ES2203761T3 - Dispositivo para el control de un flujo dosificad0 bidireccional. - Google Patents
Dispositivo para el control de un flujo dosificad0 bidireccional.Info
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Abstract
SE DESCRIBE UN DISPOSITIVO (30) PARA CONTROLAR O MEDIR EL FLUJO DE UN FLUIDO EN CUALQUIERA DE LOS DOS SENTIDOS DE UN CONDUCTO. EL DISPOSITIVO (30) COMPRENDE UN CUERPO ALARGADO (31) CON DOS PAREDES TERMINALES (32, 33) QUE DEFINEN ENTRE ELLAS UNA CAMARA INTERNA (34). DENTRO DE LA CAMARA (34) HAY UN PISTON LIBRE (51) CON UN PASO AXIAL (52) QUE LO ATRAVIESA POR COMPLETO. UNA PARED TERMINAL (32) DEL DISPOSITIVO (30) TIENE UN ORIFICIO DE MEDIDA (41) Y UNA O MAS ABERTURAS (43). LA OTRA PARED TERMINAL (33) TAMBIEN TIENE UN ORIFICIO DE MEDIDA (42) Y UNA O MAS ABERTURAS (44). EL FLUIDO QUE ATRAVIESA EL DISPOSITIVO (30) IMPULSA EL PISTON (51) CONTRA LA PARED TERMINAL (33) CORRESPONDIENTE AL SENTIDO DE AVANCE DEL FLUJO. EN ESTA POSICION, EL PISTON (51) OBSTRUYE LAS ABERTURAS (44) DE LA PARED TERMINAL (33) EN LA DIRECCION DEL FLUJO. EL FLUIDO QUE LLEGA AL DISPOSITIVO (30) PUEDE PASAR POR LAS ABERTURAS (43) DE LA PARED OPUESTA (32). EL FLUIDO QUE SALE DEL DISPOSITIVO (30) DEBE PASAR POR EL ORIFICIO MEDIDOR (42) DE LA PARED TERMINAL (33) EN LA DIRECCION DEL FLUJO. SI EL FLUJO SE INVIERTE, EL PISTON (51) SE VE DESPLAZADO HACIA LA PARED OPUESTA (32). EN ESTA POSICION, EL FLUIDO PASA POR EL ORIFICIO MEDIDOR (41) DE LA PARED TERMINAL (32) CORRESPONDIENTE A LA DIRECCION DEL FLUJO Y A TRAVES DE LAS ABERTURAS (44) DE LA PARED TERMINAL OPUESTA (33). EL DISPOSITIVO (30) SE HA ADAPTADO PARA TRABAJAR EN UN SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO REVERSIBLE POR COMPRESION DE VAPOR. EN ESTA APLICACION, LOS TAMAÑOS DE LOS DOS ORIFICIOS (41, 42) SON DISTINTOS, PARA QUE UNO PUEDA PROPORCIONAR LA MEDIDA ADECUADA PARA EL FUNCIONAMIENTO EN MODO DE REFRIGERACION Y EL OTRO EN MODO DE CALEFACCION.
Description
Dispositivo para el control de un flujo
dosificado bidireccional.
Este invento se refiere generalmente a
dispositivos para controlar el flujo de un fluido en un conducto.
Más particularmente, el invento se refiere a un dispositivo que es
capaz de controlar la expansión de un fluido, tal como un
refrigerante por ejemplo, en cualquier dirección de flujo a través
del dispositivo. Una aplicación de tal dispositivo es un sistema
reversible de acondicionamiento de aire por compresión de vapor,
comúnmente conocido como bomba de calor.
Los sistemas reversibles de condicionamiento de
aire por compresión de vapor son técnicamente muy conocidos. Un
sistema de bomba de calor convencional tiene un compresor, una
válvula de inversión de flujo, un intercambiador de calor exterior,
un intercambiador de calor interior y uno o más medios de expansión
para dosificar el flujo, todo ello conectado en comunicación por
medio de un fluido en un circuito cerrado de flujo refrigerante. El
intercambiador de calor interior está situado en el espacio que va
a ser acondicionado por el sistema y el intercambiador de calor
exterior está situado fuera del espacio que va a ser acondicionado
y, usualmente, en el exterior. La válvula de inversión de flujo
permite que la descarga desde el compresor circule primero bien al
intercambiador de calor exterior o al intercambiador de calor
interior, dependiendo del modo de funcionamiento del sistema.
Cuando el sistema de bomba de calor está funcionando en el modo de
refrigeración, el refrigerante fluye primero a través del
intercambiador de calor interior, que funciona como condensador y,
después, a través del intercambiador de calor exterior, que
funciona como evaporador. Cuando el sistema de bomba de calor está
funcionando en el modo de calentamiento, la válvula inversora se
cambia de posición, de forma que el refrigerante fluye primero a
través del intercambiador de calor exterior y las funciones de los
dos intercambiadores de calor se invierten en comparación con el
funcionamiento en modo refrigeración.
Todos los sistemas de refrigeración por
compresión de vapor o de acondicionamiento de aire requieren un
dispositivo de expansión o dosificador en el que se reduce la
presión del refrigerante. En los sistemas no reversibles, el
dispositivo de expansión solamente necesita ser capaz de dosificar
el flujo en una dirección. En las bombas de calor y otros sistemas
reversibles, el refrigerante tiene que ser dosificado en ambas
direcciones de flujo. No conviene utilizar un único tubo capilar u
orificio en un sistema reversible, ya que la necesidad de
dosificación durante el funcionamiento en modo de refrigeración no
es igual a la necesidad durante el funcionamiento en modo de
calentamiento. Un único tubo capilar u orificio optimizado para
funcionamiento en un modo tendría un mal comportamiento en el otro
modo. Un conocido método de conseguir dosificar el flujo
adecuadamente en ambas direcciones es proporcionar dispositivos
dosificadores dobles en el circuito de flujo de refrigerante, entre
los dos intercambiadores de calor. El primer dispositivo
dosificador, un dispositivo de control del flujo tal como un tubo
capilar u orificio, se instala de forma de que pueda dosificar el
refrigerante que fluye desde el intercambiador de calor interior al
intercambiador de calor exterior (modo de refrigeración). El
segundo dispositivo dosificador, que es similar al primer
dispositivo dosificador pero optimizado para funcionar en el modo de
calentamiento, se instala de forma que pueda dosificar el
refrigerante que fluye desde el intercambiador de calor exterior al
intercambiador de calor interior (modo de calentamiento). En líneas
en derivación hay instaladas válvulas de retención alrededor de los
dispositivos dosificadores y en tal alineación que el flujo de
refrigerante pueda rodear el primer dispositivo dosificador durante
el funcionamiento en el modo de refrigeración y rodear el segundo
dispositivo dosificador durante el funcionamiento en el modo de
calentamiento. Esta disposición es satisfactoria desde un punto de
vista operativo, pero es relativamente costosa ya que se requieren
cuatro componentes para conseguir las deseadas características de
flujo del sistema.
Se conoce en la técnica la combinación en un
dispositivo de las funciones de osificación en una dirección de
flujo y ofrecer poco o casi ningún impedimento al flujo en la otra.
Tal dispositivo se describe en la patente de EEUU nº 3.992.898. En
tal sistema se instalan dos de tales dispositivos en serie en el
circuito de flujo del refrigerante, entre los intercambiadores de
calor. El primer dispositivo dosificador permite que el
refrigerante fluya desde el intercambiador de calor interior al
intercambiador de calor exterior y dosifica el flujo de
refrigerante en la dirección opuesta para proporcionar una capacidad
de dosificación óptima durante el funcionamiento en el modo de
refrigeración. El segundo dispositivo dosificador permite que el
refrigerante fluya libremente desde el intercambiador de calor
exterior al intercambiador de calor interior y dosifica el flujo del
refrigerante en la dirección opuesta para proporcionar una óptima
capacidad de dosificación durante el funcionamiento en el modo de
calentamiento. La patente de EEUU nº 4.926.658 explica la
utilización de un dispositivo de control de flujo en dos direcciones
en un sistema reversible de acondicionamiento de aire por
compresión de vapor. Como se expone en ella, este dispositivo de
control del flujo dosifica el flujo del refrigerante en ambas
direcciones; sin embargo, se basa en una válvula de retención
independiente en combinación con una válvula de expansión
convencional para acondicionar debidamente el fluido para el ciclo
adecuado.
El documento
US-A-5.345.780 describe un
dispositivo de expansión de doble flujo para una bomba de
calor.
El presente invento, tal como se define en la
reivindicación 1, es un dispositivo de control de flujo que
dosificará apropiadamente un fluido, tal como un refrigerante en su
estado gaseoso, utilizado en un sistema reversible de compresión de
vapor, que fluye en cualquier dirección a través del dispositivo.
En particular, el dispositivo permite diferentes características de
dosificación en cada dirección.
El dispositivo de control de flujo incluye un
cuerpo que tiene una primera pared extrema, una segunda pared
extrema y una cámara entre ambas. Cada pared extrema tiene, además,
un orificio de dosificación que la atraviesa y comunica con la
cámara que está formada coaxialmente en el cuerpo, entre las
paredes separadas. Un pistón de flotación libre está montado con
capacidad de deslizamiento dentro de la cámara y puede moverse en
respuesta al flujo que pasa por la cámara, entre las paredes primera
y segunda y en su misma dirección. El pistón incluye un pasaje que
se extiende a través de él de tal forma que esté alineado
axialmente y comunique con el orificio de dosificación en cada
pared extrema. Cada pared extrema tiene, además, al menos una
abertura de derivación dispuesta de tal forma que el pistón cierre
la abertura de derivación de la pared extrema contra la que el
pistón es movido por el flujo de fluido. Cuando el pistón es movido
por el flujo de fluido en una primera dirección contra la primera
pared extrema, el fluido fluye sin impedimento a través de la
abertura de la derivación de la segunda pared extrema, mueve el
pistón contra la primera pared extrema y cierra las aberturas de
derivación de la primera pared extrema. El fluido circula por el
pasaje del pistón, por lo que una cantidad dosificada de fluido es
estrangulada a través del orificio de dosificación de la primera
pared extrema. Cuando se invierte el paso del fluido a través del
dispositivo, el pistón se mueve en la dirección opuesta y entra en
contacto con la segunda pared extrema cerrando la abertura de
derivación de la segunda pared y haciendo que el fluido pase por el
orificio de dosificación de la segunda pared. El tamaño del
orificio en cada una de las paredes extremas se calibra para
proporcionar la dosificación adecuada del flujo de fluido en la
respectiva dirección de flujo del fluido.
Los dibujos adjuntos forman parte de la memoria.
En todos los dibujos, números de referencia similares indican
elementos similares.
La Figura 1 es una representación esquemática de
un sistema reversible de acondicionamiento de aire por compresión de
vapor que utiliza el dispositivo de control de flujo del presente
invento;
la Figura 2 es una vista isométrica en sección
parcial del dispositivo de control del flujo del presente invento,
incorporado en el sistema ilustrado en la Figura 1;
la Figura 3 es una vista en planta, en sección,
del dispositivo de control de flujo del presente invento,
incorporado en el sistema ilustrado en la Figura 1; y
la Figura 4 es una vista en planta, en sección,
de otra realización del dispositivo de control de flujo del
presente invento.
Haciendo referencia a la Figura 1, en ella se ha
ilustrado un sistema reversible de acondicionamiento de aire por
vapor para proporcionar calentamiento o refrigeración que incorpora
el dispositivo 30 de control bidireccional de fluido del presente
invento. El sistema incluye, básicamente, una primera unidad 13
intercambiadora de calor y una segunda unidad 14 de intercambio de
calor. Funcionando en modo de refrigeración, el flujo 15 del fluido
es de izquierda a derecha. Como consecuencia, el intercambiador de
calor 14 funciona como un condensador convencional dentro del ciclo
mientras que el intercambiador de calor 13 funciona como evaporador.
Cuando funciona en el modo de refrigeración, el refrigerante que
pasa por la línea de suministro es estrangulado desde el
condensador 14 de alta presión al evaporador 13 de baja presión con
el fin de completar el ciclo. Cuando el sistema se emplea como
bomba de calor, se invierte la dirección de paso del refrigerante y
se invierte el funcionamiento de los intercambiadores de calor
estrangulando el refrigerante en la dirección opuesta. El
dispositivo de control de flujo del presente invento está
singularmente adecuado para responder automáticamente al cambio de
dirección de paso del refrigerante para proporcionar el adecuado
estrangulamiento del refrigerante en la dirección requerida.
Con respecto a la Figura 2, el dispositivo de
control bidimensional de flujo del presente invento consta de un
cuerpo 31 generalmente cilíndrico con paredes extremas 32 y 33 que
cierran el cuerpo para formar una cámara 34. Las paredes extremas 32
y 33 tienen un orificio de dosificación 41, 42 centrados y
alineados axialmente entre sí y con el cuerpo. Las paredes extremas
32 y 33 tienen, además, cada una, varias aberturas de derivación 43
y 44 separadas del orificio de dosificación en dirección radial
hacia fuera. Las aberturas de derivación están equiespaciadas
preferiblemente entre sí en cada pared extrema.
Un pistón 51 de flotación libre está dispuesto
coaxialmente y montado a deslizamiento dentro de la cámara interna.
El pistón tiene un cuerpo cilíndrico con un paso central que se
extiende axialmente a su través y alineado con el orificio de
dosificación existente en cada una de las paredes extremas. El
pistón reducido tiene una longitud predeterminada, y su diámetro es
tal que, montado, puede deslizar libremente en la dirección axial
dentro de la cámara interna. El pistón está provisto de dos caras
extremas planas y paralelas 53, 54. La cara extrema 54 de la
izquierda, tal como se ilustra en la Figura 3, está destinada a
detenerse contra la pared extrema 33 de la cámara interna y cara
extrema 53 de la derecha está destinada a detenerse contra la pared
extrema 32. Las aberturas de derivación de cada una de las paredes
extremas están situadas en dirección radial de forma que se cierren
cuando el pistón se detenga contra la pared extrema respectiva.
Como se ha mostrado en la Figura 3, el pistón se detiene contra la
pared extrema 33 y se cierra la comunicación de las aberturas 44 de
derivación con la cámara 34. El orificio de dosificación 41 está
calibrado adecuadamente para dosificar el flujo de fluido
refrigerante cuando el sistema 10 funciona en el modo de
refrigeración y el orificio de dosificación 42 está adecuadamente
dimensionado para el modo de calentamiento.
En funcionamiento, el dispositivo 30 de control
bidireccional de flujo, tal como se ilustra en la Figura 1,
controla el flujo del fluido refrigerante entre los
intercambiadores de calor 13, 14. Cuando el sistema 10 funciona en
el modo de calentamiento el flujo 15 de fluido se mueve tal como se
ha indicado desde el intercambiador de calor 13 al intercambiador de
calor 14. Bajo la influencia del refrigerante en circulación, el
pistón es movido hacia la izquierda (al ver la Figura 1) contra la
pared extrema 33, por lo que cierra las aberturas 44 de derivación.
El refrigerante fluye relativamente sin impedimento a través de las
aberturas 43 de derivación, así como por el orificio de dosificación
41, a través del pasaje 52 y es obligado a pasar a través del
orificio 42 de dosificación más estrecho, para estrangular el
refrigerante desde el lado de alta presión del sistema al lado de
baja presión. Igualmente, cuando el sistema funciona en el modo de
refrigeración, el ciclo se invierte y se hace fluir el refrigerante
en la dirección opuesta, siendo movido el pistón automáticamente a
la derecha (al ver la Figura 1) contra la pared extrema 32, por lo
que el refrigerante es adecuadamente dosificado por el orificio
41.
El dispositivo 30 puede tener varias
configuraciones. Puede ser dimensionado de forma que su diámetro
exterior sea ligeramente más pequeño que el diámetro interior del
tubo que conecta los intercambiadores de calor 13 y 14. Durante la
fabricación del sistema, el dispositivo 30 se introduce en el tubo
y éste es recalcado cerca de ambas paredes extremas 32 y 33 de
forma que el dispositivo no pueda moverse dentro del tubo.
Alternativamente, el dispositivo puede ser fabricado con
acoplamientos soldados, no mostrados, en ambos extremos de forma
que se pueda montar el tubo utilizando técnicas de unión
normales.
En la Figura 4 se muestra todavía otra
configuración. En esa realización, el tubo 61 forma la pared
lateral cilíndrica del dispositivo 30A. Las paredes extremas 32A y
33A, con el pistón libre 51 entre ellas, están introducidas en el
tubo 61. Las paredes extremas 32A y 33A son similares, en su
construcción, a las paredes extremas 32 y 33 mostradas en las
Figuras 5 y 6, teniendo cada una, respectivamente, un orificio 41 y
42 y uno o más pasos 43 y 44 de libre flujo. Además, cada una de
las paredes extremas 32A y 33A tiene una entalladura
circunferencial en toda su periferia. La Figura 8 muestra la
entalladura circunferencial 46 en torno a la pared extrema 33A. Con
las paredes extremas 32A y 33A y el pistón 51 posicionados
correctamente unos con respecto a otros, se recalca el tubo 61. El
recalcado crea depresiones 62 en las entalladuras 46 que impiden que
las paredes extremas se muevan dentro del tubo.
Se ha ensayado un dispositivo bidireccional de
control del flujo similar al mostrado en la Figura 2. El
dispositivo fue configurado para un sistema de bomba de calor con
una capacidad de 1.361 kg (1,5 ton) y un diámetro nominal del tubo
de 0,64 a 0,97 cm (0,25 a 0,38 pulgadas), aunque el invento podría
posiblemente ser configurado para un sistema de cualquier tamaño.
Los caudales másicos del refrigerante, R22, en los modos de
refrigeración y calentamiento fueron de, aproximadamente, 132 kg
(290 libras) y, aproximadamente, 59 kg (130 libras) por hora
respectivamente. En esta configuración la anchura de cada una de
las paredes extremas y de los orificios de dosificación era de 0,96
cm (0,378 pulgadas). El diámetro del orificio de dosificación del
modo de refrigeración era de 0,13 cm (0,053 pulgadas) y el diámetro
del orificio para el modo de calentamiento era de 0,12 cm (0,49
pulgadas).
Claims (5)
1. Un dispositivo (30) para controlar el flujo
de un fluido en un conducto, en direcciones primera y segunda, que
comprende:
un cuerpo alargado (31) que tiene una primera
pared extrema (32) y una segunda pared extrema (33) que definen una
cámara (34) entre ellas;
teniendo la primera pared extrema un orificio de
dosificación (41) que se extiende axialmente en ella y en
comunicación con la cámara y teniendo además, una abertura de
derivación (43) que se extiende axialmente en ella y en comunicación
con la cámara;
teniendo la segunda pared extrema un orificio de
dosificación (42) que se extiende axialmente en ella, en
comunicación con la cámara y en alineación axial con el orificio de
dosificación de la primera pared extrema y teniendo, además, una
abertura de derivación (44) que se extiende axialmente en sentido
radial hacia fuera desde el orificio de dosificación (42) y en
comunicación con la cámara;
un pistón reducido (51) dispuesto en la cámara y
con capacidad para moverse deslizando axialmente en respuesta al
flujo de fluido, teniendo el pistón una primera cara extrema (53)
paralela a la primera pared extrema y una segunda cara extrema (54)
paralela a la segunda pared extrema, y teniendo, además, un pasaje
(52) que se extiende a su través y alineado axialmente con el
orificio de dosificación de cada pared extrema;
en el que el pistón cierra la abertura de
derivación de aguas abajo y establece comunicación por el orificio
de dosificación de aguas abajo.
2. El dispositivo expuesto en la reivindicación
1, en el que el orificio de dosificación (41) dispuesto en la
primera pared extrema (32) es de diferente tamaño que el orificio
de dosificación (42) dispuesto en la segunda pared extrema (33).
3. El dispositivo expuesto en la reivindicación
1, en el que las paredes extremas primera y segunda (32, 33) se
encuentran dentro del conducto.
4. Un sistema reversible de acondicionamiento de
aire (10) que tiene un compresor (11), un primer intercambiador de
calor (13) y un segundo intercambiador de calor (14) que son
conectados selectivamente al compresor, medios de conmutación (12)
para conectar selectivamente los lados de entrada y descarga del
compresor a cada uno de los intercambiadores, y una conducción de
suministro de refrigerante para entregar el refrigerante desde un
intercambiador al otro, que comprende:
un dispositivo de control del flujo, de acuerdo
con cualquiera de las reivindicaciones 1-3, montado
en la conducción de suministro entre los intercambiadores, en el
que el pistón (51) cierra la abertura de derivación aguas abajo y
establece comunicación a través del orificio de dosificación aguas
abajo y
permite que el fluido pase a la conducción de
suministro.
5. Un sistema reversible de acondicionamiento de
aire por compresión de vapor como el expuesto en la reivindicación
4, en el que la conducción comprende el cuerpo alargado.
Applications Claiming Priority (2)
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