ES2325540T3 - Aparato de refrigeracion. - Google Patents
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Abstract
Aparato de refrigeración que comprende: una unidad de condensación (102) que comprende un compresor (110) y un condensador (111); una unidad de almacenamiento de energía (106) que comprende un depósito aislado (140) que contiene un cambiador de calor de almacenamiento y está por lo menos parcialmente lleno con un líquido de cambio de fase, cuyo cambiador de calor de almacenamiento comprende además un cabezal de recogida inferior (156) y un cabezal de recogida superior (154) conectados como mínimo por un elemento térmicamente conductor; un cambiador de carga térmica (122); una unidad (104) de control de la refrigeración conectada a dicha unidad de condensación, dicha unidad de almacenamiento de energía y dicho cambiador de carga térmica; caracterizado porque dicho aparato de refrigeración comprende además, un recipiente de control de refrigerante universal (146) dentro de dicha unidad de control de la refrigeración (104) comprendiendo: una conexión de salida (114) que devuelve refrigerante a dicha unidad de condensación; una conexión de entrada (124) que recibe refrigerante de dicho cambiador de carga térmica (122), un regulador de fase mixta, una combinación de reserva de aceite y recipiente de descarga de refrigerante (116), y dicho cabezal conector superior de dicho cambiador de calor de almacenamiento (122); una primera abertura de fondo que proporciona flujo bidireccional de refrigerante a un cabezal de recogida de fondo (156) de dicho cambiador de calor de almacenamiento, dicha salida de fondo que suministra refrigerante líquido para conexión a dicho cambiador de carga térmica y dicha combinación de reserva de aceite y recipiente de descarga de refrigerante (116); una segunda abertura de fondo que está conectada a dicha combinación de reserva de aceite y recipiente de descarga de refrigerante (116); y una válvula de solenoide (166) conectada a dicho recipiente de control de refrigerante universal (146) y dicho cambiador de carga térmica (122) que regula el suministro de refrigerante a dicho cambiador de carga térmica.
Description
Aparato de refrigeración.
La presente solicitud se basa en la solicitud
provisional de los Estados Unidos número 60/511,952, cuyos
beneficios reivindica, titulada "Almacenamiento de energía y
sistema de refrigeración de alto rendimiento basado en el
refrigerante", presentada el 15 de octubre, del 2003, la materia
de la cual se incorpora específicamente en su totalidad a la
descripción actual a título de referencia en cuanto a la totalidad
de la materia que da a conocer.
La presente invención se refiere, de manera
general, a sistemas que proporcionan energía almacenada en forma de
hielo y, más específicamente, a sistemas de almacenamiento de hielo
utilizados para proporcionar refrigeración, especialmente durante
momentos de demanda eléctrica máxima.
Con el incremento creciente de picos o máximos
de potencia de consumo, el almacenamiento de hielo es un método
favorable medioambientalmente que ha sido utilizado para desplazar
las cargas de potencia de acondicionamiento de aire a horarios
fuera de la demanda máxima, es decir fuera de los picos, a horarios
valle y a las correspondientes tarifas. Existe una necesidad no
solamente de desplazamiento de la carga de los periodos máximos o
pico a periodos fuera de los máximos o periodos valle, sino también
para incrementar la capacidad unitaria de acondicionamiento de aire
y su rendimiento. Las unidades de acondicionamiento de aire
actualmente conocidas que tienen sistemas de almacenamiento de
energía han tenido poco éxito debido a varias deficiencias
incluyendo que se basan en enfriadores de agua, que son prácticos
solamente en grandes edificios comerciales, y que tienen
dificultades de conseguir un elevado rendimiento. A efectos de
comercializar las ventajas del almacenamiento de energía térmica en
edificios comerciales grandes y pequeños, los sistemas de
almacenamiento de energía térmica deben tener costes mínimos de
fabricación y de tipo técnico, deben mantener el máximo rendimiento
en diferentes condiciones operativas, deben demostrar su
simplicidad en el diseño del control del refrigerante, y deben
mantener flexibilidad en múltiples aplicaciones de refrigeración o
acondicionamiento de aire.
Sistemas para proporcionar energía almacenada
han sido previstos anteriormente en la patente USA Nº 4.735.064, la
patente USA Nº 4.916.916, ambas concedidas a Harry Fischer y la
patente USA Nº 5.647.225 de Fischer y otros. Todas estas patentes
utilizan almacenamiento de hielo para desplazar las cargas de
acondicionamiento de aire desde las tarifas de los periodos pico a
las de los periodos llamados no pico o valle, para proporcionar
justificación económica y se incorporan específicamente en cuanto a
la totalidad de la materia que dan a conocer.
El documento US 5.647.225 da a conocer un
sistema de acondicionamiento de aire de multimodalidad y elevado
rendimiento, destinado a almacenar energía y a utilizar la energía
almacenada. El sistema de acondicionamiento de aire comprende una
unidad de condensación, un sistema de distribución de refrigerante,
un depósito aislado y un serpentín de refrigeración de modalidad
dual.
La presente invención supera las desventajas y
limitaciones de la técnica anterior al dar a conocer un aparato de
refrigeración eficaz, que proporciona almacenamiento de energía y
refrigeración basados en refrigerante. Cuando se conecta a una
unidad de condensación, el sistema tiene la capacidad de almacenar
energía durante un periodo de tiempo y proporcionar refrigeración a
partir de la energía almacenada durante un segundo periodo de
tiempo. El sistema requiere una energía mínima para operar durante
cualquiera de dichos periodos de tiempo, y solamente una fracción
de la energía requerida para activar el sistema durante el primer
periodo de tiempo es necesaria para activar el sistema durante el
segundo periodo de tiempo usando una bomba de refrigerante
opcional.
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Una realización de la presente invención puede
comprender, por lo tanto, un aparato refrigerante que comprende:
una unidad de condensación que comprende un compresor y un
condensador; una unidad de almacenamiento de energía que comprende
un depósito aislado que contiene un cambiador de calor de
almacenamiento y llenado, por lo menos parcialmente, con el líquido
de cambio de fase, comprendiendo además el cambiador de calor de
almacenamiento un cabezal de recogida inferior y un cabezal de
recogida superior, conectados, como mínimo, por un elemento
térmicamente conductor, un cambiador de carga térmica, una unidad de
gestión de refrigeración conectada a la unión de condensación, y la
unidad de almacenamiento de energía y cambiador de carga térmica; un
recipiente de gestión universal de refrigerante dentro de la unidad
de gestión de la refrigeración, que comprende: una conexión de
salida que devuelve el refrigerante a la unidad de condensación; una
conexión de entrada que recibe refrigerante desde el cambiador de
carga térmica, un regulador de fase mixta, un recipiente de
combinación de reserva y de descarga de refrigerante, y el cabezal
de recogida superior del cambiador de calor de almacenamiento, una
primera abertura de fondo que proporciona flujo bidireccional de
refrigerante a un cabezal de recogida inferior del cambiador de
calor de almacenamiento, cuya salida de fondo suministra
refrigerante líquido para conexión al cambiador de carga de calor y
el recipiente de combinación de reserva y descarga del refrigerante;
una segunda abertura de fondo que está conectada a dicho recipiente
de combinación de reserva de aceite y de descarga del refrigerante;
y una válvula de solenoide conectada al recipiente universal de
gestión del refrigerante y cambiador de carga de calor que regula
el suministro del refrigerante al cambiador de carga de calor.
Un ejemplo, a efectos de mejorar la comprensión
de la presente invención puede comprender también un aparato de
refrigeración dotado de: una unidad de condensación que comprende un
compresor y un condensador; una unidad de almacenamiento de energía
que comprende un depósito aislado que contiene un cambiador de calor
de almacenamiento y lleno, por lo menos parcialmente, de un líquido
de cambio de fase; un cambiador de carga de calor, una unidad de
gestión de refrigeración conectado a la unidad de condensación, la
unidad de almacenamiento de energía y el cambiador de carga de
calor; y un controlador de gestión del refrigerante en comunicación
con la unidad de gestión de la refrigeración y formado por
controladores basados en relevadores electrónicos que utilizan
datos ambientales y que regulan la operación de control del aparato
de refrigeración.
Una realización de la presente invención puede
comprender también un método para proporcionar refrigeración con un
aparato de refrigeración que comprende las siguientes etapas:
condensar el refrigerante con una unidad de condensación para crear
un primer refrigerante condensado durante un primer periodo de
tiempo; suministrar, como mínimo, un parte del primer refrigerante
condensado a una unidad de evaporación contenida dentro de un
depósito que se encuentra, por lo menos parcialmente, lleno de un
líquido de cambio de fase; expansionar el primer refrigerante
condensado dentro de la unidad de evaporación para congelar una
cierta cantidad del líquido de cambio de fase y formar hielo dentro
del depósito durante el primer periodo de tiempo y producir un
primer refrigerante expansionado; devolver, como mínimo, una parte
del primer refrigerante expansionado a la unidad de condensación;
hacer circular un segundo refrigerante expansionado por la unidad de
evaporación dentro del bloque de hielo durante un segundo periodo
de tiempo para condensar el segundo refrigerante expansionado y
crear un segundo refrigerante condensado; hacer circular, como
mínimo, una parte del segundo refrigerante condensado desde el
recipiente de gestión del refrigerante universal a un cambiador de
carga de calor; expansionar el segundo refrigerante condensado
dentro del cambiador de carga de calor para proporcionar la
refrigeración durante el segundo periodo de tiempo, produciendo, de
esta manera, un segundo refrigerante expansionado adicional; y
controlando el funcionamiento del aparato de refrigeración con un
controlador de gestión del refrigerante que utiliza datos
ambientales externos para regular el funcionamiento.
Las realizaciones que se dan a conocer ofrecen
la ventaja de utilizar potencia de las compañías de suministro
eléctrico durante las horas de baja demanda, es decir, las llamadas
horas valle, que tienen lugar usualmente durante la noche, cuando
estas empresas utilizan sus equipos más eficaces. Por ejemplo, los
generadores eléctricos de alto rendimiento, típicamente accionados
por vapor, producen un kilovatio-hora (KWH) por
aproximadamente 8.900 BTU. Como contraste, un generador eléctrico
de alta capacidad para horas pico, tal como una turbina de gas,
puede utilizar hasta 14.000 BTU para producir el mismo KWH de
electricidad. En segundo lugar, las líneas de transmisión también
se encuentran más frías por la noche, lo cual resulta en un mayor
rendimiento de la utilización de la energía. Finalmente, los
sistemas de aire acondicionado refrigerados por aire que operan el
sistema por la noche, consiguen un mayor rendimiento al reducir la
temperatura de la unidad de condensación.
El almacenamiento de energía y el sistema de
refrigeración basado en refrigerante que se han indicado, tienen la
ventaja de funcionar con elevado rendimiento proporcionando un
sistema global que desplaza la utilización de la potencia sin
pérdidas significativas totales de energía y con los rendimientos
incrementados de la generación de potencia en horas valle y de la
refrigeración del refrigerante basado en un compresor en horas
valle, con una reducción neta del consumo total de energía de una
unidad operativa individual.
En los dibujos,
la figura 1 muestra una realización de un
sistema de almacenamiento en frío de refrigerante y de un sistema
de refrigeración de alto rendimiento en una modalidad utilizada para
la refrigeración de un fluido de proceso.
la figura 2 muestra una realización de un
sistema de almacenamiento del refrigerante en frío y de un sistema
de alto rendimiento en una configuración para acondicionamiento de
aire con múltiples evaporadores.
la figura 3 es una tabla que muestra la
situación de los componentes para una realización de un sistema de
almacenamiento en frío del refrigerante y de un sistema de
refrigeración de alto rendimiento.
la figura 4 muestra una realización de un
aparato de refrigeración que proporciona almacenamiento de energía
y refrigeración.
Si bien la presente invención es susceptible de
realizaciones de múltiples formas, se ha mostrado en los dibujos y
se efectuará la descripción, de manera detallada, de realizaciones
específicas de la misma en el bien entendido de que la presente
descripción se debe considerar como ejemplo de los principios de la
invención y no queda limitada a las realizaciones específicas que se
describen.
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La figura 1 muestra una realización de un
sistema de almacenamiento en frío del refrigerante y de
refrigeración de alto rendimiento. Las realizaciones descritas
minimizan los componentes adicionales y casi no utilizan más
energía, más allá de la utilizada por la unidad de condensación para
almacenar la energía. El almacenamiento en frío del refrigerante ha
sido diseñado para proporcionar flexibilidad, de manera que es
practicable para una serie de aplicaciones. Las realizaciones
pueden utilizar energía almacenada para proporcionar agua fría para
grandes aplicaciones comerciales o pueden proporcionar
acondicionamiento de aire con refrigerante directo a múltiples
evaporadores. El diseño incorpora múltiples modalidades operativas,
la capacidad de añadir componentes adicionales y la integración de
controles inteligentes que permiten el almacenamiento de la energía
y su liberación con un rendimiento máximo. Cuando se conecta a una
unidad de condensación, el sistema almacena energía de
refrigeración en un primer periodo de tiempo y utiliza la energía
almacenada durante un segundo periodo de tiempo para proporcionar
refrigeración. Además, tanto la unidad de condensación como el
sistema de almacenamiento del refrigerante en frío pueden funcionar
simultáneamente proporcionando refrigeración durante un tercer
periodo de tiempo.
Tal como se ha mostrado en la figura 1, una
realización de almacenamiento de energía del refrigerante y sistema
de refrigeración de alto rendimiento se ha mostrado con cuatro
componentes principales incorporados en el sistema. La unidad de
acondicionamiento de aire (102) es una unidad de condensación
convencional que utiliza un compresor (110) y un condensador (111)
para producir un refrigerante líquido a alta presión suministrado a
través de una conducción de suministro de líquido a alta presión
(112) a la unidad (104) de control de la refrigeración. La unidad
(104) de control de la refrigeración está conectada a una unidad
(106) de almacenamiento de energía que comprende un depósito
aislado (140) con serpentines (142) para la formación de hielo y
está lleno con un líquido de cambio de fase, tal como agua u otro
material eutéctico. La unidad de acondicionamiento de aire (102),
la unidad (104) de control de refrigeración y el conjunto (106) de
almacenamiento de energía actúan conjuntamente proporcionando una
refrigeración eficaz al cambiador de carga de calor (108) (conjunto
de bobina de refrigeración interior) y llevando a cabo, por lo
tanto, las funciones de las modalidades principales de
funcionamiento del sistema.
Tal como se ha mostrado adicionalmente en la
figura 1, el compresor (110) produce refrigerante líquido a alta
presión suministrado con intermedio de la conducción de suministro
de líquido a alta presión (112) a la unidad de control de
refrigeración (104). La conducción (112) de suministro de líquido a
alta presión está dividida y alimenta una reserva/recipiente de
descarga (116) de aceite y una válvula deslizante (118) accionada a
presión. La reserva/recipiente de descarga (116) se ha utilizado
para concentrar el aceite en el refrigerante a baja presión y
devolverlo al compresor (110) con intermedio del retorno de succión
en seco (114). Sin la reserva/recipiente de descarga (116), una
parte del aceite permanecería en el recipiente acumulador,
provocando finalmente que el compresor (110) se bloqueara debido a
la falta de aceite, y que los cambiadores de calor resultaran menos
eficaces debido al ensuciamiento. El vapor sube a la parte superior
de la reserva/recipiente de descarga (116) y sale por los capilares
de ventilación (128) para su reintroducción en el retorno de succión
húmedo (124). Esto se hace para favorecer el flujo de vapor
saliendo del cambiador de calor dentro de la reserva/recipiente de
descarga (116), y en la dirección preferente. La longitud del
capilar de salida (128) o dispositivo de sangrado regulado de forma
similar es utilizado para controlar la presión en la
reserva/recipiente de descarga (116), y por lo tanto, la tasa de
ebullición y el volumen del refrigerante en el sistema. La válvula
deslizante (118) accionada por la presión permite también un
suministro secundario del refrigerante líquido a alta presión que
puede derivar el resto de sistema (104) de control del refrigerante
y suministra refrigerante líquido a una bomba de refrigerante
líquido (120) y directamente a la unidad de carga (108).
Una vez activada la bomba (120) de refrigerante
líquido suministra refrigerante líquido a los serpentines del
evaporador del cambiador de carga térmica (122) dentro de la parte
de carga (108) del sistema de almacenamiento de energía y de
refrigeración. El refrigerante a baja presión regresa desde los
serpentines del evaporador del cambiador de carga térmica (122) con
intermedio del retorno de succión húmedo (124) a un acumulador o
recipiente de control del refrigerante universal (URMV) (146) y al
cambiador de calor interno compuesto por los serpentines (142) para
congelación de hielo/descarga. El vapor a baja presión sale de la
parte superior del URMV (146) y vuelve a la unidad de
acondicionamiento de aire (102) con intermedio de la conducción de
retorno en seco (114) junto con el refrigerante destilado,
enriquecido con aceite, que sale de la parte inferior de la
reserva/recipiente descarga (116) a través del capilar de retorno de
aceite (148). El capilar (148) para retorno de aceite controla la
velocidad a la que el aceite es reintroducido en el sistema. El
refrigerante líquido enriquecido con aceite pasa a través de un
retenedor en forma de P (150), que elimina (bloquea) una ruta no
deseada para el refrigerante en caso de que la reserva/recipiente de
descarga (116) se vaciara.
De manera adicional, el retorno de succión en
húmedo (124) conecta con una bifurcación (130) antes del URMV
(146). La bifurcación suministra refrigerante a baja presión desde
el regulador de fase mixta (132) (TRVT). El regulador (132) de fase
mixta mide el flujo del refrigerante dentro del sistema por
incorporación de una válvula (orificio) que se abre para liberar
refrigerante de fase mixta, solamente cuando existe suficiente
cantidad de líquido acumulado en el condensador (111). De esta
manera, el compresor (110) que activa el sistema necesita
simplemente funcionar para alimentar refrigerante a alta presión,
que se puede equilibrar con la carga de refrigeración. Este
regulador (132) de fase mixta impide el sangrado del vapor hacia el
lado de baja presión (parte de carga térmica) del sistema y
virtualmente elimina la alimentación de vapor al URMV (146) desde
el conversor (110), reduciendo también la presión requerida desde la
presión del condensador a la presión de saturación del evaporador.
Esto resulta en un rendimiento general más elevado del sistema
simplificando al mismo tiempo las características de
sobrealimentación de líquido de la unidad de control del
refrigerante.
\newpage
El depósito aislado (140) contiene serpentines
(142) de doble finalidad de congelación de hielo/descarga (diseñados
nominalmente de forma geométrica como serpentines helicoidales),
dispuestos para circulación por gravedad y drenaje del líquido
refrigerante, y están conectados a un conjunto colector superior
(154) de la parte superior y a un conjunto colector inferior (156)
en la parte baja. El conjunto colector superior (154) se prolonga
hacia fuera a través del depósito aislado (140) a la unidad de
control de refrigeración (104). Cuando el refrigerante fluye a
través de los serpentines (142) de congelación de hielo/descarga y
los conjuntos de cabezal (154) y (156), el serpentín actúa como
evaporador y el fluido (152) se solidifica en el depósito aislado
(140) durante un periodo de tiempo. Los serpentines (142) de
congelación de hielo/descarga y los conjuntos de cabezales (154) y
(156) están conectados al lado de baja presión de los circuitos
refrigerantes y están dispuestos para circulación por gravedad o
mediante bomba y drenaje del refrigerante líquido. Durante el
segundo periodo de tiempo, el refrigerante caliente en fase de
vapor circula por los serpentines (142) de congelación de
hielo/descarga y los conjuntos de cabezales (154) y (156) y funde
el hielo (152) proporcionando una función de condensación del
refrigerante.
En una realización, el depósito aislado (140)
utilizado en el sistema es un depósito de plástico rotomoldeado de
doble pared con un valor de aislamiento (R13) a (R35) en la tapa,
paredes y fondo del deposito. Dado que el sistema funciona
normalmente en un ciclo de carga y descarga diario, en vez de un
ciclo semanal, los valores de aislamiento adicional no mejoran
significativamente el rendimiento global. El depósito aislado (140)
integra puntos de acoplamiento para componentes de control del
refrigerante montados exteriormente y proporciona la salida de los
conductos de refrigeración. El depósito está lleno de agua o un
material eutético e incorpora un rebosadero para mantener el nivel
de fluido durante la expansión de los fluidos.
El dispositivo central dentro de la unidad (104)
del control del refrigerante es un recipiente acumulador llamado
recipiente de control del refrigerante universal o URMV (146). El
URMV (146) se encuentra en el lado de baja presión de los circuitos
del refrigerante y lleva a cabo varias funciones. El URMV (146)
separa refrigerante líquido y vapor durante el periodo de
almacenamiento de energía refrigerante y durante el periodo de
refrigeración. El URMV (146) proporciona una columna de líquido
refrigerante durante el periodo de almacenamiento de energía
refrigerante que mantiene la circulación por gravedad por los
serpentines (142) de congelación de hielo/descarga dentro del
depósito aislado (140). El URMV (146) es también un recipiente de
separación del vapor y proporciona almacenamiento del refrigerante.
Los retornos de succión en seco (114) hacia el compresor (110) de la
unidad de aire acondicionado (102) durante el periodo de tiempo de
almacenamiento de energía es proporcionado por una salida en la
parte superior del recipiente URMV (140). El retorno de succión en
seco (114) está colocado de manera tal que impide que el líquido
refrigerante vuelva hacia el compresor. Un retorno de succión en
húmedo (124) está dispuesto a través de una entrada en la parte
superior del URMV (146) para conexión a un evaporador (cambiador de
carga calorífica (122)) durante el periodo de tiempo en el que el
sistema de almacenamiento de energía del refrigerante proporciona
refrigeración.
El primer periodo de tiempo es el periodo de
tiempo de almacenamiento de energía del refrigerante o
almacenamiento de energía en hielo. La salida del compresor (110)
es de vapor refrigerante a alta presión que es condensado a líquido
a alta presión, (HPL). Una válvula (no mostrada) en la salida de la
bomba de refrigerante (120) es activada para cerrar la conexión a
la unidad de carga (108). El líquido a alta presión está rodeado de
refrigerante líquido a baja presión en un segundo recipiente de
refrigerante que es una combinación de la reserva de
aceite/recipiente de descarga (116) que está conectado al lado
inferior del sistema del refrigerante.
Durante este primer periodo de tiempo (periodo
de almacenamiento de energía) la reserva de aceite/recipiente de
descarga (116) es una reserva de aceite y durante el periodo de
refrigeración dicha reserva de aceite/recipiente de descarga (116)
actúa como recipiente de descarga del refrigerante. Durante el
periodo de almacenamiento de energía, un cambiador de calor
interno, en el que fluye refrigerante líquido a alta presión
procedente de una unidad de acondicionamiento de aire (102),
mantiene la casi totalidad del líquido refrigerante a baja presión
fuera de la reserva de aceite/recipiente de descarga (116). El
refrigerante que se encuentra dentro del recipiente hierve a una
velocidad determinada por los dos tubos capilares. Un capilar es un
capilar de salida (128) que controla el nivel de la reserva de
aceite/recipiente de descarga de aceite. El segundo capilar (148)
de retorno de aceite, devuelve el refrigerante enriquecido en aceite
al compresor (110) situado dentro de la unidad (102) de
acondicionamiento de aire a una velocidad determinada. La columna de
refrigerante líquido en el URMV (146) recibe la acción de la
gravedad y el posicionado de la reserva de aceite/recipiente de
descarga de aceite cerca del fondo de la columna URMV (146)
mantiene un flujo regular de refrigerante líquido de suministro de
la reserva de aceite/recipiente de descarga (116). Este recipiente
está conectado a un conducto de alimentación de líquido a baja
presión (144) con un dispositivo de retención en forma de P (150)
que impide la entrada del vapor en la URMV (146) o la bomba de
refrigerante líquido (120). La función de descarga permite el
drenaje del exceso de refrigerante durante el periodo de
refrigeración desde los serpentines de congelación de hielo/descarga
(142) en el depósito aislado (140) manteniendo el área superficial
máxima para condensar el refrigerante. El posicionado físico del
recipiente (116) de reserva de aceite/recipiente de descarga de
aceite es un factor en su rendimiento el depósito de reserva y como
recipiente de descarga. Este recipiente (116) de reserva de
aceite/recipiente de descarga de aceite proporciona adicionalmente
la ruta de retorno del aceite que emigra con el refrigerante que
debe volver al compresor (110). El refrigerante líquido a alta
presión ligeramente subenfriado (más frío que la temperatura de la
fase vapor a líquido del refrigerante) que sale del recipiente
(116) de reserva de aceite/recipiente de descarga de aceite pasa por
un regulador de fase mixta (132) (retenedor de vapor refrigerante
termodinámico) en el que tiene lugar una reducción de presión.
Tal como se ha mencionado en lo anterior, la
unidad (104) de control del refrigerante recibe refrigerante
líquido a alta presión desde la unidad de acondicionamiento de aire
con intermedio de la conducción (112) de suministro de líquido a
alta presión. El refrigerante líquido a alta presión pasa por el
cambiador de calor dentro de la reserva de aceite/recipiente de
descarga de aceite (116), donde es subenfriado, y conecta con el
regulador de fase mixta (132), en el que tiene lugar la caída de
presión del refrigerante. La utilización de un regulador de fase
mixta (132) proporciona muchas funciones favorables además de la
caída de presión del refrigerante líquido. La cantidad másica de
refrigerante que pasa por el regulador de fase mixta (132) se
adecuará a la velocidad de ebullición del refrigerante en los
serpentines de fabricación de hielo (142) durante el periodo de
tiempo de almacenamiento de energía. Esto elimina la necesidad de
control del nivel de refrigerante. El regulador (132) de fase mixta
pasa refrigerante líquido subenfriado, pero se cierra cuando
detecta vapor en su entrada (o un subenfriamiento no adecuado del
líquido). La acción pulsante del refrigerante que sale por la
abertura y el cierre del regulador de fase mixta (132) crea un
efecto ariete sobre el refrigerante líquido al producirse una onda
dentro de la columna cerrada. Ésta agita el refrigerante líquido de
los serpentines de fabricación de hielo (142) durante el periodo de
tiempo de almacenamiento de energía y favorece la transferencia
térmica y ayuda a la segregación de líquido y refrigerante en fase
de vapor. El regulador (132) de fase mixta, conjuntamente con el
URMV (146), drena también la unidad de acondicionamiento de aire
(102) de líquido refrigerante, manteniendo su área superficial
disponible para la condensación. El regulador (132) de fase mixta
permite que la presión estática de la unidad de condensación
enfriada por aire varíe con la temperatura ambiente. El sistema no
requiere circuito de sobrecalentamiento ni de subenfriamiento, tal
como es forzoso con la mayor parte de unidades de condensación
conectadas a un dispositivo de refrigeración con expansión
directa.
Un ajuste al regulador de fase mixta (132)
permite el almacenamiento de energía del refrigerante y que el
sistema de refrigeración fabrique hielo con una aproximación
promedio de cuatro grados. El refrigerante líquido a baja presión
que sale del regulador de fase mixta (132) pasa por una bifurcación
(130) hacia un extractor (o tobera de inyección) situada entre la
entrada al URMV (146) y el conjunto del cabezal superior (144) de
los serpentines de fabricación de hielo (142) ayudando a la
circulación del refrigerante por gravedad. La bifurcación (130)
reduce la presión y el caudal del refrigerante líquido. Durante el
periodo de tiempo de almacenamiento de energía del refrigerante, el
extractor crea una caída de presión al salir el refrigerante de la
bifurcación (130) incrementando, por lo tanto, la velocidad de
circulación del refrigerante en los serpentines de fabricación de
hielo (142) y mejorando el rendimiento del sistema.
El regulador de fase mixta (132) varía también
el caudal del refrigerante como respuesta a la carga del evaporador.
Procede de este modo al mantener una presión constante en el URMV
(146). Esto permite que la presión de condensación varíe con la
temperatura del aire ambiente. Al disminuir la temperatura del aire
ambiente la presión estática en el compresor (110) disminuye. El
regulador de fase mixta (132) permite que el refrigerante líquido
pase pero se cierra cuando detecta vapor. Mantiene la mezcla de
fase doble en un "retenedor". El líquido (al ser más denso)
puede pasar, pero empieza a cerrarse cuando pasa el gas, que es
menos denso. El vapor se acumula en el condensador (111) para ser
condensado posteriormente formando un líquido. El regulador de fase
mixta (132) es autorregulable (una vez calibrado) y no tiene
pérdidas parásitas (expansión adiabática). De manera adicional, el
regulador de fase mixta (132) mejora el rendimiento de la
transferencia de calor en los serpentines del cambiador del calor
al retirar el vapor del líquido y creando una acción pulsante en el
lado de baja presión. Tal como se ha indicado en lo anterior, el
regulador de fase mixta (132) se abre para dejar pasar el líquido a
baja presión y luego se cierra para retener vapor en el lado de alta
presión y crear una acción pulsante en el lado de baja presión del
regulador. Esta acción pulsante humedece una mayor proporción de la
pared interior del subcircuito a nivel de ebullición, lo que
aumenta la transferencia de calor.
El líquido a baja presión entra en el recipiente
URMV (146) y los componentes de líquido y vapor son separados. El
componente líquido llena el URMV (146) hasta un nivel determinado y
el componente de vapor es devuelto al compresor de
acondicionamiento de aire (102). En un sistema de refrigeración por
expansión directa normal, el componente de vapor circula por el
sistema reduciendo el rendimiento. Con esta realización, el
componente de vapor es devuelto inmediatamente al compresor (110).
La columna de líquido refrigerante en el URMV (146) recibe la
acción de la gravedad y tiene dos rutas durante el periodo de tiempo
de almacenamiento de energía. Una ruta es hacia la reserva de
aceite/recipiente de descarga de aceite (116) en el que la velocidad
de salida del caudal se gradua por los tubos capilares (128) y
(148). La segunda ruta para la columna de líquido refrigerante es
hacia el conjunto del cabezal inferior (146) a través de los
serpentines de fabricación de hielo (142) y el conjunto del cabezal
superior (156), volviendo al compresor (110) otra vez del URMV
(146). Esta circulación por gravedad, de este modo, es la forma en
que se almacena energía en forma de hielo cuando el depósito es
llenado con un fluido de cambio de fase, tal como agua. Una columna
sólida de refrigerante líquido en el URMV (146) resulta menos densa
en los serpentines (142) de fabricación de hielo al hacerse vapor el
refrigerante. Este diferencial mantiene la circulación por
gravedad. Inicialmente el vapor, y más adelante, en el ciclo de
almacenamiento del refrigerante, líquido y vapor, son devueltos al
URMV (146). El líquido vuelve a la columna y el vapor vuelve al
compresor (110) situado dentro de la unidad de acondicionamiento de
aire (102). La circulación por gravedad asegura la formación
uniforme de hielo. Dado que uno de los serpentines de fabricación de
hielo (142) fabrica una cantidad mayor de hielo, su tasa de flujo
calorífico se reduce. El serpentín adyacente al mismo recibe ahora
más refrigerante hasta que tiene una tasa igual de flujo
calorífico.
El diseño de los serpentines (142) de
fabricación de hielo crea un modelo de fabricación de hielo que
mantiene la presión de succión del compresor elevada durante el
periodo de tiempo de almacenamiento que fabrica hielo. Durante la
fase final del periodo de tiempo de almacenamiento de energía, se
produce una formación rápida de hielo y la presión de succión
disminuye rápidamente. Esta es la indicación de plena carga que
cierra automáticamente la unidad de condensación con un cambio
ajustable de la presión del refrigerante.
Cuando la unidad de acondicionamiento de aire
(102) se conecta durante el periodo de tiempo de almacenamiento de
energía, el líquido refrigerante a alta presión obliga al elemento
deslizante (pistón) de la válvula deslizante accionada a presión a
bloquear el flujo libre del refrigerante hacia el cambiador (122) de
carga térmica. Cuando el sistema de almacenamiento de energía está
completamente cargado y la unidad de acondicionamiento de aire
(102) se cierra, el regulador (132) de fase mixta permite que las
presiones del sistema refrigerante se igualen con rapidez. Dado que
el líquido a alta presión ya no empuja a la válvula en posición
cerrada, un resorte devuelve el elemento deslizante a la posición
abierta, permitiendo que el refrigerante pase al cambiador (122) de
carga térmica sin restricción. En una realización, el cambiador de
carga térmica (122) queda situado por debajo del sistema de
almacenamiento de energía, y el refrigerante fluye por gravedad al
evaporador lleno de líquido y funciona como termosifón.
Como resumen, cuando el depósito está lleno de
agua y se hace circular refrigerante por los serpentines, los
serpentines actúan como evaporador, formando hielo y almacenando
energía durante un periodo de tiempo. Durante un segundo periodo de
tiempo, el refrigerante circula por los serpentines y funde el hielo
proporcionando una función de condensación del refrigerante. Este
almacenamiento de energía y metodología de descarga es conocido
como fusión interna de hielo sobre el serpentín
("ice-on-coil,
inside-melt"). Los periodos de tiempo están
determinados por el usuario final, una empresa de servicios, u
opcionalmente se incorporan controles inteligentes dentro del
sistema o acoplados al mismo.
La figura 2 muestra una realización de un
almacenamiento en frío del refrigerante, de alto rendimiento, y un
sistema de refrigeración con una configuración para el
acondicionamiento de aire con múltiples evaporadores (que
comprenden sistemas "mini-split" muy habituales
en Europa y en el oriente lejano). Tal como se ha mostrado en la
figura 2, se pueden añadir varias opciones de eficiencia al
almacenamiento en frío del refrigerante y sistema de refrigeración.
Tal como se ha indicado anteriormente, una bomba de refrigerante
líquido (120) dentro de la unidad (104) del control del
refrigerante se puede añadir más adelante de la válvula deslizante
(118) accionada a presión para hacer circular refrigerante a una
carga que se ha mostrado como evaporadores
mini-split (160) en esta realización. Los
serpentines de los cambiadores de calor dentro de los evaporadores
mini-split (160) reciben la alimentación del
refrigerante usando directamente tecnología de sobrealimentación de
líquido. En la conducción de retorno de succión en húmedo (124),
regresa tanto líquido como vapor a la unidad (106) de
almacenamiento de energía. El cual es condensado por serpentinas de
descarga (142) dentro del hielo (152) y el líquido del refrigerante
es devuelto a la entrada de la bomba de líquido refrigerante (120).
El refrigerante en exceso que puede haber sido utilizado durante el
periodo de tiempo de almacenamiento de energía es almacenado ahora
en el recipiente (116) de reserva de aceite/recipiente de descarga
de aceite. Las opciones de ruta del refrigerante presentadas con la
válvula deslizante accionada a presión en la figura 2 permiten
ambas que la unidad de acondicionamiento de aire (102) y la unidad
de almacenamiento (106) proporcione condensación para los
evaporadores mini-split (160) dentro de la unidad de
carga (108). Esto es lo que se llama la modalidad "Push" y
funciona durante un tercer periodo de
tiempo.
tiempo.
La serie de serpentines que comprenden los
serpentines (142) de congelación de hielo/descarga pueden tener un
sistema de desestratificación pasivo de agua que consiste en
conducciones pasivas de desestratificación (164) en contacto físico
con los serpentines de congelación de hielo/descarga (142) que
proporcionan una ruta para el desplazamiento de agua hacia fuera
del límite de hielo. Estos tubos desestratificadores pasivos (164)
junto con soportes que mantienen los serpentines apropiadamente
separados, proporcionan protección mecánica para los serpentines
durante su expedición. Un dispositivo opcional de burbujeo de aire,
bomba de agua, agitador, dispositivo de circulación o similar
pueden ser instalados para desestratificar activamente el líquido
provocando el flujo en una u otra dirección. Las aletas
desestratificadoras pasivas (162) pueden ser también utilizadas en
el cabezal superior (154), el conjunto del cabezal inferior (156) u
otras superficies de intercambio calorífico dentro de la unidad
(106) de almacenamiento de energía para proporcionar
desestratificación adicional e intercambio térmico dentro del
líquido/hielo (152).
La serie de serpentines puede tener también un
sistema de desestratificación pasivo de agua que consiste en
tuberías con contacto físico con los serpentines que proporcionan
una ruta para el desplazamiento de agua por fuera del límite de
hielo. Estas tuberías, junto con soportes que mantienen los
serpentines separados apropiadamente, proporcionan protección
mecánica para los serpentines durante el envío. Un dispositivo
burbujeador de aire opcional, bomba de agua, agitador, dispositivo
de circulación oo similares, pueden ser instalados para
desestratificar, de manera activa, el fluido produciendo flujo en
una u otra dirección.
La figura 3 es una tabla que muestra el estado
del componente para una realización de un sistema de almacenamiento
en frío del refrigerante y un sistema de refrigeración de alta
eficiencia que funciona en tres periodos de tiempo y modalidades.
Tal como se ha mostrado en la figura 3, la situación de la unidad de
acondicionamiento de aire (102), el recipiente de reserva de
aceite/recipiente de descarga de aceite (116), los serpentines
(142) de congelación de hielo/descarga y la válvula deslizante
accionada a presión (118) se han mostrado para cada uno de los tres
periodos de tiempo y modalidades que se han descrito. Por ejemplo,
en el periodo de tiempo 1, durante la modalidad de almacenamiento
el frío del refrigerante, la unidad (102) de acondicionamiento de
aire en el recipiente (116) de reserva de aceite/recipiente de
descarga de aceite funciona como reserva de aceite, los serpentines
de congelación de hielo/descarga (142) fabrican hielo fluyendo el
refrigerante desde la parte inferior a la parte superior, y la
válvula deslizante accionada a presión (118) está cerrada.
Durante este ciclo de fabricación de hielo
(carga), la unidad de acondicionamiento de aire (102) suministra
refrigerante líquido caliente al sistema. El circuito sigue la ruta
que empieza con el líquido a alta presión procedente del
condensador (111), pasando por el regulador (132) de fase mixta
(flotación) que cambia el refrigerante a un líquido a baja presión
cuando se ha alimentado el URMV (146). El sistema alimento líquido a
baja temperatura al conjunto del cabezal inferior (156) del
cambiador de calor dentro de la unidad (106) de almacenamiento de
energía en la que congela gradualmente la mayor parte del agua del
depósito aislado (140). El refrigerante en fase vapor sale del
conjunto del cabezal superior y fluye en retorno al URMV (146).
Cualquier cantidad de líquido arrastrada cae al fondo del URMV
(146) y repite el circuito a través de los serpentines de
congelación de hielo/descarga (142). El vapor resultante a baja
presión "seco" sale del URMV (146) y el ciclo empieza
nuevamente.
En el periodo de tiempo 2, durante la modalidad
de refrigeración a la que se hace referencia también como ciclo de
refrigeración o de fusión del hielo (descarga), la unidad (102) de
acondicionamiento de aire está desconectada, la reserva de
aceite/recipiente de descarga de aceite (116) funciona como
recipiente de descarga, los serpentines (142) de congelación de
hielo/descarga condensan, con flujo del refrigerante desde arriba
hacia abajo, y la bomba de refrigerante (120) y la válvula
deslizante (118) cerrada a presión están abiertas.
Durante periodos de energía máxima o pico, el
acondicionador de aire (102) conectado al sistema es desconectado y
el sistema descarga el hielo creado durante el ciclo de fabricación
de hielo. El sistema descarga el sumidero de energía proporcionado
por el hielo para posibilitar la refrigeración. En las realizaciones
que se dan a conocer existen dos métodos de ciclo de refrigeración
soportados por el módulo del sistema: desplazamiento de carga y
nivelado de carga. El desplazamiento de carga utiliza un circuito de
refrigeración único, el sistema conectado a un serpentín evaporador
estándar para proporcionar refrigeración sensible y latente. La
modalidad de nivelado de carga utiliza dos circuitos de
refrigeración separados para proporcionar refrigeración: un
circuito sensible evaporador para proporcionar refrigeración
sensible (eliminando el calor del aire de ventilación), y un
evaporador de hielo separado para proporcionar refrigeración latente
(eliminando la humedad). Una unidad de acondicionamiento de aire
estándar (102) y un serpentín de evaporador sobredimensionado
(unidad de carga (108) comprenden el circuito
sensible-evaporador mientras que el segundo
serpentín evaporador y la unidad (106) de almacenamiento de energía
comprenden el circuito de hielo-evaporador. También
se puede conseguir lo inverso en otras realizaciones del sistema de
nivelado de
carga.
carga.
El circuito de refrigeración en modalidad de
desplazamiento de carga y el circuito evaporador de hielo en
modalidad de nivelación de carga, son básicamente similares estando
ambos sistemas conectados a un serpentín evaporador (unidad de
carga (108)). La diferencia entre los dos es que en modalidad de
desplazamiento de carga, la unidad de carga (108) proporciona
refrigeración sensible y latente mientras se encuentra en nivelado
de carga, la unidad de carga (108) proporciona principalmente
refrigeración latente. Esto posibilita que el mismo diseño básico
de serpentín tenga capacidad de llevar a cabo diferentes funciones
en múltiples configuraciones.
Durante el ciclo de fusión del hielo, la bomba
del refrigerante (120) es la fuerza impulsora para el refrigerante
hacia la unidad de carga (108). Un aspecto exclusivo de estos
sistemas en comparación con sistemas estándar de acondicionamiento
de aire es que la unidad interior (manipulador de aire y unidad de
carga (108)) pueden estar alejados hasta 150 pies con respecto a la
unidad de almacenamiento de energía (106) (normalmente el máximo es
de 80 pies). Esto es posible porque el recipiente (116) de reserva
de aceite/recipiente de descarga de aceite actúa como receptor de
líquido y añade el líquido refrigerante adicional requerido para
pasar por conducciones largas. Los sistemas estándar de
acondicionamiento de aire quedarían sin líquido para estas
distancias y proporcionarían un rendimiento reducido. Esto
posibilita que los sistemas que se han dado a conocer sean
aplicados a edificios mucho más grandes que los sistemas de
acondicionamiento de aire estándar de sistema split.
Una aplicación básica para estos tipos de
aparatos de refrigeración se encuentra en el campo de las demandas
de potencia pico con desplazamiento de carga de acondicionamiento de
aire durante el día. Existen básicamente dos métodos que se siguen
habitualmente para evitar una demanda eléctrica elevada durante las
horas pico del verano. Un método es el llamado de ocultación de la
carga, en el que se desconectan compresores durante periodos pico y
la refrigeración es facilitada por la energía almacenada, tal como
hielo, para proporcionar refrigeración. El otro método es el
llamado de nivelado de carga, en el que un compresor más pequeño
funciona de manera continua. Durante los periodos de baja demanda
de refrigeración, la energía es almacenada térmicamente en forma de
hielo, y durante los periodos de demanda moderada, el pequeño
compresor equilibra la exigencia de carga. Durante los periodos de
elevada demanda cuando el pequeño compresor no puede suministrar la
energía requerida, la capacidad del sistema es suplementada por la
fusión de hielo para conseguir la diferencia. El periodo de
congelación de hielo durante la demanda baja de acondicionamiento
de aire puede prolongarse 12-14 horas, en contraste
con el periodo de demanda pico que puede ser corto del orden de 3
horas o largo llegando a las 10 horas.
A continuación, se describe el flujo de
refrigerante para la modalidad de desplazamiento de carga y el
circuito evaporador de hielo en la modalidad de equilibrado de
carga. Durante el ciclo de fusión de hielo (descarga), los
serpentines de congelación de hielo/descarga de la unidad de
almacenamiento de energía (106) actúan como condensadores,
absorbiendo refrigerante en forma de vapor de la unidad de carga
(108) y condensándolo. El refrigerante líquido frío
(32ºF-58ºF) es obligado a circular en una unidad de
carga (108) con intermedio de la bomba de refrigerante (120). Si la
unidad de carga (108) se encuentra suficientemente próxima a la
unidad de carga (106) de control del refrigerante y por debajo de
la misma, el ciclo puede funcionar completamente según diferencias
de densidad (como termosifón), eliminando así la necesidad de una
bomba de refrigerante líquido (120), y por lo tanto, reduciendo el
consumo de energía (incrementando el rendimiento del sistema). Este
circuito utiliza solamente líquido a baja presión y refrigerante en
estado de vapor.
\newpage
Las etapas en el circuito de evaporación de
hielo son las siguientes:
1. Se bombea refrigerante líquido desde el URMV
(146) pasando por la bomba de refrigerante de líquido (120) hacia
la unidad de carga (108).
2. El refrigerante líquido es separado por
ebullición en la unidad de carga (108).
3. Una mezcla de vapor y líquido regresa desde
la unidad de carga (108) al URMV (146) pasando por el retorno de
succión en húmedo (124).
4. El refrigerante líquido cae al fondo del URMV
(146).
5. La mayor parte del componente refrigerante en
estado de vapor no entra en el URMV (146), sino que entra en el
cambiador de calor de la unidad de almacenamiento de energía (106)
debido a la presión de succión provocada por la condensación del
refrigerante en los subcircuitos de refrigeración (serpentines).
6. El refrigerante en fase de vapor entra en los
serpentines (142) de congelación de hielo/descara y se condensa en
líquido en el conjunto del cabezal inferior (156).
7. El refrigerante líquido sale del conjunto del
cabezal inferior (156) y se acumula en el fondo del URMV (146).
8. El ciclo se repite.
En modalidad de desplazamiento de carga, la
unidad (106) de energía térmica es el único sistema de refrigeración
que utiliza energía durante los periodos de tiempo pico prescritos.
Por lo tanto, la mayor parte de la utilización de la energía (hasta
100%) puede ser desplazada hasta otros periodos de tiempo no pico,
es decir, valle. El objetivo de la función de desplazamiento de
carga consiste en desplazar la demanda eléctrica a las horas valle.
La demanda total se reduce, el rendimiento se incrementa porque la
unidad de acondicionamiento de aire funciona a menor temperatura
ambiente, y la demanda se desplaza desde las horas pico a las horas
valle.
En modalidad de nivelación de carga, dos
circuitos de refrigeración separados son utilizados para
proporcionar refrigeración. El primer circuito es alimentado por
otros sistemas de refrigeración y, preferentemente, proporcionaría
refrigeración sensible. Las realizaciones que se han dado a conocer
son utilizadas como parte del segundo circuito de refrigeración, el
circuito evaporador de hielo. Los sistemas que se han dado a conocer
proporcionan una refrigeración latente muy eficaz porque funcionan
a temperatura mucho más baja (baja presión) del refrigerante, a
través de la unidad de carga (108), en comparación con los sistemas
de acondicionamiento de aire más estándar. El punto de rocío
resultante más bajo extrae mayor cantidad de humedad (energía
latente) en el aire. La utilización del sistema en modalidad de
nivelación de carga para proporcionar la refrigeración latente
posibilita la reducción de las dimensiones del sistema de
acondicionamiento de aire solamente sensible. También son posibles
sistemas de manipulación de aire más reducidos. De forma ideal, el
objetivo consiste en eliminar la deshumidificación (refrigeración
latente) del primer serpentín, y proporcionarla por completo en el
segundo serpentín. Al mejorar el rendimiento del primer circuito de
refrigeración y utilizar el sistema para suministrar la
refrigeración al segundo circuito, la demanda pico puede ser
reducida y se puede mejorar el rendimiento global (en comparación
con un sistema unitario convencional de acondicionamiento de aire)
dependiendo de la demanda de refrigeración.
En la configuración del nivelado de carga, el
sistema puede proporcionar todavía la carga de refrigeración total
durante los meses de comportamiento plano o meses de invierno,
cuando la carga de refrigeración es mínima o está definida por un
sistema de control de energía para minimizar adicionalmente la
demanda eléctrica pico.
Finalmente, en el periodo de tiempo 3, durante
la modalidad "Push", la unidad de acondicionamiento de aire
(102) está conectada, la reserva de aceite/recipiente de descarga de
aceite (116) actúa como combinación de reserva de aceite y
recipiente de descarga, los serpentines (142) de congelación de
hielo/descarga se condensan con flujo de refrigerante desde arriba
hacia abajo, y la bomba de refrigerante (120) y la válvula
deslizante accionada a presión (118) están abiertas. La modalidad
"Push" permite que el compresor (110) asociado con el sistema
(para proporcionar hielo) proporciona refrigeración directamente a
la unidad de carga (108). Esto puede servir a una serie de
objetivos, tales como: proporcionar refrigeración después de haber
agotado el hielo; proporcionar capacidad adicional en periodos de
tiempo pico (juntamente con el hielo); y ahorrando hielo para
periodos posteriores, presumiblemente para conseguir un mejor
coste.
Nominalmente, la temporización de la fabricación
de hielo es calculada para enfocar solamente los costes de energía,
por ejemplo, el precio por kWh. No obstante, el cálculo puede
también dirigirse al rendimiento del sistema en varias horas de la
noche, lo que tiene impacto indirectamente en los costes totales de
energía. El rendimiento durante la noche varía con las condiciones
de temperatura ambiente y condiciones climáticas. Las temperaturas
durante la noche siguen, de manera típica, un perfil con valores más
fríos (justamente antes de la salida del sol), y esto puede ser
utilizado para optimizar los tiempos de acumulación. No obstante,
las previsiones de tiempo y otros mecanismos de alimentación en
avance pueden ser utilizados también para optimizar el tiempo de
acumulación. La optimización del tiempo de acumulación puede tener
en cuenta una serie de limitaciones y factores adicionales, tales
como ruido, comodidad, niveles de consumo máximo, etc.
La acumulación de hielo, puede ser optimizada
también alrededor de las necesidades de refrigeración esperadas, es
decir, puede ser ventajoso económicamente no fabricar hielo si los
cálculos o las normas indican que no ha sido necesario (para el
ciclo siguiente, o algún periodo de tiempo). El sistema necesita no
solamente ser configurado para refrigerar un local, es decir, para
el confort humano. Puede proporcionar refrigeración para cualquier
objetivo, tal como la refrigeración de un líquido en un determinado
proceso. La capacidad de suministro (velocidad) puede ser también
ajustada por intermedio de una válvula que alimenta una parte de la
salida (procedente, por ejemplo, de la bomba de refrigerante
líquido) directamente el retorno al sistema, derivando el evaporador
o unidad de carga
(108).
(108).
El sistema genera su propia agua por la
condensación, y en suficiente cantidad para no requerir que el
depósito aislado (140) sea rellenado debido a la evaporación. El
agua en exceso generada por condensación puede ser drenada mediante
un tubo que conduce desde una parte alta por encima del hielo hasta
el suelo. Para impedir que esta ruta pase a ser una ruta para la
entrada de aire caliente dentro del depósito, se puede colocar en
el tubo un retenedor de agua u otro sistema similar.
El bloque de hielo (152) formado dentro del
depósito aislado (140) está destinado a fundirse desde la parte
superior a la parte inferior (debido a la evaporación del
refrigerante) y desde dentro de cada una de las secciones del hielo
de los serpentines (142) de congelación/descarga hacia el exterior
(el hielo que establece contacto con el serpentín se funde en
primer lugar). Después de que todo el hielo que está en contacto con
los serpentines de congelación/descarga (142) se ha fundido, se
encuentra en contacto con el serpentín agua, pero no hielo, si
bien, una "envolvente" de agua puede quedar retenida en la
parte superior o en la parte inferior. Esta envolvente de agua hace
más lenta la velocidad de transferencia de calor desde el serpentín
al hielo. El rendimiento y las condiciones operativas mejoran por la
circulación del agua por dicha envolvente de agua. Para conseguir
dicho flujo se deben conseguir dos factores: se debe crear una ruta
completa a lo largo de los serpentines (142) de congelación de
hielo/descarga, desde agua abierta hasta agua abierta, y se debe
establecer un medio para favorecer el flujo. Para crear una ruta, se
instalan conducciones desestratificadoras pasivas (164)
(conductores térmicos, tales como tubos de cobre) hacia el fondo del
conjunto del serpentín, y físicamente unidos a cada uno de los
serpentines (142) de congelación de hielo/descarga según la longitud
del conductor. Además, el tubo desestratificador pasivo (164) se
prolonga más allá de la zona de acumulación de hielo en agua
abierta. Se pueden añadir múltiples conductos de ese tipo. Cada uno
de los conductos crea, por lo tanto, su propia "envolvente" de
agua que empieza en agua abierta y se conecta a cada una de las
envolventes de los serpentines, creando, por lo tanto, una ruta
desde la parte inferior hacia arriba. En la parte superior de cada
uno de los serpentines se añade nuevamente un conducto
desestratificador pasivo (164) para crear otra funda que se
prolonga a través del hielo de la parte superior. Este conducto
puede tener un diseño distinto, tal como cuatro brazos que se
prolongan hacia arriba desde los cabezales o quizás una aleta
conductora delgada que discurre a toda la longitud de cada conjunto
de serpentín. Este método es optimizado si el bloque de hielo es
formado con el nivel de agua en el depósito, de manera tal que en el
momento de acumulación completa existe agua abierta sobre el hielo.
(El nivel del agua aumenta sustancialmente durante dicha acumulación
debido a la menor densidad del hielo, de manera que el nivel de
agua no es necesario que empiece por encima del conjunto del
serpentín). Una vez establecida, de este modo, una ruta para el agua
desde el agua abierta hacia cada uno de los serpentines, y desde la
parte superior del bloque de hielo, se enfocará la cuestión de
favorecer el flujo de agua. Se pueden aplicar tanto métodos activos
como métodos pasivos. Un método pasivo utilizaría la
estratificación de temperatura y densidad para crear un flujo
natural. Los sistemas activos estimularían el flujo adicionalmente
introduciendo burbujas de agua en el depósito, o de forma ascendente
en cada serpentín, o bombeando para crear circulación.
La figura 4 muestra otra realización del aparato
de refrigeración utilizado como sistema de almacenamiento en frío y
sistema de refrigeración utilizando una válvula de solenoide (166).
La válvula de solenoide (166) está diseñada para sustituir la
válvula deslizante (118) de la figura 1 que funciona a presión y
está abierta durante el ciclo de fusión del hielo y cerrada durante
el ciclo de fabricación del hielo. Cuando se utiliza una válvula
deslizante accionada a presión, durante el ciclo de fabricación de
hielo, la presión en la conducción de suministro (112) de líquido a
alta presión procedente de la descarga del compresor es elevada y
supera la fuerza de resorte dentro de la válvula deslizante (118)
accionada a presión. El pistón dentro de la válvula se encuentra
entonces en su posición más alejada que cierra la conducción de
entrada a la bomba de refrigerante líquido (120) e impide el flujo
del líquido. Durante el ciclo de fusión del hielo, la presión en la
conducción (112) de suministro de líquido a alta presión es menor y
el pistón se encuentra en su posición más próxima. En esta
situación, tanto la entrada como la salida respecto a la válvula
están abiertas y el refrigerante pasa a la bomba (120) de
refrigerante líquido y hacia delante a la unidad de carga (108), tal
como se ha mostrado en la figura 1.
Al eliminar la válvula deslizante (118)
accionada a presión y el acceso directo desde la conducción (112)
de suministro de líquido a alta presión, el refrigerante puede pasar
siempre desde el URMV (146) a la bomba de refrigerante líquido
(120), pero el flujo es regulado por la válvula de solenoide (166)
(en esta realización más abajo de la bomba de refrigerante
líquido). Esta configuración permite la utilización de válvulas de
tipo comercial y permite conseguir una mayor precisión y control
del flujo con controladores basados en relevadores electrónicos en
vez de basarse en conmutadores de presión para regular los flujos.
En una realización tal como se ha mostrado en detalle en la figura
4, el control completo del aparato de refrigeración puede ser
llevado a cabo por el controlador (168) del refrigerante que se
encuentra en comunicación con la unidad (104) de control de
refrigeración y que es utilizado para controlar el funcionamiento
del sistema. El controlador de gestión del refrigerante (168) puede
ser activado por un panel tipo PC, un chip de circuito integrado IC
incorporado en forma de un controlador lógico programable (PLC) o un
microcontrolador programable con entradas y salidas analógicas,
digitales y de relevador. Esto incrementa notablemente la
flexibilidad del sistema y reduce los costes de fabricación
permitiendo simultáneamente numerosas aplicaciones adicional y
"controles inteligentes" de los aparatos.
El controlador (168) de gestión del refrigerante
puede recibir datos en tiempo real e informaciones del medio
ambiente procedente de sensores de comunicaciones ambientales (172).
Estos sensores ambientales (172) pueden medir variables tales como
tiempo, temperatura, humedad (punto de rocío), consumo de potencia,
costes de potencia, situación de la red de energía o una serie de
otras variables que pueden ser útiles en la determinación de cuándo
y de qué manera debe funcionar el aparato de refrigeración. Estos
factores pueden cambiar tiempos, velocidades y cuestiones de
rendimiento específico en el ciclo de fabricación de hielo que
pueden optimizar el rendimiento u otros factores tales como
aquellos en los que el ruido de la unidad puede ser una
preocupación. El controlador (168) de gestión del refrigerante
puede contener también una unidad de recogida de datos (170) en la
que se pueden almacenar datos ambientales, históricos y de
rendimiento. Estos datos podrían ser utilizados por una persona
externa o por el controlador (168) de gestión del refrigerante para
llevar a cabo cambios de funcionamiento basados en datos históricos
de la unidad. Se pueden conseguir comunicaciones adicionales con el
controlador (168) de gestión del refrigerante mediante un
dispositivo de comunicaciones (174) que facilitaría o bien un
enlace sin cables (176) o un enlace por cable a un dispositivo de
telecomunicaciones (180) o bien red/internet. De esta manera, los
datos históricos recogidos pueden ser descargados desde el sistema o
se pueden programar funciones de control específicas en el
dispositivo tales como datos y previsiones de tiempo, tablas
solares y similares. También se pueden comunicar en secciones de
control externas o datos al controlador (168) de gestión del
refrigerante basados en las condiciones actuales, condiciones
típicas, o predicciones más allá de la capacidad de detección
directa del controlador (168), tal como datos de suministro de
energía regional, costes o datos de consumo. Los datos históricos
(captados por el controlador o derivados de forma externa), datos
ambientales, previsiones pasadas y presentes, datos de tiempo,
energía, costes u otros, que tienen impacto significativo en el
rendimiento o comportamiento deseado y en la optimización de los
tiempos de fabricación de hielo/fusión pueden ser utilizados para
proporcionar una mayor optimización del rendimiento del aparato en
múltiples ambientes de aplicación.
En estas realizaciones que se han dado a
conocer, una amplia variedad de aplicaciones de cargas térmicas
pueden ser adoptadas conjuntamente con las realizaciones antes
mencionadas. Excepcionalmente cualquier necesidad de refrigeración
que pueda ser transferida mediante conducciones de refrigerante
puede ser utilizada con estos sistemas. Por ejemplo, refrigeración
de leche, refrigeración de moldeo de inyección de plásticos,
refrigeración de peces recién pescados, refrigeración de entradas
para generación de potencia en turbinas, refrigeración de vehículos
acuáticos y acondicionamiento así como una amplia variedad de
aplicaciones de refrigeración de procesos o similares todos los
cuales se pueden beneficiar de este tipo de sistemas.
Claims (20)
1. Aparato de refrigeración que comprende:
una unidad de condensación (102) que comprende
un compresor (110) y un condensador (111);
una unidad de almacenamiento de energía (106)
que comprende un depósito aislado (140) que contiene un cambiador
de calor de almacenamiento y está por lo menos parcialmente lleno
con un líquido de cambio de fase, cuyo cambiador de calor de
almacenamiento comprende además un cabezal de recogida inferior
(156) y un cabezal de recogida superior (154) conectados como
mínimo por un elemento térmicamente conductor;
un cambiador de carga térmica (122);
una unidad (104) de control de la refrigeración
conectada a dicha unidad de condensación, dicha unidad de
almacenamiento de energía y dicho cambiador de carga térmica;
caracterizado porque dicho aparato de
refrigeración comprende además,
un recipiente de control de refrigerante
universal (146) dentro de dicha unidad de control de la
refrigeración (104) comprendiendo:
una conexión de salida (114) que devuelve
refrigerante a dicha unidad de condensación;
una conexión de entrada (124) que recibe
refrigerante de dicho cambiador de carga térmica (122), un regulador
de fase mixta, una combinación de reserva de aceite y recipiente de
descarga de refrigerante (116), y dicho cabezal conector superior
de dicho cambiador de calor de almacenamiento (122);
una primera abertura de fondo que proporciona
flujo bidireccional de refrigerante a un cabezal de recogida de
fondo (156) de dicho cambiador de calor de almacenamiento, dicha
salida de fondo que suministra refrigerante líquido para conexión a
dicho cambiador de carga térmica y dicha combinación de reserva de
aceite y recipiente de descarga de refrigerante (116);
una segunda abertura de fondo que está conectada
a dicha combinación de reserva de aceite y recipiente de descarga
de refrigerante (116); y
una válvula de solenoide (166) conectada a dicho
recipiente de control de refrigerante universal (146) y dicho
cambiador de carga térmica (122) que regula el suministro de
refrigerante a dicho cambiador de carga térmica.
2. Aparato de refrigeración, según la
reivindicación 1, en el que dicha segunda abertura de fondo está
conectada a dicha combinación de reserva de aceite y recipiente de
descarga de refrigerante por intermedio de un retenedor de tipo
p.
3. Aparato de refrigeración, según la
reivindicación 1, en el que dicho líquido de cambio de fase es un
material eutéctico.
4. Aparato de refrigeración, según la
reivindicación 1, en el que dicho líquido de cambio de fase es
agua.
5. Aparato de refrigeración, según la
reivindicación 1, que comprende además una bomba de líquido
refrigerante situado dentro de dicha unidad de control de
refrigeración.
6. Aparato de refrigeración, según la
reivindicación 1 que comprende además: un primer dispositivo de
sangrado regular conectado a, y situado entre, dicha conexión de
salida del mencionado recipiente de control de refrigerante
universal y dicha combinación de reserva de aceite y recipiente de
descarga de refrigerante.
7. Aparato de refrigeración, según la
reivindicación 6, en el que dicho primer dispositivo de sangrado
regulado es un capilar de retorno de aceite.
8. Aparato de refrigeración, según la
reivindicación 1 que comprende además: un segundo dispositivo de
sangrado regulado conectado a, y situado entre, dicha conexión de
entrada de dicho recipiente de control de refrigerante universal y
dicha combinación de reserva de aceite y recipiente de descarga de
refrigerante.
9. Aparato de refrigeración, según la
reivindicación 8, en el que dicho primer dispositivo de sangrado
regulado es un capilar de salida.
10. Aparato de refrigeración, según la
reivindicación 1, en el que dicho cambiador de calor de
almacenamiento comprende además tubos desestratificadores
pasivos.
11. Aparato de refrigeración, según la
reivindicación 1, en el que dicho cambiador de calor de
almacenamiento comprende además aletas desestratificadoras
pasivas.
12. Aparato de refrigeración, según la
reivindicación 1, en el que dicho cambiador de carga térmica es como
mínimo un evaporador mini-split.
13. Aparato de refrigeración, según la
reivindicación 1, que comprende además:
un controlador de control del refrigerante en
comunicación con dicha unidad de control de refrigeración para
controlar el funcionamiento de dicho aparato de refrigeración.
14. Método para proporcionar refrigeración con
un aparato de refrigeración que comprende las siguientes fases:
condensar refrigerante con una unidad de
condensación para crear un primer refrigerante condensador durante
un primer periodo de tiempo;
suministrar como mínimo una parte de dicho
primer refrigerante condensado a una unidad de evaporación contenida
dentro del depósito que se encuentra por lo menos parcialmente
lleno con un líquido de cambio de fase;
expandir dicho primer refrigerante condensado
dentro de dicha unidad de evaporación para congelar una cantidad de
dicho líquido de cambio de fase y formar hielo dentro de dicho
depósito durante dicho primer periodo de tiempo y producir un
primer refrigerante expandido;
devolver como mínimo una parte de dicho primer
refrigerante expandido a dicha unidad de condensación;
hacer circular un segundo refrigerante expandido
por dicha unidad de evaporación dentro de dicho bloque de hielo
durante un segundo periodo de tiempo para condensar dicho segundo
refrigerante expandido y crear un segundo refrigerante
condensado;
hacer circular como mínimo una parte de dicho
segundo refrigerante condensado desde dicho recipiente de control
de refrigerante universal a un cambiador de carga térmica;
expansionar dicho segundo refrigerante
condensado dentro de dicho cambiado de carga térmica para
proporcionar dicha refrigeración durante el mencionado segundo
periodo de tiempo, produciendo de esta manera de forma adicional
dicho segundo refrigerante expandido; y
controlar el funcionamiento de dicho aparato de
refrigeración con un controlador de gestión de refrigerante que
utiliza datos ambientales externos para regular dicho
funcionamiento.
15. Método, según la reivindicación 14, en el
que dicha etapa de circulación de como mínimo una parte de dicho
segundo refrigerante condensado a un cambiador de carga térmica se
lleva a cabo con una bomba de refrigerante líquido.
16. Método, según la reivindicación 14, que
comprende además la etapa de: generar dichos datos ambientales
externos en tiempo real utilizando sensores ambientales en
comunicación con dicho controlador de gestión de refrigerante.
17. Método, según la reivindicación 14, que
comprende además la etapa de: generar dichos datos ambientales
externos basándose en las predicciones de datos previstos.
18. Método, según la reivindicación 14, que
comprende además la etapa de: generar dichos datos ambientales
externos basados en datos históricos.
19. Método, según la reivindicación 14, que
comprende además la etapa de:
comunicar con dicho controlador de gestión de
refrigerante para transmitir datos hacia y desde dicho aparato de
refrigeración.
20. Método, según la reivindicación 14, que
comprende además la etapa de: controlar el funcionamiento de dicho
aparato de refrigeración con comunicación remota con dicho
comunicador de gestión del refrigerante.
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