ES2275774T3 - Circuito de calefaccion/refrigeracion para una instalacion de climatizacion de un vehiculo automovil, instalacion de climatizacion y procedimiento para su control. - Google Patents
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Abstract
Circuito de calefacción/refrigeración para un vehículo automóvil con un evaporador (14), para la refrigeración de aire que hay que suministrar a un habitáculo, un cambiador de calor de calefacción (16), para el calentamiento del aire que hay que suministrar al habitáculo, un cambiador de calor exterior (22), con un compresor (24) para transportar refrigerante, un primer elemento de expansión (28), el cual está asignado al evaporador (14), un segundo elemento de expansión (30, 130), el cual está asignado al cambiador de calor exterior (22), y unas conducciones de refrigerante (L1 a L111), a través de las cuales los componentes mencionados anteriormente están conectados entre sí, caracterizado porque existe una conducción estrangulable (L11, L111) entre una conducción de conexión hacia el cambiador de calor de calefacción (16) y una conducción o componente a presión de sistema baja.
Description
Circuito de calefacción/refrigeración para una
instalación de climatización de un vehículo automóvil, instalación
de climatización y procedimiento para su control.
La presente invención se refiere a un circuito
de calefacción/refrigeración para un vehículo automóvil según el
preámbulo de la reivindicación 1, una instalación de climatización
que lo contiene y un procedimiento para el control de la
instalación de climatización.
Por la patente US nº 5.782.102 se conoce un
circuito de calefacción/refrigeración de este tipo para una
instalación de climatización de un vehículo automóvil, en la cual
el evaporador del circuito de refrigeración se necesita para la
refrigeración de un aire que se suministra a un habitáculo de
vehículo automóvil y el condensador del circuito de
calefacción/refrigeración se utiliza para el calentamiento del aire
suministrado al habitáculo, para no emitir el calor perdido, sin
ser utilizado, al entorno. Adicionalmente está previsto un cambiador
de calor exterior a través del cual el refrigerante puede
intercambiador calor con el entorno exterior. Este cambiador de
calor exterior actúa, cuando la instalación de climatización se hace
funcionar exclusivamente en el modo de refrigeración, como
condensador y, cuando la instalación de climatización se hace
funcionar exclusivamente en modo de calefacción, como evaporador.
Para ello está asignado al cambiador de calor exterior un elemento
de expansión el cual está formado como capilar con una sección
transversal de abertura fija. Según las necesidades, se puede con
la ayuda de este circuito de calefacción/refrigeración refrigerar,
calentar o deshumedecer el aire suministrado al habitáculo
del
vehículo automóvil.
vehículo automóvil.
En esta instalación de climatización conocida
resulta desventajoso que en el funcionamiento en Reheat el cambiador
de calor exterior adicional esté postconectado por el lado del
refrigerante directamente al calefactor y por este motivo
únicamente ceda calor. Con ello está esencialmente fijada la
potencia de calefacción en relación con la potencia de
refrigeración y puede en su caso no estar disponible suficiente
potencia de calefacción.
En el documento EP 0 989 003 A2 se describe un
circuito de refrigerante para un vehículo automóvil según el
preámbulo de la reivindicación 1, el cual puede ser conmutado entre
un funcionamiento de climatización, para la refrigeración del aire
que hay que suministrar al habitáculo del vehículo automóvil, y un
funcionamiento de bomba de calor, para el calentamiento de aire que
hay que suministrar al habitáculo del vehículo automóvil. Para
evitar una acumulación de refrigerante en partes pasivas del
circuito de refrigerante se propone en el documento EP 0 989 003 A2
dejar los cambiadores de calor previstos en el circuito, en cada
forma de funcionamiento del circuito de refrigerante. Para, en el
caso del funcionamiento de climatización, impedir una cesión de
calor del radiador de bomba de calor que se encuentra en la
instalación de calefacción/climatización a la corriente de aire que
circula a través de la instalación de calefacción/climatización,
están previstas unas tapas, las cuales cubren el radiador de bomba
de calor en este tipo de funcionamiento, de manera que éste no es
atravesado por el aire.
En el documento EP 0 842 799 A2 se describe, en
un ejemplo de forma de realización, una bomba de calor para un
vehículo automóvil, en la cual el circuito de refrigerante comprende
un evaporador y dos condensadores. El evaporador y el condensador
auxiliar están dispuestos en el canal de conducción de aire de una
instalación de calefacción/climatización para la regulación de la
temperatura del aire que hay que suministrar al habitáculo del
vehículo automóvil. El condensador principal se encuentra en el
compartimento del motor y es cargado con aire del entorno. En un
funcionamiento de calefacción el circuito de refrigerante es
conectado de tal manera que se da la vuelta al condensador
principal, situado en el exterior. Con el fin de evitar una
acumulación excesiva en el condensador principal a través del cual
no se circula está prevista adicionalmente una conducción de
aspiración, la cual conduce al tubo de salida del compresor. En el
funcionamiento de refrigeración se circula a través de los
condensadores principal y auxiliar, teniendo lugar la retirada de
calor principal hacia fuera a través del condensador principal.
Partiendo de este estado de la técnica, la
invención se plantea el problema de proporcionar un circuito de
calefacción/refrigeración mejorado para una instalación de
climatización de un vehículo automóvil, la cual funcione de manera
óptima en los tres tipos de funcionamiento, es decir refrigerar,
calentar y Reheat y, en especial en el funcionamiento de Reheat,
pueda dar lugar a una deshumidificación efectiva, ahorradora de
energía y adaptada a las necesidades, y a un posterior
calentamiento del aire, así como un procedimiento para el control
de la instalación de climatización.
Este problema se resuelve mediante un objeto con
las características de la reivindicación 1 así como mediante una
instalación de climatización con las características de la
reivindicación 8.
De acuerdo con la invención existe una
conducción estrangulable entre una conducción de conexión hacia el
cambiador de calor de calefacción y una conducción o componente a
presión de sistema baja. Gracias a ello se puede variar, en el modo
de Reheat, el rendimiento de calor en el cambiador de calor exterior
dependiendo de la presión ajustada desde la cesión de calor hasta
la absorción de calor, de manera que la relación entre la potencia
de refrigeración del evaporador y la potencia de calefacción del
cambiador de calor de calefacción varía en límites amplios y pueden
ajustarse de manera continua. Con ello se puede ajustar de manera
óptima en el funcionamiento de Reheat simultáneamente la potencia
de calefacción y de refrigeración a las necesidades momentáneas,
con lo cual, por un lado, se puede realizar un acondicionamiento
mejorado, es decir deshumidificación y regulación de la temperatura
y, por el otro, se puede ahorrar energía y con ello, en último
término, carburante.
El procedimiento según la invención se
caracteriza porque en el funcionamiento en Reheat ambos elementos de
expansión son recorridos por refrigerante, con lo cual se hacen
posibles, con las ventajas mencionadas con anterioridad, relaciones
de presión ajustables en el evaporador y en el cambiador de calor
exterior y el cambiador de calor de calefacción.
Preferentemente los medios están formados por
los elementos de expansión asignados al evaporador y el cambiador
de calor exterior, siendo regulable por lo menos uno de los
elementos de expansión.
Preferentemente, los elementos de expansión se
pueden regular de manera continua, para poder realizar un ajuste
continuo de las presiones y con ello de las potencias térmicas del
evaporador y del cambiador de calor exterior.
Para poder adaptar las potencias del cambiador
de calor aún mejor a las necesidades es preferentemente también
regulable la potencia del compresor mediante el ajuste del
desplazamiento del cilindro o de la velocidad de giro del
compresor.
Preferentemente se utiliza como refrigerante
para el circuito de calefacción o refrigeración según la invención
CO_{2}, dado que el CO_{2} es adecuado de manera óptima para un
funcionamiento de bomba de calor como el que se puede llevar a cabo
con el circuito según la invención.
En caso de utilización de CO_{2} como
refrigerante está previsto preferentemente un cambiador de calor
interior para el intercambio de calor entre una sección del lado de
la alta presión y una del lado de la presión baja del circuito de
calefacción/refrigeración.
Para mantener tan pequeñas como sea posible las
pérdidas de presión del refrigerante dentro de las conducciones y
el cambiador de calor y poder ajustar, en el modo de refrigeración o
de funcionamiento de calefacción, el punto de funcionamiento óptimo
correspondiente a las condiciones, está prevista una conducción de
derivación de calefacción que se puede cerrar hacia el entorno del
lado del refrigerante del cambiador de calor de calefacción y del
elemento de expansión asignado al cambiador de calor exterior, así
como una conducción de derivación de refrigeración para pasar
alrededor del evaporado y del elementos de expansión asignado.
Además, se pueden desconectar de este modo por completo los
componentes evaporador o cambiador de calor de calefacción, en caso
de que su funcionamiento no se necesite e, incluso, fuese incluso
desventajoso.
Para que durante el funcionamiento de
refrigeración, cuando funciona exclusivamente el evaporador y
refrigera el aire que hay que suministrar al habitáculo del
vehículo automóvil, no se acumule refrigerante en el cambiador de
calor de calefacción, el cual es refrigerado forzosamente también
por el aire refrigerado por el evaporador, dado que el aire circula
por él, está prevista una conducción estrangulable entre una
conducción conectada con el cambiador de calor de calefacción y una
conducción al nivel de presión más bajo del evaporador.
Para aprovechar el calor perdido de un grupo
propulsor está previsto otro cambiador de calor de calefacción para
el calentamiento exclusivo del aire, el cual se puede cargar, de una
manera conocida, con refrigerante en un grupo propulsor.
Este cambiador de calor adicional puede estar
dispuesto en el lado del aire antes del primer cambiador de calor
de calefacción o después de éste.
A continuación la invención se explica en
detalle a partir de un ejemplo de forma de realización haciendo
referencia al dibujo, en el que:
la Fig. 1 muestra un circuito de
calefacción/re-
frigeración según la invención para una instalación de climatización de un vehículo automóvil en el modo de funcionamiento refrigerar;
frigeración según la invención para una instalación de climatización de un vehículo automóvil en el modo de funcionamiento refrigerar;
la Fig. 2 muestra una representación de las
variaciones de la condición de estado esenciales del refrigerante
en el modo de funcionamiento refrigerar en un diagrama
presión-entalpía;
la Fig. 3 muestra un circuito de
calefacción/re-
frigeración según la invención para una instalación de climatización de un vehículo automóvil en el modo de funcionamiento calentar;
frigeración según la invención para una instalación de climatización de un vehículo automóvil en el modo de funcionamiento calentar;
la Fig. 4 muestra una representación de las
variaciones de la condición de estado esenciales del refrigerante
en el modo de funcionamiento calentar en un diagrama
presión-entalpía;
la Fig. 5 muestra un circuito de
calefacción/re-
frigeración según la invención para una instalación de climatización de un vehículo automóvil en el modo de funcionamiento Reheat;
frigeración según la invención para una instalación de climatización de un vehículo automóvil en el modo de funcionamiento Reheat;
las Figs. 6 a 8, muestran una representación de
las variaciones de la condición de estado esenciales del
refrigerante en el modo de funcionamiento Reheat en un diagrama
presión-entalpía, en cada caso para diferentes
presiones de cambiador de calor exterior
22;
22;
la Fig. 9 muestra una forma de realización
alternativa de un circuito de calefacción/refrigeración según la
invención para una instalación de climatización en el modo de
funcionamiento calentar;
la Fig. 10 muestra una forma de realización
alternativa de un circuito de calefacción/refrigeración según la
invención para una instalación de climatización en el modo de
funcionamiento refrigerar;
la Fig. 11 muestra una forma de realización
alternativa de un circuito de calefacción/refrigeración según la
invención para una instalación de climatización en el modo de
funcionamiento calentar;
la Fig. 12 muestra una forma de realización
alternativa de un circuito de calefacción/refrigeración según la
invención para una instalación de climatización en el modo de
funcionamiento Reheat;
la Fig. 13 muestra una primera forma de
realización del circuito de calefacción/refrigeración según la
invención para una instalación de climatización con un modo de
descongelación;
la Fig. 14 muestra una segunda forma de
realización del circuito de calefacción/refrigeración según la
invención para una instalación de climatización con un modo de
descongelación;
La Fig. 15a muestra una representación
esquemática de parámetros de regulación para el compresor 24;
la Fig. 15b muestra una representación
esquemática de parámetros de ajuste para el elemento de expansión
130 ó 30.
Un circuito de calefacción/refrigeración 10
según la invención para una instalación de climatización de un
vehículo automóvil presenta un aparato de climatización 12 el cual,
por regla general, está dispuesto en un cuadro de instrumentos del
vehículo automóvil, un evaporado 14 dispuesto y un cambiador de
calor de calefacción 16 postconectado, por el lado del aire, al
evaporador 14. Mediante un soplador 18 se puede transportar aire de
circulación o aire fresco a través de aparato de climatización 12,
enfriándose el aire en el evaporador 14 y pudiendo ser calentado en
el cambiador de calor de calefacción 16. Opcionalmente está
dispuesto, por el lado del aire, después del cambiador de calor de
calefacción 16, otro cambiador de calor de calefacción 20, el cual
está conectado a través de conducciones de refrigerante K_{1} y
K_{2} con un grupo propulsor del vehículo automóvil, de manera
que refrigerante caliente puede circular a través del cambiador de
calor de calefacción. El aire regulado en cuanto a la temperatura
en el aparato de climatización 12 puede ser suministrados, a través
de salidas adecuadas, al habitáculo del vehículo automóvil.
Además del evaporador 14 y del cambiador de
calor de calefacción 16, el circuito de calefacción/refrigeración
10 presenta un cambiador de calor exterior 22 y un compresor 24.
estos componentes esenciales del circuito de
calefacción/refrigeración están conectados entre sí, de la manera
descrita posteriormente, mediante unas conducciones de refrigerante
L_{1} a L_{10}. Por el lado de entrada del compresor 24 está
previsto en la conducción L_{7} un colector de refrigerante
26.
Al evaporador 14 está asignado, por el lado de
entrada, un elemento de expansión 28 y al cambiador de calor
exterior 22 está asignado, por el lado de entrada, otro elemento de
expansión 30. Ambos elementos de expansión 28 y 30 son regulables,
preferentemente regulables de manera continua. Además, están
previstas válvulas 32, 34, 36, 38 cuyas funciones se describen más
abajo.
En el modo de refrigeración (Fig. 1), es decir
cuando el aire que hay que suministrar al habitáculo del vehículo
automóvil, debe ser exclusivamente refrigerado, el circuito de
calefacción/refrigeración 10 está conectado de la siguiente
manera:
Partiendo del compresor 24, el refrigerante es
suministrado al cambiador de calor exterior 22 a través de
conducciones L_{1}, L_{2} y L_{3}, para lo cual la válvula 32
está abierta y la válvula 34 está cerrada. En el cambiador de calor
exterior 22 se refrigera el refrigerante existente como gas
caliente. Desde el cambiador de calor exterior 22 el refrigerante
circula a través de conducciones L_{4} y L_{5} hacia el elemento
de expansión 28. Durante la circulación por el elemento de
expansión 28 el refrigerante se expande y es suministrado, a través
de la conducción L_{6}, al evaporador 14, en el cual el
refrigerante se evapora y por consiguiente extrae calor del aire
que hay que refrigerar. Mediante una conducción L_{7} se conduce
el refrigerante, a través del colector de refrigerante 26, de
vuelta al compresor 24.
En el funcionamiento de refrigeración el
cambiador de calor de calefacción 16 no está en funcionamiento, y
el refrigerante se hace pasar, a través de la conducción L_{2},
por delante de este y el segundo elemento de expansión 30, de
manera que la conducción L_{2} se utiliza como conducción de
derivación de calefacción.
En la Fig. 2 están representadas, de manera
idealizada, las variaciones de la condición de estado del
refrigerante, en este caso CO_{2}, para el caso más sencillo. Los
números corresponden a los componentes, en los cuales tienen lugar
las variaciones de la condición de estado.
En el modo de calefacción (Fig. 3), cuando el
aire que hay que suministrar al vehículo automóvil debe ser
exclusivamente calentado, el evaporador 14 está fuera de servicio y
el cambiador de calor de calefacción 16 está en funcionamiento. El
circuito de calefacción/refrigeración 10 funciona entonces cono
bomba de calor. El medio de refrigeración es suministrado por el
compresor 24, a través de las conducciones L_{1} y L_{8}, como
gas caliente al cambiador de calor de calefacción 16, en el cual el
refrigerante cede calor y al mismo tiempo caliente el aire
adicional. El refrigerante es suministrado, a través de una
conducción L_{9}, al segundo elemento de expansión 30 y es
expandido allí. A través de una conducción L_{3} el refrigerante
es suministrado al cambiador de calor exterior 22, el cual se puede
hacer funcionar ahora como evaporador, gracias a que el
refrigerante es evaporado y extrae calor del aire exterior. A través
de conducciones L_{4}, L_{10} así como L_{7} el refrigerante
es suministrado de nuevo al compresor 24. La conducción L_{10}, la
cual se puede cerrar mediante una válvula 36, sirve en el modo de
calefacción como conducción de derivación de refrigeración para
circundar el evaporador 14 por el lado del refrigerante.
En la Fig. 4 están representadas, de manera
idealizada, las variaciones de la condición de estado del
refrigerante, en este caso CO_{2}, para el caso más sencillo. Los
números corresponden a los componentes, en los cuales tienen lugar
las variaciones de la condición de estado.
Adicionalmente, en el funcionamiento de
calefacción se puede hacer funcionar el otro cambiador de calor de
calefacción 20, abriendo correspondientemente una válvula de
calefacción 40, de manera que puede circular refrigerante caliente
desde el grupo propulsor hacia el cambiador de calor de calefacción
20.
En el funcionamiento Reheat (Fig. 5), el cual
sirve para la deshumidificación y el calentamiento del aire que hay
que suministrar al habitáculo del vehículo automóvil, están en
funcionamiento tanto el evaporador 14 como también el cambiador de
calor de calefacción 16, de manera que el aire puede refrigerarse
primero en el evaporador 14 y se puede extraer por condensación la
humedad contenida en el aire. Antes de que el aire sea suministrado
al habitáculo del vehículo automóvil, puede ser calentado de nuevo
en el cambiador de calor de calefacción 16 u, opcionalmente,
también en el otro cambiador de calor de calefacción 20.
El refrigerante es suministrado, en el
funcionamiento de Reheat, partiendo del compresor 24, a través de
conducciones L_{1} y L_{8}, al cambiador de calor de
calefacción 16, de manera que en el cambiador de calor de
calefacción 16 el refrigerante puede ceder calor al aire. A través
de la conducción L_{9} el refrigerante es conducido al elemento
de expansión 30. Esto puede suceder, dependiendo de su ajuste, sin
pérdida esencial de presión o, por el contrario, se puede
estrangular hasta una presión ventajosa. A través de la conducción
L_{3} el medio es conducido hacia el cambiador de calor exterior
22 y desde allí, a través de las conducciones L_{4}, L_{5}, al
elemento de expansión 28 y, a través de L_{6}, al evaporador 14.
Desde el evaporador 14 el refrigerante es conducido de vuelta al
compresor, a través de las conducciones L_{7}.
Dependiendo del contenido en humedad y la
temperatura del aire se utiliza, para la deseada deshumidificación,
una determinada potencia de refrigeración en el evaporador 14.
Además, se necesita, dependiendo de su el habitáculo de un vehículo
automóvil está al inicio de la marcha todavía frío o se ha calentado
ya durante la marcha, una potencia de calefacción muy diferente
para el calentamiento del aire que viene a continuación hasta un
nivel confortable. Mediante la variación de los elementos de
expansión 28, 30 se puede ajustar la presión en el intercambiador
de calor de calefacción exterior 22, de manera ideal, entre la
presión en el evaporador 14 y la alta presión en el cambiador de
calor de calefacción 16, debiendo tenerse en cuenta que hay que
ajustar también la alta presión en el cambiador de calor de
calefacción además de dependiendo del volumen de transporte del
compresor 24, en especial antes del ajuste de los elementos de
expansión 28 y 30, y a un valor ventajoso para las correspondientes
condiciones marco. Por ello, los elementos de expansión 28 y 30 no
pueden ser ajustados independientemente unos de los otros. Si la
presión en el cambiador de calor exterior 22 es alta, como está
representado en el diagrama de estado de la Fig. 6, es decir, que si
el elemento de expansión 30 está muy abierto y el elemento de
expansión 28 muy cerrado, entonces el cambiador de calor exterior 22
cede calor y la relación entre la potencia de calefacción del
cambiador de calor 16 y la potencia de refrigeración del evaporador
14 es pequeña. Un ajuste de este tipo es por lo tanto ventajoso en
caso de una necesidad de calefacción pequeña.
Si, por el contrario, el elemento de expansión
30 es cerrado cada vez más y el elemento de expansión 28 es abierto
cada vez más, entonces la presión en el cambiador de calor exterior
22 se hace cada vez más pequeña y desciende la potencia térmica
cedida del cambiador de calor exterior 22. Esto tiene como
consecuencia una potencia frigorífica específica descendente en el
evaporador 14. Con ello aumento la relación entre la potencia de
calefacción en el cambiador de calor de calefacción 16 y la potencia
frigorífica en el evaporador 14. Esto está representado en
la
Fig. 7.
Fig. 7.
Cuando la presión en el cambiador de calor
exterior 22 se hace tan pequeña que la temperatura de ebullición
del refrigerante a él asignada está por debajo de la temperatura del
aire que hay en el exterior, entonces actúa el cambiador de calor
exterior 22 ahora como evaporador y absorbe calor del entorno, como
está representado en la Fig. 8. Esto conduce a una reducción
adicional de la potencia frigorífica específica en el evaporador
14.
La relación de la potencia de calefacción en el
cambiador de calor de calefacción 16 y la potencia frigorífica en
el evaporador 14 aumenta por lo tanto con el descenso de la presión
en el cambiador de calor exterior 22.
Para adaptar la oferta de potencia de
refrigeración y calefacción a las demandas actuales, los elementos
de expansión 28 y 30 deben estar ajustados de tal manera que, por
un lado, se ajuste una alta presión ventajosas para la potencia
total en el cambiador de calor de calefacción 16 y, al mismo tiempo,
reine un nivel de presión adecuado para la relación entre la
potencia frigorífica y de calefacción en el cambiador de calor
exterior 22. La potencia total puede ser ajustada mediante el
volumen de transporte del compresor 24 o también, dentro de ciertos
límites, a través de la elección del nivel de presión en el
cambiador de calor de calefacción 16.
Preferentemente, el segundo elemento de
expansión 30 se puede cerrar, de manera que en el funcionamiento de
refrigeración no puede llegar refrigerante alguno desde la
conducción L_{3} a la conducción L_{9} y con ello al cambiador
de calor de calefacción 16. Alternativamente este cierre puede tener
lugar mediante una válvula de retención, dispuesta antes o después
del elemento de expansión 30, o mediante una tapa de retención.
Preferentemente se puede cerrar también el
primer elemento de expansión 28, de manera que en el funcionamiento
de calefacción no puede llegar refrigerante alguno sometido a alta
presión desde la conducción L_{5} a la conducción L_{6} y con
ello al evaporador 14.
Cuando en el modo de refrigeración está en
funcionamiento exclusivamente el evaporador 14, el aire refrigerado
en el evaporador 14 refrigerará en cambiador de calor de calefacción
16 postconectado por el lado del aire, con lo cual puede suceder
que con el paso del tiempo se acumule refrigerante en el cambiador
de calor de calefacción 16 y en las conducciones de refrigerante
L_{8} y L_{9}, el cual falta entonces en el circuito restante.
Con el fin de evitar esta acumulación está prevista una conducción
L_{11} la cual se puede estrangular mediante un estrangulador 38,
la cual establece una conexión entre una conducción conectada con el
cambiador de calor de calefacción 16, preferentemente la conducción
de entrada L_{8}, y una conducción o componente, la cual se
encuentra a la presión del sistema más baja, es decir, entre el
elemento de expansión 28 y la entrada del compresor 24. En el
ejemplo de realización representado ésta es la conducción de retorno
L_{7} del evaporador 14. Este estrangulador 38 puede estar
representado por una válvula, un estrechamiento en la conducción
L_{11} o capilares, un cuerpo poroso o algo similar.
Preferentemente se utiliza como refrigerante
CO_{2}, dado que el CO_{2} presenta buenas propiedades
termodinámicas, que lo hacen adecuado para un funcionamiento de
bomba de calor. En caso de utilización de CO_{2} está previsto un
cambiador de calor 42 interno para el aumento de la potencia, el
cual da lugar a un intercambio de calor entre una sección del lado
de alta presión (conducción L_{5}) y una sección del lado de baja
presión (conducción L_{7}).
La Fig. 9 muestra una realización alternativa
del circuito de calefacción/refrigeración según la invención con
dos depósitos tampón 60, 61 y una realización alternativa de la
conexión entre la conducción de entrada L_{8} del cambiador de
calor de calefacción 16 y una conducción o componente, la cual se
encuentra a la presión de sistema más baja, es decir, entre el
elemento de expansión 28 y la entrada del compresor 24. En el
ejemplo de realización representado conecta la conducción L_{111},
con un estrangulador 38 y una válvula de retención 51, la
conducción de entrada L_{8} con la conducción de aspiración entre
el colector de refrigerante 26 y el compresor 24. El estrangulador
38 puede realizarse mediante una válvula, un estrechamiento en la
conducción L_{111} o capilares, un cuerpo poroso o algo similar.
Mediante la utilización del estrangulador 38 se ramifica únicamente
una pequeña corriente parcial y con ello se mantiene pequeña la
pérdida de potencia en el funcionamiento de calefacción.
Mediante el posicionamiento representado de la
conducción L_{111} entre el colector de refrigerante 26 y la
entrada del compresor 24, preferentemente entre la salida del
cambiador de calor 42 interior y la entrada del compresor 24, se
aumenta la entalpía del gas por aspiración, con lo cual aumenta la
temperatura del gas caliente en la salida del compresor 24 y la
pérdida de potencia producida a causa de la ramificación de una
parte del refrigerante antes de la entrada en el cambiado de calor
de calefacción 16, es, dependiendo del estado de funcionamiento,
parcialmente compensada o incluso sobrecompensada. Además, la
conducción L_{111} minimiza el desplazamiento de refrigerante
entre los estados de funcionamiento calentar y refrigerar. Además,
la conducción L_{111} aumenta la seguridad de funcionamiento dado
que se evitan presiones de parada inadmisiblemente altas, las
cuales pueden generarse a causa del confinamiento de refrigerante
entre la válvula 34 y el elemento de expansión 30.
Mediante el montaje de la válvula de retención
51 se evita una circulación de retorno del refrigerante desde el
colector de refrigerante 26 hacia el cambiador de calor de
calefacción 16 en caso de un escape en el cambiador de calor de
calefacción 16. Además, la válvula de retención 51 hace posible,
junto con el cierre de las válvulas 34 y 30, una obturación
completa del cambiador de calor de calefacción 16.
En una forma de realización especialmente
ventajosa el estrangulador 38 y la válvula de retención 51 están
reunidas formando un grupo constructivo con lo cual se obtienen
ventajas en cuanto a los costes y se necesitan menos puntos de
conexión.
Los depósitos tampón 60, 61 representados se
utilizan, de forma ventajosa, para la compensación de las diferentes
necesidades de refrigerante en los diferentes tipos de
funcionamiento. En el funcionamiento de bomba de calor
(funcionamiento de calefacción) se necesita menos refrigerante que
en el funcionamiento de refrigeración. La diferencia de masa debe
ser compensada en el colector de refrigerante 26, el cual con ello
está más lleno en el funcionamiento de bomba de calor. En los
colectores de refrigerante 26 usuales el refrigerante que se
expulsa está constituido por vapor saturado y una pequeña porción de
líquido, aumentando la porción de líquido con el aumento del estado
de llenado del líquido en el colector de refrigerante 26. En la
bomba de calor aquí representada se reduce la potencia y el
rendimiento con el aumento de la porción de líquido en la conducción
tras el colector de refrigerante 26. Por este motivo hay que
aspirar a una reducción del contenido en líquido a la salida del
colector de refrigerante 26. Esto se puede conseguir mediante una
forma de realización correspondiente del colector de refrigerante
26 o también mediante una reducción del contenido en refrigerante en
el colector de refrigerante 26, el cual, por ejemplo, está
realizado como colector de baja presión. Una reducción del
contenido en refrigerante en el colector de refrigerante 26 se
consigue, de manera ventajosa, mediante por lo menos un depósito
tampón 60, 61, el cual está dispuesto entre las válvulas 34 y 30. En
el funcionamiento de bomba de calor se encuentra una parte del
refrigerante excedentario en uno de los depósitos tampón 60, 61 y
no en el colector de refrigerante 26, de manera que el colector de
refrigerante 26 está menos lleno y, por ello, presenta una porción
de líquido menor a la salida. Dicho por lo menos un depósito tampón
60, 61 puede estar dispuesto, en la conducción de entrada L_{8}
del cambiador de calor de calefacción 16 y/o en la conducción
L_{9} después del cambiador de calor de calefacción 16. La
disposición de un depósito tampón 61 en la conducción L_{9} tiene
la ventaja de que el depósito tampón 61 puede ser ejecutado pequeño
gracias a la mayor densidad del refrigerante en el circuito en este
punto. La disposición de un depósito tampón 60 en la conducción de
entrada L_{8} tiene la ventaja de que el depósito tampón 60 puede
ser combinado con un amortiguador del sonido, con lo cual se
amortigua el pulsado a la salida del compresor y con ello el ruido
del compresor en el cambiador de calor de calefacción 16. El ejemplo
de realización representado muestra una disposición con un depósito
tampón 60, 61 tanto en la conducción de entrada L_{8} como también
en la conducción L_{9}.
Mediante la válvula 36 en la conducción de
derivación de refrigeración L_{10} se puentea, en el
funcionamiento de calefacción, tanto el evaporador 14 con válvula
de expansión 28 como también el lado de alta presión del
intercambiador de calor 42 interior. Con ello la pérdida de presión
se evita mediante un intercambiador de calor 42 interno, pudiendo
valer la pérdida de presión varios bar.
En los ejemplos de forma de realización
representados hasta el momento el intercambiador de calor 42
interior no está activo durante el funcionamiento de calefacción
(funcionamiento de bomba de calor). Esto ofrece la ventaja de que
las temperaturas de gas caliente están por debajo de 100ºC, con lo
cual se reduce la solicitación térmica del material. Por principio,
la potencia en el funcionamiento de bomba de calor depende de la
alta presión en el sistema y del caudal másico en el sistema. Un
valor grande para la alta presión conduce a temperaturas de gas
caliente demasiado altas y con ello a una potencia alta. El caudal
másico influye sobre las relaciones de las corrientes de capacidad
térmica en el cambiador de calor 16 y, de este modo, sobre la
potencia. En caso de carga parcial es por ello posible elegir una
potencia deseada mediante una combinación de alta presión y caudal
másico, siendo la alta presión y el caudal másico libremente
elegibles en ciertos límites, si bien están relacionados
funcionalmente. La misma potencia se puede alcanzar, por ejemplo,
mediante una temperatura de gas caliente alta y un caudal másico
reducido o mediante una temperatura de gas caliente baja y una
caudal másico alto.
Dependiendo de las necesidades se elegirá por
ello o bien un caudal másico alto o un caudal másico bajo, teniendo
una caudal másico alto tiene como consecuencia una mayor carga del
compresor y el motor y con ello un calentamiento del motor más
rápido y un caudal másico menor un rendimiento mayor y con ello un
consumo de energía menor. De todos modos, como se ha mencionado ya,
el causal másico y la alta presión se pueden elegir únicamente entre
ciertos límites. Como factores limitantes cabe mencionar aquí la
potencia del compresor 24 y la zona de ajuste del elemento de
expansión 30 (caudal másico alto para una alta presión baja), la
propia alta presión máxima así como la estabilidad de regulación
del compresor 24 (pequeño caudal másico para alta presión
elevada).
En una forma de realización ventajosa se ajusta
la regulación de potencia a través de la alta presión en el
sistema, siendo ajustada la alta presión por ejemplo mediante una
variación de la elevación del compresor. Al mismo tiempo se
predetermina, dependiendo de la temperatura del entorno, la
temperatura del refrigerante, la temperatura teórica en la salida
de aire y la velocidad de giro del motor, una alta presión teórica
del refrigerante, óptima para el rendimiento u óptima para la
potencia, que debe regularse mediante las variaciones de la
elevación del compresor (ver Fig. 15a). El ajuste del elemento de
expansión 30, 130 tiene lugar como control puro en dependencia
directa del valor teórico de alta presión generado del refrigerante,
de la temperatura del entorno, de la temperatura del refrigerante,
de la temperatura teórica a la salida del aire y de la velocidad de
giro del motor (ver Fig. 15b).
En otra forma de realización el elemento de
expansión 30, 130 no está realizado activamente ajustable. La
regulación de la potencia tiene lugar entonces únicamente mediante
una variación de la potencia de compresor (ver Fig. 15a), por
ejemplo mediante la elevación del compresor.
Para el funcionamiento de Rehead, en una forma
de realización alternativa, está conectada en paralelo al elemento
de expansión 28 una válvula de mando no representada, estando la
válvula de mando abierta en el funcionamiento de Reheat y no
generando prácticamente ninguna caída de presión. Cuando en el
funcionamiento de Rehead no existe caída de presión alguna entre la
salida del intercambiador de calor 22 exterior y la entrada en el
evaporador 14, la temperatura de evaporación en el evaporador 14 es
demasiado alta para una deshumidificación efectiva, correspondiendo
entonces la temperatura de evaporación aproximadamente a la
temperatura en el intercambiador de calor exterior 22. La caída de
presión necesaria para el funcionamiento de Reheat debe ser generada
por tanto por el lado de alta presión del intercambiador de calor
42 interior, siendo un valor típico para la caída de presión 6 bar
a 10ºC de temperatura exterior. Gracias a este medida se puede
utilizar un elemento de expansión 28 más sencillo con una zona de
ajuste más pequeña. Además, resulta una complejidad de regulación
menor.
La conexión de bomba de calor representada hasta
ahora reacciona de manera sensible al contenido en líquido del gas
por aspiración y con ello, como se ha explicado, de manera sensible
a los desplazamientos de refrigerante en el sistema. Un aumento del
contenido en líquido en el gas por aspiración conduce a una caída de
la potencia de calefacción y del rendimiento. Como mejora se
insertaron, en el ejemplo de realización según la Fig. 9, depósitos
tampón 60, 61.
Otra posibilidad de mejora la muestran las Figs.
10, 11, 12. Allí está representada una conexión del circuito de
refrigerante en la cual el intercambiador de calor 42 interior está
activo también en el funcionamiento de bomba de calor
(funcionamiento de calefacción). De este modo la Fig. 10 muestra una
conexión para un funcionamiento de refrigeración, la Fig. 11 una
conexión para un funcionamiento de calefacción y la Fig. 13 una
conexión para un funcionamiento de Reheat.
El elemento de expansión 30 para el cambiador de
calor 22 exterior se encuentra, en el ejemplo de realización según
la Fig. 10, en otro lugar y está designado como 130. En el
funcionamiento de refrigeración circula refrigerante desde el
compresor, pasando por la válvula 32 (la válvula 34 está cerrada),
hacia el intercambiador de calor 22 que funciona como refrigerador
de gas, donde cede su calor al entorno. La válvula 136 está al mismo
tiempo cerrada. Paralelamente con respecto a la válvula de
expansión 130 está prevista una válvula de retención 52, la cual
abre en su dirección de circulación desde el intercambiador de calor
exterior 22 hacia el intercambiador de calor 42 interior, de manera
que el refrigerante puede pasar sin impedimentos junto a la válvula
de expansión 130. El refrigerante circula a través del
intercambiador de calor 42 interior, continuando siendo refrigerado
gracias al intercambio de calor con el gas por aspiración y siendo
entonces estrangulado en el elemento de expansión 28 y siendo
evaporado a continuación en el evaporador 14, retirando calor del
aire adicional. A continuación circula al colector de refrigerante
26 y desde allí al intercambiador de calor 42 interior, donde es
calentado y conducido entonces al interior del compresor 24. El
cambiador de calor de calefacción 16 es mantenido, durante el
funcionamiento de refrigeración, mediante una conducción L_{111},
la cual es estrangulada o también conectada de manera continua por
la válvula 38, a la presión de sistema baja y, por consiguiente, se
evita una acumulación de refrigerante. Mediante las válvulas de
retención 51 y 53 se evita que, en caso de un escape del cambiador
de calor de calefacción 16, circule refrigerante desde el resto del
circuito hacia el cambiador de calor de calefacción 16.
En el funcionamiento de calefacción (ver Fig.
11) circula el refrigerante a través de la válvula 34 (las válvulas
32 y 37 están cerradas) hacia el cambiador de calor de calefacción
16, donde calienta el aire adicional. Desde allí circula a través
del interior del intercambiador de calor 42, el cual en el lado de
lata presión es recorrido en una dirección diferente que en el
funcionamiento de refrigeración. La válvula de retención 52 está
cerrada en la dirección predeterminada, de manera que el
refrigerante es estrangulado por el elemento de expansión 130 a una
presión menor y es evaporado en el intercambiador de calor exterior
22, con absorción de calor del entorno. El intercambiador de calor
exterior 22 es recorrido en el funcionamiento de calefacción en una
dirección diferente que en el funcionamiento de refrigeración. El
gas por aspiración circula a través de la válvula 136, por la
conducción L_{110}, hasta el colector de refrigerante 26 y desde
allí a través del intercambiador de calor 42 interior, donde es
calentado y, preferentemente, completamente evaporado o incluso
sobrecalentado. Desde el intercambiador de calor 42 interior
circula al compresor 24 y es condensado a una presión mayor. La
válvula de expansión 28 está cerrada y el evaporador 14 no es con
ello recorrido y no está funcional. Si la conducción L_{111} es
estrangulada de forma continua por el elemento 38 es aquí también
óptimo el posicionamiento del extremo de baja presión de la
conducción L_{111} entre el intercambiador de calor 42 interior y
el compresor 24, con el fin de minimizar la pérdida de potencia a
causa de esta corriente parcial. La corriente parcial debe ser
elegida al mismo tiempo lo más pequeña posible. Si, a causa del
posicionamiento de la conducción L_{111} representado, aparecen
temperaturas de gas caliente inadmisiblemente altas, se puede
posicionar el extremo del lado de bajas presiones de la conducción
L_{111} alternativamente también entre el colector de
refrigerante 26 y el cambiador de calor 42 interior o también entre
el elemento de expansión 28 y el colector de refrigerante 26.
Adicionalmente, se puede utilizar el evaporador
14, mediante una apertura de la válvula de expansión 28, y se puede
deshumidificar el aire adicional (ver Fig. 12).
En el funcionamiento de Reheat, representado en
la Fig. 12, con un intercambiador de calor 42 interior, la
corriente de refrigerante es subdividida después del intercambiador
de calor de calefacción 16, circulando una parte de la corriente de
refrigerante a través del evaporador 14 y la otra parte de la
corriente de refrigerante, para la absorción de calor, a través del
intercambiador de calor 42 interior hacia el intercambiador de calor
exterior 22.
Si el intercambiador de calor exterior 22 está
congelado el circuito puede ser conmutado mediante la válvula 37 a
un funcionamiento de descongelación (ver Fig. 13). El refrigerante
fluye entonces desde el compresor 24, a través de la válvula 37
(las válvulas 32 y 34 están cerradas), hacia el elemento de
expansión 130, es estrangulado, y cede entonces calor en el
intercambiador de calor exterior 22, con lo cual el intercambiador
de calor exterior 22 está de nuevo descongelado. El refrigerante es
conducido a continuación de vuelta al compresor 24 a través de la
válvula 136, el colector de refrigerante 26 y el intercambiador de
calor 42 interior (que carece de función).
La Fig. 14 muestra el funcionamiento de
descongelación para la forma de realización según la Fig. 9.
La utilización del intercambiador de calor 42
interior también en el funcionamiento de bomba de calor tiene la
ventaja de una mayor potencia y de un mejor rendimiento que en el
funcionamiento sin intercambiador de calor 42 interior. Además, el
circuito reacciona de forma menos sensible a los desplazamientos de
medio de refrigeración.
En la conexión representada el intercambiador de
calor 42 interior está realizado en el funcionamiento de
refrigeración (Fig. 10) como conexión de contracorriente y en el
funcionamiento de bomba de calor (Fig. 11), por el contrario, como
conexión de flujo en el mismo sentido. Esto tiene la ventaja de que
mediante la influencia de intercambiador de calor 42 interior, se
consiguen potencias perceptiblemente mayores y un mejor rendimiento
para temperaturas de gas caliente simultáneamente inferiores en la
salida del compresor, que como sería el caso para una conexión de
contracorriente. En la conexión de contracorriente pueden aparecer
temperaturas de gas caliente inadmisiblemente altas en la salida
del compresor.
Además, en el ejemplo de forma de realización
representado según la Fig. 10 a la Fig. 12, el intercambiador de
calor exterior 22 es recorrido, en el funcionamiento de
refrigeración, en dirección contraria que en el funcionamiento de
calefacción. Esto tiene como consecuencia una pérdida de presión
menor de los componentes. Para minimizar la pérdida de presión del
intercambiador de calor exterior 22 en el funcionamiento de
refrigeración se conectan los bloques individuales del
intercambiador de calor exterior 22 de manera degresiva, es decir,
el número de tubos recorridos paralelamente se reduce en el
transcurso de la circulación del refrigerante. Esto ayuda debido a
que a la entrada del intercambiador de calor exterior 22 la densidad
del gas es baja y por ello es más importante una superficie de
sección transversal grande para la corriente que a la salida, en la
cual la densidad es claramente mayor.
Si el mismo intercambiador de calor exterior 22
sirve como evaporador en el funcionamiento de calefacción es
deseable un recorrido inverso de la superficie de sección
transversal dado que la densidad del refrigerante decrece en el
transcurso de la evaporación y, con ello, de la circulación por el
intercambiador de calor exterior 22. Esto se consigue gracias a que
el intercambiador de calor exterior 22 es recorrido, en el
funcionamiento de calefacción, en la dirección contraria a la que
lo es en el funcionamiento de refrigeración.
La conexión del cambiador de calor de
calefacción 20 tiene lugar únicamente cuando el refrigerante del
grupo propulsor es más caliente que el aire que entra en el
cambiador de calor de calefacción 20, de manera que el cambiador de
calor de calefacción 20 cede calor al aire y no lo retira del
él.
Claims (11)
1. Circuito de calefacción/refrigeración para un
vehículo automóvil con un evaporador (14), para la refrigeración de
aire que hay que suministrar a un habitáculo, un cambiador de calor
de calefacción (16), para el calentamiento del aire que hay que
suministrar al habitáculo, un cambiador de calor exterior (22), con
un compresor (24) para transportar refrigerante, un primer elemento
de expansión (28), el cual está asignado al evaporador (14), un
segundo elemento de expansión (30, 130), el cual está asignado al
cambiador de calor exterior (22), y unas conducciones de
refrigerante (L_{1} a L_{111}), a través de las cuales los
componentes mencionados anteriormente están conectados entre sí,
caracterizado porque existe una conducción estrangulable
(L_{11}, L_{111}) entre una conducción de conexión hacia el
cambiador de calor de calefacción (16) y una conducción o componente
a presión de sistema baja.
2. Circuito de calefacción/refrigeración según
la reivindicación 1, caracterizado porque el punto de
conexión hacia la presión de sistema baja está dispuesto en una
conducción de aspiración entre un colector de refrigerante (26) y
el compresor (24).
3. Circuito de calefacción/refrigeración según
la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la conducción
estrangulable (L_{11}, L_{111}) comprende una válvula de
retención (51).
4. Circuito de calefacción/refrigeración según
una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el
cambiador de calor de calefacción (16) se puede obturar mediante la
válvula de retención (51) y por lo menos dos válvulas (30, 34)
adicionales.
5. Circuito de calefacción/refrigeración según
una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque en
la conducción (L_{8}, L_{9}, L_{109}) del cambiador de calor
de calefacción existe por lo menos un depósito tampón (60, 61) para
la compensación de la cantidad de refrigerante en caso de un
desplazamiento de refrigerante entre los tipos de
funcionamiento.
6. Circuito de calefacción/refrigeración según
una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque un
primer depósito tampón (61) está dispuesto en el circuito en la
conducción (L_{9}, L_{109}) con la mayor densidad del
refrigerante.
7. Circuito de calefacción/refrigeración según
una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque un
segundo depósito tampón (60) comprende un amortiguador del sonido
para la compensación de ruidos del compresor y está dispuesto en la
conducción (L_{8}) entre el cambiador de calor de calefacción (16)
y el compresor (24).
8. Instalación de climatización de un vehículo
automóvil con un circuito de calefacción/refri-
geración (10) según una de las reivindicaciones anteriores.
geración (10) según una de las reivindicaciones anteriores.
9. Instalación de climatización de un vehículo
automóvil con un circuito de calefacción/re-
frigeración (10) según la reivindicación 8, caracterizada porque está previsto otro cambiador de calor de calefacción (20) para el calentamiento del aire, el cual se puede cargar con refrigerante de un grupo propulsor.
frigeración (10) según la reivindicación 8, caracterizada porque está previsto otro cambiador de calor de calefacción (20) para el calentamiento del aire, el cual se puede cargar con refrigerante de un grupo propulsor.
10. Instalación de climatización según la
reivindicación 9, caracterizada porque el cambiador de calor
de calefacción (20) adicional está dispuesto, por el lado del aire,
después del primer cambiador de calor de calefacción (16).
11. Instalación de climatización según la
reivindicación 9, caracterizada porque el cambiador de calor
de calefacción adicional está dispuesto, por el lado del aire,
antes del primer cambiador de calor de calefacción.
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