ES2901458T3 - Dispositivo y método de refrigeración - Google Patents

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Abstract

Dispositivo de refrigeración a baja temperatura comprendida entre -100 °C y -273 °C que comprende un circuito de trabajo (10) que contiene un fluido de trabajo, teniendo el dispositivo por objetivo extraer calor de al menos un órgano (15) mediante el intercambio de calor con el fluido de trabajo que circula en el circuito de trabajo (10), comprendiendo el circuito de trabajo (10) en serie un mecanismo de compresión (13) del fluido preferiblemente isoentrópico o casi isoentrópico, un mecanismo de enfriamiento del fluido preferiblemente isobárico o casi isobárico, un mecanismo de expansión (8) del fluido preferiblemente isoentrópico o casi isoentrópico, y un mecanismo de calentamiento (9, 6) del fluido preferiblemente isobárico o casi isobárico, en el que el mecanismo de compresión (13, 4) es del tipo de compresión centrífuga y se compone de dos etapas de compresión (13, 4) respectivamente una primera etapa de compresión (13) y una segunda etapa de compresión (4) dispuestas en serie en el circuito (10), es decir, el dispositivo tiene únicamente dos compresores (13, 4) que constituyen cada uno una de las dos etapas de compresión, comprendiendo el dispositivo únicamente dos motores eléctricos de accionamiento (2, 7) de las dos etapas de compresión (13, 4) respectivamente, estando el mecanismo de expansión constituido por una turbina (8) acoplada al motor (2) de una de las etapas de compresión (13, 4), es decir, que el dispositivo tiene una sola turbina (8) que constituye el mecanismo de expansión, caracterizado por que la turbina (8) del mecanismo de expansión se acopla al motor de accionamiento (2) de la primera etapa de compresión.

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo y método de refrigeración
La invención se refiere a un dispositivo y un método de refrigeración a baja temperatura.
La invención se refiere más particularmente a un dispositivo de refrigeración a baja temperatura comprendida entre -100 °C y -273 °C que comprende un circuito de trabajo que contiene un fluido de trabajo, teniendo el dispositivo por objetivo extraer calor de al menos un órgano mediante el intercambio de calor con el fluido de trabajo que circula en el circuito de trabajo, comprendiendo el circuito de trabajo en serie: un mecanismo de compresión del fluido preferiblemente isoentrópico o casi isoentrópico, un mecanismo de enfriamiento del fluido preferiblemente isobárico o casi isobárico, un mecanismo de expansión del fluido preferiblemente isoentrópico o casi isoentrópico y un mecanismo de calentamiento del fluido preferiblemente isobárico o casi isobárico, donde el mecanismo de compresión es del tipo de compresión centrífuga y se compone de dos etapas de compresión, respectivamente una primera etapa de compresión y una segunda etapa de compresión dispuestas en serie en el circuito, comprendiendo el dispositivo dos motores eléctricos de accionamiento respectivos de las dos etapas de compresión, estando el mecanismo de expansión constituido por una turbina acoplada al motor de una de las etapas de compresión
La invención se refiere en particular a los refrigeradores denominados de ciclo "Turbo Brayton'' o "refrigeradores Turbo Brayton".
La invención se refiere en particular a los refrigeradores criogénicos, es decir, que alcanzan temperaturas por debajo o iguales a -100 °C o 173 K (por ejemplo, en particular entre -100 °C y -273 °C).
El documento JP3928230B2 describe un refrigerador del tipo Turbo-Brayton que utiliza un motor de alta velocidad, una turbina y un compresor situados respectivamente en los dos extremos de su eje de transmisión.
Para mejorar el rendimiento energético de un refrigerador una solución consiste en utilizar un compresor o compresores centrífugos con buenos rendimientos. Un compresor centrífugo alcanza un buen rendimiento si su velocidad específica es igual o cercana al valor óptimo. Habiendo sido el valor óptimo determinado de forma experimental por el experto en la técnica mediante la recopilación de mediciones de rendimiento de una multitud de compresores centrífugos con diferentes velocidades específicas. Este es normalmente de 0,75 cuando se calcula con el sistema de unidades definido a continuación.
Si esta velocidad específica es superior o inferior al valor óptimo, el rendimiento es inferior. La velocidad específica ws de un compresor centrífugo se define mediante la siguiente fórmula: ws = w Q 05/Ahs075
En la que w es la velocidad de rotación del compresor en radianes por segundo, Q es el caudal volumétrico en la entrada del compresor en m3/s y Ahs es el incremento de entalpía a través de la etapa de compresión (en J/kg) considerando que la compresión es isoentrópica.
En la figura 1 se ilustra un dispositivo conocido. Un único motor 2 acciona un compresor 13 y una turbina 8. Los inventores han comprobado que este tipo de dispositivo no permite hacer funcionar el compresor a una buena velocidad específica. De hecho, el bajo volumen de caudal volumétrico inherente a esta arquitectura da lugar a una velocidad específica baja en comparación con el valor óptimo.
Otra solución conocida, ilustrada en la figura 2, consiste en utilizar un segundo motor 7 con un compresor centrífugo en uno de sus extremos y colocar esta máquina aguas arriba del compresor 13 ya existente.
Dado que existe una variación óptima de entalpía global Ahs con respecto al refrigerador, ésta no se modifica con respecto al estado de la técnica. Esta nueva arquitectura permite repartir el incremento global de entalpía Ahs entre las dos etapas de compresión 4, 13 y, por consiguiente, permite reducir el incremento de entalpía Ahs de una etapa y aumentar la velocidad específica de las etapas de compresión 4, 13 para acercarse a la velocidad específica óptima de cada compresor.
Sin embargo, los inventores han descubierto que, en la práctica, esta mejora sólo beneficia a la primera etapa de compresión 4. De hecho, si la primera etapa de compresión 4 funciona a la velocidad específica óptima, la segunda etapa de compresión 13 funcionará a una velocidad específica normalmente dos veces inferior a la velocidad específica óptima. Esto tiene un impacto en el rendimiento de esta etapa (normalmente menos diez puntos de rendimiento) y, por consiguiente, tiene un fuerte impacto en el rendimiento global del refrigerador.
Esto se puede demostrar en el siguiente ejemplo numérico (donde se supone que la potencia mecánica y la velocidad de rotación de los dos motores 2, 7 son idénticas).
En este ejemplo, la potencia mecánica P2 de la segunda etapa de compresión 13 es igual al 150 % de la potencia mecánica P1 de la primera etapa de compresión 4 debido a la presencia de la turbina 8 que asiste al segundo motor 2 normalmente hasta el 50% de la potencia del motor. Dado que la potencia mecánica de un compresor centrífugo P es igual al producto del caudal másico m por el incremento de entalpía Ah (P=m-Ah) y el caudal másico de las dos etapas de compresión es idéntico, entonces el incremento de entalpía de la segunda etapa de compresión Ah2 es igual al 150 % del incremento de entalpía de la primera etapa de compresión: Ah2 = 150 % Ah1.
Ah es el incremento real (medido) de la entalpía a través de la etapa de compresión (en J/kg) (es decir, la compresión no es necesariamente isoentrópica).
Si, además, se supone que los rendimientos de las dos etapas de compresión son idénticos, entonces Ahs2 = 150 % Ahs1.
El caudal volumétrico Q2 de la segunda etapa de compresión 13 es igual al 56 % del caudal volumétrico Q1 de la primera etapa de compresión por el hecho de que la relación de compresión es normalmente 1,8 a nivel de la primera etapa de compresión 4: Q2 = 56 %Q1
La velocidad específica ws1 de la primera etapa de compresión 4 es igual a w Q 105/Ahs1075
La velocidad específica ws2 de la segunda etapa de compresión 13 es por tanto igual a ws2 = w Q 205/Ahs2075 = w (56 %-Q1 )05/(150 %-Ahs1)075 = 55 %-w-Q1a5/Ahs1075 = 55 %-ws1.
Suponiendo que la velocidad específica ws1 de la primera etapa de compresión es igual a la velocidad específica óptima, entonces la segunda etapa funciona al 55 % de la velocidad específica óptima.
Esto no permite optimizar el rendimiento del sistema. El documento JP2006118773A también describe un dispositivo de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.
Un objetivo de la presente invención es superar algunos o todos los inconvenientes identificados anteriormente de la técnica anterior.
Para ello, el dispositivo de acuerdo con la invención, que por lo demás se ajusta a la definición genérica dada en el preámbulo anterior, se caracteriza, en esencia, por que la turbina del mecanismo de expansión se acopla al motor de accionamiento de la primera etapa de compresión.
Es decir, el dispositivo puede ser un refrigerador de ciclo Brayton inverso que utiliza un compresor centrífugo de dos etapas que se montan en serie y dos motores preferiblemente eléctricos para accionar los compresores. La etapa de baja presión (primer compresor) y la turbina de expansión se montan en el rotor de un único y mismo motor (primer motor) y en el que la etapa de alta presión se monta en el rotor del segundo motor.
Además, las formas de realización de la invención pueden tener una o más de las siguientes características:
• el motor eléctrico para accionar la primera etapa de compresión comprende un eje de salida, uno de cuyos extremos lleva y hace girar la primera etapa de compresión mediante acoplamiento directo y cuyo otro extremo lleva y hace girar la turbina mediante acoplamiento directo,
• los dos motores son idénticos o similares,
• el mecanismo de enfriamiento incluye un intercambiador de enfriamiento intermedio situado entre la primera etapa de compresión y la segunda etapa de compresión, para enfriar el fluido que sale de la primera etapa de compresión antes de su entrada en la segunda etapa de compresión,
• los motores son motores de alta velocidad, es decir, motores en los que el producto de la potencia P en kW y la velocidad N en revoluciones por minuto al cuadrado (P N 2) está comprendido entre 51010 y 5-1012
• la velocidad de rotación de los dos motores es idéntica,
• la potencia mecánica de los dos motores es idéntica,
• el motor de accionamiento de la segunda etapa de compresión también acciona mecánicamente un circulador o compresor adicional configurado para hacer circular un fluido refrigerante del motor o de los motores,
• las dos etapas de compresión están constituidas cada una por un compresor centrífugo que tiene una velocidad específica óptima determinada que maximiza el rendimiento energético del compresor y en las que el dispositivo se configura para mantener la velocidad específica de los compresores comprendida entre el 70 % y el 130 % y, preferiblemente, entre el 80 % y el 120 % de la velocidad específica óptima y, aún más preferiblemente, entre el 90 % y el 110 % de la velocidad específica óptima,
• las dos etapas de compresión están constituidas por compresores centrífugos que tienen cada uno una determinada velocidad óptima específica que maximiza el rendimiento energético del compresor, poseyendo cada compresor un determinado caudal volumétrico y una determinada potencia mecánica, y en las que la relación entre el caudal volumétrico del primer compresor y el caudal volumétrico del segundo compresor está comprendida entre 1,1 y 2,5, preferiblemente igual a 1,8, y el en que la relación entre la potencia mecánica que acciona el primer compresor y la potencia mecánica que acciona el segundo compresor está comprendida entre 1,1 y 2,5, preferiblemente igual a 1,5, y en el que la relación entre las velocidades de rotación de los dos motores está comprendida entre 0,5 y 1,5, y preferiblemente es igual a uno,
• el dispositivo comprende un órgano electrónico de control del dispositivo y comprende un órgano de almacenamiento y procesamiento de datos, estando el órgano electrónico de control configurado para controlar en particular al menos uno de los motores,
• el circuito de trabajo preferiblemente está cerrado,
• los dos motores son del tipo eléctrico,
• los motores tienen los mismos estatores electromagnéticos y/o los mismos rotores electromagnéticos y/o los mismos palieres y/o los mismos sistemas de enfriamiento,
• el mecanismo de enfriamiento comprende al menos un intercambiador de enfriamiento situado entre la segunda etapa de compresión y la turbina, para enfriar el fluido que sale de la segunda etapa de compresión antes de su entrada en la turbina,
• al menos uno de los intercambiadores de enfriamiento es un intercambiador a contracorriente que también intercambia térmicamente con el fluido de trabajo después de que su salida de la turbina y/o después del intercambio de calor con el órgano a enfriar
• el motor de accionamiento de la segunda etapa de compresión comprende un eje de salida que transporta y hace girar la segunda etapa de compresión mediante acoplamiento directo,
• la(s) turbina(s) de expansión es(son) del tipo de expansión centrípeta,
• los ejes de salida de los motores se montan sobre palieres de tipo magnético o de tipo dinámico a gas, siendo dichos palieres utilizados para soportar los compresores y la turbina respectivamente,
• el mecanismo de calentamiento comprende un intercambiador de calor común en el que transita el fluido de trabajo a contracorriente dependiendo de si se está enfriando o calentando,
• el circuito de trabajo incluye un depósito que forma una capacidad de almacenamiento amortiguadora para el fluido de trabajo,
• el fluido de trabajo está en fase gaseosa y consiste en un gas puro o una mezcla de gases puros entre: helio, neón, nitrógeno, oxígeno, argón, monóxido de carbono, metano o cualquier otro fluido adecuado, • el fluido de trabajo se somete en el circuito a un ciclo de trabajo termodinámico (temperatura T, entropía S) del tipo Ericsson inverso.
• La invención también se refiere a un método de acuerdo con la reivindicación 13 de refrigeración de una fuente fría utilizando un dispositivo de refrigeración de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que el intercambio de calor se realiza entre el fluido de trabajo enfriado después de su salida del mecanismo de expansión y el órgano a enfriar.
De acuerdo con otras posibles características:
• la velocidad específica de los compresores se mantiene entre el 70 % y el 130 % y, preferiblemente, entre el 80 % y el 120 % y, aún más preferiblemente, entre el 90 % y el 110 % de sus velocidades específicas óptimas.
La invención puede referirse también a cualquier dispositivo o procedimiento alternativo que comprende cualquier combinación de las características anteriores o siguientes.
Otras particularidades y ventajas aparecerán a partir de la lectura de la descripción siguiente, hecha en referencia a las figuras, en las que:
• la figura 1 muestra una vista esquemática y parcial que ilustra la estructura y el funcionamiento de un dispositivo de refrigeración de acuerdo con un primer ejemplo de forma de realización de la técnica anterior,
• la figura 2 muestra una vista esquemática y parcial que ilustra la estructura y el funcionamiento de un dispositivo de refrigeración de acuerdo con un segundo ejemplo de forma de realización de la técnica anterior,
• la figura 3 muestra una vista esquemática y parcial que ilustra la estructura y el funcionamiento de un dispositivo de refrigeración de acuerdo con un ejemplo de una posible forma de realización de la invención.
El dispositivo de refrigeración a baja temperatura (entre -100 °C y -273 °C y, por ejemplo, criogénico) mostrado en la figura 3 comprende un circuito de trabajo cerrado 10 que contiene un fluido de trabajo que se somete a un ciclo termodinámico durante el cual el fluido alcanza una temperatura criogénica. El fluido de trabajo enfriado se pone en intercambio térmico con un órgano o fluido 15 para extraer el calor del mismo (por ejemplo, directamente o a por medio de un intercambiador de calor 9).
El circuito de trabajo 10 comprende, dispuestos en serie: un mecanismo de compresión 13, 4 (preferiblemente isoentrópico o casi isoentrópico del fluido), un mecanismo de enfriamiento 3, 5, 6 del fluido (preferiblemente isobárico o casi isobárico), un mecanismo de expansión 8 del fluido (preferiblemente isoentrópico o casi isoentrópico) y un mecanismo de calentamiento 9, 6 del fluido (preferiblemente isobárico o casi isobárico).
El mecanismo de compresión es del tipo de compresión centrífuga.
El mecanismo de compresión se compone de dos etapas de compresión 13, 4 (es decir, dos compresores), una primera etapa de compresión 13 y una segunda etapa de compresión 4 respectivamente dispuestas en serie en el circuito 10. Es decir, el dispositivo comprende, para la compresión, únicamente dos compresores, es decir, dos ruedas que comprimen el fluido de trabajo.
El dispositivo 1 comprende dos motores 2, 7 preferiblemente eléctricos para accionar las dos etapas de compresión 13, 4 respectivamente.
El mecanismo de expansión se compone de una turbina 8 (preferiblemente de tipo centrípeto) que acciona el motor 2 (acoplado al motor) de la primera etapa de compresión 13. La turbina 8 del mecanismo de expansión ayuda al motor 2 a accionar la primera etapa de compresión (es decir, el motor de accionamiento 2 del primer compresor 13 de los dos compresores en serie). Es decir, el compresor utiliza y comprende una sola turbina de expansión.
De este modo, el dispositivo utiliza dos motores 2, 7 y el segundo motor acciona únicamente un segundo compresor centrífugo 4 en uno de sus extremos. Este segundo compresor 4 se sitúa aguas abajo del primer compresor 13 (aguas abajo hace referencia al sentido de circulación del fluido de trabajo en el circuito 10).
Esta nueva arquitectura permite repartir el incremento global de entalpía Ahs entre las dos etapas de compresión y, por consiguiente, permite reducir el incremento de entalpía Ahs de una etapa y aumentar la velocidad específica de las etapas de compresión para acercarse a la velocidad específica óptima de cada compresor.
El incremento global de la entalpía Ahs no varía con respecto al estado de la técnica de la figura 2.
Este incremento global de entalpía Ahs se distribuye entre las dos etapas de compresión 13, 4 lo que en este caso también permite incrementar la velocidad específica de las etapas de compresión y acercarse o alcanzar la velocidad específica óptima.
Gracias a esta nueva arquitectura, las dos etapas de compresión 13, 4 pueden operar a la velocidad específica óptima o cerca (y no solamente la primera etapa como era el caso para la técnica anterior).
Esto se puede ilustrar en el siguiente ejemplo numérico en el que se supone que la potencia mecánica y la velocidad de rotación w de los dos motores 2, 7 son idénticas.
En este ejemplo, la potencia mecánica P1 de la primera etapa de compresión es igual al 150 % de la potencia mecánica P2 de la segunda etapa de compresión debido a la presencia de la turbina 8 que ayuda al primer motor 2 normalmente hasta el 50 % de su potencia.
Dado que la potencia mecánica P es igual al producto del caudal másico m por el incremento de entalpía Ah (P=mAh), y el caudal másico de las dos etapas de compresión es idéntico, entonces, el incremento de entalpía Ah1 de la primera etapa de compresión es igual al 150 % del incremento de entalpia de la segunda etapa de compresión Ah2, es decir que, Ah1 = 150 %Ah2:
. Si, además, se supone que los rendimientos de las dos etapas de compresión son idénticos, entonces Ahs1 = 150 %-Ah2.
El caudal volumétrico Q1 de la primera etapa de compresión 13 es igual al 180 % del caudal volumétrico Q2 de la segunda etapa de compresión por el hecho de que la relación de compresión es normalmente 1,8 al nivel de la primera etapa de compresión. Es decir: Q1 = 180 % Q 2
La velocidad especifica ws1 de la primera etapa de compresión viene dada por ws1= w Q105/Ahs1075 = w-(180 %-Q2)05/(150 %-Ahs2)075 = 99 %-w-Q2a5/Ahs2075 = 99 %-ws2.
Admitiendo que la velocidad especifica ws2 de la segunda etapa de compresión es igual a la velocidad especifica óptima, entonces la primera etapa funciona al 99 % de la velocidad especifica óptima.
Es decir, las velocidades especificas ws1, ws2 del primer y segundo compresor 13, 4 (que son idénticas) son iguales al 99 % o al 100% de la velocidad especifica óptima
De este modo, la arquitectura de acuerdo con la invención permite hacer funcionar el dispositivo de modo que las dos etapas de compresión 13, 4 funcionen a la velocidad especifica óptima.
En el ejemplo dado anteriormente, los dos motores 2, 7 son idénticos, las velocidades w de los dos motores 2, 7 son idénticas y las velocidades especificas ws de los dos compresores 13, 4 son idénticas y óptimas.
Por supuesto, las dos etapas de compresión 13, 4 se pueden controlar a diferentes velocidades para funcionar a la velocidad especifica óptima o cerca también en caso de que la potencia mecánica y/o la velocidad de rotación de los dos motores sean distintas.
De este modo, la eficiencia energética del dispositivo de refrigeración mejora en comparación con la técnica anterior.
El dispositivo de refrigeración 1 ilustrado en la figura 3 se compone principalmente de una primera etapa de compresión 13 (compresor rotativo) cuyo rotor es accionado por el primer motor de alta velocidad 2. Se entiende por motor de alta velocidad un motor cuyo producto de la potencia P en kW y la velocidad N en revoluciones por minuto al cuadrado (P N 2) es mayor de 51010 (por ejemplo, comprendido entre 51010 y 51012). Este primer motor de alta velocidad 2 también recibe en el otro extremo de su eje de rotación el reductor de presión 8 (preferiblemente turbina de expansión centripeta) que ayuda al motor 2 a accionar la primera etapa de compresión 13. El dispositivo comprende una segunda etapa de compresión 4 cuyo rotor es accionado por el segundo motor de alta velocidad 7.
La primera etapa de compresión 13 comprime el fluido de trabajo (un gas o una mezcla de gases) desde una baja presión (normalmente un gas a una presión de 5 bar abs y una temperatura de 15 °C). La primera etapa de compresión 13 transfiere el gas comprimido por medio de un conducto 12 del circuito 10 (por ejemplo, a una presión de 9 bar abs y una temperatura de 77 °C). En este conducto 12 denominado de "media presión" se puede instalar preferiblemente un intercambiador de enfriamiento 3 ("intercooler") para eliminar todo o parte del calor de compresión (normalmente hasta 15 °C, por ejemplo). El intercambiador de enfriamiento 3 garantiza, por ejemplo, un intercambio térmico directo o indirecto con un fluido caloportador.
Es decir, aguas abajo de este intercambiador de enfriamiento 3, la compresión del gas de trabajo se puede calificar como isotérmica.
Acto seguido, la segunda etapa de compresión 4 comprime el fluido de trabajo desde la presión media (normalmente 9 bar abs y 15°C) y lo transfiere, por medio de un conducto 11 (normalmente a una presión de 13,5 bar abs y una temperatura de 56 °C). Este conducto 11, denominado de "alta presión", comprende preferiblemente un intercambiador de calor 5 ("intercooler") para eliminar todo o parte del calor de la segunda compresión (enfriamiento hasta normalmente 15 °C, por ejemplo). El intercambiador de enfriamiento 5 garantiza, por ejemplo, un intercambio térmico directo o indirecto con un fluido caloportador. Es decir, aguas abajo de este intercambiador de enfriamiento 5, la compresión del gas de trabajo se puede calificar como isotérmica.
Acto seguido, el fluido de trabajo se enfria en un intercambiador 6 (por ejemplo, hasta normalmente -145 °C). Este intercambiador 6 puede ser un intercambiador a contracorriente, que garantiza un intercambio térmico entre el gas de trabajo relativamente caliente al final de la compresión y el gas de trabajo relativamente frio después de la expansión y el intercambio térmico con el órgano 15 a enfriar.
Acto seguido, el fluido de trabajo se admite en la etapa de expansión (turbina 8) que expande el fluido de trabajo desde la alta presión (normalmente 13,5 bar abs y una temperatura de -145 °C) hasta una baja presión (normalmente 5 bar abs y una temperatura de -175 °C). Acto seguido, el fluido de trabajo expandido se transfiere por medio de un conducto a un intercambiador de calor 9 utilizado para extraer el calor al fluido, por ejemplo, para enfriar un objeto o un fluido 15. En este intercambiador 9, el fluido aumenta su temperatura (por ejemplo, hasta normalmente -145 °C).
Acto seguido, el fluido de trabajo se puede recalentar en el mencionado intercambiador de calor a contracorriente 6 (por ejemplo, hasta normalmente 15 °C).
Las relaciones de compresión de las dos etapas de compresión 13, 4 se pueden elegir de manera que la velocidad específica ws de las dos etapas de compresión sean lo más cercanas posible al valor óptimo.
Las relaciones de compresión de los compresores 13, 4 se pueden seleccionar preferiblemente para que los motores 2 y 7 sean idénticos. Es decir, por ejemplo, el estator y/o el rotor y/o los palieres de los motores son idénticos. De este modo, por motores idénticos o similares entendemos motores estrictamente idénticos o diferentes pero que tienen características técnicas similares o idénticas (trabajo suministrado, etc.), en particular sus pares máximos son iguales o casi iguales. Por ejemplo, los mecanismos de producción de trabajo de los motores son idénticos o tienen rendimientos idénticos o cercanos al 130 %.
Esta estandarización de los motores 2, 7 también tiene ventajas en términos de mantenimiento (reducción del número de piezas diferentes, reducción de los costes de producción gracias al efecto de escala).
Aunque su estructura es sencilla y barata, la invención mejora la eficiencia de los dispositivos de refrigeración.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo de refrigeración a baja temperatura comprendida entre -100 °C y -273 °C que comprende un circuito de trabajo (10) que contiene un fluido de trabajo, teniendo el dispositivo por objetivo extraer calor de al menos un órgano (15) mediante el intercambio de calor con el fluido de trabajo que circula en el circuito de trabajo (10), comprendiendo el circuito de trabajo (10) en serie un mecanismo de compresión (13) del fluido preferiblemente isoentrópico o casi isoentrópico, un mecanismo de enfriamiento del fluido preferiblemente isobárico o casi isobárico, un mecanismo de expansión (8) del fluido preferiblemente isoentrópico o casi isoentrópico, y un mecanismo de calentamiento (9, 6) del fluido preferiblemente isobárico o casi isobárico, en el que el mecanismo de compresión (13, 4) es del tipo de compresión centrífuga y se compone de dos etapas de compresión (13, 4) respectivamente una primera etapa de compresión (13) y una segunda etapa de compresión (4) dispuestas en serie en el circuito (10), es decir, el dispositivo tiene únicamente dos compresores (13, 4) que constituyen cada uno una de las dos etapas de compresión, comprendiendo el dispositivo únicamente dos motores eléctricos de accionamiento (2, 7) de las dos etapas de compresión (13, 4) respectivamente, estando el mecanismo de expansión constituido por una turbina (8) acoplada al motor (2) de una de las etapas de compresión (13, 4), es decir, que el dispositivo tiene una sola turbina (8) que constituye el mecanismo de expansión, caracterizado por que la turbina (8) del mecanismo de expansión se acopla al motor de accionamiento (2) de la primera etapa de compresión.
2. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que el motor eléctrico de accionamiento (2) de la primera etapa de compresión (13) comprende un eje de salida, uno de cuyos extremos lleva y hace girar mediante acoplamiento directo la primera etapa de compresión (13) y cuyo otro extremo lleva y es hecho girar mediante acoplamiento directo por la turbina (8).
3. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que los dos motores (2, 7) son idénticos o similares.
4. Dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que el mecanismo de enfriamiento comprende un intercambiador de enfriamiento intermedio (3) situado entre la primera etapa de compresión (13) y la segunda etapa de compresión (4), para enfriar el fluido que sale de la primera etapa de compresión (13) antes de su entrada en la segunda etapa de compresión (4).
5. Dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que los motores (2, 7) son motores de alta velocidad, es decir, motores cuyo producto de la potencia P en kW y la velocidad N en revoluciones por minuto al cuadrado (P N 2) está comprendido entre 51010 y 51012
6. Dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que la velocidad de rotación de los dos motores (2, 7) es idéntica.
7. Dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que la potencia mecánica de los dos motores (2, 7) es idéntica.
8. Dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que el motor de accionamiento (7) de la segunda etapa de compresión (4) acciona también mecánicamente un circulador (14) o compresor adicional configurado para hacer circular un fluido refrigerante del motor o motores (2, 7).
9. Dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que las dos etapas de compresión (13, 4) se componen cada una de un compresor centrífugo que tiene una determinada velocidad específica óptima que maximiza el rendimiento energético del compresor y por que el dispositivo se configura para mantener la velocidad específica de los compresores (13, 4) comprendida entre el 70 % y el 130 % y preferiblemente entre el 80 % y el 120 % de la velocidad específica óptima y aún más preferiblemente entre el 90 % y el 110 % de la velocidad específica óptima.
10. Dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por que las dos etapas de compresión (13, 4) se componen de compresores centrífugos que tienen cada uno una determinada velocidad específica óptima que maximiza el rendimiento energético del compresor, teniendo cada compresor un determinado caudal volumétrico (Q1, Q2) y una determinada potencia mecánica (P1, P2) y por que la relación (Q1/Q2) entre el caudal volumétrico (Q1) del primer compresor (13) y el caudal volumétrico (Q2) del segundo compresor (4) está comprendida entre 1,1 y 2,5 y preferiblemente es igual a 1,8 y por que la relación (P1/P2) entre la potencia mecánica (P1) que acciona el primer compresor (13) y la potencia mecánica (P2) que acciona el segundo compresor (4) está comprendida entre 1,1 y 2,5 y preferiblemente es igual a 1,5 y por que la relación (w1/w2) de las velocidades de rotación de los dos motores está comprendida entre 0,5 y 1,5 y preferiblemente es igual a uno.
11. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado por que el producto: (w1/w2).(Q1/Q2)05. (Ahs2/Ahs1 )075 entre:
- la relación (w1/w2) de las velocidades de rotación de los dos motores, la relación (Q1/Q2) elevada a la potencia 0,5 entre el caudal volumétrico (Q1) del primer compresor (13) y el caudal volumétrico (Q2) del segundo compresor (4), - la relación (Ahs2/Ahs1) elevada a la potencia 0,75 entre el incremento de entalpía a través de la etapa del segundo compresor (4) considerando la compresión como isoentrópica y el incremento de entalpía a través de la etapa del primer compresor (13) considerando la compresión como isoentrópica, está comprendida entre 0,70 y 1,30 y preferiblemente comprendida entre 0,80 y 1,20 y aún más preferiblemente comprendida entre 0,90 y 1,10.
12. Dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado por que comprende un órgano electrónico (16) de control del dispositivo y que comprende un órgano de almacenamiento y procesamiento de datos, estando el órgano de control electrónico (16) configurado para controlar en particular al menos uno de los motores (13, 4).
13. Método de refrigeración de una fuente fría (15) utilizando un dispositivo de refrigeración (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que el intercambio de calor se realiza entre el fluido de trabajo enfriado después de su salida del mecanismo de expansión (8) y el órgano (15) a enfriar.
14. Método de refrigeración de acuerdo con la reivindicación 13 caracterizado por que la velocidad específica de los compresores (13, 4) se mantiene entre el 70 % y el 130 % y preferiblemente entre el 80 % y el 120 % y aún más preferiblemente entre el 90 % y el 110 % de sus velocidades específicas óptimas.
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