ES2278698T3 - Intercambiador de calor de linea de aspiracion con un tanque de almacenamiento para un ciclo de compresion de vapor transcritico. - Google Patents
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Abstract
Un sistema de compresión de vapor transcrítico que comprende: un dispositivo (12) de compresión para comprimir un refrigerante a una alta presión; un intercambiador (14) de calor que elimina calor para refrigerar dicho refrigerante; un dispositivo (16) de expansión para reducir refrigerante a una baja presión; un intercambiador (18) de calor que acepta calor para evaporar dicho refrigerante; y un intercambiador (20) de calor de línea de aspiración para regular dicha alta presión de dicho refrigerante, caracterizado porque el intercambiador de calor de la línea de aspiración comprende un tanque (22) de almacenamiento para almacenar carga, un primer conducto (24) que conecta dicho intercambiador (14) de calor, que elimina calor, con dicho dispositivo de expansión, un segundo conducto (26) que conecta dicho intercambiador (18) de calor, que acepta calor, con dicho dispositivo (12) de compresión, una primera válvula (28) situada sobre dicho primer conducto para regular la circulación de dicha carga dentro de dicho tanque (22) de almacenamiento, y una segunda válvula (30) situada sobre dicho segundo conducto (26) para regular la circulación de dicha carga fuera de dicho tanque (22) de almacenamiento.
Description
Intercambiador de calor de línea de aspiración
con un tanque de almacenamiento para un ciclo de compresión de vapor
transcrítico.
La presente invención se refiere en general a
unos medios para regular el componente de alta presión de un
sistema de compresión de vapor transcrítico.
Los refrigerantes que contienen cloro han sido
eliminados del mundo debido a su potencia de destrucción del ozono.
Carbonos hidrofluorhídricos (HFCs) han sido usados como
refrigerantes sustitutivos, pero estos refrigerantes todavía tienen
un alto potencial destructivo global. Refrigerantes "naturales"
tales como el dióxido de carbono y el propano han sido propuestos
como fluidos sustitutivos. Desafortunadamente, hay problemas también
con el uso de muchos de estos fluidos. El dióxido de carbono tiene
un bajo punto crítico, lo cual origina que la mayoría del dióxido
de carbono que se utiliza en los sistemas de acondicionamiento de
aire trabaje de modo transcrítico la mayoría de las veces.
Cuando un sistema de compresión de vapor se hace
transcrítico, es ventajoso regular el componente de alta presión
del sistema. Regulando la alta presión del sistema, la capacidad y/o
la eficiencia del sistema puede ser controlada y optimizada.
Incrementando la alta presión del sistema (presión de refrigerador
de gas) se reduce la entalpía específica en la entrada del
evaporador y se incrementa la capacidad. No obstante, se consume
más energía puesto que el compresor debe trabajar más. Es ventajoso
hallar la alta presión óptima del sistema, la cual cambia a medida
que cambian las condiciones de funcionamiento. Regulando el
componente de alta presión del sistema, se puede seleccionar la
alta presión óptima. Ese tipo de sistema de compresión transcrítica
se conoce por el documento
WO-A-9908053.
Por consiguiente, existe una necesidad en la
técnica de unos medios para regular el componente de alta presión
de un sistema de compresión de vapor transcrítico.
La presente invención se refiere a unos medios
para regular el componente de alta presión de un sistema de
compresión de vapor transcrítico.
Bajo un primer aspecto, la presente invención
proporciona un sistema de compresión de vapor transcrítico según se
reivindica en la reivindicación 1.
Bajo un segundo aspecto, la presente invención
proporciona un método de regulación de una alta presión dentro de
un sistema de compresión de vapor transcrítico, como se reivindica
en la reivindicación 7.
Un sistema de compresión de vapor compuesto de
un compresor, un intercambiador de calor de eliminación de calor,
un dispositivo de expansión, y un intercambiador de calor de
absorción de calor. Un intercambiador (SLXH - Suction Line Heat
Exchanger) de calor de línea de aspiración se emplea para
incrementar la eficiencia y/o la capacidad del sistema e impedir la
ingestión de líquido refrigerante dentro del compresor. En la
realización preferida de la invención, se usa dióxido de carbono
como refrigerante. Esta invención usa este tipo de intercambiador
de calor para regular el componente de alta presión.
Esta invención regula el componente de alta
presión de la compresión de vapor (presión en el refrigerador de
gas) eliminando o suministrando carga a/desde el sistema y
almacenando esta en un tanque de almacenamiento del intercambiador
de calor de línea de aspiración. En la realización de la invención
se describe un intercambiador de calor de línea de aspiración que
intercambia calor internamente entre el refrigerante de fluido
caliente de alta presión descargado desde el refrigerador de gas
(intercambiador de calor de eliminación de calor) y el refrigerante
de vapor frío de baja presión descargado desde el evaporador
(intercambiador de vapor de absorción de calor). Hay un volumen en
estos intercambiadores de calor que se usa mediante esta invención
para almacenar refrigerante.
La alta presión en el refrigerador de gas se
regula ajustando las válvulas en el intercambiador de calor de
línea de aspiración. Una primera válvula permite que el exceso de
carga procedente del gas refrigerador entre en el tanque de
almacenamiento si la presión del refrigerador de gas es demasiado
alta. Si la presión del refrigerador de gas es demasiado baja, se
abre una segunda válvula para liberar carga desde el tanque de
almacenamiento de nuevo dentro del sistema. Controlando el
accionamiento de las válvulas, el componente de alta presión del
sistema puede ser regulado para lograr la eficiencia y/o la
capacidad óptimas.
Consecuentemente, la presente invención
proporciona un método y un sistema para regular el componente de
alta presión de un sistema de compresión de vapor transcrítico.
Una realización preferida de la presente
invención se describirá a continuación, solamente a modo de ejemplo,
con referencia a los dibujos que se acompañan, en los cuales:
la figura 1 ilustra un diagrama esquemático de
un sistema de compresión de vapor de la técnica anterior;
la figura 2 ilustra un diagrama esquemático de
un sistema de compresión de vapor que utiliza un intercambiador de
calor de línea de aspiración como se conoce;
la figura 3 ilustra un diagrama termodinámico de
un sistema de compresión de vapor transcrítico; y
la figura 4 ilustra un diagrama esquemático de
un tanque de almacenamiento de un intercambiador de calor de línea
de aspiración usado con un sistema de compresión de vapor
transcrítico.
La figura 1 ilustra un sistema 10 de compresión
de vapor de la técnica anterior. Un sistema 10 de compresión de
vapor básico se compone de un compresor 12, un intercambiador 14 de
calor de eliminación de calor (un refrigerador de gas en ciclos
transcríticos), un dispositivo 16 de expansión, y un intercambiador
18 de calor (un evaporador) que acepta calor.
El refrigerante se hace circular a través del
ciclo 10 de circuito cerrado. En una realización preferida de la
invención, se usa dióxido de carbono como refrigerante. Aunque se
ilustra dióxido de carbono, pueden usarse otros refrigerantes.
Puesto que el dióxido de carbono tiene un punto crítico bajo, los
sistemas que utilizan dióxido de carbono como un refrigerante
requieren usualmente que el sistema 10 de compresión de vapor sea
transcrítico.
Cuando el sistema 10 funciona de modo
transcrítico, es ventajoso regular el componente de alta presión del
sistema 10 de compresión. Regulando la alta presión del sistema 10,
la capacidad y/o la eficiencia del sistema 10 puede ser controlada
y optimizada. Incrementando la presión en el refrigerador 14 de gas
se reduce la entalpía que entra en el evaporador 18 y aumenta la
capacidad, pero también se requiere más energía porque el compresor
16 debe ser más potente. Regulando la alta presión del sistema 10,
puede ser seleccionada la presión óptima del sistema 10, que cambia
a medida que cambian las condiciones de funcionamiento.
La figura 2 ilustra un sistema 10 de compresión
de vapor que emplea un intercambiador de calor de línea de
aspiración (SLHX). El intercambiador 20 de calor de línea de
aspiración incrementa la eficiencia y/o la capacidad del sistema 10
de compresión de vapor, e impide la ingestión de líquido
refrigerante dentro del compresor 12, que puede ser perjudicial
para el sistema 10.
Esta invención regula el componente de alta
presión del sistema 10 de compresión de vapor para lograr la presión
óptima añadiendo el exceso de carga al, o eliminando el exceso de
carga del, sistema 10 y almacenando esta en el intercambiador 20 de
calor de la línea de aspiración. Regulando la alta presión en el
refrigerador 14 de gas antes de la expansión, la entalpía del
refrigerante en la entrada del evaporador puede ser modificada,
controlando la capacidad del sistema 10.
En un ciclo del sistema 10 de compresión de
vapor que emplea un intercambiador 20 de calor de línea de
aspiración, el refrigerante sale del compresor 12 con una alta
presión y entalpía, mostradas mediante el punto A en la figura 3. a
medida que el refrigerante circula a través del refrigerador 14 de
gas a alta presión, pierde calor y entalpía, saliendo del
refrigerador 14 de gas con baja entalpía y alta presión, indicada
por el punto B. El fluido refrigerante caliente pasa a través del
intercambiador 20 de calor de línea de aspiración antes de entrar
en el dispositivo 16 de expansión. El refrigerante se desplaza a
través del tanque 20 de almacenamiento a lo largo de un primer
conducto 24 que conecta la salida del refrigerador 14 de gas a la
entrada del dispositivo 16 de expansión. A medida que el
refrigerante pasa a través del dispositivo 16 de expansión, la
presión desciende, lo que se muestra mediante el punto C. Después
de la expansión el refrigerante pasa a través del evaporador 18 y
sale con una alta entalpía y baja presión, representada por el punto
D. El refrigerante de vapor frío entra entonces en el tanque 22 de
almacenamiento y se desplaza a lo largo de un segundo conducto 26
que conecta la salida del evaporador 18 con la entrada del
compresor 12. Después de pasar el refrigerante a través del
compresor 12, está de nuevo con altas presión y entalpía, terminando
el ciclo.
El intercambiador 20 de calor de línea de
aspiración, intercambia calor internamente entre el fluido
refrigerante caliente de alta presión descargado desde el
refrigerador 14 y el vapor refrigerante frío descargado desde el
evaporador 18. La presión en el tanque 22 de almacenamiento es
intermedia entre las alta y baja presiones del sistema.
Como se muestra en la figura 4, la presión en el
refrigerador 14 de gas se regula ajustando las válvulas 28 y 30 en
el intercambiador 20 de calor de línea de aspiración. La primera
válvula 28 está situada en el tanque 22 de almacenamiento junto al
primer conducto 24, y la segunda válvula 30 está situada en el
tanque 22 de almacenamiento junto al segundo conducto 26.
Un control 50 detecta la presión en el
refrigerador 14 y las válvulas 28 y 30 de control. El control 50
puede ser el control principal para el ciclo 10. El control 50 está
programado para evaluar el estado del ciclo 10 y determina una
presión deseada en el refrigerador 14. Una vez que una presión
deseada ha sido determinada, las válvulas 28 y 30 se controlan para
regular la presión. Los factores que deben usarse para determinar la
presión óptima están dentro de la capacidad de un experto en la
técnica.
Cuando la presión en el refrigerador 14 de gas
es mayor que la deseable, es necesaria demasiada energía para hacer
funcionar el sistema. Si el control 50 determina que la presión es
mayor que la deseada, la primera válvula 28 se abre para permitir
que una carga del refrigerador 14 de gas entre en el tanque 22 de
almacenamiento, disminuyendo la presión en el refrigerador 14 de
gas de A a A'' (mostrado en la figura 3), que requiere menos
energía para hacer funcionar el sistema. El refrigerante entra
entonces en el evaporador 18 con una alta entalpía, representada
por el punto C'' en la figura 3.
Inversamente, si la presión en el refrigerador
14 de gas es inferior a la deseable, el sistema no funciona con la
capacidad máxima. Si el control 50 determina que la presión es
inferior a la deseable, la segunda válvula 30 se abre y carga desde
el tanque 22 de almacenamiento recirculando dentro del sistema 10
para incrementar la capacidad. La presión del refrigerador 14 de
gas aumenta de A a A' y el refrigerante vuelve a entrar en el
evaporador 18 con una menor entalpía, mostrada mediante el punto C'
en la figura 3. Mediante la regulación del componente de alta
presión del sistema 10 con la presión óptima, la entalpía puede ser
modificada para conseguir la capacidad óptima.
El control 50 es preferiblemente un control
basado en un microprocesador u otro control conocido en la técnica
de los ciclos de refrigerante. Aunque el accionamiento de la primera
válvula 28 y la segunda válvula 30 pueden ser controlados
activamente mediante un control, también podría ser controlado
pasivamente, por ejemplo, mediante las válvulas 28 y 30 de
compensación. Controlando el accionamiento de las válvulas 28 y 30,
la alta presión en el gas refrigerante 14 puede ser establecida
óptimamente y controlada, incrementando la capacidad de
refrigeración del sistema 10.
En la realización preferida, el tanque 22 de
almacenamiento es largo y de pequeño diámetro. Puesto que el
espesor de la pared del tanque 22 de almacenamiento es una función
del diámetro, el tanque debe ser de pequeño diámetro 36 para reducir
el peso.
Hay diversas ventajas en el almacenamiento de un
exceso de carga del sistema 10 en un intercambiador 20 de calor de
línea de aspiración combinada. Puesto que las descargas desde ambos,
el refrigerador 14 y el evaporador 18 de gas, comparten un tanque
22 de almacenamiento, el número de partes es reducido, resultando
menores gastos de fabricación y mayor fiabilidad.
Consecuentemente, la presente invención
proporciona un intercambiador 20 de calor de línea de aspiración que
proporciona unos medios para controlar la alta presión en un
sistema 10 de compresión de vapor transcrítico.
La descripción anterior es solamente un ejemplo
de los principios de la invención. Muchas modificaciones y
variaciones de la presente invención son posibles.
Claims (7)
1. Un sistema de compresión de vapor
transcrítico que comprende:
un dispositivo (12) de compresión para comprimir
un refrigerante a una alta presión;
un intercambiador (14) de calor que elimina
calor para refrigerar dicho refrigerante;
un dispositivo (16) de expansión para reducir
refrigerante a una baja presión;
un intercambiador (18) de calor que acepta calor
para evaporar dicho refrigerante; y
un intercambiador (20) de calor de línea de
aspiración para regular dicha alta presión de dicho refrigerante,
caracterizado porque el intercambiador de calor de la línea
de aspiración comprende un tanque (22) de almacenamiento para
almacenar carga, un primer conducto (24) que conecta dicho
intercambiador (14) de calor, que elimina calor, con dicho
dispositivo de expansión, un segundo conducto (26) que conecta dicho
intercambiador (18) de calor, que acepta calor, con dicho
dispositivo (12) de compresión, una primera válvula (28) situada
sobre dicho primer conducto para regular la circulación de dicha
carga dentro de dicho tanque (22) de almacenamiento, y una segunda
válvula (30) situada sobre dicho segundo conducto (26) para regular
la circulación de dicha carga fuera de dicho tanque (22) de
almacenamiento.
2. El sistema según la reivindicación 1, en el
que:
dicho primer conducto (24) pasa a través de
dicho tanque de almacenamiento para conectar dicho intercambiador
(14) de calor de eliminación de calor con dicho dispositivo (16) de
expansión, desplazándose dicho refrigerante a través de dicho
primer conducto (24) a una alta presión;
dicho segundo conducto (26) pasa a través de
dicho tanque (22) de almacenamiento para conectar un intercambiador
(18) de calor que acepta calor con dicho dispositivo (12) de
compresión, desplazándose dicho refrigerante a través de dicho
segundo conducto (26) a una baja presión;
dicha primera válvula (28) es accionada mediante
un controlador (50) que vigila dicha alta presión; y
dicha segunda válvula (30) es accionada mediante
un controlador (50) que vigila dicha alta presión.
3. El sistema según la reivindicación 1, en el
que dicha primera válvula (28) y dicha segunda válvula (30) están
controladas por un control (50) activo que se proporciona con la
realimentación de dicho intercambiador (14) de calor de eliminación
de calor, y determina una presión deseada en dicho intercambiador
(14) de calor de eliminación de calor, y controla dichas válvulas
(28, 30) para lograr dicha presión deseada.
4. El sistema según las reivindicaciones 1, 2 ó
3, en el que la disminución de dicha alta presión se consigue
accionando dicha primera válvula (28) para regular la circulación de
dicha carga de dicho sistema dentro de dicho tanque (22) de
almacenamiento.
5. El sistema según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, en el que el incremento de dicha alta
presión se consigue accionando dicha segunda válvula (30) para
regular la circulación de dicha carga de tanque (22) de
almacenamiento dentro de dicho sistema.
6. El sistema según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que dicho refrigerante es
dióxido de carbono.
7. Un método de regulación de una alta presión
de un sistema de compresión de vapor transcrítico que comprende las
operaciones de:
comprimir un refrigerante a dicha alta
presión;
refrigerar dicho refrigerante;
hacer pasar dicho refrigerante a través de un
primer conducto (24) en un tanque (22) de almacenamiento de
intercambiador de calor de línea de aspiración, teniendo dicho
primer conducto (24) una primera válvula (28) para regular la
circulación de dicha carga dentro de dicho tanque (22) de
almacenamiento;
expandir dicho refrigerante;
evaporar dicho refrigerante;
hacer pasar dicho refrigerante a través de un
segundo conducto (26) en un tanque de almacenamiento de
intercambiador de la línea de aspiración, teniendo dicho segundo
conducto una segunda válvula (30) para regular la circulación de
dicha carga fuera de dicho tanque (22) de almacenamiento; y
controlar dicha alta presión de dicho
refrigerante mediante el accionamiento de dicha primera válvula (28)
y dicha segunda válvula (30).
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