ES2297455T3 - Circuito con estrangulamiento de tubo capilar de dos pasos y colector. - Google Patents

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Abstract

Un circuito de refrigeración cerrado que comprende un compresor (1), condensador (2), evaporador (4), colector (9), y con estrangulamiento capilar (8) entre el condensador y el colector y con estrangulamiento capilar (10) entre colector y evaporador y contacto térmico 11 entre la línea de aspiración y el colector, y la línea de aspiración está aumentada de tal manera que el gas de aspiración atraviesa el colector desde el fondo del colector hacia la parte superior del colector, caracterizado porque el refrigerante en el colector fluye desde la parte superior hacia el fondo de dicho colector.

Description

Circuito con estrangulamiento de tubo capilar de dos pasos y colector.
La invención se refiere a un circuito de refrigeración como se describe en la primera parte de la reivindicación 1. Dicho circuito es conocido por el documento US-A-2871680. El propósito de dicho circuito es controlar el flujo de refrigerante desde el colector al evaporador, por la presión en el colector, y de tal manera que el evaporador está inundado.
Circuitos de esta clase se conocen por diversas solicitudes de patente, todas ellas con flujo directo en el cambiador de calor. Como consecuencia del flujo directo, las temperaturas de salida de los dos objetos tienden hacia una temperatura común, y ello significa que el cambiador de calor no puede enfriar el colector hasta una temperatura próxima a la temperatura del evaporador, y que hace que el refrigerante hierva en el tubo capilar cuando está estrangulado respecto al evaporador.
El líquido hirviente en un tubo capilar tiene una gran influencia sobre el flujo másico. La Figura 3 es un gráfico que ilustra el flujo másico calculado a través de un tubo capilar, suponiendo que el refrigerante se encuentra en el punto de ebullición cuando entra en el tubo capilar. El gráfico ilustra que el flujo másico es una función creciente de la caída de presión, para caída de temperatura menor que 5 Kelvin, pero es prácticamente fijo para caída de temperatura mayor que 5 Kelvin. El gráfico está calculado para R134a y con temperatura en el evaporador de -20ºC, pero la tendencia es la misma para otras temperaturas del evaporador y para otros fluidos refrigerantes tales como R404a, R600a, y R22. De esta base se sigue que el refrigerante no puede controlarse directamente por la caída de presión, cuando la caída de temperatura es mayor que 5 Kelvin, pero existen varias vías para resolver el problema, 3 de las cuales se presentan a continuación.
En el documento US-A-250045, la caída de temperatura entre el evaporador y el colector es menor que 5 Kelvin y por tanto la caída de presión puede utilizarse sin problemas para controlar el flujo, pero la pequeña diferencia de temperatura entre el gas de aspiración y el colector da lugar a dos desventajas. En primer lugar, el área del cambiador de calor tiene que ser grande, y en segundo lugar, incluso una pequeña oscilación en la temperatura dará como resultado una gran oscilación en el flujo másico, con el riesgo de resonancia.
En el documento US-A-2871680, la línea de aspiración y el colector forman un cambiador de calor con flujo directo, desde el fondo a la parte superior. El problema con el refrigerante hirviente en el tubo capilar se resuelve por separación del refrigerante en líquido y gas de vaporización súbita, después de lo cual se estrangulan los dos componentes en tubos capilares separados.
El refrigerante entra en el fondo del colector como gas de vaporización súbita. El mismo asciende hacia la parte superior, intercambiando calor con el gas de aspiración, y sale al exterior por un tubo capilar en la parte superior del colector. El gas de vaporización hierve sólo ligeramente durante el estrangulamiento y el flujo másico será una función creciente de la caída de presión a través del tubo capilar. Debido a la atracción de la gravedad, una parte de líquido caerá al fondo del colector, y en este caso la misma sale a través de un tubo capilar separado. El líquido hierve fuertemente durante el estrangulamiento y el flujo másico será constante como se ilustra en la Figura 3.
Esta solución presenta dos ventajas: el evaporador se inunda y el área de intercambio de calor puede ser pequeña. Hay dos factores que reducen las exigencias para el área: la diferencia de temperatura a través del cambiador de calor es alta y una gran cantidad de gas abandona el colector sin cargar el cambiador de calor.
Este método presenta dos desventajas. En primer lugar, se requiere un tubo capilar adicional, y en segundo lugar, el control del flujo está limitado, debido a que el flujo del líquido es constante.
En el documento DK174179, el sub-enfriamiento del refrigerante inmediatamente antes que el mismo entre en el tubo capilar resuelve el problema. El sub-enfriamiento se lleva a cabo por medio de un cambiador de calor separado, que transfiere el calor a la entrada del evaporador. Con este método no existe problema alguno en lo que respecta a la ebullición de refrigerante en el tubo capilar con indiferencia de la magnitud de la caída de presión entre el evaporador y el colector. Sin embargo, uno de los propósitos principales de este circuito es asegurar la inundación del evaporador, y ello establece un límite sobre la caída de presión, lo cual puede demostrarse como sigue: el primer paso de estrangulamiento, desde el condensador al colector, aporta calor al colector, lo cual eleva la temperatura y por consiguiente la presión. El gas de aspiración sustrae calor del colector - reduciendo con ello la temperatura y la presión. La presión y la temperatura en el colector se fuerzan hasta un equilibrio entre calor añadido y calor disipado, y en el punto de ebullición, es válida la relación R1:
1
donde
CP
es la capacidad calorífica del refrigerante. Índice para forma gaseosa o líquida.
RT
es el calor de vaporización
Y
es la tasa de refrigerante en forma líquida a la salida del evaporador.
Un propósito esencial del circuito es mantener el evaporador inundado, lo cual implica que Y es positivo. Este requerimiento se sustituye en R1 y conduce a R2:
2
La relación R2 establece un límite superior en cuanto a la proporción de caída de la presión total que puede tolerarse para el segundo estrangulamiento en comparación con el primer estrangulamiento, dado que la caída de presión durante el segundo estrangulamiento establece también la diferencia de temperatura a través del cambiador de calor. Es esencial que esta caída de presión sea lo mayor posible a fin de asegurar que el área de intercambio de calor sea lo más pequeña posible.
La invención se diferencia de las soluciones expuestas por incluir flujo en contracorriente en el cambiador de calor. El gas de aspiración atraviesa el colector desde el fondo hacia la parte superior, y causando subenfriamiento del refrigerante en el fondo del colector, con lo cual se hace posible el paso del refrigerante a través del tubo capilar sin ebullición.
La invención está constituida por un colector en forma tubular y prolongado con un tubo capilar en ambos extremos. El refrigerante se estrangula en dos pasos: primeramente desde el condensador a la parte superior del colector y posteriormente desde el fondo del colector hasta el evaporador. La línea de aspiración se pone en contacto térmico con el colector de forma tubular, orientado de tal modo que el gas de aspiración asciende desde el fondo hacia la superficie, formando un cambiador de calor con flujo en contracorriente. El líquido en el fondo del colector se sub-enfriará hasta cerca de la temperatura del evaporador y el gas de aspiración se sobrecalentará hasta cerca de la temperatura del colector. Es válido un equilibrio entre calor añadido y disipado, dado por la relación R3:
3
Un propósito principal del circuito consiste en mantener el evaporador inundado, lo cual implica que Y es positivo. Este requerimiento se sustituye en R3 y da lugar a R4:
4
La capacidad calorífica del líquido es siempre mayor que la capacidad calorífica del gas. Esta relación se sustituye en R4 dando lugar a R5:
5
La relación R5 es siempre cierta - y el evaporador estará totalmente inundado sin restricción alguna en cuanto a la temperatura en el colector, en contraste con DK174179, que está restringido por R2. Por consiguiente, se sigue de ello que la temperatura en el colector puede ajustarse a una temperatura más alta y el área de calor se reducirá análogamente.
Dado que el líquido se sub-enfría en el fondo del colector, el mismo puede estrangularse directamente al evaporador sin enfriamiento adicional alguno - si bien es importante cumplimentar el requerimiento de líquido sub-enfriado. El requerimiento se cumple cuando el evaporador se inunda - debido a que el evaporador está "sangrando" con el refrigerante líquido. La relación R5 asegura que el evaporador está inundado en el equilibrio - por lo que conviene asegurar que el evaporador está inundado antes del equilibrio. Si la entrada del evaporador está situada en el fondo del evaporador, entonces la mayor parte del refrigerante se acumulará en el evaporador durante el tiempo de parada y por consiguiente el evaporador está inundado al principio de la operación.
Los fabricantes de pequeños congeladores y frigoríficos domésticos utilizan normalmente un tubo capilar con contacto térmico a la línea de aspiración como dispositivo de estrangulamiento, como se ilustra en la Figura 1. Esta construcción da como resultado un gas de aspiración sobrecalentado, lo cual proporciona dos ventajas: el COP (Coeficiente de Eficiencia) aumenta (para la mayoría de los fluidos refrigerantes) y el gas de aspiración caliente impide que el agua se condense en la tubería de aspiración, lo que podría causar en caso contrario deterioro por detrás de los congeladores y refrigeradores. Con la invención pueden obtenerse las mismas ventajas poniendo el primer tubo capilar en contacto térmico con la tubería de aspiración como se ilustra en la Figura 2 en la marca (12).
Descripción de los dibujos
La Figura 1 ilustra a grandes rasgos el circuito utilizado normalmente para congeladores y refrigeradores pequeños. El circuito esta compuesto de: compresor (1), condensador (2), tubería de líquido (3), evaporador (4), tubería de aspiración (5), tubo capilar (6), contacto térmico entre el tubo capilar y la tubería de aspiración (7).
La Figura 2 ilustra a grandes rasgos la invención, que difiere únicamente de la Figura 1 por el colector de forma tubular - que divide el tubo capilar en dos partes.
La invención está constituida por: compresor (1), condensador (2), tubería de líquido (3), evaporador (4), tubería de aspiración (5), tubo capilar (8), colector (9), tubo capilar (10), contacto térmico entre colector y tubería de aspiración (11), contacto térmico entre tubo capilar y tubería de aspiración (12).
La Figura 3 ilustra el gráfico del flujo másico calculado de R134a en un tubo capilar. La salida del tubo capilar está fijada a -20ºC y la temperatura de entrada varía desde -20ºC a +25ºC. En la entrada, el refrigerante se encuentra en el punto de ebullición.
Implementación de la invención
La invención se compone de 4 partes, una tubería de aspiración, un colector de forma tubular y dos piezas de tubos capilares. Como ejemplo, las dimensiones adecuadas se calculan para un congelador de 100 vatios con compresor Danfoss NLY9KK. La temperatura en el colector se ha seleccionado a +10ºC.
Por la hoja de datos NLY9KK:
\bullet
Refrigerante: R600a
\bullet
Efecto de enfriamiento a 30ºC/-30ºC (condensador/evaporador) 100 W
\bullet
flujo másico: 1,37 kg/h = 0,34 g/s.
El calor se transfiere a la tubería de aspiración en tres lugares:
1.
Desde el tubo capilar:
6
2.
Desde la condensación del gas en la parte superior del colector:
\vskip1.000000\baselineskip
7
3.
Desde el sub-enfriamiento del líquido en el fondo del colector:
\vskip1.000000\baselineskip
8
Un cambiador de calor es capaz de transferir esta cantidad de calor:
\vskip1.000000\baselineskip
9
donde
U:
coeficiente de transmisión de calor
A:
área de transmisión de calor
LMTD:
diferencia de temperatura media logarítmica.
Para un cambiador de calor tubular como éste:
\vskip1.000000\baselineskip
10 
\vskip1.000000\baselineskip
11
donde
dT_{1} y dT_{2} son la diferencia de temperatura a la entrada y la salida del cambiador de calor. Para simplicidad, la diferencia de temperatura a la salida del cambiador de calor se elige aquí como:
\vskip1.000000\baselineskip
12 
\vskip1.000000\baselineskip
El cuello de botella de la transmisión de calor es el área interior de la tubería de aspiración, y el mínimo de esta área se calcula a partir de una transposición de R6 en R7;
\vskip1.000000\baselineskip
13 
\vskip1.000000\baselineskip
Por sustitución en R7, las áreas de contacto térmico mínimas se calculan para los tres lugares de la tubería de aspiración:
1. A lo largo del tubo capilar, véase Figura 2, marca 12:
\vskip1.000000\baselineskip
14
La longitud del cambiador de calor de tubo capilar no debe ser inferior a:
\vskip1.000000\baselineskip
15 
\newpage
2. Condensación en la parte superior del colector:
16
De ello se deduce que el contacto de la línea de aspiración con la parte superior del colector no debe ser menor que:
17
3. Para el sub-enfriamiento en el fondo del colector
18
y por consiguiente el contacto de la línea de aspiración con el fondo del colector no debe ser menor que:
19
Los cálculos muestran que:
1.
El contacto térmico entre el tubo capilar y la línea de aspiración no debe ser más corto que 31 cm.
2.
El contacto entre el colector y la línea de aspiración debe extenderse no menos de (3 cm + 19 cm =) 22 cm.
Cuando se selecciona un colector de 50 cm de longitud, el nivel de refrigerante puede variar en 28 cm - y cumplir todavía con el requerimiento básico: que al menos 22 cm están disponibles para transmisión de calor. Cuando se selecciona el diámetro de colector de 22 mm, el volumen de refrigerante puede variar en 75 ml, correspondientes a 45 g de refrigerante. La lista de partes será como sigue (considérese la Figura 2):
\bullet
Línea de aspiración: 6 mm x 120 mm, tubo de cobre (5, 11, 12)
\bullet
Colector: 22 mm x 50 mm (9)
\bullet
Primer estrangulamiento: 0,7 mm x 90 cm, tubo capilar con no menos de 31 cm de contacto térmico con la línea de aspiración (12)
\bullet
Segundo estrangulamiento: 0,7 mm x 90 cm, tubo capilar (10).
La invención proporciona un regulador eficaz y económico como alternativa al estrangulamiento tradicional de tubo capilar para pequeños congeladores y refrigeradores domésticos. El regulador hace que los congeladores y refrigeradores sean más eficaces en su funcionamiento y más adecuados para temperaturas variables. Es sencillo para los fabricantes adaptar la invención - una ojeada a las Figuras 1 y 2 muestra que la única diferencia es un pequeño colector colocado hacia la mitad del tubo capilar.

Claims (2)

1. Un circuito de refrigeración cerrado que comprende un compresor (1), condensador (2), evaporador (4), colector (9), y con estrangulamiento capilar (8) entre el condensador y el colector y con estrangulamiento capilar (10) entre colector y evaporador y contacto térmico 11 entre la línea de aspiración y el colector, y la línea de aspiración está aumentada de tal manera que el gas de aspiración atraviesa el colector desde el fondo del colector hacia la parte superior del colector, caracterizado porque el refrigerante en el colector fluye desde la parte superior hacia el fondo de dicho colector.
2. Un circuito cerrado de refrigeración de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por contacto térmico (12) entre la línea de aspiración y el tubo capilar (8) que conecta el condensador y el colector.
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