ES2574432T3

ES2574432T3 - Circuito refrigerante

Info

Publication number: ES2574432T3
Application number: ES13425114.9T
Authority: ES
Inventors: Girotto Sergio
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-08-22
Filing date: 2013-08-09
Publication date: 2016-06-17
Anticipated expiration: 2033-08-09
Also published as: EP2754980B1; EP2754980A1; PL2754980T3; ITTV20120169A1

Abstract

Circuito refrigerante que incluye al menos un compresor principal (1) configurado para succionar el vapor de al menos un evaporador (6), un intercambiador de calor de alta presión (2) configurado para rechazar el calor hacia un fluido externo, una primera válvula reguladora (3) y un separador líquido/vapor (4) dispuesto para alimentar al menos un evaporador (6) con líquido refrigerante a través de un segundo dispositivo regulador (5), estando la primera válvula reguladora (3) colocada en el circuito entre el intercambiador de calor de alta presión (2) y el separador líquido/vapor (4), siendo el aceite lubricante usado por el compresor (1) de un tipo no miscible o parcialmente miscible con el refrigerante - por ejemplo, aunque no exclusivamente, de tipo PAG cuando el refrigerante es dióxido de carbono - y teniendo dicho lubricante una densidad mayor que la del refrigerante en las condiciones existentes en el separador líquido/vapor (4), siendo el circuito refrigerante donde un intercambiador de calor regenerativo de dos circuitos (9) configurado para la circulación, en el circuito primario (9a), del refrigerante que sale del intercambiador de calor de alta presión (2) y para la circulación, en el circuito secundario (9b), del vapor de expansión producido durante el primer proceso de regulación a través de la primera válvula reguladora (3), estando el circuito caracterizado por incluir una tubería (8) que conecta la parte superior del separador (4) con la entrada del circuito secundario (9b) del intercambiador de calor regenerativo (9), estando dicha tubería (8) configurada para transportar el vapor de expansión y para la inyección, en un punto intermedio, de un flujo de mezcla rica en lubricante, por ejemplo, aunque no exclusivamente, a través de una válvula (12), desde la parte inferior del separador líquido/vapor (4), y estando la salida del circuito secundario (9b) del intercambiador de calor regenerativo (9) conectada a la parte superior de un depósito de almacenamiento de lubricante (10) configurado para separar por gravedad el lubricante del vapor y para transportar el vapor refrigerante a la entrada de una válvula (13) adaptada para controlar la presión del depósito de lubricante (10) y del separador (4) mediante la descarga controlada de vapor refrigerante del depósito de almacenamiento de lubricante (10) hacia la succión de al menos un compresor (1), en donde el nivel de lubricante se restablece con lubricante del depósito de lubricante (10) a través de una válvula (14).

Description

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DESCRIPCION

Circuito refrigerante Introduccion y estado de la tecnica

En la fig. 1 se muestra un diagrama simplificado de un circuito refrigerante tipico que utiliza R744 - dioxido de carbono o CO2 - como fluido refrigerante o fluido de trabajo o, para mayor simplicidad, refrigerante. En dicho circuito, al menos un compresor 1 succiona refrigerante en estado vapor de al menos un evaporador 6 y lo comprime a alta presion introduciendolo en un intercambiador de calor 2, condensador o refrigerador de gas, en donde el refrigerante expulsa el calor, por ejemplo, al aire exterior.

Aguas abajo de dicho intercambiador de calor 2 se incorpora un dispositivo destinado a una primera etapa de regulacion, que consiste en una valvula de control de alta presion 3, en la salida de la cual el refrigerante de dos fases, vapor y liquido, entra en un deposito separador liquido/vapor 4.

Desde dicho separador 4 el refrigerante en estado liquido se transfiere a traves de una o mas valvulas de regulacion 5 para alimentar uno o mas evaporadores 6, mientras que la fraccion de fluido refrigerante en estado vapor, el llamado vapor de expansion, se somete a una expansion para reducir la presion del ciclo, con el fin de mantener la presion en dicho separador 4 por debajo de un valor maximo deseado. En el circuito se incluye una valvula reguladora de contrapresion 13, con dicho proposito, y se configura para controlar la presion del separador 4.

El puerto de entrada de la valvula 13 anteriormente mencionada esta conectado a la parte superior del separador 4, es decir, la zona en la que esta el vapor, mientras que la seccion de salida esta conectada al lado de baja presion del circuito, por ejemplo, al puerto de succion de al menos un compresor 1.

Los documentos DE 19747985, US 2012006041 y US 2012180510 divulgan circuitos refrigerantes similares.

Con el fin de reducir el consumo de energia, en lugar de controlar la presion del separador 4 a traves de la valvula 13 y expandir el vapor de expansion hacia el lado de baja presion, seria preferible comprimir directamente el vapor de expansion anteriormente mencionado con al menos un compresor auxiliar 7 tal y como se muestra con las lineas punteadas de la fig. 1. En la actualidad esto se consigue con una importante complicacion en el circuito. Surge el problema de la distribucion de lubricante a los compresores en donde el aceite lubricante esta contenido en la parte inferior de una camara del compresor, normalmente llamada carter, precisamente en la camara en la que se alojan el ciguenal y el conjunto de biela de los pistones, manteniendose dicho carter a la presion baja o presion de succion del compresor y, asi, a la baja presion del circuito de refrigeracion. Como al menos un compresor principal 1 o al menos un compresor auxiliar 7 succionan de diferentes presiones, es necesario que el lubricante que va a inyectarse en los carteres se mantenga, en donde se almacene el aceite lubricante para restablecer el nivel cuando se produce cierto arrastre inevitable de lubricante con el flujo masico de fluido comprimido, a una presion igual o mayor a la presion que sea mas elevada de las dos presiones de succion diferentes. El estado de la tecnica consiste en la separacion de lubricante en alta presion. Suponiendo que se utiliza este modo de separacion de lubricante, existen dos alternativas, una de las cuales es la inyeccion del lubricante directamente en los compresores desde el separador de lubricante de alta presion, no mostrado en la fig. 1.

Esta primera solucion cuenta con el problema de que una elevada fraccion de refrigerante se disuelve en el lubricante separado en la alta presion, y asi se produce una importante formacion de espuma tan pronto la mezcla de lubricante y fluido refrigerante entran en el carter de los compresores y a continuacion se somete a despresurizacion rapida, un fenomeno que reduce la efectividad de la lubricacion. La solucion alternativa consiste en la inyeccion de la mezcla de lubricante y refrigerante, separados en un separador de lubricante de alta presion, situado en un deposito intermedio destinado a acumular el lubricante. En dicho deposito de almacenamiento de lubricante se produce la desgasificacion, es decir la reduccion de la presion para liberar parte del refrigerante disuelto en el lubricante, y desde ese deposito de almacenamiento, el lubricante, o la mezcla de lubricante/refrigerante con un contenido mas bajo de fluido refrigerante se envia a los compresores. La presion debe reducirse hasta un valor limite superior o igual al valor mas elevado de las dos presiones de succion. Esta solucion reduce el fenomeno de la formacion de espuma, aunque no es totalmente satisfactorio, particularmente porque la separacion de lubricante en alta presion nunca es completa y en consecuencia un flujo no despreciable de lubricante fluye hacia los evaporadores, reduciendo asi la eficiencia de la transferencia de calor, y tambien porque con los dos metodos anteriormente descritos se produce una desviacion del refrigerante del lado de alta presion al lado de succion cada vez que se abre la valvula que descarga lubricante del separador de lubricante de alta presion, lo cual que representa una perdida de energia. Ademas, la instalacion de un recipiente de presion, tal como el separador de lubricante que se instala en el lado de alta presion del circuito, resulta una solucion costosa y que plantea importantes problemas de seguridad, ya que la presion a la que se pretende que opere el separador de lubricante puede ser de hasta 100 bar en el caso de sistemas de refrigeracion que utilizan Co2 como refrigerante.

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La presente invencion describe un metodo sencillo e innovador destinado a solucionar el problema expuesto y realiza un circuito refrigerante que permite el funcionamiento de acuerdo con un ciclo con economizador.

Descripcion de los dibujos

En la Tabla 1 se muestran:

Fig. 1. Diagrama de un innovador sistema de refrigeracion

Fig. 2. Diagrama de un sistema de refrigeracion segun se describe en las reivindicaciones mostradas en la Tabla 2: Fig. 3. Diagrama de solubilidad tipico del par de lubricantes PAG RFL68 / R744 Fig. 4. Diagrama de un sistema de refrigeracion con eyector

Nomenclatura y abreviaturas

1: compresor principal

2: intercambiador de calor condensador / enfriador de gases

3: valvula de control de alta presion / valvula reguladora de 1a etapa

4: deposito separador liquido / vapor

5: valvula reguladora de alimentacion del evaporador

6: evaporador

7: compresor auxiliar

8: tuberia de transporte de vapor de expansion 9: intercambiador de calor regenerativo con dos circuitos, 9a y 9b 10: deposito de almacenamiento de lubricante y colector de vapor de expansion 11: tuberias de descarga del vapor de expansion del deposito 10

12: valvula de descarga de mezcla rica en lubricante, por ejemplo, aunque no exclusivamente, una valvula

magnetica de tipo ON/OFF

13: valvula de control de la presion aguas arriba

14: valvula de suministro de lubricante al/los compresor/es principal/es 1, por ejemplo, aunque no exclusivamente, una valvula magnetica de tipo ON/OFF

15: valvula de suministro de lubricante al compresor/es auxiliar/es 7, por ejemplo, aunque no exclusivamente, una valvula magnetica de tipo ON/OFF 16: eyector

17: puerto de succion del eyector 16 Descripcion de la invencion

El circuito considerado, como el mostrado en la fig. 2, incluye al menos un compresor 1 conectado al lado de succion del conducto de salida de al menos un evaporador 6, estando dicho compresor 1 configurado para succionar el refrigerante en estado vapor del lado de baja presion del ciclo de refrigerante y estando dicho compresor 1 tambien conectado al lado de descarga de un intercambiador de calor de alta presion 2.

Aguas abajo de este intercambiador de calor 2 tambien hay una primera valvula reguladora 3 que controla la alta presion aguas arriba y que esta configurada para controlar la alta presion del ciclo segun una tecnica conocida, por ejemplo, aunque no exclusivamente, de manera que se maximice la relacion entre la cantidad de calor transferido del sistema de refrigeracion al receptor de calor, por ejemplo al aire exterior, o de forma equivalente la cantidad de calor eliminado de la fuente fria, y el consumo de energia derivado de la compresion de fluido refrigerante. La valvula reguladora 3 mencionada puede controlarse, segun una tecnica conocida, para mantener la alta presion del ciclo en un valor optimo en funcion de las condiciones de funcionamiento. Esta valvula reguladora 3 tambien esta colocada en el circuito entre el intercambiador de calor 2 y el deposito separador liquido/vapor 4, estando dicha valvula 3 configurada para introducir el refrigerante de dos fases, vapor y liquido, en el separador de liquido/vapor 4 situado aguas abajo.

El aceite lubricante usado por el/los compresor/es 1 es de tipo no miscible o parcialmente miscible con el refrigerante liquido. Se hace referencia, por ejemplo, aunque no exclusivamente, al par refrigerante/lubricante R744 / PAG (polialquilenglicol). El par refrigerante/lubricante anteriormente mencionado posee una curva de solubilidad similar a la mostrada en la fig. 3 y el lubricante se define parcialmente miscible con el refrigerante CO2 o R744. En la fig. 3, que define en la abscisa la masa porcentual de CO2 liquido refrigerante disuelto en la mezcla refrigerante/lubricante PAG y en la ordenada la temperatura, en grados Kelvin, de la propia mezcla, el area sombreada representa la region de inmiscibilidad. Para un par refrigerante/lubricante definido de tipo inmiscible o parcialmente miscible se da separacion de dos fases, una de las cuales es rica en refrigerante y la otra es rica en lubricante. Por ejemplo, es posible ver a partir del diagrama de la fig. 3 que a una temperatura de 0°C (273K) el porcentaje maximo de CO2 disuelto en la fase rica en lubricante es de alrededor del 32%, y en consecuencia, en estas condiciones, el porcentaje de lubricante corresponde al 68%.

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La fraccion de CO2 en exceso se separa en una fase rica en refrigerante o consistente en refrigerante puro. El lubricante PAG usado en el ejemplo posee una densidad de alrededor de 1.020 kg/m3 a una temperatura de 0°C y una densidad que aumenta cuanto menor sea la temperatura. Por ejemplo, a -10°C la densidad es alrededor de 1.050 kg/m3, mientras que el refrigerante liquido R744 posee una densidad, que tambien aumenta con la disminucion de la temperatura, de alrededor de 925 kg/m3 a 0°C y alrededor de 980 kg/m3 a -10°C. El gradiente de densidad como funcion de la temperatura es, por lo tanto, aproximadamente de -3 kg/(m3*K) para el lubricante y -5.5 kg/(m3*K) para el CO2 fluido refrigerante en estado liquido saturado. La temperatura a la que la densidad del CO2 liquido refrigerante excede la del lubricante es de alrededor de -30°C.

Debido a lo anteriormente expuesto, dentro del deposito separador de liquido/vapor 4 se contara con una separacion entre la fase refrigerante/lubricante rica en lubricante y la fase refrigerante/lubricante rica en refrigerante, en el limite del refrigerante practicamente puro como en el ejemplo, debido a las diferentes densidades en un intervalo determinado de presion/temperatura.

En el caso del ejemplo, el intervalo de temperatura, entre -30°C y +30°C, incluye un amplio limite operativo del sistema de refrigeracion caracterizado por el circuito objeto de la presente invencion, como, por ejemplo, en que la temperatura de saturacion del deposito separador de liquido/vapor 4 puede variar, en la aplicacion practica, entre - 5 y +10 0C. La fase rica en lubricante se estabilizara en el fondo del deposito separador liquido/vapor 4 y la separacion de las dos fases puede mejorarse mediante una configuracion adecuada de dicho deposito 4, por ejemplo, aunque no exclusivamente, colocando la entrada y salida del refrigerante y del lubricante en los niveles adecuados, y, por lo tanto, aunque no exclusivamente, descargando el lubricante desde el fondo del separador 4 y distribuyendo el refrigerante a la linea de liquido desde un puerto situado a un nivel mas elevado.

Una vez mas, en relacion con la fig. 2 el deposito separador de liquido/vapor 4 esta configurado para alimentar a los evaporadores con refrigerante liquido, procedente del deposito separador liquido/vapor 4 a un nivel suficientemente elevado para evitar transportar la fase rica en lubricante a los evaporadores, mientras que una tuberia 8 conecta la parte superior del deposito 4 con un deposito de almacenamiento de lubricante 10 configurado para separar el lubricante del vapor refrigerante, mientras que una tuberia 11 conecta la parte superior del deposito de almacenamiento de lubricante 10 con la linea de baja presion del circuito refrigerante a traves de una valvula 13 que controla la presion aguas arriba. Dicha tuberia 8 conecta la parte superior del deposito separador de liquido/vapor 4, y, por lo tanto, el vapor contenido en ese volumen, con el deposito de lubricante 10. Se interpone un intercambiador de calor regenerativo 9 entre el separador de liquido/vapor 4 y el deposito de acumulacion de lubricante 10.

El intercambiador de calor se caracteriza por contar con dos circuitos en contacto termico, aqui definidos 9a - primario - y 9b -secundario- en donde pueden fluir a traves dos fluidos a diferente presion para intercambiar el calor. La tuberia 8 tambien estara equipada con una conexion, en el nivel geodesico del fondo del deposito separador de liquido/vapor 4, en donde se inyectara la mezcla rica en lubricante, y la descarga tendra lugar por gravedad y se controlara, por ejemplo aunque no exclusivamente, con un temporizador, a traves de una valvula 12, por ejemplo, aunque no exclusivamente, accionada electricamente y del tipo ON/OFF, conectada a la porcion de volumen, en la parte inferior del deposito 4, donde se deposita la mezcla rica de lubricante. El vapor de expansion, que procede de la parte superior del deposito separador de liquido/vapor 4 y que se mezcla con cierto caudal de lubricante y refrigerante de la parte inferior del deposito separador 4 anteriormente mencionado, se introducira a traves de la tuberia 8 en el circuito secundario 9b, del intercambiador de calor regenerativo 9. El circuito primario 9a del intercambiador de calor 9 estara configurado para la circulacion del flujo masico que procede del intercambiador de calor condensador/enfriador de gases 2. En el intercambiador de calor 9 la solucion rica en lubricante se calienta mediante el calor intercambiado con el fluido caliente de alta presion que sale del condensador/enfriador de gases 2, se produce una destilacion del fluido refrigerante y finalmente se separa el lubricante del vapor del deposito de acumulacion de lubricante 10 por gravedad. La parte superior del deposito de lubricante 10 estara conectado a traves de la tuberia 11 con la seccion de entrada de una valvula 13 que controla la presion aguas arriba, configurada para mantener en un valor deseado la presion del separador de liquido/vapor 4 y tambien del deposito de almacenamiento de lubricante 10, estando la seccion de salida de la valvula 13 conectada al lado de succion de al menos un comprensor 1.

Para mejorar la eficiencia del sistema, la tuberia 11 estara conectada al puerto de succion de al menos un compresor auxiliar 7, configurado para recomprimir el vapor de expansion evitando su expansion a baja presion. El deposito 10 estara colocado al nivel geodesico H mas elevado que al menos un compresor 7, y el lubricante fluira facilmente por gravedad hacia al menos un compresor 7 a traves de la obertura de una valvula 15 de cada compresor, en base, por ejemplo, al nivel de lubricante presente en el carter de dicho compresor 7.

De forma similar, desde el deposito de almacenamiento 10 el lubricante tambien alimentara el compresor/es principal/es 1 a traves de la obertura de una valvula 14 en base, por ejemplo, al nivel de lubricante que haya en el carter de al menos un compresor 1, estando el deposito de almacenamiento de lubricante 10 a una presion mas elevada que la existente en el carter de al menos un compresor 1.

En esta configuracion de circuito, una valvula de control de la presion aguas arriba 13, tal y como se ha descrito anteriormente, y aunque no sea estrictamente necesario, podria contribuir a un ajuste mas preciso de la presion del deposito separador liquido/refrigerante 4 y del deposito de almacenamiento de lubricante 10. El circuito tambien puede incluir, cuando se incluya al menos un compresor auxiliar 7 y a fin de mejorar aun mas la eficiencia energetica 5 del sistema, al menos un eyector 16 conectado en paralelo o alternativamente a la valvula de control de alta presion 3. Un ejemplo de tal configuracion se muestra en la fig. 4. En este caso, el lado de succion de al menos un compresor 1, o en general el lado de baja presion del circuito de refrigeracion, tambien estara conectado al puerto de succion secundario 17 del eyector 16, que estara configurado para succionar parte del vapor que procede del evaporador 6 y someterlo a una primera compresion, sin la necesidad de proporcionar energia externa adicional al 10 sistema, hasta alcanzar la presion intermedia existente en el separador de liquido/vapor 4 desde donde el vapor refrigerante puede ser succionado por al menos un compresor auxiliar 7 junto con el vapor de expansion, tal y como se ha descrito anteriormente.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Circuito refrigerante que incluye al menos un compresor principal (1) configurado para succionar el vapor de al menos un evaporador (6), un intercambiador de calor de alta presion (2) configurado para rechazar el calor hacia un fluido externo, una primera valvula reguladora (3) y un separador liquido/vapor (4) dispuesto para alimentar al menos un evaporador (6) con liquido refrigerante a traves de un segundo dispositivo regulador (5), estando la primera valvula reguladora (3) colocada en el circuito entre el intercambiador de calor de alta presion (2) y el separador liquido/vapor (4), siendo el aceite lubricante usado por el compresor (1) de un tipo no miscible o parcialmente miscible con el refrigerante - por ejemplo, aunque no exclusivamente, de tipo PAG cuando el refrigerante es dioxido de carbono - y teniendo dicho lubricante una densidad mayor que la del refrigerante en las condiciones existentes en el separador liquido/vapor (4), siendo el circuito refrigerante donde un intercambiador de calor regenerativo de dos circuitos (9) configurado para la circulacion, en el circuito primario (9a), del refrigerante que sale del intercambiador de calor de alta presion (2) y para la circulacion, en el circuito secundario (9b), del vapor de expansion producido durante el primer proceso de regulacion a traves de la primera valvula reguladora (3), estando el circuito caracterizado por incluir una tuberia (8) que conecta la parte superior del separador (4) con la entrada del circuito secundario (9b) del intercambiador de calor regenerativo (9), estando dicha tuberia (8) configurada para transportar el vapor de expansion y para la inyeccion, en un punto intermedio, de un flujo de mezcla rica en lubricante, por ejemplo, aunque no exclusivamente, a traves de una valvula (12), desde la parte inferior del separador liquido/vapor (4), y estando la salida del circuito secundario (9b) del intercambiador de calor regenerativo (9) conectada a la parte superior de un deposito de almacenamiento de lubricante (10) configurado para separar por gravedad el lubricante del vapor y para transportar el vapor refrigerante a la entrada de una valvula (13) adaptada para controlar la presion del deposito de lubricante (10) y del separador (4) mediante la descarga controlada de vapor refrigerante del deposito de almacenamiento de lubricante (10) hacia la succion de al menos un compresor (1), en donde el nivel de lubricante se restablece con lubricante del deposito de lubricante (10) a traves de una valvula (14).
2. Circuito refrigerante segun la reivindicacion 1) que incluye, adicionalmente, al menos un compresor auxiliar (7) configurado para la compresion del vapor de expansion producido durante el primer proceso de regulacion traves de la valvula (3), estando el puerto de succion de, al menos, un compresor (7) conectado a traves de una tuberia (11) a la parte superior del deposito de almacenamiento de lubricante (10), situado a nivel geodesico H mas elevado que el de, al menos, un compresor (7), incluyendo ademas el circuito una tuberia adaptada para suministrar aceite lubricante a, al menos, un compresor (7) desde la parte inferior del deposito de almacenamiento de lubricante (10) a traves de una valvula (15).
3. Circuito refrigerante segun las reivindicaciones 1), 2) que incluye al menos un eyector (16), montado en paralelo o alternativamente a la primera valvula reguladora (3), estando el puerto secundario (17) de, al menos, un eyector (16) conectado directa o indirectamente al lado de succion de, al menos, un compresor principal (1) y estando, al menos, un compresor (7) configurado para succionar, desde la parte superior del deposito de lubricante (10), el vapor de expansion y el flujo masico comprimido por, al menos, un eyector (16) en el separador liquido/vapor (4).
4. Sistema refrigerante que utiliza las disposiciones de circuito descritas en las reivindicaciones 1), 2) y 3).