ES2288525T3 - Sistema reversible de recuperacion de energia calorifica. - Google Patents

Abstract

Sistema reversible de recuperación y de transferencia de calorías de alto rendimiento para el calentamiento del agua sanitaria del agua de una piscina y el calentamiento y la climatización de estancias, oficinas y locales u otros lugares realizando una bomba de calor que presenta un circuito frigorífico en el que circula un fluido frigorífico en estado líquido o gaseoso formado por un intercambiador reversible exterior con un medio exterior de recogida o de provisión de calorías, de al menos un compresor (CP, CS), de al menos un descompresor (D1, D2, D3) y de diversos circuitos de utilización a partir de intercambiadores internos, el sistema reversible de recuperación y de transferencia de calorías de alto rendimiento caracterizado por el hecho de que incluye también: ¿ al menos un compresor principal (CP) completado, en caso de necesidad, por al menos un compresor secundario (CS) utilizado en forma de relevo del compresor principal (CP), ¿ un intercambiador interno principal (EP)no reversible para el calentamiento del agua sanitaria dispuesto a la salida del compresor principal (CP); ¿ intercambiadores interiores secundarios (ES1, ES2, ES3) dispuestos escalonados de los que al menos un intercambiador es reversible para la provisión o la recogida de calorías a o de un circuito de utilización, ¿ un bloque de descompresión y de separación (BDS) comprendiendo un separador de fases (S) reuniendo las funciones de botella anti-golpe de ariete de intercambiador de calor entre el líquido de alta presión y el gas de baja presión, una función de depósito de líquido biflujo y posteriormente al menos dos descompresores de los cuales un descompresor (D3) es para el régimen de invierno y finalmente al menos otro descompresor (D1) o (D2) para el régimen invertido de verano, ¿ un intercambiador reversible exterior EA colocado en el circuito frigorífico como fuente o evacuación de calorías y en un medio exterior de recogida o de provisión de calorías, ¿ una pluralidad deválvulas calibradas (VCn) controladas a distancia para aislar las ramas de circuitos para el funcionamiento reversible.

Description

Sistema reversible de recuperación de energía calorífica.

La invención se refiere a un sistema reversible de recuperación por extracción y transferencia de energía calorífica entre al menos dos medios diferentes por ejemplo entre el exterior y un lugar habitable, de trabajo, de almacenaje o cualquier otro en el que se necesite una aportación de calorías o frigorías según el preámbulo de la reivindicación 1. Tal sistema es conocido por el documento US-A-5 937 663.

Las necesidades de calor en período frío de un lugar habitable, de trabajo u otro lugar se resumen de manera sencilla en una cantidad de calorías destinada al calentamiento del aire y otra cantidad de calorías menos importante destinada al calentamiento del agua sanitaria. Esta última varía extremadamente en función del número de personas que está cogiendo agua caliente sanitaria o generando indirectamente tal necesidad.

En verano, la energía consagrada al calentamiento desaparece mientras que la cantidad de energía calorífica consagrada al agua sanitaria disminuye sólo un poco.

En los lugares climatizados, se crea un consumo adicional de energía. Se trata de la extracción de las calorías de las estancias, oficinas o locales. Esta cantidad de calorías extraídas se pierde a menudo ya que es devuelta o disipada hacia el exterior de las casas o de los edificios.

Estas cantidades de calorías y de frigorías pueden proceder de una misma fuente de energía, en general la electricidad o de varias fuentes de naturaleza diferente, por ejemplo un combustible y una caldera por una parte y la electricidad y una instalación de climatización por otra parte.

Por supuesto, con el encarecimiento de la energía se han propuesto y aplicado varias soluciones de ahorro.

Se trata de modos y duraciones de funcionamiento que dependen de los índices de ocupación, de ajuste, pero también de ahorros de energía procedentes de la recuperación o de la toma de calorías en un medio exterior con acceso libre y gratuito.

Así aparecieron las bombas de calor.

Se trata de máquinas frigoríficas que transfieren el calor desde un medio a otro utilizando como vehículo un fluido frigorífico que pasa sucesivamente de un estado gaseoso a un estado líquido e inversamente por la sucesión de fases de compresión y de descompresión.

Para realizar además la climatización de las estancias, oficinas, locales u otros lugares, se han construido y utilizado conjuntos reversibles de bomba de calor (ver el documento US-A-5 074 120).

Así, se utiliza actualmente la red de calentamiento integrada en los suelos de los conjuntos de calentamiento por el suelo para producir una refrigeración de climatización en verano.

Las bombas de calor y los conjuntos de recuperación de energía están caracterizados por un índice llamado coeficiente de prestaciones que interviene en el rendimiento energético de la instalación y por lo tanto en las ganancias obtenidas al aprovisionarse por una parte en un medio de toma de calorías gratuitas.

A lo largo de los años, los compresores específicos de las bombas de calor han mejorado en fiabilidad, en rendimiento propio y en coste y las instalaciones se han vuelto de este modo más eficientes.

Este es el caso también de los cambiadores tales como los evaporadores o los condensadores cuyo rendimiento ha mejorado y cuyo coste se ha reducido.

En cambio, en referencia a las otras partes de los conjuntos de recuperación de bomba a calor, solo se han podido obtener ganancias menores. Estas representan sólo unos valores pequeños en la mejora del rendimiento global, en cualquier caso insuficientes para provocar un rebrote de interés para este producto y volver a dinamizar el mercado.

La presente invención también tiene como objetivo mejorar el rendimiento global de las instalaciones de recuperación de energía calorífica utilizando una bomba de calor.

Esta tiene como objetivo también mejorar este rendimiento global en el caso de una realización reversible en la que las calorías son extraídas de las estancias y locales.

Según la invención, las calorías ya no son expulsadas hacia el exterior sino utilizadas para otras necesidades, por ejemplo el calentamiento del agua sanitaria, del agua de una piscina o cualquier otra necesidad de calentamiento e incluso de cocción.

El sistema de recuperación y de transferencia de calor según la invención está definido en la reivindicación 1.

El sistema según la invención presenta grandes cualidades y particularmente un rendimiento excelente.

Como se verá a continuación, la ausencia de válvula tradicional de tres o cuatro vías así como un único compresor o un compresor principal reforzado por al menos un segundo compresor utilizado como relevo del compresor principal proporcionan una mejora sensible a la disminución de pérdidas.

Por otro lado, varios modos específicos de controles de funcionamiento y de regulación mejoran también el rendimiento global.

Además, la presencia de un separador específico de fase multifunción proporciona un aumento de fiabilidad y una mejora del rendimiento.

Finalmente, la pluralidad de válvulas calibradas y controladas a distancia asegura una flexibilidad de funcionamiento excepcional tanto en modo invierno como en modo verano.

La utilización de cambiadores de placas particularmente eficientes para la transferencia de la energía a los circuitos de utilización aumenta el rendimiento y la rapidez de la transferencia.

Se deducirán otras características y ventajas de la invención de la descripción siguiente, proporcionada a modo de ejemplo y acompañada por los dibujos en los que:

\bullet la figura 1 es el esquema de base del sistema según la invención;

\bullet la figura 2 es el esquema de base de la invención en la configuración llamada de invierno, es decir de consumo de energía calorífica en calentamiento y en agua caliente sanitaria;

\bullet la figura 3 es el esquema básico en su configuración llamada de verano, es decir cuando el circuito de calentamiento de estancias y locales funciona en modo de enfriamiento;

\bullet la figura 4 es el esquema de base de un sistema simplificado para instalaciones pequeñas en su configuración llamada de invierno;

\bullet la figura 5 es el esquema de base de un sistema simplificado para instalaciones pequeñas en su configuración llamada de verano;

\bullet la figura 6 es el esquema básico de un sistema simplificado de un único compresor en su configuración llamada de invierno;

\bullet la figura 7 es el esquema de base de un sistema simplificado de un único compresor en su configuración llamada de verano.

Por convención esquemática se han representado los distintos estados del fluido frigorífico de la manera siguiente:

\bullet flechas negras simples para el fluido en estado líquido,

\bullet flechas blancas dobles para el fluido en estado gaseoso de alta presión,

\bullet flechas blancas simples para el fluido en estado gaseoso de baja presión.

Se describirá a continuación en primer lugar la composición del esquema de base del sistema reversible según la invención (figura 1) y después su funcionamiento, por una parte en modo de calentamiento únicamente (figura 2) y por otra parte en modo mixto de enfriamiento y de calentamiento del agua sanitaria u otro (figura 3) correspondiente a un funcionamiento de verano.

El sistema de recuperación según la invención presenta un circuito frigorífico formado por un intercambiador aeráulico reversible EA atravesado por un flujo de aire enviado por un ventilador de intercambiador VE seguido posteriormente por diferentes componentes entre los cuales hay una válvula calibrada VC1 controlada a distancia, un separador de fases S, de un compresor principal CP instalado en paralelo solo o con al menos un compresor secundario CS utilizado como relevo de este compresor principal CP. El compresor principal CP alimenta un intercambiador primario no reversible EP de sobrecalentamiento con condensación parcial o total para la transferencia de todas o de una parte de las calorías hacia un circuito de utilización en calentamiento de agua sanitaria ECS.

El único o el compresor principal CP posee un tamaño y unas características tales para una instalación dada que no se sobrecarga en verano teniendo en cuenta que en invierno el complemento puede ser proporcionado por otra fuente de energía o por el o los compresores secundarios CS.

Las salidas de los compresores CP y CS están conectadas en un punto común corriente abajo AV del intercambiador primario EP a partir del cual se desarrollan varias ramas correspondiendo a varios circuitos de utilización en modo calentamiento o en modo refrigeración. Esta conexión es realizada a este nivel para desviar el flujo del o de los compresores secundarios CS con el fin de no perder energía en forma de caída de presión generada por EP que fuese atravesado por un flujo gaseoso demasiado importante e inútil en este punto.

Tres ramas han sido representadas para ilustrar tres posibilidades de utilización, por ejemplo para la primera, una utilización en modo calentamiento por unidades terminales no reversibles, por ejemplo radiadores, piscina, ventiloconvectores, aerotermos, para la segunda una utilización en calentamiento/enfriamiento a través de unidades terminales reversibles utilizando el agua caliente o el agua fría, por ejemplo: suelos radiantes, ventiloconvectores, aerotermos, y para la tercera una utilización idéntica a la segunda.

La primera rama está constituida por una conexión directa a un intercambiador secundario, no reversible ES1 con retorno tal y como está representado, a un bloque de descompresión y de separación BDS por L1 a través de una válvula calibrada VC2 controlada a distancia. El circuito de utilización conectado a la salida del secundario de este intercambiador ES1 es activado por un circulador P1 colocado sobre el circuito de agua caliente.

La segunda rama se compone en paralelo de una parte de una clapeta de retención C4 seguida de una válvula calibrada VC3 controlada a distancia procedente del punto común AV y por otra parte por otra válvula calibrada VC4 controlada a distancia procediendo de la salida de VC1 y llegando a la entrada de un intercambiador reversible ES2. La salida de ES2 está conectada por L2 al bloque de descompresión y de separación BDS. El circuito de utilización del secundario de ES2 es activado por una bomba P2 montada en el circuito de utilización de agua caliente.

La tercera rama llega a la entrada de otro intercambiador secundario reversible ES3 a partir de dos válvulas calibradas controladas a distancia, una VC5 proviniendo de VC1 y la otra VC6 proviniendo del punto común AV.

Una rama auxiliar formada por una válvula calibrada VC7 de derivación, controlada a distancia y seguida por una clapeta de cierre C5 está dispuesta en derivación entre AV y la salida de ES3. Esta está conectada por L3 al bloque de descompresión y de separación BDS. El circuito de utilización de ES3 es activado por una bomba P3 dispuesta en el circuito de utilización.

Una válvula calibrada VC8 de inversión controlada a distancia dispuesta entre el intercambiador aeráulico EA y los intercambiadores EP y ES1 permite la alimentación con calorías en modo verano de los intercambiadores EP y ES1 o el desescarche en modo invierno del intercambiador EA.

Las válvulas calibradas VCn controladas a distancia son por ejemplo del tipo electroválvula. Debido a su multiplicidad, se puede escoger alimentar el intercambiador ESn que corresponde al circuito en solicitud y beneficiarse así de una flexibilidad y de una optimización de funcionamiento excepcionales proporcionando un aumento del ahorro.

Se entiende que el número de válvulas calibradas así como el de los intercambiadores no es limitado.

Por ejemplo, el intercambiador reversible ES2 puede funcionar en modo de enfriamiento mientras ES3 está en modo de calentamiento y ES1 está detenido. Esto constituye sólo un ejemplo ya que las combinaciones son múltiples.

En referencia al circuito de agua caliente sanitaria ECS, éste está constituido generalmente por un calentador de agua caliente BEC en el que fluye un circuito de calentamiento formado por un circulador P4 y por una válvula termostática VTA controlada en funcionamiento por un sensor CAP de temperatura dispuesto en salida de EP. La entrada de agua fría y la salida de agua caliente del calentador BEC están indicadas respectivamente por G1 y G2.

Los esquemas de las figuras 1, 2 y 3 se terminan en su parte superior por el bloque de descompresión y de separación BDS hasta el cual llegan la líneas L1, L2 y L3 de las ramas conteniendo los intercambiadores ES1, ES2 y ES3 y desde el cual salen o llegan tres conexiones L4, L5, L6 respectivamente primero con los compresores CP y CS, y después con la entrada y la salida del intercambiador aeráulico reversible EA.

El bloque de descompresión y de separación BDS se compone del separador de fase S, de tres descompresores termostáticos de igualación externa D1, D2 y D3. D3 es además un descompresor pilotado eléctricamente. Se trata respectivamente para los dos primeros D1 y D2 de descompresores en modo verano y para el último D3 de un descompresor en modo invierno o mixto. Cada descompresor es derivado por una clapeta de retención respectivamente C1, C2 y C3. El descompresor DI derivado por su clapeta C1 está colocado en serie sobre la salida por L2 del intercambiador ES2. Como se ha representado, la salida del descompresor D1 está conectada a D2, a S y a VC2 y por lo tanto a ES1 por L1.

La salida de ES3 llega por la línea L3 a la entrada del descompresor D2 y de la clapeta de retención C2 conectada por su otra extremidad a la unidad de separación de fase S. La entrada del descompresor D2 está conectada a C1 a la entrada de D1 y a S.

Los descompresores D1, D2 y D3 son descompresores termostáticos. Estos son regulados por la temperatura medida al nivel de sus bulbos respectivamente B1, B2 y B3 por ejemplo dispuestos tal como se ha representado, aplicados sobre los conductos del circuito frigorífico donde circula el fluido frigorífico. Estos bulbos indican la temperatura del fluido frigorífico en el punto en el que han sido dispuestos.

El descompresor D3 es un descompresor termostático particular. Sobre su bulbo B3 está montada una resistencia R de 10 a 50 vatios dispuesta bajo tensión por un termostato regulable ThR dispuesto entre CP y EP. Esta está destinada a calentar el bulbo B3 para provocar la abertura más grande del descompresor D3

Se explicará ahora el funcionamiento del sistema de recuperación y de transferencia de calorías según la invención en referencia a los esquemas. Para que sea más claro y fácil, se definen a continuación diferentes puntos del circuito mediante el uso de la letra N seguida de un cifra.

Estos puntos Nn aparecen sólo en las figuras 2 y 3 ilustrando el funcionamiento respectivamente en modo invierno, es decir de calentamiento y en modo verano, es decir de enfriamiento y de calentamiento del agua sanitaria u otra no utilizada en calentamiento.

Se distinguen así los puntos N1 y N2 situados respectivamente a la salida del compresor principal CP y a la salida del intercambiador primario EP cerca de CAP.

Se pueden identificar a continuación los puntos siguientes:

\bullet N3 a la salida del intercambiador ES3 orientado hacia abajo de la unión con la rama VC7-05,

\bullet N4 a la entrada/salida del separador de fases S sobre la línea L6,

\bullet N5 entre los bulbos B1 y B2

\bullet N6 sobre la línea L4 entre B3 y la entrada de los compresores CP y CS,

\bullet N7 a la entrada/salida del separador de fases S sobre la línea L5,

\bullet N8 a la entrada/salida del intercambiador EA sobre la línea L6.

Todos estos puntos marcan los lugares característicos del circuito para facilitar la descripción del funcionamiento.

La explicación del funcionamiento del sistema de recuperación de energía calorífica según la invención requiere dos desarrollos descriptivos específicos, uno para cada uno de los dos modos principales de funcionamiento, a saber: el modo de calentamiento solo (régimen de invierno), el modo mixto sin calentamiento pero con enfriamiento (régimen de verano).

El principio de funcionamiento es idéntico para diversas potencias e independiente del número de intercambiadores, de compresores o de la naturaleza o de la extensión del medio exterior de recuperación o de evacuación y del medio de aportación.

El principio de funcionamiento es particularmente válido en el caso de un solo compresor.

Régimen de invierno

El régimen de invierno implica el calentamiento de las estancias y locales y el del agua sanitaria.

De forma tradicional, las calorías son tomadas por ejemplo del aire por medio del intercambiador aeráulico reversible EA que tiene la función de evaporador, para ser transferidas a los circuitos de utilización.

Para hacerlo, se utiliza como vehículo un fluido frigorífico en el que un primer cambio de estado permite llevarse una masa de calorías recogidas en un medio exportador para ser transferidas dentro de un medio receptor a través de circuitos de utilización a partir de los intercambiadores con este fluido frigorífico.

El régimen invierno corresponde a los estados constantes siguientes:

\bullet

los descompresores D1 y D2 están cerrados,

\bullet

EA funciona como un evaporador ahogado,

\bullet

el balón de agua caliente BEC es atravesado por agua de recalentamiento con limitación de la condensación parcial en EP por VTA.

\bullet

al menos uno de los intercambiadores ES1, ES2, ES3 funciona.

Si cualquiera de los intercambiadores EP, ES1, ES2, ES3 requiere calorías, el compresor principal CP será puesto en funcionamiento al mismo tiempo que el circulador P4 de calentamiento del agua sanitaria.

\newpage

Si la potencia del compresor principal CP es insuficiente, uno o los compresores secundarios CS serán necesarios como relevo en función de las necesidades o una fuente externa de calorías.

La necesidad del momento es conocida por la detección de una falta de potencia definida por una discrepancia demasiado importante entre la temperatura de agua calculada y la temperatura de agua producida.

Si el intercambiador EP requiere calorías, CP, P4 y VE están en funcionamiento. La válvula calibrada VC7 sólo se abre si EP es el único intercambiador en funcionamiento.

En referencia al circuito de calentamiento del agua sanitaria, VTA mantendrá la temperatura del agua de calentamiento del calentador BEC a un valor mínimo por ejemplo de 45ºC. El bulbo o sensor CAP de esta válvula VTA es colocado sobre la tubería de salida del primario de EP para optimizar la función de desrecalentador de este intercambiador atravesado por el flujo gaseoso de alta presión proviniendo únicamente del compresor CP. VC1 se abre para permitir la recuperación de las calorías procedentes de EA por la líneas L5, L4.

Los otros intercambiadores pueden requerir calorías.

Si ES1 requiere calorías, CP, P1 y VE están en funcionamiento. VC2 se abre para permitir la recepción de las calorías en el intercambiador ES1 procedente de EP. ES1 es atravesado por el flujo gaseoso de alta presión comprimido por CP y eventualmente CS. ES1 recibe un flujo gaseoso más o menos desrecalentado o condensado parcialmente en función de las calorías requeridas al nivel del secundario de EP, es decir de las calorías requeridas por el circuito primario de calentamiento del agua sanitaria conteniendo VTA y P4.

Si el intercambiador ES2 requiere calorías, CP, P2 y VE están en funcionamiento, y VC3 se abre para que ES2 reciba el fluido frigorífico gaseoso comprimido y asegure la aportación de calorías.

El intercambiador EP desrecalienta el flujo gaseoso de alta presión, incluso genera una condensación parcial del flujo en función de la regulación requerida por VTA. VC1 se abre para permitir la aportación de las calorías procedentes de EA.

Cuando el intercambiador ES3 requiere calorías, entonces CP, P3 y VE están en funcionamiento y VC6 se abre para que el flujo gaseoso del fluido frigorífico pueda penetrar en el intercambiador ES3.

El intercambiador principal EP es atravesado por el flujo gaseoso frigorífico de alta presión que desrecalienta incluso condensa parcialmente en función de las necesidades calóricas.

Este fenómeno está limitado a una temperatura por ejemplo de 45ºC que no corresponde obligatoriamente a una condensación total.

En todos los casos, para este régimen, el flujo frigorífico, después de pasar por el separador de fase S, es descomprimido por D3 en función de la temperatura medida al nivel de su bulbo B3, D1 y D2 estando cerrados.

VC7 se cierra sistemáticamente si uno de los intercambiadores ES1, ES2, o ES3 está solicitando calorías.

Si la temperatura del fluido frigorífico gaseoso excede por ejemplo 90ºC al nivel del punto N1, la resistencia eléctrica R de excitación complementaria del bulbo B3 de una potencia de 10 a 50 W será puesta bajo tensión por un circuito de control accionado por un termostato regulable ThR situado en N1.

Esta función tiene como objetivo conservar el funcionamiento de los compresores en un margen de temperaturas razonables en el que el rendimiento es óptimo.

El calentamiento del bulbo B3 provocará la abertura mayor del descompresor D3 lo que implicará una caída de la temperatura del fluido frigorífico gaseoso al nivel de N1 con el fin de conservar la instalación en los limites de un funcionamiento normal.

Esta función es innovadora ya que permite mantener un ligero sobrecalentamiento al nivel de N1 incluso en el caso de una compresión aumentada por una temperatura exterior débil y una demanda elevada de calorías por el circuito de agua caliente y esto con un ajuste idéntico del descompresor.

Función del separador de fases S

El separador de fases S tal y como se utiliza aquí es un componente construido especialmente para este montaje. Realiza las cuatro funciones principales siguientes:

\bullet

asegura primero por gravedad la alimentación de los descompresores en fluido frigorífico en estado líquido;

\bullet

aumenta la cantidad de fluido en estado líquido en el intercambiador aeráulico reversible EA por enfriamiento del líquido en el punto N4, es decir antes de su entrada en el descompresor D3, por evaporación del líquido aún no evaporado y por aumento del sobrecalentamiento del fluido en el punto N5 por los intercambios térmicos entre el líquido de alta presión que está caliente y el flujo de fluido a 90ºC de presión baja que está frío. El intercambiador EA puede así funcionar como intercambiador ahogado;

\bullet

el hecho de tener un fluido frigorífico no evaporado en el punto N7 a la entrada de S, gracias a la capacidad de intercambio de S permitiendo la evaporación del líquido frío restante, aumenta el rendimiento de EA en forma de evaporador ya que de esta manera contiene más fluido en el estado líquido. Se aumenta también la cantidad másica del fluido que atraviesa VC1 para una misma caída de presión a ese nivel ya que una parte del flujo es líquida. Las pérdidas a este nivel se vuelven así omisibles;

\bullet

permite disponer de una reserva de volumen necesario para el almacenamiento o el desalmacenamiento del fluido en estado líquido para compensar los diferentes modos de funcionamiento de la instalación;

\bullet

permite evitar, o al menos limitar las llegadas de fluido en estado líquido a la aspiración de los compresores gracias a su inercia térmica originada por su tamaño y su concepción, - al mismo tiempo que mantiene un sobrecalentamiento muy pequeño al nivel del evaporador. Este sobrecalentamiento definido como la diferencia de temperatura entre N4 y N5 será establecido con el valor más pequeño posible por un ajuste apropiado del control del descompresor. Se prevé por ejemplo un sobrecalentamiento de 10ºC.

Se entiende el interés de la presencia de este separador de fases S en el circuito del fluido frigorífico cuya presencia constituye a la vez una botella antigolpe de ariete, un intercambiador de calor entre el líquido de alta presión y el gas de baja presión para el aumento del rendimiento del intercambiador aeráulico reversible EA, una protección para los compresores CP y CS y un depósito de líquido biflujo.

Este separador de fases S es de tubo sumergido en una reserva de fluido líquido. En una realización preferida, la sección de su tubo de inmersión es más importante que el conducto de llegada para optimizar los intercambios térmicos y permitir la evaporación de las últimas gotas de fluido frigorífico contenidas en el fluido gaseoso de baja presión.

Régimen de verano (figura 3)

El régimen de verano utiliza el carácter reversible del sistema ya que durante este período climático es necesario refrescar las estancias y locales. El sistema es mixto ya que el calentamiento del agua sanitaria subsiste así como eventualmente total o parcialmente el del agua de la piscina.

Éste se caracteriza por:

\bullet

la inversión del flujo en los intercambiadores secundarios reversibles,

\bullet

el funcionamiento de los descompresores D1 y D2,

\bullet

el funcionamiento de EA en condensador,

\bullet

el funcionamiento de al menos uno de los intercambiadores secundarios reversibles en evaporador.

Caso particular: agua caliente sanitaria únicamente

En este caso, ninguno de los intercambiadores secundarios ES1, ES2 y ES3 es atravesado por el fluido frigorífico, sea porque el flujo es derivado o porque la válvula en serie sobre el circuito de entrada está cerrada.

Solo el intercambiador principal EP funciona. Si la temperatura en el calentador de agua caliente sanitaria BEC provista por su sonda termostática STh desciende por debajo de la temperatura fijada, el circulador P4 del circuito de calentamiento se pone en funcionamiento así como el compresor principal CP.

El ventilador VE del intercambiador aeráulico EA se inicia al mismo tiempo que CP.

CP rechaza el fluido frigorífico en estado de gas caliente y bajo presión alta, por ejemplo 20 bares es decir 70ºC.

En N1, es decir a la entrada de EP, se dispone de un gas sobrecalentado que se desrecalienta y después se condensa en el primario del intercambiador EP y transmite su calor al agua del circuito de calentamiento conteniendo VTA y P4.

En este caso, no existe ningún circuito complementario de utilización de las calorías, por lo que se puede obtener una condensación total en el intercambiador EP. El fluido frigorífico se licua y se recupera también el calor de condensación.

\newpage

\global\parskip0.900000\baselineskip

Sin embargo, aunque la condensación sea total, pueden quedar burbujas en el líquido saliente que será tratado por el separador de fase S que funciona por gravedad después de atravesar VC7, C5 y C2.

El líquido pasa a continuación en el descompresor D3 desde donde sale en fase líquida + vapor para entrar en el intercambiador EA donde se ha evaporado.

En todo este sistema de recuperación, se necesita obtener una ligera diferencia de temperatura del medio exterior, en general del aire, entre las dos caras de la batería del intercambiador exterior reversible EA, por ejemplo 3ºC, y se necesita obtener un fuerte caudal.

Así se obtiene como ventaja importante un desescarche menos frecuente al nivel del intercambiador EA ya que éste se deshumidifica menos que en un sistema clásico.

Se puede indicar que como máximo tres desescarches al día son necesarios incluso cuando hace mucho frío.

El bucle de regulación del circuito de calentamiento comprendiendo VTA y P4 permite establecer un nivel de desrecalientamiento y de condensación en EP en función de la necesidad media.

El ajuste por R a partir de ThR también tiene su función limitando la temperatura del fluido frigorífico gaseoso a la salida del compresor CP.

Caso general

Se trata del caso mixto en el que se enfrían las estancias y locales y donde se sigue solicitando agua caliente.

Se utiliza:

\bullet

EP para el agua caliente sanitaria

\bullet

ES1 intercambiador no reversible para calentar el agua de otro uso, por ejemplo la de la piscina,

\bullet

ES2 y/o ES3 intercambiadores reversibles para el enfriamiento de las estancias y locales.

En caso de que ES2 solicite frigorías, CP está en funcionamiento y las válvulas VC8 y VC4 se abren. El flujo de fluido frigorífico gaseoso y de alta presión atraviesa EP donde un desrecalientamiento y eventualmente una condensación parcial o total se produce si el agua sanitaria está a una temperatura inferior a la temperatura fijada en el interior del calentador BEC y después el flujo atraviesa EA a través de VC8. A este nivel VE sólo estará en funcionamiento si la temperatura medida en N2 es superior a una temperatura predeterminada, por ejemplo de 65ºC. En este caso, las necesidades de calorías al nivel de EP y/o de ES1 son nulas.

Después de una condensación en EA, el flujo atraviesa S a través de C3 en estado líquido y después atraviesa D1 donde es descomprimido. ES2 es atravesado por el fluido frigorífico líquido a temperatura baja que se evapora, posteriormente este flujo en forma gaseosa atraviesa VC4 para ser aspirado por CP después de su paso en S.

En caso de que ES3 requiera frigorías, CP está en funcionamiento y las válvulas VC8 y VC5 se abren. El flujo del fluido frigorífico gaseoso y de alta presión atraviesa EP donde se producirá un desrecalientamiento y eventualmente una condensación parcial o total si el agua sanitaria está a una temperatura inferior a la temperatura fijada por ejemplo a 65ºC, posteriormente el flujo atraviesa EA a través de VC8. En este nivel, VE sólo estará en funcionamiento si la temperatura medida en N2 indica una temperatura superior al valor predeterminado elegido. En ese caso, las necesidades de calorías al nivel de EP y/o de ES1 son nulas.

El flujo atraviesa S a través de C3 en estado líquido y después atraviesa D2 donde es descomprimido. ES3 es atravesado por el fluido frigorífico líquido a temperatura baja que se evapora. A continuación, este flujo en forma gaseosa atraviesa VC5 para ser aspirado por CP después de su paso dentro de S.

En el modo de enfriamiento descrito más arriba, ES1 recupera la energía calorífica del sistema si la válvula VC2 está abierta. Esta ultima se abre sólo cuando el termostato que la dirige solicita calorías.

ES1 recuperará las calorías restantes del flujo saliente de EP en caso de que ES1 requiera calorías, la válvula VC8 estando entonces cerrada y VE no controlado en funcionamiento.

A modo de ejemplo, en verano el agua en el circuito del suelo tiene una temperatura mínima de 18ºC y en el primario de ES2 o ES3 la temperatura de evaporación es de aproximadamente 12ºC.

En verano, el rendimiento es bueno y sólo se necesita el compresor principal CP.

El sistema es particularmente económico ya que las calorías extraídas en las estancias y locales son sólo parcialmente devueltas al exterior por EA, la diferencia satisfaciendo las necesidades de calentamiento del agua sanitaria o del agua de la piscina.

Desescarche

El intercambiador aeráulico EA utilizado como evaporador en modo invierno puede escarcharse, es decir cubrirse de una capa de hielo. Al ser el hielo un buen aislante térmico, la costra de hielo constituye un obstáculo serio para el buen funcionamiento del intercambiador.

Por ello es necesario proceder al desescarche cuando el hielo cubre las estructuras exteriores del intercambiador exterior EA.

Para descarchar, se desconecta el compresor CP, se cierran todas las válvulas y se apaga el ventilador VE.

Se abre la válvula de inversión VC8 durante una duración corta (de aproximadamente un minuto).

La totalidad del fluido frigorífico en estado gaseoso se condensará en el punto más frío del circuito, es decir en las paredes internas del intercambiador EA.

El desescarche se inicia pero sigue insuficiente.

Se pasa después al modo de enfriamiento. Para ello, se reinvierte el ciclo para utilizar el calor del calentamiento lo cual asegura la totalidad del desescarche.

Un ciclo completo de desescarche no dura más de tres minutos y no se necesitan más de tres desescarches incluso cuando hace mucho frío.

Variante simplificada

Las figuras 4 y 5 se refieren a una variante simplificada para una pequeña instalación por ejemplo la prevista para una pequeña vivienda unifamiliar del tipo chalé.

Esta incluye los elementos y componentes esenciales, es decir:

\bullet

el intercambiador reversible aeráulico EA con el medio exterior y su ventilador VE,

\bullet

un compresor principal CP y eventualmente un compresor secundario CS utilizado como relevo de CP,

\bullet

un intercambiador principal EP no reversible para la transferencia de las calorías hacia un circuito de utilización en calentamiento del agua sanitaria ECS en un calentador BEC con sonda de temperatura STh por un circuito comprendiendo un circulador P4 y una válvula termostática VTA dirigida por un sensor CAP situado a la salida del intercambiador EP,

\bullet

un único intercambiador secundario ES3 reversible o de no alimentación de un circuito de calentamiento de estancias y locales por un circulador P3,

\bullet

un bloque de descompresión y de separación BDS comprendiendo un separador de fases S y dos descompresores termostáticos D1 y D3 de bulbos termosensibles B1 y B3 derivados por válvulas de retención Cl y C3, una de verano D1 en sistema de inversión y la otra D3 de invierno en calentamiento,

\bullet

las válvulas calibradas siguientes:

\bullet VC1 válvula principal,

\bullet VC5 válvula de retorno,

\bullet VC6 válvula de intercambiador de calentamiento,

\bullet VC7 válvula de derivación,

\bullet VC8 de inversión.

El funcionamiento también está simplificado.

Funcionamiento de invierno

En régimen de funcionamiento de invierno (figura 4), el intercambiador EA funciona como un evaporador, el o los compresores CP, CS recibe(n) el fluido frigorífico evaporado a través de VC1, éste atraviesa el separador de fases S y es comprimido, por ejemplo en 20 bares, es decir 70ºC, por CP con eventualmente la ayuda de CS. Atraviesa después el primario del intercambiador EP donde se desrecalienta y se condensa más o menos parcialmente en función de las necesidades expresadas por el termostato STh del calentador BEC controlando la válvula VTA del circuito a partir de CAP.

El fluido desrecalentado y condensado parcialmente continuará su condensación en el primario del intercambiador reversible ES3 pasando a través de VC6 con el fin de transferir el resto de las calorías que transporta en un circuito de utilización en calentamiento por ejemplo por medio de un circulador P3.

El fluido frigorífico condensado atraviesa después el separador de fases S del bloque de descompresión y de separación BDS pasando por C1, para descomprimirse en D3 y volver en el estado líquido y descomprimido en el intercambiador aeráulico EA donde se evapora llevándose la cantidad de calor correspondiente a sus características dimensionales y de funcionamiento.

Para este efecto, se prevé un funcionamiento utilizando una diferencia de temperatura bastante pequeña entre las dos caras del intercambiador EA para que el desescarche sea menos frecuente.

El fluido frigorífico en estado gaseoso llega a la entrada de los compresores por VC1 y circula en el circuito tal como se ha indicado previamente.

El bulbo B3 de D3 puede ser calentado por una resistencia R de baja potencia a partir de los valores de temperatura del fluido frigorífico a la salida del compresor principal CP, transformándolo de este modo en un descompresor termostático de igualación externa para una temperatura del fluido frigorífico a la salida de CP que sobrepase un umbral predeterminado por ejemplo de 90ºC.

De este modo se dispone de un ajuste complementario por limitación.

Funcionamiento de verano

En régimen de funcionamiento de verano (figura 5), la producción de agua caliente y la regulación de su circuito de calentamiento se efectúan de la misma manera que previamente.

El fluido evaporado proviene de la salida del intercambiador reversible ES3 a través de VC5 y alimenta el único compresor CP en funcionamiento.

Efectivamente, la función de enfriamiento de estancias y locales implica el paso de las calorías del secundario del intercambiador ES3 hacia su primario y de este modo su transferencia en el circuito frigorífico.

Este intercambiador ES3 funcionando en forma de evaporador transporta las calorías por el fluido frigorífico saliente en el estado gaseoso para ser comprimido en CP y servir para el calentamiento del agua sanitaria.

Si se satisfacen las necesidades de calentamiento del agua sanitaria, ya no se recogerán más calorías por EP. El fluido frigorífico gaseoso será condensado entonces en el intercambiador exterior EA por VC8. El líquido que vuelve a salir de EA, y atraviesa S, pasando por C3, se descomprime por su paso en D1.

Vuelve al estado líquido después del paso en el separador de fases S en el primario del intercambiador ES3 donde se evapora llevándose calorías y vuelve a la entrada de CP por VC5 ya que VC6 está cerrado.

El sistema puede funcionar en circuito corto cuando la solicitud de calorías del circuito de agua caliente sanitaria ECS es importante, es decir sin utilizar el intercambiador exterior EA en desprendimiento de calor. En esas condiciones, todas las calorías recuperadas por ES3 son utilizadas y resulta inútil evacuarlas hacia fuera por EA.

En este caso, las condiciones de funcionamiento son tales que el fluido frigorífico es condensado totalmente en el primario de EP desde donde vuelve a salir en el estado líquido, atraviesa VC6, llega líquido a la entrada del primario de ES3 y atraviesa S, donde se evapora y vuelve a la entrada del compresor CP.

O bien, el fluido frigorífico pasa por el separador de fases S antes de su entrada en el primario de ES3, esto con el fin de purificarlo de las burbujas gaseosas eventuales.

Esta realización simplificada corresponde a las necesidades de una vivienda unifamiliar de tipo chalé.

Variante con un solo compresor

En el caso de una variante con un solo compresor, representada en las figuras 6 y 7, el esquema permanece casi idéntico al de las figuras 4 y 5. Está simplificado debido a la ausencia del compresor CS. Esta variante no está cubierta por las reivindicaciones.

El funcionamiento es él también casi idéntico.

Este sólo difiere por la ausencia de un compresor secundario CS.

Nos referiremos por lo tanto al desarrollo descriptivo susodicho.

Es posible imaginar, en una forma aún más sencilla, un sistema no reversible en el que no exista la válvula de inversión.

Claims (18)

1. Sistema reversible de recuperación y de transferencia de calorías de alto rendimiento para el calentamiento del agua sanitaria del agua de una piscina y el calentamiento y la climatización de estancias, oficinas y locales u otros lugares realizando una bomba de calor que presenta un circuito frigorífico en el que circula un fluido frigorífico en estado líquido o gaseoso formado por un intercambiador reversible exterior con un medio exterior de recogida o de provisión de calorías, de al menos un compresor (CP, CS), de al menos un descompresor (D1, D2, D3) y de diversos circuitos de utilización a partir de intercambiadores internos, el sistema reversible de recuperación y de transferencia de calorías de alto rendimiento caracterizado por el hecho de que incluye también:

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al menos un compresor principal (CP) completado, en caso de necesidad, por al menos un compresor secundario (CS) utilizado en forma de relevo del compresor principal (CP),

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un intercambiador interno principal (EP) no reversible para el calentamiento del agua sanitaria dispuesto a la salida del compresor principal (CP);

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intercambiadores interiores secundarios (ES1, ES2, ES3) dispuestos escalonados de los que al menos un intercambiador es reversible para la provisión o la recogida de calorías a o de un circuito de utilización,

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un bloque de descompresión y de separación (BDS) comprendiendo un separador de fases (S) reuniendo las funciones de botella anti-golpe de ariete de intercambiador de calor entre el líquido de alta presión y el gas de baja presión, una función de depósito de líquido biflujo y posteriormente al menos dos descompresores de los cuales un descompresor (D3) es para el régimen de invierno y finalmente al menos otro descompresor (D1) o (D2) para el régimen invertido de verano,

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un intercambiador reversible exterior EA colocado en el circuito frigorífico como fuente o evacuación de calorías y en un medio exterior de recogida o de provisión de calorías,

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una pluralidad de válvulas calibradas (VCn) controladas a distancia para aislar las ramas de circuitos para el funcionamiento reversible.

2. Sistema reversible según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el descompresor (D3) es un descompresor termostático de igualación externa cuyo elemento termosensible o bulbo (B3) está dispuesto en contacto con el conducto alimentando los compresores con fluido frigorífico y calentado por una resistencia eléctrica (R) controlada por un sensor térmico (ThR) si la temperatura del fluido frigorífico en salida del compresor principal (CP) es superior a cierto valor fijado.

3. Sistema reversible según la reivindicación precedente, caracterizado por el hecho de que el valor fijado del control del descompresor termostático (D3) por la resistencia (R) es de aproximadamente 90ºC.

4. Sistema reversible según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que el circuito secundario del intercambiador principal (EP) alimenta un circuito de calentamiento del agua sanitaria en un balón (BEC).

5. Sistema reversible según la reivindicación precedente, caracterizado por el hecho de que el circuito de calentamiento del agua sanitaria de calentamiento (BEC) comprende una válvula termostática regulable dirigida (VTA) a partir de la temperatura del agua caliente sanitaria y un circulador (P4), el circuito atravesando el balón (BEC).

6. Sistema reversible según la reivindicación precedente, caracterizado por el hecho de que la válvula (VTA) está dirigida por un sensor térmico que mide la temperatura del agua sanitaria en el balón (BEC).

7. Sistema reversible según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que el intercambiador exterior es un intercambiador aeráulico (EA) colocado en un flujo de aire creado por un ventilador (VE).

8. Sistema reversible según la reivindicación precedente, caracterizado por el hecho de que la diferencia de temperatura del flujo de aire antes y después del intercambiador (EA) es pequeña.

9. Sistema reversible según la reivindicación precedente, caracterizado por el hecho de que la diferencia de temperatura del flujo de aire es de algunos grados centígrados.

10. Sistema reversible según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, caracterizado por el hecho de que el intercambiador aeráulico (EA) es un intercambiador reversible constituyendo según el caso un evaporador o un condensador.

11. Sistema reversible según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, caracterizado por el hecho de que el intercambiador aeráulico es utilizado en invierno en forma de evaporador ahogado.

12. Sistema reversible según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que el separador de fases (S) tiene un tamaño y una concepción tales que presenta una inercia térmica permitiendo evitar o limitar las llegadas de fluido frigorífico en el estado líquido a la aspiración del o de los compresores.

13. Sistema reversible según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que el separador de fases (S) es de tubo de inmersión en una reserva de fluido líquido.

14. Sistema reversible según la reivindicación precedente, caracterizado por el hecho de que la sección del tubo de inmersión del separador de fases (S) es más importante que el conducto de llegada para optimizar los intercambios térmicos y permitir la evaporación de las últimas gotas de fluido frigorígeno contenidas en el fluido gaseoso de baja presión.

15. Sistema reversible según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que el compresor principal (CP) es prioritario, el o los compresor(es) secundario(s) (CS) siendo solicitado(s) como complemento.

16. Sistema reversible según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que el tamaño y las características del compresor principal (CP) son tales que, para una instalación determinada, éste no se sobrecarga en verano siendo completado por uno o unos compresor(es) secundario(s) (CS) en invierno.

17. Sistema reversible según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que el compresor principal (CP) es el único compresor de la instalación, la energía siendo eventualmente completada por una aportación de energía calorífica procedente de otro medio.

18. Sistema reversible según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que el intercambiador principal (EP) es utilizado como desrecalentador con condensación parcial o total.