ES2348851T3 - Deposito de expansion para bomba de calor en modos de funcionamiento de calefaccion y refrigeracion. - Google Patents

Deposito de expansion para bomba de calor en modos de funcionamiento de calefaccion y refrigeracion. Download PDF

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Abstract

Un sistema refrigerante (20) que comprende: un compresor (22); un intercambiador externo (26) de calor; un intercambiador interno (44) de calor; un conjunto (28) de válvula para comunicar selec- tivamente un flujo de refrigerante desde dicho intercambia- dor externo (26) de calor a un depósito de expansión econo- mizador (34) en el modo de refrigeración, donde dicho conjunto (28) de válvula comunica un flujo refrigerante desde dicho intercambiador interno (44) de calor a dicho depósito de expansión economizador (34) en el modo de calefacción, pudiendo funcionar dicho depósito de expansión economizador (34) de manera que separa el vapor del líqui- do, siendo devuelto dicho vapor separado a un punto inter- medio de compresión en dicho compresor (22), y permitiendo fluir a dicho líquido separado aguas abajo hacia uno de dichos intercambiadores interno y externo (26, 44) de calor, donde: un primer dispositivo (52, 54) de expansión está situa- do de manera que expande un flujo refrigerante dirigido hacia dicho depósito de expansión (34), y un segundo dispo- sitivo (52, 54) de expansión está situado de manera que expande dicho líquido separado aguas abajo de dicho depósi- to de expansión (34); y una válvula (24) de cuatro vías está situada aguas aba- jo de de dicho compresor (22) y sirve para encaminar dicho refrigerante hacia dicho intercambiador externo (26) de calor en el modo de refrigeración, o bien hacia dicho intercambiador interno (44) de calor en el modo de calefac- ción, y donde el conjunto (28) de válvula es una segunda válvula (28) de cuatro vías, caracterizado porque: dicho primer dispositivo (52, 54) de expansión y dicho segundo dispositivo (52, 54) de expansión son proporciona- dos por dos dispositivos de expansión que intercambian su funcionalidad entre proporcionar el primer dispositivo (52, 54) de expansión y el segundo dispositivo (52, 54) de expansión, cuando el ciclo cambia entre los modos de cale- facción y refrigeración; y dicho primer y segundo dispositivos (52, 54) de expan- sión están situados con un dispositivo (52) de expansión entre dicha primera válvula (28) de cuatro vías y dicho intercambiador externo (26) de calor, y otro dispositivo (54) de expansión entre dicha segunda válvula (28) de cuatro vías y dicho intercambiador interno (44) de calor.

Description

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Esta invención está relacionada con el uso de un de-pósito de expansión en un ciclo economizador para una unidad de bomba de calor que funciona en los modos de caldeo y refrigeración. 5
Normalmente, los sistemas refrigerantes de bomba de ca-lor proporcionan aire frío en un modo de acondicionamiento de aire (refrigeración) y aire caliente en un modo de bomba de calor (calefacción). Esencialmente, el flujo refrigeran-te a través de los intercambiadores de calor del sistema se 10 invierte para proporcionar dos modos de funcionamiento diferenciados.
Un desarrollo moderno de los ciclos refrigerantes es la inclusión de un ciclo economizador de un depósito de expan-sión. En un ciclo economizador de un depósito de expansión, 15 el refrigerante se expande parcialmente en un primer dispo-sitivo de expansión aguas abajo de un condensador, que es un intercambiador de calor exterior en un modo de refrige-ración o un intercambiador de calor interior en un modo de calefacción, a cierta presión y temperatura intermedias, y 20 es entregado a un depósito de expansión, normalmente en un estado termodinámico de dos fases. La separación de fases del refrigerante tiene lugar en un depósito de expansión, que esencialmente es un recipiente de refrigerante. El vapor refrigerante es dirigido a un puerto de presión 25 intermedia del compresor (o entre las etapas del compresor, si se utiliza una compresión de múltiples etapas) y el líquido refrigerante se expande de nuevo en un segundo dispositivo de expansión a la presión de evaporación (que es aproximadamente igual a la presión en el puerto de 30 aspiración del compresor). El depósito de expansión actúa esencialmente como un intercambiador de calor economizador con una eficiencia del 100%, donde las temperaturas del refrigerante líquido y vaporizado son iguales entre sí. Así, el refrigerante entregado a un evaporador, situado 35 aguas abajo del segundo dispositivo de expansión, tiene una calidad de vapor inferior y un contenido líquido más alto,
permitiendo un rendimiento mejorado del evaporador y del sistema global.
Uno de los retos con respecto a la incorporación de un ciclo economizador en un sistema refrigerante que se utili-ce en ambos modos de funcionamiento de calefacción y refri-5 geración, es que pueden ser deseables tamaños de orificio diferentes para los dispositivos de expansión en los dos modos. Así, el solicitante y los inventores de esta solici-tud han desarrollado previamente un sistema en el que se presenta un orificio diferente dependiendo de si está 10 utilizando un modo de calefacción o refrigeración para un sistema de bomba de calor que incorpore un intercambiador de calor economizador. Esta invención está divulgada en la solicitud de patente en trámite de Estados Unidos con el número de serie 10.693.593, que ahora es la patente de 15 Estados Unidos número 6.892.553 presentada el 24 de Octubre de 2003, y titulada “Combined Expansion Device and Four-Way Reversing Valve in Economized Heat Pumps” (“Dispositivo combinado de expansión y válvula inversora de cuatro vías en bombas de calor economizadoras”). Es deseable proporcio-20 nar una configuración similar para sistemas de bomba de calor con el depósito de expansión.
Otro reto para un diseñador de un sistema refrigerante es reencaminar el flujo de refrigerante a través del siste-ma, de tal forma que la configuración de la conexión del 25 depósito de expansión se hace independiente de la posición de los puertos de entrada y salida del refrigerante líquido y de la construcción interna del depósito de expansión. Además, sería deseable proporcionar tal esquema de una manera rentable. Aunque los sistemas economizadores de 30 bomba de calor con depósito de expansión se sabe que fun-cionan en un modo de refrigeración o bien de calefacción, es altamente deseable ampliar tales diseños a los sistemas refrigerantes con depósito de expansión que funcionan en ambos modos, para aprovechar las ventajas del régimen 35 economizador en ambos casos.
En el documento WO 02/18848 se ilustra un sistema de la
técnica anterior que tiene las características del preámbu-lo de la reivindicación 1.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
De acuerdo con la presente invención, se proporciona un sistema refrigerante como se reivindica en la reivindica-5 ción 1.
En el modo de realización divulgado de esta invención, un sistema economizador de bomba de calor con un depósito de expansión puede funcionar en ambos modos de calefacción y refrigeración. El sistema incluye una primera válvula de 10 cuatro vías para encaminar el refrigerante desde un compre-sor, ya sea en un intercambiador de interior o de exterior. Hay situada una segunda válvula de cuatro vías aguas abajo de la primera válvula de cuatro vías, que encamina selecti-vamente el refrigerante a través de un depósito de expan-15 sión economizador. Hay situado un primer dispositivo de expansión de manera que puede funcionar con el refrigerante encaminado al depósito de expansión economizador. El de-pósito de expansión economizador puede funcionar de manera que separe el vapor del líquido, y por tanto actúa esen-20 cialmente como un intercambiador de calor economizador con una eficiencia del 100%. Hay situado un segundo dispositivo de expansión aguas abajo del depósito de expansión y aguas arriba del evaporador. El refrigerante es encaminado al depósito de expansión en ambos modos de funcionamiento de 25 refrigeración y calefacción, de tal manera que el esquema del sistema se hace independiente de la posición de los puertos de entrada y salida de refrigerante líquido del depósito de expansión y de su construcción interna.
Estas y otras características de la presente invención 30 se pueden comprender mejor a partir de la siguiente memoria y de los dibujos, donde lo que sigue a continuación es una breve descripción de los mismos.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La figura 1A muestra un primer esquema de una configu-35 ración que no está dentro del alcance de la presente inven-ción.
La figura 1B muestra el primer esquema funcionando en modo de calefacción.
La figura 1C muestra el primer esquema funcionando en modo de refrigeración.
La figura 2 muestra un esquema de una configuración de 5 acuerdo con un modo de realización preferido de la presente invención.
La figura 1A ilustra un ciclo refrigerante 20 que in-corpora un compresor 22. Como está ilustrado, una válvula 24 encamina selectivamente el refrigerante a un intercam-10 biador externo 26 de calor, cuando está en el modo de refrigeración, o a un intercambiador interno 44 de calor, cuando está en modo de calefacción. En la configuración más típica, la válvula 24 es una válvula de cuatro vías, aunque otra configuración de válvula puede proporcionar la función 15 idéntica de reencaminar el flujo refrigerante alrededor del compresor. Hay situada una segunda válvula 28 de cuatro vías aguas abajo del intercambiador de calor 26, para encaminar el flujo alrededor del depósito de expansión economizador 34. De nuevo, la válvula de cuatro vías es una 20 configuración preferida, aunque se pueden utilizar otras configuraciones de válvula que consigan el re-encaminamiento del flujo alrededor del depósito de expan-sión economizador 34. Como puede apreciarse, aguas abajo de la válvula 28 de cuatro vías, el refrigerante pasa a una 25 línea 30 y hacia el interior del dispositivo 32 de expan-sión. Desde el primer dispositivo 32 de expansión, el refrigerante parcialmente expandido (a una cierta presión intermedia), pasa hacia el depósito de expansión economiza-dor 34. Una línea 36 aguas abajo del depósito de expansión 30 economizador 34 deriva el líquido refrigerante separado del vapor dentro del depósito de expansión economizador 34 y lo hace pasar a través de un segundo dispositivo 38 de expan-sión. Como el vapor ha sido separado en un depósito de expansión economizador, el refrigerante que ha sido expan-35 dido en el segundo dispositivo 38 de expansión tiene un mayor contenido de líquido o una menor calidad de vapor. El
mayor contenido de líquido hace aumentar el rendimiento del evaporador y del sistema global. Una línea 40 aguas abajo del segundo dispositivo 38 de expansión, pasa de nuevo a través de la válvula 28 de cuatro vías, y entrega refrige-rante, normalmente en un estado termodinámico de dos fases, 5 a un intercambiador interno 44 de calor a través de una línea 42, cuando está en el modo de refrigeración, o a un intercambiador externo 26 de calor, cuando está en un modo de calefacción. Una línea 46 devuelve ese refrigerante al puerto de aspiración del compresor 22, típicamente en un 10 estado de vapor. Otra línea 47 devuelve el vapor refrige-rante a un punto intermedio del ciclo de compresión del compresor 22.
Como se ilustra en la figura 1B, las válvulas 24 y 28 de cuatro vías están situadas de manera que encaminan el 15 refrigerante en el modo de calefacción.
Como se ilustra en la figura 1C, las válvulas 24 y 28 de cuatro vías están situadas ahora de manera que encaminan el refrigerante en el modo de refrigeración. Como puede observarse, los dispositivos 32 y 38 de expansión se utili-20 zan en la bomba de calor de idéntica manera, con respecto a la dirección del flujo refrigerante y su estado termodiná-mico, en ambos modos de funcionamiento de refrigeración y calefacción. Así, el esquema del sistema es transparente a la construcción interna del depósito de expansión 34 y de 25 la posición relativa de los puertos de entrada y salida de líquido del depósito de expansión. Consecuentemente, el funcionamiento y funcionalidad del primer (32) y segundo (38) dispositivos de expansión no se ve comprometido. Ha de observarse que este esquema del sistema puede ser utilizado 30 con cualquier tipo de dispositivo de expansión, ya que el flujo del refrigerante a través del sistema es reencaminado de tal manera que el funcionamiento de los dispositivos de expansión es idéntico entre los modos de funcionamiento de refrigeración y calefacción. 35
La figura 2 muestra el esquema 50 del modo de realiza-ción preferido de la presente invención, donde los disposi-
tivos 52 y 54 de expansión están situados hacia fuera de las líneas 55 y 56 comunicadas por la válvula 28 de cuatro vías.
El dispositivo 54 de expansión será un primer disposi-tivo de expansión, cuando el sistema refrigerante funciona 5 en el modo de calefacción, y un segundo dispositivo de expansión cuando el sistema está en el modo de refrigera-ción. Por el contrario, el dispositivo 52 de expansión sería un segundo dispositivo de expansión, cuando el siste-ma refrigerante funciona en el modo de calefacción, pero 10 será un primer dispositivo de expansión cuando el sistema está en el modo de refrigeración.
El esquema ilustrado en la figura 2 aprovecha los mis-mos beneficios que el esquema presentado en la figura 1A. Además, los dispositivos 52 y 54 de expansión pueden dimen-15 sionarse para los modos de funcionamiento de calefacción y refrigeración consecuentemente, si se desea. Por último, este esquema es más adecuado para sistemas que incorporan dispositivos electrónicos de expansión o dispositivos de restricción constante, ya que su función puede ser inverti-20 da a menudo cuando se conmuta entre los modos de funciona-miento de refrigeración y calefacción.
Debe entenderse que el primer y segundo dispositivos de expansión podrían combinarse con la segunda válvula 28 de cuatro vías en ambos esquemas. 25
La presente invención proporciona esquemas directos del sistema de bomba de calor con depósito de expansión econo-mizador, que pueden funcionar en ambos modos de refrigera-ción y calefacción. Estos esquemas son independientes de la construcción interna del depósito de expansión y de la 30 posición relativa de los puertos de entrada y salida de líquido. El rendimiento del sistema mejora en ambos modos de funcionamiento de refrigeración y calefacción y su funcionalidad no se ve comprometida, mientras que el flujo refrigerante se invierte entre los regímenes de refrigera-35 ción y calefacción. Además, el sistema no es complejo y es económico.
Aunque se ha divulgado un modo de realización preferido de esta invención, un operador con experiencia normal en esta técnica reconocería que ciertas modificaciones estar-ían dentro del alcance de esta invención. Por esa razón, deben estudiarse las siguientes reivindicaciones para 5 determinar el alcance y contenido de esta invención.

Claims (4)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un sistema refrigerante (20) que comprende:
    un compresor (22);
    un intercambiador externo (26) de calor;
    un intercambiador interno (44) de calor; 5
    un conjunto (28) de válvula para comunicar selec-tivamente un flujo de refrigerante desde dicho intercambia-dor externo (26) de calor a un depósito de expansión econo-mizador (34) en el modo de refrigeración, donde dicho conjunto (28) de válvula comunica un flujo refrigerante 10 desde dicho intercambiador interno (44) de calor a dicho depósito de expansión economizador (34) en el modo de calefacción, pudiendo funcionar dicho depósito de expansión economizador (34) de manera que separa el vapor del líqui-do, siendo devuelto dicho vapor separado a un punto inter-15 medio de compresión en dicho compresor (22), y permitiendo fluir a dicho líquido separado aguas abajo hacia uno de dichos intercambiadores interno y externo (26, 44) de calor, donde:
    un primer dispositivo (52, 54) de expansión está situa-20 do de manera que expande un flujo refrigerante dirigido hacia dicho depósito de expansión (34), y un segundo dispo-sitivo (52, 54) de expansión está situado de manera que expande dicho líquido separado aguas abajo de dicho depósi-to de expansión (34); y 25
    una válvula (24) de cuatro vías está situada aguas aba-jo de de dicho compresor (22) y sirve para encaminar dicho refrigerante hacia dicho intercambiador externo (26) de calor en el modo de refrigeración, o bien hacia dicho intercambiador interno (44) de calor en el modo de calefac-30 ción, y donde el conjunto (28) de válvula es una segunda válvula (28) de cuatro vías,
    caracterizado porque:
    dicho primer dispositivo (52, 54) de expansión y dicho segundo dispositivo (52, 54) de expansión son proporciona-35 dos por dos dispositivos de expansión que intercambian su funcionalidad entre proporcionar el primer dispositivo (52,
    54) de expansión y el segundo dispositivo (52, 54) de expansión, cuando el ciclo cambia entre los modos de cale-facción y refrigeración; y
    dicho primer y segundo dispositivos (52, 54) de expan-sión están situados con un dispositivo (52) de expansión 5 entre dicha primera válvula (28) de cuatro vías y dicho intercambiador externo (26) de calor, y otro dispositivo (54) de expansión entre dicha segunda válvula (28) de cuatro vías y dicho intercambiador interno (44) de calor.
  2. 2. El sistema refrigerante (20), como se establece 10 en la reivindicación 1, en el que al menos uno de dichos dispositivos (52, 54) de expansión está dispuesto dentro de dicha segunda válvula (28) de cuatro vías.
  3. 3. El sistema refrigerante (20), como se establece en la reivindicación 1 o 2, en el que al menos uno de 15 dichos primero y segundo dispositivos (52, 54) de expansión es un dispositivo controlado electrónicamente.
  4. 4. El sistema refrigerante (20), como se establece en la reivindicación 1 o 2, en el que al menos uno de dichos primero y segundo dispositivos (52, 54) de expansión 20 es un dispositivo de restricción constante.
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