ES2883599T3 - Intercambiador de calor de succión de líquido interno - Google Patents

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Abstract

Un sistema de refrigeración que comprende: un compresor (12); un condensador (16) acoplado de forma fluida al compresor; un evaporador (22) que tiene una entrada y una salida, el evaporador acoplado de forma fluida entre el condensador y el compresor; un intercambiador de calor de succión de líquido (18) acoplado de forma fluida entre el condensador (16) y el evaporador (22), el intercambiador de calor de succión de líquido dispuesto dentro del evaporador para intercambiar calor entre el refrigerante líquido del condensador y el vapor de refrigerante en el evaporador; un sensor de sobrecalentamiento (44) dispuesto en la salida del evaporador; y una válvula de expansión (20) dispuesta entre el intercambiador de calor de succión de líquido (18) y el evaporador (22), en donde la válvula de expansión está acoplada operativamente al sensor de sobrecalentamiento.

Description

DESCRIPCIÓN
Intercambiador de calor de succión de líquido interno
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La materia objeto desvelada en el presente documento se refiere a un sistema de refrigeración.
ANTECEDENTES
Los compresores se emplean habitualmente para hacer circular un refrigerante a través de un ciclo de refrigeración en un sistema de refrigeración. Un uso particular del compresor es en un sistema de refrigeración conocido habitualmente como refrigerador. Además del compresor, el refrigerador típico también incluye un condensador, un evaporador o enfriador y, en algunas aplicaciones, un separador de aceite-refrigerante. Estos componentes están conectados entre sí mediante un tubo que hace circular el refrigerante a través del sistema. El evaporador incluye habitualmente una pluralidad de tubos que hacen circular agua, que se enfría mediante un refrigerante que se evapora, y el agua enfriada se hace circular en un circuito cerrado a otro intercambiador de calor o serpentín de enfriamiento. En el serpentín de enfriamiento, el aire circulante del edificio o el proceso se dirige a través del serpentín de enfriamiento mediante un ventilador para retirar calor del aire circulante.
Con la adopción de refrigerantes de bajo potencial de calentamiento global (GWP), las características de los ciclos de refrigerante pueden dar como resultado un sobrecalentamiento de descarga inferior. Debido al sobrecalentamiento de descarga inferior, el aceite puede no separarse eficazmente del gas de descarga en el separador de aceite. Esto puede causar una circulación de aceite excesiva, formación de espuma de aceite en el evaporador y/o pérdida de rendimiento. Además, un refrigerante puede contener partículas líquidas atomizadas residuales (arrastre) al final de una etapa de intercambio térmico (principalmente debido al un bajo sobrecalentamiento del vapor y a las altas velocidades de salida de vapor), que pueden dañar los componentes corriente abajo del intercambiador de calor o dar como resultado problemas operativos. Además, algunos sistemas conocidos tienen poca versatilidad en respuesta a los cambios en la temperatura del fluido y los requisitos de caudal corriente abajo. Por consiguiente, es deseable proporcionar un sistema que supere los inconvenientes mencionados anteriormente.
El documento de Patente US 2010/0132927 A1 desvela un evaporador de tipo "inundado" para uso en un sistema de refrigeración. El evaporador está acoplado de forma fluida entre el condensador y el compresor y está provisto de una unidad de sobrecalentamiento. La unidad de sobrecalentamiento está dispuesta dentro del evaporador y acoplada de manera fluida entre el condensador y el evaporador.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
En un aspecto, se proporciona un sistema de refrigeración que comprende: un compresor; un condensador acoplado de forma fluida al compresor; un evaporador que tiene una entrada y una salida, el evaporador acoplado de forma fluida entre el condensador y el compresor; un intercambiador de calor de succión de líquido acoplado de forma fluida entre el condensador y el evaporador, el intercambiador de calor de succión de líquido dispuesto dentro del evaporador para intercambio de calor entre el refrigerante líquido del condensador y el vapor de refrigerante en el evaporador; un sensor de sobrecalentamiento dispuesto en la salida del evaporador; y una válvula de expansión dispuesta entre el intercambiador de calor de succión de líquido y el evaporador, en donde la válvula de expansión está acoplada operativamente al sensor de sobrecalentamiento. Un sistema de refrigeración de acuerdo con la invención se define mediante la reivindicación 1.
En otro aspecto, se proporciona un método para aumentar el sobrecalentamiento de succión en un sistema de refrigeración que tiene un compresor, un condensador, un evaporador y un intercambiador de calor de succión de líquido dispuesto en el evaporador, comprendiendo el método: suministrar refrigerante líquido desde el condensador al intercambiador de calor de succión de líquido; enfriar el refrigerante líquido en el intercambiador de calor de succión de líquido frente al vapor de refrigerante en el evaporador; suministrar el refrigerante líquido enfriado al evaporador; vaporizar y sobrecalentar el refrigerante líquido enfriado en vapor de refrigerante; aumentar el sobrecalentamiento del vapor de refrigerante mediante intercambio de calor con el refrigerante líquido en el intercambiador de calor de succión de líquido; y suministrar el vapor de refrigerante al compresor; comprendiendo además medir el diferencial de temperatura de sobrecalentamiento con respecto a la temperatura de saturación del vapor de refrigerante que pasa a través de una salida del evaporador; y controlar una válvula de expansión basándose en el sobrecalentamiento medido, la válvula de expansión dispuesta entre el intercambiador de calor de succión de líquido y el evaporador. Un método para aumentar el sobrecalentamiento de succión en un sistema de refrigeración de acuerdo con la invención se define mediante la reivindicación 7.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La materia objeto que se considera la invención se señala particularmente y se reivindica claramente en las reivindicaciones al final de la memoria descriptiva. Lo expuesto anteriormente y otras características y ventajas de la invención son evidentes a partir de la siguiente descripción detallada tomada en conjunto con los dibujos adjuntos, en los que:
la Figura 1 es una ilustración esquemática de un sistema de refrigeración a modo de ejemplo;
la Figura 2 es una vista en sección transversal de un evaporador inundado a modo de ejemplo que puede usarse con el sistema de refrigeración mostrado en la Figura 1; y
la Figura 3 es una vista en perspectiva de otro evaporador inundado a modo de ejemplo que puede usarse con el sistema de refrigeración mostrado en la Figura 1.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
En el presente documento se describe un evaporador o refrigerador que incluye un intercambiador de calor de succión de líquido instalado en el interior del evaporador. El intercambiador de calor de succión de líquido aumenta el sobrecalentamiento de succión, por transferencia de calor desde el refrigerante líquido que abandona el condensador al gas de refrigerante existente en el intercambiador de calor del evaporador, aumentando de ese modo la eficacia y capacidad del sistema. La transferencia de calor del gas de refrigerante que abandona el evaporador al refrigerante líquido es una mejora de ciclo que se usa para mejorar el rendimiento de un sistema de refrigeración así como para añadir sobrecalentamiento adicional al gas de succión para permitir mejor control de los dispositivos de control de flujo de refrigerante (por ejemplo, válvulas de expansión).
La Figura 1 ilustra un sistema de refrigeración 10 a modo de ejemplo que incluye en términos generales un compresor 12, un separador de aceite 14, un condensador 16, un intercambiador de calor de succión de líquido 18, una válvula de expansión 20, y un evaporador 22. En la realización a modo de ejemplo, el compresor 12 es un compresor de tornillo y el evaporador 22 es un evaporador de tipo inundado. Sin embargo, el compresor 12 puede ser cualquier tipo de compresor adecuado (por ejemplo, centrífugo), y el evaporador 22 puede ser cualquier evaporador adecuado que permita que el sistema 10 funcione como se describe en el presente documento. Además, el sistema 10 puede no requerir separador de aceite 14.
El sistema de refrigeración 10 es un sistema de circuito cerrado a través del que se hace circular refrigerante en diversos estados tales como líquido y vapor. Como tal, se introduce un gas sobrecalentado de baja temperatura y baja presión en el compresor 12 a través de un conducto 24 desde el evaporador 22. El refrigerante se comprime y el gas sobrecalentado de alta temperatura y alta presión se descarga del compresor 12 al condensador 16 a través de un conducto 26. El separador de aceite 14 está situado en la línea 26 entre el compresor 12 y el condensador 16 y separa el lubricante de compresor del refrigerante antes de suministrar el refrigerante al condensador 16.
En el condensador 16, se condensa refrigerante gaseoso en líquido a medida que cede calor. El refrigerante gaseoso sobrecalentado entra en el condensador 16 y se desobrecalienta, condensa, y subenfría a través de un proceso de intercambio de calor, por ejemplo, con agua que fluye a través del condensador 16 para absorber calor. Sin embargo, el condensador 16 puede enfriarse con aire o enfriarse de forma evaporativa. El refrigerante líquido se descarga del condensador 16 y se suministra a través de un conducto 28 a un intercambiador de calor de succión de líquido 18.
En la realización a modo de ejemplo, el intercambiador de calor de succión de líquido 18 es un serpentín de tubo con aletas situado dentro del evaporador 22. Sin embargo, el intercambiador de calor 18 puede ser cualquier tipo adecuado de intercambiador de calor que permita que el sistema 10 funcione como se describe en el presente documento. Como tal, se elimina un alojamiento externo separado para contener el vapor de refrigerante que abandona el evaporador que se usa con los intercambiadores de calor de succión de líquido externos convencionales. El refrigerante líquido se enfría en el intercambiador de calor 18 frente a refrigerante vaporizado y/o vaporizante en el evaporador 22 y posteriormente se suministra al evaporador 22 a través del conducto 30. El refrigerante líquido enfriado pasa a través de un dispositivo de dosificación o válvula de expansión 20, que convierte el líquido subenfriado de alta presión y temperatura relativamente alta en una mezcla de líquido-vapor saturada de baja temperatura.
La mezcla saturada de refrigerante líquido-vapor de baja temperatura entra a continuación en el evaporador 22, donde ebulle y cambia de estado a un gas sobrecalentado a medida que absorbe el calor de vaporización requerido del agua enfriada (u otro fluido) suministrada a través del haz de tubos 32. El gas sobrecalentado de baja presión pasa a continuación en relación de intercambio de calor con el intercambiador de calor 18, donde se calienta adicionalmente para aumentar el sobrecalentamiento del gas y vaporizar cualquier gota de líquido residual que pueda pasar por el haz de tubos 32. El gas sobrecalentado se mueve a la entrada del compresor 12 y se repite el ciclo. El agua enfriada se hace circular a continuación a través de un sistema de distribución (no mostrado) para enfriar serpentines para proporcionar aire acondicionado, o para otros fines.
Por referencia a la Figura 2, el evaporador 22 incluye una cubierta de vaso de presión 34 que tiene una entrada 36 y una salida o boquilla de succión 38. El haz de tubos 32 incluye una pluralidad de tubos 40 situados para intercambio de calor con el refrigerante que entra en el sistema de distribución de evaporador o entrada 36. El intercambiador de calor de succión de líquido 18 está situado en el interior del vaso de presión 34 por encima del haz de tubos 32 tal como mediante soportes 42. Sin embargo, el intercambiador de calor 18 puede asegurarse al interior del vaso de presión 34 mediante cualquier medio adecuado (por ejemplo, un sistema de fijación). El intercambiar de calor 18 puede estar orientado en cualquier posición adecuada con respecto al haz de tubos 32 de modo que la totalidad o parte del gas de succión que pasa por el haz 32 pase por el intercambiador de calor 18. Por ejemplo, el intercambiador de calor 18 puede formar un ángulo con respecto al haz de tubos 32. Además, el intercambiador de calor de succión de líquido 18 puede comprender uno o más intercambiadores de calor distintos. El intercambiador de calor 18 incluye al menos un tubo con aletas configurado para recibir refrigerante líquido del condensador 16 para intercambio de calor con el vapor de refrigerante que pasa desde el haz de tubos 32 a la salida del evaporador 38. Sin embargo, pueden usarse otras configuraciones de intercambiador de calor.
Además, puede situarse un sensor de temperatura 44 (por ejemplo, un sensor de sobrecalentamiento) dentro de la boquilla de succión 38 para medir la temperatura del gas de succión, que a continuación puede usarse para calcular el sobrecalentamiento sobre la temperatura de saturación del refrigerante, que puede medirse con un sensor de presión o temperatura situado en el sistema 10. Tales mediciones pueden usarse para controlar una válvula de expansión 20. De ese modo, el sistema 10 puede eliminar finalmente la necesidad de sensores de nivel de líquido caros o software o algoritmos complicados, y puede usarse un control de sobrecalentamiento de succión sencillo. El intercambiador de calor 18 también puede vaporizar cualquier cantidad residual de refrigerante líquido que pase por el haz de tubos 32, que en ese caso permite un mejor uso de las superficies de transferencia de calor del haz 32.
Un método para aumentar el sobrecalentamiento de succión en un sistema de refrigeración 10 incluye suministrar refrigerante líquido de un condensador 16 a un intercambiador de calor de succión de líquido 18, enfriar el refrigerante líquido en el intercambiador de calor de succión de líquido 18 frente a vapor de refrigerante en el evaporador 22, y suministrar el refrigerante líquido enfriado al evaporador 22. El refrigerante líquido enfriado se vaporiza posteriormente en vapor de refrigerante, y se aumenta el sobrecalentamiento del vapor de refrigerante a través de intercambio de calor con el refrigerante líquido en el intercambiador de calor de succión de líquido 18. El vapor de refrigerante se suministra a continuación al compresor 12.
La Figura 3 ilustra otra realización a modo de ejemplo del evaporador 22, que incluye un vaso de presión 134 que tiene una entrada 136 y una salida o boquilla de succión 138. Un haz de tubos 132 incluye una pluralidad de tubos acoplados de forma fluida a una entrada de fluido 141 (por ejemplo, entrada de agua) y una salida de fluido 143 y situados para intercambio de calor con refrigerante que entra en la entrada de evaporador 136.
Un intercambiador de calor de succión de líquido 118 está situado en el interior del vaso de presión 134 por encima del haz de tubos 132 tal como mediante soportes (no mostrados). El intercambiador de calor 118 incluye en términos generales una entrada 146, una salida 148, y una pluralidad de tubos con aletas 150 acoplados de forma fluida entre cabezales 152 y 154. El intercambiador de calor 118 puede estar orientado en cualquier posición adecuada con respecto al haz de tubos 132. Por ejemplo, el intercambiador de calor 118 puede formar ángulo con respecto al haz de tubos 132. Además, el intercambiador de calor de succión de líquido 118 puede comprender uno o más intercambiadores de calor distintos.
Como tal, el sistema 10 mejora la capacidad, eficacia y fiabilidad de ciclo de refrigerante generales del compresor 12. El sistema 10 también mejora la capacidad de separar aceite del gas de refrigerante que abandona el compresor en sistemas que tienen separador de aceite. La ubicación del intercambiador de calor de succión de líquido en el interior del evaporador usa de forma eficaz el espacio dentro del evaporador 22 y elimina la necesidad de un vaso de presión separado que contenga el intercambiador de calor de succión de líquido. Además, el sistema 10 proporciona un evaporador inundado 22 en un sistema con compresores recíprocos, de tornillo, centrífugos o en espiral, y proporciona un evaporador 22 que es eficiente y eficaz en uso. El sistema 10 también aumenta el sobrecalentamiento de descarga del compresor, que da como resultado mejor eficacia de separación de aceite y mayores viscosidades que son necesarias para la lubricación apropiada del compresor. La eficacia y capacidad de ciclo mejora, y el sistema 10 tiene menor arrastre de líquido y mejor rendimiento del enfriador, así como mayor vida útil del compresor.
Además, el sistema de refrigeración descrito ayuda al intercambiador de calor de succión de líquido a transferir calor desde el gas de succión al refrigerante líquido que abandona el condensador para mejorar la eficacia del refrigerador. El enfriamiento añadido al refrigerante líquido mejora el subenfriamiento del refrigerante, que mejora la eficacia general del refrigerante. Además, el calor añadido al gas de succión da como resultado cierto sobrecalentamiento del gas de succión, que protege al compresor de arrastre de líquido. El sobrecalentamiento añadido al gas de succión también permite mejor control de la válvula de expansión que se usa para regular el flujo de refrigerante al evaporador y puede realizarse con un sensor de temperatura de sobrecalentamiento de succión de bajo coste.
Los sistemas y el método descritos en el presente documento proporcionan un intercambiador de calor de succión de líquido situado dentro de un refrigerador por encima de su haz de tubos. El refrigerante líquido del condensador se envía a través del intercambiador de calor de succión de líquido para intercambiar calor entre el refrigerante líquido y el vapor de refrigerante de succión. De ese modo, el refrigerante líquido caliente del condensador se enfría adicionalmente mediante el vapor de succión, lo que aumenta el subenfriamiento del líquido y el rendimiento del ciclo. Al mismo tiempo, el gas de succión se calienta mediante el líquido, dando como resultado un aumento de eliminación de sobrecalentamiento de succión de arrastre de líquido y de rendimiento del separador de aceite. Como tal, el montaje del evaporador y el intercambiador de calor de succión de líquido aumenta el rendimiento del sistema con refrigerantes tales como, por ejemplo, refrigerantes de bajo GWP.
Aunque la invención se ha descrito con detalle solo en relación con un número limitado de realizaciones, debería entenderse fácilmente que la invención no se limita a dichas realizaciones desveladas. Aunque se han descrito diversas realizaciones de la invención, se ha de entender que los aspectos de la invención pueden incluir solo algunas de las realizaciones descritas. Por consiguiente, la invención no debe considerarse limitada por la descripción precedente, sino que solo está limitada por el alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (7)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de refrigeración que comprende:
un compresor (12);
un condensador (16) acoplado de forma fluida al compresor;
un evaporador (22) que tiene una entrada y una salida, el evaporador acoplado de forma fluida entre el condensador y el compresor;
un intercambiador de calor de succión de líquido (18) acoplado de forma fluida entre el condensador (16) y el evaporador (22), el intercambiador de calor de succión de líquido dispuesto dentro del evaporador para intercambiar calor entre el refrigerante líquido del condensador y el vapor de refrigerante en el evaporador;
un sensor de sobrecalentamiento (44) dispuesto en la salida del evaporador; y
una válvula de expansión (20) dispuesta entre el intercambiador de calor de succión de líquido (18) y el evaporador (22), en donde la válvula de expansión está acoplada operativamente al sensor de sobrecalentamiento.
2. El sistema de refrigeración de la reivindicación 1, que comprende además un separador de aceite (14) dispuesto entre el compresor (12) y el condensador (16).
3. El sistema de refrigeración de la reivindicación 1, en donde el intercambiador de calor de succión de líquido (18) comprende al menos un tubo con aletas.
4. El sistema de refrigeración de la reivindicación 1, que comprende además un haz de tubos (32) dispuesto dentro del evaporador (22), el haz de tubos configurado para recibir un fluido para intercambiar calor con el refrigerante en el evaporador.
5. El sistema de refrigeración de la reivindicación 4, en donde el intercambiador de calor de succión de líquido (18) está dispuesto entre el haz de tubos (32) y la salida del evaporador.
6. El sistema de refrigeración de la reivindicación 1, en donde el evaporador es un evaporador de tipo inundado o un evaporador de tipo película descendente.
7. Un método para aumentar el sobrecalentamiento de succión en un sistema de refrigeración que tiene un compresor (12), un condensador (16), un evaporador (22), y un intercambiador de calor de succión de líquido (18) dispuesto en el evaporador, comprendiendo el método:
suministrar refrigerante líquido del condensador (16) al intercambiador de calor de succión de líquido (18); enfriar el refrigerante líquido en el intercambiador de calor de succión de líquido frente al vapor de refrigerante en el evaporador (22);
suministrar el refrigerante líquido enfriado al evaporador;
vaporizar y sobrecalentar el refrigerante líquido enfriado en el vapor de refrigerante;
aumentar el sobrecalentamiento del vapor de refrigerante a través de intercambio de calor con el refrigerante líquido en el intercambiador de calor de succión de líquido (18); y
suministrar el vapor de refrigerante al compresor;
comprendiendo además medir el diferencial de temperatura de sobrecalentamiento con respecto a la temperatura de saturación del vapor de refrigerante que pasa a través de una salida del evaporador; y
controlar una válvula de expansión (20) basándose en el sobrecalentamiento medido, la válvula de expansión dispuesta entre el intercambiador de calor de succión de líquido y el evaporador.
ES15784520T 2014-10-09 2015-10-06 Intercambiador de calor de succión de líquido interno Active ES2883599T3 (es)

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