ES2906321T3 - Procedimiento de calentamiento y/o climatización de un vehículo - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de calentamiento y/o de climatización de un habitáculo de vehículo automóvil con la ayuda de un bucle frigorífico reversible, en el que circula un fluido refrigerante, que comprende un primer intercambiador de calor, un expansor, un segundo intercambiador de calor, un compresor y medios de inversión del funcionamiento del bucle frigorífico reversible, caracterizado por que el fluido refrigerante comprende: - del 4 % al 6 % en peso de difluorometano; - del 2,5 % al 3,5 % en peso de pentafluoroetano; y - del 91 % al 93,5 % en peso de tetrafluoropropeno, preferiblemente 2,3,3,3-tetrafluoropropeno.
Description
DESCRIPCIÓN
Procedimiento de calentamiento y/o climatización de un vehículo
La presente invención se refiere a un procedimiento de calentamiento y/o de climatización de un habitáculo de vehículo automóvil.
En los vehículos automóviles, el motor térmico comprende un circuito de circulación de un fluido caloportador que se usa para el enfriamiento del motor y también para el calentamiento del habitáculo. Para ello, el circuito comprende, concretamente, una bomba y un aerotermo en el que circula un flujo de aire que recupera el calor almacenado por el fluido caloportador con el fin de calentar el habitáculo.
Por otro lado, un sistema de climatización destinado a enfriar el habitáculo de un vehículo automóvil, comprende un evaporador, un compresor, un condensador, un expansor y un fluido susceptible de cambiar de estado (líquido/gas), habitualmente denominado fluido refrigerante. El compresor, directamente accionado por el motor del vehículo con la ayuda de una correa y de una polea, comprime el fluido refrigerante, expulsándolo a alta presión y a alta temperatura hacia el condensador. El condensador, gracias a una ventilación forzada, provoca la condensación del gas que llega en el estado gaseoso a alta presión y alta temperatura. El condensador licúa el gas gracias a la bajada de temperatura del aire que lo atraviesa. El evaporador es un intercambiador térmico que extrae calorías del aire que se soplará en el habitáculo. El expansor permite regular el caudal de entrada del gas en el bucle mediante una modificación de sección de paso, dependiendo de la temperatura y de la presión a nivel del evaporador. Por tanto, el aire caliente que viene del exterior se enfría atravesando el evaporador.
El fluido refrigerante ampliamente usado en la climatización automóvil es 1,1,1,2-tetrafluoroetano (HFC-134a).
El documento WO 2008/107623 describe un sistema de gestión de energía de un vehículo automóvil, que comprende un bucle frigorífico reversible con circulación de un fluido refrigerante, medios de inversión del ciclo de funcionamiento del bucle frigorífico móviles entre una posición en modo frigorífico y una posición en modo de bomba de calor, al menos una primera fuente adecuada para recuperar la energía del fluido refrigerante y al menos una segunda fuente adecuada para evaporar el fluido refrigerante tras la expansión de dicho fluido del estado líquido al estado difásico, siendo los medios de inversión adecuados para permitir un flujo del fluido refrigerante de la primera fuente de recuperación en dirección a al menos una fuente de evaporación, cuando están en una posición idéntica a la correspondiente al modo de bomba de calor.
No obstante, con el HFC-134a como fluido refrigerante en el sistema, tal como se describe en el documento WO 2008/107623, cuando la temperatura exterior es baja, por ejemplo, de aproximadamente -10 0C, comienza a formarse una depresión en el evaporador, incluso antes de lanzarse el compresor. Esta depresión que conduce a una infiltración del aire en el sistema, favorece los fenómenos de corrosión y la degradación de los componentes, tales como el compresor, intercambiador y expansor.
El documento WO 2010/058126 describe el uso de una composición del 5-45 % de difluorometano, el 5-80 % de 1.1.1.2- tetrafluoropropeno y el 2-50 % en peso, de al menos un compuesto elegido de propano, propeno y etileno, en un bucle reversible de climatización y/o calentamiento de un habitáculo de vehículo automóvil.
Por otro lado, los documentos US-2013/096218 y FR 2959998 describen, respectivamente, una composición del 85 % de 1.1.1.2- tetrafluoropropeno, el 5 % de difluorometano, el 5 % de tetrafluoroetano y el 5 % de pentafluoroetano, y una composición que comprende el 5-50 % de difluorometano, el 2-20 % de pentafluoroetano y el 30-90 % de tetrafluoropropeno.
La presente invención tiene como objetivo limitar, incluso impedir, que penetre aire en el evaporador del bucle frigorífico al arrancarse el compresor y/o mejorar el rendimiento del bucle frigorífico.
Por tanto, la presente invención tiene como objetivo un procedimiento de calentamiento y/o de climatización de un habitáculo de vehículo automóvil, con la ayuda de un bucle frigorífico reversible, en el que circula un fluido refrigerante, que comprende un primer intercambiador de calor, un expansor, un segundo intercambiador de calor, un compresor y medios de inversión del funcionamiento del bucle frigorífico reversible, caracterizado por que el fluido refrigerante comprende (preferiblemente está constituido por):
- del 4 % al 6 % en peso de difluorometano (HFC-32);
- del 2,5 % al 3,5 % en peso de pentafluoroetano (HFC-125); y
- del 91 % al 93,5 % en peso de tetrafluoropropeno.
En particular, el procedimiento de calentamiento y/o de climatización de un habitáculo de vehículo automóvil anteriormente mencionado, comprende una etapa de circulación de dicho fluido refrigerante, tal como se definió anteriormente, a saber que comprende
- del 4 % al 6 % en peso de difluorometano (HFC-32);
- del 2,5 % al 3,5 % en peso de pentafluoroetano (HFC-125); y
- del 91 % al 93,5 % en peso de tetrafluoropropeno.
Preferiblemente, el procedimiento de calentamiento y/o climatización comprende al menos una de las siguientes etapas: una etapa de evaporación del fluido refrigerante, una etapa de compresión de dicho fluido refrigerante, una etapa de condensación de dicho fluido refrigerante, una etapa de expansión de dicho fluido refrigerante.
Según la invención, los porcentajes en peso son con respecto al peso total de dicho fluido refrigerante.
Salvo que se mencione lo contrario, en el conjunto de la solicitud, las proporciones de compuestos indicadas se facilitan en porcentajes en masa.
En el contexto de la invención, el “ HFO-1234yf” se refiere al 2,3,3,3-tetrafluoropropeno.
En el contexto de la invención, el “ HFO-1234ze” se refiere al 1,3,3,3-tetrafluoropropeno e incluye el isómero cis, el isómero trans y sus mezclas.
Según otra realización, el fluido refrigerante consiste esencialmente, preferiblemente consiste en:
- del 4 % al 6 % en peso de difluorometano (HFC-32);
- del 2,5 % al 3,5 % en peso de pentafluoroetano (HFC-125); y
- del 91 % al 93,5 % en peso de tetrafluoropropeno.
Pueden estar presentes impurezas en tales fluidos refrigerantes, a razón, por ejemplo, de menos del 1 %, preferiblemente de menos del 0,5 %, preferiblemente de menos del 0,1 %, preferiblemente de menos del 0,05 %, y en particular de menos del 0,01 %. Estas impurezas no tienen ningún impacto significativo sobre las propiedades de dichos fluidos.
Según una realización, el fluido refrigerante comprende (preferiblemente está constituido por):
- del 4,5 % al 5,5 % en peso de difluorometano;
- del 2,5 % al 3,5 % en peso de pentafluoroetano; y
- del 91 % al 93 % en peso de tetrafluoropropeno.
Según una realización, el fluido refrigerante comprende (preferiblemente está constituido por):
- del 4,5 % al 5,5 % en peso de difluorometano;
- del 2,5 % al 3,5 % en peso de pentafluoroetano; y
- del 91,5 % al 93 % en peso de tetrafluoropropeno.
Según una realización, el fluido refrigerante comprende (preferiblemente está constituido por):
- del 4,5 % al 5,5 % en peso de difluorometano;
- del 2,5 % al 3,5 % en peso de pentafluoroetano; y
- del 91 % al 92 % en peso de tetrafluoropropeno.
Según una realización, el fluido refrigerante comprende (preferiblemente está constituido por):
- del 4,5 % al 5,5 % en peso de difluorometano;
- del 3 % al 3,5 % en peso de pentafluoroetano; y
- del 91 % al 92 % en peso de tetrafluoropropeno.
Según una realización, el tetrafluoropropeno del fluido refrigerante se elige de 1,3,3,3-tetrafluoropropeno y 2,3,3,3-tetrafluoropropeno, preferiblemente el tetrafluoropropeno es 2,3,3,3-tetrafluoropropeno.
Según una realización, el fluido refrigerante anteriormente mencionado se elige del grupo constituido por los siguientes fluidos:
- el 5 % en peso de difluorometano, el 3,3 % en peso de pentafluoroetano y el 91,7 % en peso de tetrafluoropropeno, en particular de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno;
- el 5 % en peso de difluorometano, el 3 % en peso de pentafluoroetano y el 92 % en peso de tetrafluoropropeno, en particular de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno;
- el 5 % en peso de difluorometano, el 3,1 % en peso de pentafluoroetano y el 91,9 % en peso de tetrafluoropropeno, en particular de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno;
- el 5 % en peso de difluorometano, el 3,2 % en peso de pentafluoroetano y el 91,8 % en peso de tetrafluoropropeno, en particular de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno;
- el 6 % en peso de difluorometano, el 3 % en peso de pentafluoroetano y el 91 % en peso de tetrafluoropropeno, en particular de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno;
- el 6 % en peso de difluorometano, el 3,1 % en peso de pentafluoroetano y el 90,9 % en peso de tetrafluoropropeno, en particular de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno; y
- el 6 % en peso de difluorometano, el 2,5 % en peso de pentafluoroetano y el 91,5 % en peso de tetrafluoropropeno, en particular de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno.
Según una realización, el fluido refrigerante tiene un GWP inferior a 150, preferiblemente inferior o igual a 140, en particular inferior o igual a 130. El GWP puede calcularse según las indicaciones proporcionadas por el 4o informe del grupo intergubernamental de expertos sobre la evolución del clima (GIEC). El GWP de las mezclas se calcula, en particular, en función de la concentración másica y el GWP de cada componente. Los GWP de los compuestos puros se indican normalmente en la Directiva Europea F-Gas (reglamento [EU] n.° 517/2014 del parlamento europeo y del consejo, del 16 de abril de 2014).
Los fluidos refrigerantes anteriormente mencionados, son ventajosamente poco o nada inflamables.
Los fluidos refrigerantes anteriormente mencionados, tienen ventajosamente un límite inferior de inflamabilidad superior a 285 g/m3, preferiblemente superior o igual a 287 g/m3, en particular superior o igual a 290 g/m3.
El fluido refrigerante anteriormente mencionado, conduce ventajosamente a una composición WCFF que tiene un límite inferior de inflamabilidad superior a 100 g/m3, preferiblemente superior o igual a 105 g/ m3, en particular superior o igual a 110 g/m3.
Los fluidos refrigerantes anteriormente mencionados, los WCF y WCFF correspondientes, tienen un calor de combustión (HOC) inferior a 19.000 kJ/m3. El calor de combustión según la invención, se define y determina tal como se indica en la norma ASHRAE 34-2013.
El “ límite inferior de inflamabilidad” se define en la norma ASHRAE 34-2013 como la concentración mínima de una composición que puede propagar una llama a través de una mezcla homogénea de la composición y de aire, en condiciones de prueba especificadas en la norma ASTM E681 -04. Puede facilitarse, por ejemplo, en kg/m3 o en % en vol. Una composición denominada “WCF” (“worst case of formulation for flammability” ), se define en la norma ASHRAE 34-2013 como una composición de formulación cuya velocidad de propagación de llama es la más alta. Esta composición es muy próxima a la composición nominal (correspondiendo dicha composición nominal, en el contexto de la invención, a un fluido refrigerante según la invención) con una determinada tolerancia.
Una composición denominada WCFF (“worst case of fractionation for flammability” ), se define en la norma ASHRAE 34-2013 como la composición cuya velocidad de propagación de llama es la más alta. Esta composición se determina según un método bien definido en la misma norma.
En el contexto de la presente invención, la inflamabilidad, la velocidad de propagación de llamas y el límite inferior de inflamabilidad, se definen y determinan según la prueba que figura en la norma ASHRAE 34-2013, que remite a la norma ASTM E681 en cuanto a los aparatos usados.
En lo que se refiere a la velocidad de propagación de llama, el método de los ensayos descritos en la norma ASHRAE 34-2013 es el desarrollado en la tesis de T. Jabbour, “ Classification de l'inflammabilité des fluides frigorigenes basée sur la vitesse fondamentale de flamme” , bajo la dirección de Denis Clodic. These, París, 2004. El dispositivo experimental usa en particular el método de tubo de vidrio vertical (número de tubos 2, longitud de 150 cm, diámetro de 40 cm). El uso de dos tubos permite realizar dos pruebas con la misma concentración al mismo tiempo. Los tubos están concretamente dotados de electrodos de tungsteno, estos últimos se colocan en el fondo de cada tubo, alejados 6,35 mm (1/4 pulgada), y se conectan a un generador de 15 kV y 30 mA.
Las diferentes composiciones sometidas a prueba se califican como inflamables o no inflamables en sí mismas, según los criterios definidos en la norma ASHRAE 34-2013.
El fluido refrigerante anteriormente mencionado, tiene ventajosamente una velocidad de propagación de llama inferior a 2 cm/s, preferiblemente inferior o igual a 1,7 cm/s, preferiblemente inferior o igual a 1,6 cm/s, ventajosamente inferior o igual a 1,5 cm/s.
El fluido refrigerante anteriormente mencionado, se clasifica ventajosamente como 2L según la norma ASHRAE 34 2013. Según esta norma, la clasificación 2L necesita una velocidad de propagación de llama inferior a 10 cm/s.
Los fluidos refrigerantes anteriormente mencionados, presentan ventajosamente un buen compromiso entre buenos rendimientos energéticos, inflamabilidad baja o nula, y bajo GWP, preferiblemente un GWP inferior a 150.
Debido a su baja inflamabilidad, los fluidos refrigerantes anteriormente mencionados, son ventajosamente más seguros cuando se usan en el procedimiento de la invención.
Los fluidos refrigerantes anteriormente mencionados, pueden prepararse mediante cualquier procedimiento, tal como, por ejemplo, mediante simple mezclado de los diferentes compuestos entre sí.
Por “compuesto de transferencia de calor” , respectivamente “fluido de transferencia de calor” o “fluido refrigerante” , se entiende un compuesto, respectivamente un fluido, susceptible de absorber calor, evaporándose a baja temperatura y a baja presión, y expulsar calor, condensándose a alta temperatura y alta presión, en un circuito de compresión de vapor. De manera general, un fluido de transferencia de calor puede comprender un único, dos, tres o más compuestos de transferencia de calor.
El fluido refrigerante según la invención, puede comprender estabilizantes. Entre los estabilizantes, puede mencionarse, concretamente, el nitrometano, el ácido ascórbico, el ácido tereftálico, los azoles, tales como el tolutriazol o el benzotriazol, los compuestos fenólicos, tales como el tocoferol, la hidroquinona, la t-butil-hidroquinona, el 2 ,6-di-tercbutil-4-metilfenol, los epóxidos (alquilo eventualmente fluorado o perfluorado o alquenilo o aromático), tales como los nbutil glicidil éter, diglicidil éter de hexanodiol, alil glicidil éter, butilfenil glicidil éter, los fosfitos, los fosfonatos, los tioles y las lactonas.
Según la invención, los medios de inversión del funcionamiento del bucle frigorífico reversible, son medios de inversión del funcionamiento del bucle frigorífico entre una posición en modo frigorífico y una posición en modo de bomba de calor.
Los medios de inversión anteriormente mencionados, pueden ser medios de modificación del recorrido del fluido refrigerante en el bucle frigorífico reversible, o medios de inversión del sentido de circulación del fluido refrigerante en dicho bucle.
Los medios de inversión anteriormente mencionados, pueden ser una válvula de cuatro vías, una válvula de inversión, una válvula de parada (de cierre), un expansor o sus combinaciones.
Por ejemplo, durante la inversión del modo de funcionamiento del bucle frigorífico, puede cambiarse el papel de un intercambiador de calor: por ejemplo, un intercambiador de calor puede desempeñar el papel de un condensador en un modo frigorífico, o el papel de un evaporador en un modo de bomba de calor.
El bucle frigorífico reversible puede contener, normalmente, canalizaciones, tubos, elementos flexibles, depósito u otros, en los que circula el fluido refrigerante, entre los diferentes intercambiadores, expansores, válvulas...
Según el modo de funcionamiento del bucle, frigorífico o bomba de calor, el primer intercambiador de calor puede desempeñar el papel de evaporador o de recuperador de energía. Lo mismo sucede para el segundo intercambiador de calor. En modo frigorífico, el segundo intercambiador permite el enfriamiento del flujo de aire destinado a impulsarse al interior del habitáculo del vehículo automóvil. En modo de bomba de calor, el segundo intercambiador permite calentar el flujo de aire destinado al habitáculo del vehículo automóvil.
Los intercambiadores primero y segundo de calor son del tipo de aire/fluido refrigerante.
En el procedimiento según la presente invención, el bucle frigorífico puede estar acoplado térmicamente, a través de los intercambiadores de calor, con el circuito de enfriamiento del motor y/o del circuito electrónico. Por tanto, el bucle puede comprender al menos un intercambiador de calor atravesado a la vez por el fluido refrigerante y por un fluido caloportador, concretamente el aire o el agua del circuito de enfriamiento del motor térmico o eléctrico, y/o del circuito electrónico.
Según una variante del procedimiento, el primer intercambiador de calor se atraviesa a la vez por el fluido refrigerante y por gases de escape procedentes del motor térmico del vehículo automóvil; pudiendo estos últimos comunicarse térmicamente con un circuito de fluido caloportador.
Según una variante del procedimiento, el primer intercambiador de calor se atraviesa a la vez por el fluido refrigerante y por el calor procedente de la batería o del circuito electrónico del vehículo automóvil, en particular del vehículo automóvil eléctrico.
El bucle frigorífico en el procedimiento, según la presente invención, puede comprender en derivación al menos un intercambiador de calor que se comunica térmicamente con un flujo de aire, destinado a admitirse al interior del motor térmico del vehículo automóvil, o con gases de escape procedentes del motor térmico automóvil y/o con calor procedente del motor eléctrico y/o del circuito electrónico del vehículo automóvil eléctrico.
El procedimiento según la presente invención, es conveniente muy particularmente cuando la temperatura exterior es inferior a 3 0C, preferiblemente inferior o igual a -2 0C, preferiblemente inferior o igual a -7 0C, en particular inferior o igual a -12 0C, incluso más preferiblemente inferior o igual a -17 0C, por ejemplo, inferior o igual a -22 0C, y ventajosamente inferior a -27 0C, y preferiblemente superior o igual a -29 0C.
El procedimiento según la presente invención, es conveniente muy particularmente cuando la temperatura en el evaporador es inferior a 0 0C, preferiblemente inferior o igual a -5 0C, preferiblemente inferior o igual a -10 0C, en particular inferior o igual a -15 0C, incluso más preferiblemente inferior o igual a -20 0C, por ejemplo, inferior o igual a -25 0C, y ventajosamente inferior a -30 0C, y preferiblemente superior o igual a -32 0C.
El procedimiento según la presente invención, puede ser conveniente a la vez para los vehículos automóviles de motor térmico, para los vehículos automóviles de motor eléctrico y para los vehículos automóviles híbridos, estando estos últimos diseñados para funcionar de manera alternante con un motor térmico y con un motor eléctrico. Permite gestionar de la mejor manera posible los aportes de energía según las condiciones climáticas (calor o frío), tanto para el habitáculo como para la batería, y concretamente aportar calor o frío a la batería a través de un circuito de fluido caloportador.
El bucle frigorífico reversible, en el que circula el fluido refrigerante, tal como se definió anteriormente, instalado en vehículos automóviles, es conveniente particularmente para la recuperación de energía del motor térmico y/o de la batería eléctrica y/o del circuito electrónico, útil para el calentamiento del habitáculo y el motor durante una fase de arranque en frío. Este bucle frigorífico reversible, cuando comprende una bomba, puede funcionar en modo de Rankine (es decir, el compresor funciona como una turbina) para valorizar la energía térmica producida por el motor térmico y transportada a continuación por el fluido refrigerante, tras la transferencia térmica.
La presente invención también se refiere al uso de un bucle frigorífico reversible, en el que circula un fluido refrigerante que comprende (preferiblemente está constituido por):
- del 4 % al 6 % en peso de difluorometano (HFC-32);
- del 2,5 % al 3,5 % en peso de pentafluoroetano (HFC-125); y
- del 91 % al 93,5 % en peso de tetrafluoropropeno;
para calentar y/o climatizar un habitáculo de vehículo automóvil;
comprendiendo dicho bucle frigorífico un primer intercambiador de calor, un expansor, un segundo intercambiador de calor, un compresor y medios de inversión del funcionamiento del bucle frigorífico reversible.
La invención también tiene como objetivo, un dispositivo que comprende el bucle frigorífico, tal como se describió anteriormente, en particular el bucle frigorífico comprende un primer intercambiador de calor, un expansor, un segundo intercambiador de calor, un compresor y medios de inversión del funcionamiento del bucle frigorífico reversible.
Según una primera realización de la invención, representada esquemáticamente por la Figura 1, el bucle (16) frigorífico comprende un primer intercambiador (13) de calor, un expansor (14), un segundo intercambiador (15) de calor, un compresor (11) y una válvula (12) de cuatro vías. Los intercambiadores primero y segundo de calor son del tipo de aire/fluido refrigerante. El primer intercambiador (13) de calor se atraviesa por el fluido refrigerante del bucle (16) y por el flujo de aire transportado por un ventilador. Una parte o la totalidad de este mismo flujo de aire, puede atravesar también un intercambiador de calor del circuito de enfriamiento del motor y/o del circuito electrónico (no representado
en la figura). De la misma manera, el segundo intercambiador (15) se atraviesa por un flujo de aire transportado por un ventilador. Una parte o la totalidad de este flujo de aire puede atravesar también un intercambiador de calor del circuito de enfriamiento del motor y/o del circuito electrónico (no representado en la figura). El sentido de circulación del aire depende del modo de funcionamiento del bucle (16) y de las necesidades del motor térmico o eléctrico. Por tanto, cuando el motor térmico o eléctrico está en funcionamiento y el bucle (16) en modo de bomba de calor, el aire puede calentarse mediante el intercambiador del circuito de enfriamiento del motor térmico o eléctrico y después soplarse sobre el intercambiador (13), para acelerar la evaporación del fluido del bucle (16) y, por tanto, mejorar los rendimientos de este bucle.
Los intercambiadores del circuito de enfriamiento pueden activarse con la ayuda de las válvulas, según las necesidades del motor térmico o eléctrico (calentamiento del aire que entra en el motor o valorización de energía producida por este motor).
En modo frigorífico, el fluido refrigerante puesto en movimiento por el compresor (11), atraviesa, a través de la válvula (12), el intercambiador (13) que desempeña el papel de condensador (es decir, desprende calorías hacia el exterior), a continuación el expansor (14), después el intercambiador (15), que desempeña el papel de evaporador, permitiendo, de ese modo, el enfriamiento del flujo de aire destinado a impulsarse al interior del habitáculo del vehículo automóvil.
El modo frigorífico según la invención, puede ser normalmente un modo de climatización.
En modo de bomba de calor, se invierte el sentido de flujo del fluido refrigerante por medio de la válvula (12). El intercambiador (15) de calor desempeña el papel de condensador, mientras que el intercambiador (13) desempeña el papel de evaporador. El intercambiador (15) de calor permite, entonces, calentar el flujo de aire destinado al habitáculo del vehículo automóvil.
Según una segunda realización de la invención, representada esquemáticamente por la Figura 2 , el bucle (26) frigorífico comprende un primer intercambiador (23) de calor, un expansor (24), un segundo intercambiador (25) de calor, un compresor (21), una válvula (22) de cuatro vías, y una ramificación (d3) de derivación montada por un lado en la salida del intercambiador (23) y por otro lado en la salida del intercambiador (25), teniendo en cuenta la circulación del fluido en modo frigorífico. Esta ramificación comprende un intercambiador (d1) de calor atravesado por un flujo de aire o un flujo de gas de escape, y un expansor (d2). Los intercambiadores (23 y 25) de calor primero y segundo, son del tipo de aire/fluido refrigerante. El primer intercambiador (23) de calor se atraviesa por el fluido refrigerante del bucle (26) y por el flujo de aire transportado por un ventilador. Una parte o la totalidad de este mismo flujo de aire, puede atravesar también un intercambiador de calor del circuito de enfriamiento del motor o del circuito electrónico (no representado en la figura). De la misma manera, el segundo intercambiador (25) se atraviesa por un flujo de aire transportado por un ventilador. Una parte o la totalidad de este flujo de aire puede atravesar también un intercambiador de calor del circuito de enfriamiento del motor o del circuito electrónico (no representado en la figura). El sentido de circulación del aire depende del modo de funcionamiento del bucle (26) y de las necesidades del motor térmico y/o eléctrico. A modo de ejemplo, cuando el motor térmico y/o eléctrico está en funcionamiento y el bucle (26) en modo de bomba de calor, el aire puede calentarse por el intercambiador del circuito de enfriamiento del motor térmico y/o eléctrico y después soplarse sobre el intercambiador (23), para acelerar la evaporación del fluido del bucle (26) y mejorar los rendimientos de este bucle.
Los intercambiadores del circuito de enfriamiento pueden activarse con la ayuda de las válvulas, según las necesidades del motor térmico o eléctrico (calentamiento del aire que entra en el motor o valorización de energía producida por este motor).
El intercambiador (d1) de calor también puede activarse según las necesidades energéticas, ya sea en modo frigorífico o en modo de bomba de calor. Pueden instalarse válvulas de parada (no representadas en la Figura 2) en la ramificación (d3) para activar o desactivar esta ramificación.
El intercambiador (d1) se atraviesa por un flujo de aire transportado por un ventilador. Este mismo flujo de aire puede atravesar otro intercambiador de calor del circuito de enfriamiento del motor y/o del circuito electrónico, y también otros intercambiadores colocados en el circuito de los gases de escape, en la llegada de aire al motor o en la batería en los coches eléctricos o híbridos.
En modo frigorífico, el fluido refrigerante se pone en movimiento por el compresor (21) y atraviesa, a través de la válvula (22), el intercambiador (23) que desempeña el papel de condensador (es decir, desprende calorías hacia el exterior) y atraviesa a continuación:
- el expansor (24) y después el intercambiador (25), que desempeña el papel de evaporador, permitiendo, de ese modo, el enfriamiento del flujo de aire destinado a impulsarse al interior del habitáculo del vehículo automóvil; y/o
- el expansor (d2) y después el intercambiador (d1), que desempeña el papel de evaporador, permitiendo, por ejemplo, el enfriamiento del flujo de aire destinado a enfriar el motor eléctrico y/o el circuito electrónico y/o la batería.
En modo de bomba de calor, se invierte el sentido de flujo del fluido refrigerante por medio de la válvula (22). El intercambiador (25) de calor, así como el intercambiador (d1) de calor, desempeñan el papel de condensadores, mientras que el intercambiador (23) desempeña el papel de evaporador. Los intercambiadores (25) y (d1) de calor permiten por tanto calentar el flujo de aire destinado al habitáculo del vehículo automóvil y la batería.
Según una tercera realización de la invención, representada esquemáticamente por la Figura 3, el bucle (36) frigorífico comprende un primer intercambiador (33) de calor, un expansor (34), un segundo intercambiador (35) de calor, un compresor (31) y una válvula (32) de cuatro vías. Los intercambiadores (33 y 35) de calor primero y segundo son del tipo de aire/fluido refrigerante. El funcionamiento de los intercambiadores (33 y 35) es idéntico a la primera realización presentada en la Figura 1. Puede instalarse al menos un intercambiador (38 y/o 37) de fluido/líquido a la vez en el circuito del bucle (36) frigorífico y en el circuito de enfriamiento del motor térmico o eléctrico y/o la batería, o en un circuito secundario de agua glicolada.
La Figura 3 da a conocer una realización con dos intercambiadores (37 y 38) de calor de fluido/líquido. No obstante, según la tercera realización anteriormente mencionada, el bucle frigorífico puede comprender o bien el intercambiador (37) o bien el intercambiador (38) (modo no representado en la Figura 3).
El intercambiador (37 o 38) de fluido/líquido puede montarse en serie con el intercambiador (respectivamente 35 o 33) de calor (tal como se representa esquemáticamente en la Figura 3) o en paralelo con el mismo. Cuando está montado en serie con el intercambiador (35 o 33) de calor, el intercambiador (37 o 38) puede colocarse antes o después del intercambiador (35 o 33), en el sentido de circulación del fluido refrigerante.
La instalación de los intercambiadores de fluido/líquido sin pasar por un fluido intermedio gaseoso (aire) contribuye a la mejora de los intercambios térmicos con respecto a los intercambiadores de aire/fluido.
En modo frigorífico, el fluido refrigerante puesto en movimiento por el compresor (31), atraviesa, a través de la válvula (32) de cuatro vías, eventualmente el intercambiador (38) si está presente que desempeña el papel de condensador (desprendiendo calorías a través de un circuito secundario hacia el aire admitido al motor térmico y/o un sistema de valorización de energía), después el intercambiador (33) que desempeña el papel de condensador (es decir, desprende calorías hacia el exterior), a continuación el expansor (34), después el intercambiador (35) que desempeña el papel de evaporador permitiendo de ese modo el enfriamiento del flujo de aire destinado a impulsarse al interior del habitáculo del vehículo automóvil, y eventualmente el intercambiador (37), si está presente, que desempeña el papel de evaporador, permitiendo, de ese modo, el enfriamiento de un líquido que permite, a su vez, enfriar el aire en el interior del habitáculo del vehículo por medio de otro intercambiador de calor de líquido/aire y/o enfriar directamente la batería.
En modo de bomba de calor, se invierte el sentido de flujo del fluido refrigerante por medio de la válvula (32). El intercambiador (37) de calor, si está presente, desempeña el papel de condensador, el intercambiador (35) también desempeña el papel de condensador, mientras que el intercambiador (33) desempeña el papel de evaporador, al igual que el intercambiador (38), si está presente. El intercambiador (35) de calor permite entonces calentar el flujo de aire destinado al habitáculo del vehículo automóvil. El intercambiador (37) de calor permite, entonces, calentar un líquido que permite, a su vez, calentar el flujo de aire destinado al habitáculo del vehículo automóvil por medio de otro intercambiador de calor de líquido/aire y/o calentar directamente la batería.
Según una cuarta realización de la invención, representada esquemáticamente por la Figura 4, el bucle (46) frigorífico comprende una primera serie de intercambiador (43 y 48) de calor, un expansor (44), una segunda serie de intercambiador (45 y 47) de calor, un compresor (41) y una válvula (42) de cuatro vías. Una ramificación (d1) de derivación montada por un lado en la salida del intercambiador (43) y por otro lado en la salida del intercambiador (47), teniendo en cuenta la circulación del fluido en modo frigorífico. Esta ramificación comprende un intercambiador (d1) de calor atravesado por un flujo de aire o un flujo de gas de escape, y un expansor (d2). El funcionamiento de esta ramificación es idéntico a la segunda realización presentada en la Figura 2.
Los intercambiadores (43 y 45) de calor son del tipo de aire/fluido refrigerante, y los intercambiadores (48 y 47) son del tipo de líquido/fluido refrigerante. El funcionamiento de estos intercambiadores es idéntico a la tercera realización presentada en la Figura 3.
El funcionamiento del bucle según la cuarta realización, corresponde normalmente a la combinación de los funcionamientos de las realizaciones segunda y tercera tal como se describieron anteriormente. Por tanto, todas las características de estas dos realizaciones se aplican para esta cuarta realización.
En particular, aunque la Figura 4 da a conocer una realización con dos intercambiadores (47 y 48) de calor de fluido/líquido, el bucle frigorífico puede comprender o bien el intercambiador (47) o bien el intercambiador (48) (modo no representado en la Figura 4).
El intercambiador (47 o 48) de fluido/líquido puede montarse en serie con el intercambiador (respectivamente 45 o 43) de calor (tal como se representa esquemáticamente en la Figura 4) o en paralelo con el mismo. Cuando está montado en serie con el intercambiador (45 o 43) de calor, el intercambiador (47 o 48) puede colocarse antes o después del intercambiador (45 o 43), en el sentido de circulación del fluido refrigerante.
Según una quinta realización de la invención, representada esquemáticamente por las Figuras 5, 6 y 7, el bucle (56) frigorífico comprende una primera serie de intercambiador (53 y 58) de calor, un expansor (59), un expansor (54), una segunda serie de intercambiador (55 y 57) de calor, un compresor (51).
El bucle también comprende una ramificación (d3) de derivación, montada por un lado en la salida del intercambiador (53), y por otro lado en la salida del intercambiador (57), teniendo en cuenta la circulación del fluido en modo frigorífico. Esta ramificación comprende un intercambiador (d1) de calor atravesado por un flujo de aire o un flujo de gas de escape, y un expansor (d2). El funcionamiento de esta ramificación es idéntico a la segunda realización presentada en la Figura 2.
El bucle frigorífico también comprende una ramificación (d4) de derivación que comprende una válvula (d41), y otra ramificación (d5) de derivación que comprende una válvula (d51).
Los intercambiadores (53 y 55) de calor son del tipo de aire/fluido refrigerante, siendo preferiblemente el intercambiador (53) un intercambiador de aire exterior/fluido refrigerante.
El intercambiador (57) es del tipo de líquido/fluido refrigerante. El funcionamiento de este intercambiador es idéntico al intercambiador (37) de la tercera realización presentada en la Figura 3.
El intercambiador (58) es del tipo de líquido/fluido refrigerante o aire/fluido refrigerante.
Tal como se indica a continuación para la tercera realización, las Figuras 5, 6 y 7 dan a conocer realizaciones con dos intercambiadores (57 y 58) de calor. No obstante, según la quinta realización anteriormente mencionada, el bucle frigorífico puede comprender o bien el intercambiador (57) o bien el intercambiador (58). Preferiblemente, el intercambiador (57) no está presente en el bucle.
El intercambiador (57 o 58) puede montarse en serie con el intercambiador (respectivamente 55 o 53) de calor (tal como se representa esquemáticamente en las Figuras 5, 6 y 7) o en paralelo con el mismo. Cuando está montado en serie con el intercambiador (55 o 53) de calor, el intercambiador (57 o 58) puede colocarse antes o después del intercambiador (55 o 53), en el sentido de circulación del fluido refrigerante.
La Figura 6 representa el modo frigorífico de la quinta realización. En este modo frigorífico, el fluido refrigerante se pone en movimiento por el compresor (51) y atraviesa:
- o bien el intercambiador (58) (si está presente) sin que este funcione (el fluido simplemente pasa sin que el intercambiador se ponga en marcha), después el expansor (59) sin que éste funcione (totalmente abierto) o bien el fluido refrigerante pasa por una derivación (no representada en las Figuras 5, 6 y 7) que permite circunvalar el expansor,
- o bien una válvula (no representada en las figuras) aguas arriba del intercambiador (58), permite circunvalar el intercambiador (58) para que el fluido pase por la derivación (d4) (estando la válvula [d41] abierta).
Al estar la válvula (d51) cerrada, el fluido atraviesa a continuación:
- el intercambiador (53), que desempeña el papel de condensador (es decir, que desprende calorías hacia el exterior), a continuación el expansor (54), después el intercambiador (55), que desempeña el papel de evaporador, permitiendo, así, el enfriamiento del flujo de aire destinado a impulsarse al interior del habitáculo del vehículo automóvil, y eventualmente el intercambiador (57), si está presente, que desempeña el papel de evaporador, permitiendo, así, el enfriamiento de un líquido que permite a su vez enfriar el aire en el interior del habitáculo del vehículo por medio de otro intercambiador de calor de líquido/aire; y/o
- el expansor (d2) y después el intercambiador (d1), que desempeña el papel de evaporador, permitiendo, por ejemplo, el enfriamiento del flujo de aire destinado a enfriar el motor eléctrico y/o el circuito electrónico y/o la batería.
La Figura 7 representa el modo de calentamiento de la quinta realización. En este modo de calentamiento, el fluido refrigerante se pone en movimiento por el compresor (51). Al estar la válvula (d41) cerrada, el fluido atraviesa a continuación el intercambiador (58), que desempeña el papel de condensador, después el expansor (59) y el intercambiador (53) de calor, que desempeña el papel de evaporador. Al estar las válvulas (54) y (d2) cerradas, el fluido refrigerante atraviesa a continuación la derivación (d5) por medio de la válvula (d51) abierta.
El intercambiador (58) de calor desempeña el papel de condensador y permite, entonces, calentar el flujo de aire destinado al habitáculo del vehículo automóvil (si se trata de un intercambiador de aire/fluido refrigerante) o bien calentar un líquido que permite, a su vez, calentar el flujo de aire destinado al habitáculo del vehículo automóvil, por medio de otro intercambiador de calor de líquido/aire (si se trata de un intercambiador de líquido/fluido refrigerante), pudiendo el mismo intercambiador calentar también la batería si es necesario.
Las Figuras 1 a 4 describen realizaciones en las que los medios de inversión del funcionamiento del bucle reversible son un medio de inversión del sentido de circulación del fluido refrigerante, tal como, por ejemplo, una válvula de 4 vías.
Las Figuras 5, 6 y 7 describen realizaciones en las que los medios de inversión del funcionamiento del bucle reversible son válvulas de parada (de cierre), que permiten concretamente modificar el recorrido del fluido refrigerante y la inversión de la función de determinados intercambiadores de calor.
En todas las realizaciones anteriormente mencionadas, los sistemas descritos pueden comprender válvulas de parada (de cierre) o derivaciones complementarias (aunque no estén presentes en las Figuras 1 a 7).
Todas las realizaciones descritas anteriormente pueden combinarse entre sí.
En el contexto de la invención, por “comprendido entre x e y” , o “de x a y” , se entiende un intervalo en el que los límites x e y están incluidos. Por ejemplo, el intervalo “comprendido entre el 1 y el 2 %” incluye concretamente los valores del 1 y el 2 %.
Los siguientes ejemplos ilustran la invención sin por ello limitarla.
Parte experimental
En las siguientes tablas, “Tx” designa la temperatura en el lugar “x” , “ Px” designa la presión del fluido en el lugar “x” , “% Y/R134a” designa el porcentaje de la propiedad “Y” del fluido con respecto al fluido de referencia R134a.
COP: coeficiente de rendimiento, y se define, cuando se trata de una bomba de calor, como la potencia caliente útil proporcionada por el sistema (CAP) con respecto a la potencia aportada o consumida por el sistema por unidad de volumen desplazado.
Rendimiento isentrópico del compresor: es la relación entre la energía real transmitida al fluido y la energía isentrópica.
q = a br c ■ t2 d ■ t3 e ■ t4
q: rendimiento isentrópico
t: tasa de compresión
a, b, c y e: constantes
Los valores de las constantes a, b, c, d y e, se determinan según una curva típica de rendimiento, de acuerdo con el “Handbook of air conditioning and refrigeration, Shan k. Wang” . Las mezclas según la invención, son las siguientes:
Se supone una instalación de bomba de calor reversible que funciona entre una temperatura media de evaporación comprendida entre 0° y -30 0C, una temperatura media de condensación de 30 0C, un sobrecalentamiento de 17 0C y con un intercambiador interno.
Ejemplo 1 A: Resultados a una temperatura media de evaporación de 0 0C
Ejemplo 1B: Resultados a una temperatura media de evaporación de -5 0C
Ejemplo 1C: Resultados a una temperatura media de evaporación de -10 0C
Ejemplo 1D: Resultados a una temperatura media de evaporación de -20 0C
Ejemplo 1E: Resultados a una temperatura media de evaporación de -30 0C
De los Ejemplos 1A a 1E, se desprende que las mezclas según la invención, muestran una presión en el evaporador superior a la presión del HFC-134a, lo cual ayuda a limitar la infiltración de aire al interior del sistema, en particular cuando este sistema funciona a baja temperatura, por ejemplo, a una temperatura en el evaporador de 0 °C, -5 0C, -10 0C, -20 0C y -30 °C.
Para un mismo compresor, las mezclas de la invención presentan ventajosamente más rendimiento que e1HFC-134a. Los ejemplos anteriores muestran, en efecto, que las mezclas de la invención conducen a un rendimiento en el compresor similar o superior al del HFC-134a, una mejor capacidad y un COP idéntico o incluso mejor.
Claims (14)
- REIVINDICACIONESi. Procedimiento de calentamiento y/o de climatización de un habitáculo de vehículo automóvil con la ayuda de un bucle frigorífico reversible, en el que circula un fluido refrigerante, que comprende un primer intercambiador de calor, un expansor, un segundo intercambiador de calor, un compresor y medios de inversión del funcionamiento del bucle frigorífico reversible, caracterizado por que el fluido refrigerante comprende:- del 4 % al 6 % en peso de difluorometano;- del 2,5 % al 3,5 % en peso de pentafluoroetano; y- del 91 % al 93,5 % en peso de tetrafluoropropeno, preferiblemente 2,3,3,3-tetrafluoropropeno.
- 2. Procedimiento según la reivindicación 1, en donde el fluido refrigerante comprende:- del 4,5 % al 5,5 % en peso de difluorometano;- del 2,5 % al 3,5 % en peso de pentafluoroetano; y- del 91 % al 93 % en peso de tetrafluoropropeno, en particular 2,3,3,3-tetrafluoropropeno, preferiblemente del 91 % al 92 % en peso de tetrafluoropropeno.
- 3. Procedimiento según las reivindicaciones 1 o 2, en donde el fluido refrigerante comprende:- del 4,5 % al 5,5 % en peso de difluorometano;- del 2,5 % al 3,5 % en peso de pentafluoroetano; y- del 91,5 % al 93 % en peso de tetrafluoropropeno.
- 4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 2, en donde el fluido refrigerante comprende:- del 4,5 % al 5,5 % en peso de difluorometano;- del 3 % al 3,5 % en peso de pentafluoroetano; y- del 91 % al 92 % en peso de tetrafluoropropeno.
- 5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, en donde el fluido refrigerante se elige del grupo constituido por:- el 5 % en peso de difluorometano, el 3,3 % en peso de pentafluoroetano y el 91,7 % en peso de tetrafluoropropeno, en particular de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno;- el 5 % en peso de difluorometano, el 3 % en peso de pentafluoroetano y el 92 % en peso de tetrafluoropropeno, en particular de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno;- el 5 % en peso de difluorometano, el 3,1 % en peso de pentafluoroetano y el 91,9 % en peso de tetrafluoropropeno, en particular de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno;- el 5 % en peso de difluorometano, el 3,2 % en peso de pentafluoroetano y el 91,8 % en peso de tetrafluoropropeno, en particular de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno;- el 6 % en peso de difluorometano, el 3 % en peso de pentafluoroetano y el 91 % en peso de tetrafluoropropeno, en particular de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno; y- el 6 % en peso de difluorometano, el 2,5 % en peso de pentafluoroetano y el 91,5 % en peso de tetrafluoropropeno, en particular de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno.
- 6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, en donde el fluido refrigerante tiene un GWP inferior a 150, preferiblemente inferior o igual a 140, en particular inferior o igual a 130.
- 7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6 , en donde el fluido refrigerante tiene un límite inferior de inflamabilidad superior a 285 g/m3, preferiblemente superior o igual a 287 g/m3, en particular superior o igual a 290 g/m3.
- 8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, en donde el fluido refrigerante tiene una velocidad de propagación de llama inferior a 2 cm/s, preferiblemente inferior o igual a 1,7 cm/s, preferiblemente inferior o igual a 1,6 cm/s, ventajosamente inferior o igual a 1,5 cm/s.
- 9. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 , caracterizado por que los intercambiadores primero y segundo son del tipo de aire/fluido refrigerante.
- 10. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por que el bucle frigorífico está acoplado térmicamente con un circuito de enfriamiento del motor y/o del circuito electrónico.
- 11. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por que el primer intercambiador de calor se atraviesa a la vez por el fluido refrigerante y por gases de escape procedentes del motor térmico del vehículo automóvil o por el calor procedente de la batería o del circuito electrónico del vehículo automóvil.
- 12. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado por que el bucle puede comprender en derivación, al menos un intercambiador de calor que se comunica térmicamente con un flujo de aire, destinado a admitirse en el interior del motor térmico del vehículo automóvil, o con gases de escape procedentes del motor térmico automóvil y/o con calor procedente del motor eléctrico y/o del circuito electrónico y de la batería del vehículo automóvil eléctrico.
- 13. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado por que el bucle frigorífico se instala en vehículos para la recuperación de energía del motor térmico y/o de la batería eléctrica.
- 14. Dispositivo que comprende el bucle frigorífico reversible según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
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