ES2837101T3 - Sistema y método de enfriamiento por transferencia de energía latente - Google Patents
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Abstract
Un sistema de refrigeración por fluido (10) que comprende: un volumen de fluido caloportador (14) contenido en un primer tanque (12); en donde el volumen de fluido caloportador (14) tiene un área superficial (22); medios (20) para permitir o forzar un volumen de aire a través del área superficial (22); caracterizado porque el volumen de aire hace que la temperatura de dicho fluido caloportador (14) en el primer tanque (12) baje o se mantenga aproximadamente a la temperatura requerida por medios evaporativos y se convierta en un fluido enfriado; en donde el fluido enfriado se transfiere desde el primer tanque (12) a un intercambiador de calor en un proceso o ubicación (16); y el fluido enfriado se usa para enfriar la ubicación, absorbiendo calor en el intercambiador de calor (16); en donde el sistema de refrigeración comprende además un segundo tanque (28) al que se transfiere un fluido de retorno (30) desde el proceso o ubicación (16); y en donde la temperatura de bulbo húmedo del volumen de aire es aproximadamente igual o inferior a la temperatura requerida del fluido de transferencia de calor (14) suficiente para eliminar la energía térmica del proceso o ubicación (16).
Description
DESCRIPCIÓN
Sistema y método de enfriamiento por transferencia de energía latente
CAMPO DE LA INVENCIÓN
[0001] La presente invención se refiere a un sistema y método de refrigeración por transferencia de energía latente y, en particular, para enfriar un fluido mediante la descarga de energía térmica no deseada a bajas temperaturas a un entorno ambiental circundante mediante la utilización de un proceso de evaporación de fluido con ventilación permitida o forzada de aire a través de una superficie de un fluido caloportador.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
[0002] Frecuentemente se requiere un método fiable de rechazar energía térmica no deseada a ambiente, por ejemplo, como parte de muchos procesos industriales y de fabricación, y en tecnologías de calefacción, ventilación y refrigeración de edificios ocupados (HVAC). Este requisito está presente en climas tanto templados como tropicales. La descarga de energía térmica al medio ambiente se puede lograr pasando fluido de transferencia térmica a través de una superficie de intercambiador de calor conductor y/o radiante, donde la temperatura del fluido es mayor que la temperatura ambiente de bulbo seco.
[0003] Por ejemplo la publicación US2011/0073290 A1 describe un intercambiador de calor para un deshumidificador usando un desecante líquido y un deshumidificador usando un desecante líquido que comprende: una pluralidad de cuerpos de intercambio de calor de tipo placa a la que un medio de transferencia de calor fluye a través de caminos de flujo formados en el mismo; y una pluralidad de placas que se extienden entre los respectivos cuerpos del intercambiador de calor, e inclinadas con respecto a las superficies de los cuerpos del intercambiador de calor.
[0004] Cuando la temperatura del fluido de transferencia está cerca de la temperatura de bulbo seco ambiente, se requiere una superficie de intercambio de calor relativamente grande para descargar la requerida cantidad de energía térmica. Cuando la temperatura ambiente excede la temperatura del fluido de transferencia, no puede tener lugar ninguna transferencia ventajosa de energía térmica. En estas circunstancias, el uso de una bomba de calor (ciclo inverso de Rankine) se usa comúnmente para elevar la temperatura del fluido de transferencia muy por encima de la ambiente, de modo que la transferencia de energía térmica no deseada al medio ambiente pueda tener lugar fácilmente por radiación, convección o conducción, antes de enfriar el fluido por expansión a una temperatura adecuada para proporcionar el efecto de enfriamiento necesario.
[0005] Como alternativa a la radiación o convección de transferencia a través de un intercambiador de calor, la evaporación directa de un fluido de transferencia, habitualmente agua, puede usarse para la transferencia de energía al entorno ambiental. La evaporación directa implica transferir el calor latente de evaporación del agua u otro vapor de fluido de un cuerpo de líquido al aire ambiente, con la correspondiente caída de la energía térmica sensible en el resto del cuerpo de líquido, lo que resulta en una reducción de la temperatura. Este método se usa, por ejemplo, en torres de enfriamiento, típicamente en combinación con un intercambiador de calor para transferir energía térmica desde un fluido de transferencia, en el intercambiador de calor, a las gotas de agua que se evaporan, lo que resulta en una caída en la temperatura del fluido de transferencia.
[0006] Una ventaja de la refrigeración por evaporación es que la transferencia de energía térmica puede continuar incluso por debajo de la temperatura de bulbo seco ambiente, incluso a tan bajo como la temperatura de bulbo húmedo, que puede ser diez o más grados Celsius inferior a la temperatura de bulbo seco en algunos casos, aumentando así el diferencial de temperatura a través del intercambiador de calor en la torre de enfriamiento. Cuando la transferencia de temperatura se puede lograr a un diferencial de temperatura más alto que el disponible a partir de la temperatura ambiente de bulbo seco, se puede usar un intercambiador de calor más pequeño, para una carga térmica determinada. Alternativamente, una bomba de calor de ciclo inverso de Rankine puede consumir menos energía que utiliza el fluido de transferencia de una torre de enfriamiento como disipador de calor, para lograr la transferencia requerida de energía térmica no deseada al ambiente. Sin embargo, con la tecnología de torre de enfriamiento de contacto indirecto, la transferencia de calor a través de un intercambiador de calor siempre da como resultado una temperatura del fluido de transferencia al menos varios grados por encima de la temperatura de bulbo húmedo predominante.
[0007] El uso de una torre de refrigeración por sí solo es ineficaz en muchos climas ya que las temperaturas de bulbo húmedo no descienden suficientemente, para períodos de tiempo suficientemente largos en verano, para producir un fluido de transferencia de manera útil enfriado. Cuando las diferencias de temperatura son pequeñas, se requieren áreas de superficie muy grandes y caudales muy grandes, lo que requiere una mayor energía para operar la torre de enfriamiento en forma de energía eléctrica/mecánica de alta exergía, generalmente suministrada por generadores eléctricos alimentados por combustibles fósiles u otros generadores eléctricos.
[0008] La otra tecnología utilizada comúnmente, el ciclo de Rankine inverso requiere aún mayor entrada de energía eléctrica/mecánica de alta calidad (alta exergía), para eliminar la energía térmica de baja calidad (baja exergía), lo que resulta en un alto grado de conversión irreversible de energía (pérdida de exergía) que generalmente requiere la
quema de combustibles fósiles o un ciclo de energía nuclear para proporcionar electricidad de manera confiable para la bomba de calor. Existe un deseo generalizado de reducir el uso de estos combustibles en los ciclos energéticos.
[0009] Un objeto de la presente invención es superar al menos algunos de los problemas antes mencionados o proporcionar al público una alternativa útil.
[0010] Cualquier discusión de documentos, actos, materiales, dispositivos, artículos o similares, que se ha incluido en la presente memoria es únicamente con el propósito de proporcionar un contexto para la presente invención. No debe tomarse como una admisión de que parte o la totalidad de la discusión anterior forma parte de la base de la técnica anterior o era de conocimiento general común en el campo de la invención tal como existía antes de la fecha de prioridad de cualquiera de las reivindicaciones de este documento.
RESUMEN DE LA INVENCIÓN
[0011] Según un aspecto, la presente invención proporciona un sistema de refrigeración de fluido que comprende: un volumen de fluido de transferencia de calor realizada en un primer depósito; en donde el volumen de fluido caloportador tiene un área superficial;
medios para permitir o forzar un volumen de aire a través de la superficie;
caracterizado porque el volumen de aire hace que la temperatura de dicho fluido caloportador en el primer tanque baje o se mantenga aproximadamente a la temperatura requerida por medios de evaporación y se convierta en un fluido enfriado; en donde el fluido enfriado se transfiere desde el primer tanque a un intercambiador de calor en un proceso o ubicación; y el fluido enfriado se usa para enfriar la ubicación, absorbiendo calor en el intercambiador de calor; en donde el sistema de refrigeración comprende además un segundo tanque al que se transfiere un fluido de retorno del proceso o ubicación; y en donde la temperatura de bulbo húmedo del volumen de aire es aproximadamente igual o inferior a la temperatura requerida del fluido caloportador suficiente para eliminar la energía térmica del proceso o ubicación.
[0012] En una realización, la temperatura requerida es una temperatura máxima aproximada del fluido más allá del que el fluido es demasiado caliente para provocar una eliminación deseada de la energía térmica del proceso de destino o la ubicación en la misma transferencia. Mientras que el enfriamiento más efectivo puede ocurrir cuando la temperatura del bulbo húmedo es menor que la temperatura requerida del fluido, puede ocurrir algún efecto de enfriamiento leve cuando la temperatura del bulbo húmedo es aproximadamente igual a la temperatura requerida. El término "aproximadamente a una temperatura del fluido caloportador o menor" pretende abarcar cada uno de estos posibles escenarios en los que se producirá un enfriamiento eficaz del fluido.
[0013] En una realización, el volumen de transferencia de calor de fluido se mantiene en un tanque y se permite o fuerza el volumen de aire a través de la superficie superior del cuerpo de líquido en el tanque, en donde enfría el fluido que se requiere en dicho proceso o se transfiere la ubicación desde dicho tanque.
[0014] En una realización alternativa, el volumen de calor fluido de transferencia está en la forma de gotitas mediante el cual cada gotita tiene un área superficial de gotas que forma parte de la superficie del volumen de fluido de transferencia de calor a través de la cual se permite o fuerza el volumen de aire, en donde el fluido enfriado que se requiere en dicho proceso o ubicación se transfiere desde un tanque que recibe las gotas enfriadas.
[0015] La referencia anterior a la recepción de gotitas enfriadas puede ser la recepción directa de las gotitas enfriadas en el tanque o la recepción indirecta de las gotitas en circunstancias en las que, por ejemplo, el tanque es un tanque de almacenamiento al que se transfieren las gotitas enfriadas.
[0016] En una realización, el sistema de refrigeración incluye un solo tanque desde el que el fluido enfriado se transfiere al proceso o ubicación, y en donde se devuelve el fluido calentado desde el proceso o ubicación.
[0017] En una realización, dicho volumen de transferencia de calor del fluido es suficientemente grande de tal manera que la temperatura de dicho fluido no se incrementa por la adición de fluido de retorno desde el proceso o la ubicación en un grado que hace que el fluido ya no es útil en la eliminación de energía térmica de un proceso o ubicación.
[0018] En una realización, el fluido de retorno es recibido en una parte superior del depósito y el fluido enfriado se transfiere desde una parte inferior del depósito a la ubicación o proceso.
[0019] En una realización alternativa, el sistema de refrigeración incluye dos tanques, un primer tanque de depósito desde el que el fluido que se ha enfriado aproximadamente a o por debajo de la temperatura requerida se transfiere al proceso o localización, y un segundo tanque al cual se transfiere el líquido de retorno caliente desde la ubicación o el proceso.
[0020] En una realización, el fluido más caliente se lleva a cabo en el segundo tanque y impedido por un período de tiempo desde la transferencia a y la mezcla con el fluido en el primer depósito con el fin de mantener fluido en el primer tanque en o cerca de dicha temperatura requerida.
[0021] En una realización, el fluido en el segundo tanque es transferido al primer tanque cuando el líquido en el segundo tanque es aproximadamente en o cerca de dicha temperatura requerida.
[0022] En una realización, el fluido calentado que regresa del proceso o localización es recibido en una porción superior del segundo tanque y el fluido enfriado se transfiere desde una porción inferior del segundo depósito a una parte superior del primer tanque.
[0023] En una realización, el segundo depósito incluye un medio para permitir o forzar un volumen de aire a través de la superficie del fluido de transferencia de calor en el segundo tanque, siendo la temperatura de bulbo húmedo del aire aproximadamente igual o menor que una temperatura del fluido caloportador en el segundo tanque para hacer que la temperatura del fluido caloportador en el segundo tanque baje por medios de evaporación.
[0024] En una realización, el sistema incluye, además, un tercer tanque de rebose para retener desbordamiento de cualquier fluido caliente desde el segundo tanque hasta que las condiciones permitan evaporación de refrigeración de líquido en el segundo depósito.
[0025] En una realización, cuando el fluido desde el segundo depósito se transfiere al primer depósito, el fluido del tercer tanque se transfiere al segundo tanque.
[0026] En una realización, cuando la temperatura del fluido en el tercer tanque es comparable a la temperatura requerida se utiliza como una fuente de fluido de compensación para el primer tanque.
[0027] En una realización, la temperatura del fluido en el tercer tanque se baja al permitir o forzar un volumen de aire a través del área de la superficie de líquido en el tercer tanque, siendo la temperatura de bulbo húmedo del aire aproximadamente a o menor que una temperatura del fluido caloportador en el tercer tanque.
[0028] En una realización, el sistema incluye además: un medio de reducir una temperatura de bulbo húmedo del ambiente de aire para producir aire que tiene una temperatura de bulbo húmedo aproximadamente a o menor que la temperatura requerida.
[0029] En una realización, los medios de reducción de la temperatura de bulbo húmedo del aire ambiente es un proceso de deshumidificación que reduce la humedad absoluta del ambiente de aire.
[0030] En una realización, dicho proceso de deshumidificación forma parte de un sistema de tratamiento de aire para el tratamiento de aire antes de entrar en un espacio, en donde el sistema de tratamiento de aire incluye además un proceso de enfriamiento corriente arriba o corriente abajo del proceso de deshumidificación.
[0031] En una realización, el fluido de transferencia de calor bajado o mantenido a aproximadamente dicha temperatura requerida se transfiere al proceso de refrigeración para la eliminación de la energía térmica.
[0032] En una realización, el volumen de aire que se permite o fuerza a través de un área de la superficie del volumen de fluido de transferencia de calor procede del aire de dicho espacio que tiene una temperatura suficientemente baja de bulbo húmedo para hacer que la temperatura del fluido de transferencia de calor baje o se mantenga aproximadamente a dicha temperatura requerida por medios de evaporación.
[0033] En una realización, el espacio es una zona parcialmente cerrada como una casa o Interior del edificio, o un interior de un estadio deportivo o establo para animales. En una realización, el espacio se enfría bombeando fluido enfriado a través de un intercambiador de calor en el espacio. En una realización, el intercambiador de calor es un intercambiador de calor grande, que fluye lentamente, tal como una red de tuberías de refrigeración hidrónica en un suelo, paredes o techo de cada nivel de un edificio.
[0034] En una realización, los medios para forzar el volumen de aire en toda la superficie del volumen de fluido de transferencia de calor está en la forma de uno o más ventiladores de inducción de aire para mover a una velocidad controlada. La velocidad se puede controlar ajustando la velocidad del ventilador o, en el caso de líquido contenido en un tanque, ajustando el volumen cerrado sobre la superficie libre. Al determinar la altura de la superficie libre, la tasa de enfriamiento de cada tanque se puede optimizar mientras se permite que el ventilador funcione con una eficiencia óptima. La tasa de evaporación depende de la velocidad del aire por encima de la superficie libre y esto puede ser calculado por los expertos en la técnica.
[0035] En una realización, el tanque tiene un volumen suficiente para abastecer agua de refrigeración según sea necesario para el proceso o la ubicación de una duración igual a un período más largo esperado en donde el enfriamiento por evaporación será ineficaz debido a temperaturas de bulbo húmedo elevadas.
[0036] En una realización, dicho fluido de transferencia de calor es agua. El costo del agua es extremadamente bajo en comparación con el costo de otros líquidos refrigerantes y está disponible gratuitamente en la superficie de la Tierra. Es totalmente atóxico y tiene una capacidad de almacenamiento de calor específico muy favorable.
[0037] De acuerdo con otro aspecto, la presente invención proporciona un sistema de tratamiento de aire que comprende el sistema de refrigeración de aire anteriormente mencionado.
[0038] En una realización, el volumen de aire que se permite o fuerza a través de un área de la superficie del volumen de fluido de transferencia de calor procede del aire de dicho espacio que tiene una temperatura suficientemente baja de bulbo húmedo para hacer que la temperatura del fluido de transferencia de calor baje o se mantenga aproximadamente a dicha temperatura requerida por medios de evaporación.
[0039] Según otro aspecto, la presente invención proporciona un método o proceso para la refrigeración de fluido que incluye: permitir o forzar un volumen de aire a través de una superficie de área de un volumen de fluido de transferencia de calor, siendo la temperatura de bulbo húmedo del volumen de aire aproximadamente a o menos que una temperatura requerida del fluido de transferencia de calor suficiente para eliminar la energía térmica de un proceso o ubicación, causando el aire que la temperatura de dicho fluido baje o se mantenga aproximadamente a dicha temperatura requerida por medios de evaporación.
[0040] En una realización, el método o proceso incluye además la reducción de una temperatura de bulbo húmedo de un volumen de aire antes de permitirse o forzarse el aire a través de la superficie del volumen del fluido de transferencia de calor, reduciendo de este modo una humedad absoluta del aire sin alterar sustancialmente la temperatura de bulbo seco del aire.
[0041] De acuerdo con otro aspecto, la presente invención proporciona un método o proceso para el tratamiento de aire antes de entrar en un espacio, comprendiendo dicho método o proceso: reducir la humedad absoluta del aire ambiente para producir aire seco; permitir o forzar dicho aire seco a través de un intercambiador de calor para producir aire enfriado, teniendo el intercambiador de calor una entrada de fluido enfriado para enfriar el aire seco eliminando energía térmica por evaporación; permitir o forzar dicho aire seco y enfriado dentro del espacio; y en donde el fluido enfriado se produce permitiendo o forzando un volumen de aire a través de un área superficial de un volumen de fluido de transferencia de calor, siendo la temperatura de bulbo húmedo del aire aproximadamente igual o menor que la temperatura del fluido de transferencia de calor requerida para eliminar energía térmica del aire seco, por lo que el volumen de aire hace que la temperatura de dicho fluido se reduzca o se mantenga aproximadamente a dicha temperatura requerida por medios de evaporación.
[0042] En una realización, el volumen de aire que se permite o fuerza a través de un área de la superficie del volumen de fluido de transferencia de calor procede del aire de dicho espacio que tiene una temperatura suficientemente baja de bulbo húmedo para hacer que la temperatura del fluido de transferencia de calor se baje o mantenga aproximadamente a dicha temperatura requerida por medios de evaporación.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
[0043] Los dibujos adjuntos, que se incorporan en y constituyen una parte de esta especificación, ilustran varias implementaciones de la invención y, junto con la descripción, sirven para explicar las ventajas y principios de la invención. En los dibujos:
La figura 1 es una vista esquemática de un sistema de refrigeración por fluido de un solo tanque según una realización;
La figura 2 es un diagrama de flujo de un sistema de enfriamiento de fluido de un solo tanque que utiliza una torre de agua según una realización;
La figura 3 es una vista esquemática de un sistema de enfriamiento de fluido de doble tanque según una realización;
La figura 4 es un diagrama de flujo de un sistema de refrigeración por fluido de doble tanque que utiliza una torre de agua según una realización;
La figura 5 es una vista esquemática de un sistema de enfriamiento de fluido de tanque doble que incorpora un tanque de almacenamiento según una realización;
La figura 6 ilustra dos gráficos que reflejan los resultados de modelar sistemas de refrigeración de uno o varios tanques de acuerdo con realizaciones de la presente invención; y
La Figura 7 es un diagrama de flujo de un sistema de tratamiento de aire para un espacio, que incluye un medio de deshumidificación y enfriamiento para proporcionar aire seco y enfriado al espacio, y un medio de enfriamiento de fluido de un solo tanque que utiliza una torre de agua para suministrar fluido enfriado a los medios de enfriamiento y que pueden generar aire del espacio.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA(S) REALIZACIÓN(ES) DE LA INVENCIÓN
[0044] La siguiente descripción detallada de la invención se refiere a los dibujos adjuntos.
[0045] Se ha de entender que un sistema de refrigeración y método que incorpora la presente invención se pueden utilizar en un número de diferentes aplicaciones que requieren fluido enfriado o aire para ser proporcionado a una ubicación o un proceso. A modo de ejemplo, aquí se describe el enfriamiento de fluido para uso posterior en un proceso
utilizado para enfriar un espacio en el interior de un edificio. Sin embargo, la presente invención tiene otras aplicaciones, incluida la refrigeración de otras áreas interiores o internas (total o parcialmente cerradas) u otros procesos que incluyen procesos industriales.
[0046] Según un aspecto, la presente invención se refiere a un sistema de refrigeración de fluido 10 que incluye un medio de permitir o forzar un volumen de aire a través del área de la superficie de un volumen de fluido de transferencia de calor, siendo la temperatura de bulbo húmedo del aire aproximadamente a o menos que la temperatura del fluido de transferencia de calor requerida para eliminar la energía térmica de un proceso o ubicación (a la que se hace referencia en este documento como "la temperatura requerida"), por lo que el volumen de aire hace que la temperatura del fluido baje a o se mantenga aproximadamente a la temperatura requerida por medios evaporativos. Como ejemplo, se puede usar al menos un tanque 12 para contener un cuerpo o depósito de fluido 14 de transferencia de calor, como agua, que se puede transferir a una ubicación o proceso 16 con el propósito de proporcionar enfriamiento o remoción de energía térmica cuando el fluido está aproximadamente a la temperatura requerida o menos. La temperatura requerida puede ser, por ejemplo, una temperatura máxima de fluido más allá de la cual el fluido estaría demasiado caliente para tener un efecto de enfriamiento apropiado en la ubicación o proceso.
[0047] Cuando se requiere enfriamiento en un interior de un edificio, por ejemplo, el interior del edificio puede ser enfriado mediante el bombeo de fluido enfriado desde el primer depósito 12 a través de un intercambiador de calor (no mostrado) en el edificio que está en contacto con el aire y/o estructuras conductoras en el interior del edificio. En otras palabras, el fluido enfriado se puede proporcionar al proceso de intercambio de calor utilizado para enfriar el interior del edificio. El intercambiador de calor puede ser, por ejemplo, un intercambiador de calor grande, que fluye lentamente, tal como una red de tubería de enfriamiento hidrónica (no mostrada) en el suelo, paredes o techo de cada nivel del edificio.
[0048] El experto en la técnica apreciaría que cuando un cuerpo de agua acondicionada, ligeramente enfriado está disponible para eliminar energía térmica no deseada de un edificio, cualquier sistema de intercambio de calor apropiado puede ser diseñado de tal manera que la energía térmica no deseada puede ser fácilmente y completamente eliminada del edificio utilizando fluido a temperaturas tan altas como 20°C en la entrada y 22,5°C en la salida del edificio, si la temperatura deseada en el edificio es de 23°C, por ejemplo.
[0049] Un sistema de refrigeración de fluido 10 de acuerdo con una realización que utiliza el tanque mencionado anteriormente 12 se muestra en la Figura 1. El espacio de cabeza 18 en el depósito puede incluir un ventilador 20 u otro medio de permitir o forzar la ventilación de aire, que puede ser la atmósfera ambiente, a través de una superficie 22 del cuerpo de fluido cuando la temperatura de bulbo húmedo de la atmósfera ambiente es menor que la temperatura requerida para eliminar la energía térmica de un proceso o ubicación. Se encontró, durante las pruebas, que para una velocidad de aire forzada o permitida a través de la superficie de un cuerpo de agua de 0,6m/s a Im/s, la temperatura del agua se mantuvo entre 18 y 19 grados Celsius, logrando tasas de enfriamiento de hasta 100 Watts/m 2 de superficie de agua. Esta prueba se realizó a una temperatura ambiente de bulbo seco de 26 a 27 grados Celsius. El sistema 10 puede incluir además tuberías 24 y 26 u otros medios para permitir la transferencia respectiva de fluido enfriado desde el tanque 12 al proceso o ubicación 16, según sea necesario, y fluido calentado desde el proceso o ubicación 16 de regreso al tanque 12.
[0050] En otra realización, el depósito 12 puede ser reemplazado por una torre de agua combinada y el tanque 27 en donde se pulveriza fluido de transferencia de calor (no mostrado) y una corriente de aire es forzada a través de la superficie de las gotitas de calor fluido de transferencia para de ese modo enfriar las gotas, lo que da como resultado un cuerpo o depósito de fluido enfriado recogido en la torre de agua y el tanque 27. La persona experta apreciaría que se apliquen los mismos principios de enfriamiento evaporativo independientemente de si el volumen de fluido de transferencia de calor es un cuerpo de agua en un tanque, o un chorro de gotas en una torre de agua. Un sistema 10 que incorpora una torre de agua y un tanque 27 combinados se muestra en el diagrama de flujo de la figura 2, y esta figura también muestra que el aire se puede procesar (enfriar y secar) antes de entrar en la torre de agua y el tanque 27 combinados, como se describe con más detalle a continuación con respecto a la realización de la figura 6.
[0051] Proporcionar un volumen de aire con una temperatura de bulbo húmedo que es aproximadamente igual o inferior a una temperatura de fluido de transferencia de calor que se requiere para eliminar la energía térmica a partir de una ubicación o proceso, se puede lograr de varias maneras. Por ejemplo, en el ejemplo anterior en donde se fuerza aire a través de un cuerpo de fluido caloportador, el aire puede ser aire ambiente y durante ciertos períodos de un ciclo diurno puede tener naturalmente una temperatura de bulbo húmedo suficientemente baja para permitir un enfriamiento útil. Si se requiere procesar el aire para lograr la temperatura de bulbo húmedo suficientemente baja, un volumen de aire ambiente puede sufrir un proceso de deshumidificación que también reduce la humedad absoluta del aire ambiente sin alterar sustancialmente la temperatura de bulbo seco del aire ambiente. Por ejemplo, el secado de aire ambiente usando la tecnología desecante podrá lograr este resultado, sin embargo, la presente invención no se limita a un medio por el cual el volumen entrante de aire alcanza la temperatura de bulbo húmedo requerida.
[0052] El sistema 10 de acuerdo con cualquiera de las anteriores realizaciones puede incluir un segundo tanque 28 en serie con el primer tanque 12/27, como se muestra en la figura 3. En esta forma de realización, el fluido de retorno 30 a una temperatura de fluido que es mayor que la temperatura requerida del fluido puede ser devuelta desde la
ubicación o proceso 16 al segundo tanque 28. El segundo tanque 28 puede configurarse de manera similar al tanque 12 e incluir un ventilador 20 u otros medios para permitir o forzar la ventilación de la atmósfera ambiental a través de una superficie 22 del cuerpo de fluido en el segundo tanque cuando la temperatura de bulbo húmedo de la atmósfera ambiente es menor que la temperatura de fluido requerida. El fluido en los tanques primero y segundo puede comunicarse a través de tuberías adicionales 32.
[0053] El fluido calentado 30 puede ser mantenido en el segundo tanque 28 y prevenido por un tiempo de ser transferido a y mezclado con fluido de transferencia de calor 14 en el primer tanque 12 para mantener el fluido en el primer tanque a la temperatura del primer fluido o cerca de ella. Cuando la temperatura del fluido en el segundo tanque se reduce o se acerca a la temperatura de fluido requerida mediante el uso de uno o más ventiladores 20 en el segundo tanque 28, el fluido puede transferirse desde el segundo tanque al primer tanque 12.
[0054] La figura 4 ilustra un diagrama de flujo de un sistema de dos tanques cuando el primer tanque es la torre de agua combinada y el tanque 27 descritos anteriormente con respecto a la figura 2. El fluido de retorno 30 a una temperatura del fluido que es más alta que la temperatura requerida del fluido puede ser devuelto desde la ubicación o proceso 16 a un segundo tanque, que aunque puede estar configurado de manera idéntica al segundo tanque 28, se le ha asignado un nuevo número de referencia 33 con el fin de distinguir este segundo tanque, que está asociado con un primer tanque 27 que es una torre de agua y tanque, del segundo tanque 28 que estaba asociado con el primer tanque 12 configurado para contener una masa de agua. El segundo tanque 33 puede estar configurado de manera similar al tanque 12 e incluir un ventilador 20 u otros medios para permitir o forzar la ventilación de la atmósfera ambiental a través de una superficie 22 de un cuerpo de fluido en el segundo tanque 33 cuando una temperatura de bulbo húmedo de la atmósfera ambiente es menor que la temperatura del fluido requerida. Alternativamente, el segundo tanque 33 puede ser una segunda torre de agua y una combinación de tanque similar al tanque 27, o puede ser un tanque de almacenamiento temporal sin ningún medio de enfriamiento de fluido asociado.
[0055] Los sistemas de doble tanque descritos anteriormente pueden incluir, además, un tercer tanque 34, como se muestra en la figura 5. El propósito del tercer tanque puede ser para retener desbordamiento de cualquier fluido caliente 30 desde el segundo tanque de 28/33 hasta que condiciones ambientales permitan el enfriamiento por evaporación del fluido en el segundo tanque 28/33 a la temperatura de fluido requerida. La transferencia de fluido entre el segundo y tercer tanque se realiza a través de la tubería 36, y el fluido del tercer tanque también puede ventilarse a la atmósfera a través de la tubería 38. Cuando la temperatura del fluido en el tercer tanque 36 es comparable a la temperatura requerida del fluido, también puede utilizarse como fuente de fluido de reposición para el primer tanque 12/27 para reponer la masa de agua eliminada del sistema a través del proceso de evaporación. La transferencia de fluido entre los terceros y primeros tanques es a través de la tubería 40.
[0056] La tubería puede estar dispuesta de tal manera que cuando se utiliza agua caliente de cualquier tanque, sale desde una porción superior del tanque donde hay capas más cálidas de agua, y cuando se utiliza agua enfriada, sale de una parte inferior del tanque donde hay capas más frías de agua. Cuando sea necesario, cada tanque puede incluir un sensor de temperatura del fluido, un sensor de temperatura del aire ambiente y un mecanismo de control para controlar el flujo de fluido hacia y desde el tanque (y por lo tanto el volumen en cada tanque). Tal mecanismo de control también puede usarse para controlar los ventiladores y la velocidad del ventilador. Los sensores y los mecanismos de control pueden configurarse además de modo que una lectura de un sensor active el funcionamiento del (de los) mecanismo(s) de control. Por ejemplo, un sensor puede detectar cuando la temperatura de bulbo húmedo del aire está por debajo de la temperatura del fluido requerida y el mecanismo de control puede operar los ventiladores en consecuencia. El destinatario experto también apreciaría que hacer que sean ajustables factores como la velocidad del aire sobre la superficie del fluido y el volumen de fluido dentro del tanque (y por lo tanto el volumen del espacio de cabeza arriba), permite flexibilidad en las diversas configuraciones del tanque para adaptarse a diferentes aplicaciones y entornos.
[0057] En consecuencia, la combinación de mayor temperatura y retención del fluido de retorno en el segundo tanque 28/33 da como resultado que una proporción suficiente de la energía térmica no deseada sea rechazada del fluido, antes de que se devuelva al primer tanque 12/27, o un tercer tanque de retención 34, a una temperatura suficientemente baja de manera que la temperatura del fluido en el primer tanque 12/27 no aumente de manera indeseable. Con la temperatura más alta del fluido en el segundo tanque 28/33, se puede lograr un enfriamiento útil durante más horas continuas durante el horario de verano, de modo que la energía térmica no deseada se pueda rechazar de manera más efectiva, lo que permite el uso de un volumen total de tanques más pequeño de lo que sería de otra manera necesario. Se estima que la adición de un segundo tanque 28/33 puede reducir el volumen total requerido del tanque hasta 20 veces.
[0058] A medida que la temperatura de líquido en el segundo depósito de 28/33 se reduce por evaporación forzada (u otros medios) hasta que está cerca de la temperatura del fluido requerido, y cuando es necesario, el agua de retorno se retiene en un tercer tanque 34 hasta que es comparable a la temperatura del fluido requerida, la temperatura del fluido en el primer tanque 12/27 puede permanecer lo suficientemente baja para proporcionar un enfriamiento útil en todo momento. La temperatura del fluido en el primer tanque 12/27 puede así mantenerse útilmente más baja que si el agua regresara inmediatamente de la fuente de calefacción, aumentando la utilidad y disponibilidad de agua de enfriamiento o reducir sustancialmente el tamaño del tanque requerido para mantener la capacidad de enfriamiento
durante períodos prolongados de verano.
[0059] La figura 6 muestra dos gráficos que resultan de un modelado matemático del sistema 10 cuando se usa un primer tanque 12 solo en comparación con el uso de una combinación de un primer tanque 12 y un segundo tanque 28. El gráfico superior 40 muestra la temperatura del fluido calculada por hora en el primer tanque de un sistema 10 que incluye dos tanques en serie, en comparación con un sistema de un solo tanque de volumen total y área idénticos. A pesar de que cada uno comienza a la misma temperatura (17,8°C), el sistema de tanque único está por encima de 18°C durante gran parte de un período de dos semanas, mientras que el sistema de tanque doble se acerca a 15°C en varias ocasiones. Los datos corresponden a un período de verano caluroso de dos semanas para Adelaide (Australia del Sur) en la primera semana de enero en un año de prueba. Se espera que si los tanques 12 y 28 fueran reemplazados por los tanques 27 y 33 y las pruebas se realizaran en condiciones similares, los datos resultantes serían comparables.
[0060] El segundo gráfico 42 muestra el porcentaje de tiempo que el sistema de doble tanque ejemplar puede suministrar agua de refrigeración por debajo de una temperatura deseada. El enfriamiento no se utiliza cuando el tanque está por debajo de 15°C en cualquier ejemplo.
[0061] En cualquiera de las reivindicaciones que siguen y en el resumen de la invención, excepto cuando el contexto requiere otra cosa para expresar lenguage o implicación necesaria, la palabra "comprende" se usa en el sentido de "que incluye", es decir, las características especificadas pueden estar asociadas con características adicionales en diversas realizaciones de la invención.
Claims (15)
1. Un sistema de refrigeración por fluido (10) que comprende:
un volumen de fluido caloportador (14) contenido en un primer tanque (12); en donde el volumen de fluido caloportador (14) tiene un área superficial (22);
medios (20) para permitir o forzar un volumen de aire a través del área superficial (22);
caracterizado porque el volumen de aire hace que la temperatura de dicho fluido caloportador (14) en el primer tanque (12) baje o se mantenga aproximadamente a la temperatura requerida por medios evaporativos y se convierta en un fluido enfriado;
en donde el fluido enfriado se transfiere desde el primer tanque (12) a un intercambiador de calor en un proceso o ubicación (16); y el fluido enfriado se usa para enfriar la ubicación, absorbiendo calor en el intercambiador de calor (16);
en donde el sistema de refrigeración comprende además un segundo tanque (28) al que se transfiere un fluido de retorno (30) desde el proceso o ubicación (16); y
en donde la temperatura de bulbo húmedo del volumen de aire es aproximadamente igual o inferior a la temperatura requerida del fluido de transferencia de calor (14) suficiente para eliminar la energía térmica del proceso o ubicación (16).
2. El sistema de refrigeración por fluido de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el volumen de fluido caloportador (14) está en forma de gotitas por lo que cada gotita tiene un área de superficie de gotita que forma parte del área superficial del volumen de fluido caloportador (14) a través del cual se permite o fuerza el volumen de aire, en donde el fluido enfriado que se requiere en dicho proceso o lugar (16) es transferido desde el primer tanque (12) que recibe las gotitas enfriadas.
3. El sistema de refrigeración por fluido de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el fluido de retorno (30) se mantiene en el segundo tanque (28) y se evita durante un período de tiempo que se transfiera y se mezcle con el fluido caloportador en el primer tanque de modo que se mantenga el fluido caloportador (14) en el primer tanque (12) en o cerca de dicha temperatura requerida.
4. El sistema de refrigeración por fluido de acuerdo con la reivindicación 3, en donde el fluido de retorno (30) en el segundo tanque (28) se transfiere al primer tanque (12) cuando el fluido de retorno (30) en el segundo tanque (28) es aproximadamente en o cerca de la temperatura requerida.
5. El sistema de enfriamiento de fluido de acuerdo con la reivindicación 4, en donde el fluido de retorno (30) que regresa del proceso o la ubicación (16) se recibe en una parte superior del segundo tanque (28) y el fluido enfriado se transfiere desde una parte inferior del segundo tanque (28) a una parte superior del primer tanque (12).
6. El sistema de refrigeración por fluido según las reivindicaciones 4 o 5, en donde el segundo tanque (28) incluye un medio (20) para permitir o forzar un volumen de aire a través del área de la superficie del fluido de retorno (30) en el segundo tanque (28), siendo la temperatura de bulbo húmedo del aire aproximadamente igual o menor que la temperatura del fluido de retorno (30) en el segundo tanque (28) para hacer que la temperatura del fluido de retorno (30) en el segundo tanque (28) se baje por medios evaporativos.
7. El sistema de enfriamiento por fluido de acuerdo con la reivindicación 6, que comprende además un tercer tanque de rebose (34) para retener el rebose del fluido de retorno (30) del segundo tanque (28) hasta que las condiciones permitan el enfriamiento evaporativo del fluido de retorno (30) en el segundo tanque (28).
8. El sistema de refrigeración por fluido según la reivindicación 6, en donde cuando el fluido de retorno (30) del segundo tanque (28) se transfiere al primer tanque (12) y el fluido del tercer tanque (34) se transfiere al segundo tanque (28).
9. El sistema de refrigeración por fluido de acuerdo con la reivindicación 8, en donde cuando la temperatura del fluido en el tercer tanque (34) es comparable a la temperatura requerida, el fluido en el tercer tanque (34) se usa como fuente de fluido de reposición para el primer tanque (12).
10. El sistema de refrigeración por fluido de acuerdo con la reivindicación 9, en donde la temperatura del fluido en el tercer tanque (34) se reduce permitiendo o forzando un volumen de aire a través de una superficie de fluido en el tercer tanque (34), siendo la temperatura del bulbo húmedo del aire aproximadamente igual a la temperatura del fluido en el tercer tanque (34) o por debajo de ella.
11. Un sistema de refrigeración por fluido de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además:
un medio para reducir la temperatura de bulbo húmedo del aire ambiente para producir aire que tiene una temperatura de bulbo húmedo aproximadamente igual o inferior a la temperatura requerida, en donde el medio para reducir la temperatura del bulbo húmedo del aire ambiente es un proceso de deshumidificación que reduce la humedad absoluta del aire ambiente.
12. Un sistema de enfriamiento por fluido de acuerdo con la reivindicación 11, en donde dicho proceso de deshumidificación forma parte de un sistema de tratamiento de aire para tratar el aire antes de entrar en un espacio, en donde el sistema de tratamiento de aire incluye además un proceso de enfriamiento corriente arriba o corriente abajo del proceso de deshumidificación.
13. Un sistema de refrigeración por fluido de acuerdo con la reivindicación 12, en donde el espacio es un área parcialmente cerrada tal como el interior de una casa o edificio, o el interior de un estadio deportivo o establo para animales; y en donde el fluido de transferencia de calor bajado o mantenido a aproximadamente dicha temperatura requerida se transfiere al proceso de enfriamiento para eliminar la energía térmica, o
en donde el volumen de aire que se permite o se fuerza a través de un área de superficie del volumen de fluido de transferencia de calor se obtiene de aire desde el espacio que tiene una temperatura de bulbo húmedo suficientemente baja para hacer que la temperatura del fluido caloportador se reduzca o se mantenga aproximadamente a dicha temperatura requerida por medios de evaporación.
14. Un sistema de refrigeración por fluido según la reivindicación 1, en donde los medios para forzar el volumen de aire a través del área superficial del volumen de fluido caloportador tienen la forma de uno o más ventiladores que inducen el movimiento del aire a una velocidad controlada; o
en donde el primer tanque tiene un volumen suficiente para suministrar agua de enfriamiento según se requiera para el proceso o ubicación durante un período igual al período esperado más largo en donde el enfriamiento por evaporación será ineficaz debido a temperaturas elevadas de bulbo húmedo y en donde el fluido de transferencia de calor es agua.
15. Un método o proceso para tratar el aire antes de entrar en un espacio, incluyendo dicho método o proceso:
reducir la humedad absoluta del aire ambiental para producir aire seco;
permitir o forzar dicho aire seco a través de un intercambiador de calor para producir aire enfriado, teniendo el intercambiador de calor una entrada de fluido enfriado para enfriar el aire seco eliminando energía térmica por evaporación;
permitir o forzar dicho aire seco y enfriado dentro del espacio;
y en donde el fluido enfriado se produce permitiendo o forzando un volumen de aire a través de un área superficial de un volumen de fluido de transferencia de calor, siendo la temperatura de bulbo húmedo del aire aproximadamente igual o menor que la temperatura del fluido de transferencia de calor requerida para eliminar energía térmica del aire seco,
por lo que el volumen de aire hace que la temperatura de dicho fluido se reduzca o se mantenga aproximadamente a dicha temperatura requerida por medios de evaporación y; en donde el volumen de aire que se permite o se fuerza a través de un área superficial del volumen de fluido de transferencia de calor es aire procedente de dicho espacio que tiene una temperatura de bulbo húmedo suficientemente baja para hacer que la temperatura del fluido de transferencia de calor se reduzca o se mantenga en aproximadamente dicha temperatura requerida por medio de evaporación.
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