ES2307033T3 - Regulacion de presion supercritica de un sistema de refrigeracion economizado. - Google Patents

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Abstract

Un sistema de refrigeración (20) que comprende: un compresor (22) para comprimir un refrigerante hasta una alta presión; un intercambiador de calor (24) que desecha calor para enfriar dicho refrigerante; un intercambiador de calor economizador (30), dividiéndose dicho refrigerante que sale de dicho intercambiador de calor que desecha calor en un trayecto economizado (34) el cual se reduce hasta una baja presión en un dispositivo de expansión economizador (36) y un trayecto principal (32), intercambiando calor entre sí dicho refrigerante en dicho trayecto principal y dicho refrigerante en dicho trayecto economizado en dicho intercambiador de calor economizador, retornando dicho trayecto economizado a dicho compresor y fluyendo dicho trayecto principal a un dispositivo de expansión principal (26) y; un acumulador (44) colocado entre dicho intercambiador de calor economizador y dicho compresor para almacenar una cantidad de carga; dicho dispositivo de expansión principal (26) para reducir dicho refrigerante en dicho trayecto principal hasta una presión baja y dicho dispositivo de expansión principal (26) operable para regular el recalentamiento en una abertura de succión (40) del compresor; y un intercambiador de calor (28) que acepta calor para evaporar dicho refrigerante, caracterizado porque dicha alta presión en dicho sistema se controla mediante un dispositivo de control (46) y dicho dispositivo de control (46) abre dicho dispositivo de expansión economizador (36) cuando dicho dispositivo de control detecta que dicha alta presión en dicho sistema está por encima de una alta presión deseada para disminuir dicha alta presión o dicho dispositivo de control (46) cierra dicho dispositivo de expansión economizador (36) cuando dicho dispositivo de control detecta que dicha alta presión en dicho sistema está por debajo de una alta presión deseada para aumentar dicha alta presión.

Description

Regulación de presión supercrítica de un sistema de refrigeración economizado.
Antecedentes de la invención
La presente invención se refiere generalmente a un sistema para regular el componente de alta presión en un sistema de refrigeración economizado regulando la cantidad de refrigerante en el componente de alta presión de un sistema con un acumulador de etapas intermedias colocado entre un intercambiador de calor economizador y un compresor.
Los refrigerantes que contienen cloro han ido disminuyendo progresivamente su uso en el mundo debido a su potencial destructor de la capa de ozono. Se han usado compuestos hidrofluorocarbonados (HCF) como refrigerantes de sustitución, pero estos refrigerantes todavía tienen un alto potencial de calentamiento global. Se han propuesto refrigerantes "naturales", tales como el dióxido de carbono y el propano como fluidos de sustitución. Desgraciadamente, existen también problemas con el uso de muchos de estos fluidos. El dióxido de carbono tiene un punto crítico bajo, lo que hace que la mayoría de los sistemas de acondicionamiento de aire que utilizan dióxido de carbono operen parcialmente por encima del punto crítico, u operen de manera transcrítica, en la mayoría de las condiciones. La presión de cualquier fluido subcrítico es una función de la temperatura en condiciones saturadas (cuando están presentes tanto el líquido como el vapor). Sin embargo, cuando la temperatura del fluido es más alta que la temperatura crítica (supercrítica), esta presión se vuelve una función de la densidad del fluido.
Cuando un sistema de refrigeración opera de forma transcrítica, resulta ventajoso para regular el componente del alta presión del sistema. Al regular la alta presión del sistema, se puede controlar y optimizar la capacidad y/o eficiencia de dicho sistema.
En la técnica anterior, el componente de alta presión de un sistema de refrigeración ha sido regulado ajustando una válvula de expansión situada a la salida del enfriador del gas, lo que permite controlar la capacidad y eficiencia del sistema. Se han empleado también intercambiadores de calor en el conducto de succión y depósitos de almacenamiento para aumentar la capacidad y eficiencia del sistema.
El documento EP 0837291 describe un sistema de refrigeración que en una disposición, divide el refrigerante procedente de un reductor de presión y emplea un acumulador. Los documentos JP-10-318614A, JP-8-005163A y JP 56-068755A describen otros sistemas de refrigeración.
Se puede aumentar también la capacidad del sistema empleando un intercambiador de calor economizador para subenfriar el líquido refrigerante que sale del intercambiador de calor que desecha calor. El refrigerante se divide en dos corrientes después de dejar el intercambiador de calor que desecha calor. Una corriente economizadora se expande hasta una presión baja e intercambia calor con una corriente principal en el intercambiador de calor economizador. El refrigerante procedente de la corriente economizadora se inyecta en el compresor. El refrigerante en la corriente principal se expande mediante un dispositivo de expansión principal. Al enfriar adicionalmente la corriente principal con el refrigerante en la corriente economizadora, disminuye la entalpía de entrada al evaporador, aumentando la capacidad de enfriamiento.
Según la presente invención, se proporciona un sistema de refrigeración según la reivindicación 1. Al menos en sus realizaciones preferidas, un sistema de refrigeración economizado incluye un compresor, un enfriador de gas, un dispositivo de expansión principal, un evaporador, y un intercambiador de calor economizador. Después de enfriarse en el enfriador de gas, el refrigerante se divide en una corriente economizadora y en una corriente principal. El refrigerante en la corriente economizadora se expande hasta una presión más baja en un dispositivo de expansión economizador e intercambia calor con el refrigerante en la corriente principal en el intercambiador de calor economizador. El refrigerante en la corriente economizadora se devuelve al compresor o entre las etapas de un procedimiento de compresión de múltiples estados. Un acumulador colocado entre el intercambiador de calor economizador y el comprensor almacena una cantidad de refrigerante procedente del intercambiador de calor economizador, ajustando la cantidad de refrigerante en el sistema, y, por lo tanto, la alta presión del sistema. Preferiblemente, el refrigerante es dióxido de carbono. El refrigerante en la corriente principal se expande mediante el dispositivo de expansión principal y se calienta en el evaporador, completando el ciclo. Al regular la alta presión del sistema, se puede optimizar la eficiencia y capacidad de dicho sistema.
Regulando la cantidad de refrigerante almacenado en el acumulador, y, por lo tanto, la cantidad de refrigerante en el sistema, se puede regular la alta presión del sistema. La cantidad de refrigerante almacenada en el acumulador se regula accionando el dispositivo de expansión economizador. La alta presión en el enfriador de gas se controla mediante un dispositivo de control que se acciona en el dispositivo de expansión economizador en respuesta a la alta presión del sistema.
Si el dispositivo de expansión economizador está ligeramente abierto, fluye más refrigerante a través del intercambiador de calor economizador y se enfría el refrigerante en la corriente principal. Como el refrigerante en la corriente economizadora no está recalentado, el líquido refrigerante procedente del intercambiador de calor economizador se acumula en el acumulador, disminuyendo tanto la cantidad de refrigerante en el sistema como la alta presión del sistema. Si el dispositivo de expansión economizador está ligeramente cerrado, fluye menos refrigerante a través del intercambiador de calor economizador, aumentando el recalentamiento del refrigerante en la corriente economizadora. A medida que el refrigerante se recalienta, se acumula menos refrigerante en el acumulador, aumentando la cantidad de refrigerante en el sistema y la alta presión en el sistema. Se puede usar el dispositivo de expansión principal para controlar el recalentamiento de succión después del evaporador o antes de la primera etapa de compresión.
Breve descripción de los dibujos
Las diferentes características y ventajas de la invención resultarán evidentes para los expertos en la técnica a partir de la siguiente descripción detallada de la realización comúnmente preferida. Los dibujos que acompañan a la descripción detallada se pueden describir brevemente como sigue:
La Figura 1 ilustra un diagrama esquemático de un sistema de refrigeración de la técnica anterior que emplea un intercambiador de calor economizador;
La Figura 2 ilustra una gráfica que representa la presión frente a la entalpía para un ciclo economizador y un ciclo no economizador; y
La Figura 3 ilustra el sistema economizado de la presente invención que emplea un acumulador.
Descripción detallada de la realización preferida
La Figura 1 ilustra esquemáticamente un sistema de refrigeración economizado 20 de la técnica anterior. El sistema 20 incluye un compresor 22, un intercambiador de calor 24 que desecha el calor (un enfriador de gas en ciclos transcríticos), un dispositivo de expansión principal 26, un intercambiador de calor 28 que acepta calor (un evaporador), y un intercambiador de calor economizador 30. El refrigerante circula a través del sistema de circuito cerrado 20. El refrigerante sale del compresor 22 a través de una abertura de descarga 42 a alta presión y entalpía. El refrigerante fluye a través del enfriador de gas 24 y pierde calor, saliendo a una presión y entalpía más bajas. El refrigerante luego se divide en dos corrientes 32 y 34. El refrigerante en la corriente economizadora 34 se expande hasta una baja presión en un dispositivo de expansión economizador 36 e intercambia calor con el refrigerante en la corriente principal 32 en el intercambiador de calor economizador 30, enfriándose el refrigerante en la corriente principal 32. El refrigerante en la corriente economizadora 34 se devuelve a lo largo del recorrido de retorno economizador 56 al compresor 22 a través de la abertura economizadora 38 a una presión entre la presión de succión y la presión de descarga. El refrigerante en la corriente principal 32 se expande mediante el dispositivo de expansión principal 26 y luego se calienta en el evaporador 28. El refrigerante entra entonces en el compresor 22 a través de la abertura de succión 40 y se mezcla con el refrigerante procedente del recorrido de retorno 56.
Preferiblemente, se usa dióxido de carbono como el refrigerante. Aunque se ilustra el uso de dióxido de carbono, se entiende que se pueden usar otros refrigerantes. Debido a que el dióxido de carbono tiene un punto crítico bajo, los sistemas que utilizan dióxido de carbono como el refrigerante usualmente requieren que el sistema 20 opere de forma transcrítica. Cuando el sistema 20 se opera de forma transcrítica, resulta ventajoso regular el componente de alta presión del sistema 20. Regulando la alta presión del sistema 20, se puede controlar y optimizar la capacidad/eficiencia de dicho sistema 20.
En la Figura 2 se ilustra un diagrama termodinámico tanto de un ciclo economizado como de un ciclo no economizado. En un sistema no economizado, el refrigerante sale del compresor 22 a una alta presión y entalpía, mostradas por el punto A. A medida que el refrigerante fluye a través del enfriador de gas 24 a alta presión, éste pierde calor y entalpía, saliendo del enfriador de gas 24 con baja entalpía y alta presión, indicado como punto B. A medida que el refrigerante pasa a través del dispositivo de expansión 26, la presión disminuye, como se muestra por el punto C. Después de la expansión, el refrigerante pasa a través del evaporador 28 y sale a una alta entalpía y baja presión, representado por el punto D. Después de que el refrigerante pasa a través del compresor 22, éste está nuevamente a alta presión y entalpía, completando el ciclo.
En un ciclo economizado, el flujo que sale del intercambiador de calor 24 que desecha calor en el punto B se divide en dos partes. Una parte del flujo 34 se expande hasta una presión y temperatura más bajas, como se indica por el punto E. A continuación, este flujo intercambia calor con el flujo principal 32 en un intercambiador de calor economizador 30. El flujo principal 32 sale del intercambiador de calor economizador 30 en el punto B', mientras que el flujo economizador sale en el punto F. El flujo principal luego se expande hasta una presión y temperatura más bajas, como se indica por el punto C'. Este flujo se dirige a través de un evaporador 28 al punto D. El flujo principal luego se comprime en un compresor 22. Durante el proceso de compresión, o entre las etapas de un proceso de compresión de múltiples etapas, se añade el flujo economizador procedente del punto F, disminuyendo la temperatura del flujo principal hasta el punto G, y haciendo que el proceso de compresión salga en el punto A' en lugar de en el punto A, completando el ciclo.
La alta presión del sistema 20 es una función de la temperatura y de la densidad del refrigerante en el enfriador de gas 24. Como la densidad es una función tanto de la masa como del volumen, y el volumen dentro del enfriador de gas 24 típicamente no cambia, la alta presión en el enfriador de gas 24 es sólo una función de la masa y temperatura del refrigerante en el enfriador de gas 24. Por lo tanto, controlando la masa de refrigerante en el enfriador de gas 24, se puede regular la alta presión del sistema 20.
La figura 3 ilustra el sistema 20 de la presente invención. El sistema 20 incluye además un acumulador 44 de etapas intermedias colocado entre el intercambiador de calor economizador 30 y la abertura economizadora 38 del compresor 22 para almacenar refrigerante. Si el flujo neto de refrigerante en el sistema 20 está dentro del acumulador 44, hay menos refrigerante circulando a través del sistema, y la presión del enfriador de gas 24 disminuirá si el recalentamiento de succión se mantiene constante. De manera alternativa, si el flujo neto de refrigerante en el sistema 20 está fuera del acumulador 44, hay más refrigerante circulando a través del sistema 20, y la presión del enfriador de gas 24 aumentará si el recalentamiento de succión se mantiene constante.
El dispositivo de expansión principal 26 regula la corriente principal 32 que fluye hacia el evaporador 28, y por lo tanto, el recalentamiento de succión del compresor 22. Si el dispositivo de expansión principal 26 está ligeramente abierto, fluye más refrigerante a través del evaporador 28, y el recalentamiento en la succión del compresor 22 disminuye. Si el dispositivo de expansión principal 26 está ligeramente cerrado, fluye menos refrigerante a través del evaporador 28, y el recalentamiento en la abertura de succión 40 del compresor 22 aumenta.
El dispositivo de expansión economizador 36 regula la corriente economizadora 34 y, por lo tanto, la alta presión en el sistema 20. La cantidad de recalentamiento en la corriente economizadora 56 se regula tanto por el tamaño inicial del intercambiador de calor economizador 30 como por el flujo de refrigerante a través de la corriente economizadora 34, el cual se regula por el dispositivo de expansión economizador 36. Si el recalentamiento en la corriente economizadora 56 es positivo, habrá un flujo neto de refrigerante fuera del acumulador 44 que hará que ascienda la alta presión. Ajustando el dispositivo de expansión economizador 36, se puede regular la cantidad de refrigerante en el acumulador 44, y, por lo tanto, la alta presión en el sistema 20.
Si el dispositivo de expansión economizador 36 está ligeramente abierto, fluye más refrigerante a través del intercambiador de calor economizador 30 y se enfría el refrigerante en la corriente principal 32, disminuyendo el recalentamiento en la abertura economizadora 38. La cantidad de refrigerante en el sistema 20 disminuye, disminuyendo la alta presión del sistema 20.
Incluso si se acumula refrigerante líquido en el acumulador 44, el compresor 22 continuará extrayendo refrigerante del acumulador 44. Por lo tanto, la corriente economizadora 56 que sale del intercambiador de calor economizador 30 debe estar saturada para mantener un equilibrio entre el flujo que entra al acumulador 44 y el flujo que sale del acumulador 44. Si el flujo está saturado, disminuirá la cantidad de flujo del intercambiador de calor economizador 30, haciendo que el refrigerante fluya dentro del acumulador 44, disminuyendo la alta presión. Si el flujo no está saturado, el refrigerante en el enfriador de gas 24 fluirá eventualmente desde el acumulador 44 y dentro del sistema 20, aumentando la alta presión.
Si el dispositivo de expansión economizador 36 está ligeramente cerrado, fluirá menos refrigerante a través del intercambiador de calor economizador 30, aumentando el recalentamiento del refrigerante en la corriente economizadora 56. A medida que el refrigerante en la corriente economizadora 56 se recalienta, se acumula menos refrigerante en el acumulador 44, aumentando la cantidad de refrigerante en el sistema 20 y la alta presión en el sistema 20.
La alta presión en el enfriador de gas 24 se controla mediante un dispositivo de control 46. Si el dispositivo de control 46 detecta que la alta presión en el enfriador de gas 24 es demasiado elevada, dicho dispositivo de control 46 abre el dispositivo de expansión economizador 36 para dejar que el refrigerante procedente del enfriador de gas 24 fluya a través del intercambiador de calor economizador 30 y entre en el acumulador 44, disminuyendo la alta presión. De manera alternativa, si el dispositivo de control 46 detecta que la alta presión en el enfriador de gas 24 es demasiado baja, dicho dispositivo de control 46 cierra el dispositivo de expansión economizador 36 para evitar que el refrigerante proveniente del enfriador de gas 24 fluya a través del intercambiador de calor economizador 30 y entre en el acumulador 44, aumentando la alta presión.
El recalentamiento a la salida del evaporador 28 se regula también mediante un dispositivo de control del dispositivo de expansión principal 26, o bien a través de medios termomecánicos, tales como una válvula TXV, o por regulación de un sensor.
Se entenderá también que, aunque se ha ilustrado y descrito un único compresor 22, se puede emplear también un sistema de múltiples etapas de compresión en el que se utilizan múltiples compresores.
La descripción anterior es sólo un ejemplo de los principios de la invención. Es posible realizar muchas modificaciones y variaciones de la presente invención a la luz de las anteriores explicaciones. Se han descrito las realizaciones preferidas de esta invención, sin embargo, un experto común en la técnica reconocería que ciertas modificaciones entrarían dentro del alcance de esta invención. Por lo tanto, se ha de entender que dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas, se puede poner en práctica la invención de otro modo que como el descrito específicamente. Por esta razón, se han de estudiar las reivindicaciones siguientes para determinar el auténtico alcance y contenido de esta invención.

Claims (14)

1. Un sistema de refrigeración (20) que comprende:
un compresor (22) para comprimir un refrigerante hasta una alta presión;
un intercambiador de calor (24) que desecha calor para enfriar dicho refrigerante;
un intercambiador de calor economizador (30), dividiéndose dicho refrigerante que sale de dicho intercambiador de calor que desecha calor en un trayecto economizado (34) el cual se reduce hasta una baja presión en un dispositivo de expansión economizador (36) y un trayecto principal (32), intercambiando calor entre sí dicho refrigerante en dicho trayecto principal y dicho refrigerante en dicho trayecto economizado en dicho intercambiador de calor economizador, retornando dicho trayecto economizado a dicho compresor y fluyendo dicho trayecto principal a un dispositivo de expansión principal (26) y;
un acumulador (44) colocado entre dicho intercambiador de calor economizador y dicho compresor para almacenar una cantidad de carga;
dicho dispositivo de expansión principal (26) para reducir dicho refrigerante en dicho trayecto principal hasta una presión baja y dicho dispositivo de expansión principal (26) operable para regular el recalentamiento en una abertura de succión (40) del compresor; y
un intercambiador de calor (28) que acepta calor para evaporar dicho refrigerante, caracterizado porque dicha alta presión en dicho sistema se controla mediante un dispositivo de control (46) y dicho dispositivo de control (46) abre dicho dispositivo de expansión economizador (36) cuando dicho dispositivo de control detecta que dicha alta presión en dicho sistema está por encima de una alta presión deseada para disminuir dicha alta presión o dicho dispositivo de control (46) cierra dicho dispositivo de expansión economizador (36) cuando dicho dispositivo de control detecta que dicha alta presión en dicho sistema está por debajo de una alta presión deseada para aumentar dicha alta
presión.
2. El sistema como el mencionado en la reivindicación 1, en el que dicho refrigerante es dióxido de carbono.
3. El sistema (20) como el mencionado en la reivindicación 1, en el que dicha alta presión aumenta a medida que dicha cantidad de carga en dicho acumulador (44) disminuye.
4. El sistema (20) como el mencionado en la reivindicación 1, en el que dicha alta presión disminuye a medida que dicha cantidad de carga en dicho acumulador (44) aumenta.
5. El sistema (20) como el mencionado en la reivindicación 1, en el que una cantidad de dicho refrigerante que fluye a través de dicho intercambiador de calor (28) que acepta calor aumenta cuando se abre dicho dispositivo de expansión principal (26).
6. El sistema (20) como el mencionado en la reivindicación 1, en el que una cantidad de dicho refrigerante que fluye a través de dicho intercambiador de calor (28) que acepta calor disminuye cuando se cierra dicho dispositivo de expansión principal (26).
7. El sistema (20) como el mencionado en la reivindicación 1, en el que dicha cantidad de carga en dicho acumulador (44) se controla hasta el punto en el que dicho refrigerante en dicha corriente economizadora (34) se calienta.
8. El sistema (20) como el mencionado en la reivindicación 1, en el que dicha cantidad de carga en dicho acumulador (44) está controlada por dicho dispositivo de expansión economizador (36).
9. El sistema (20) como el mencionado en la reivindicación 1, en el que hay un aumento en dicha cantidad de carga en dicho acumulador (44) cuando dicho refrigerante en dicha corriente economizadora (34) no está recalentado, disminuyendo dicha alta presión.
10. El sistema (20) como el mencionado en la reivindicación 9, en el que dicho refrigerante en dicho acumulador (44) es líquido.
11. El sistema (20) como el mencionado en la reivindicación 1, en el que hay una disminución en dicha cantidad de carga en dicho acumulador (44) cuando dicho refrigerante en dicha corriente economizadora (34) se recalienta, aumentando dicha alta presión.
12. El sistema (20) como el mencionado en la reivindicación 1, en el que el refrigerante en el trayecto economizador (34) que entra al intercambiador de calor economizador (30), se desvía de dicho dispositivo de expansión principal (26) y del evaporador (28) después de salir del intercambiador de calor economizador (30).
13. El sistema (20) como el mencionado en cualquier reivindicación precedente, en el que el intercambiador de calor (24) que desecha calor es un enfriador de gas.
14. Un método para regular una alta presión de un sistema de refrigeración (20) que comprende las etapas de:
comprimir un refrigerante hasta dicha alta presión en un compresor (22);
enfriar dicho refrigerante en un intercambiador de calor (24) que desecha calor;
dividir dicho refrigerante que sale de dicho intercambiador de calor (24) que desecha calor en un trayecto principal (32) y un trayecto economizado (34);
expandir dicho refrigerante en dicho trayecto economizado;
intercambiar calor entre dicho refrigerante en dicho trayecto principal y dicho refrigerante en dicho trayecto economizado;
retornar dicho refrigerante en dicho trayecto economizado a dicha zona de compresión a lo largo de un conducto de retorno (56) y dejar fluir dicho refrigerante en dicho trayecto principal hacia una zona de expansión;
almacenar una cantidad de dicha carga procedente de dicho conducto de retorno (56);
expandir dicho refrigerante hasta una baja presión en un dispositivo de expansión principal (26);
regular el recalentamiento en una abertura de succión (40) del compresor (22) controlando el dispositivo de expansión principal (26);
evaporar dicho refrigerante;
ajustar dicha cantidad de dicha carga procedente de la zona de almacenamiento para regular dicha alta presión de dicho sistema;
controlar dicha alta presión en dicho sistema; y
abrir dicho dispositivo de expansión economizador (36) cunado un dispositivo de control (46) detecta que dicha alta presión en dicho sistema está por encima de una alta presión deseada para disminuir dicha alta presión, cerrar dicho dispositivo de expansión economizador (36) cuando dicho dispositivo de control detecta que dicha alta presión en dicho sistema está por debajo de una alta presión deseada para aumentar dicha alta presión.
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