ES2223656T3 - Unidad de enfriamiento con free cooling (enfriamiento libre) diseñada para funcionar tambien con un caudal variable de aire. - Google Patents

Abstract

Una unidad de enfriamiento para un sistema de enfriamiento para enfriar una terminal o batería de usuario, dicha unidad incluye un circuito refrigerador (30) que comprende un evaporador (E), un compresor, una batería de condensadores (C), y una válvula de expansión, y tuberías de conexión (36, 32, 33), y un circuito primario que comprende una tubería de salida (12) del evaporador, una tubería de retorno (13) del terminal de usuario, una tubería de entrada (18) al evaporador, una batería de enfriamiento libre (FC), una tubería de entrada (15) a la batería de enfriamiento libre, una tubería de salida (16) de la batería de enfriamiento libre, una válvula de tres vías (V) conectada a la tubería de salida (16) de la batería de enfriamiento libre, la tubería de desvío (14), y la tubería de entrada (18) al evaporador, una bomba (P1) del circuito primario, caracterizado porque comprende además una tubería de desvío (140) entre la tubería de salida (12) del evaporador y la tubería de entrada (18) alevaporador, y un depósito de almacenamiento (A) en dicha tubería de desvío.

Description

Unidad de enfriamiento con "free cooling (enfriamiento libre)" diseñada para funcionar también con un caudal variable de aire.

La presente invención está relacionada con el campo de los sistemas de refrigeración o enfriamiento del tipo "enfriamiento libre".

Actualmente, están disponibles en el mercado refrigeradores o enfriadores con enfriamiento libre y generalmente se usan en centros tecnológicos (bancos de datos, intercambios telefónicos, etc.). Sigue una breve explicación con referencia a la Figura 1, que muestra un sistema típico de enfriamiento libre conocido actualmente. El sistema se denomina como un todo en el número de referencia 1 y comprende un circuito primario 10, un circuito secundario o circuito de usuario 20, y un circuito de refrigeración o enfriamiento 30. El circuito de refrigeración comprende un compresor 31, un condensador o batería de condensadores C, una válvula de expansión 34, y un evaporador E. Además comprende una tubería 32 entre el compresor y el condensador, una tubería 33 entre el condensador y la válvula de expansión, una tubería 35 entre la válvula de expansión y el evaporador, y una tubería 36 entre el evaporador y el compresor, todas ellas indicadas en las figuras con líneas discontinuas.

Generalmente, el circuito secundario 20 comprende una tubería de desconexión de referencia 21, una tubería de reparto 22 con bomba P2; una serie de aparatos de usuarios o terminales de referencia U, U', cada una en respectivas tuberías de usuario 23, 23', las tuberías 23, 23' etc., las cuales generalmente se conectan en paralelo, y cada una tiene una tubería de desvío 25, 25'; y una tubería de retorno 26.

El circuito primario 10 comprende una batería FC de enfriamiento libre, una tubería de reparto 12 en la salida del evaporador, una tubería de retorno 13 con la bomba P1, una tubería de desvío 14 para circunvalar la batería de enfriamiento libre, dicha tubería se extiende a una válvula de tres vías de referencia V, una tubería 15 se extiende a la batería FC de enfriamiento libre, una tubería 16 se extiende entre la batería FC de enfriamiento libre y la válvula de tres vías, y una tubería 18 se extiende entre la válvula de tres vías y el evaporador.

La batería FC de enfriamiento libre es una batería de tubo fina. Así pues, en los tubos circula un fluido del circuito primario (generalmente agua). El aire circula alrededor de los tubos para obtener, si la temperatura del aire lo permite, un enfriamiento "libre" del agua. La batería FC de enfriamiento libre esta generalmente situada corriente arriba del condensador, respecto a la circulación del aire.

El conjunto mostrado en la caja de la Figura 1 y referenciado 50 es generalmente suministrado como un aparato único o autocontenido llamado "refrigerador o enfriador con enfriamiento libre" o "enfriador de enfriamiento libre" para ser conectado al circuito del usuario.

Los enfriadores de enfriamiento libre son capaces de usar la baja temperatura del aire exterior para enfriar el agua para enviarla al sistema del usuario o circuito secundario 20 y son usados en sistemas que requieren energía de enfriamiento también a bajas temperaturas, como en el caso de los sistemas tecnológicos. Difieren de enfriadores normales porque se dispone una batería FC con aletas, la cual opera como un intercambiador de calor aire-agua, y está localizada corriente arriba de la batería de condensadores C, del circuito de refrigeración 30. El aire movido por ventiladores atraviesa en serie, primero, la batería FC aire-agua, y luego, el condensador C del circuito de refrigeración.

El propósito de la batería FC adicional es aprovechar la baja temperatura de aire para enfriar el agua de retorno proveniente del sistema antes de enviarla al evaporador de la máquina. De esta forma se obtiene un enfriamiento libre, lo cual conduce a un ahorro en términos de energía eléctrica, en la que se requiere el trabajo del compresor.

Los enfriadores de enfriamiento libre tienen, por tanto, dos formas de operar diferentes: operación normal y operación con enfriamiento libre.

El cambio de operación normal a operación con enfriamiento libre es controlado por un sistema de control de microprocesador (no mostrado): cuando la temperatura del aire en la toma de la batería está por debajo de la temperatura del agua en la toma de la unidad, se activa el sistema de enfriamiento libre.

Bajo condiciones operativas normales, la válvula V tiene la via a la tubería 14 abierta y la via a la tubería 16 cerrada: la batería FC de enfriamiento libre es de este modo circunvalada o excluida. En cuanto la temperatura del aire, medida por la sonda TA, cae por debajo de la temperatura del agua de retorno, medida por la sonda TW2, la válvula V abre la via a la tubería 16 y cierra la via a la tubería 14. De tal forma, se enfría el agua de retorno por aire del exterior en la batería FC adicional antes de entrar en el evaporador.

De esta forma, se reduce el consumo de electricidad por los compresores. El propósito del refrigerador o enfriador es producir agua refrigerada a una temperatura deseada, medida por la sonda TW1. Obviamente, si el agua es preenfriada por la batería de enfriamiento libre, la cantidad de energía de refrigeración que se ha de suministrar, por medio de los compresores, al evaporador decrece, con la consecuente reducción en el consumo de electricidad.

Se dice del enfriamiento libre que es parcial cuando el agua es enfriada en parte libremente por la batería de intercambio y en parte en el evaporador, gracias a la operación del / de los compresor / es; se dice que es total / completa cuando toda la carga de refrigeración es suministrada libremente por la batería de intercambio.

El porcentaje de enfriamiento libre en comparación con toda la carga de refrigeración requerida depende de la temperatura del aire exterior, de la carga de refrigeración requerida por el sistema, de la temperatura deseada del agua refrigerada a la salida del refrigerador, y de la temperatura de entrada del agua en la batería de enfriamiento libre.

La figura 2 muestra, como una función de la temperatura del aire exterior, cómo la carga es dividida entre la batería de enfriamiento libre y los compresores en el caso de energía (capacidad) linealmente decreciente con la temperatura externa: 100% a 35ºC, 40% a 5ºC. La temperatura en el lado de la entrega al sistema, medida por la sonda TW1, es de 10ºC. En el diagrama de la Figura 2, el área gris indica la energía (capacidad) de la batería de enfriamiento libre.

Como se puede ver, cuando la temperatura del aire exterior cae por debajo de 13ºC, la batería de enfriamiento libre empieza a suministrar parte de la energía requerida por el sistema. Toda la energía es suministrada por la batería de enfriamiento libre para temperaturas por debajo de 7ºC.

El sistema descrito tiene un caudal constante.

Las terminales, o baterías, de usuario U, U', de hecho, están controladas por válvulas de tres vías VU, VU'. Cuando la carga completa, todo el agua pasa por las baterías de usuario U, U' mientras que, cuando la energía requerida es reducida, una gran parte del flujo de agua evita las baterías de usuario a través de las tuberías 25, 25'. Sin embargo, corriente abajo de las válvulas VU, VU', cualquiera que sea la carga requerida por el sistema el caudal permanece constante.

También se conocen los sistemas en los que las terminales de usuario U, U' del sistema pueden ser controladas por válvulas de dos vias que ahogan directamente el flujo de agua a las baterías de usuario U, U'. La bomba P2 varía el número de revoluciones para adaptarse al nuevo caudal del sistema. Así el circuito secundario opera con caudal variable. Los sistemas con caudal variable están siendo más comunes porque permiten un ahorro considerable en los gastos de bombeo y porque el coste de reguladores o controladores con invertidores para las bombas está decreciendo mucho.

En sistemas conocidos, la variación del caudal, sin embargo, debe ser limitada solamente al circuito secundario o de usuario y no puede ocurrir en el circuito primario 10, una porción del cual pasa por el evaporador. De hecho, el circuito primario, no puede experimentar variaciones de caudal en operación, porque una variación de caudal a través del evaporador conduciría a un fallo del compresor 31. Por eso, en sistemas conocidos, no es posible usar una batería de enfriamiento libre con caudal variable.

En sistemas con caudal constante la temperatura de retorno medida por la sonda TW2 de la Figura 1 es directamente proporcional a la carga requerida por el sistema. Por ejemplo, si el agua deja el conjunto de enfriador 50 a 10ºC, al 100% de la carga regresa a 15ºC. Al 75% de la carga, la temperatura de retorno cae a 13,7ºC; al 50% deviene en 12.5%; al 25% deviene en 11,3ºC; y a cero de carga, iguala la temperatura de salida, es decir, 10ºC.

La situación es diferente en el caso de un sistema con caudal variable en el circuito secundario. El rendimiento (salida de energía) de una batería de usuario o terminal decrece a una caudal claramente bajo en términos porcentuales con respecto al caudal de agua refrigerada que pasa a través de ella. Como consecuencia inmediata de esto, la cabeza térmica (diferencia en temperatura) de agua entre la entrada y la salida de la batería de usuario o terminal crece mientras el caudal decrece.

En un sistema con caudal variable, la cabeza térmica crece continuamente mientras la carga decrece, y el sistema se comporta de una manera opuesta a la de un sistema con caudal constante.

Las consecuencias sobre la dinámica de las temperaturas del sistema son inmediatamente deducibles. De hecho, mientras que en el caso de un sistema con caudal constante las temperaturas de retorno decrecen al tiempo que la carga decrece, en el caso de un sistema con caudal variable dichas temperaturas crecen. Al 75% de la carga, la temperatura de retorno deviene 19,3ºC contra los 13,7ºC mencionados anteriormente. Al 50% de la carga la temperatura de retorno deviene 23,1ºC contra los 12,5ºC del sistema con caudal constante. Al 25% de la carga la temperatura de retorno deviene 26,3ºC contra los 11,3ºC del sistema con caudal constante.

Si fuera posible operar la batería de enfriamiento libre a un caudal variable, las ventajas serían considerables porque esto implicaría una mayor explotación de la batería de enfriamiento libre.

El propósito de la presente solicitud de patente es por tanto, en un sistema de enfriamiento libre, permitir operar con caudal variable también en la parte del circuito primario relacionado con la batería de enfriamiento libre, explotando así las posibilidades de la batería de enfriamiento libre de la mejor forma posible.

El propósito de arriba ha sido alcanzado con una unidad de refrigeración o enfriamiento como la especificada en la reivindicación 1.

En otras palabras, una nueva unidad de refrigeración comprende un circuito de refrigeración tradicional y un circuito primario de enfriamiento libre que tiene, entre la tubería de distribución o salida del evaporador y la tubería de entrada al evaporador, una tubería de desvío con un depósito de almacenamiento. Preferiblemente, la bomba del circuito primario está montada en la tubería de salida o de distribución del evaporador.

Cuando está montado en un sistema con aparatos de usuario que requieren un caudal variable, la nueva unidad de enfriamiento permite un caudal variable no sólo en el circuito de usuario sino también en la parte del circuito primario que pasa por la batería de enfriamiento libre, aunque siempre teniendo un caudal constante a través del evaporador, ya que el caudal a través del evaporador es en cualquier momento integrado por medio del depósito de almacenamiento.

La nueva unidad de refrigeración / enfriamiento hace posible el uso de la batería de enfriamiento libre a un caudal variable con todas las ventajas inherentes, sin que ello afecte adversamente la vida del circuito de refrigeración, y en particular la del compresor o compresores de aquel.

La invención será descrita a continuación con mayor detalle con referencia a un ejemplo de representación sin restricciones mostrada en los dibujos adjuntos en los que:

La Fig. 1 es un dibujo esquemático de un sistema de refrigeración / enfriamiento de enfriamiento libre de la técnica anterior.

La Fig. 2 es un diagrama que ilustra la diferencia de producción en el sistema mostrado en Fig. 1 para dos grupos de aparatos de usuario colocados en paralelo, como una función del tipo de control; las temperaturas del aire se representan en el eje-x; el porcentaje de energía de salida (rendimiento) se representa en el eje-y;

La Fig. 3 muestra un sistema de acuerdo con la invención compuesto de una unidad de enfriamiento de acuerdo con la invención; y

La Fig. 4 muestra el patrón de rendimiento de la batería de enfriamiento libre del sistema mostrado en Fig. 3 en un gráfico similar al mostrado en Fig. 2 y tiene las temperaturas del aire representadas en el eje-x y el porcentaje de energía de salida (rendimiento) representado en el en eje-y.

Las figuras 1 y 2 se han descrito arriba en la explicación del dibujo anterior y aquí no se describirán más.

Ahora se describirá un nuevo sistema compuesto de una nueva unidad de refrigeración / enfriamiento con referencia a la Figura 3. El sistema es designado como un todo con la referencia 100 y, en la medida que sea posible, las partes desde ahora corresponderán a partes del sistema de Fig. 1 que llevan los mismos números de referencia.

Un circuito de usuario 120 que requiere un caudal variable comprende una bomba de suministro de caudal variable P2 en una tubería de suministro 122. Tuberías de entrada 123, 123' a aparatos de usuario (o terminales o baterías) U, U' están ramificadas en paralelo entre ellas de la tubería de suministro. Las tuberías de salida 124, 124' de aparatos de usuario son controladas por válvulas de dos vias V124, V124' y están conectadas a la tubería de retorno 126. La tubería de desconexión designada por 21 en el circuito de Fig. 1 no está presente en el caso.

El circuito de usuario 120 está conectado a una nueva unidad de refrigeración / enfriamiento 150.

La unidad de enfriamiento 150 comprende un circuito de refrigeración 30 y un circuito primario 110. El circuito de refrigeración 30 corresponde al descrito previamente con referencia a Fig. 1, i.e., comprende un compresor 31, una válvula de expansión 34, y un evaporador E, y las tuberías entre estos (indicadas por líneas discontinuas).

El circuito primario 110 comprende una tubería de entrada 15 a, y una tubería de salida 16 de, una batería FC de enfriamiento libre, una tubería de retorno 13, una tubería de desvío 14 a una válvula de tres vías V, una tubería 18' y una tubería 18 entrando en el evaporador. Comprende además una tubería de desvío 140 extendiéndose entre una tubería de salida 12 del evaporador y una tubería de entrada 18 al evaporador. Montado en la tubería de desvío 140 hay un depósito de almacenamiento o acumulador A de un tipo conocido per.-se, que es capaz de suministrar un caudal de entre 0% y 100% de un caudal máximo del sistema. Se monta una bomba de circulación P1 del circuito primario preferiblemente en la tubería de salida del evaporador entre el evaporador y la tubería de desvío. La referencia TA es una sonda de temperatura de aire que percibe la temperatura de aire corriente arriba de la batería FC de enfriamiento libre; la referencia TW2 es una sonda de temperatura de agua que percibe la temperatura de agua en la tubería 13; y la referencia TW1 es una sonda de temperatura de agua que percibe la temperatura de agua en la tubería 12.

En el sistema 100, un flujo que deja las aparatos o baterías de usuario es enviado a la batería de enfriamiento libre a través de tuberías 126, 13, 15, deja la batería de enfriamiento libre a través de tubería 16 y tubería 18' (o, como alternativa a la batería de enfriamiento libre, el líquido de las baterías de usuario fluye a través de las tuberías 13, 14, 18'). En un nodo 19 el flujo de 18' es integrado con un flujo adicional proveniente del depósito de almacenamiento A a través tubería de desvío 140. El depósito de almacenamiento suministra una integración de flujo para mantener constante el caudal en la tubería 18. De éste modo, el evaporador es alimentado a un caudal constante gracias al depósito de almacenamiento A y la tubería 140. En particular, si todo el flujo del sistema está hecho para circular en el circuito de usuario con bomba P2, todo el flujo circulará a través de la batería FC de enfriamiento libre y regresará al evaporador sin que el depósito de almacenamiento intervenga. A 75% de la carga, el caudal del sistema y la de la batería de enfriamiento libre deviene a un 40%, con todos los beneficios térmicos previamente descritos, pero el caudal al evaporador siempre es del 100% porque el depósito de almacenamiento asegura la integración del 60% restante. A 50% de la carga, el caudal del sistema y el de la batería de enfriamiento libre deviene a un 20%, pero el caudal al evaporador siempre permanece constante al 100% gracias al depósito de almacenamiento. De ésta manera, es posible separar hidráulicamente la batería de enfriamiento libre del evaporador, mientras aún mantiene un esquema enbloc o auto contenido del sistema (refrigerador y batería de enfriamiento libre en una única unidad).

Del gráfico de la figura 4 se ve que las ventajas son evidentes. Aquí se indica el rendimiento de enfriamiento libre para un sistema tradicional por el área gris del diagrama.. El área negra muestra la mayor producción de la batería de enfriamiento libre en el nuevo sistema comparado con el sistema tradicional. Las áreas blancas muestran la producción de los compresores.

La unidad de enfriamiento referenciada 150 puede ser suministrada como una única unidad que comprenda el circuito de refrigeración 30 y el circuito primario 110, incluyendo la batería de enfriamiento libre, las tuberías de entrada a, y las tuberías de salida de, la batería de enfriamiento libre, la válvula de tres vías V y las tuberías 14, 13, 18', la tubería de entrada 18 a y la tubería de salida 12 de, el evaporador, la bomba de circulación P1 del circuito primario, y la tubería de desvío 140 con el depósito de almacenamiento A. En éste caso, la unidad auto contenida 150 comprenderá dos terminales de conexión 151 y 152 para el circuito secundario, o de usuario. Tenga en cuenta que una subunidad o unidad auxiliar 160 puede ser suministrada, comprendiendo parte de la tubería de salida 12 del evaporador, la bomba P1, la tubería de desvío 140, y el depósito de almacenamiento A, y puede ser dispuesto dentro del mismo patrón que la parte restante de la unidad de enfriamiento, o sino externamente a susodicho patrón por razones de dimensiones exteriores.

La subunidad 160 se puede suministrar como una unidad individual o auto contenida para retroajustar sistemas existentes; en éste caso la unidad 160 tiene ajustes o uniones de conductos / tubos 153, 154, 155 para conectarse con un enfriador 50 existente (adaptado con una longitud de tubería unida al nodo 19 y ajustes de conductos / tubos 156, 157, 158), y dos ajustes o uniones de conductos 151, 152 en el otro lado para conectarse al circuito de usuario.

Claims (5)

1. Una unidad de enfriamiento para un sistema de enfriamiento para enfriar una terminal o batería de usuario, dicha unidad incluye un circuito refrigerador (30) que comprende un evaporador (E), un compresor, una batería de condensadores (C), y una válvula de expansión, y tuberías de conexión (36, 32, 33), y un circuito primario que comprende una tubería de salida (12) del evaporador, una tubería de retorno (13) del terminal de usuario, una tubería de entrada (18) al evaporador, una batería de enfriamiento libre (FC), una tubería de entrada (15) a la batería de enfriamiento libre, una tubería de salida (16) de la batería de enfriamiento libre, una válvula de tres vías (V) conectada a la tubería de salida (16) de la batería de enfriamiento libre, la tubería de desvío (14), y la tubería de entrada (18) al evaporador, una bomba (P1) del circuito primario, caracterizado porque comprende además una tubería de desvío (140) entre la tubería de salida (12) del evaporador y la tubería de entrada (18) al evaporador, y un depósito de almacenamiento (A) en dicha tubería de desvío.

2. Una unidad de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque la bomba (P1) del circuito primario está montada en la tubería de salida (12) del evaporador.

3. Una unidad de acuerdo con la reivindicación 1; realizada como una unidad autocontenida que tiene uniones (151, 152) para conectarse con un circuito de usuario (120).

4. Una unidad de acuerdo con la reivindicación 1, en la que una subunidad (160), comprende la bomba de circulación (P1) del circuito primario, una longitud de tubería de salida (12) del evaporador, la tubería de desvío (140), y el depósito de almacenamiento (A), se aplica externamente a un conjunto que comprende los otros miembros de la unidad de enfriamiento.

5. Un sistema de refrigeración para un aparato o terminal de usuario, que comprende una unidad de refrigeración (150) de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además al menos una tubería de entrada (123, 123') al aparato de usuario, una tubería de salida (124, 124') desde el aparato de usuario, y una bomba de alimentación (P2) para alimentar el aparato de usuario, operando dicha bomba de alimentación con un caudal variable en la tubería de entrada del aparato de usuario.