ES2307635T3 - Separador de aceite y unidad de exterior con el separador de aceite. - Google Patents
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Abstract
Un separador de aceite, que comprende: - una envuelta (50) que tiene una sección cilíndrica, una sección cónica inferior que se estrecha en sentido descendente y está formada como parte enteriza en la parte inferior de la sección cilíndrica, y una sección cónica superior que se estrecha en sentido ascendente y está formada como parte enteriza en la parte superior de la sección cilíndrica, - un tubo de salida (51) que está insertado a través de la parte superior de la envuelta (50) de manera que el eje central del tubo de salida (51) coincide con el eje central de la envuelta (50), - un tubo de descarga (52) conectado a una abertura (50a) prevista en la parte inferior de la sección cónica inferior, y - un tubo de entrada (53) conectado tangencialmente a una superficie interna de la sección cilíndrica para introducir un flujo de gas-líquido de dos fases en la envuelta (50), en que una distancia (L2) entre la abertura (50a) y una tapa (51a) del tubo de salida (51) dentro de la envuelta (50) es al menos 5 veces el diámetro interior (D) del tubo de entrada (53), y en que la punta (51a) del tubo de salida (51) dentro de la envuelta (50) está situada debajo del centro del diámetro interior (D) del tubo de entrada (53) a una distancia (L1) de al menos 5 veces el diámetro interior (D) del tubo de entrada (53).
Description
Separador de aceite y unidad de exterior con el
separador de aceite.
La presente invención se refiere a un separador
de aceite utilizado principalmente en dispositivos de refrigeración
y dispositivos de aire acondicionado para separar aceite, que es
llevado fuera del compresor junto con un gas refrigerante, desde el
gas refrigerante y siendo devuelto luego este aceite al compresor, y
se refiere también a un aparato externo que utiliza dicho separador
de aceite. En particular, la invención se refiere a un separador de
aire-aceite de acuerdo con la reivindicación 1.
La figura 14 es un diagrama estructural interno
de un separador de aceite convencional descrito en el documento
JP-A-8-319815.
En la figura 14, 101 representa una envuelta que
tiene una forma sustancialmente cilíndrica, en que uno de los
extremos abiertos 101a es de diámetro pequeño y el otro extremo
abierto 101b es de diámetro grande. En el extremo abierto 101a está
formada una sección cónica 101c, y en el otro extremo abierto 101b
está formada una sección de pestaña 101f que se extiende hacia
afuera en dirección radial. Además, en el extremo abierto 101b está
formado un tubo de entrada 102 como parte enteriza de la envuelta
101, y en la envuelta 101 en una dirección tangencial a la
superficie cilíndrica interna de la envuelta 101 está formada una
lumbrera de entrada 102a.
103 representa un tubo de salida de
configuración cilíndrica con una sección de collarín 104 formada
alrededor de la sección media del tubo, y esta sección de collarín
104 tiene una sección de pestaña 104f que está unida sobre la
sección de pestaña 101f de la envuelta 101.
En ese tipo de separador de aceite, una mezcla
gas-líquido y de niebla de aceite fluye desde el
tubo de entrada 102 en dirección tangencial a la superficie interna
de la envuelta 101 y da vueltas alrededor del interior de la
envuelta 101, y la fuerza centrífuga hace que la niebla de aceite se
separe y se adhiera a la superficie interna de la envuelta 101, y
luego fluye hacia abajo a lo largo de la superficie interna y se
descarga desde el extremo abierto 101a. Además, el gas que queda
después de que la niebla de aceite ha sido separada es descargado
por el tubo de salida 103. Debido a que la abertura interna del tubo
de salida 103 dentro de la envuelta es mayor que la abertura
externa, se reduce la velocidad del gas dentro de la envuelta 101
cuando es introducido en el tubo de salida 103, de manera que se
impide que la niebla de aceite que se adhiere a la pared exterior
del tubo de salida 103 sea arrastrada en la corriente de gas y sea
atrapada en el tubo de salida 103.
La figura 15 es una vista en sección
longitudinal parcial de un separador de aceite convencional descrito
en el documento
JP-A-9-177529.
En la figura 15, 201 representa una envuelta que
está provista de una sección cilíndrica 202a con una sección de
pestaña integrada 202b que se extiende hacia afuera en el extremo
superior. Además, un cilindro de forma de cono invertido 202b está
unido de manera enteriza al borde inferior de la sección cilíndrica
202a, y una sección de recuperación de aceite 202d está unida de
manera enteriza a la abertura inferior del cilindro de forma de
cono invertido 202c. Asimismo, un tubo de entrada 203 está unido a
una abertura cerca del extremo superior de la sección cilíndrica
202a. Una tapa circular 204 está fijada a la sección de pestaña 202b
de la sección cilíndrica 202a. Un tubo de salida 205 pasa a través
del centro de la tapa 204. Una tela no tejida 206 de una
configuración predeterminada está unida al interior del tubo de
salida 205.
En este tipo de separador de aceite, el gas que
incorpora la niebla de aceite fluye desde el tubo de entrada 203 al
interior de la envuelta 201, y da vueltas dentro del espacio
cilíndrico formado entre la sección cilíndrica 202a y el tubo de
salida 205 que se extiende dentro de la sección cilíndrica 202a.
Como consecuencial del efecto ciclón que resulta del gas en
rotación, la niebla de aceite contenida en el gas, particularmente
con un diámetro de partícula de
5 \mum o mayor, choca con la superficie interna de la envuelta 201 y se condensa y, cuando una partícula crece hasta un diámetro suficientemente grande en la superficie interna, la gravedad hace que la partícula se deslice por la superficie interna abajo y fluya dentro de la sección de recuperación de aceite 202d.
5 \mum o mayor, choca con la superficie interna de la envuelta 201 y se condensa y, cuando una partícula crece hasta un diámetro suficientemente grande en la superficie interna, la gravedad hace que la partícula se deslice por la superficie interna abajo y fluya dentro de la sección de recuperación de aceite 202d.
Además, la niebla de aceite de un diámetro de
partícula menor, que no ha sido separada debido a una colisión con
la superficie interna de la envuelta 201, fluye dentro del tubo de
salida 205 junto con el gas. Debido al efecto del movimiento
giratorio dentro del espacio cilíndrico K, el gas no pasa
directamente a través del tubo de salida 205, sino que por el
contrario asciende en un movimiento giratorio de tipo helicoidal. En
este punto, la distribución de la velocidad de la corriente de gas
es tal que la velocidad cerca de la pared del tubo es grande,
mientras que la velocidad en el centro es extremadamente pequeña. El
gas que da vueltas a alta velocidad en un movimiento de tipo
helicoidal alrededor de la periferia golpea la tela no tejida 206
fijada a la pared de tubo y es adsorbido. La adsorción repetida de
estas partículas diminutas conduce a un incremento del diámetro de
las partículas adsorbidas en la tela no tejida 206, y las partículas
que se han hecho suficientemente grandes descienden por la tela no
tejida 206 bajo la influencia de la gra-
vedad, caen por el borde inferior del tubo de salida 205 y son recogidas en la sección de recuperación de aceite 202d.
vedad, caen por el borde inferior del tubo de salida 205 y son recogidas en la sección de recuperación de aceite 202d.
La figura 16 es un diagrama estructural que
muestra un separador convencional de gas-líquido
descrito en el documento
JP-U-6-60402, y la
figura 17 es un diagrama en sección transversal en vista desde
arriba.
En el diagrama, un separador de
gas-líquido 301 incluye una envuelta 304 formada de
una combinación de un cilindro 302 y un cono 303. Unos tubos de
entrada 305 para introducir un flujo de dos fases en una dirección
tangencial están dispuestos en el lado del cilindro 302 de la
envuelta 304, y este flujo de dos fases es separado en un liquido y
un vapor por la fuerza centrífuga producida por el flujo de dos
fases que da vueltas alrededor del interior de la envuelta 304, de
manera que el líquido se adhiere a la pared interna de la envuelta
304 por autoadherencia.
En la pared interna de la envuelta 304 está
también prevista una mecha para guiar el líquido separado dentro
del cono 303. Esta mecha está provista de una pluralidad de ranuras
estrechas 306 de 0,3 a 0.5 mm formadas en un modelo helicoidal, y
la fuerza del flujo giratorio y el fenómeno de capilaridad hacen que
el líquido se mueva suavemente hacia el cono.
Asimismo, para impedir la difusión del flujo de
dos fases desde el cilindro 302 al cono 303, dentro de la envuelta
304 está previsto un diafragma 307 para dividir la envuelta en dos
partes en los lados del cilindro 302 y el cono 303. El diafragma
307 está provisto de pequeñas aberturas 308 para conectar el lado
del cilindro 302 con el lado del cono 303 a fin de mantener una
presión uniforme dentro de la envuelta 304. Además, está previsto
un espacio de separación 309 entre el perímetro exterior del
diafragma 307 y la superficie interna de la envuelta 304. Una tela
metálica plegada en una disposición ondulada está colocada como
mecha basta, dentro del lado del cono 303 de la envuelta 304
dividida por el diafragma 307, y funciona como un colector de
líquido 310 para acumular líquido. En el vértice del cono 303 está
formado un tubo de guía de líquido 311 para conducir el líquido
fuera de la envuelta. Además, un tubo de salida 312 está formado en
el centro del lado del cilindro 302 de la envuelta 304 dividida por
el diafragma 307, para pasar a través de la placa extrema 302a del
lado del cilindro 302.
En este tipo de separador de aceite y de
separador de gas-líquido convencionales, la relación
posicional ideal entre el tubo de salida y los tubos de entrada es
poco clara. Por consiguiente, en sistemas en los que el caudal del
refrigerante varía de acuerdo con fluctuaciones de alta presión y
baja presión en el ciclo de refrigeración producidas durante
fluctuaciones de carga, o en los sistemas en los que el compresor
controla la capacidad de acuerdo con la carga, el sistema no puede
resolver apropiadamente dicho problema que, aunque el sistema
funcione apropiadamente en el momento en que el caudal de
refrigerante es grande, la velocidad del gas en rotación dentro del
separador disminuye y el rendimiento de separación de aceite
resultante del efecto ciclón baja en el momento en que disminuya el
caudal de refrigerante. En este caso, el rendimiento de separación
de aceite es la relación del volumen de aceite descargado desde el
tubo de descarga por unidad de tiempo, con relación al volumen de
aceite que fluye dentro del separador de aceite por unidad de
tiempo.
Si se adopta una configuración tal que se reduce
el diámetro del tubo de entrada en el momento de caudal bajo para
atenuar este problema, aumentará la pérdida de presión en el momento
en que se aumente la velocidad del gas que fluye dentro de la
envuelta, de manera que disminuirá el rendimiento del ciclo de
refrigeración.
Además, en caso de que el aceite separado no
pueda descargarse adecuadamente desde el separador de aceite, el
volumen de aceite acumulado dentro de la envuelta aumenta, y el
aceite acumulado dentro del separador de aceite es elevado por el
flujo de gas dentro del separador de aceite y fluye fuera por el
tubo de salida, produciendo un problema de una reducción en el
rendimiento de separación de aceite.
Asimismo, si está previsto un diafragma como se
muestra en la figura 16, o en el tubo de salida como se muestra en
la figura 15 está dispuesto un material adsorbente tal como una tela
no tejida para atrapar niebla de aceite, para impedir la elevación
del aceite dentro de la envuelta, se plantea el problema de coste
aumentado asociado con el aumento en el número de componentes.
El documento
US-A-4 309 283 describe un
hidrociclón para dividir una suspensión de fibras en una fracción
más ligera aceptable que contiene fibras y una fracción de desecho
más pesada que contiene sustancias de suciedad. El hidrociclón
convencional comprende una cámara de separación que consiste en una
parte cilíndrica provista de al menos un paso para la entrada
tangencial de la suspensión de fibras que ha de ser dividida en
diferentes fracciones. Un tubo está coaxialmente dispuesto en la
parte cilíndrica para la retirada de la fracción más ligera. En el
lado inferior, la parte cilíndrica se estrecha en forma de un cono
clasificador y está provista de una boquilla cónica que se estrecha
más bruscamente que la parte de cono y que tiene en su vértice una
abertura de retirada para la fracción más pesada.
En el dispositivo convencional, la superficie
interna del cono clasificador está provista de aletas de guía que
se extienden en la dirección axial del ciclón y que comunican a la
fracción más pesada, que corre a lo largo de una trayectoria
helicoidal sobre la superficie interna del cono clasificador, una
componente de movimiento dirigida radialmente hacia adentro. No se
describen dimensiones geométricas específicas en este contexto.
El documento
US-A-3 288 300 describe un limpiador
centrífugo que se usa para separar papilla de un líquido. En este
dispositivo convencional, la envuelta tiene forma cilíndrica, en que
el tubo de entrada está dispuesto en su extremo superior. La
envuelta cilíndrica se estrecha hacia su extremo inferior, y un tubo
de salida está dispuesto coaxialmente en la configuración
cilíndrica del dispositivo. El documento no describe ninguna
relación geométrica específica concerniente al tubo de entrada y al
tubo de salida.
El documento
DE-A-32 48 039 describe un separador
de ciclón que comprende una envuelta con una sección cilíndrica que
tiene una sección cónica superior y una sección cónica inferior. El
dispositivo convencional está provisto de un tubo de entrada
tangencial horizontal que penetra en la envuelta en la sección
cónica superior para hacer uso de la parte de carga estática que se
ensancha cónicamente. Aunque se describen diversos detalles del
dispositivo, el documento no se ocupa de la configuración geométrica
específica concerniente a la posición y diámetros del tubo de
entrada y del tubo de salida, respectivamente.
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La presente invención trata de resolver los
problemas descritos en lo que antecede, y un objeto de la misma es
proporcionar un separador de aceite en el que fluctuaciones en la
pérdida de presión y en el rendimiento de separación de aceite son
pequeñas incluso en los casos en que la velocidad del gas que fluye
dentro del separador de aceite varía o la cantidad de aceite
acumulado dentro de la envuelta varía debido a una variación en el
caudal del aceite dentro del separador de aceite, y además en que el
coste de producción es bajo.
De acuerdo con la invención, el objeto en que se
basa la presente solicitud es resuelto por un separador de aceite
que comprende las características de la reivindicación 1. En las
reivindicaciones subordinadas se especifican otros desarrollos
ventajosos del separador de aceite.
La invención describe también un aparato de
exterior que comprende un separador de aceite como se define en las
reivindicaciones 6 y 7, en que en la reivindicación 8 se especifica
otro desarrollo del mismo.
En particular, el separador de aceite de acuerdo
con la presente invención es útil para separar aceite de un gas
refrigerante en dispositivos de refrigeración o de aire
acondicionado, como se especifica en detalle en la descripción.
\vskip1.000000\baselineskip
La figura 1 es un diagrama de circuito de
refrigerante de un ciclo de refrigeración de acuerdo con una
Realización 1 de la presente invención.
La figura 2 es una vista en sección transversal,
desde arriba, de un separador de aceite de acuerdo con la
Realización 1 de la presente invención.
La figura 3 es una vista en sección transversal
lateral de un separador de aceite de acuerdo con la Realización 1
de la presente invención.
La figura 4 es un diagrama que muestra la
relación entre L2 y el rendimiento de separación de aceite.
La figura 5 es un diagrama que muestra el estado
de un flujo de gas-líquido de dos fases en un
separador de aceite.
La figura 6 es un diagrama que muestra el estado
de un flujo de gas-líquido de dos fases en un
separador de aceite.
La figura 7 es un diagrama que muestra la
relación entre L1 y el rendimiento de separación de aceite.
La figura 8 es un diagrama que muestra la
relación entre L3 y el rendimiento de separación de aceite.
La figura 9 es una vista en sección transversal,
desde arriba, de un separador de aceite.
La figura 10 es una vista en sección
transversal, desde arriba, de un separador de aceite.
La figura 11 es un diagrama de circuito de
refrigerante de un ciclo de refrigeración de acuerdo con una
Realización 2 de la presente invención.
La figura 12 es una vista en sección
transversal, desde arriba, de un separador de acuerdo con la
Realización 2 de la presente invención.
La figura 13 es una vista en sección transversal
lateral del separador de aceite de acuerdo con la Realización 2 de
la presente invención.
La figura 14 es un diagrama estructural interno
de un separador de aceite convencional.
La figura 15 es una vista en sección
longitudinal parcial de un separador de aceite convencional.
La figura 16 es un diagrama estructural de un
separador de aceite convencional.
La figura 17 es una vista en sección
transversal, desde arriba, de un separador de
gas-liquido convencional.
Realización
1
La figura 1 es un diagrama de circuito de
refrigerante de un ciclo de refrigeración con un separador de aceite
de acuerdo con una Realización 1 de la presente invención.
En la figura 1, el ciclo de refrigeración
comprende principalmente un solo aparato de exterior 1, aparatos de
interior 20a, 20b, y un tubo de líquido 30 y un tubo de gas 31 que
conectan el aparato de exterior 1 y los aparatos de interior 20a,
20b.
Además, el aparato de exterior 1 comprende
principalmente un compresor 2, un separador de aceite 3 conectado
al compresor 2, una válvula de cuatro vías 4 conectada al separador
de aceite 3, un intercambiador de calor lateral de fuente de calor
5 con una lumbrera conectada a la válvula de cuatro vías 4 y otra
lumbrera conectada al tubo de liquido 30, un acumulador 6 conectado
al compresor 2, una válvula electromagnética 7 conectada al
separador de aceite 3, un tubo capilar 8 conectado al separador de
aceite 3 en una disposición paralela con la válvula
electromagnética 7, y un circuito de retorno de aceite 9 conectado a
la válvula electromagnética 7, el tubo capilar 8 y el acumulador.
La válvula de cuatro vías 4 está también conectada al tubo de gas
31.
El aparato de interior 20a comprende
principalmente un dispositivo de estrangulación 21a conectado al
tubo de líquido 31, y un intercambiador de calor lateral de carga
22a con una lumbrera conectada al dispositivo de estrangulación 21a
y la otra lumbrera conectada al tubo de gas 30. De manera similar,
el aparato de interior 20b comprende principalmente un dispositivo
de estrangulación 21b y un intercambiador de calor lateral de carga
22b.
Se describe a continuación el funcionamiento del
ciclo de refrigeración de la figura 1.
Cuando se inicia el ciclo de refrigeración,
habrá casos en que haya refrigerante líquido reposando en el
compresor 2. En tal caso, cuando se activa el compresor 2, se
produce un fenómeno conocido como espumación en que el líquido
refrigerante que incluye el aceite de la máquina de refrigeración
dentro del compresor 2 se evapora rápidamente y se forma espuma
como resultado de la caída de presión dentro de la envuelta de
compresor, de manera que grandes cantidades de un líquido mezclado
que incorpora el refrigerante y el aceite de la máquina de
refrigeración fluyen desde el compresor 2 dentro del separador de
aceite 3. En este momento, se abre la válvula electromagnética 7 y
el líquido mezclado de líquido refrigerante y aceite es devuelto
desde el separador de aceite 3 a la entrada del acumulador 6 a
través del circuito de retorno de aceite 9. De esta manera, incluso
en caso de que la entrada de aceite al separador de aceite 3 aumente
temporalmente, se impide cualquier posibilidad de que el separador
de aceite 3 rebose y el aceite sea arrastrado fuera del sistema de
aparato de exterior.
Además, cuando el ciclo de refrigeración entra
en funcionamiento en régimen estacionario, se cierra la válvula
electromagnética 7. El aceite arrastrado fuera del compresor 2 junto
con el gas refrigerante es separado por el separador de aceite 3,
es reducido a una presión baja por el tubo capilar 8, y
subsiguientemente es devuelto al compresor 2 a través del circuito
de retorno de aceite 9 y el acumulador 6.
Se describen a continuación detalles
estructurales del separador de aceite 3.
La figura 2 es una vista en sección transversal,
desde arriba, del separador de aceite 3, y la figura 3 es una vista
en sección transversal lateral del separador de aceite 3.
En la figura 2 y en la figura 3, 50 representa
una envuelta de forma cilíndrica con ambos extremos estrechados en
configuración cónica, y comprende una sección cilíndrica, una
sección cónica inferior debajo de la sección cilíndrica, y una
sección cónica por encima de la sección cilíndrica. 51 representa un
tubo de salida cilíndrico, que está insertado en el interior de la
envuelta 50 a través del vértice de la sección cónica superior de
la envuelta 50, y este tubo de salida 51 está fijado de manera que
los ejes centrales del tubo de salida 51 y la envuelta 50
coinciden. 52 representa un tubo de descarga, que está fijado a la
abertura inferior 50a formada en el vértice de la sección cónica
inferior de la envuelta 50. 53 representa un tubo de entrada, que
es un tubo cilíndrico con un diámetro D que está conectado en una
dirección tangencial a la superficie interna de la sección
cilíndrica (la sección que no ha sido estrechada en configuración
cónica) de la envuelta 50. La punta 51a de la parte del tubo de
salida 51 insertado en la envuelta 50 está situada a una distancia
L1 por debajo del centro de la punta del tubo de entrada 53 dentro
de la envuelta 50, y a una distancia L2 por encima de la abertura
inferior 50a de la envuelta 50.
Se describen a continuación los fenómenos que se
dan en un separador de aceite de este tipo de construcción.
Un flujo de gas-líquido de dos
fases consistente en gas refrigerante y aceite de la máquina de
refrigeración descargado desde el compresor 2 fluye al interior de
la envuelta 50 desde el tubo de entrada 53. El flujo de
gas-líquido de dos fases que penetra en la envuelta
50 da vueltas y se sumerge en espiral dentro de la envuelta 50.
Como resultado de este movimiento giratorio, se genera un efecto
ciclón en que la niebla de aceite (partículas finas del aceite de
la máquina de refrigeración) es sometida a fuerzas centrifugas y
choca con la superficie interna de la envuelta 50 y se adhiere a la
misma, de manera que la niebla de aceite suspendida en el gas de
refrigeración es separada gradualmente. A continuación de la
separación de la niebla de aceite, el gas refrigerante sale por el
tubo de salida 51, y el aceite de la máquina de refrigeración que se
adhiere a la superficie interna de la envuelta 50 desciende por la
superficie interna de la envuelta 50 bajo los efectos de la
gravedad, es descargado desde el tubo de descarga 52, fluye por el
circuito de retorno de aceite 9 a través del tubo capilar 8 y luego
es devuelto al compresor 2 a través del acumulador 6.
Los experimentos revelaron de manera bastante
clara que el rendimiento de separación de aceite del aceite de la
máquina de refrigeración utilizando este tipo de separador de aceite
variaba dependiendo de la posición del tubo de salida 51 dentro de
la envuelta 50, a saber, la relación entre la distancia L1 entre la
punta 51a del tubo de salida 51 y el centro de la punta del tubo de
entrada 53 dentro de la envuelta 50, la distancia L2 entre la punta
51a del tubo de salida 51 y la abertura inferior 50a de la envuelta
50, y el diámetro D del tubo de entrada 53.
La figura 4 es un diagrama que muestra la
relación entre L2 y el rendimiento de separación de aceite basada
en resultados experimentales.
Estos experimentos fueron realizados suponiendo
un caudal de aceite grande a través del separador de aceite, en
condiciones que incluían un caudal de refrigerante de 650 a 680
kg/h, una relación de circulación de aceite de 2,4 a 2,6%, y un
diámetro de tubo de entrada (diámetro interior) D de 19,8 mm. El
caudal de aceite es el producto del caudal de refrigerante y la
relación de circulación de aceite.
En la figura 4, puede verse que la tendencia del
rendimiento de separación de aceite a aumentar de acuerdo con
valores crecientes de L2, aunque el grado de este aumento en el
rendimiento de separación se reduce a valores de L2 de
aproximadamente 5D, y a valores superiores a 5D el rendimiento de
separación de aceite se nivela sustancialmente.
Se describe a continuación la razón por la cual
el rendimiento de la separación de aceite es pobre con la distancia
corta L2.
Concretamente, si el caudal de aceite es grande
y la distancia entre la punta 51a de la parte del tubo de salida 51
dentro de la envuelta 50 y la parte inferior de la envuelta 50 es
pequeña, entonces las corrientes de gas que se mueven en un
movimiento en espiral hacen que se acumule sobre la superficie
interna de la envuelta 50 una película de líquido en rotación en
forma de un mortero, como se muestra en la figura 5, de manera que
cuando el aceite separado es descargado desde el tubo de descarga
52, el gas es arrastrado también desde el centro, y un flujo de
gas-líquido de dos fases sale por el tubo de
descarga 52. Por consiguiente, el aceite que fluye dentro del
circuito de retorno de aceite 9 incorpora gas, de manera que aumenta
la pérdida de presión en el circuito de retorno de aceite 9 y no
puede asegurarse en grado suficiente la cantidad de aceite de
retorno. Como resultado, aumenta aún más el espesor de la película
de aceite que se adhiere a la superficie interna de la envuelta 50
y, en la parte inferior de la envuelta 50, se separarán otra vez
gotitas de liquido de la película espesa de aceite, dando por
resultado una reducción en el rendimiento de separación de
aceite.
En este punto, puede incrementarse el caudal de
aceite reduciendo la resistencia al paso de flujo en el tubo
capilar 8 en el circuito de retorno de aceite. En tal caso, sin
embargo, si se reduce la entrada da aceite en el separador de
aceite 3, aumentará el volumen en derivación de gas caliente del
refrigerante, y bajará el rendimiento del ciclo de refrigeración,
de manera que el uso de este método como medio para aumentar el
rendimiento de separación de aceite es problemático.
En contraposición, si la distancia L2 entre la
punta 51a del tubo de salida 51 dentro de la envuelta 50 y la
abertura inferior 50a de la envuelta 50 es al menos de 5D, entonces
la película de líquido en la parte inferior de la envuelta 50 es
probable que se vea afectada por la rotación de las corrientes de
gas en un movimiento espiral dentro de la envuelta 50, y, como se
muestra en la figura 6, cuando el aceite separado es descargado
desde el tubo de descarga 52, no es arrastrado gas desde la región
central con el aceite, de suerte que el aceite es descargado como
una sola fase desde el tubo de descarga 52. Como resultado, puede
contenerse la pérdida de presión en el circuito de retorno de aceite
9, y el aceite separado puede ser descargado suavemente.
De esta manera, asegurando que la distancia
entre la punta 51a del tubo de salida 51 dentro de la envuelta 50 y
la abertura inferior 50a de la envuelta 50 es al menos de 5D, puede
contenerse la pérdida de presión dentro del circuito de retorno de
aceite 9, y se hace posible una suave descarga del aceite separado.
Por consiguiente, reduciendo la cantidad de aceite acumulado dentro
de la envuelta 50, y evitando cualquier posibilidad de gotitas de
líquido dispersas de nuevo en las secciones inferiores de la
envuelta 50, puede mejorarse el rendimiento de separación de
aceite.
La figura 7 es un diagrama que muestra la
relación entre L1 y el rendimiento de separación de aceite basado
en resultados experimentales.
Estos experimentos fueron realizados en
condiciones que incluían un caudal de refrigerante de 400 kg/h, una
relación de circulación de aceite de 0,5% y un diámetro de tubo de
entrada (diámetro interior) D de 19,8 mm.
En la figura 7, puede verse una tendencia del
rendimiento de separación de aceite a aumentar de acuerdo con
valores crecientes de L1, aunque el grado de este aumento en el
rendimiento de separación se reduce a valores de L1 de
aproximadamente 5D, y a valores mayores que 5D el rendimiento de
separación de aceite se nivela sustancialmente.
\newpage
Se describe en lo que sigue la razón por la cual
el rendimiento de separación de aceite es pobre con la distancia
corta L1.
En general, en un separador de aceite de tipo de
ciclón, si se reduce la velocidad del gas que fluye dentro del
separador de aceite, se reduce consecuentemente la velocidad del
movimiento giratorio dentro de la envuelta 50, y las gotas de
líquido apenas chocarán con la superficie interna de la envuelta 50
debido a fuerzas centrífugas, de manera que las gotitas de líquido
permanecen recogidas en el gas en rotación y son descargadas junto
con el gas, dando por resultado una reducción en el rendimiento de
separación de aceite. En el caso del separador de aceite
incorporado en un ciclo de refrigeración, debido a que el caudal
varía dependiendo de variaciones en el estado operacional del ciclo
de refrigeración de acuerdo con variaciones en las condiciones de
carga y en el control de la capacidad del compresor de tipo de
flujo variable, el rendimiento de separación de aceite cae en caso
de que el caudal de refrigerante sea pequeño. El rendimiento de
separación de aceite depende de la cantidad de circulación hecha
por el flujo de gas que da vueltas alrededor del interior de la
envuelta 50. Por tanto, para aumentar la cantidad de tal
circulación, deberá mantenerse la distancia entre la punta del tubo
de entrada 53 dentro de la envuelta y la punta del tubo de salida
51. Este factor está reflejado en la figura 7, en que separando las
posiciones de la punta inferior del tubo de salida 51 y la punta del
tubo de entrada 53 dentro de la envuelta una distancia de al menos
5D, se mejora el rendimiento de separación de
aceite.
aceite.
Por consiguiente, separando las posiciones de
las puntas del tubo de salida 5 y del tubo de entrada 53 dentro de
la envuelta una distancia de al menos 5D, puede asegurarse la
cantidad de circulación del flujo de gas dentro de la envuelta 50
necesario para la separación de aceite, incluso en caso de que
disminuya el caudal de refrigerante, de manera que se mejora el
rendimiento de separación de aceite.
Asimismo, se sabe que el flujo de
gas-líquido de dos fases del gas refrigerante y del
aceite de la máquina de refrigeración dentro del tubo de entrada 53
se ve afectado por los codos de los tubos, lo que puede producir
variaciones en el rendimiento de separación de aceite.
La figura 8 es un diagrama que muestra la
relación entre la longitud L3 de la sección recta de tubo desde la
punta del tubo de entrada 53 dentro de la envuelta 50 y el
rendimiento de separación de aceite, basada en resultados
experimentales.
Estos experimentos fueron realizados en
condiciones que incluían un caudal de refrigerante de 400 kg/h, una
relación de circulación de aceite de 0,5% y un diámetro de tubo de
entrada (diámetro interior) D de 19, 8 mm.
En la figura 8, puede verse una tendencia del
rendimiento de separación de aceite a aumentar de acuerdo con
valores crecientes de la longitud L3 de la sección recta de tubo,
aunque el grado de este aumento en el rendimiento de separación se
reduce a valores de L3 de aproximadamente 8D, y a valores mayores
que 8D el rendimiento de separación de aceite se nivela
sustancialmente.
Se describe en lo que sigue la razón por la cual
el rendimiento de separación de aceite es pobre con la distancia
corta L3.
En efecto, si la longitud L3 de la sección recta
de tubo es corta, entonces se desarrolla una carga en la
distribución de líquido a través de una sección transversal de paso
del tubo de entrada 53. Por tanto, si la sección recta de tubo es
más larga, esta carga en la distribución de líquido disminuye, y a
longitudes mayores que 8D se estabiliza la forma de flujo del flujo
de gas-líquido de dos fases, y se mejora el
rendimiento de separación de aceite.
Si la sección recta del tubo de entrada 53 no
puede ajustarse a un valor de al menos 8 veces el diámetro del tubo
de entrada 53, a causa de restricciones de espacio, puede usarse una
construcción como la mostrada en la figura 9, en la que el tubo de
entrada 53 está curvado en aproximadamente 90º en el plano
horizontal para adaptarse aproximadamente a la dirección
circunferencial de la envuelta 50, formando una primera sección
recta de tubo 54a y una segunda sección recta de tubo 54b.
En tal construcción, con un flujo de
gas-líquido de dos fases de aceite de máquina de
refrigeración y un gas refrigerante que fluye a través del tubo de
entrada 53, el aceite de la máquina de refrigeración tiene tendencia
a fluir alrededor de la periferia externa de la sección curvada
entre la segunda sección recta de tubo 54b y la primera sección
recta de tubo 54a, y el aceite de la máquina de refrigeración fluye
suavemente a lo largo de la superficie interna de la envuelta 50
cuando penetra en la envuelta 50, de manera que la separación desde
el gas refrigerante es llevada a cabo suavemente para mejorar el
rendimiento de separación de aceite.
Además, como se muestra en la figura 10, el tubo
de entrada 53 puede ser una espiral que esté formada alrededor de
la periferia de la envuelta 50 coaxialmente con la envuelta 50.
En tal construcción, el aceite de la máquina de
refrigeración tiene también tendencia a fluir alrededor de la
periferia externa del tubo de entrada 53, de manera que se mejora el
rendimiento de separación de aceite.
En esta realización, dando una forma cónica no
sólo a la sección inferior sino también la sección superior del
separador de aceite 3, puede reducirse el número de componentes, y
también puede reducirse el grosor requerido para conseguir la
resistencia necesaria, en comparación con un caso en que la parte
superior esté formada como una tapa plana, de suerte que puede
aligerarse el peso del aparato.
Realización
2
La figura 11 es un diagrama de circuito de
refrigerante que muestra un ciclo de refrigeración de acuerdo con
una Realización 2 de la presente invención y representa el ciclo de
refrigerante de la figura 1, en que están previstos dos compresores
en el aparato exterior, y estos dos compresores están conectados a
un separador de aceite. En la figura 11, los componentes que son
iguales que los componentes de la figura 1, o se corresponden con
los mismos, están señalados con los mismos símbolos, y se omite aquí
su descripción.
En la figura 11, 2a y 2b representan
compresores, y cada uno de estos compresores está conectado al
separador de aceite 3, a través de una válvula de retención 10a y
una válvula de retención 10b, respectivamente.
A continuación se describe el funcionamiento del
ciclo de refrigeración de la figura 11.
Como se dará el caso en que el refrigerante
líquido esté reposando en el compresor 2a y el compresor 2b al
comienzo del ciclo de refrigeración, la válvula electromagnética 7
se abre para devolver el líquido mezclado de líquido refrigerante y
aceite procedentes del separador de aceite 3 a la entrada del
acumulador 6. Como resultado, se evita cualquier posibilidad de que
el separador de aceite 3 rebose y que el aceite sea llevado al
exterior del sistema de aparato de exterior. Además, arrancando el
compresor 2a y el compresor 2b uno a uno con un retardo entre
ellos, se mejora el efecto de evitar el rebosamiento del separador
de aceite 3.
Además, cuando el ciclo de refrigeración entra
en funcionamiento en régimen estacionario, se cierra la válvula
electromagnética 7. El aceite sacado del compresor 2a y/o del
compresor 2b junto con el gas refrigerante es separado en el
separador de aceite 3, reducido a una presión baja por el tubo
capilar 8, enviado al circuito de retorno de aceite 9, y
subsiguientemente devuelto al compresor 2a y/o al compresor 2b a
través del acumulador 6.
El control de capacidad del compresor 2a y del
compresor 2b es reducido según la carga por arranque y parada
adecuados de los compresores o por ajuste adecuado de la frecuencia
de funcionamiento de los compresores.
Se describen a continuación detalles
estructurales del separador de aceite 3.
La figura 12 es una vista en sección
transversal, desde arriba, del separador de aceite 3, y la figura 13
es una vista en sección transversal del separador de aceite 3.
En las figuras 12 y 13, 50 representa una
envuelta de forma cilíndrica con ambos extremos estrechados en
secciones cónicas. 51 representa un tubo cilíndrico de salida que
pasa a través del vértice de la sección cónica superior de la
envuelta 50 y penetra en la envuelta 50, y este tubo de salida 51
está fijado de manera que los ejes centrales del tubo de salida 51
y de la envuelta coinciden. 52 representa un tubo de descarga que
está fijado a una abertura inferior 50a formada en el vértice de la
sección cónica inferior de la envuelta 50. 53a y 53b representan
tubos de entrada que son tubos cilíndricos con un diámetro D,
situados a la misma altura vertical en lados opuestos con relación
al eje central de la envuelta 50, y conectados en una dirección
tangencial a la superficie interna de la envuelta 50. La punta 51a
de la parte del tubo de salida 51 insertada en la envuelta 50 está
situada una distancia L1 por debajo del centro de las puntas de los
tubos de entrada 53a, 53b dentro de la envuelta 50, y una distancia
L2 por encima de la abertura inferior 50a de la envuelta 50.
Se describen a continuación los fenómenos que se
producen en un separador de aceite de ese tipo de construcción.
Un flujo de gas-líquido de dos
fases de gas refrigerante y de aceite de máquina de refrigeración
descargado desde el compresor 2a y/o el compresor 2b fluye al
interior de la envuelta 50 desde el tubo de entrada 53a y/o el tubo
de entrada 53b. Si bien el flujo de gas-líquido de
dos fases que penetra en la envuelta 50 da vueltas y se sumerge en
espiral en la envuelta 50, la niebla de aceite es sometida a fuerzas
centrífugas y choca con la superficie interna de la envuelta 50 y
se adhiere a la misma, de manera que la niebla de aceite suspendida
dentro del gas refrigerante es separada gradualmente del gas
refrigerante por el llamado efecto ciclón. A continuación de la
separación del aceite de máquina de refrigeración, el gas
refrigerante sale por el tubo de salida 51, y el aceite de máquina
de refrigeración que se adhiere a la superficie interna de la
envuelta 50 desciende por la superficie interna de la envuelta 50
bajo los efectos de la gravedad y es descargado desde el tubo de
descarga 52.
La pérdida de presión del separador de aceite 3
depende del diámetro de los tubos de entrada. Por tanto, si se usa
un solo tubo de entrada y el diámetro de ese tubo es aumentado
excesivamente para reducir la pérdida de presión en el momento en
que el refrigerante fluye desde dos compresores en funcionamiento,
baja el rendimiento de separación de aceite debido a una reducción
en el efecto de separación centrífuga en el momento en que es hecho
funcionar un solo compresor y baja el caudal. Por consiguiente,
disponiendo un tubo de entrada para cada compresor, puede reducirse
la pérdida de presión, y puede evitarse cualquier reducción en el
rendimiento de separación de aceite en el momento en que esté
funcionando un solo compresor. Además, en un sistema con dos
compresores, puede mejorarse la fiabilidad del ciclo de
refrigeración con un coste bajo separando el aceite arrastrado
fuera de los compresores con un solo separador de aceite, y evitando
el agotamiento del lubricante en los compresores.
\global\parskip0.900000\baselineskip
Además, colocando el tubo de entrada 53a y el
tubo de entrada 53b en la misma posición vertical dentro de la
envuelta 50 con un espaciamiento igual entre los tubos alrededor de
la superficie interna, la trayectoria del gas refrigerante que
entra desde un tubo de entrada no interferirá con el procedente del
otro tubo de entrada, de suerte que puede contenerse la turbulencia
de flujo de gas dentro de la envuelta 50, y puede evitarse
cualquier reducción en el rendimiento de separación de aceite
durante el funcionamiento de los dos compresores.
En esta realización, se proporcionó una
descripción para el caso de dos tubos de entrada, pero incluso en
el caso de tres o más tubos de entrada, se consiguen los mismos
efectos colocando los tubos de entrada en la misma posición
vertical (misma altura) dentro de la envuelta, con un espaciamiento
igual entre los tubos alrededor de la superficie interna. Además,
el diámetro de cada uno de esta pluralidad de tubos de entrada
puede alterarse según el caudal del refrigerante o la capacidad de
los compresores.
En un separador de aceite de acuerdo con la
presente invención, la distancia entre la abertura de envuelta y la
punta del tubo de salida dentro de la envuelta es al menos 5 veces
el diámetro interior del tubo de entrada. Por tanto, aun cuando
aumente la cantidad de aceite que fluye dentro del separador de
aceite, puede evitarse una reducción en el rendimiento de
separación de aceite.
Además, en un separador de aceite de acuerdo con
la presente invención, la punta del tubo de salida dentro de la
envuelta está situada por debajo del centro del diámetro interior
del tubo de entrada a una distancia de al menos 5 veces el diámetro
interior del tubo de entrada, de manera que el rendimiento de
separación de aceite puede mantenerse a un nivel alto a través de
un amplio margen de volúmenes de flujo de circulación de
refrigerante.
Además, en un separador de aceite de acuerdo con
la presente invención, el tubo de entrada tiene una sección recta
de tubo conectada a la sección cilíndrica de la envuelta, y la
longitud de esta sección recta de tubo es al menos 8 veces el
diámetro interior del tubo de entrada, de manera que el rendimiento
de separación de aceite puede aumentarse con un coste bajo incluso
en caso de que el caudal de gas sea bajo.
Además, en un separador de aceite de acuerdo con
la presente invención, el tubo de entrada es un tubo acodado con
una primera sección recta de tubo conectada a la sección cilíndrica
y una segunda sección recta de tubo situada bajo un ángulo de 90
grados con la primera sección recta de tubo en la dirección de la
mencionada envuelta, o alternativamente, en un separador de aceite
de acuerdo con la presente invención, el tubo de entrada es una
espiral formada alrededor del eje central de la envuelta, de manera
que puede mejorarse el rendimiento de separación incluso en caso de
que el espacio de instalación sea limitado.
Asimismo, la envuelta comprende una sección
cónica que se estrecha en sentido ascendente, que está formada en
la parte superior de la mencionada sección cilíndrica como parte
enteriza de la sección cilíndrica. Así, en comparación con un caso
en que la parte superior esté formada como una tapa plana, puede
reducirse el número de componentes, y puede reducirse también el
grosor requerido para conseguir la resistencia necesaria, de manera
que se aligera el peso del aparato.
Asimismo, está prevista una pluralidad de tubos
de entrada, y estos tubos de entrada están conectados a la sección
cilíndrica en la misma posición vertical con un espaciamiento igual
entre tubos. Por consiguiente, puede reducirse la pérdida de
presión y puede evitarse cualquier reducción en rendimiento de
separación de aceite cuando funcione un solo compresor. Además, en
un sistema con dos compresores, puede mejorarse con un coste bajo
la fiabilidad del ciclo de refrigeración separando el aceite
arrastrado fuera de los compresores con un solo separador de
aceite, e impidiendo el agotamiento del lubricante en los
compresores. Además, la trayectoria del gas refrigerante que entra
desde un tubo de entrada no interferirá con la del procedente de
otro tubo de entrada, de suerte que pueden contenerse las
turbulencias de flujo de gas dentro de la envuelta, y puede
evitarse cualquier reducción en el rendimiento de separación de
aceite durante el funcionamiento de los dos compresores.
Asimismo, un aparato de exterior de acuerdo con
la presente invención comprende un compresor, un separador de
aceite como se describe en lo que antecede con un tubo de entrada
conectado al compresor, un tubo capilar conectado al tubo de
descarga de este separador de aceite, una válvula conectada al tubo
de descarga en una disposición paralela con el tubo capilar, y un
circuito de retorno de aceite conectado al tubo capilar y la
válvula, un acumulador conectado al circuito de retorno de aceite y
el compresor, una válvula de cuatro vías conectada al tubo de
salida del separador de aceite, y un intercambiador de calor
conectado a la válvula de cuatro vías, de manera que se mejora el
rendimiento de funcionamiento del aparato.
Además, un aparato de exterior de acuerdo con la
presente invención comprende una pluralidad de compresores, el
mencionado separador de aceite con cada tubo de entrada conectado a
uno de la pluralidad de compresores, un tubo capilar conectado al
tubo de descarga del separador de aceite, una válvula conectada al
tubo de descarga en una disposición paralela con el tubo capilar,
un circuito de retorno de aceite conectado al tubo capilar y la
válvula, un acumulador conectado al circuito de retorno de aceite y
la pluralidad de compresores, una válvula de cuatro vías conectada
al tubo de salida del mencionado separador de aceite, y un
intercambiador de calor conectado a la válvula de cuatro vías, de
manera que se mejora el rendimiento de funcionamiento del
aparato.
Asimismo, la válvula se abre solamente durante
el arranque de un compresor, de manera que puede evitarse cualquier
rebosamiento del separador de aceite, incluso durante el arranque de
un compresor cuando aumenta temporalmente el caudal de aceite
dentro del separador de aceite.
\global\parskip1.000000\baselineskip
Claims (9)
1. Un separador de aceite, que comprende:
- -
- una envuelta (50) que tiene una sección cilíndrica, una sección cónica inferior que se estrecha en sentido descendente y está formada como parte enteriza en la parte inferior de la sección cilíndrica, y una sección cónica superior que se estrecha en sentido ascendente y está formada como parte enteriza en la parte superior de la sección cilíndrica,
- -
- un tubo de salida (51) que está insertado a través de la parte superior de la envuelta (50) de manera que el eje central del tubo de salida (51) coincide con el eje central de la envuelta (50),
- -
- un tubo de descarga (52) conectado a una abertura (50a) prevista en la parte inferior de la sección cónica inferior, y
- -
- un tubo de entrada (53) conectado tangencialmente a una superficie interna de la sección cilíndrica para introducir un flujo de gas-líquido de dos fases en la envuelta (50),
en que una distancia (L2) entre la abertura
(50a) y una tapa (51a) del tubo de salida (51) dentro de la envuelta
(50) es al menos 5 veces el diámetro interior (D) del tubo de
entrada (53),
y en que la punta (51a) del tubo de salida (51)
dentro de la envuelta (50) está situada debajo del centro del
diámetro interior (D) del tubo de entrada (53) a una distancia (L1)
de al menos 5 veces el diámetro interior (D) del tubo de entrada
(53).
2. El aparato según la reivindicación 1,
caracterizado porque el tubo de entrada (53) tiene una
sección recta de tubo conectada a la sección cilíndrica, y la
longitud (L3) de la sección recta de tubo es al menos 8 veces el
diámetro interior (D) del tubo de entrada (53).
3. El separador según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque el tubo de entrada (53) es un tubo
acodado que tiene una primera sección recta de tubo (54a) conectada
a la sección cilíndrica y una segunda sección recta de tubo (54b)
acodada formando un ángulo de 90º con la primera sección recta de
tubo (54a) en una dirección de la envuelta (50).
4. El separador según la reivindicación 1,
caracterizado porque el tubo de entrada (53) tiene una forma
espiral centrada alrededor del eje central de la envuelta (50).
5. El separador según cualquiera de las
reivindicaciones a1 a 4, caracterizado porque está prevista
una pluralidad de tubos de entrada (53a, 53b) y porque los tubos de
entrada (53a, 53b) están conectados a la sección cilíndrica en una
posición de altura vertical idéntica y con un espaciamiento igual
entre los tubos de entrada (53a, 53b).
6. Un aparato de exterior, que comprende:
- -
- un compresor (2),
- -
- un separador de aceite (3) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 que tiene un tubo de entrada (53) conectado al compresor (2),
- -
- un tubo capilar (8) conectado al tubo de descarga (52) del separador de aceite (3),
- -
- una válvula (7) conectada al tubo de descarga (52) en una disposición paralela con el tubo capilar (8),
- -
- un circuito de retorno de aceite (9) conectado al tubo capilar (8) y a la válvula (7),
- -
- un acumulador (6) conectado al circuito de retorno de aceite (9) y al compresor (2),
- -
- una válvula de cuatro vías (4) conectada al tubo de salida (51) del separador de aceite (3), y
- -
- un intercambiador de calor (5) conectado a la válvula de cuatro vías (4).
7. Un aparato de exterior, que comprende:
- -
- una pluralidad de compresores (2a, 2b),
- -
- un separador de aceite según la reivindicación 5 que tiene un tubo de entrada (53a, 53b) conectado a uno de la pluralidad de compresores (2a, 2b),
- -
- un tubo capilar (8) conectado al tubo de descarga (52) del separador de aceite (3),
- -
- una válvula (7) conectada al tubo de descarga (52) en una disposición paralela con el tubo capilar (8),
- -
- un circuito de retorno de aceite (9) conectado al tubo capilar (8) y a la válvula (7),
- -
- un acumulador (6) conectado al circuito de retorno de aceite (9) y a la pluralidad de compresores (2a, 2b),
- -
- una válvula de cuatro vías (4) conectada al tubo de salida (51) del separador de aceite (3), y
- -
- un intercambiador de calor (5) conectado a la válvula de cuatro vías (4).
8. El aparato según la reivindicación 6 ó 7,
caracterizado porque la válvula (7) está
adaptada para ser abierta solamente durante el arranque de los
respectivos compresores (2; 2a, 2b).
9. El uso del separador de aceite según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 para la separación de
aceite de un gas refrigerante en dispositivos de refrigeración o de
aire acondicionado.
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