ES2321316T3 - Nucleo de bomba de calor compacto del tipo agua/agua, y bomba de calor incluyendo un tal nucleo de bomba. - Google Patents
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Abstract
Un núcleo de bomba de calor del tipo agua/agua comprendiendo: - un bloque compresor (10) comprendiendo un circuito cerrado cargado de fluido frigorífico con compresor (11), condensador (13), descompresor (14) y evaporador (12), - una toma de entrada (23) y una toma de salida (24) hacia una red de captación de calor, - una toma de entrada (33) y una toma de salida (34) hacia una red de restitución de calor, - un primer intercambiador de calor (20) acoplado del lado primario al evaporador del bloque compresor y del lado secundario a las tomas de la red de captación de calor, y - un segundo intercambiador de calor (30) acoplado del lado primario al condensador del bloque compresor y del lado secundario a las tomas de la red de restitución de calor, caracterizado porque las tuberías de conexión (21, 22, 31, 32) entre los intercambiadores de calor y el bloque compresor, y/o las tuberías de conexión (25, 26, 35, 36) entre los intercambiadores de calor y las tomas de las redes de captación y de restitución de calor son tuberías de conexión no unidas por soldadura heterogénea formadas por tubos de acero inoxidable unidos por soldadura autógena.
Description
Núcleo de bomba de calor compacto del tipo
agua/agua, y bomba de calor incluyendo un tal núcleo de bomba.
La invención se refiere a las bombas de calor
del tipo agua/agua.
Estos equipamientos permiten captar la energía
térmica disponible en el aire, en las capas superiores de la tierra
o incluso en el agua libre, concentrar esta energía y restituirla en
esta forma concentrada (a temperatura más elevada) para alimentar
un circuito de calefacción por agua caliente.
Por "agua/agua" entenderemos un tipo de
bomba de calor en el cual el circuito de captación de calor y el
circuito de restitución de calor (calefacción) son los dos
circuitos en los que circula un líquido, por oposición a los
sistemas "agua/aire" o "aire/aire", entendiéndose
claramente que, en función de las necesidades, el agua se puede
reemplazar o completar por otro líquido. En particular, en el
circuito de captación de calor, al agua se añade a menudo
etileno-glicol u otro aditivo que haga la función de
anticongelante.
El interés de una bomba de calor reside en el
hecho que la energía necesaria para su alimentación es inferior a
la energía restituida en el circuito de calefacción. Se designa por
"coeficiente de rendimiento" (COP) la relación entre la
energía restituida y la energía consumida por el sistema, relación
que puede alcanzar típicamente un valor de 5 con los mejores
sistemas actualmente disponibles en el mercado.
Más precisamente, una bomba de calor consta de
un bloque compresor y dos intercambiadores de calor conectados
respectivamente a las redes de captación y de restitución de calor.
Los intercambiadores de calor están por otro lado acoplados al
compresor y al circuito frigorífico asociado a este último,
incluyendo un condensador, un descompresor y un evaporador. El
compresor concentra del lado del condensador la energía captada y
restituye del lado del evaporador la energía a restituir al
circuito de calefacción.
El rendimiento global de la bomba de calor es
aún mejor dado que el intercambio térmico es completo y que el
conjunto de las acciones del compresor y de los intercambiadores se
lleva a cabo con el mejor aislamiento térmico posible con respecto
al entorno exterior.
El compresor, su circuito de fluido frigorífico
asociado así como los dos intercambiadores de calor se agrupan en
un mismo bloque funcional, llamado a partir de ahora "núcleo de
bomba de calor", que constituye un conjunto integrado destinado
a estar por otro lado asociado a los diferentes elementos de los
circuitos de captación y de restitución de calor (cañerías, bombas
de circulación, captador termostático, etc.) así como a los
equipamientos de alimentación y de regulación del sistema.
Tales conjuntos integrados se describen por
ejemplo en las patentes EP-A-0 035
656, DE-A-198 20 818 y
WO-A-91/05977. En los núcleos de
bomba de calor propuestos hasta ahora, los diferentes elementos
están conectados entre sí por tubos ensamblados según las técnicas
usuales bien conocidas por los técnicos de calefacción y los
técnicos de instalaciones frigoríficas.
Más precisamente, las conexiones entre compresor
e intercambiadores y entre intercambiadores y tomas de
entrada/salida de las redes de captación y de restitución de calor
se realizan mediante tubos de cobre ensamblados por unión de
soldadura heterogénea.
Sin embargo, en la aplicación a las bombas de
calor, el uso de tubos de cobre y el ensamblaje de los tubos por
soldadura heterogénea no está falto de presentar ciertos
inconvenientes.
En primer lugar, el cobre se caracteriza por una
gran conductividad térmica, que no se busca en esta aplicación ya
que es generadora de pérdidas por intercambios térmicos con el
entorno.
En segundo lugar, los ensamblajes realizados por
soldadura heterogénea, si garantizan una buena estanqueidad, no son
de una resistencia mecánica y a la corrosión muy elevada. En efecto,
como sabemos, la soldadura heterogénea consiste en ensamblar
metales diferentes mediante aporte de un tercer metal (soldadura con
plata, en el caso de una soldadura fuerte) llevado a una
temperatura superior a su punto de fusión. Debido a que los
elementos del compresor son generalmente de acero negro y los
intercambiadores de acero negro o de acero inoxidable, y que estos
elementos están conectados entre sí por tubos de cobre, nos
encontraremos en el lugar de las conexiones unidas por soldadura
heterogénea en presencia de soluciones de continuidad acero/cobre o
acero inoxidable/cobre, con además la interposición del metal de
aporte.
Ahora bien, estas conexiones procedentes del
compresor están sujetas a vibraciones que conducirían rápidamente a
pérdidas o incluso a deterioros en el caso de un ensamblaje
demasiado rígido.
Para evitar este resultado, las conexiones de
cobre se realizan generalmente de manera que se procure al conjunto
una cierta flexibilidad gracias a conexiones bastante largas y/o una
geometría particular (liras, serpentines, etc.) que permite
dispersar mejor las tensiones que resultan especialmente de la
propagación de las vibraciones en las canalizaciones de cobre.
El aumento de las longitudes de los tubos tiene
sin embargo el efecto de aumentar la superficie de intercambio con
la atmosfera ambiente, es decir las pérdidas, y también aumentar
inútilmente el volumen de gas frigorífico del circuito del
compresor.
La presente invención tiene por objeto remediar
estos inconvenientes proponiendo un núcleo de bomba de calor
optimizado tanto desde el punto de vista del rendimiento como de la
compacidad y de la fiabilidad de funcionamiento.
El núcleo de bomba de calor de la invención es
un núcleo de bomba del tipo agua/agua tal como se describe más
arriba y se divulga por la EP-A-0
035 656 anteriormente citada, es decir incluyendo más precisamente y
de manera conocida en sí misma: un bloque compresor, comprendiendo
un circuito cerrado cargado de fluido frigorífico con compresor,
condensador, descompresor y evaporador; una toma de entrada y una
toma de salida hacia una red de captación de calor; una toma de
entrada y una toma de salida hacia una red de restitución de calor;
un primer intercambiador de calor acoplado del lado primario al
evaporador del bloque compresor y del lado secundario a las tomas
de la red de captación de calor; y un segundo intercambiador de
calor acoplado del lado primario al condensador del bloque
compresor y del lado secundario a las tomas de la red de restitución
de calor.
De manera característica de la invención, las
tuberías de conexión entre los intercambiadores de calor y el
bloque compresor y/o las tuberías de conexión entre los
intercambiadores de calor y las tomas de las redes de captación y
de restitución de calor son tuberías de conexión no unidas por
soldadura heterogénea formadas por tubos de acero inoxidable unidos
por soldadura autógena.
Reemplazando los tubos de cobre utilizados hasta
ahora por tubos de acero y reemplazando los ensamblajes soldados
heterogéneamente por ensamblajes soldados autógenamente, las
diversas conexiones así realizadas en el seno del núcleo de bomba
de calor ya no presentan solución de continuidad, lo que les procura
una calidad de resistencia mecánica - en especial a las vibraciones
- y una calidad de resistencia a la corrosión incomparablemente
superiores a lo que eran con los ensamblajes soldados
heterogéneamente.
En efecto, en el caso de una soldadura autógena,
si ésta está bien realizada, en términos de aguante mecánico y de
estanqueidad, el resultado es equivalente al del tubo de
origen.
En particular, las vibraciones creadas por el
compresor no pueden acarrear deterioro de estos ensamblajes, y el
aguante mecánico, la geometría y la flexibilidad de los tubos y de
los intercambiadores de acero inoxidable se pueden definir de modo
que absorban sin ruptura estas vibraciones por conexiones cortas y
de pequeño diámetro, al contrario que las conexiones de cobre
utilizadas hasta ahora.
Esta reducción dimensional permite rebajar
proporcionalmente los intercambios térmicos del fluido con el
entorno, y por consiguiente las pérdidas, así como el volumen de
fluido frigorífico necesario. Adicionalmente, además de la mínima
superficie expuesta, los intercambios térmicos se reducirán
igualmente por el hecho que el acero es bastante peor conductor de
calor que el cobre y que ya no es necesaria ninguna aleta de
fijación en el chasis para el mantenimiento de los intercambiadores
(supresión de los puentes térmicos cuando los intercambiadores de
calor están esencialmente desprovistos de tales aletas).
Es posible así aumentar notablemente el
coeficiente de rendimiento de la bomba de calor, típicamente de 1 a
2 puntos, es decir que se vuelve posible alcanzar valores de COP del
orden de los 6 a 7, rendimientos muy por encima de los mejores
sistemas propuestos hasta ahora.
La soldadura autógena se realiza ventajosamente
por soldadura TIG orbital, que es una técnica perfectamente
dominada que se puede poner en práctica de forma automática, es
decir con un control preciso de los diferentes parámetros y una
excelente reproductibilidad, que conduce aquí de nuevo a un aumento
de la fiabilidad de conjunto del aparato. Además, la soldadura
automática TIG orbital permite limitar el aumento de temperatura del
cuerpo del compresor al mínimo, evitando así cualquier
fragilización del mismo.
Preferentemente, los intercambiadores de calor
son intercambiadores tubulares de acero inoxidable.
Este tipo de intercambiador, que conviene
perfectamente para una bomba de calor según la invención donde las
diferentes conexiones son conexiones de soldadura autógena, puede
reemplazar ventajosamente los intercambiadores de placas
ensambladas por soldadura heterogénea hasta ahora utilizados de
manera general en el ámbito de las bombas de calor. Aunque aseguren
un buen intercambio térmico, los intercambiadores de placas son en
efecto frágiles y no soportan mucho tiempo agua cargada de sales
minerales, que puede provocar un taponamiento por acumulación de
depósitos o impurezas sólidas. Finalmente, su aguante en presencia
de vibraciones continuas sigue siendo
limitado.
limitado.
Debido al crecimiento considerable de
fiabilidad, se vuelve inútil idear una posibilidad de acceso a los
diferentes elementos internos del núcleo de bomba después de la
fabricación. Estos diferentes elementos (bloque compresor,
intercambiadores de calor, tuberías de conexión entre
intercambiadores y bloque compresor, y tuberías de conexión entre
intercambiadores y tomas de las redes de captación y de restitución
de calor) se pueden confinar pues en un recinto que forme un único
bloque funcional estanco e isotérmico.
Este recinto estanco de confinamiento puede
incluir en particular una base de soporte, que soporte el bloque
compresor y los intercambiadores de calor, y una tapa añadida a esta
base de soporte, estando la base de soporte y la tapa unidas entre
sí de manera permanente, por ejemplo por soldadura autógena si son
de metal. Se entiende que esta "base de soporte" puede
constituir la totalidad o parte de una cualquiera o de varias caras
del conjunto y no solamente su parte inferior.
El espacio libre residual del recinto de
confinamiento se puede rellenar con un material aislante, la base
de soporte incluyendo pues un orificio ocultable de introducción de
este material aislante.
La atmosfera interna del recinto de
confinamiento puede estar al vacío o rellena de un gas seco
aislante, la base de soporte constando pues de un orificio
ocultable en comunicación con dicha atmosfera para la aplicación del
vacío o para la introducción del gas.
Preferentemente, las tomas de la red de
captación de calor, las tomas de la red de restitución de calor, y
dicho(s) orificio(s) ocultable(s) se agrupan en
la base de soporte.
La invención cubre igualmente, como tal, una
bomba de calor que comprende, en combinación, un núcleo de bomba
como el arriba indicado asociado a órganos de acoplamiento,
comprendiendo al menos un circulador, a un circuito de captación de
calor y a un circuito de restitución de calor, así como órganos de
regulación térmica y órganos de alimentación eléctrica del
conjunto.
Vamos a describir ahora un ejemplo de bomba de
calor realizada según las enseñanzas de la invención, en referencia
a la figura única anexada que es una vista esquemática en
perspectiva caballera, de los diferentes elementos que constituyen
este núcleo de bomba.
En la figura, la referencia 10 designa el bloque
compresor, que es un conjunto con un circuito cerrado cargado con
un fluido frigorífico que comprende un compresor 11, un evaporador
12, un condensador 13 y un descompresor 14. El motor del compresor
es por ejemplo un motor eléctrico alimentado del exterior por el
sector.
Un primer intercambiador de calor 20 está
acoplado del lado primario al evaporador 12 del bloque compresor 10
mediante dos conexiones 21 y 22. Del lado secundario, está conectado
a tomas 23, 24 de entrada y de salida de fluido destinadas a estar
conectadas a una red de captación de calor; las conexiones a las
tomas 23, 24 se realizan por tuberías 25, 26.
Un segundo intercambiador de calor 30 está
acoplado del lado primario al condensador 13 del bloque compresor
10 mediante dos conexiones 31 y 32. Del lado secundario, está
conectado a tomas 33, 34 de entrada y de salida de fluido
destinadas a estar conectadas a una red de restitución de calor (red
de calefacción); las conexiones a las tomas 33, 34 se realizan por
tuberías 35, 36.
Los intercambiadores 20 y 30 son preferentemente
intercambiadores tubulares helicoidales de acero inoxidable
soldado, cuyo tamaño se adapta a la potencia del compresor para
garantizar un intercambio óptimo tanto hacia el circuito de
calefacción como desde el circuito de captación de calor.
De manera característica de la invención, las
conexiones 21, 22, 31, 32 entre el compresor 10 y los
intercambiadores de calor 20 y 30, así como las conexiones 25, 26,
35, 36 entre los intercambiadores 20 y 30 y las tomas 23, 24, 33,
34 de entrada y de salida de las redes de captación y de restitución
de calor, se aseguran mediante tubos de acero inoxidable soldados.
El diámetro de estos tubos se optimiza para asegurar esta conexión
sin crear trabas para el fluido (fluido frigorífico o fluido que
circula por las redes), con una longitud y una geometría estudiadas
para realizar esta conexión por el camino más corto posible. Además,
gracias a la excelente solidez mecánica de las conexiones unidas
por soldadura autógena, los intercambiadores pueden estar
simplemente suspendidos por los tubos 21, 22, 25, 26 (ó 31, 32, 35,
36, respectivamente), que los retienen en su sitio sin que, para
sostenerlos, sea necesario prever aletas de fijación en el chasis o
medios análogos, generadores de puentes térmicos.
Un tubo de pequeño diámetro 16, que se puede
realizar igualmente de acero inoxidable en forma de espira o de
multiespira, asegura un acceso estanco para la carga del compresor
de fluido frigorífico y el control de esta carga. En el exterior
del recinto, este tubo de acero inoxidable se podrá prolongar de un
tubo de cobre permitiendo la unión a la reserva de gas frigorífico
por métodos utilizados habitualmente por los técnicos
frigoristas.
Los diferentes elementos del núcleo de bomba de
calor que acabamos de describir están agrupados en el interior de
una carcasa 40 formada por una base de soporte 41 y por una tapa 42.
De manera ventajosa, todas las entradas y salidas útiles y todos
los accesos a los elementos del núcleo de bomba están agrupados al
nivel de la base de soporte 41, en especial las tomas 23, 24, 33,
34 a las redes de captación y de restitución de calor. También
encontramos el paso 43 para la alimentación eléctrica del compresor
11, así como un orificio ocultable 44 que permite la comunicación
con el volumen interior del recinto una vez que la tapa 42 cerrada,
y un paso 45 para la conducción 16 de carga del fluido frigorífico.
En la figura 1, la base de soporte ocupa toda la parte inferior del
conjunto. Pero puede ocupar también la totalidad o una parte de una
cualquiera o de varias caras del conjunto, según la necesidad en la
realización de la bomba de calor.
La tapa 42 se puede hacer pues fácilmente
estanca, formada por una sola pieza, por ejemplo metálica, sin
ningún paso. Se puede fijar de manera estanca a la base de soporte
41 para constituir una envoltura que aísle completamente el núcleo
de bomba de calor de su entorno. Cuando la tapa y la base de soporte
se realizan las dos de metal, esta fijación estanca se puede
incluso realizar ventajosamente por soldadura autógena de los dos
elementos de manera que constituya un bloque funcional único no
desmontable. Otras soluciones de unión permanente se pueden prever,
por ejemplo un encolado, cuando la tapa y/o la base de soporte no se
realizan de un material metálico apto para la soldadura
autógena.
Ventajosamente, después del cierre de la
envoltura, se introduce por el orificio 44 una materia aislante que
viene a rellenar completamente el volumen interior del núcleo de
bomba, por ejemplo una materia pulverulenta o una espuma
expansible, que va a minimizar los intercambios térmicos no
deseables y a incrementar proporcionalmente los rendimientos del
sistema. Además, este relleno reduce la transmisión de las
vibraciones mecánicas y acústicas producidas por el compresor hacia
el exterior.
Después del llenado, el recinto estanco se puede
finalmente poner al vacío o rellenar con un gas seco que procure
mejores características de aislamiento térmico que el aire, por
ejemple argón o hexafluoruro de azufre.
Finalmente, en el caso en que la base de soporte
esté constituida por la cara inferior y en la medida en que los
tubos 26 y 36 que conducen a los puntos altos respectivos de los
circuitos de captación de calor y de calefacción no están acodados,
es posible pasar sistemas de purga que comprendan un purgador
automático 46 conectado a un conducto 48 que se termina en la parte
baja, fuera del bloque 40, por un respiradero 50 montado sobre un
manguito 52 encajado en la embocadura del conducto homólogo 26 ó 36.
Estos sistemas de purga, colocados desde el exterior (como se puede
ver en la vista detallada de la figura), se pueden reemplazar
fácilmente más tarde si es necesario.
Claims (12)
-
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1. Un núcleo de bomba de calor del tipo agua/agua comprendiendo:- -
- un bloque compresor (10) comprendiendo un circuito cerrado cargado de fluido frigorífico con compresor (11), condensador (13), descompresor (14) y evaporador (12),
- -
- una toma de entrada (23) y una toma de salida (24) hacia una red de captación de calor,
- -
- una toma de entrada (33) y una toma de salida (34) hacia una red de restitución de calor,
- -
- un primer intercambiador de calor (20) acoplado del lado primario al evaporador del bloque compresor y del lado secundario a las tomas de la red de captación de calor, y
- -
- un segundo intercambiador de calor (30) acoplado del lado primario al condensador del bloque compresor y del lado secundario a las tomas de la red de restitución de calor,
- caracterizado porque las tuberías de conexión (21, 22, 31, 32) entre los intercambiadores de calor y el bloque compresor, y/o las tuberías de conexión (25, 26, 35, 36) entre los intercambiadores de calor y las tomas de las redes de captación y de restitución de calor son tuberías de conexión no unidas por soldadura heterogénea formadas por tubos de acero inoxidable unidos por soldadura autógena.
- 2. El núcleo de bomba de calor de la reivindicación 1 en el que los tubos de acero inoxidable soldados son tubos soldados por soldadura TIG orbital.
- 3. El núcleo de bomba de calor de la reivindicación 1 en el que los intercambiadores de calor (20, 30) son intercambiadores tubulares de acero inoxidable.
- 4. El núcleo de bomba de calor de la reivindicación 1 en el que el bloque compresor, los intercambiadores de calor, las tuberías de conexión entre intercambiadores de calor y bloque compresor y entre intercambiadores de calor y tomas de las redes de captación y de restitución de calor, están encerrados en un recinto estanco de confinamiento (40).
- 5. El núcleo de bomba de calor de la reivindicación 1 en el que los intercambiadores de calor están esencialmente desprovistos de aletas de soporte de fijación al chasis.
- 6. El núcleo de bomba de calor de la reivindicación 4 en el que el recinto estanco de confinamiento (40) comprende una base de soporte (41) que forma al menos una parte de al menos una de las caras del conjunto, soportando el bloque compresor y los intercambiadores de calor, y una tapa (42) añadida sobre esta base de soporte.
- 7. El núcleo de bomba de calor de la reivindicación 6 en el que la base de soporte (41) y la tapa (42) están unidas entre sí de manera permanente.
- 8. El núcleo de bomba de calor de la reivindicación 6 en el que el espacio libre residual del recinto de confinamiento está relleno de un material aislante, y la base de soporte (41) consta de un orificio ocultable (44) de introducción de este material aislante.
- 9. El núcleo de bomba de calor de la reivindicación 6 en el que la atmosfera interna del recinto de confinamiento está al vacío, y la base de soporte (41) consta de un orificio ocultable (44) en comunicación con dicha atmosfera para la aplicación de este vacío.
- 10. El núcleo de bomba de calor de la reivindicación 6 en el que la atmosfera interna del recinto de confinamiento está rellena de un gas seco aislante, y la base de soporte (41) consta de un orificio ocultable (44) en comunicación con dicha atmosfera para la introducción de este gas.
- 11. El núcleo de bomba de calor de las reivindicaciones 8 a 10 en el que las tomas (23, 24) de la red de captación de calor, las tomas (33, 34) de la red de restitución de calor y dicho(s) orificio(s) ocultable(s) (44) están agrupados en la base de soporte (41).
- 12. Una bomba de calor caracterizada porque comprende, en combinación:
- -
- un núcleo de bomba de calor según una de las reivindicaciones 1 a 11,
- -
- órganos, comprendiendo al menos un circulador, de acoplamiento a un circuito de captación de calor,
- -
- órganos, comprendiendo al menos un circulador, de acoplamiento a un circuito de restitución de calor,
- -
- órganos de regulación térmica, y
- -
- órganos de alimentación eléctrica del conjunto.
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