ES2225051T3 - Instalacion de bombeo de calor, en particular con funcion frigorifica. - Google Patents

Abstract

Instalación de bombeo de calor, en particular con función frigorífica, del tipo con ciclo frigorígeno de compresión-expansión, que comprende una zona de vaporización antes de compresión y una zona de condensación después de esta última, en la cual el fluido termodinámico utilizado en dicho ciclo así como el fluido utilizado en los ciclos portador de frío y portador de calor es el agua, efectuándose los intercambios térmicos de vaporización y respectivamente de condensación entre estos dos últimos ciclos y dicho ciclo frigorígeno directamente, sin la medición de superficies de intercambio, y estando el frío producido por esta instalación habitualmente a una temperatura superior a 0°C (frío ¿positivo¿) o a una temperatura negativa (producción de hielo), caracterizada porque el ciclo frigorígeno utiliza una compresión dinámica con dos secciones de compresión separadas (1, 2) conectadas entre sí por lo menos por una zona de intercambio térmico (25) con desobrecalentado y/o con economizador, e incluidas en un recinto (13) de confinamiento del vapor hermético y térmicamente aislada, y porque la ruedas (11, 12) de estas dos secciones están montadas directamente sobre los extremos opuestos del árbol (18) de un motor eléctrico estanco (6) común de velocidad variable dispuesto en dicho recinto (13) entre estas secciones (1, 2).

Description

Instalación de bombeo de calor, en particular con función frigorífica.

La presente invención se refiere a una instalación de bombeo de calor, en particular con función frigorífica, del tipo de ciclo frigorígeno de compresión-expansión, que comprende una zona de evaporación antes de compresión y una zona de condensación después de esta última, en la cual el fluido termodinámico utilizado en dicho ciclo así como el fluido utilizado en los ciclos portador de frío y portador de calor es agua, efectuándose los intercambios térmicos de vaporización y respectivamente de condensación entre estos dos últimos ciclos y efectuándose dicho ciclo frigorígeno directamente, sin la intermediación de superficies de intercambio, y estando el frío producido por esta instalación habitualmente a una temperatura superior a 0ºC (frío "positivo") o a una temperatura negativa para la producción de hielo; queda entendido sin embargo que la función primera de dicha instalación podría ser por el contrario la producción de calor.

Dichas instalaciones han sido ya utilizadas para su producción de frío, y para servir así tanto para el enfriado en unos procesos industriales (moldeo de materiales plásticos, fabricación de componentes electrónicos...) y terciarios (comercialización de productos alimenticios, climatización de ordenadores...) como para el confort de las personas (refrescado o climatización de locales).

Las mismas presentan la ventaja de evitar la utilización, en el ciclo de compresión-expansión o frigorígeno, fluidos termodinámicos orgánicos tales como los de la familia de los CFG (clorofluorocarbonos) que tienen un impacto desfavorable sobre el efecto de invernadero, o también de los HCFC (hidroclorofluorocarbonos) o HFC (hidrofluorocarbonos) cuyo impacto sobre el efecto de invernadero es menor pero aún no despreciable.

Por el contrario, las mismas adolecen del inconveniente que su realización topa con la necesidad de que tratan volúmenes muy importantes de vapor, en particular a nivel del compresor, constituyendo esto una de las razones por las cuales las instalaciones con ciclos con vapor de agua solamente han conocido hasta el presente un desarrollo muy limitado.

Unos prototipos de dichas instalaciones que utilizan el agua como fluido termodinámico así como en los ciclos portador de frío y portador de calor, han sido sin embargo construidos ya a escala industrial. Una, con una potencia calorífica del orden de 2000 kW, utilizada para el enfriado de máquinas de extrusión, utiliza un ciclo abierto de producción de frío por evaporación, compresión, condensación y expulsión de agua en la atmósfera, lo que constituye un primer inconveniente. La misma recurre a dos compresores de vapor independientes dispuestos enfrentados en los extremos de un recinto estanco a baja presión, estando sus entradas de aspiración enfrentadas una a la otra, a ambos lados del evaporador, y siendo estos compresores, del tipo centrífugo con aletas flexibles, lo que les confiere una "geometría variable", arrastrados respectivamente por dos motores eléctricos también de velocidad variable, exteriores al recinto. Otro inconveniente de este tipo de instalación reside por consiguiente en un volumen muy importante, con riesgos de entradas de aire en las travesías de árboles, así como de pérdidas térmicas, siendo el aire disuelto por otra parte introducido en la instalación por el circuito abierto del condensador, lo que complica el problema del desgaseado; debe observarse a este respecto que los incondensables son extraídos aquí a la presión de evaporación, es decir a baja presión. Se observan además unos "pinzados" (diferencias entre las temperaturas de intercambio) relativamente importantes a nivel del evaporador y del condensador.

Otro prototipo, más compacto, de una potencia frigorífica del orden de 800 kW, funciona globalmente según el mismo ciclo termodinámico con agua y utiliza también dos compresores separados dispuestos, con sus dos motores respectivos, en el interior del recinto hermético; esto resuelve ciertamente el problema de la estanqueidad en las travesías de árboles, pero la gran velocidad periférica de las ruedas de compresores, las cuales deben comprimir unos volúmenes de vapor muy importantes, ha conducido a su diseñador a utilizar aquí una estructura de aletas de fibras de carbono, que les proporciona la resistencia mecánica deseada con respecto a las fuerzas centrífugas pero hipoteca su duración de vida, siendo estas ruedas muy sensibles a la erosión debida al impacto de las gotas de agua que corren el riesgo de ser arrastradas a gran velocidad con la aspiración de los compresores. El documento US 4 896 515 describe otra instalación de bombeo de calor que utiliza dos compresores y el agua como refrigerante.

El objetivo de la presente invención es por tanto, conservando al mismo tiempo las ventajas inherentes a la utilización de agua como fluido termodinámico, evitar los inconvenientes de las técnicas anteriores en una instalación de bombeo de calor a escala industrial, en particular con el fin primario de producir frío pero sin excluir la producción de calor.

A este fin, una instalación de acuerdo con la presente invención, del tipo general recordado a principio, está caracterizada porque el ciclo frigorígeno utiliza una compresión dinámica con dos secciones de compresión separadas, unidas entre sí por lo menos por una zona de intercambio térmico (desobrecalentamiento y/o economizador) e incluidas en un recinto de confinamiento del vapor hermético y térmicamente aislado, y porque las ruedas de estas dos secciones están montadas directamente sobre los extremos opuestos del árbol de un motor eléctrico estanco común de velocidad variable dispuesto en dicho recinto, entre estas secciones.

La adopción de dicho conjunto motocompresor completamente "integrado" permite por una parte alcanzar una gran compacidad, por otra parte resolver el problema de estanqueidad de árbol y, con una mejor economía de medios, resolver también el problema difícil planteado por la concepción del compresor capaz de rendimientos aerodinámicas y mecánicas elevadas, limitando al mismo tiempo el precio de coste de la instalación. En particular, la adopción del motor eléctrico único para el arrastre de las dos secciones de compresión, comprendiendo cada una (por ejemplo en caso de compresión centrífuga) o varias (en caso de compresión axial) etapas de ruedas de compresión, y esto sin obligación de utilizar unas etapas multiplicadoras de velocidad, corresponde a una simplificación constructiva determinante. Además, dicha concepción del confinamiento de la instalación permite un funcionamiento del compresor sin aceite, de lo que resulta una simplificación de las operaciones de explotación y de mantenimiento, garantizando al mismo tiempo la ausencia de polución del fluido frigorígeno. Debe observarse aquí que las secciones de compresión llamada "centrífuga" que serán utilizadas preferentemente en las secciones de compresión llamada axial, comprenderán de forma clásica, para cada etapa que las constituye (en principio una o dos), una rueda móvil precedida de un convergente de aspiración y seguida de un difusor estático liso o con aletas.

Debe observarse por otra parte que la utilización de por lo menos un desobrecalentamiento del vapor entre las dos secciones de compresión evitará alcanzar temperaturas excesivas, presentará la ventaja de reducir el trabajo de compresión de la segunda sección y contribuirá a la mejora de la eficacia del ciclo, a saber al aumento de la relación entre la potencia frigorífica o calorífica suministrada y la energía eléctrica necesaria para el funcionamiento de la instalación, pudiendo esta eficacia alcanzar un valor de 7 a 8, lo que resulta muy satisfactorio. Este desobrecalentamiento después de la primera sección de compresión podrá efectuarse parcialmente por expansión instantánea del agua salida del condensador, y devuelta al evaporador, expansión instantánea que asegura, sin superficie de intercambio intermedia, un enfriado parcial de esta agua y que constituye así un economizador.

Preferentemente, dicho motor eléctrico será un motor síncrono con rotor de imanes permanentes asociado a un variador de frecuencia que permitirá hacer variar su velocidad y por tanto adaptar la velocidad de rotación de las ruedas de compresor a los caudales de vapor tratados, y funcionar con carga parcial en los límites de estabilidad aerodinámica del compresor. La adopción de dicho motor permitirá asegurar un mínimo de pérdidas térmicas a nivel del rotor, lo que es importante teniendo en cuenta los malos intercambios térmicos en un recinto en el que reinará, en el caso de una producción de frío, una presión muy débil de vapor. Sin embargo, se podrían prever otros tipos de motores menos costosos, pro ejemplo unos motores asíncronos, con dispositivo de eliminación de pérdidas térmicas.

Los cojinetes de árbol de dicho motor eléctrico pueden ser de cualquier tipo apropiado para su función, por ejemplo de tipo con rodamientos de bolas de cerámica o también del tipo fluido o liso, con agua como dispositivo anticavitación, o incluso con aceite con dispositivo de estanqueidad, o del tipo magnético, con lo cual se imposibilita cualquier contaminación del fluido frigorígeno por un medio de lubricación.

Según una disposición de la invención, se puede prever que los cojinetes de árbol de dicho motor estén dispuestos por el lado de este último, estando las ruedas del compresor de tal modo en voladizo sobre los extremos de dicho árbol, pero la disposición inversa también es posible: ruedas del compresor dispuestas entre el motor y los cojinetes, sin voladizo.

Otra característica estructural importante de la instalación reside en el hecho de que las dos secciones de compresión están dispuestas en oposición a ambos lados del motor de arrastre eléctrico común, con sus entradas respectivas (aspiraciones) dirigidas hacia los extremos del recinto de confinamiento (contrariamente a la técnica anterior mencionada en primer lugar más arriba), formándose así unas zonas de vaporización y de desobrecalentamiento entre estos extremos del recinto y, respectivamente, la entrada de la primera y la entrada de la segunda secciones de compresión.

Esta disposición permite compensar las reacciones axiales debidas a las ruedas, contribuye a la obtención de una gran compacidad, en particular en longitud, y facilita la conexión de los circuitos de agua exteriores.

En el caso en que ello fuera necesario, en particular en algunas condiciones climáticas para aumentar el porcentaje de compresión (en caso de temperatura exterior demasiado elevada o de diferencia de temperatura evaporación/condensación demasiado importante), se puede prever también que las dos secciones de compresión estén asociadas a una tercera sección de compresión dispuesta en el recinto de confinamiento -o puesta en comunicación con ella- y constituida por un aumentador de presión el cual está dispuesto corriente arriba o corriente abajo del compresor o también entre sus dos secciones.

Ventajosamente, este aumentador de presión será arrastrado por una turbina hidráulica que funciona con agua, en particular tomada del circuito interno, a nivel de la vaporización o la condensación, pero también podría ser arrastrada por la turbina de expansión de vapor o por un motor eléctrico independiente, eventualmente a una velocidad diferente de la del compresor, pudiendo incluso ser detenido en caso de retorno a unas condiciones climáticas normales.

Ventajosamente también, y con el fin de disminuir el precio de coste y de aligerar las masas giratorias, se podrá prever que dicho aumentador de presión o las secciones de compresión estén constituidos por una o varias ruedas de compresión que comprenden un rotor de placa giratoria provisto de aletas planas radiales y eventualmente asociado a unos álabes estáticos de puesta en prerrotación del fluido.

Según que la instalación comprenda o no un aumentador de presión, su organización general podrá ser ligeramente diferente: la misma podrá entonces caracterizarse, respectivamente, porque la zona de condensación está situada en el extremo del recinto de confinamiento que se encuentra por el lado de entrada de aspiración de la segunda sección de compresión, o porque esta zona de condensación está situada entre la zona de desobrecalentamiento y esta entrada de aspiración de la segunda sección de compresión.

Estas disposiciones de la invención así como unas disposiciones complementarias que se refieren a la estructura de la instalación y a su funcionamiento termodinámico se comprenderá mejor con la lectura de los siguientes ejemplos de realización, dados a título en modo alguno limitativo haciendo referencia a las figuras del plano anexo, en el cual:

- la figura 1 es una vista esquemática que muestra una organización general posible de la instalación, suponiendo que solo comprende dos secciones de compresión, mostrando la figura una variante con dos secciones de compresión en paralelo;

- la figura 2 es una vista esquemática que muestra una organización general de la instalación cuando está provista de una tercera etapa de compresión o aumentador de presión;

- la figura 3 es una vista en sección axial más detallada de una instalación semejante a la de la figura 1;

- la figura 4 es una vista en sección axial parcial que muestra la separación líquido/vapor en un convergente de aspiración dispuesto a la entrada de cada sección de compresión y asociado a un canal de separación inercial;

- la figura 5 es una vista en perspectiva de una rueda semiabierta y zunchada de sección de compresión;

- las figuras 6 y 7 son unas vistas en sección parcial desarrollada de dos variantes posibles de un alabeado de rotor del compresor;

- la figura 8 es una vista en sección parcial desarrollada de un rotor del compresor simplificado que comprende una placa giratoria provista de aletas planas radiales y asociada a unos álabes estáticos de puesta en prerrotación del fluido;

- la figura 9 representa esquemáticamente una zona de condensación con guarnición;

- la figura 10 representa un condensador de "reflujo" dispuesto a la salida de la zona de condensación;

- la figura 11 es una vista esquemática del conjunto de la instalación;

- la figura 12a es un esquema termodinámico de la instalación;

- la figura 12b es un ejemplo de diagrama entálpico P=f(H) de una instalación de acuerdo con la invención;

- la figura 13 es una vista esquemática parcial de la instalación, que muestra la implantación de un aumentador de presión corriente abajo; y

- la figura 14 muestra un cojinete de agua para el árbol del motor.

En la figura 1 se ha referenciado en 1 y 2 las dos secciones de compresión de la instalación, cuyas entradas de aspiración 3 y 4 están dispuestas opuestas entre sí, estando la salida de la sección 1 conectada por unos conductos 5 a la entrada 4 de la sección 2. Las ruedas móviles de las dos secciones están caladas sobre los extremos del árbol 18 de un motor eléctrico común de velocidad variable 6.

En la figura 1a se han representado una variante según la cual se utilizan dos secciones de compresión 1' y 2' montadas en paralelo, con una entrada común 3' y arrastradas por un motor común 6', para obtener unas potencias frigoríficas más elevadas. Estas secciones pueden estar seguidas de una sección de compresión, pudiendo esta última estar constituida también por dos secciones en paralelo y/o por un aumentador de presión.

La figura 2 representa también esquemáticamente una instalación que comprende una tercera sección de compresión (o aumentador de presión) 7 arrastrada por un motor eléctrico independiente 8, cuya entrada de aspiración 9 comunica con la salida de la segunda sección de compresión 2 y cuya impulsión 10 comunica con una zona de condensación; la implantación de este aumentador de presión en la instalación se apreciará mejor en la figura 13, en la cual se han utilizado las mismas referencias que en la figura 3, para designar las partes comunes.

En la figura 3, que representa una instalación sin aumentador de presión, se ha designado en 11 y 12 las ruedas centrífugas de compresión de vapor de agua (que en este dibujo se suponen semiabiertas) que pertenecen respectivamente a las dos secciones de compresión citadas 1 y 2, por ejemplo cada una en una etapa de compresión, constituyendo juntas el compresor del ciclo termodinámico, el cual esta dispuesto en un recinto hermético 13 de confinamiento a muy baja presión, estando estas dos secciones como se ha indicado más arriba situadas en oposición: sus entradas de aspiración 3 y 4, provistas cada una respectivamente de un separador líquido/vapor o desvesiculador 14, 15, están dirigidas hacia los dos extremos opuestos del recinto, referenciado respectivamente en 16 y 17. Las ruedas móviles 11 y 12 de estas dos secciones de compresión 1 y 2 están caladas en voladizo sobre los extremos opuestos del árbol 18 del motor eléctrico común 6 citado, que es de tipo síncrono y estanco, y cuyo rotor es ventajosamente de imanes permanentes. Como los cojinetes del árbol 18 están lubrificados sin aceite, como se ha descrito más adelante, el mantenimiento está facilitado y se elimina el riesgo de polución del fluido frigorígeno.

El recinto 13, con el fin de simplificar las operaciones de mantenimiento que pueden hacer intervenir unos cuerpos de oficios diferentes (frigoristas, mecánicos, termodinámicos, electricistas), está constituido por tres módulos distintos conectados uno al siguiente por medio de unas bridas 19 y 20 cuyo ensamblaje está asegurado por unos medios conocidos (tornillos, "cintas móviles", etc.). Estos tres módulos comprenden un módulo de evaporación instantánea 21 que contiene una zona de evaporación 22, un módulo de compresión 23 que contiene las dos secciones de compresión 1 y 2, y un módulo de condensación 24 que contiene una zona de sobrecalentamiento 25 y eventualmente con economizador, y la zona de condensación 26.

La zona de vaporización 22 está establecida en forma de un evaporador instantáneo en el cual la energía interna del fluido permanece constante (expansión isentálpica), siendo la disminución de la del líquido exactamente compensada por el aumento de la del líquido vaporizado. Para ello, el agua helada de retorno a la instalación por un conducto 27, que ha sido recalentado, por ejemplo hasta aproximadamente 12ºC, por su paso por el circuito de utilización U que la instalación tiene por objeto enfriar, es inyectada en forma de gotas en la zona 22 por una batería de pulverización 28 y se vaporiza instantáneamente debido a la presión absoluta muy baja, que puede ser del orden de 10 mbars, que reina en esta zona 22. En otros términos, la energía necesaria para la evaporación del líquido proviene del propio líquido según un proceso adiabático. El agua así enfriada a una temperatura que puede ser del orden de 7ºC, es recuperada en la parte inferior del recinto y es evacuada de allí por un conducto de agua helada referenciado en 29. Los intercambios térmicos en este ciclo frigorígeno son directos (intercambios por contacto y no por medio de superficies), y existen muy pocas irreversibilidades; se ha suprimido el "pinzado" presente en las instalaciones con intercambiadores tubulares o de placas, lo que permite obtener un coeficiente de rendimiento prácticas superior a 7 para unas temperaturas de evaporación y de condensación respectivamente de 7 y de 30ºC. La ausencia de superficies de intercambio para el evaporador y el condensador presenta además la ventaja de no necesitar ningún desprendimiento longitudinal para desentubado o limpieza de las superficies, de lo que resulta una disminución del espacio que debe ser reservado para la instalación.

La presencia de gotas de agua en el vapor así creado es beneficiosa puesto que favorece el desobrecalentamiento del vapor cuando tiene lugar la fase siguiente de compresión, de lo que resulta un caudal volumétrico menor, permitiendo reducir las secciones de paso, por tanto el volumen de la instalación y el coste. Además, la masa volumétrica es más elevada, lo que permite obtener un porcentaje de compresión más importante y contribuye a aumentar el coeficiente de rendimiento global.

Sin embargo, para evitar una erosión de los álabes de la ruedas de compresor por las gotas de agua a gran velocidad, el separador líquido/vapor o desvesiculador 14, 15 dispuesto a la entrada de aspiración 3, 4 de cada sección de compresión puede ser, como se ha detallado en la figura 4, seguido o reemplazado por un pabellón de convergente fijo 30 especial sobre la pared del cual el agua puede fluir y cuyo borde de fuga desemboca en un colector de agua circular o canal 31, provisto de una salida de evacuación de agua inferior 32 y que asegura una separación inercial eficaz entre el agua y el vapor. Debe observarse que el agua fluye en cantidad bastante significativa sobre esta pared 30 del convergente, debido a la separación provocada por la puesta en velocidad axial del vapor, asociada a la coalescencia de las gotas de agua, lo que subraya el interés de esta disposición. Por el contrario, no se busca eliminar la niebla que pasa por la sección de salida del convergente, puesto que su presencia es favorable para el desobrecalentamiento, y sus efectos mecánicos son reducidos.

Por otra parte, para evitar la erosión llamada "en croissant" de los álabes de la rueda 11, 12 de compresión bajo el impacto de las finas gotas que permanecen en suspensión en el vapor, estos álabes están ventajosamente rodeados, en su porción axial, por un zuncho, referenciado 33 en la vista en perspectiva de la figura 5. Este zuncho, que tiene también un efecto antivibratorio, puede así canalizar el agua aspirada hasta que deja la zona axial.

La vista en sección desarrollada parcial de la figura 6 muestra por otra parte la posibilidad de conferir a las aletas 34 de los álabes de rotor un ángulo agudo con respecto al plano de la placa posterior 35, lo que favorece el arrastre del agua en el sentido de la rotación. También sería posible conferir a estas aletas 34 una ligera concavidad, con el mismo efecto (figura 7).

La figura 8 representa una variante de compresión simplificado que se puede utilizar si se desea rebajar el precio de coste o reducir las masas giratorias para el aumentador de presión 8 o para las ruedas de compresión, variante que además permitirá eliminar el zuncho 33 mencionado más arriba: el compresor comprende un rotor de placa giratoria 37 provisto de aletas planas radiales 38 y eventualmente asociado a unos álabes estáticos 36 de puesta en prerrotación del fluido.

El vapor comprimido en la primera sección 1 del compresor es dirigido hacia la segunda sección 2 por los conductos de circulación 5 ya mencionados y referenciados también en la figura 3. Estos conductos pueden comprender a la salida de sección un difusor radial liso o con aletas 39, 39a y/o axial 40, 40a con aletas (caso de la parte alta del plano), destinado a elevar la presión de vapor disminuyendo su velocidad. Puede resultar necesario prever una inyección adicional de agua en el difusor, corriente abajo de la rueda a fin de desobrecalentar el vapor. En caso de difusor radial y/o axial, puede resultar juicioso realizar esta inyección en la proximidad del cambio de dirección, en el codo entre los difusores 39 y 40 y/o en el borde de fuga de las aletas 39, 39a de la parte alta del dibujo.

Antes de ser aspirado en la entrada de la segunda sección de compresión 2, el vapor salido de los conductos 5 sufre un desobrecalentado en la zona de desobrecalentamiento intermedia 25 mencionada más arriba, situada en este ejemplo en la proximidad del extremo 17 del recinto de confinamiento 13, para evitar alcanzar temperaturas excesivas a la salida del compresor. Este desobrecalentamiento puede estar asegurado por "expansión instantánea" del caudal de agua salido del condensador y devuelto al evaporador, lo que constituye un economizador que asegura un enfriado parcial de esta agua. En efecto, teniendo el agua un calor latente muy elevado, la vaporización de un pequeño volumen de líquido es suficiente para desobrecalentar el vapor.

El vapor salido de la segunda sección de compresión 2 a una temperatura próxima a la condensación bajo la presión correspondiente pasa a continuación a la zona de condensación 26 por otros conductos estáticos 41. La condensación se efectúa por mezcla, produciéndose el intercambio térmico entre la fase vapor salida del compresor y las gotas líquidas dispersadas por una batería 42 de pulverización alimentada por un conducto 43 de retorno del agua enfriada (a aproximadamente 25ºC) del aerorefrigerante (A), tratándose de un aerorefrigerante clásico con serpentín y ventilación mecánica, que impide cualquier contacto entre el agua y el aire exterior, esto para evitar cualquier contaminación biológica o química así como la presencia de gases disueltos en el agua. El agua calentada por la condensación del vapor es recogida en la parte baja del recinto y devuelta al aerorefrigerante por un conducto 44 (figura 3).

Debe observarse que la principal resistencia al fenómeno de condensación no está ligada a la convección en el vapor, sino más bien a la conducción en el líquido, por lo que convendrá eventualmente asegurar un tiempo de permanencia del líquido en el condensador lo más largo posible, aumentando las superficies de contacto y con un removido con el vapor que circula a contracorriente, creado por una guarnición del condensador tal como unos anillos Raschig. Dicha guarnición ha sido representada esquemáticamente en 45 en la figura 9 y está coronada por un repartidor 46 alimentado con agua enfriada por la batería 42, estando prevista una rejilla 47 en la base de la guarnición para su retención en el interior de una caja 48.

En 49 se ha referenciado en la figura 3 una bomba de puesta bajo vacío, la cual se efectúa a la presión de condensación. Al arranque de la instalación, estando el recinto 13 lleno de aire a presión, la bomba deberá evacuar este aire para llevar la presión interna absoluta a un valor próximo a 40 mbars. Para reducir el tiempo necesario para esta evacuación, se puede prever un grupo de arranque, por ejemplo del tipo con elector, con agua como fluido motor, puesto que se dispone de agua de enfriado del condensador.

Para reducir el caudal de vapor extraído con los incondensables, esencialmente aire, será ventajoso disponer un condensador de "reflujo" a la salida de la zona de condensación 26. Dicho condensador de "reflujo", representado en la figura 10, podría estar constituido por una columna 50 en la base de la cual el vapor residual que proviene de la zona de condensación 26 es inyectado a través de los laberintos 51, siendo los incondensables saturados de humedad evacuados por su extremo superior 52 hacia la bomba de vacío 49. Esta columna puede comprender sucesivamente dos zonas a contracorriente: por una parte una zona 53 en la cual una parte del vapor se condensa gracias a un intercambiador de superficie de serpentín 54 en el cual al aportación frigorífica está asegurada por el retorno de agua del aerorefrigerante antes de su pulverización en la batería 42 del condensador, por otra parte, una zona 55 en la cual otra parte del vapor se condensa gracias a un intercambiador de superficie 56 con tubos y laberintos de circulación de agua, estando aquí la aportación frigorífica asegurada por un bajo caudal de agua helada 57 que proviene de la zona de evaporación 22. Se puede indicar que el condensador de "reflujo" podría comprender solo una o la otra de las dos partes descritas anteriormente, o también los dos tipos de superficies de intercambios permutadas.

Para el funcionamiento con carga parcial de la instalación, se puede hacer variar la frecuencia de alimentación del motor síncrono 6, o se puede prever un circuito de reciclaje térmico de cierto caudal de líquido de la zona de condensación 26 hacia la zona de evaporación 22.

En la vista esquemática de la figura 11, en la cual se han utilizado las mismas referencias que en la figura 3, se observa que la diferencia de las presiones entre las dos zonas 22 y 26 puede ser muy simplemente compensada por un conducto 58 que conecta los pies de las columnas de agua de alturas diferentes previstas para la evacuación 29 y 44 de estas dos zonas. Debe observarse que el desobrecalentamiento intermedio entre las secciones de compresión puede estar asociado a una "expansión instantánea" del pequeño caudal de agua salido del condensador 26 y devuelto por el conducto 58 a la zona de vaporización 22, lo que constituye un economizador que asegura un enfriado parcial de este agua.

También se puede prever producir un exceso de frío durante la noche y almacenarlo en forma de agua helada o de hielo, siendo entonces este frío recuperado durante la jornada.

En un diagrama T= f(E), siendo E la energía intercambiada, la figura 12a muestra el esquema termodinámico de la instalación I. Q_{F} representa el calor tomado de la fuente fría, a saber el circuito utilizador U; W representa el trabajo recibido en la instalación I, y Q_{C} el calor cedido a la fuente caliente, a saber el aerorefrigerante A (ver también figura 12b), siendo la relación que liga estos valores IQ_{F} I = IQ_{C}I + IWI.

El diagrama entálpico de la figura 12b representa un funcionamiento clásico de la instalación I. El agua es vaporizada a una temperatura T_{E} de aproximadamente 7ºC en la zona de evaporación 22, y después comprimida en la primera sección de compresión 1, desobrecalentada hasta una temperatura T_{D} de aproximadamente 18ºC, comprimida en la segunda sección de compresión 2 para alcanzar una temperatura T_{C} de aproximadamente 30ºC, y condensada en la zona de condensación 26. El agua de condensación es bombeada por una bomba P_{1} hacia el aerorefrigerante A en 44, y vuelve de él a una temperatura de aproximadamente 25ºC, en 43 (ciclo portador de calor). En el ciclo portador de frío 27, 22, 29, el agua es enfriada por vaporización, entre aproximadamente 12º y 7ºC, y es bombeada en el circuito utilizador U por una bomba P_{2}.

Aunque la descripción haya sido realizada privilegiando la valorización del efecto frigorífico, la instalación también podría tener por función primera la producción de calor, en cuyo caso la presión en el interior del recinto podría ser superior a la presión atmosférica a fin de alcanzar temperaturas de condensación superiores a 100ºC.

Por último se ha representado en la figura 14 una estructura posible de cojinete de agua para el árbol 18 del motor eléctrico 6. Este cojinete, referenciado en 59, comprende una llegada de líquido a presión 60, el cual sufre por efecto dinámico una expansión parcial en el intervalo 61 entre el mandrilado del cojinete y la superficie del árbol 18, antes de sufrir una expansión complementaria y una vaporización parcial a su salida de este intervalo, en 62. El vapor y el líquido residual son entonces dirigidos a una cámara de tranquilización 63 por un deflector 64.

Claims (28)

1. Instalación de bombeo de calor, en particular con función frigorífica, del tipo con ciclo frigorígeno de compresión-expansión, que comprende una zona de vaporización antes de compresión y una zona de condensación después de esta última, en la cual el fluido termodinámico utilizado en dicho ciclo así como el fluido utilizado en los ciclos portador de frío y portador de calor es el agua, efectuándose los intercambios térmicos de vaporización y respectivamente de condensación entre estos dos últimos ciclos y dicho ciclo frigorígeno directamente, sin la medición de superficies de intercambio, y estando el frío producido por esta instalación habitualmente a una temperatura superior a 0ºC (frío "positivo") o a una temperatura negativa (producción de hielo), caracterizada porque el ciclo frigorígeno utiliza una compresión dinámica con dos secciones de compresión separadas (1, 2) conectadas entre sí por lo menos por una zona de intercambio térmico (25) con desobrecalentado y/o con economizador, e incluidas en un recinto (13) de confinamiento del vapor hermético y térmicamente aislada, y porque la ruedas (11, 12) de estas dos secciones están montadas directamente sobre los extremos opuestos del árbol (18) de un motor eléctrico estanco (6) común de velocidad variable dispuesto en dicho recinto (13) entre estas secciones (1, 2).

2. Instalación de bombeo de calor según la reivindicación 1, caracterizada porque dicho motor eléctrico de velocidad variable (6) es un motor síncrono de rotor con imanes permanentes asociado a un variador de frecuencia.

3. Instalación de bombeo de calor según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque los cojinetes de árbol de dicho motor (6) son del tipo con rodamientos de bolas de cerámica.

4. Instalación de bombeo de calor según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque los cojinetes de árbol (18) de dicho motor son del tipo fluido o liso, con agua (59) con dispositivo anticavitación, o de aceite con dispositivo de estanqueidad, o también del tipo magnético.

5. Instalación de bombeo de calor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los cojinetes de árbol (18) de dicho motor (6) están dispuestos por el lado de este último, estando las ruedas (11, 12) del compresor de esta manera en voladizo sobre los extremos de dicho árbol (18).

6. Instalación de bombeo de calor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque las dos secciones de compresión (1, 2) están dispuestas en oposición a ambos lados del motor de arrastre eléctrico común (6), con sus entradas respectivas (3, 4) dirigidas hacia los extremos (16, 17) del recinto de confinamiento (13), estando unas zonas de vaporización (22) y de desobrecalentamiento (25) dispuestas así entre estos extremos del recinto (13) y, respectivamente, la entrada (3) de la primera (1) y la entrada (4) de la segunda (2) secciones de compresión.

7. Instalación de bombeo de calor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque las dos secciones de compresión (1, 2) están asociadas a una tercera sección de compresión (7) dispuesta en el recinto de confinamiento (13) o puesta en comunicación con ella y constituida por un aumentador de presión, el cual está dispuesto corriente arriba o corriente abajo del compresor, o también entre sus dos secciones (1, 2).

8. Instalación de bombeo de calor según la reivindicación 7, caracterizada porque dicho aumentador de presión (7) es arrastrado por una turbina hidráulica que funciona con agua tomada del circuito interno, a nivel de la vaporización (22) o de la condensación (26).

9. Instalación de bombeo de calor según la reivindicación 7, caracterizada porque dicho aumentador de presión (7) es arrastrado por una turbina de expansión de vapor.

10. Instalación de bombeo de calor según la reivindicación 7, caracterizada porque dicho aumentador de presión (7) es arrastrado por un motor eléctrico independiente (8).

11. Instalación de bombeo de calor según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, caracterizada porque dicho aumentador de presión (7) o las secciones de compresión están constituidos por una o varias ruedas de compresión que comprenden un rotor de placa giratoria (37) provista de aletas planas radiales (38) y eventualmente asociado a unos álabes estáticos (36) de puesta en prerrotación del fluido.

12. Instalación de bombeo de calor según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11, caracterizada porque dicha zona de condensación (26) está situada en la proximidad del extremo (17) de dicho recinto de confinamiento (13) que está próximo a la entrada (4) de la segunda sección de compresión (2).

13. Instalación de bombeo de calor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque dicha zona de condensación (26) está situada entre la zona de desobrecalentamiento (25) y la entrada (4) de la segunda sección de compresión (2).

14. Instalación de bombeo de calor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque está constituida por tres módulos distintos conectados uno al siguiente por unos medios de fijación desmontables (19, 20), a saber un módulo de evaporación instantáneo (21) que contiene una zona de vaporización (22), un módulo de compresión (23) que contiene las secciones de compresión, y un módulo de condensación (24) que contiene una zona de desobrecalentamiento (25) y la zona de condensación (26).

15. Instalación de bombeo de calor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la zona de vaporización (22) está establecida en forma de un evaporador instantáneo, siendo el agua helada (27) de retorno a la instalación inyectada en forma de gotas en dicha zona (22) por una batería de pulverización (28).

16. Instalación de bombeo de calor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque un separador líquido/vapor o desvesiculador (14, 15) está dispuesto a la entrada de aspiración de cada sección de compresión (1, 2).

17. Instalación de bombeo de calor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizada porque a la entrada de aspiración de cada sección de compresión (1, 2) está previsto un pabellón de convergente especial (30) sobre cuya pared el agua puede fluir y cuyo borde de fuga desemboca en un colector de agua circular (31) de separación inercial provisto de una salida de evacuación de agua inferior (32).

18. Instalación de bombeo de calor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los álabes de las ruedas (11, 12) de compresor están rodeados, en su porción axial, por un zuncho (33) apropiado para canalizar el agua aspirada hasta que deja la zona axial.

19. Instalación de bombeo de calor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque las aletas (34) de los álabes de rotor (11, 12) presentan un ángulo agudo con respecto al plano de la placa posterior (35) de este rotor o una ligera concavidad, lo que favorece el arrastre del agua en el sentido de la rotación.

20. Instalación de bombeo de calor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el vapor comprimido en una sección de compresión es dirigido hacia la sección siguiente por unos conductos de circulación (5, 41) que pueden presentar en la salida de sección de compresión un difusor radial liso o con aletas (39, 39a) y/o axial con aletas (40, 40a) con, en caso necesario, una inyección adicional de agua corriente abajo de esta sección.

21. Instalación de bombeo de calor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el desobrecalentamiento intermedio entre las secciones de compresión está asociado a una "expansión instantánea" del caudal de agua salido del condensador (26) y devuelto por una tubería (58) a la zona de vaporización (22), lo que constituye un economizador que asegura un enfriado parcial de este agua.

22. Instalación de bombeo de calor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la condensación se efectúa por mezcla, produciéndose el intercambio térmico entre la fase vapor salida del compresor (1, 2) y unas gotas líquidas dispersadas por una batería (42) de pulverización alimentada por un conducto (43) de retorno del agua fría de un aerorefrigerador.

23. Instalación de bombeo de calor según la reivindicación 22, caracterizada porque para asegurar un tiempo de permanencia del líquido en la zona de condensación (26) lo más largo posible, esta zona comprende una guarnición (45) tal como unos anillos Raschig que aumenta las superficies de contacto y crea un removido con el vapor que circula a contracorriente.

24. Instalación de bombeo de calor según la reivindicación 22 ó 23, caracterizada porque comprende un condensador de "reflujo".

25. Instalación de bombeo de calor según la reivindicación 24, caracterizada porque dicho condensador de "reflujo" está constituido por una columna (50) que comprende sucesivamente, por una parte una zona a contracorriente (53) en la cual una parte el vapor se condensa gracias a un intercambiador de superficie (54) en el cual la aportación frigorífica está asegurada por el retorno de agua del aerorefrigerador antes de su pulverización en la batería (42) del condensador, y por otra parte una zona a contracorriente (55) en el cual una parte del vapor se condensa gracias a un intercambiador de superficie (56) estando la aportación frigorífica aquí asegurada por un pequeño caudal de agua helada (57) que proviene de la zona de vaporización (22).

26. Instalación de bombeo de calor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque, para su funcionamiento con carga parcial, la misma comprende un circuito de reciclaje térmico de un cierto caudal de líquido de la zona de condensación (26) hacia la zona de vaporización (22).

27. Instalación de bombeo de calor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque esta regulada para producir un exceso de frío durante la noche y almacenarlo en forma de agua helada o de hielo, siendo este frío entonces recuperado durante la jornada.

28. Instalación de bombeo de calor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el árbol (18) del motor eléctrico (6) está soportado por unos cojinetes de agua (59) que comprenden una llegada de líquido a presión (60), el cual puede así sufrir por efecto dinámico una expansión parcial en un intervalo (61) entre un mandrilado del cojinete y la superficie del árbol (18), antes de sufrir una expansión complementaria y una vaporización parcial a su salida (62) de este intervalo, siendo el vapor y el líquido reservado entonces dirigidos hacia una cámara de tranquilización (63) por un deflector (64).