ES2677253T3 - Calentador de agua de CO2 - Google Patents

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ES2677253T3 ES15754816.5T ES15754816T ES2677253T3 ES 2677253 T3 ES2677253 T3 ES 2677253T3 ES 15754816 T ES15754816 T ES 15754816T ES 2677253 T3 ES2677253 T3 ES 2677253T3
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Yuji Ono
Takashi Yokoyama
Hiroshi Watanabe
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Abstract

Un calentador de agua de CO2 (10) que comprende: una vía de circulación de CO2 (14) configurada para permitir que el CO2 circule por la misma y que tiene dos conductos de bifurcación de CO2 (14b, 14c); un compresor (16), un refrigerador de gas (18) y una válvula de expansión (20), cada uno de los cuales se proporciona en la vía de circulación de CO2 (14); un depósito de almacenamiento de CO2 (32) para almacenar CO2 al menos en un estado de gas caliente y una primera válvula de regulación de flujo (34, 35); un intercambiador de calor de fuente de calor de aire (22a, 22b) proporcionado en uno (14b) de los conductos de bifurcación de CO2 (14b, 14c); un intercambiador de calor de fuente de calor de agua (24) proporcionado en el otro (14c) de los conductos de bifurcación de CO2 (14b, 14c); un mecanismo de cambio de vía de flujo (48, 50) configurado para cambiar una vía de flujo de CO2 al uno (14b) o al otro (14c) de los conductos de bifurcación de CO2 (14b, 14c); y una parte formadora del flujo de aire (46) para formar un flujo de aire (a) con el fin de ser introducido en el intercambiador de calor de fuente de calor de aire (22a, 22b), caracterizado porque comprende además un conducto de derivación (30) conectado a la vía de circulación de CO2 (14) y proporcionado de modo que se desvíe de la válvula de expansión (20), el depósito de almacenamiento de CO2 (32) y la primera válvula de regulación de flujo (34, 35) que se proporciona en el conducto de derivación (30), los conductos de bifurcación de CO2 (14b, 14c) se bifurcan en paralelo entre el compresor (16) y una porción de conexión del conducto de derivación (30) en un lado aguas abajo de la válvula de expansión (20).

Description

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DESCRIPCION
Calentador de agua de CO2 Campo tecnico
La presente invencion se refiere a un calentador de agua de CO2 que constituye un ciclo de bomba de calor que utiliza CO2 como medio de intercambio de calor, mas espedficamente a un calentador de agua de CO2 que se hace funcionar en modos de funcionamiento que incluyen un modo de fuente de calor de aire y un modo de fuente de calor de agua que son intercambiables entre sl
Antecedentes de la invencion
El CO2 es un medio natural que tiene un impacto relativamente pequeno en el medio ambiente mundial. El CO2 no es toxico y no es inflamable. Ademas, cuando es comprimido a alta presion por un compresor, el CO2 entra en el estado supercntico (un estado a una temperatura y a una presion por encima del punto cntico, en donde no existen fases lfquidas y gaseosas distintas), en el que es probable que el CO2 transfiera un calor a alta temperatura, por ejemplo, al agua en la naturaleza. Por lo tanto, un calentador de agua que usa CO2 como el medio de intercambio de calor puede hacer que el agua alcance una temperatura alta de aproximadamente 90°C.
El autor de la presente solicitud ha desarrollado un calentador de agua de CO2 que utiliza agua templada descargada de una planta como fuente de calor y CO2 como medio de intercambio de calor para formar un ciclo de bomba de calor (Documento de patente 1). Es posible obtener agua templada utilizando el calentador de agua de CO2 de fuente de calor de agua, y ademas es posible usar agua fna, que se genera de manera secundaria, para enfriar instalaciones de planta o una carga de agua fna.
Ademas, el autor de la presente solicitud ha desarrollado un calentador de agua de CO2 que utiliza aire como fuente de calor (Documentos de patente 2 y 3). El calentador de agua de CO2 de fuente de calor de aire tiene la capacidad de generar agua caliente con un alto COP (coeficiente de rendimiento) cuando no esta disponible el agua templada descargada. Los documentos de patente US 2006/218948, US 2011/041523, y DE 10 2006 054828 describen un sistema de refrigeracion y/o calefaccion en el que el dioxido de carbono se puede usar como refrigerante. El documento de patente US 2006/218948 describe el preambulo de acuerdo con la reivindicacion 1.
Lista de citas
Bibliografia de patentes
Documento de patente 1: JP 2010-281551 A Documento de patente 1: JP 2011-2207 A Documento de patente 1: JP 2012-177523 A Compendio Problema tecnico
En algunas regiones de Japon, la refrigeracion es necesaria solo durante unos meses al ano, por lo que la demanda de calentadores de agua de CO2 de fuente de calor de agua es limitada. En consecuencia, se puede considerar que al usar un calentador de agua de CO2 de fuente de calor de agua y un calentador de agua de CO2 de fuente de calor de aire en combinacion, puede aumentar la velocidad de utilizacion. Sin embargo, puede haber un problema tal que si se proporciona adicionalmente un calentador de agua de CO2 de fuente de calor de aire, puede aumentar el consumo de electricidad.
Para resolver el problema, se desea desarrollar un calentador de agua de CO2 que tenga la capacidad de cambiar de funcionamiento entre el funcionamiento de fuente de calor de agua y el funcionamiento de fuente de calor de aire.
Sin embargo, un calentador de agua de CO2 de fuente de calor de agua y una calentador de agua de CO2 de fuente de calor de aire son diferentes en la cantidad de uso de CO2. Ademas, el CO2 se usa en un estado de gas caliente. Por lo tanto, las capacidades de CO2 utilizadas en el calentador de agua de CO2 de fuente de calor de agua y en el calentador de agua de CO2 de fuente de calor de aire son muy diferentes entre sl Por consiguiente, ha sido diffcil proporcionar un calentador de agua de CO2 que pueda cambiar de funcionamiento entre el funcionamiento de fuente de calor de agua y el funcionamiento de fuente de calor de aire.
A la vista del problema anterior, es un objeto de la presente invencion proporcionar un calentador de agua de CO2 que tenga la capacidad de cambiar sin problemas entre el funcionamiento de fuente de calor de agua y el funcionamiento de fuente de calor de aire.
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Solucion al problema
De acuerdo con la presente invencion, se proporciona un calentador de agua de CO2 como se define en las reivindicaciones anexas.
Un calentador de agua de CO2 de acuerdo con una realizacion comprende: una via de circulacion de CO2 configurada para permitir que circule CO2 por la misma; un compresor, un refrigerador de gas y una valvula de expansion, cada uno de los cuales se proporciona en la via de circulacion de CO2; un conducto de derivacion conectado a la via de circulacion de CO2 con el fin de evitar la valvula de expansion; y un deposito de almacenamiento de CO2 para almacenar CO2 al menos en un estado de gas caliente, preferiblemente en un estado supercntico, y una primera valvula de regulacion de flujo, cada uno de las cuales se proporciona en el conducto de derivacion.
La via de circulacion de CO2 se bifurca en dos conductos de CO2 bifurcados de forma paralela entre el compresor y una parte de conexion del conducto de derivacion en un lado aguas abajo de la valvula de expansion.
El calentador de agua de CO2 comprende ademas: un intercambiador de calor de fuente de calor de aire proporcionado en uno de los conductos de la bifurcacion de CO2; un intercambiador de calor de fuente de calor de agua proporcionado en el otro de los conductos de la bifurcacion de CO2; un mecanismo de cambio de via de flujo configurado para cambiar una via de flujo de CO2 a uno u otro de los conductos de la bifurcacion de CO2; y una parte formadora de flujo de aire con el fin de formar un flujo de aire para ser introducido en el intercambiador de calor de fuente de calor de aire.
En la configuracion anterior, al cambiar la via de flujo de CO2 entre los conductos de la bifurcacion de CO2 por medio del mecanismo de cambio de la via de flujo y el suministro de CO2 al intercambiador de calor de fuente de calor de agua o al intercambiador de calor de fuente de calor de aire, es posible cambiar el modo de funcionamiento del calentador de agua de CO2 entre un modo de fuente de calor de agua y un modo de fuente de calor de aire.
La capacidad del intercambiador de calor de fuente de calor de aire se establece para que sea mayor que la capacidad del intercambiador de calor de fuente de calor de agua debido a, por ejemplo, la diferencia en la eficiencia del intercambio de calor con respecto al medio de intercambio de calor entre el aire y el agua, y por lo tanto, la cantidad de CO2 en circulacion se establece para que sea mayor en el modo de fuente de calor de aire que en el modo de fuente de calor de agua. Cuando se cambia el modo de funcionamiento, la diferencia en la cantidad de CO2 en circulacion se puede regular ajustando la cantidad de CO2 almacenada en el deposito de almacenamiento de CO2.
De este modo, es posible cambiar sin problemas el modo de funcionamiento sin detener el funcionamiento del calentador de agua de CO2.
De acuerdo con el calentador de agua de CO2 anterior, en un penodo de tiempo cuando se necesita refrigeracion, al poner en funcionamiento el calentador de agua de CO2 en el modo de fuente de calor de agua, es posible generar agua templada usando agua de fuente de calor tal como el agua templada descargada de un planta, y usar agua fna que se genera secundariamente para el enfriamiento de las instalaciones de la planta. En un penodo de tiempo, como el invierno o la noche, cuando no se necesita refrigeracion, es posible cambiar el modo de funcionamiento al modo de fuente de calor de aire para poner en funcionamiento el calentador de agua de CO2 para que solo genere agua templada.
Cuando funciona en el modo de fuente de calor de agua, el calentador de agua de CO2 se puede usar como alternativa a una unidad enfriadora de agua fna y, por consiguiente, es posible reducir en gran medida el tiempo de funcionamiento de la unidad enfriadora de agua fna o hacer que la unidad enfriadora de agua fna sea innecesaria.
Puesto que la carga electrica suele ser relativamente pequena durante la noche, incluso si el calentador de agua de CO2 funciona en el modo de fuente de calor de aire con el fin de almacenar agua caliente, el consumo de electricidad
puede no exceder una cierta cantidad.
En consecuencia, es posible aumentar la velocidad de funcionamiento del calentador de agua de CO2, y es posible cambiar de forma flexible el modo de funcionamiento teniendo en cuenta la carga termica de fno o calor o la condicion de energfa electrica.
En una realizacion, el calentador de agua de CO2 comprende ademas una valvula de cierre que se puede abrir o cerrar en cada uno de los conductos de la bifurcacion de CO2 en una salida del intercambiador de calor de fuente de calor de aire y del intercambiador de calor de fuente de calor de agua, respectivamente.
Durante el funcionamiento en un modo de funcionamiento, el CO2 que permanece en el intercambiador de calor proporcionado en el otro conducto de la bifurcacion de CO2 se puede introducir en la via de circulacion de CO2.
En este sentido, en el calentador de agua de CO2 anterior, la valvula de cierre anterior proporcionada, es la que hace posible la resolucion del problema. Ademas, cuando el modo de funcionamiento se cambia del modo de fuente de
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calor de aire al modo de fuente de calor de agua, al permitir que el CO2 permanezca en el intercambiador de calor de fuente de calor de aire, se hace posible cambiar suavemente el modo de funcionamiento.
En una realizacion, el calentador de agua de CO2 comprende ademas: un primer sensor de presion y un primer sensor de temperatura, cada uno de los cuales se proporciona en la via de circulacion de CO2 en una entrada del compresor; una parte calculadora del grado de sobrecalentamiento configurada para calcular un grado de sobrecalentamiento de CO2 a partir de los valores detectados por el primer sensor de presion y el primer sensor de temperatura; y un primer controlador configurado para controlar un grado de apertura de la primera valvula de regulacion de flujo en funcion del grado de sobrecalentamiento calculado por la parte calculadora del grado de sobrecalentamiento para controlar un grado de sobrecalentamiento de CO2 que se introducira en el compresor.
Cuando se cambia el modo de funcionamiento del modo de fuente de calor de aire al modo de fuente de calor de agua, puede ser probable que la presion de salida de CO2 del compresor aumente debido a una cantidad excesiva de CO2 en circulacion. Para evitar esto, el grado de apertura de la valvula de expansion se puede aumentar hasta un grado de apertura establecido en el cambio, por lo que puede ser probable que se introduzca CO2 como un lfquido en el compresor.
Por el contrario, de acuerdo con la configuracion anterior, al controlar adecuadamente el grado de sobrecalentamiento de CO2 que se introducira en el compresor, es posible evitar el reflujo del lfquido de CO2. El exceso de CO2 obtenido a traves de este control se puede almacenar en el deposito de almacenamiento de CO2.
En una realizacion, el calentador de agua de CO2 comprende ademas: una via de circulacion de agua de fuente de calor conectada al intercambiador de calor de fuente de calor de agua; una bomba de agua de fuente de calor proporcionada en la via de circulacion de agua de fuente de calor y configurada para suministrar agua de fuente de calor al intercambiador de calor de fuente de calor de agua; un segundo sensor de presion proporcionado en el conducto de la bifurcacion de CO2 en una entrada del intercambiador de calor de fuente de calor de agua; y un segundo controlador configurado para permitir que la bomba de agua de fuente de calor funcione cuando una temperatura de saturacion de CO2 correspondiente a un valor detectado por el segundo sensor de presion llegue a 0 grados o menos.
Con la configuracion anterior, al accionar la bomba de agua de fuente de calor cuando una temperatura de saturacion de CO2 correspondiente a la presion es de 0 grados o inferior, es posible evitar que el agua de fuente de calor se congele en el intercambiador de calor de fuente de calor de agua.
En una realizacion, el calentador de agua de CO2 comprende ademas: una via de circulacion de agua de refrigeracion conectada al refrigerador de gas; un intercambiador de calor al que estan conectadas la via de circulacion de agua de refrigeracion y una via de circulacion de agua de refrigeracion secundaria y que se configura para intercambiar calor entre el agua de refrigeracion que circula por la via de circulacion de agua de refrigeracion y el agua de refrigeracion secundaria que circula por la via de circulacion de agua de refrigeracion secundaria; una segunda valvula de regulacion de flujo proporcionada en la via de circulacion de agua de enfriamiento secundaria; un segundo sensor de temperatura proporcionado en la via de circulacion del agua de refrigeracion en una salida del intercambiador de calor; un tercer sensor de temperatura proporcionado en la via de circulacion de agua de enfriamiento secundaria a la salida del intercambiador de calor; un tercer controlador configurado para controlar un grado de apertura de la segunda valvula de regulacion de flujo, sobre la base de los valores detectados por el segundo sensor de temperatura y el tercer sensor de temperatura, de modo que un COP del calentador de agua de CO2 se convierte en un valor de ajuste.
Con la configuracion anterior, es posible mantener el COP del calentador de agua de CO2 en un valor ajustado relativamente alto.
En una realizacion, el calentador de agua de CO2 comprende ademas un soplador auxiliar para formar un flujo de aire fno entre los componentes del calentador de agua de CO2. Cuando el calentador de agua de CO2 no funciona en el modo de fuente de calor de aire, se detiene la parte formadora de flujo de aire que forma un flujo de aire para ser introducido en el intercambiador de calor de fuente de calor de aire y, por consiguiente, la temperatura interna del calentador de agua de CO2 puede aumentar gradualmente por el calor generado por los componentes del calentador de agua de CO2. Al hacer funcionar el soplador auxiliar durante el funcionamiento en modo de fuente de calor de agua, es posible disminuir la temperatura interna del calentador de agua de CO2.
Efectos ventajosos
De acuerdo con la presente invencion, es posible cambiar sin problemas el modo de funcionamiento del calentador de agua de CO2, entre el modo de fuente de calor de agua y el modo de fuente de calor de aire para mejorar, por lo tanto, la velocidad de funcionamiento del calentador de agua de CO2 y para suprimir el aumento del consumo de electricidad.
Breve descripcion de los dibujos
La Figura 1 es un diagrama que ilustra un calentador de agua de CO2 de acuerdo con una primera realizacion de la presente invencion.
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La Figura 2 es un diagrama de bloques que ilustra un sistema de control para el calentador de agua de CO2.
La Figura 3 es un diagrama de flujo de una operacion de cambio del modo de funcionamiento del calentador de agua de CO2.
La Figura 4 es un diagrama de flujo de una operacion de ecualizacion de una presion de un intercambiador de calor de fuente de calor de agua del calentador de agua de CO2.
La Figura 5 es un diagrama de flujo de una operacion de una via de circulacion de agua de refrigeracion del calentador de agua de CO2.
La Figura 6 es un diagrama de bloques referido a un calentador de agua de CO2 de acuerdo con una segunda realizacion de la presente invencion.
Descripcion detallada
Las realizaciones de la presente invencion se describiran ahora con detalle por referencia a los dibujos anexos. Sin embargo, se pretende que, a menos que se especifique en particular, las dimensiones, los materiales, las formas, las posiciones relativas y similares de los componentes descritos en las realizaciones, se interpreten unicamente como ilustrativos y no limitativos del alcance de la presente invencion.
(Primera realizacion)
Ahora se describira un calentador de agua de CO2 de acuerdo con una primera realizacion de la presente invencion con referencia a la Figura 1 a la Figura 5. Como se ilustra en la Figura 1, se proporciona un calentador de agua de CO2 10 que incluye una carcasa 12 y una via de circulacion de CO2 14 proporcionada en la carcasa 12, y sobre la via de circulacion de CO2 14 se proporciona un compresor 16, un refrigerador de gas 18, una valvula de expansion 20, intercambiadores de calor de fuente de calor de aire (22a, 22b), un intercambiador de calor de fuente de calor de agua 24 y asf sucesivamente. El compresor 16 incluye un motor de accionamiento 16a y un inversor 16b para permitir una velocidad de rotacion variable del motor de accionamiento 16a.
El CO2 en el estado supercntico se descarga desde el compresor 16 hasta la via de circulacion de CO2 14 y luego se envfa al refrigerador de gas 18. Una via de circulacion de agua de refrigeracion 70 esta conectada al refrigerador de gas 18, mediante el cual se enfna el CO2 con el agua de refrigeracion que circula por la via de circulacion del agua de refrigeracion 70.
El CO2 que ha pasado a traves del refrigerador de gas 18 se enfna por cambio de calor en el intercambiador de calor interno 28 habiendo pasado el CO2 a traves de los intercambiadores de calor de fuente de calor de aire (22a, 22b) o del intercambiador de calor de fuente de calor de agua 24, y luego se despresuriza a traves de la valvula de expansion 20. La via de circulacion de CO2 14 se bifurca en los conductos de bifurcacion de CO2 14b y 14c en una parte de la bifurcacion 14a en un lado de salida de la valvula de expansion 20. Los intercambiadores de calor de fuente de calor de aire (22a, 22b), se proporcionan en el conducto de bifurcacion de CO2 14b, y el intercambiador de calor de fuente de calor de agua 24 se proporciona en el conducto de bifurcacion de CO2 14c.
Los conductos de bifurcacion de CO2 (14b, 14c) se unen entre sf en una parte de union 14d en los lados de salida de los intercambiadores de calor de fuente de calor de aire (22a, 22b) y del intercambiador de calor de fuente de calor de agua 24. Despues de haber unido el CO2 en la porcion de union 14d se calienta en el intercambiador de calor interno 28 con el CO2 procedente del refrigerador de gas 18, y luego se introduce en la entrada (no mostrada) del compresor 16. El COP del calentador de agua de CO2 10 se puede aumentar debido al intercambiador de calor interno 28.
Un conducto de derivacion 30 se conecta a la via de circulacion de CO2 14 entre el refrigerador de gas 18 y el intercambiador de calor interno 28 y entre la valvula de expansion 20 y la parte de bifurcacion 14a. Se proporciona un deposito supercntico 32 para almacenar el exceso de CO2 en el conducto de derivacion 30, y se proporcionan valvulas reguladoras de flujo (34, 35) en el conducto de derivacion 30 en una entrada y una salida del deposito supercntico 32, respectivamente. El deposito supercntico 32 tiene un calentador 36. En el deposito supercntico 32, la temperatura y la presion se mantienen por encima del punto cntico de CO2, y el CO2 almacenado en el deposito supercntico 32 se mantiene en el estado supercntico.
Los intercambiadores de calor de fuente de calor de aire 22a y 22b tienen la misma configuracion. Los intercambiadores de calor de fuente de calor de aire (22a, 22b) tienen tubos de cobre 40 proporcionados de manera paralela con un espacio, y ambos extremos de los tubos de cobre 40 se conectan a los cabezales 42, respectivamente. Las aletas 44 del radiador en forma de placas se proporcionan en una superficie de los tubos de cobre, de manera paralela a lo largo de una direccion perpendicular a la direccion de extension de los tubos de cobre 40. Los cabezales 42 del intercambiador de calor de fuente de calor de aire 22a y los cabezales 42 del intercambiador de calor de fuente de calor de aire 22b se conectan al conducto de bifurcacion de CO2 14b de manera paralela.
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Con la configuracion anterior, el CO2 fluye desde el conducto de bifurcacion de CO2 14b hasta los tubos de cobre 40 a traves de los cabezales 42. Se forman espacios alrededor de los tubos de cobre 40, y se forma un flujo de aire mediante un soplador 46 proporcionado en la carcasa 12. El CO2 que fluye por los tubos de cobre 40 recibe calor del flujo de aire. El soplador 46 tiene un inversor 46b que permite una velocidad de rotacion variable del motor de accionamiento 46a.
Se proporciona una valvula electromagnetica 48 en el conducto de bifurcacion de CO2 14b en las entradas de los intercambiadores de calor de fuente de calor de aire (22a, 22b), y se proporciona una valvula electromagnetica 50 en el conducto de bifurcacion de CO2 14c en una entrada del intercambiador de calor de fuente de calor de agua 24. Se proporciona una valvula de bola operada por motor 52 sobre el conducto de bifurcacion de CO2 14b en las salidas de los intercambiadores de calor de fuente de calor de aire (22a, 22b), y se proporciona una valvula de bola accionada por motor 54 sobre el conducto de la bifurcacion de CO2 14c en una salida del intercambiador de calor de fuente de calor de agua 24. Las valvulas de bola operadas por motor (52, 54) tienen la capacidad de cerrar por completo el conducto de bifurcacion de CO2 14b o 14c cuando estan cerradas.
En la via de circulacion de CO2 14, se proporcionan un sensor de presion 56 y un sensor de temperatura 58 en una entrada del compresor 16.
Una via de circulacion de agua de fuente de calor 60 se conecta al intercambiador de calor de fuente de calor de agua 24, y el otro extremo de la via de circulacion de agua de fuente de calor 60 se conecta a un deposito de agua de fuente de calor 62. En el deposito de agua de fuente de calor 62, se almacena agua de fuente de calor tal como agua templada descargada de una planta. El agua de fuente de calor almacenada en el deposito de agua de fuente de calor 62 es enviada al intercambiador de calor de fuente de calor de agua 24 por la bomba de agua de fuente de calor 64 proporcionada sobre la via de circulacion de agua de fuente de calor 60 y es enfriada por intercambio de calor con el CO2 en el intercambiador de calor de fuente de calor de agua 24. El agua de fuente de calor enfriada se envfa de vuelta al deposito de agua de fuente de calor 62, y se utiliza como fuente de calor o fno para una carga de agua fna. En el conducto de bifurcacion de CO2 14c, se proporciona un sensor de presion 66 en la entrada del intercambiador de calor de fuente de calor de agua 24.
La via de circulacion de agua de refrigeracion 70 se conecta al refrigerador de gas 18, y el otro extremo de la via de circulacion de agua de refrigeracion 70 se conecta a un intercambiador de calor 72. Una via de circulacion de agua de refrigeracion secundaria 74 se conecta al intercambiador de calor 72. Se proporciona una valvula de regulacion de flujo 76 tal como una valvula accionada por motor sobre la via de circulacion del agua de refrigeracion 70, y se proporciona una valvula de regulacion de flujo 78 que tiene la misma configuracion que la valvula de regulacion de flujo 76 sobre la via de circulacion de agua de refrigeracion secundaria 74. Se proporciona un sensor de temperatura 80 compuesto de, por ejemplo, un detector de temperatura de resistencia, sobre la via de circulacion de agua de refrigeracion 70 en una salida del intercambiador de calor, y se proporciona un sensor de temperatura 82, que tiene la misma configuracion que el sensor de temperatura 80, sobre la via de circulacion de agua de refrigeracion secundaria 74 en una salida del intercambiador de calor.
El agua refrigerante que circula por la via de circulacion de agua de refrigeracion 70 es calentada por el refrigerador de gas 18 con CO2. El agua de refrigeracion calentada por el refrigerador de gas 18 calienta el agua de refrigeracion secundaria en el intercambiador de calor 72. El agua de refrigeracion secundaria calentada por el intercambiador de calor 72 se usa como agua de fuente de calor para otros usos.
En la carcasa 12, se proporcionan un ventilador auxiliar 84 y un panel de control 86 que tiene un dispositivo de control incorporado 88 (vease la Figura 2) para controlar el funcionamiento del calentador de agua de CO2. El ventilador 84 permite la ventilacion en la carcasa 12. Durante el funcionamiento en el modo de fuente de calor de agua, no funciona el ventilador 46. En consecuencia, la temperatura en la carcasa 12 puede aumentar debido al calor liberado por los componentes. En vista de esto, el ventilador 84 puede funcionar durante el funcionamiento en el modo de fuente de calor de agua para tener el espacio interno de la carcasa ventilado para evitar de ese modo el aumento de la temperatura.
Ahora se describira un sistema de control para el calentador de agua de CO2 10 con referencia a la Figura 2. Como se ilustra en la Figura 2, los valores detectados por los sensores de presion (55, 66) y los sensores de temperatura (58, 80, 82) se introducen en el dispositivo de control 88. Basandose en estos valores detectados, el dispositivo de control 88 controla el funcionamiento de los inversores (16b, 46b) y la bomba de agua de fuente de calor 64, y controla los grados de apertura de la valvula de expansion 20, las valvulas electromagneticas (48, 50), las valvulas reguladoras de flujo ( 34, 35, 76, 78) y las valvulas de bola accionadas por motor (52, 54).
Con la configuracion anterior, durante el funcionamiento en modo de fuente de calor de aire, mediante el dispositivo de control 88, se abren la valvula electromagnetica 48 y la valvula de bola accionada por motor 52, y se cierran la valvula electromagnetica 50 y la valvula de bola accionada por motor 54, y se pone en funcionamiento el ventilador 46, y por lo tanto se forma un flujo de aire que circula sobre la superficie de los tubos de cobre 40 de los intercambiadores de calor de fuente de calor de aire (22a, 22b).
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El CO2 que ha pasado a traves de la valvula de expansion 20 y que tiene por lo tanto una presion reducida absorbe calor para su calor latente de evaporacion a partir de un flujo de aire a en los intercambiadores de calor de fuente de calor de aire (22a, 22b).
La Figura 3 es un diagrama de flujo de una operacion de cambio del modo de funcionamiento del calentador de agua de CO2 10 a un modo de fuente de calor de aire o a un modo de fuente de calor de agua.
Cuando el modo de funcionamiento se cambia al modo de fuente de calor de aire, se llevan a cabo las etapas de funcionamiento S12 a S20. Con el fin de asegurar una cantidad de intercambio de calor entre el CO2 y el flujo de aire a, los tubos de cobre 40 de los intercambiadores de calor de fuente de calor de aire (22a, 22b) se forman para tener una gran capacidad de modo que la cantidad de CO2 en circulacion por la via de circulacion de CO2 sea mas grande que en el caso del funcionamiento en el modo de fuente de calor de agua. Para este fin, se abre la valvula de regulacion de flujo 35 para proporcionar una cantidad de CO2 en circulacion adecuada para el funcionamiento en el modo de fuente de calor de aire (S16).
Cuando el modo de funcionamiento se cambia al modo de fuente de calor de agua, se llevan a cabo las etapas de funcionamiento S22 a S34. Cuando el modo de funcionamiento se cambia desde el modo fuente de calor de aire al modo de fuente de calor de agua, la cantidad de CO2 en circulacion se vuelve excesiva, por lo que es probable que aumente la presion de salida de CO2 del compresor. En vista de esto, el grado de apertura de la valvula de expansion 20 se incrementa hasta su grado de apertura establecido para suprimir el aumento en la presion de salida del compresor (S26).
Como es probable que el CO2 se introduzca en el compresor 16 en estado lfquido, es necesario abrir la valvula de regulacion de flujo 34 para almacenar el exceso de CO2 en el deposito supercntico 32.
En vista de esto, el dispositivo de control 88 tiene una parte que calcula el grado de sobrecalentamiento 90 que obtiene, a partir de un valor detectado por el sensor de presion 56, la temperatura de saturacion del CO2 correspondiente al valor detectado, y que calcula un grado de sobrecalentamiento de CO2 que se va a introducir en el compresor 16 a partir de una diferencia entre la temperatura de saturacion obtenida y un valor detectado por el sensor de temperatura 58 (S27). Sobre la base del grado de sobrecalentamiento calculado, se almacena una cantidad de CO2 en el deposito supercntico 32 para proporcionar un grado de sobrecalentamiento apropiado con el fin de suprimir el reflujo del lfquido, y la valvula de regulacion del flujo 34 se abre para almacenar el exceso de CO2 en el deposito supercntico 32 (S28).
La Figura 4 es un diagrama de flujo de una operacion de ecualizacion de presion para evitar el aumento de presion del CO2 en el intercambiador de calor de fuente de calor de agua 24 cuando este se detiene. Como se muestra en la Figura 4, en un caso de, por ejemplo, una operacion en el modo de fuente de calor de aire, cuando se detiene (S36) el intercambiador de calor de fuente de calor de agua 24, si una presion del CO2 en el intercambiador de calor de fuente de calor de agua 24 es relativamente alta (S38), la valvula de bola accionada por motor 54 se abre para disminuir la presion del CO2 (S40). A continuacion, se activa un temporizador de retardo (S42), y despues de un lapso de un penodo de tiempo establecido tras la apertura de la valvula de bola accionada por motor 54, se cierra (S44) la valvula de bola accionada por motor 54.
Cuando se detiene el intercambiador de calor de fuente de calor de agua 24 y se detecta la presion del CO2 en el intercambiador de calor de fuente de calor de agua 24 con el sensor de presion 66, si la temperatura de saturacion del CO2 correspondiente al valor detectado llega a ser de 0°C o inferior, la bomba de agua de fuente de calor 64 se pone en funcionamiento mediante el dispositivo de control 88 para evitar que se congele el agua de fuente de calor en el intercambiador de calor de fuente de calor de agua 24.
El CO2 que ha recibido calor procedente del flujo de aire a en los intercambiadores de calor de fuente de calor de aire (22a, 22b) para tener un calor potencial incrementado, es enfriado por el refrigerador de gas 18 con agua de refrigeracion que circula por la via de circulacion de agua de enfriamiento 70. Los valores detectados por los sensores de temperatura (80, 82) se introducen en el dispositivo de control 88, y el dispositivo de control 88 controla los grados de apertura de las valvulas de regulacion de flujo (76, 78) de modo que el agua de enfriamiento que circula por la via de circulacion de agua de refrigeracion 70 y el agua de refrigeracion secundaria que circula por la via de circulacion de agua de refrigeracion secundaria 74 tengan las temperaturas deseadas, respectivamente.
La Figura 5 es un diagrama de flujo de una operacion de las valvulas reguladoras de flujo (76, 78) llevada a cabo por el dispositivo de control 88. En la operacion mostrada en la Figura 5, la valvula reguladora de flujo 76 se mantiene preliminarmente en un grado de apertura establecido con el que se puede obtener un alto COP. En primer lugar, al utilizar como referencia una temperatura establecida del agua de refrigeracion que circula por la via de circulacion del agua de refrigeracion 70, un grado de apertura de la valvula de regulacion de flujo 78 con el que se puede obtener un mayor COP del calentador de agua de CO2 10, se calcula a traves del calculo de PID (calculo del grado de apertura primario: S36).
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A continuacion, utilizando como referencia una temperatura establecida del agua de refrigeracion secundaria que circula por la via de circulacion de agua de refrigeracion secundaria 74, un grado de apertura de la valvula reguladora de flujo 78 con el que se puede obtener un mayor COP del calentador de agua de CO2 10, se calcula a traves del calculo de PID (calculo del grado de apertura secundario: S38). Luego, el grado de apertura primario y el grado de apertura secundario se comparan entre sf (S40), y se selecciona el mas grande de los dos (S42 y S44).
A traves de la operacion anterior, es posible aumentar el caudal del agua de enfriamiento secundaria a la vez que se mantiene un alto COP del calentador de agua de CO2 10.
Con la realizacion anterior, por medio del dispositivo de control 88, es posible cambiar sin problemas el modo de funcionamiento al modo de fuente de calor de aire o al modo de fuente de calor de agua sin detener el funcionamiento del calentador de agua de CO2 10. Por consiguiente, en un penodo de tiempo cuando se necesita refrigeracion, el calentador de agua de CO2 se puede hacer funcionar en el modo de fuente de calor de agua para obtener agua fna que se puede usar, por ejemplo, para enfriar una instalacion de planta, y en un penodo de tiempo en el que no se necesita refrigeracion, como en el invierno o en la noche, el modo de funcionamiento se puede cambiar al modo de fuente de calor de aire para obtener agua templada, por lo que es posible mejorar la velocidad de funcionamiento del calentador de agua de CO2 10.
Dado que un calentador de agua de CO2 10 puede funcionar en los dos modos de funcionamiento, se puede suprimir el aumento en el consumo de electricidad. Ademas, dado que es posible cambiar de forma flexible los modos de funcionamiento teniendo en cuenta la carga termica de fno o calor o la condicion de energfa electrica, el calentador de agua de CO2 10 se puede introducir facilmente en una instalacion existente.
La diferencia en la cantidad de CO2 en circulacion entre el modo de fuente de calor de aire y el modo de fuente de calor de agua se puede regular ajustando la cantidad de CO2 almacenada en el deposito supercntico 32.
Dado que las valvulas de bola accionadas por motor (52, 54) que tienen la capacidad de cerrar la via de flujo de CO2 se proporcionan en las salidas de los intercambiadores de calor de fuente de calor de aire (22a, 22b) y del intercambiador de calor de fuente de calor de agua 24, el CO2 existente en los intercambiadores de calor puede no ser introducido en la via de circulacion de CO2 14 cuando se detienen los intercambiadores de calor. Por ejemplo, el CO2 que queda en los intercambiadores de calor de fuente de calor de aire (22a, 22b) durante el funcionamiento en el modo de fuente de calor de agua se puede condensar, dependiendo de la temperatura del aire exterior. En vista de esto, mediante el cierre de las salidas de los intercambiadores de calor de fuente de calor de aire (22a, 22b) con la valvula de bola accionada por motor 52, es posible evitar que se introduzca CO2 condensado en la via de circulacion de CO2 14.
Dado que se proporciona la valvula de bola accionada por motor 52, al almacenar CO2 en los intercambiadores de calor de fuente de calor de aire (22a, 22b) que tienen una capacidad relativamente grande durante el funcionamiento en el modo de fuente de calor de agua, es posible eliminar rapidamente el exceso de CO2 de la via de circulacion de CO2 14, por lo que es posible cambiar rapidamente el modo de funcionamiento desde el modo de fuente de calor de aire al modo de fuente de calor de agua.
Al proporcionar el sensor de presion 56 y el sensor de temperatura 58 en la entrada del compresor 16, calcular el grado de sobrecalentamiento del CO2 a partir de los valores detectados por los sensores anteriores por la parte calculadora del grado de sobrecalentamiento 90, y ajustar la cantidad almacenada de CO2 en el deposito supercntico 32 para que el grado de sobrecalentamiento se convierta en un valor apropiado, es posible evitar que el CO2 en estado lfquido fluya al interior del compresor 16.
Ademas, al accionar la bomba de agua de fuente de calor 64 para que funcione cuando la temperatura de saturacion correspondiente al valor detectado por el sensor de presion 66 llegue a 0°C o menos, es posible evitar que se congele el agua de fuente de calor en el intercambiador de calor de fuente de calor de agua 24.
Al calcular los grados de apertura de la valvula reguladora de flujo 78, con los cuales se puede obtener un mayor COP del calentador de agua de CO2, que se calculan mediante el calculo de PID sobre la base de la temperatura del agua de refrigeracion que circula por la via de circulacion del agua de refrigeracion 70 y la temperatura del agua de refrigeracion secundaria que fluye por la via de circulacion de agua de refrigeracion secundaria 74, respectivamente, y al seleccionar el mayor grado de apertura entre los dos grados de apertura calculados, es posible aumentar el caudal del agua de enfriamiento secundaria a la vez que se mantiene un alto COP del calentador de agua de CO2.
Ademas, tambien en el modo de fuente de calor de agua en el que se detiene el ventilador 46, al accionar el ventilador auxiliar 84, es posible evitar el aumento de temperatura en la carcasa 12 debido a la generacion de calor por parte de los componentes del calentador de agua de CO2.
(Segunda realizacion)
Ahora se describira una segunda realizacion de la presente invencion con referencia a la Figura 6. Como se ilustra en la Figura 6, un calentador de agua de CO2 10 y un deposito de agua fna 100 se conectan entre sf a traves de una via
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de circulacion de agua de refrigeracion secundaria 74. El agua de refrigeracion secundaria generada por el calentador de agua de CO2 10 se almacena en el deposito de agua fna 100. El agua de refrigeracion secundaria almacenada en el deposito de agua fna 100 se puede usar para aire acondicionado o para una carga fna de una instalacion de produccion.
Una parte del agua de refrigeracion secundaria utilizada para que una carga de agua fna que tendra un aumento de temperature se envfa a un enfriador de agua fna 104 a traves de una via de circulacion de agua de refrigeracion terciaria 102. El agua de refrigeracion secundaria enviada al enfriador de agua fna 104 es enfriada por el enfriador 104, y luego se envfa de vuelta al deposito de agua fna 100.
Un agua de fuente de calor que tiene una temperature aumentada hasta aproximadamente 90°C por un intercambiador de calor de fuente de calor de agua 24 del calentador de agua de CO2 se envfa a un deposito de suministro de agua caliente 106. El agua templada almacenada en el deposito de suministro de agua caliente 106 se envfa a un deposito de agua templada de lavado 108 y luego se suministra como agua templada de lavado a, por ejemplo, una instalacion de planta.
Cuando una caldera de vapor de agua 110 se proporciona conjuntamente como se muestra en el dibujo, el agua templada de lavado almacenada en el deposito de agua templada de lavado 108 se puede mantener templada con el exceso de vapor de agua generado por la caldera de vapor de agua 110.
De acuerdo con la realizacion anterior, dado que el calentador de agua de CO2 10 se puede usar como una alternativa al enfriador de agua fna 104 durante el funcionamiento en el modo de fuente de calor de agua, es posible reducir ampliamente el tiempo de funcionamiento del enfriador de agua fna 104 o hacer que no sea necesario el enfriador de agua fna 104. Ademas, de acuerdo con la realizacion anterior, es posible utilizar el agua templada generada como agua templada de lavado para una instalacion de planta.
Aplicabilidad industrial
De acuerdo con la presente invencion, es posible proporcionar un calentador de agua de CO2 que tenga la capacidad de cambiar sin problemas el modo de funcionamiento entre el funcionamiento con una fuente de calor de agua y con una fuente de calor de aire.
Lista de signos de referencia
10 Calentador de agua de CO2
12 Carcasa
14 Via de circulacion de CO2
14b, 14c Conducto de bifurcacion de CO2
16 Compresor
16a Motor de accionamiento
16b Inversor
18 Refrigerador de gas
20 Valvula de expansion
22a, 22b Intercambiador de calor de fuente de calor de aire
24 Intercambiador de calor de fuente de calor de agua
28 Intercambiador de calor interno
30 Conducto de derivacion
32 Deposito supercntico (Deposito de almacenamiento de CO2)
34,35 Valvula reguladora de flujo (Primera valvula reguladora de flujo)
36 Calentador
40 Tubos de cobre
42 Cabezal
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Aletas del radiador
Soplador (Parte formadora de flujo de aire)
Motor de accionamiento Inversor
Valvula electromagnetica (Mecanismo de cambio de la via de flujo) Valvula de bola accionada por motor (Valvula de cierre)
Sensor de presion (Primer sensor de presion)
Sensor de temperatura (Primer sensor de temperature)
Via de circulacion de agua de fuente de calor Deposito de agua de fuente de calor Bomba de agua de fuente de calor Sensor de presion (Segundo sensor de presion)
Via de circulacion de agua de refrigeracion Intercambiador de calor
Via de circulacion de agua de refrigeracion secundaria Valvula reguladora de flujo
Valvula reguladora de flujo (Segunda valvula reguladora de flujo) Sensor de temperatura (Segundo sensor de temperatura)
Sensor de temperatura (Tercer sensor de temperatura)
Ventilador (Ventilador auxiliar)
Panel de control Dispositivo de control
Parte calculadora del grado de sobrecalentamiento Deposito de agua fna
Via de circulacion del agua de refrigeracion terciaria
Enfriador de agua fna
Deposito de suministro de agua caliente
Deposito de agua templada para lavado
Caldera de vapor de agua
Un flujo de aire

Claims (7)

  1. 5
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    REIVINDICACIONES
    1. Un calentador de agua de CO2 (10) que comprende:
    una v^a de circulacion de CO2 (14) configurada para permitir que el CO2 circule por la misma y que tiene dos conductos de bifurcacion de CO2 (14b, l4c);
    un compresor (16), un refrigerador de gas (18) y una valvula de expansion (20), cada uno de los cuales se proporciona en la via de circulacion de CO2 (14);
    un deposito de almacenamiento de CO2 (32) para almacenar CO2 al menos en un estado de gas caliente y una primera valvula de regulacion de flujo (34, 35);
    un intercambiador de calor de fuente de calor de aire (22a, 22b) proporcionado en uno (14b) de los conductos de bifurcacion de CO2 (14b, 14c);
    un intercambiador de calor de fuente de calor de agua (24) proporcionado en el otro (14c) de los conductos de bifurcacion de CO2 (14b, 14c);
    un mecanismo de cambio de via de flujo (48, 50) configurado para cambiar una via de flujo de CO2 al uno (14b) o al otro (14c) de los conductos de bifurcacion de CO2 (14b, 14c); y
    una parte formadora del flujo de aire (46) para formar un flujo de aire (a) con el fin de ser introducido en el intercambiador de calor de fuente de calor de aire (22a, 22b),
    caracterizado porque comprende ademas un conducto de derivacion (30) conectado a la via de circulacion de CO2 (14) y proporcionado de modo que se desvfe de la valvula de expansion (20),
    el deposito de almacenamiento de CO2 (32) y la primera valvula de regulacion de flujo (34, 35) que se proporciona en el conducto de derivacion (30),
    los conductos de bifurcacion de CO2 (14b, 14c) se bifurcan en paralelo entre el compresor (16) y una porcion de conexion del conducto de derivacion (30) en un lado aguas abajo de la valvula de expansion (20).
  2. 2. El calentador de agua de CO2 (10) de acuerdo con la reivindicacion 1, que comprende ademas una valvula de cierre que se puede abrir y cerrar (52, 54) en cada uno de los conductos de bifurcacion de CO2 (14b, 14c) en una salida del intercambiador de calor de fuente de calor de aire (22a, 22b) y del intercambiador de calor de fuente de calor de agua (24), respectivamente.
  3. 3. El calentador de agua de CO2 (10) de acuerdo con la reivindicacion 1, que comprende ademas:
    un primer sensor de presion (56) y un primer sensor de temperatura (58), cada uno de los cuales se proporciona en la via de circulacion de CO2 (14) en una entrada del compresor (16);
    una parte calculadora del grado de sobrecalentamiento (90) configurada para calcular un grado de sobrecalentamiento de CO2 a partir de valores detectados por el primer sensor de presion (56) y el primer sensor de temperatura (58); y
    un primer controlador configurado para controlar un grado de apertura de la primera valvula reguladora de flujo (34, 35) sobre la base del grado de sobrecalentamiento calculado por la parte calculadora del grado de sobrecalentamiento (90) para controlar un grado de sobrecalentamiento de CO2 que se introducira en el compresor (16).
  4. 4. El calentador de agua de CO2 (10) de acuerdo con la reivindicacion 1, que comprende ademas:
    una via de circulacion de agua de fuente de calor (60) conectada al intercambiador de calor de fuente de calor de agua (24);
    una bomba de agua de fuente de calor (64) proporcionada en la via de circulacion de agua de fuente de calor (60) y configurada para suministrar agua de fuente de calor al intercambiador de calor de fuente de calor de agua (24);
    un segundo sensor de presion (66) proporcionado en el conducto de bifurcacion de CO2 (14c) en una entrada del intercambiador de calor de fuente de calor de agua (24); y
    un segundo controlador configurado para permitir que la bomba de agua de fuente de calor (64) funcione cuando una temperatura de saturacion de CO2 correspondiente a un valor detectado por el segundo sensor de presion (66) llegue a ser de 0 grados o inferior.
  5. 5. El calentador de agua de CO2 (10) de acuerdo con la reivindicacion 1, comprende ademas: una via de circulacion de agua de refrigeracion (70) conectada al refrigerador de gas (18);
    un intercambiador de calor (72) al cual estan conectadas la v^a de circulacion de agua de refrigeracion (70) y una via de circulacion de agua secundaria (74) y que esta configurado para intercambiar calor entre un agua de refrigeracion que circula por la via de circulacion de agua de refrigeracion (70) y un agua de refrigeracion secundaria que circula por la via de circulacion de agua de refrigeracion secundaria (74);
    5 una segunda valvula reguladora de flujo (78) proporcionada en la via de circulacion de agua de refrigeracion secundaria (74);
    un segundo sensor de temperatura (80) proporcionado en la via de circulacion de agua de refrigeracion (70) en una salida del intercambiador de calor (72);
    un tercer sensor de temperatura (82) proporcionado en la via de circulacion del agua de refrigeracion secundaria (74) 10 a la salida del intercambiador de calor (72);
    un tercer controlador configurado para controlar un grado de apertura de la segunda valvula reguladora de flujo (78), sobre la base de los valores detectados por el segundo sensor de temperatura (80) y el tercer sensor de temperatura (82), de modo que un COP del calentador de agua de CO2 se convierte en un valor de ajuste.
  6. 6. El calentador de agua de CO2 (10) de acuerdo con la reivindicacion 1, que comprende ademas un soplador auxiliar
    15 (84) para formar un flujo de aire fno entre los componentes del calentador de agua de CO2 (10).
  7. 7. El calentador de agua de CO2 (10) de acuerdo con la reivindicacion 1,
    en donde el deposito de almacenamiento de CO2 (32) esta configurado de manera que una cantidad de CO2 almacenada en el mismo se ajuste cuando la via de flujo de CO2 es cambiada por el mecanismo de cambio de via de flujo (48, 50) para ajustar una diferencia en la cantidad de CO2 en circulacion entre un modo de fuente de calor de 20 aire donde esta en funcionamiento el intercambiador de calor de fuente de calor de aire (22a, 22b) y un modo de fuente de calor de agua donde esta en funcionamiento el intercambiador de calor de fuente de calor de agua (24).
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