104. Nessa modalidade exemplificativa, o trocador de calor auxiliar 103 pode ser usado para arrefecer o fluido 109 com fluido 108 fornecido por uma máquina de sorção (não mostrada) através do circuito 108. Será observado que a máquina de sorção serve como uma fonte de energia suplementar que utiliza energia residual que contribui para arrefecimento adicional para fluido 109. Nessa configuração, o arrefecimento adicional ao fluido 109 não é obrigatório para a operação normal do presente sistema de divulgação, no entanto, a presença de energia residual reduz drasticamente o consumo de energia do sistema de arrefecimento que fornece fluido 109, aumentando, desse modo, o COP do sistema em cascata geral. Deve ser observado que o fluido 109 atua como um regulador de temperatura e sua operação pode ser ditada pela demanda de arrefecimento do sensor de ponto de ajuste 106 e a presença da energia residual para a máquina de sorção.

[0073] Em algumas modalidades exemplificativas, o fluido 108 pode ser água ou qualquer um dos elementos refrigerantes, como descrito acima. Do mesmo modo, o fluido 109 que flui em um circuito 109,

também pode ser água ou qualquer um dos elementos refrigerantes descritos acima. O fluido 108 pode ser fornecido por uma máquina de sorção comercialmente disponível (não mostrada), enquanto o fluido 109 pode ser um elemento refrigerante típico, geralmente fornecido pelo ACS (não mostrado).

[0074] Deve ser observado que as máquinas de sorção são usadas para remover o calor da água resfriada, utilizando-se energia residual em uma forma de vapor, gás de escape, água quente, e qualquer combinação dos mesmos, ou semelhantes para regenerar a solução de sorção. A sorção é um processo e químico através do qual a substância se torna fixada à outra. É observado que a presente divulgação pode utilizar ou máquinas de absorção ou de adsorção. As máquinas de absorção incorporam uma substância em um estado que muda para um estado diferente, por exemplo, líquidos que são absorvidos por um sólido ou gases que são absorvidos por um líquido. As máquinas de adsorção ligam íons e moléculas à superfície de outra fase, por exemplo, reagentes adsorvidos em uma superfície de catalisador sólido.

[0075] Em algumas modalidades exemplificativas, uma máquina de absorção ou máquina de adsorção (não mostrada) podem ser usadas para arrefecer o fluido 108, que, subsequentemente, arrefece o elemento refrigerante (que flui para o circuito primário 104P) do trocador de calor principal 104. Portanto, ao colocar em cascata o trocador de calor principal 103 para arrefecer ainda mais o elemento refrigerante, com máquina de sorção que utiliza energia residual, aumenta o coeficiente de desempenho (COP) do sistema.

[0076] Adicional ou alternativamente, o sistema de arrefecimento adicional (não mostrado), como um sistema de condicionamento de ar, um resfriador ou semelhante pode ser utilizado para arrefecer o fluido 109, que arrefece o elemento refrigerante. Será observado que o fluido 109 também pode ser usado como um regulador devido à natureza inconstante da energia residual que aciona a máquina de sorção. Em algumas modalidades exemplificativas, a energia residual, como água cinza, vapor ou semelhantes, pode ser acumulada durante as horas de pico, a fim de compensar as horas fora de pico, sustentando, desse modo, o fornecimento contínuo para a máquina de sorção. Em tais modalidades, o fluido 108 pode ser usado para arrefecer ainda mais o fluido 109 a fim de compensar pela demanda de arrefecimento e aliviar a fonte de fluido 109.

[0077] Em algumas modalidades exemplificativas, o arrefecimento do elemento refrigerante do sistema em cascata pode ser realizado em três fases; 1ª pelo compressor 101 com condensador 102; 2ª pelo fluido 109 e 3ª pelo fluido 108. Essa configuração do sistema de arrefecimento em cascata 300 melhora a eficiência do sistema inteiro, traz estabilidade para suas operações e aumenta a expectativa de vida do compressor e da válvula de expansão 105.

[0078] Agora, em referência à Figura 5 que descreve um diagrama P-H do sistema de arrefecimento de múltiplas cascatas, de acordo com algumas modalidades exemplificativas da matéria divulgada. O diagrama p-h é uma figura com um eixo geométrico vertical de pressão absoluta [p] e um eixo geométrico horizontal de entalpia específica [h]. O diagrama pode ser usado para determinar e avaliar o desempenho do sistema de arrefecimento de múltiplas cascatas da presente divulgação em relação aos sistemas de arrefecimento disponíveis comercialmente. Em algumas modalidades exemplificativas, elemento refrigerante em vapor flui para fora do evaporador 107 (Ponto 1) para o compressor 101. Uma vez comprimido, o mesmo tem maior pressão e temperatura (Ponto 2). O vapor quente flui para o condensador 102, em que o mesmo é arrefecido e condensado com superarrefecimento menor (Ponto 3). Em contraste com o ciclo comercialmente disponível, (em que um condensador 102 é seguido por uma válvula de expansão 105 e um sensor de controle de temperatura 6), o presente esquema de divulgação compreende dois circuitos adicionais sequencialmente conectados (103 e 104) para arrefecimento adicional do elemento refrigerante com o fluido 108 e o fluido 109. Desse modo, o estiramento do ciclo (superarrefecimento) até o Ponto 3’ de modo que a carga de processamento de calor principal caia sobre o circuito 108. No presente documento, o circuito de sorção funciona sob temperaturas mais altas que aumentam visivelmente seu COP e permite a utilização de calor de escape de baixo grau com eficácia máxima. O circuito 109 que é conectado após o circuito 108 e pode ser usado para controlar o processo de superarrefecimento por meio do arrefecimento do elemento refrigerante de base até a temperatura predefinida (Ponto 4') com alta precisão. Desse modo, aumentando a capacidade de arrefecimento em δQ.

[0079] A seguir, são apresentados dados de teste da configuração exemplificativa (100) representada na Figura 1. O sistema compreendia um aparelho de arrefecimento básico, isto é, compressor 101, condensador 102, válvula de expansão 105, evaporador 107, sensor de temperatura 106 conectado pelo condutor de elemento refrigerante 111. A potência de refrigeração daquele aparelho de arrefecimento básico (com as unidades em cascata) era de aproximadamente 350 kW. Duas unidades em cascata foram adicionadas ao sistema básico:

[0080] a. um trocador de calor principal 103 refrigerado por máquina de sorvente sólido (adsorvente) de 12 KW através do circuito 108.

[0081] b. um trocador de calor auxiliar 104 refrigerado por ACS de 15 KW, que tem um compressor de 4 HP, através do circuito 109.

[0082] c. Desse modo, um total de 27 KW adicionados pelos circuitos em cascata, que é menos que 8% do sistema principal.

[0083] d. elemento refrigerante R22.

[0084] e. a temperatura operacional no evaporador 107 é 7 °С negativo.

[0085] f. A temperatura média do R22 na saída do condensador 102 foi de 40 °С.

[0086] A adição das duas cascatas permitiu baixar a temperatura do elemento refrigerante para 18 °C, o que resultou em aumento de 8% do COP. Uma vez que a carga de refrigeração do aparelho se manteve estável, o aumento da sua capacidade de refrigeração fez com que os ventiladores e o compressor do condensador de base parassem, o que, por sua vez, resultou em uma redução acelerada no consumo de eletricidade em 12%. A economia foi observada principalmente durante o dia em clima quente, quando a eletricidade é mais dispendiosa.

[0087] Deve ser observado que os circuitos em cascata serem conectados no lado quente do ciclo de refrigeração é uma alternativa eficaz para o projeto de aparelhos de sorção para temperaturas negativas, tanto pelas dificuldades de sua personalização, quanto pelo seu baixo COP.

[0088] No exemplo, o calor foi removido do circuito de refrigeração de base sob temperaturas relativamente altas (até +40 °С), isto é, Ponto 3 da Figura 5, o que resulta em COP mais alto de ambos os circuitos adicionados e aumenta a capacidade de refrigeração (δQ) do sistema de base substancialmente perto do valor da capacidade de superarrefecimento. A margem das entalpias entre os pontos 3 e 3’ é igual à margem das entalpias entre os pontos 4 e 4' e é calculada de acordo com a seguinte fórmula δQ=h3,4- h3',4’, em que δQ é a capacidade de refrigeração; h3,4 representa valores de entalpia nos pontos 3 e 4 do diagrama p-h termodinâmico; h3',4’ representa valores de entalpia nos pontos 3’ e 4' no diagrama p-h termodinâmico. Deve ser observado que o aumento da capacidade de refrigeração δQ ocorre juntamente com o consumo mínimo de energia elétrica e promove visivelmente o aumento do COP do circuito de refrigeração de base.

[0089] Tais modalidades exemplificativas demonstram a eficiência da utilização do calor de escape de baixo grau, bem como a otimização do controle operacional dos aparelhos de refrigeração devido à forma natural e automática de regulação da cooperação dos dois circuitos adicionados. A escolha da temperatura final do processo de superarrefecimento, ponto 3’ da Figura 5, é determinada pelas necessidades de otimização e pode ser alcançada com alta precisão devido ao circuito de compressão adicionado. Uma quantidade suficiente de calor de escape de baixo potencial pode ser utilizada com eficiência máxima, o que pode reduzir o consumo de eletricidade em 30%. A redução do tempo de operação dos compressores dentro do circuito de base fornece o aumento de sua vida útil, o que, por sua vez, leva a uma diminuição nos gastos com manutenção.

[0090] Embora a matéria tenha sido descrita em combinação com modalidades específicas da mesma, é evidente que muitas alternativas, modificações e variações serão evidentes para aqueles versados na técnica. Consequentemente, a mesma se destina a abranger todas tais alternativas, modificações e variações que estão dentro do espírito e do amplo escopo das reivindicações anexas. Todas as publicações, patentes e pedidos de patentes mencionados neste relatório descritivo são incorporados ao presente documento em sua totalidade a título de referência ao relatório descritivo, na mesma extensão como se cada publicação, patente ou pedido de patente individual fosse específica e individualmente indicado para ser incorporado ao presente documento a título de referência. Além disso, a citação ou identificação de qualquer referência neste pedido não deve ser interpretada como uma admissão de que tal referência está disponível como técnica anterior para a presente matéria.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema de arrefecimento de múltiplas cascatas, que tem um elemento refrigerante que flui em componentes de refrigeração, em que o sistema é caracterizado pelo fato de que compreende: pelo menos um primeiro trocador de calor configurado para receber o elemento refrigerante a partir de um componente dos componentes de refrigeração e arrefecimento com um primeiro fluido fornecido por uma máquina de sorção; pelo menos um segundo trocador de calor configurado para receber o elemento refrigerante a partir do pelo menos um primeiro trocador de calor e regular a temperatura do elemento refrigerante com um segundo fluido fornecido por um arrefecedor auxiliar; e em que o elemento refrigerante flui a partir de pelo menos um segundo trocador de calor para outro componente dos componentes de refrigeração.

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um primeiro trocador de calor e o pelo menos um segundo trocador de calor são integrados em pelo menos um trocador de calor duplo, e em que o elemento refrigerante é arrefecido pelo primeiro fluido e regulado pelo segundo fluido no pelo menos um trocador de calor duplo simultaneamente.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um segundo trocador de calor é configurado para regular uma temperatura do primeiro fluido com o segundo fluido; e em que o pelo menos um primeiro trocador de calor está configurado para receber o primeiro fluido a partir do pelo menos um segundo trocador de calor para arrefecer o elemento refrigerante, e em que o elemento refrigerante flui a partir de pelo menos um primeiro trocador de calor para o outro componente dos componentes de refrigeração.

4. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um segundo trocador de calor está configurado para arrefecer o segundo fluido com o primeiro fluido, em que o pelo menos um primeiro trocador de calor é configurado para receber um segundo fluido arrefecido a partir do pelo menos um segundo trocador de calor para arrefecer o elemento refrigerante, e em que o elemento refrigerante flui a partir do pelo menos um primeiro trocador de calor para o outro componente dos componentes de refrigeração.

5. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 4, caracterizado pelo fato de que a máquina de sorção é selecionada a partir de um grupo que consiste em máquina de absorção; máquina de adsorção; e qualquer combinação das mesmas.

6. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a máquina de sorção é alimentada principalmente por energia residual selecionada a partir de um grupo que consiste em água cinza; vapor; gás de escape, água quente; e qualquer combinação dos mesmos.

7. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o segundo fluido é adotado para regular a temperatura do elemento refrigerante devido à temperatura inconsistente do primeiro fluido, resultante da volatilidade da energia residual.

8. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o componente é um condensador e o outro componente é uma válvula de expansão.

9. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o elemento refrigerante é selecionado a partir de um grupo que consiste em R22; R410A; R12; R134; e qualquer combinação dos mesmos.

10. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o primeiro fluido e o segundo fluido são selecionados a partir de um grupo que consiste em água; R22; R410A; R12; R134; e qualquer combinação dos mesmos.

11. Método de operação do sistema de arrefecimento de múltiplas cascatas, de acordo com a reivindicação 1, sendo que o método é caracterizado pelo fato de que compreende: receber o elemento refrigerante a partir do componente; arrefecer o elemento refrigerante com o primeiro fluido; regular a temperatura do elemento refrigerante com o segundo fluido; e fazer fluir o elemento refrigerante para o outro componente.

12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a dita regulação da temperatura é a regulação da temperatura do primeiro fluido com o segundo fluido.

13. regular a temperatura do elemento refrigerante com o segundo fluido e em que o primeiro fluido está arrefecendo o segundo arrefecimento.

14. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o sistema de arrefecimento de múltiplas cascatas é instalado em um veículo de transporte.

15. Sistema, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a máquina de sorção é alimentada por energia residual que é selecionada a partir de um grupo que consiste em fluido de radiador do motor do veículo, óleo do motor do veículo, gases de escape; e qualquer combinação dos mesmos.

16. Sistema, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o arrefecedor auxiliar é alimentado por baterias auxiliares.