ES2304023T3 - Instalacion de aire acondicionado para automoviles con bombas de calor de adsorcion. - Google Patents

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ES2304023T3 ES05802574T ES05802574T ES2304023T3 ES 2304023 T3 ES2304023 T3 ES 2304023T3 ES 05802574 T ES05802574 T ES 05802574T ES 05802574 T ES05802574 T ES 05802574T ES 2304023 T3 ES2304023 T3 ES 2304023T3
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Abstract

Una bomba de calor de adsorción para la climatización de un vehículo motorizado con una primera cámara de adsorción (1) que está unida por un primer elemento de unión (6) con un condensador (3) y por un segundo elemento de unión (7) con un evaporador (4), una segunda cámara de adsorción (2), que está unida por un tercer elemento de unión (8) con el condensador (3) y por un cuarto elemento de unión (9) con el evaporador (4), caracterizada por que las cámaras de adsorción (1, 2) el condensador (3) y el evaporador (4) están rodeados por una carcasa de vacío (5) no autoportante, donde las cámaras de adsorción contienen adsorbente que comprende un material de soporte que está recubierto con un adsorbente.

Description

Instalaciones de aire acondicionado para automóviles con bombas de calor de adsorción.
La invención se refiere a instalaciones de aire acondicionado para vehículos motorizados con bombas de calor de adsorción.
Las instalaciones de aire acondicionado para vehículos motorizados se realizan actualmente mediante máquinas de refrigeración por compresión accionadas mediante correas trapezoidales motoras. Por norma, como medio refrigerante se utiliza R134a. Es desventajoso que el R134a y otros hidrocarburos fluorados parcialmente halogenados posean un elevado potencial de efecto invernadero. Debido a las elevadas tasas de pérdidas en instalaciones de aire acondicionado de vehículos motorizados se desarrolla la utilización de medios refrigerantes menos peligrosos, como por ejemplo, CO_{2}. Sin embargo, de este modo no se puede reducir el consumo de combustible adicional no despreciable de aproximadamente 1l/100km/h. Las máquinas de refrigeración por compresión por norma tampoco se pueden accionar con el motor de arranque del vehículo motorizado desconectado. Esto conduce a temperaturas en estacionamiento incómodamente elevadas. Las elevadas temperaturas de estacionamiento también condicionan un diseño potente de las máquinas de refrigeración por compresión para conseguir temperaturas agradables después del arranque del motor de conexión en un tiempo razonablemente breve en el espacio interno del vehículo.
Debido a las desventajas que se han mencionado anteriormente se realizan esfuerzos para utilizar, para la climatización de vehículos motorizados, bombas de calor accionadas térmicamente, particularmente bombas de calor de adsorción. Sin embargo, las mismas no se han podido utilizar comercialmente ya que requieren demasiado es-
pacio.
A partir del documento US 4 408 468 se conoce una bomba de calor de adsorción que sirve como base para el preámbulo de la reivindicación 1.
Por lo tanto, es objetivo de la presente invención proporcionar una bomba de calor de adsorción que presente una construcción compacta y sea adecuada para el funcionamiento en vehículos motorizados. La invención tiene adicionalmente el objetivo de proporcionar un método para la climatización continua con bombas de calor de adsorción. Además se indican usos adecuados de bombas de calor de adsorción en la técnica de climatización de vehículos.
Los objetivos se resuelven por las reivindicaciones independientes. Se encuentran perfeccionamientos ventajosos en las reivindicaciones dependientes.
De acuerdo con la invención se ha observado que una bomba de calor de adsorción para la climatización de un vehículo motorizado con dos cámaras de adsorción, que están unidas respectivamente con un condensador y un evaporador, se puede realizar particularmente compacta y robusta cuando se recubre el material de soporte con el adsorbente. Con el recubrimiento de materiales de soporte adecuados se pueden proporcionar grandes superficies, que quedan disponibles para la adsorción y la desorción, en un espacio pequeño. Sobre todo se consigue por el recubrimiento un suministro y una salida de calor esencialmente mejor al material de adsorción ya que la conducción de calor entre el material de soporte y el adsorbente está considerablemente mejorada. El material de soporte, por norma, metal con buenas características de conducción de calor, se puede enfriar y calentar bien con un intercambiador de calor. El material de soporte puede ser, a modo de ejemplo, una disposición de varias placas de aluminio que se refrigeran por agua de refrigeración. En bombas de calor de adsorción convencionales, el adsorbente se presenta como material a granel. La conducción de calor hasta un posible intercambiador de calor es mala.
Las cámaras de adsorción, el condensador y el evaporador, además, están rodeados de una carcasa de vacío no autoportante. De este modo es posible una realización de la carcasa de vacío con ahorro de espacio, y sobre todo, con ahorro de peso. Una realización con ahorro de peso es importante en un vehículo motorizado para ahorrar combustible y, con la misma motorización, obtener una mejor aceleración. Por lo tanto, se puede usar una carcasa de vacío autoportante ya que la carcasa de vacío se lleva por las piezas montadas.
Una posibilidad adicional de realizar una bomba de calor de adsorción con un ahorro de espacio particular se obtiene cuando el evaporador y el condensador se disponen entre las dos cámaras de adsorción. Para volver a conducir la sustancia activa que se libera durante la desorción, que se condensa en el condensador, hasta el evaporador, entre el condensador y el evaporador hay una conducción de retorno de condensado. Para mantener la mayor presión en el condensador y la menor presión en el evaporador, en la conducción de retorno de condensado se proporciona un elemento de unión reductor de presión, realizado por norma como válvula de regulación. Para los elementos de unión previstos entre las cámaras de adsorción y el evaporador y el condensador se pueden proporcionar válvulas.
La construcción que se ha mencionado anteriormente es particularmente adecuada incluso para bombas de calor de adsorción en las que el material de soporte está recubierto por material de adsorción y se proporciona una carcasa de vacío autoportante.
Preferiblemente se utilizan válvulas termohidráulicas como elementos de unión entre las cámaras de adsorción y el condensador o el evaporador. De este modo se puede conseguir que en una cámara de adsorción calentada para la desorción se abra la válvula hacia el condensador por la elevada temperatura y se cierre la válvula hacia el evaporador. También es posible que por enfriamiento durante la adsorción se abra la válvula hacia el evaporador y se cierre la válvula hacia el condensador.
Se puede conseguir un funcionamiento con ahorro de energía de la bomba de calor de adsorción si se proporciona un intercambiador de calor en el que se puede conducir el calor que se puede obtener del motor de arranque al material de adsorción que se tiene de desorber. Incluso después de un tiempo de accionamiento corto del motor de arranque hay suficiente calor de salida disponible para desorber el material de adsorción. El calor que se obtiene en el motor de arranque se puede retirar por el radiador y/o por un intercambiador de calor al gas de escape. Para posibilitar un funcionamiento de la bomba de calor de adsorción independientemente del funcionamiento del motor de arranque se prevé alternativamente o adicionalmente proporcionar el calor necesario por la calefacción en estacionamiento.
Para posibilitar una construcción compacta y con ahorro de peso, el intercambiador de calor, con el que se suministra calor durante la desorción, se diseña de tal forma que se puede extraer el calor que se obtiene durante la adsorción. Para esto se puede aplicar en el intercambiador de calor una válvula que permite que un medio secundario fluya al radiador del motor de arranque o a un radiador externo para la salida del calor que se libera durante la adsorción.
El frío que se puede generar en el evaporador se puede transferir por un medio de transferencia de calor y/o un tubo térmico a un radiador de aire. En este radiador de aire se puede enfriar el aire bombeado hacia una zona que se tiene que refrigerar. Generalmente se tiene que enfriar el habitáculo. Sin embargo, también se puede concebir el enfriamiento del espacio de carga de un camión que transporta artículos perecederos. La transferencia del frío por un medio de transferencia de calor o un tubo térmico tiene la ventaja de que el evaporador se puede realizar más pequeño ya que se necesita una superficie relativamente pequeña para transferir el frío del evaporador a un medio de transferencia de calor líquido o a un tubo térmico.
Sin embargo, también es posible enfriar el aire que se tiene que enfriar directamente en el evaporador. Esto tiene la ventaja de que el evaporador puede tener una temperatura mayor que en la alternativa anterior para obtener un aire lo suficientemente frío. Con una mayor temperatura en el evaporador se puede conseguir por motivos termodinámicos una mayor eficacia de la bomba de calor de adsorción.
Una configuración compacta del condensador también se consigue cuando el calor que se obtiene en las cámaras de adsorción y/o en el condensador se puede transferir por un medio de transferencia de calor líquido y/o un tubo térmico a un radiador de retorno en el que se puede transferir el calor al aire externo. También se puede concebir una integración en el sistema de refrigeración del motor de arranque.
Si se posibilita que el calor que se obtiene en las cámaras de adsorción y/o en el condensador se transfiera directamente al aire externo, la diferencia de temperatura entre la temperatura externa y la temperatura del condensador puede ser menor, ya que se omite la diferencia de temperatura requerida para la transferencia de calor a un circuito de refrigeración intermedio. Esto permite, particularmente a temperaturas elevadas del aire externo, un accionamiento más eficaz de la bomba de calor de adsorción.
Son materiales de adsorción adecuados para una bomba de calor de adsorción para la climatización de vehículos motorizados las zeolitas. También son adecuados otros tectosilicatos y silicatos de poro abierto amorfos, a modo de ejemplo, gel de sílice o carbonos activados. Básicamente se consideran todos los adsorbentes conocidos a partir de la técnica de las bombas de calor de adsorción.
El agua es apropiada como sustancia activa ya que con características termodinámicas adecuadas al mismo tiempo es barata y adecuada. También son adecuados el metanol o mezclas de metanol-agua. Básicamente se pueden usar todas las sustancias activas conocidas.
Se puede conseguir un aumento evidente de la comodidad cuando se proporciona un control de la bomba de calor de adsorción que posibilite una climatización en un tiempo predeterminado y/o después de la recepción de una señal que se puede desencadenar en el exterior del vehículo. El habitáculo del vehículo motorizado se calienta en ocasiones considerablemente durante el estacionamiento con un tiempo correspondiente. Incluso instalaciones de aire acondicionado potentes necesitan tiempos más prologados para proporcionar temperaturas agradables en el habitáculo. El diseño potente necesario de las instalaciones de aire acondicionado conduce a un mayor requerimiento de espacio, a un mayor peso y a un mayor consumo energético durante el funcionamiento. Esto se puede evitar cuando la climatización comienza en un momento predeterminado antes del inicio planeado de la conducción. Ya que el nuevo inicio de la conducción a menudo está claro al abandonar el vehículo es adecuado si la climatización se puede desencadenar por una señal que se puede desencadenar por el usuario desde el exterior del vehículo. Esto se puede realizar, a modo de ejemplo, por aparatos radioeléctricos, teléfonos móviles u otros aparatos para la transmisión inalámbrica de señal. El funcionamiento de la instalación de aire acondicionado durante el estacionamiento no es posible en máquinas de refrigeración por compresión como se utilizan habitualmente para la climatización de vehículos. Por el contrario, las bombas de calor de adsorción se pueden accionar, a modo de ejemplo, con una calefacción de estacionamiento.
Una posibilidad adicional para una construcción compacta de la bomba de calor de adsorción se consigue proporcionando para la transferencia de calor desde el material de adsorción a un medio secundario que fluye en un intercambiador de calor, una esponja de metal. La esponja de metal puede servir como medio de soporte para el adsorbente. De este modo, las cámaras de adsorción presentan una plasticidad libre. Se pueden configurar flexibles y utilizar espacio libre en el espacio del motor o en otras zonas del vehículo motorizado. Una bomba de calor con una esponja de metal para la transferencia de calor y/o como material de soporte para el adsorbente ofrece generalmente las ventajas que se han mencionado en todas las bombas de calor de adsorción. Por lo tanto, en todas bombas de calor de adsorción básicamente son posibles las configuraciones que se describen a continuación de la bomba de calor de adsorción.
De este modo es posible disponer las cámaras de adsorción de tal forma que la esponja de metal puede servir en el caso de un accidente para admitir energía cinética. De este modo, la bomba de calor de adsorción sirve al mismo tiempo como dispositivo de seguridad. Esto aumenta con el mismo peso la seguridad o permite la misma seguridad con un ahorro de peso.
De forma particularmente adecuada para esto se puede configurar la bomba de calor de adsorción como parachoques del vehículo motorizado. De este modo, la bomba de calor de adsorción se puede alojar con ahorro de espacio y peso. Además, el enfriamiento se puede realizar de forma sencilla por aire del exterior.
Para poder conseguir una climatización prácticamente continua de un vehículo motorizado durante el funcionamiento continuo, una bomba de calor de adsorción con una primera cámara de adsorción y una segunda cámara de adsorción se tiene que accionar de tal forma que, de forma alterna, se adsorba o desorba la primera cámara de adsorción y al mismo tiempo se desorba o adsorba la segunda cámara de adsorción. Este funcionamiento permite de forma sencilla una climatización prácticamente continua. Para la adsorción de una cámara de adsorción existe una unión abierta entre la respectiva cámara de adsorción y el evaporador y ninguna unión abierta entre la respectiva cámara de adsorción y el condensador. Por el contrario, para la desorción existe una unión abierta de la respectiva cámara de adsorción con el condensador y ninguna unión abierta con el evaporador.
Un perfeccionamiento del método consiste en que después de desconectar el motor de arranque del vehículo motorizado, las cámaras de adsorción se desorben sin adsorción simultánea. Después de desconectar el motor de arranque, por norma se evita la necesidad de climatizar el vehículo motorizado. Sin embargo, el habitáculo a menudo se calienta en gran medida, de forma que se tiene que prever que será necesaria una climatización sin que el calor necesario para la desorción se pueda obtener a partir del calor de salida del motor de arranque. Por lo tanto, después de desconectar el motor de arranque es adecuado utilizar el calor de salida todavía presente para desorber la cámara de adsorción incluso si momentáneamente no se realiza adsorción.
Una bomba de calor de adsorción se puede utilizar como acumulador de frío y/o calor manteniendo el material de adsorción en un estado desorbido. El uso como acumulador de frío se realiza utilizando la posibilidad de generar frío en el evaporador por adsorción del material de adsorción. Con el uso como acumulador de calor se utiliza el hecho de que se libera calor durante la adsorción. Este calor se puede utilizar, a modo de ejemplo, para el precalentamiento del motor de arranque. De este modo se pueden disminuir el consumo de combustible y el desgaste. También es posible de este modo un calentamiento del habitáculo con ahorro de energía.
Mediante las figuras se describirán a continuación detalles. Se muestra
En la Figura 1, una construcción básica de la bomba de calor de adsorción de acuerdo con la invención.
En la Figura 2a, una vista en alzado y en la Figura 2b una vista lateral de una bomba de calor de adsorción configurada como parachoques.
En las Figuras 3a y 3b, una inclusión de la bomba de calor de adsorción en la instalación de aire acondicionado de un vehículo con transmisores de calor separados.
En las Figuras 4a y 4b, realizaciones con refrigeración de retorno integrada.
Las Figuras 5a y 5b muestran realizaciones con calentamiento directo del evaporador por el aire del entorno.
En la Figura 1 se puede observar la construcción básica de la bomba de calor de adsorción de acuerdo con la invención. La primera cámara de adsorción 1, la segunda cámara de adsorción 2, el condensador 3 y el evaporador 4 están rodeados por una carcasa de vacío 5 no autoportante. Las cámaras de adsorción 1, 2 están unidas por válvulas 6, 7, 8, 9 respectivamente con el condensador 3 y el evaporador 4. El condensador 3 y el evaporador 4 se disponen entre las cámaras de adsorción. El condensador 3 y el evaporador 4 están unidos por una conducción de retorno de condensado 10, que comprende una válvula de regulación 11.
En la Figura 2a se muestra una vista en alzado de una bomba de calor de adsorción que está configurada como parachoques. En las cámaras de adsorción se incluyen esponjas de metal como transmisores de calor. Esto posibilita la configuración representada de la bomba de calor de adsorción como parachoques. En la Figura 2b se muestra una vista lateral de la bomba de calor de adsorción configurada como parachoques.
La Figura 3a muestra la inclusión de la bomba de calor de adsorción en el sistema de aire acondicionado del vehículo. El calor de salida procedente del motor de arranque 12 se suministra a la bomba de calor de adsorción 13. Como medio de transferencia de calor sirve una mezcla agua-glicol. De este modo se suministra el calor requerido para la desorción. El calor se tiene que suministrar para una bomba de calor de adsorción con el adsorbente zeolita y la sustancia activa agua a una temperatura de al menos 70ºC.
El frío generado en el evaporador 4 de la bomba de calor de adsorción 13 se transporta con una mezcla de agua-glicol al radiador de aire 14. En el radiador de aire 14 se transfiere el frío por un intercambiador de calor al aire que se tiene que enfriar. El aire enfriado se bombea al interior del habitáculo. El calor que se libera durante la adsorción y durante la condensación se transporta con una mezcla de agua-glicol al refrigerador de retorno 15.
La Figura 3b muestra una realización en la que el transporte de calor entre la bomba de calor de adsorción y el refrigerador de retorno y el radiador de aire se realiza respectivamente por un tubo térmico.
La Figura 4a muestra una construcción sin refrigerador de retorno externo. En este caso se transfiere el calor que se produce en la bomba de calor de adsorción 13 directamente al aire del exterior. La Figura 4b muestra una variante en la que la transferencia del calor desde la bomba de calor de adsorción 13 al radiador de aire 14 se realiza por un tubo térmico. El calor requerido para la desorción se transfiere desde el motor de arranque 12 con una mezcla de agua-glicol a la bomba de calor de adsorción 13.
La Figura 5a muestra una realización en la que el frío generado en el evaporador 4 se transfiere directamente al aire que se bombea al interior del habitáculo. El calor que se libera durante la adsorción y en el condensador se emite con una mezcla de agua-glicol al refrigerador de retorno 15. Alternativamente también se puede transferir, como se muestra en la Figura 5b, el calor con un tubo térmico al refrigerador de retorno 15. El calor requerido para la desorción se transfiere desde el motor de arranque 12 con una mezcla de agua-glicol a la bomba de calor de adsorción 13.
Lista de referencias
1
primera cámara de adsorción
2
segunda cámara de adsorción
3
condensador
4
evaporador
5
carcasa de vacío
6
válvula entre la primera cámara de adsorción y el condensador
7
válvula entre la primera cámara de adsorción y el evaporador
8
válvula entre la segunda cámara de adsorción y el condensador
9
válvula entre la segunda cámara de adsorción y evaporador
10
conducción de retorno de condensado
11
válvula de regulación
12
motor de arranque
13
bomba de calor de adsorción
14
radiador de aire
16
refrigerador de retorno.

Claims (19)

1. Una bomba de calor de adsorción para la climatización de un vehículo motorizado con una primera cámara de adsorción (1) que está unida por un primer elemento de unión (6) con un condensador (3) y por un segundo elemento de unión (7) con un evaporador (4), una segunda cámara de adsorción (2), que está unida por un tercer elemento de unión (8) con el condensador (3) y por un cuarto elemento de unión (9) con el evaporador (4), caracterizada porque las cámaras de adsorción (1, 2) el condensador (3) y el evaporador (4) están rodeados por una carcasa de vacío (5) no autoportante, donde las cámaras de adsorción contienen adsorbente que comprende un material de soporte que está recubierto con un adsorbente.
2. Una bomba de calor de adsorción, particularmente la bomba de calor de adsorción de acuerdo con la reivindicación 1, con una primera cámara de adsorción (1) que está unida por un primer elemento de unión (6) con un condensador (3) y por un segundo elemento de unión (7) con un evaporador (4), una segunda cámara de adsorción (2), que está unida por un tercer elemento de unión (8) con el condensador (3) y por un cuarto elemento de unión (9) con el evaporador (4), caracterizada porque las cámaras de adsorción (1, 2), el condensador (3) y el evaporador (4) están rodeados por una carcasa de vacío (5) no autoportante, donde el evaporador (4) y el condensador (3) se disponen entre la primera cámara de adsorción (1) y la segunda cámara de adsorción (2) y están unidos por una conducción de retorno de condensado (10) con un elemento de unión reductor de presión (11).
3. La bomba de calor de adsorción de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque se utilizan válvulas termohidráulicas como elementos de unión (6, 7, 8, 9) entre las cámaras de adsorción (1, 2) y el condensador (3) así como el evaporador (4).
4. La bomba de calor de adsorción de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque en las cámaras de adsorción (1, 2) se proporciona un intercambiador de calor, en el que se puede suministrar el calor que se puede obtener por el motor de arranque (12) y/o por una calefacción de estacionamiento al material de adsorción que se tiene que desorber.
5. La bomba de calor de adsorción de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el intercambiador de calor es adecuado para extraer el calor que se libera durante la adsorción.
6. La bomba de calor de adsorción de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el frío que se puede generar en el evaporador (4) se puede transferir por un medio de transferencia de calor y/o un tubo térmico a un radiador de aire (14) en el que se puede enfriar el aire que se tiene que transportar a una zona que se tiene que enfriar.
7. La bomba de calor de adsorción de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque el frío que se puede generar en el evaporador (4) se puede transferir directamente al aire que se tiene que transportar a la zona que se tiene que enfriar.
8. La bomba de calor de adsorción de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque el calor que se obtiene en las cámaras de adsorción (1, 2) y/o en el condensador (3) se puede transferir por un medio de transferencia de calor y/o un tubo térmico a un refrigerador de retorno (15) en el que se puede emitir el calor al aire del exterior.
9. La bomba de calor de adsorción de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque el calor que se obtiene en las cámaras de adsorción (1, 2) y/o en el condensador (3) se puede emitir directamente al aire del exterior.
10. La bomba de calor de adsorción de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el material de adsorción es una zeolita.
11. La bomba de calor de adsorción de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la sustancia activa es agua.
12. La bomba de calor de adsorción de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque está presente un control de la bomba de calor de adsorción, que posibilita una climatización en un momento predeterminado y/o después de la recepción de una señal que se puede desencadenar desde el exterior del vehículo.
13. Una bomba de calor de adsorción, particularmente de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque para la transferencia de calor desde el material de adsorción a un medio secundario que fluye en un intercambiador de calor, se proporciona una esponja de metal.
14. La bomba de calor de adsorción de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizada porque las cámaras de adsorción (1, 2) en un vehículo motorizado se disponen de tal forma que la esponja metálica puede servir en el caso de un accidente para admitir energía cinética.
15. La bomba de calor de adsorción de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la bomba de calor de adsorción está configurada como parachoques del vehículo motorizado o se dispone en una subzona del parachoques.
16. Un método para la climatización de un vehículo motorizado con una bomba de calor de adsorción de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 15, en que se adsorbe o desorbe de forma alterna la primera cámara de adsorción (1) y al mismo tiempo se desorbe la segunda cámara de adsorción (2) durante la adsorción de la primera cámara de adsorción (1) o se adsorbe durante la desorción de la primera cámara de adsorción (1).
17. El método de acuerdo con la reivindicación 16, caracterizado porque después de desconectar el motor de arranque (12) del vehículo motorizado se desorbe al menos una cámara de adsorción (1, 2) sin adsorción simultánea.
18. Un uso de una bomba de calor de adsorción, particularmente de una bomba de calor de adsorción de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 15, como acumulador de frío y/o como acumulador de calor, en el que se mantiene el material de adsorción en un estado desorbido.
19. El uso de una bomba de calor de adsorción, particularmente de una bomba de calor de adsorción de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 15, en el que el calor que se libera durante la adsorción se utiliza para el precalentamiento del motor.
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