ES2923624T3 - Máquina termodinámica y procedimientos alternativos para operar dicha máquina - Google Patents

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Abstract

Máquina termodinámica con un cruce de refrigerante primero, segundo, tercero, tercero y cuarto intercambiadores de calor (2, 3, 4, 5) para circular un refrigerante. Se monta un compresor (6) entre una salida del segundo intercambiador de calor (3) y una entrada al primer intercambiador de calor (2). Se monta un primer regulador (7) entre una salida del primer intercambiador de calor (2) y una entrada al segundo intercambiador de calor (3). Cuatro nodos de enlace (17, 18, 19, 20) conectan diferentes entradas y salidas para definir varios canales de tráfico para el refrigerante. Primero, segundo y tercer dispositivo de conmutación (10, 11, 12, 13, 14, 15, 21, 22, 23) definen selectivamente un canal que aumente el tercer intercambiador de calor (4) y el cuarto intercambiador de calor (5) en paralelo con El primer intercambiador de calor (2) o el tercer intercambiador de calor (4) y el cuarto intercambiador de calor (5) en paralelo con el segundo intercambiador de calor (3). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Máquina termodinámica y procedimientos alternativos para operar dicha máquina
Campo de la técnica
La invención se refiere a una máquina termodinámica y a procedimientos alternativos para operar dicha máquina. De este modo, el objeto de la invención pertenece al campo de las instalaciones de producción de energía calorífica y frigorífica por ciclo termodinámico, por ejemplo para satisfacer las necesidades de calefacción, de refrigeración y de producción de agua caliente sanitaria, en los sectores de la construcción y de la industria.
Más en particular, la invención aborda el campo de las máquinas termodinámicas de múltiples fuentes, capaces de intercambiar energía térmica con al menos dos fuentes externas diferentes, por ejemplo, el aire ambiente y el subsuelo. La invención se refiere a una máquina termodinámica denominada termofrigobomba, que asegura simultáneamente el suministro de energía calorífica a un elemento de consumo de energía calorífica por un lado y el suministro de energía frigorífica a un elemento de consumo de energía frigorífica por otro lado, mientras intercambia energía térmica con una u otra de estas dos fuentes externas o con ambas.
Técnica anterior
El elemento de consumo de energía calorífica, denominado también elemento de consumo de calor, se define como uno o varios elementos que absorben calor por medio de un fluido caloportador. La potencia calorífica transferida al elemento de consumo es directamente proporcional a la diferencia entre la temperatura del fluido caloportador en dirección al elemento de consumo de calor y la temperatura del fluido caloportador en el retorno del elemento de consumo de calor.
El elemento de consumo de energía frigorífica, denominado también elemento de consumo de frío, se define como uno o varios elementos que absorben energía frigorífica por medio de un fluido caloportador. La potencia frigorífica transferida al elemento de consumo es directamente proporcional a la diferencia entre la temperatura del fluido caloportador en dirección al elemento de consumo de frío y la temperatura del fluido caloportador en el retorno del elemento de consumo de frío.
Las termofrigobombas producen una energía calorífica que es transferida al exterior a través de un intercambiador térmico denominado intercambiador condensador, en cuyo circuito primario tiene lugar la condensación de un fluido frigorígeno, y en cuyo circuito secundario circula el fluido caloportador que transporta la energía calorífica hacia el elemento de consumo de calor. Las termofrigobombas producen simultáneamente una energía frigorífica que es transferida al exterior a través de un intercambiador térmico denominado intercambiador evaporador, en cuyo circuito primario tiene lugar la evaporación de un fluido frigorígeno, y en cuyo circuito secundario circula el fluido caloportador que transporta la energía frigorífica hacia el elemento de consumo de frío.
Por el principio mismo de funcionamiento de la máquina, basado en el ciclo termodinámico de un fluido frigorígeno, la relación entre las potencias calorífica y frigorífica producidas por la máquina en un instante dado, depende esencialmente del tipo de fluido frigorígeno usado y de los valores de temperatura de condensación y de evaporación del fluido frigorígeno en el instante considerado. Estos valores de temperatura están relacionados directamente con los valores de temperatura del fluido caloportador en salida del elemento secundario del intercambiador condensador y en salida del elemento secundario del intercambiador evaporador. La relación entre las potencias calorífica y frigorífica producidas por la máquina en un instante dado no puede así ajustarse libremente.
Por otra parte, la relación entre la potencia calorífica requerida por el elemento de consumo de calor y la potencia frigorífica requerida por el elemento de consumo de frío, independiente de la máquina termodinámica, puede variar en cada instante, y además puede adoptar cualquier valor. Una termofrigobomba es incapaz de adaptar en cada instante a la vez la potencia calorífica y la potencia frigorífica producidas en los valores de potencia calorífica y frigorífica requeridos respectivamente por el elemento de consumo de calor y el elemento de consumo de frío. Puede ser que la máquina adapte la potencia calorífica producida a la potencia calorífica requerida por el elemento de consumo de calor, y en este caso la potencia frigorífica producida por la máquina no corresponde al nivel de potencia requerido por el elemento de consumo de frío. O bien la máquina adapta la potencia frigorífica producida a la potencia frigorífica requerida por el elemento de consumo de frío, y en este caso la potencia calorífica producida por la máquina no corresponde al nivel de potencia requerido por el elemento de consumo de calor.
Se distinguen dos modos de funcionamiento, en función del nivel respectivo de la demanda de energía calorífica y de la demanda de energía frigorífica.
Cuando la relación entre las potencias calorífica y frigorífica invocadas por los elementos de consumo es superior a la relación entre las potencias calorífica y frigorífica producidas por la máquina, la máquina puede adaptar la potencia calorífica producida a la potencia calorífica requerida por el elemento de consumo de calor. Produce una potencia frigorífica superior a la potencia frigorífica requerida por el elemento de consumo de frío. La máquina extrae del elemento de consumo de frío solo una parte de la potencia calorífica necesaria para alimentar al elemento de consumo de calor. En este caso la máquina funciona según el modo denominado producción calorífica prioritaria, denominándose la producción calorífica producción prioritaria y denominándose la producción frigorífica producción no prioritaria.
En sentido inverso, cuando la relación entre las potencias calorífica y frigorífica denominadas por los elementos de consumo es inferior a la relación entre las potencias calorífica y frigorífica producidas por la máquina, la máquina puede adaptar la potencia frigorífica producida a la potencia frigorífica requerida por el elemento de consumo de frío. Produce una potencia calorífica superior a la potencia calorífica requerida por el elemento de consumo de calor. La máquina extrae del elemento de consumo de calor solo una parte de la potencia frigorífica necesaria para alimentar al elemento de consumo de frío. En este caso la máquina funciona según el modo denominado producción frigorífica prioritaria, denominándose la producción frigorífica producción prioritaria y denominándose la producción calorífica producción no prioritaria.
En el modo de producción calorífica prioritaria, solo una parte de la energía calorífica necesaria para alimentar al elemento de consumo de calor se extrae del elemento de consumo de frío, y la máquina debe extraer un complemento de energía calorífica de un elemento exterior. En el modo de producción frigorífica prioritaria, solo una parte de la energía frigorífica necesaria para alimentar al elemento de consumo de frío se extrae del elemento de consumo de calor, y es un complemento de energía frigorífica que debe extraerse de un elemento exterior.
Este elemento exterior, que asegura el equilibrio energético del sistema suministrando el complemento de energía calorífica o frigorífica, se denomina fuente externa.
La fuente externa se define como uno o varios elementos capaces de suministrar indistintamente energía calorífica o energía frigorífica a la máquina.
En aerotermia, la fuente externa es el aire ambiente y el intercambio térmico con esta fuente se realiza a través de un intercambiador térmico cuyo circuito secundario está en contacto directo con el aire ambiente. Por lo general, uno o varios ventiladores fuerza la circulación del aire ambiente en el circuito secundario del intercambiador.
En geotermia, la fuente externa es el subsuelo y el intercambio térmico con esta fuente se realiza a través de un conjunto de intercambiadores verticales, de tipo sonda geotérmica vertical, consistentes en canalizaciones insertadas en el subsuelo. El intercambio térmico con esta fuente se realiza por lo general a través de un intercambiador térmico cuyo circuito secundario está acoplado a los intercambiadores verticales por medio de canalizaciones donde circula un fluido caloportador.
Las llamadas termofrigobombas geotérmicas presentan un mejor nivel de rendimiento energético general que las llamadas termofrigobombas aerotérmicas; es decir, promediado durante un año.
El coeficiente de rendimiento de una máquina termodinámica se puede definir como la relación entre la energía calorífica que produce la máquina y la energía eléctrica que consume el compresor. Este coeficiente depende de la diferencia entre las temperaturas de condensación y evaporación del fluido frigorígeno que se adaptan continuamente a las temperaturas requeridas en el circuito secundario de los intercambiadores que funcionan como condensador y evaporador. Cuanto menor sea la diferencia entre estas dos temperaturas, mayor será el coeficiente de rendimiento. La temperatura del subsuelo es mucho menos propensa a variaciones estacionales que la temperatura del aire ambiente. Dado que las necesidades caloríficas son por lo general más altas durante el período invernal, cuando la temperatura del subsuelo es más alta que la temperatura del aire, el rendimiento energético de las máquinas que aprovechan la energía calorífica del subsuelo funciona, durante este período, con un nivel más alto de eficiencia energética que las máquinas que aprovechan la energía calorífica contenida en el aire ambiente. Del mismo modo, dado que las necesidades frigoríficas son por lo general más altas durante el período estival, cuando la temperatura del subsuelo es menor que la temperatura del aire, las máquinas que aprovechan la energía frigorífica del subsuelo funcionan durante este período con un mayor nivel de rendimiento energético que las máquinas que aprovechan la energía frigorífica contenida en el aire ambiente.
Las termofrigobombas geotérmicas presentan varios inconvenientes. Hay períodos del año en los que el aprovechamiento de la fuente geotérmica es menos favorable para el rendimiento energético de la máquina termodinámica que el aprovechamiento de la fuente aerotérmica. Estas situaciones dependen del entorno geológico y climático del lugar donde se instala la máquina y de la naturaleza de los usos de los elementos de consumo de energía térmica. Estas situaciones se dan entre estaciones, cuando la temperatura del aire ambiente alcanza temporalmente valores más favorables que la temperatura del subsuelo. Durante estos períodos, la temperatura del aire ambiente puede alcanzar valores más altos que la temperatura del subsuelo, mientras que las necesidades de los elementos de consumo de energía térmica son mayoritariamente necesidades de energía calorífica. Del mismo modo, la temperatura del aire ambiente puede alcanzar valores más bajos que la temperatura del subsuelo mientras que las necesidades de los elementos de consumo de energía térmica son mayoritariamente necesidades de energía frigorífica.
Estas situaciones también se pueden dar cuando los elementos de consumo de energía térmica presentan usos que no están relacionados con las estaciones. Un ejemplo característico se refiere al consumo de agua caliente sanitaria, que se distribuye de manera uniforme durante todo el año. Es común que este tipo de uso se dé en edificios para fines hospitalarios, en edificios para fines hoteleros o en viviendas. Durante el período invernal, el aprovechamiento de la energía contenida en el subsuelo para la producción de agua caliente es más favorable que el aprovechamiento de la energía aerotérmica. Durante el período estival, por el contrario, el aprovechamiento de la fuente geotérmica para esta producción calorífica conduce a niveles de rendimiento de la máquina termodinámica mucho más bajos en comparación con una máquina que aprovecha la fuente aerotérmica.
Otro ejemplo se refiere a la calefacción de las piscinas, cuyas aguas se renuevan regularmente por razones sanitarias. La necesidad de calefacción es efectiva durante todo el año, incluso en período estival.
Dichas situaciones también se dan en el sector industrial, donde la demanda de energía frigorífica es efectiva durante todo el año, incluso durante el período invernal. Para estas aplicaciones, el aprovechamiento de la energía frigorífica del aire ambiente conduciría durante el período invernal a un nivel de rendimiento muy superior al aprovechamiento de la fuente geotérmica. Para una termofrigobomba geotérmica, la energía térmica contenida en el subsuelo se ubica en el agarre de los intercambiadores de calor verticales. La energía contenida en esta porción del subsuelo solo se renueva naturalmente de manera extremadamente lenta y limitada. El aprovechamiento energético del subsuelo genera entonces una variación local, al alza o a la baja, de su temperatura, que a largo plazo puede, además, conducir al agotamiento del recurso si este aprovechamiento resulta ser demasiado importante. La fuente geotérmica, que se aprovecha localmente, no es por lo tanto inagotable, a diferencia de la energía térmica aprovechada por las máquinas aerotérmicas, que está contenida en el aire ambiente, y que se renueva constantemente. La cantidad de energía calorífica o frigorífica que una fuente geotérmica local puede proporcionar anualmente, en otras palabras, su capacidad energética, es por lo tanto limitada.
Para una aplicación dada y un subsuelo que presenta localmente propiedades térmicas e hidrogeológicas dadas, el dimensionamiento de un campo de sondas geotérmicas, es decir, el número y la profundidad de los intercambiadores verticales y su agarre en el subsuelo, dependerá entonces, esencialmente, del nivel de demanda energética del subsuelo, es decir, de la cantidad de energía calorífica o frigorífica que se obtendrá anualmente del subsuelo. Para aumentar la cantidad de energía calorífica o frigorífica que una fuente geotérmica local podrá suministrar anualmente, es necesario aumentar el dimensionamiento del campo de sondas geotérmicas, lo que es muy costoso.
Otra forma de aumentar la capacidad de la fuente geotérmica consiste en efectuar una recarga calorífica o frigorífica del subsuelo a partir de otro recurso. La inercia térmica del subsuelo se usa entonces para almacenar en un período determinado una energía calorífica o frigorífica producida a bajo coste energético a partir de otra fuente, y ponerla a disposición en un período posterior, correspondiente al período de demanda térmica del elemento de consumo de energía.
La fuente aerotérmica puede constituir una fuente de energía aprovechable a bajo coste energético en determinadas épocas del año. En el período estival, el aprovechamiento de la energía calorífica contenida en el aire ambiente para recargar el subsuelo con energía calorífica se puede llevar a cabo con una eficiencia energética alta. En el período invernal, también se puede llevar a cabo el aprovechamiento de la energía frigorífica contenida en el aire ambiente para recargar el subsuelo con energía frigorífica, o en otras palabras, para descargar el subsuelo de energía calorífica, con alta eficiencia energética.
El documento US20030196445 divulga una máquina termodinámica que comprende un compresor, un condensador primario, un dispositivo de expansión principal, un evaporador primario y un generador de vórtices montados en serie para formar un bucle. Un extremo de un intercambiador de calor está conectado al generador de vórtices o a la entrada del condensador primario por medio de una conexión en "T" y dos válvulas. Otro extremo del intercambiador de calor está conectado al dispositivo de expansión principal por medio de otra válvula o a la salida del condensador primario por un dispositivo de expansión secundario.
El documento EP2918949 divulga un intercambiador geotérmico y un intercambiador aerotérmico montados en paralelo y conectados en serie con un intercambiador de calor de agua. Cada uno de los intercambiadores geotérmico o aerotérmico está asociado a una válvula. Un compresor y un contenedor de fluido frigorígeno están montados en serie y conectan intercambiador de calor de agua o intercambiador geotérmico o aerotérmico en una dirección u otra por medio de una válvula de cuatro vías.
Resumen de la invención
La presente invención tiene por objetivo resolver los problemas mencionados anteriormente y proponer una máquina termodinámica de tipo termofrigobomba, que es capaz de producir simultáneamente energía calorífica y energía frigorífica con destino, respectivamente, a un elemento de consumo de calor y a un elemento de consumo de frío, y que es capaz de aprovechar alternativa o simultáneamente un recurso de tipo geotérmico y un recurso de tipo aerotérmico.
Se tiende a resolver estas necesidades por medio de una máquina termodinámica, definida por la reivindicación independiente 1, que comprende
- un primer intercambiador de calor que posee al menos un circuito primario en el que circula un fluido frigorígeno y al menos un circuito secundario destinado a ser recorrido por un primer fluido caloportador, estando el primer intercambiador de calor configurado para condensar el fluido frigorígeno;
- un segundo intercambiador de calor que posee al menos un circuito primario en el que circula el fluido frigorígeno y al menos un circuito secundario destinado a ser recorrido por un segundo fluido caloportador, estando el segundo intercambiador de calor configurado para evaporar el fluido frigorígeno;
- un tercer intercambiador de calor destinado a cooperar con una fuente geotérmica y que posee al menos un circuito primario en el que circula el fluido frigorígeno y al menos un circuito secundario, estando el tercer intercambiador de calor configurado para evaporar o condensar el fluido frigorígeno;
- un cuarto intercambiador de calor destinado a cooperar con una fuente areotérmica y que posee al menos un circuito primario en el que circula el fluido frigorígeno y al menos un circuito secundario, estando el cuarto intercambiador de calor configurado para evaporar o condensar el fluido frigorígeno;
- al menos un primer circuito frigorígeno en el interior del cual circula el fluido frigorígeno, conectando el al menos un circuito frigorígeno el primer intercambiador de calor, el segundo intercambiador de calor, el tercer intercambiador de calor y el cuarto intercambiador de calor. El al menos un primer circuito frigorígeno comprende:
- un compresor montado entre una salida del segundo intercambiador de calor y una entrada del primer intercambiador de calor;
- un primer manorreductor montado entre una salida del primer intercambiador de calor y una entrada del segundo intercambiador de calor;
- un primer nodo de enlace que conecta la salida del compresor a la entrada del primer intercambiador de calor, a un primer dispositivo de conmutación y a un segundo dispositivo de conmutación;
- un segundo nodo de enlace que conecta una salida del primer intercambiador de calor a una entrada del primer manorreductor y a un tercer dispositivo de conmutación;
- un tercer nodo de enlace que conecta la entrada del segundo intercambiador de calor con una salida del primer manorreductor y con el tercer dispositivo de conmutación;
- un cuarto nodo de enlace que conecta la salida del segundo intercambiador de calor a la entrada del compresor, al primer dispositivo de conmutación y al segundo dispositivo de conmutación;
- estando el primer dispositivo de conmutación configurado para definir selectivamente una primera configuración o una segunda configuración, definiendo la primera configuración un primer canal de circulación del fluido frigorígeno que conecta el primer nodo de enlace a la primera entrada/salida del tercer intercambiador de calor y que impide la circulación del fluido frigorígeno a través del primer dispositivo de conmutación hasta el cuarto nodo de enlace, definiendo la segunda configuración un segundo canal de circulación del fluido frigorígeno que conecta una primera entrada/salida del tercer intercambiador de calor al cuarto nodo de enlace y que impide la circulación del fluido frigorígeno a través del primer dispositivo de conmutación desde el primer nodo de enlace;
- estando el segundo dispositivo de conmutación configurado para definir selectivamente una primera configuración o una segunda configuración, definiendo la primera configuración un primer canal de circulación del fluido frigorígeno que conecta el primer nodo de enlace a la primera entrada/salida del cuarto intercambiador de calor y que impide la circulación del fluido frigorígeno a través del segundo dispositivo de conmutación hasta el cuarto nodo de enlace, definiendo la segunda configuración un segundo canal de circulación del fluido frigorígeno que conecta una primera entrada/salida del cuarto intercambiador de calor al cuarto nodo de enlace y que impide la circulación del fluido frigorígeno a través del segundo dispositivo de conmutación desde el primer nodo de enlace;
- estando el tercer dispositivo de conmutación configurado para definir selectivamente una primera configuración, una segunda configuración o una tercera configuración, definiendo la primera configuración un primer canal de circulación del fluido frigorígeno que conecta el segundo nodo de enlace a una segunda entrada/salida del tercer intercambiador de calor y a una segunda entrada/salida del cuarto intercambiador de calor y que impide la circulación del fluido frigorígeno a través del tercer dispositivo de conmutación hasta el tercer nodo de enlace, definiendo la segunda configuración un segundo canal de circulación del fluido frigorígeno que conecta la segunda entrada/salida del tercer intercambiador de calor y la segunda entrada/salida del cuarto intercambiador de calor al tercer nodo de enlace y que impide la circulación del fluido frigorígeno a través del tercer dispositivo de conmutación desde el segundo nodo de enlace, impidiendo la tercera configuración la circulación del fluido frigorígeno a través del tercer dispositivo de conmutación desde el segundo nodo de enlace, impidiendo la tercera configuración la circulación del fluido frigorígeno a través del tercer dispositivo de conmutación desde el segundo nodo de enlace e impidiendo la circulación del fluido frigorígeno a través del tercer dispositivo de conmutación hasta el tercer nodo de enlace y conectando la segunda entrada/salida del tercer intercambiador de calor y la segunda entrada/salida del cuarto intercambiador de calor; - un segundo manorreductor montado entre el tercer dispositivo de conmutación y la segunda entrada/salida del tercer intercambiador de calor;
- un tercer manorreductor montado entre el tercer dispositivo de conmutación y la segunda entrada/salida del cuarto intercambiador de calor.
Ventajosamente, el segundo manorreductor y el tercer manorreductor son manorreductor bidireccionales.
En un desarrollo, la máquina comprende un circuito de control configurado para definir selectivamente al menos dos modos de funcionamiento de entre
- un primer modo de funcionamiento donde el primer dispositivo de conmutación y el segundo dispositivo de conmutación están en la segunda configuración, y el tercer dispositivo de conmutación está en la primera configuración, para transferir calorías desde el circuito secundario del segundo intercambiador de calor y/o desde un circuito secundario del tercer intercambiador de calor y/o desde un circuito secundario del cuarto intercambiador de calor hacia el circuito secundario del primer intercambiador de calor;
- un segundo modo de funcionamiento donde el primer dispositivo de conmutación y el segundo dispositivo de conmutación están en la primera configuración, y el tercer dispositivo de conmutación está en la segunda configuración, para transferir calorías desde el circuito secundario del segundo intercambiador de calor hacia el circuito secundario del primer intercambiador de calor y/o hacia el circuito secundario del tercer intercambiador de calor y/o hacia el circuito secundario del cuarto intercambiador de calor;
- un tercer modo de funcionamiento donde el primer dispositivo de conmutación está en la segunda configuración, el segundo dispositivo de conmutación está en la primera configuración y el tercer dispositivo de conmutación está en la tercera configuración, para transferir calorías desde el circuito secundario del tercer intercambiador de calor hacia el circuito secundario del cuarto intercambiador de calor;
- un cuarto modo de funcionamiento donde el primer dispositivo de conmutación está en la primera configuración, el segundo dispositivo de conmutación está en la segunda configuración y el tercer dispositivo de conmutación está en la tercera configuración, para transferir calorías desde el circuito secundario del cuarto intercambiador de calor hacia el circuito secundario del tercer intercambiador de calor;
Según otro desarrollo, la máquina comprende:
- un primer sensor de temperatura configurado para medir la temperatura en la entrada del al menos un circuito secundario del tercer intercambiador de calor;
- un segundo sensor de temperatura configurado para medir la temperatura en la entrada del al menos un circuito secundario del cuarto intercambiador de calor; y donde el segundo manorreductor y el tercer manorreductor tienen un grado de apertura variable. El circuito de control está configurado para controlar el grado de apertura del segundo manorreductor y el grado de apertura del tercer manorreductor y ajustar la potencia calorífica o frigorífica transmitida respectivamente a través del tercer intercambiador de calor y el cuarto intercambiador de calor en función de los valores de temperatura medidos en la entrada del al menos un circuito secundario del tercer intercambiador de calor y en la entrada del al menos un circuito secundario del cuarto intercambiador de calor.
Ventajosamente, el circuito de control está configurado para cerrar el segundo manorreductor en el primer modo de funcionamiento cuando el circuito de control constata que el valor de temperatura en la entrada del al menos un circuito secundario del tercer intercambiador de calor es menor que el valor de temperatura en la entrada del al menos un circuito secundario del cuarto intercambiador de calor.
En un modo de realización particular, el circuito de control está configurado para cerrar el tercer manorreductor en el primer modo de funcionamiento cuando el circuito de control constata que el valor de temperatura en la entrada del al menos un circuito secundario del tercer intercambiador de calor es mayor que el valor de temperatura en la entrada del al menos un circuito secundario del cuarto intercambiador de calor.
Preferentemente, el circuito de control está configurado para cerrar el segundo manorreductor en el segundo modo de funcionamiento cuando el circuito de control constata que el valor de temperatura en la entrada del al menos un circuito secundario del tercer intercambiador de calor es mayor que el valor de temperatura en la entrada del al menos un circuito secundario del cuarto intercambiador de calor.
En un modo de realización particular, el circuito de control está configurado para cerrar el tercer manorreductor en el segundo modo de funcionamiento cuando el circuito de control constata que el valor de temperatura en la entrada del al menos un circuito secundario del tercer intercambiador de calor es menor que el valor de temperatura en la entrada del al menos un circuito secundario del cuarto intercambiador de calor.
Ventajosamente, la máquina comprende medios para medir la temperatura de la fuente geotérmica y donde el circuito de control comprende un modelo predictivo de la temperatura de la fuente geotérmica a lo largo del tiempo, estando el circuito de control configurado para activar el tercer modo de funcionamiento o el cuarto modo de funcionamiento cuando el circuito de control constata que la temperatura de la fuente geotérmica se desvía de la temperatura del modelo predictivo más allá de un valor umbral.
En un modo de realización particular, los medios para medir la temperatura de la fuente geotérmica comprenden el primer sensor de temperatura y un dispositivo de estimación configurado para estimar la temperatura de la fuente geotérmica a partir de la temperatura en la entrada del al menos un circuito secundario del tercer intercambiador de calor.
En un desarrollo, los medios para medir la temperatura de la fuente geotérmica comprenden un tercer sensor de temperatura diseñado para instalarse en el subsuelo cerca de la fuente geotérmica.
Ventajosamente, el circuito de control está configurado para activar el tercer modo de funcionamiento solo cuando el circuito de control constata que la temperatura en la entrada del al menos un circuito secundario del cuarto intercambiador de calor es menor que la temperatura en la entrada del al menos un circuito secundario del tercer intercambiador de calor y/o para activar el cuarto modo de funcionamiento solo cuando el circuito de control constata que la temperatura en la entrada del al menos un circuito secundario del cuarto intercambiador de calor es mayor que la temperatura en la entrada del al menos un circuito secundario del tercer intercambiador de calor.
De manera ventajosa, como se define mediante la reivindicación dependiente 13, la máquina comprende un segundo circuito frigorígeno distinto del primer circuito frigorígeno en el interior del cual circula un segundo fluido frigorígeno, conectando el segundo circuito frigorígeno el primer intercambiador de calor, el segundo intercambiador de calor, el tercer intercambiador de calor y el cuarto intercambiador de calor, teniendo el segundo circuito frigorígeno un compresor, un primer manorreductor, un segundo manorreductor y un tercer manorreductor, un primer nodo de enlace, un segundo nodo de enlace, un tercer nodo de enlace, un cuarto nodo de enlace, un primer dispositivo de conmutación, un segundo dispositivo de conmutación y un tercer dispositivo de conmutación dispuestos de manera similar al primer circuito frigorígeno.
En otro desarrollo, el circuito de control está configurado para definir selectivamente para el segundo circuito frigorígeno los modos de funcionamiento primero, segundo, tercero y cuarto similares a los modos de funcionamiento primero, segundo, tercero y cuarto del primer circuito frigorígeno.
Preferentemente, el circuito de control está configurado para definir una configuración donde el primer circuito frigorígeno está en el primer modo de funcionamiento, manteniéndose cerrado el tercer manorreductor del primer circuito frigorígeno, y el segundo circuito frigorígeno está en el tercer modo de funcionamiento.
Resulta también ventajoso prever que el circuito de control esté configurado para definir una configuración donde el primer circuito frigorígeno está en el primer modo de funcionamiento, manteniéndose cerrado el segundo manorreductor del primer circuito frigorígeno, y el segundo circuito frigorígeno está en el cuarto modo de funcionamiento.
En una configuración particular, el circuito de control está configurado para definir una configuración donde el primer circuito frigorígeno está en el segundo modo de funcionamiento, manteniéndose cerrado el tercer manorreductor del primer circuito frigorígeno, y el segundo circuito frigorígeno está en el cuarto modo de funcionamiento.
En otro desarrollo, el circuito de control está configurado para definir una configuración donde el primer circuito frigorígeno está en el segundo modo de funcionamiento, manteniéndose cerrado el segundo manorreductor del primer circuito frigorígeno, y el segundo circuito frigorígeno está en el tercer modo de funcionamiento.
La invención también tiene como objeto procedimientos alternativos de funcionamiento, según las reivindicaciones dependientes 19 y 20, de una máquina de tipo termofrigobomba que permite aprovechar un recurso de tipo geotérmico y un recurso de tipo aerotérmico y que permite gestionar de forma activa la fuente geotérmica mediante la realización de una recarga calorífica o frigorífica de la fuente geotérmica a partir de la fuente aerotérmica.
Se tiende a resolver estas necesidades por medio de un primer grupo de alternativas de un procedimiento de funcionamiento de una máquina termodinámica, según la reivindicación independiente 19, que comprende las etapas de:
- suministrar una máquina termodinámica según una de las configuraciones anteriores;
- operar la máquina termodinámica en un modo de funcionamiento seleccionado de entre:
i) un montaje paralelo del segundo intercambiador de calor, del tercer intercambiador de calor y del cuarto intercambiador de calor, funcionando el segundo intercambiador de calor, el tercer intercambiador de calor y el cuarto intercambiador de calor como evaporadores de fluido frigorígeno, entre la salida del primer intercambiador de calor que funciona como condensador de fluido frigorígeno, y la entrada del compresor,
ii) un montaje paralelo del primer intercambiador de calor, del tercer intercambiador de calor y del cuarto intercambiador de calor, funcionando el primer intercambiador de calor, el tercer intercambiador de calor y el cuarto intercambiador de calor como condensadores de fluido frigorígeno, entre la salida del compresor y la entrada del segundo intercambiador de calor que funciona como evaporador de fluido frigorígeno,
iii) un montaje en serie del cuarto intercambiador de calor (5) que funciona como condensador de fluido frigorígeno, y del tercer intercambiador de calor (4) que funciona como evaporador de fluido frigorígeno, entre la salida del compresor (6) y la entrada del compresor (6),
iv) un montaje en serie del tercer intercambiador de calor que funciona como condensador de fluido frigorígeno, y del cuarto intercambiador de calor que funciona como evaporador de fluido frigorígeno, entre la salida del compresor y la entrada del compresor.
Alternativamente, se tiende a resolver estas necesidades por medio de un segundo grupo de alternativas de un procedimiento de funcionamiento de una máquina termodinámica, según la reivindicación independiente 20, que comprende las etapas de:
- suministrar una máquina termodinámica según una de las configuraciones anteriores que comprende al menos las características combinadas de las reivindicaciones 1 y 13;
- operar la máquina termodinámica en al menos uno de los modos de realización seleccionados de entre:
i) el primer intercambiador de calor condensa el primer fluido frigorígeno, el segundo intercambiador de calor evapora el primer fluido frigorígeno, el tercer intercambiador de calor evapora el primer fluido frigorígeno y el segundo fluido frigorígeno, el cuarto intercambiador de calor condensa el segundo fluido frigorígeno, el primer fluido frigorígeno no atraviesa el cuarto intercambiador de calor, y el segundo fluido frigorígeno no atraviesa los primer y el segundo intercambiadores de calor;
ii) el primer intercambiador de calor condensa el primer fluido frigorígeno, el segundo intercambiador de calor evapora el primer fluido frigorígeno, el tercer intercambiador de calor condensa el segundo fluido frigorígeno, el cuarto intercambiador de calor evapora el primer fluido frigorígeno y el segundo fluido frigorígeno, el primer fluido frigorígeno no atraviesa el tercer intercambiador de calor, y el segundo fluido frigorígeno no atraviesa los primer y segundo intercambiadores de calor;
iii) el primer intercambiador de calor condensa el primer fluido frigorígeno, el segundo intercambiador de calor evapora el primer fluido frigorígeno, el tercer intercambiador de calor condensa el primer fluido frigorígeno y el segundo fluido frigorígeno, el cuarto intercambiador de calor evapora el segundo fluido frigorígeno, el primer fluido frigorígeno no atraviesa el cuarto intercambiador de calor y el segundo fluido frigorígeno no atraviesa los primer y segundo intercambiadores de calor;
iv) el primer intercambiador de calor condensa el primer fluido frigorígeno, el segundo intercambiador de calor evapora el primer fluido frigorígeno, el tercer intercambiador de calor evapora el segundo fluido frigorígeno, el cuarto intercambiador de calor condensa el primer fluido frigorígeno y el segundo fluido frigorígeno, el primer fluido frigorígeno no atraviesa el tercer intercambiador de calor, y el segundo fluido frigorígeno no atraviesa los primer y segundo intercambiadores de calor.
Breve descripción de los dibujos
Otras ventajas y características se desprenderán más claramente a partir de la descripción que se ofrece a continuación de modos de realización particulares presentados a modo de ejemplos no limitativos e ilustrados con ayuda de los dibujos adjuntos, en los que cualquier realización de la invención comprende al menos el conjunto de las características de una de las reivindicaciones independientes. En los dibujos:
la figura 1 representa, de manera esquemática, una máquina termodinámica según la invención con interfaz entre un elemento de consumo de energía calorífica, un elemento de consumo de energía frigorífica, una primera fuente geotérmica externa, y una segunda fuente aerotérmica externa, según un primer modo de realización con un circuito frigorígeno;
la figura 2 representa, de manera esquemática, una máquina termodinámica según la invención, que funciona según un modo denominado producción calorífica prioritaria;
la figura 3 representa, de manera esquemática, una máquina termodinámica según la invención, que funciona según un modo denominado producción frigorífica prioritaria;
la figura 4 representa, de manera esquemática, una máquina termodinámica según la invención, en un modo de funcionamiento de tipo descarga de la fuente geotérmica;
la figura 5 representa, de manera esquemática, una máquina termodinámica según la invención, en un modo de funcionamiento de tipo recarga de la fuente geotérmica;
la figura 6 representa, de manera esquemática, un segundo modo de realización de una máquina termodinámica según la invención con interfaz entre un elemento de consumo de energía calorífica, un elemento de consumo de energía frigorífica, una primera fuente geotérmica externa y una segunda fuente aerotérmica externa, con dos circuitos frigorígenos; la figura 7 representa, de manera esquemática, una máquina termodinámica según el segundo modo de realización, cuyo primer circuito frigorígeno realiza una producción calorífica prioritaria donde solo se aprovecha la fuente geotérmica y cuyo segundo circuito frigorígeno realiza la descarga de la fuente geotérmica;
la figura 8 representa, de manera esquemática, una máquina termodinámica según el segundo modo de realización, cuyo primer circuito frigorígeno realiza una producción calorífica prioritaria donde solo se aprovecha la fuente aerotérmica, y cuyo segundo circuito frigorígeno realiza la recarga de la fuente geotérmica;
la figura 9 representa, de manera esquemática, una máquina termodinámica según el segundo modo de realización, cuyo primer circuito frigorígeno realiza una producción calorífica prioritaria donde solo se aprovecha la fuente aerotérmica, y cuyo segundo circuito frigorígeno realiza la descarga de la fuente geotérmica;
la figura 10 representa, de manera esquemática, una máquina termodinámica según el segundo modo de realización, cuyo primer circuito frigorígeno funciona en producción frigorífica prioritaria donde solo se aprovecha la fuente geotérmica, y cuyo segundo circuito frigorígeno realiza la recarga de la fuente geotérmica.
Descripción de los modos de realización
La máquina termodinámica 100 es de tipo termofrigobomba, es decir, que la máquina termodinámica posee al menos una bomba de calor cuya energía útil es rechazada desde una fuente caliente y es extraída de una fuente fría. La energía útil se obtiene de una o más fuentes térmicas externas. Una fuente térmica externa se define como uno o varios elementos capaces de suministrar indistintamente energía calorífica o energía frigorífica a la máquina termodinámica.
Preferentemente, las fuentes térmicas externas son elementos naturales, tal como el aire ambiente, el agua del medio natural, el suelo o cualquier tipo de elemento exterior. La máquina termodinámica puede estar provista de uno o varios sistemas intermedios de intercambio térmico para abordar cada uno de los elementos exteriores. La máquina termodinámica está diseñada para funcionar con una primera fuente térmica externa que es una fuente geotérmica y con una segunda fuente térmica externa que es una fuente aerotérmica.
El elemento de consumo de energía calorífica 200 es, por ejemplo, un sistema de calefacción y/o un productor de agua caliente, preferentemente sanitaria. El elemento de consumo de energía frigorífica 300 es, por ejemplo, un sistema de refrigeración.
La máquina termodinámica 100 posee una pluralidad de canalizaciones donde pueden circular uno o varios fluidos. Los fluidos pueden estar en forma líquida o gaseosa. El sentido de circulación del fluido se expresa mediante flechas en las figuras 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9 y 10. Las canalizaciones que admiten una circulación de fluido se representan en línea continua mientras que las canalizaciones que no admiten una circulación de fluido se expresan mediante líneas discontinuas. La máquina termodinámica posee válvulas y manorreductores. Las válvulas y manorreductores se indican en blanco cuando están en posición abierta, lo que admite la circulación de un fluido. Las válvulas y manorreductores en posición cerrada se indican en negro, lo que impide la circulación del fluido. Las flechas dispuestas en los intercambiadores de calor indican una transferencia de calor a través de los intercambiadores térmicos. El sentido de las flechas indica el sentido de flujo del calor. Una flecha que sale de la máquina termodinámica 100 indica una transferencia de potencia calorífica de la máquina 100 hacia el exterior, mientras que una flecha que entra en la máquina termodinámica 100 indica una transferencia de potencia calorífica del exterior hacia la máquina 100.
La máquina termodinámica 100 comprende un circuito frigorígeno 1 donde circula un fluido frigorígeno o al menos un fluido frigorígeno. El fluido frigorígeno puede ser puro o ser una mezcla de fluidos. El fluido frigorígeno se puede presentar en forma gaseosa o líquida en función de la presión y de la temperatura en el circuito frigorígeno y especialmente en los intercambiadores de calor. De manera ventajosa, las temperaturas de cambio de estado líquidogas del fluido frigorígeno se ubican dentro del intervalo de temperaturas de funcionamiento de la máquina termodinámica. El fluido frigorígeno se selecciona preferentemente de entre hidrofluorocarburos, por ejemplo, R134a (1,1,1,2-tetrafluoroetano), R410A (mezcla de difluorometano y 1,1,1,2,2-pentafluoroetano), R407C (mezcla de 1,1,1,2-tetrafluoroetano, 1,1,1,2,2-pentafluoroetano y difluorometano), o de entre hidrofluoroolefinas, por ejemplo, R1234ze (trans-1,3,3,3-tetrafluoro-1-propeno), R-1233zd (trans-1-cloro-3,3,3-trifluoro-1-propeno), o mezclas tales como R452B o R545B. Preferentemente, la temperatura de cambio de estado líquido-gas del fluido frigorígeno está comprendida entre -50°C y 100°C.
La termofrigobomba 100 posee un primer intercambiador térmico 2, denominado condensador 2, que produce energía calorífica. El primer intercambiador térmico 2 alimenta un elemento de consumo de energía calorífica 200 también denominado fuente caliente por medio de un primer fluido caloportador. El primer fluido caloportador circula en las canalizaciones 201 y 202 que conectan un elemento secundario del primer intercambiador térmico 2 con el elemento de consumo de energía calorífica 200. El elemento de consumo de energía calorífica es por ejemplo un sistema de calefacción o un productor de agua caliente. El primer intercambiador térmico 2 permite transferir energía calorífica desde el fluido frigorígeno que circula en el circuito primario del intercambiador térmico 2 hacia el elemento de consumo de energía calorífica 200 mientras asegura la condensación del fluido frigorígeno.
La termofrigobomba 100 produce energía frigorífica a través de un segundo intercambiador térmico 3, denominado intercambiador evaporador 3. El segundo intercambiador térmico 3 alimenta un elemento de consumo de frío 300 también denominado fuente fría por medio de un segundo fluido caloportador que circula en las canalizaciones 301 y 302. Las canalizaciones 301 y 302 conectan un elemento secundario del segundo intercambiador térmico 3 con el elemento de consumo de frío 300. El elemento de consumo de frío es por ejemplo un sistema de refrigeración. El segundo intercambiador térmico 3 permite transferir energía frigorífica desde el fluido frigorígeno que circula en el circuito primario del intercambiador térmico 3 hacia el elemento de consumo de energía frigorífica 300 mientras asegura la evaporación del fluido frigorígeno.
La máquina termodinámica 100 posee un tercer intercambiador térmico 4 a través del cual la máquina termodinámica 100 intercambia energía calorífica o frigorífica con la fuente geotérmica 400. El circuito secundario del tercer intercambiador térmico 4 puede estar en contacto directo con la fuente geotérmica 400, o unido térmicamente a la fuente geotérmica 400 por medio de un tercer fluido caloportador. El tercer intercambiador térmico 4 permite transferir energía calorífica o frigorífica desde el fluido frigorígeno que circula en el circuito primario del intercambiador térmico 4 hacia la fuente geotérmica 400 mientras asegura la condensación o la evaporación del fluido frigorígeno.
En un modo de realización preferente, la fuente geotérmica 400 es el subsuelo, provisto de un conjunto de intercambiadores verticales de tipo sonda geotérmica vertical. Ventajosamente, la temperatura de la fuente geotérmica 400 está comprendida entre -10 °C y 30 °C. El tercer fluido caloportador circula en canalizaciones 401 y 402 que conectan el circuito secundario del tercer intercambiador térmico 4 con el conjunto de intercambiadores verticales en contacto con la fuente geotérmica 400.
La máquina termodinámica 100 posee un cuarto intercambiador térmico 5 a través del cual la máquina termodinámica 100 intercambia energía calorífica o frigorífica con la fuente aerotérmica 500. El circuito secundario del cuarto intercambiador de calor 5 puede estar en contacto directo con la fuente aerotérmica 500, o unido térmicamente a la fuente aerotérmica 500 por medio de un cuarto fluido caloportador. El cuarto intercambiador térmico 5 permite transferir energía calorífica o frigorífica desde el fluido frigorígeno que circula en el circuito primario del intercambiador térmico 5 hacia la fuente aerotérmica 500 mientras asegura la condensación o la evaporación del fluido frigorígeno.
En un modo de realización preferente, la fuente aerotérmica 500 es el aire ambiente, en contacto directo con el circuito secundario del cuarto intercambiador de calor 5, la circulación del aire ambiente al circuito secundario del cuarto intercambiador térmico 5 se puede asegurar mediante un ventilador 53. Ventajosamente, la temperatura de la fuente aerotérmica 500 está comprendida entre -40 °C y 50 °C.
Los fluidos caloportadores primero, segundo, tercero y cuarto pueden ser idénticos o diferentes y estar presentes independientemente puros o en forma de mezcla. Cada fluido caloportador puede comprender también sustancias minerales. Preferentemente, el fluido caloportador no cambia de estado durante la transferencia de calor entre un intercambiador de calor y un elemento de consumo de calor/frío o una fuente externa. El fluido caloportador se puede seleccionar de entre agua, aire, una solución acuosa, monopropilenglicol, monoetilenglicol, soluciones alcohólicas o sales.
El circuito frigorígeno 1 se conecta al circuito primario del primer intercambiador de calor 2, al circuito primario del segundo intercambiador de calor 3, al circuito primario del tercer intercambiador de calor 4 y al al circuito primario del cuarto intercambiador de calor 5. El fluido frigorígeno circula de manera que desplaza calorías entre los intercambiadores de calor. El circuito frigorígeno 1 alimenta cada intercambiador de calor con fluido frigorígeno. El circuito frigorígeno 1 posee múltiples canalizaciones que unen las entradas y las salidas de los intercambiadores de calor entre sí para poder definir diferentes sentidos de circulación del fluido frigorígeno y, de esta forma, diferentes modos de funcionamiento.
La máquina termodinámica 100 comprende ventajosamente un primer sensor de temperatura 44 configurado para medir la temperatura TGEO del fluido caloportador en la entrada del elemento secundario del intercambiador de calor 4 y procedente de la fuente geotérmica 400, y ventajosamente un segundo sensor de temperatura 54 configurado para medir la temperatura TAIRE del gas que forma la fuente aerotérmica 500. La medición de las dos temperaturas se puede enviar a un circuito de control 600 que está configurado para seleccionar en todo momento el recurso más ventajoso, entre los recursos 400 y 500, en cuanto al nivel de rendimiento de la máquina. El circuito de control 600 está configurado para seleccionar la fuente de calor o de frío más cercana a la temperatura de producción requerida para alimentar la carga prioritaria. De esta forma, cuando la máquina debe producir prioritariamente energía calorífica para alimentar la carga calorífica 200 por medio del intercambiador condensador 2, el circuito de control 600 seleccionará la fuente que presente la temperatura más alta. El circuito de control elegirá la fuente aerotérmica si la temperatura TAiree es mayor que TGEO o elegirá la fuente geotérmica si la temperatura TGEO es mayor que TAIRE. Por el contrario, cuando la máquina produce prioritariamente energía frigorífica para alimentar la carga frigorífica 300 por medio del intercambiador evaporador 3, el circuito de control seleccionará la fuente que presente la temperatura más baja. El circuito de control seleccionará la fuente aerotérmica si la temperatura TAIRE es menor que la temperatura TGEO o la fuente geotérmica si la temperatura TGEO es menor que TAIRE.
Ventajosamente, la máquina termodinámica 100 comprende un tercer sensor de temperatura 404 configurado para medir la temperatura TSuelo del subsuelo en el interior de la fuente geotérmica 400, en el agarre de los intercambiadores verticales. El tercer sensor de temperatura 404 está unido al circuito de control 600. La medición de la temperatura del subsuelo se usa ventajosamente para monitorear en todo momento el estado de la fuente geotérmica 400, es decir, la temperatura del subsuelo en la fuente geotérmica. Alternativamente, la temperatura del subsuelo se estima por medio de la temperatura en el circuito secundario del tercer intercambiador de calor 4.
La temperatura de la fuente geotérmica se puede comparar con una temperatura prevista que varía con el tiempo y que representa la evolución deseada de la fuente geotérmica, por ejemplo, en el transcurso de un año. El circuito de control 600 se puede configurar para comparar la temperatura de la fuente geotérmica con la temperatura prevista. Cuando el circuito de control 600 constata que la temperatura de la fuente geotérmica se desvía de la temperatura prevista en un valor mayor que un valor umbral, el circuito de control 600 puede activar las fases de descarga o recarga de la fuente geotérmica 400.
En un modo de realización particular, el circuito de control 600 usa la temperatura TGEO que mide el primer sensor de temperatura 44 en asociación con un circuito de estimación para poder estimar la temperatura del subsuelo en la fuente geotérmica por medio de la temperatura presente en el circuito secundario del tercer intercambiador de calor 4. El circuito de estimación está configurado para estimar la temperatura de la fuente geotérmica a partir de la temperatura TGEO.
La medición de la temperatura del aire ambiente por medio del segundo sensor de temperatura 54 se compara con la temperatura de la fuente geotérmica mediante el circuito de control 600. Esta comparación permite que el circuito de control 600 active las operaciones de recarga y descarga calorífica de la fuente geotérmica 400, preferentemente durante los períodos favorables desde el punto de vista energético. Por ejemplo, la descarga calorífica desde la fuente geotérmica 400 hacia la fuente aerotérmica 500 se puede activar cuando la temperatura del aire TAIRE es menor que la temperatura del subsuelo en la fuente geotérmica 400 y preferentemente solo en este caso. Del mismo modo, la recarga calorífica de la fuente geotérmica 400 desde la fuente aerotérmica 500 se puede activar cuando la temperatura del aire TAIRE es mayor que la temperatura del subsuelo en la fuente geotérmica 400 y preferentemente solo en este caso.
La máquina termodinámica 100 comprende un compresor 6 que comprime el fluido frigorígeno en el circuito frigorígeno 1 cuando este se encuentra en estado gaseoso. En el modo de realización ventajoso ilustrado, el compresor 6 se puede accionar mediante un primer motor eléctrico 63 provisto de un variador de velocidad electrónico 64 que adapta su velocidad a la potencia calorífica o frigorífica requerida. El compresor 6 también puede estar formado por dos compresores montados en paralelo. Ventajosamente, el compresor 6 es un compresor 6 con una velocidad de rotación ajustable de forma continua. A continuación, es posible realizar un ajuste continuo de la potencia calorífica o frigorífica transferida a través del intercambiador condensador 2 o el intercambiador evaporador 3.
El circuito frigorígeno 1 comprende también un primer sensor de presión 61 configurado para medir la presión PHP en la salida del compresor 6 y un segundo sensor de presión 62 configurado para medir la presión PBP en la entrada del compresor 6.
En un modo de realización preferente, se monta un depósito 16 en el circuito frigorígeno 1 en la entrada del compresor 6. El depósito 16 está configurado para atrapar el fluido frigorígeno que se encuentra en estado líquido. De esta forma, el compresor 6 se alimenta únicamente con un fluido frigorígeno en estado gaseoso.
Se monta un primer manorreductor 7 en el circuito frigorígeno 1 de manera que disminuye la presión del fluido frigorígeno cuando este circula en el manorreductor 7 en estado líquido. El primer manorreductor 7 está dispuesto en una canalización que conecta la salida del primer intercambiador de calor 2 con la entrada del segundo intercambiador de calor 3. El primer manorreductor 7 se controla preferentemente de forma electrónica.
Un segundo manorreductor 8, bidireccional, se monta en el circuito frigorígeno 1. Un primer terminal del manorreductor 8 se une a una segunda entrada/salida del tercer intercambiador de calor 4 y el segundo terminal del segundo manorreductor 8 se une a un tercer dispositivo de conmutación. El manorreductor 8 está configurado para bajar la presión del fluido frigorígeno cuando este circula en el segundo manorreductor 8 en estado líquido. El segundo manorreductor 8 se controla preferentemente de forma electrónica.
Un tercer manorreductor 9, bidireccional, se monta en el circuito frigorígeno 1. Un primer terminal del manorreductor 9 se une a una segunda entrada/salida del cuarto intercambiador de calor 5 y el segundo terminal del segundo manorreductor 9 se une a un tercer dispositivo de conmutación. El manorreductor 9 está configurado para bajar la presión del fluido frigorígeno cuando este circula en el tercer manorreductor 9 en estado líquido. El tercer manorreductor 9 se controla preferentemente de forma electrónica.
El circuito frigorígeno posee diferentes nodos de enlace que conectan entre sí los diferentes elementos de la máquina termodinámica. El circuito frigorígeno 1 posee un primer nodo de enlace 17 que conecta la salida del compresor 6 con la entrada del intercambiador condensador 2, con un primer dispositivo de conmutación y con un segundo dispositivo de conmutación.
Un segundo nodo de enlace 18 realiza la conexión entre la salida del intercambiador condensador 2, un primer terminal del primer manorreductor 7 y un tercer dispositivo de conmutación.
Un tercer nodo de enlace 19 realiza la conexión entre un segundo terminal del primer manorreductor 7, la entrada del intercambiador evaporador 3 y el tercer dispositivo de conmutación.
Un cuarto nodo de enlace 20 realiza la conexión entre la entrada del compresor 6, la salida del intercambiador evaporador 3, con el primer dispositivo de conmutación y con el segundo dispositivo de conmutación. El cuarto nodo de enlace 20 puede estar dispuesto entre la salida del intercambiador evaporador 3 y el depósito 16.
El primer dispositivo de conmutación está configurado para definir selectivamente una primera configuración o una segunda configuración. La primera configuración, ilustrada en las figuras 3 y 5, une el primer nodo de enlace 17 a la primera entrada/salida del tercer intercambiador de calor 4 e impide la circulación del fluido frigorígeno a través del primer dispositivo de conmutación con el cuarto nodo de enlace 20. La segunda configuración, ilustrada en las figuras 2 y 4, une la primera entrada/salida del tercer intercambiador de calor 4 al cuarto nodo de enlace 20 e impide la circulación del fluido frigorígeno a través del primer dispositivo de conmutación con el primer nodo de enlace 17. El primer dispositivo de conmutación puede estar formado, por ejemplo, por dos válvulas 10 y 11, preferentemente electroválvulas. En la primera configuración, la válvula 10 está abierta y la válvula 11 está cerrada. En la segunda configuración, la válvula 10 está cerrada y la válvula 11 está abierta. El primer dispositivo de conmutación define o comprende un quinto nodo de enlace 21 que une el primer nodo de enlace 17, el cuarto nodo de enlace 20 y la primera entrada/salida del tercer intercambiador de calor 4.
El segundo dispositivo de conmutación está configurado para definir selectivamente una primera configuración o una segunda configuración. La primera configuración, ilustrada en las figuras 3 y 4, une el primer nodo de enlace 17 a la primera entrada/salida del cuarto intercambiador de calor 5 e impide la circulación del fluido frigorígeno a través del primer dispositivo de conmutación con el cuarto nodo de enlace 20. La segunda configuración, ilustrada en las figuras 2 y 5, une la primera entrada/salida del cuarto intercambiador de calor 5 al cuarto nodo de enlace 20 e impide la circulación del fluido frigorígeno a través del primer dispositivo de conmutación con el primer nodo de enlace 17. El segundo dispositivo de conmutación puede estar formado, por ejemplo, por dos válvulas 12 y 13, preferentemente electroválvulas. En la primera configuración, la válvula 12 está abierta y la válvula 13 está cerrada. En la segunda configuración, la válvula 12 está cerrada y la válvula 13 está abierta. El segundo dispositivo de conmutación define o comprende un sexto nodo de enlace 22 que une el primer nodo de enlace 17, el cuarto nodo de enlace 20 y la primera entrada/salida del cuarto intercambiador de calor 5.
El tercer dispositivo de conmutación está configurado para definir selectivamente una primera configuración, una segunda configuración o una tercera configuración. La primera configuración, ilustrada en la figura 2, une el segundo nodo de enlace 18 al segundo terminal del segundo manorreductor 8 y al segundo terminal del tercer manorreductor 9 e impide la circulación del fluido frigorígeno con el tercer nodo de enlace 19 a través del tercer dispositivo de conmutación. La segunda configuración, ilustrada en la figura 3, une el segundo manorreductor 8 y el tercer manorreductor 9 al tercer nodo de enlace 19 e impide la circulación del fluido frigorígeno a través del tercer dispositivo de conmutación con el segundo nodo de enlace 18. El tercer dispositivo de conmutación está todavía configurado para definir una tercera configuración, de bloqueo, donde ningún fluido atraviesa el tercer dispositivo de conmutación entre el segundo nodo de enlace 18 y el tercer nodo de enlace 19 (como se ilustra en las figuras 4 y 5). El segundo manorreductor 8 está conectado al tercer manorreductor 9.
El tercer dispositivo de conmutación puede estar formado por dos válvulas 14 y 15 montadas en serie entre el segundo nodo de enlace 18 y el tercer nodo de enlace 19, preferentemente electroválvulas. En la primera configuración, la válvula 14 está abierta y la válvula 15 cerrada. En la segunda configuración, la válvula 14 está cerrada y la válvula 15 está abierta. En la tercera configuración, las válvulas 14 y 15 están cerradas.
El tercer dispositivo de conmutación define o comprende un séptimo nodo de enlace 23 que une el segundo nodo de enlace 18, el tercer nodo de enlace 19, el segundo terminal del segundo manorreductor 8 y el segundo terminal del tercer manorreductor 9.
Como se ilustra en la figura 2, las segundas configuraciones de los primer y segundo dispositivos de conmutación y la primera configuración del tercer dispositivo de conmutación permiten formar un canal de circulación que conecta la salida del intercambiador condensador 2 con la entrada del compresor 6, pasando paralelamente a través del intercambiador evaporador 3, el tercer intercambiador de calor 4 y el cuarto intercambiador de calor 5 para recuperar calor a la vez del elemento de consumo de frío 300, la fuente geotérmica 400 y la fuente aerotérmica 500, y entregarlo al elemento de consumo de calor 200.
Como se ilustra en la figura 3, las primeras configuraciones de los primer y segundo dispositivos de conmutación y la segunda configuración del tercer dispositivo de conmutación permiten formar un canal de circulación que conecta la salida del compresor 6 con la entrada del intercambiador evaporador 3, pasando paralelamente a través del intercambiador condensador 2, el tercer intercambiador de calor 4 y el cuarto intercambiador de calor 5 para recuperar calor del elemento de consumo de frío 300, y entregarlo a la vez al elemento de consumo de calor 200, a la fuente geotérmica 400 y a la fuente aerotérmica 500.
Como se ilustra en la figura 4, la segunda configuración del primer dispositivo de conmutación, la primera configuración del segundo dispositivo de conmutación y la tercera configuración del tercer dispositivo de conmutación permiten disponer el cuarto intercambiador de calor 5 en serie con el tercer intercambiador de calor 4 con el fin de extraer una energía calorífica de la fuente geotérmica 400 para entregarla a la fuente aerotérmica 500.
Como se ilustra en la figura 5, la primera configuración del primer dispositivo de conmutación, la segunda configuración del segundo dispositivo de conmutación y la tercera configuración del tercer dispositivo de conmutación permiten montar el tercer intercambiador de calor 4 en serie con el cuarto intercambiador de calor 5 entre la salida y la entrada del compresor 6 con el fin de extraer una energía calorífica de la fuente aerotérmica 500 para entregarla a la fuente geotérmica 400.
Puede usarse un cuarto sensor de temperatura 35 para medir la temperatura T1 en salida del circuito primario del intercambiador evaporador 3.
Puede usarse un quinto sensor de temperatura 45 para medir la temperatura T2 del fluido frigorígeno entre el nodo de enlace 21 y la primera entrada/salida del intercambiador de calor 4. Por ejemplo, cuando el elemento primario del intercambiador de calor 4 funciona como evaporador, el quinto sensor de temperatura 45 mide la temperatura T2 del fluido frigorígeno en la salida del elemento primario del intercambiador de calor 4.
Se puede usar un sexto sensor de temperatura 55 para medir la temperatura T3 del fluido frigorígeno entre el nodo de enlace 22 y la primera entrada/salida del intercambiador de calor 5. Por ejemplo, cuando el elemento primario del intercambiador de calor 5 funciona como evaporador, el sexto sensor de temperatura 55 mide la temperatura T3 del fluido frigorígeno en la salida del elemento primario del intercambiador de calor 5.
Esta configuración es especialmente ventajosa, ya que es compacta. Los nodos de enlace primero, segundo, tercero y cuarto pueden ser simplemente nodos de conexión y estar desprovistos de válvulas.
Según los modos de realización, la máquina termodinámica 100 posee un único circuito frigorígeno, dos circuitos frigorígenos o más de dos circuitos frigorígenos.
La figura 2 ilustra un modo de funcionamiento de la máquina termodinámica denominado producción calorífica prioritaria. En este modo de funcionamiento, la potencia calorífica producida por la máquina termodinámica 100 a través del circuito frigorígeno 1 está adaptada a la potencia calorífica requerida por el elemento de consumo de calor 200. Por ejemplo, el circuito de control 600 regula la potencia calorífica producida controlando la velocidad de rotación del compresor 6. La potencia frigorífica producida por el circuito frigorígeno 1 es al menos igual a la potencia frigorífica requerida por el elemento de consumo de frío 300.
La totalidad de la potencia calorífica producida es transferida al elemento de consumo de calor 200 a través del intercambiador condensador 2. La flecha negra 203 representa una extracción de calor desde el circuito frigorígeno hacia el elemento de consumo de calor 200. Una parte de la potencia calorífica necesaria para el equilibrio de la máquina se extrae del elemento de consumo de frío 300 a través del intercambiador evaporador 3. La flecha negra 303 representa una extracción de calor desde el elemento de consumo de frío 300 hacia el circuito frigorígeno 1. Por último, el complemento de potencia calorífica necesario se extrae de la fuente geotérmica 400 a través del intercambiador de calor 4 y/o de la fuente aerotérmica 500 a través del intercambiador de calor 5. La flecha negra 403 representa una extracción de calor desde la fuente geotérmica 400 hacia el circuito frigorígeno 1 y la flecha negra 503 representa una extracción de calor desde la fuente aerotérmica 500 hacia el circuito frigorígeno 1.
En el modo ilustrado en la figura 2, los primer y segundo dispositivos de conmutación están en su segunda configuración y el tercer dispositivo de conmutación está en su primera configuración. La salida del compresor 6 se une a la entrada del intercambiador condensador 2 que se alimenta con fluido frigorígeno en estado gaseoso y a alta presión. La salida del intercambiador condensador 2 se une con la entrada del compresor 6 atravesando tres ramificaciones paralelas, una primera ramificación que comprende el primer manorreductor 7 y el intercambiador evaporador 3, una segunda ramificación que comprende el segundo manorreductor 8 y el tercer intercambiador térmico 4 y una tercera ramificación que comprende el tercer manorreductor 9 y el cuarto intercambiador térmico 5. Las tres ramificaciones se separan en la salida del intercambiador condensador 2 en el segundo nodo de enlace 18, y se unen en la entrada del compresor 6 en el cuarto nodo de enlace 20.
En el ejemplo particular ilustrado en la figura 2, la válvula 10 está cerrada y la válvula 11 está abierta, la válvula 12 está cerrada y la válvula 13 está abierta, la válvula 14 está abierta y la válvula 15 está cerrada. Con las válvulas 10 y 12 cerradas, la totalidad del fluido frigorígeno en estado gaseoso y a alta presión, procedente del compresor 6, circula únicamente a través del elemento primario del intercambiador condensador 2, en el interior del cual el fluido frigorígeno se condensa cediendo calor al fluido caloportador que circula en el circuito secundario del intercambiador condensador 2. El fluido frigorígeno vuelve a salir del intercambiador condensador 2 a una temperatura más baja y ventajosamente en estado líquido y a alta presión y atraviesa el segundo nodo de enlace 18 donde se divide en dos partes.
Una primera parte del fluido frigorígeno que sale del primer intercambiador condensador 2 se dirige a través del manorreductor 7 hacia la entrada del segundo intercambiador evaporador 3. En el manorreductor 7, el fluido frigorígeno experimenta un descenso de su presión. En la salida del manorreductor 7, el fluido está a baja presión y ventajosamente en estado líquido. El fluido frigorígeno se dirige a través del tercer nodo de enlace 19 hacia el elemento primario del intercambiador evaporador 3 en el interior del cual el fluido frigorígeno se evapora captando calor desde el fluido caloportador que circula en el circuito secundario del intercambiador evaporador 3.
En la salida del elemento primario del intercambiador evaporador 3, el fluido frigorígeno se encuentra mayoritariamente en estado gaseoso y a baja presión. El fluido frigorígeno alcanza el depósito 16 a través del nodo de enlace 20. La otra parte del fluido frigorígeno que sale del intercambiador condensador 2 se dirige hacia el tercer dispositivo de conmutación, estando abierta la válvula 14, donde se divide de nuevo en dos partes en el nodo de enlace 23. Una parte del fluido frigorígeno se dirige hacia el tercer intercambiador de calor 4 a través del segundo manorreductor 8 y la otra parte se dirige hacia el cuarto intercambiador de calor 5 a través del tercer manorreductor 9.
Una parte del fluido frigorígeno en estado líquido que atraviesa el tercer dispositivo de conmutación sufre una bajada de su presión por medio del manorreductor 8. En la salida del manorreductor 8, el fluido en estado líquido y a menor presión atraviesa el tercer intercambiador térmico 4, que funciona como evaporador. El fluido frigorígeno se evapora en el tercer intercambiador de calor 4 captando calor desde el fluido caloportador que circula en el circuito secundario del intercambiador 4. A su salida del intercambiador 4, el fluido frigorígeno predominantemente en estado gaseoso y a baja presión alcanza el depósito 16 a través de la válvula 11 abierta y el nodo de enlace 20.
La otra parte del fluido frigorígeno en estado líquido que atraviesa el tercer dispositivo de conmutación sufre una bajada de su presión por medio del manorreductor 9. En la salida del manorreductor 9, el fluido en estado líquido y a menor presión atraviesa el cuarto intercambiador térmico 5, que funciona como evaporador. El fluido frigorígeno se evapora en el cuarto intercambiador de calor 5 captando calor desde el aire ambiente que circula en el circuito secundario del intercambiador 5. A su salida del intercambiador 5, el fluido frigorígeno predominantemente en estado gaseoso y a baja presión alcanza el depósito 16 a través de la válvula 13 abierta y el nodo de enlace 20. De manera ventajosa, la medición combinada de las temperaturas T1, T2 y T3 se usa para determinar el valor de sobrecalentamiento del fluido frigorígeno, respectivamente, en la salida del intercambiador 3, en la salida del intercambiador 4 y en la salida del intercambiador 5. En un modo de realización privilegiado, la medición de las temperaturas T1, T2 y T3 se usa para imponer el valor de sobrecalentamiento del fluido frigorígeno en la salida del intercambiador 3, en la salida del intercambiador 4 y en la salida del intercambiador 5.
Ventajosamente, la medición combinada de las temperaturas T1, T2 y T3 se usa para controlar el grado de apertura del manorreductor 7, grado de apertura del manorreductor 8 y el grado de apertura del manorreductor 9. Las medición de las temperaturas se usa para asegurar la evaporación completa del fluido frigorígeno a la vez en el intercambiador 3, en el intercambiador 4 y en el intercambiador 5. De manera particularmente ventajosa, la medición de las temperaturas se asocia a una medición de la presión PBP para controlar mejor el valor del sobrecalentamiento.
Resulta ventajoso controlar el grado de apertura del manorreductor 7 con respecto al grado de apertura de los manorreductores 8 y 9 para regular la proporción de fluido que atraviesa el intercambiador evaporador 3 con respecto a la proporción de fluido que atraviesa los tercer y cuarto intercambiadores térmicos 4 y 5. El control de la proporción de fluido que atraviesa el elemento primario del intercambiador evaporador 3 permite ajustar de manera continua la potencia frigorífica transmitida a través del intercambiador evaporador 3 con el fin de adaptar esta potencia a la potencia frigorífica requerida por el elemento de consumo de frío 300. El complemento de potencia calorífica necesario para el equilibrio energético de la máquina es captado por el tercer intercambiador de calor 4 y/o el cuarto intercambiador de calor 5.
De esta forma, la termofrigobomba 100, en modo producción calorífica prioritaria, permite ajustar las potencias calorífica y frigorífica transmitidas respectivamente a través del intercambiador condensador 2 y del intercambiador evaporador 3, y extraer el complemento de potencia calorífica de la fuente geotérmica 400 y/o la fuente aerotérmica 500.
El control de las proporciones relativas de fluido frigorígeno que atraviesa los dos intercambiadores térmicos 4 y 5 permite ajustar, por un lado, la potencia calorífica obtenida en la fuente geotérmica 400 a través del tercer intercambiador 4 y, por otro lado, la potencia calorífica obtenida en la fuente aerotérmica 500 a través del cuarto intercambiador 5. En este primer modo de funcionamiento, la máquina termodinámica 100 puede controlar, de esta forma, las partes de potencia calorífica suministradas respectivamente por la fuente geotérmica 400 y por la fuente aerotérmica 500.
De manera ventajosa, la medición combinada de las temperaturas TGEO y TAIRE se usa para determinar en todo momento cuál de las dos fuentes externas 400 y 500 es la más favorable para asegurar el nivel máximo de rendimiento energético. De esta forma, comparando las dos temperaturas medidas TGEO y TAIRE, el circuito de control 600 puede configurarse para cerrar totalmente uno u otro de los dos manorreductores 9 y 8 y seleccionar de esta forma una u otra de las dos fuentes externas 400 y 500, colocando de esta forma la máquina termodinámica 100 en un modo de funcionamiento de tipo producción calorífica prioritaria, donde el complemento de energía calorífica es suministrado por la fuente externa más favorable. La comparación entre TGEO y TAIRE permite determinar qué temperatura entre el aire ambiente y la fuente geotérmica está más cerca de la temperatura requerida para la carga calorífica 200. El circuito de control 600 selecciona a continuación el intercambiador de calor asociado a la fuente térmica que tenga la temperatura más cercana a la temperatura deseada.
De manera ventajosa, cuando la termofrigobomba 100 está en modo producción calorífica prioritaria, cuando la temperatura TGEO de la fuente geotérmica es mayor que la temperatura TAIRE del aire ambiente, el circuito de control 600 puede cerrar totalmente el manorreductor 9 asociado al intercambiador de calor 5 con el fin de aprovechar únicamente la energía calorífica de la fuente geotérmica 400. A la inversa, cuando la temperatura TGEO de la fuente geotérmica es menor que la temperatura TAIRE del aire ambiente, el circuito de control 600 puede cerrar completamente el manorreductor 8 asociado con el intercambiador de calor 4 con el fin de aprovechar únicamente la energía calorífica de la fuente aerotérmica 500.
En modo producción calorífica prioritaria, la termofrigobomba 100 puede ajustar de esta forma en cada momento las potencias calorífica y frigorífica transmitidas respectivamente a través del intercambiador condensador 2 y del intercambiador evaporador 3, extrayendo al mismo tiempo el complemento de potencia calorífica en la fuente más favorable, entre la fuente geotérmica 400 y la fuente aerotérmica 500, para asegurar el nivel de rendimiento energético máximo de la máquina.
La figura 3 ilustra un modo de funcionamiento de la máquina termodinámica denominado producción frigorífica prioritaria. En este modo de funcionamiento, la potencia frigorífica producida por la máquina termodinámica 100 a través del circuito frigorígeno 1 está adaptada a la potencia frigorífica requerida por el elemento de consumo de frío 300. Por ejemplo, el circuito de control 600 regula la potencia frigorífica producida controlando la velocidad de rotación del compresor 6. La potencia calorífica producida por el circuito frigorígeno 1 es al menos igual a la potencia calorífica requerida por el elemento de consumo de calor 200.
La totalidad de la potencia frigorífica producida es transferida al elemento de consumo de frío 300 a través del intercambiador evaporador 3. La flecha negra 303 representa una extracción de calor desde el elemento de consumo de frío 300 hacia el circuito frigorígeno. Una parte de la potencia calorífica producida es transferida al elemento de consumo de calor 200 a través del intercambiador condensador 2. La flecha negra 203 representa una extracción de calor desde el circuito frigorígeno 1 hacia el elemento de consumo de calor 200. La parte restante de la potencia calorífica producida por la máquina se transfiere a la fuente geotérmica 400 a través del intercambiador de calor 4 y/o a la fuente aerotérmica 500 a través del intercambiador de calor 5. La flecha negra 403 representa una extracción de calor desde el circuito frigorígeno 1 hacia la fuente geotérmica 400 y la flecha negra 503 representa una extracción de calor desde el circuito frigorígeno 1 hacia la fuente aerotérmica 500.
En el modo ilustrado en la figura 3, los primer y segundo dispositivos de conmutación están en su primera configuración y el tercer dispositivo de conmutación está en su segunda configuración. La salida del compresor 6 está conectada a la entrada del segundo intercambiador evaporador 3 pasando a través de tres ramificaciones paralelas, una primera ramificación que comprende el primer intercambiador condensador 2 y el primer manorreductor 7, una segunda ramificación que comprende el tercer intercambiador térmico 4 y el segundo manorreductor 8 y una tercera ramificación que comprende el cuarto intercambiador térmico 5 y el tercer manorreductor 9. Las tres ramificaciones se separan en la salida del compresor 6 en el primer nodo de enlace 17, y se unen en la entrada del intercambiador evaporador 3, en el tercer nodo de enlace 19. La salida del intercambiador evaporador 3 está conectada a la entrada del compresor 6. En el ejemplo particular ilustrado en la figura 3, la válvula 10 está abierta y la válvula 11 está cerrada, la válvula 12 está abierta y la válvula 13 está cerrada, la válvula 14 está cerrada y la válvula 15 está abierta. En la salida del compresor 6, el fluido frigorígeno se encuentra en estado gaseoso y a alta presión y atraviesa el primer nodo de enlace 17 en el que se escinde en tres partes. Una primera parte del fluido frigorígeno se dirige hacia el elemento primario del intercambiador condensador 2, en el interior del cual el fluido frigorígeno se condensa cediendo calor al fluido caloportador que circula en el circuito secundario del intercambiador condensador 2. El fluido frigorígeno vuelve a salir del intercambiador condensador 2 a una temperatura más baja y en estado líquido y a alta presión. El fluido frigorígeno que sale del primer intercambiador condensador 2 se dirige a través del manorreductor 7 hacia la entrada del segundo intercambiador evaporador 3. En el manorreductor 7, el fluido frigorígeno experimenta un descenso de su presión. En la salida del manorreductor 7, el fluido a baja presión y ventajosamente en estado líquido se dirige hacia el tercer nodo de enlace 19.
Una segunda parte del fluido frigorígeno en la salida del compresor 6 se dirige a través de la válvula 10 abierta hacia el tercer intercambiador térmico 4, que funciona como condensador, en el interior del cual el fluido frigorígeno se condensa cediendo calor al fluido caloportador que circula en el circuito secundario del intercambiador de calor 4. A su salida del intercambiador 4, el fluido frigorígeno a una temperatura más baja y en estado líquido y a alta presión se dirige a través del manorreductor 8 donde el fluido frigorígeno sufre un descenso de su presión. En la salida del manorreductor 8, el fluido a baja presión y ventajosamente en estado líquido se dirige hacia el tercer nodo de enlace 19 a través de la válvula 15 abierta.
Una tercera parte del fluido frigorígeno en la salida del compresor 6 se dirige a través de la válvula 12 abierta hacia el cuarto intercambiador térmico 5, que funciona como condensador, en el interior del cual el fluido frigorígeno se condensa cediendo calor al aire ambiente que circula en el circuito secundario del intercambiador de calor 5. A su salida del intercambiador 5, el fluido frigorígeno a una temperatura más baja y en estado líquido y a alta presión se dirige a través del manorreductor 9 donde el fluido frigorígeno sufre un descenso de su presión. A la salida del manorreductor 9, el fluido a baja presión y ventajosamente en estado líquido se une a la parte del fluido frigorígeno procedente del intercambiador 4 en el nodo de enlace 23, y después se dirige hacia el tercer nodo de enlace 19 a través de la válvula 15 abierta.
En el tercer nodo de enlace 19, la parte de fluido frigorígeno procedente del intercambiador condensador 2 y del manorreductor 7, la parte de fluido frigorígeno procedente del intercambiador térmico 4 y del manorreductor 8, y la parte de fluido frigorígeno procedente del intercambiador térmico 5 y del manorreductor 9 se mezclan antes de entrar en el elemento primario del intercambiador evaporador 3. La totalidad del fluido frigorígeno, en estado líquido y a baja presión circula a través del elemento primario del intercambiador evaporador 3, en el interior del cual el fluido frigorígeno se evapora captando calor en el fluido caloportador que circula en el circuito secundario del intercambiador evaporador 3.
En la salida del elemento primario del intercambiador evaporador 3, el fluido frigorígeno se encuentra mayoritariamente en estado gaseoso y a baja presión. El fluido frigorígeno alcanza la entrada del compresor a través del nodo de enlace 20 y el depósito 16.
De manera ventajosa, la medición de la temperatura T1 se usa para determinar el valor de sobrecalentamiento del fluido frigorígeno en la salida del intercambiador evaporador 3. En un modo de realización privilegiado, la medición de la temperatura T1 se usa para imponer el valor de sobrecalentamiento del fluido frigorígeno en la salida del intercambiador 3.
Ventajosamente, la medición de la temperatura T1 se usa para controlar el grado de apertura del manorreductor 7, grado de apertura del manorreductor 8 y el grado de apertura del manorreductor 9. La medición de la temperatura se usa para asegurar la evaporación completa del fluido frigorígeno en el intercambiador 3. De manera particularmente ventajosa, la medición de temperatura se asocia a una medición de la presión PBP para controlar mejor el valor del sobrecalentamiento.
Resulta ventajoso controlar el grado de apertura del manorreductor 7 con respecto al grado de apertura de los manorreductores 8 y 9 para regular la proporción de fluido que atraviesa el intercambiador condensador 2 con respecto a la proporción de fluido que atraviesa los tercer y cuarto intercambiadores térmicos 4 y 5. El control de la proporción de fluido que atraviesa el elemento primario del intercambiador condensador 2 permite ajustar de manera continua la potencia calorífica transmitida a través del intercambiador condensador 2 con el fin de adaptar esta potencia a la potencia calorífica requerida por el elemento de consumo de calor 200. El excedente de potencia calorífica producida por la máquina y no transferida al elemento de consumo de calor 200 es evacuado por el tercer intercambiador de calor 4 y/o el cuarto intercambiador de calor 5.
De esta forma, la termofrigobomba 100, en modo producción frigorífica prioritaria, permite ajustar las potencias calorífica y frigorífica transmitidas respectivamente a través del intercambiador condensador 2 y el intercambiador evaporador 3, y extraer el complemento de energía frigorífica necesario para el equilibrio energético de la máquina de la fuente geotérmica 400 y/o la fuente aerotérmica 500.
El control de las proporciones relativas de fluido frigorígeno que atraviesa los dos intercambiadores térmicos 4 y 5 permite ajustar, por un lado, la potencia calorífica transferida a la fuente geotérmica 400 a través del tercer intercambiador 4 y, por otro lado, la potencia calorífica transferida a la fuente aerotérmica 500 a través del cuarto intercambiador 5. En este segundo modo de funcionamiento, la máquina termodinámica 100 puede controlar, de esta forma, las partes de potencia frigorífica suministradas respectivamente por la fuente geotérmica 400 y por la fuente aerotérmica 500.
De manera ventajosa, la medición combinada de las temperaturas TGEO y TAIRE se usa para determinar en todo momento cuál de las dos fuentes externas 400 y 500 es la más favorable para asegurar el nivel máximo de rendimiento energético. De esta forma, comparando las dos temperaturas medidas TGEO y TAIRE, el circuito de control 600 puede configurarse para cerrar totalmente uno u otro de los dos manorreductores 9 y 8 y seleccionar de esta forma una u otra de las dos fuentes externas 400 y 500, colocando de esta forma la máquina termodinámica 100 en un modo de funcionamiento de tipo producción frigorífica prioritaria, donde el complemento de energía frigorífica necesario es suministrado por la fuente externa más favorable. La comparación entre TGEO y TAIRE permite determinar qué temperatura entre el aire ambiente y la fuente geotérmica está más cerca de la temperatura requerida para la carga frigorífica 300. El circuito de control 600 selecciona a continuación el intercambiador de calor asociado a la fuente térmica que tenga la temperatura más cercana a la temperatura deseada.
De manera ventajosa, cuando la termofrigobomba 100 está en modo producción frigorífica prioritaria, cuando la temperatura TGEO de la fuente geotérmica es menor que la temperatura TAIRE del aire ambiente, el circuito de control 600 puede cerrar totalmente el manorreductor 9 asociado al intercambiador de calor 5 con el fin de aprovechar únicamente la energía frigorífica de la fuente geotérmica 400. A la inversa, cuando la temperatura TGEO de la fuente geotérmica es mayor que la temperatura TAIRE del aire ambiente, el circuito de control 600 puede cerrar completamente el manorreductor 8 asociado con el intercambiador de calor 4 con el fin de aprovechar únicamente la energía frigorífica de la fuente aerotérmica 500.
En modo producción frigorífica prioritaria, la termofrigobomba 100 puede ajustar de esta forma en cada momento las potencias calorífica y frigorífica transmitidas respectivamente a través del intercambiador condensador 2 y del intercambiador evaporador 3, aprovechando al mismo tiempo la energía frigorífica de la fuente más favorable, entre la fuente geotérmica 400 y la fuente aerotérmica 500, para asegurar el nivel de rendimiento energético máximo de la máquina.
La máquina termodinámica 100 también puede realizar la descarga de la fuente geotérmica como se ilustra en la figura 4. El primer dispositivo de conmutación está en su segunda configuración, el segundo dispositivo de conmutación está en su primera configuración y el tercer dispositivo de conmutación está en su tercera configuración. El manorreductor 7 está cerrado. La salida del compresor 6 se conecta a la entrada del compresor 6 de modo que el fluido frigorígeno atraviesa sucesivamente el cuarto intercambiador térmico 5, que funciona como condensador, a continuación el tercer intercambiador térmico 4, que funciona como evaporador de fluido frigorígeno. Las calorías extraídas de la fuente geotérmica 400 se evacuan hacia la fuente aerotérmica 500. De esta forma, es posible descargar energía térmica de la fuente geotérmica 400 hacia la fuente aerotérmica 500, es decir, evacuar el calor de la fuente geotérmica 400. La flecha 503 representa un suministro de calor desde el circuito frigorígeno 1 hacia la fuente aerotérmica 500. La flecha 403 representa una extracción de calor desde la fuente geotérmica 400 hacia el circuito frigorígeno 1.
Como la válvula 10 y el manorreductor 7 están cerrados, la totalidad del fluido frigorígeno en estado gaseoso y a alta presión que sale del compresor 6 se orienta, a través de la válvula 12 abierta, hacia el cuarto intercambiador térmico 5, donde el fluido frigorígeno se condensa cediendo calor al aire circulante en el circuito secundario del cuarto intercambiador 5. El fluido frigorígeno vuelve a salir del elemento primario del cuarto intercambiador 5 a una temperatura más baja y ventajosamente en estado líquido y a alta presión.
En la salida del cuarto intercambiador térmico 5, el fluido frigorígeno atraviesa el manorreductor 9 y experimenta un descenso de su presión. En la salida del manorreductor 9, el fluido está a baja presión y ventajosamente en estado líquido. El fluido frigorígeno se dirige, a través del nodo de enlace 23 y el manorreductor 8 totalmente abierto, hacia el tercer intercambiador térmico 4 donde el fluido frigorígeno se evapora captando calor desde el fluido caloportador que circula en el circuito secundario del intercambiador 4.
En la salida del elemento primario del tercer intercambiador 4, el fluido frigorígeno está predominantemente en estado gaseoso y a baja presión, y alcanza el depósito 16 a través de la válvula 11 abierta y el nodo de enlace 20.
De manera ventajosa, la medición de la temperatura T2 se usa para determinar el valor de sobrecalentamiento del fluido frigorígeno en la salida del intercambiador 4. Preferentemente, la medición de la temperatura T2 se usa para imponer el valor de sobrecalentamiento del fluido frigorígeno en la salida del tercer intercambiador 4.
Ventajosamente, la medición de la temperatura T2 se usa para controlar el grado de apertura del manorreductor 9. La medición de la temperatura T2 se usa para asegurar la evaporación completa del fluido frigorígeno en el elemento primario del intercambiador 4. De manera particularmente ventajosa, la medición de la temperatura T2 se asocia a una medición de la presión PBP para controlar mejor el valor del sobrecalentamiento.
De manera ventajosa, la medición combinada de las temperaturas del aire ambiente y del recurso geotérmico se usa para determinar en qué momento se puede activar una fase de descarga de la fuente geotérmica 400. De esta forma, la descarga calorífica de la fuente geotérmica 400 hacia la fuente aerotérmica 500 se puede activar cuando la temperatura del aire TAIRE es menor que la temperatura del subsuelo en la fuente geotérmica 400.
La figura 5 ilustra un modo de funcionamiento que asegura la carga de la fuente geotérmica 400. La máquina termodinámica permite extraer energía calorífica desde la fuente aerotérmica 500 e introducir estas calorías en la fuente geotérmica 400.
El primer dispositivo de conmutación está en su primera configuración, el segundo dispositivo de conmutación está en su segunda configuración y el tercer dispositivo de conmutación está en su tercera configuración. El manorreductor 7 está cerrado.
Los dispositivos de conmutación primero, segundo y tercero unen la salida del compresor 6 con la entrada del compresor 6 de modo que el fluido frigorígeno atraviesa sucesivamente el tercer intercambiador térmico 4, que funciona entonces como condensador, y a continuación el cuarto intercambiador térmico 5, que funciona como evaporador. El calor se recupera desde la fuente aerotérmica 500 y se evacua hacia la fuente geotérmica 400. De esta forma, es posible recargar la fuente geotérmica 400 con energía calorífica desde la fuente aerotérmica 500. La flecha 403 representa un suministro de calor desde el circuito frigorígeno 1 hacia la fuente geotérmica 400. La flecha 503 representa una extracción de calor desde la fuente aerotérmica 500 hacia el circuito frigorígeno 1.
Como la válvula 12 y el manorreductor 7 están cerrados, el fluido frigorígeno, en fase de vapor y a alta presión, en la salida del compresor 6, se dirige a través de la válvula 10 hacia el tercer intercambiador térmico 4, donde se condensa cediendo calor al fluido caloportador que circula en el circuito secundario del tercer intercambiador térmico 4. El fluido frigorígeno vuelve a salir del tercer intercambiador 4 a una temperatura más baja y ventajosamente en estado líquido y a alta presión. En la salida del tercer intercambiador térmico 4, el fluido frigorígeno atraviesa el manorreductor 8, donde el fluido frigorígeno experimenta un descenso de su presión. En la salida del manorreductor 8, el fluido está a baja presión y ventajosamente en estado líquido. El fluido frigorígeno se dirige, a través del nodo de enlace 23 y el manorreductor 9 totalmente abierto, hacia el cuarto intercambiador térmico 5 donde el fluido frigorígeno se evapora captando calor desde el aire que circula en el circuito secundario del cuarto intercambiador 5.
En la salida del elemento primario del cuarto intercambiador 5, el fluido frigorígeno está predominantemente en estado gaseoso y a baja presión, y alcanza el depósito 16 a través de la válvula 13 abierta.
De manera ventajosa, la medición de la temperatura T3 se usa para determinar el valor de sobrecalentamiento del fluido frigorígeno en la salida del intercambiador 5. En un modo de realización privilegiado, la medición de la temperatura T3 se usa para imponer el valor de sobrecalentamiento del fluido frigorígeno en la salida del intercambiador 5.
Ventajosamente, la medición de la temperatura T3 se usa para controlar el grado de apertura del manorreductor 8. La medición de la temperatura T3 se usa para asegurar la evaporación completa del fluido frigorígeno en el elemento primario del intercambiador 5. De manera particularmente ventajosa, la medición de la temperatura T3 se asocia a una medición de la presión PBP para controlar mejor el valor del sobrecalentamiento.
De manera ventajosa, la medición combinada de las temperaturas del aire ambiente y del recurso geotérmico se usa para determinar en qué momento se puede activar una fase de recarga de la fuente geotérmica 400. De esta forma, la recarga calorífica de la fuente geotérmica 400 desde la fuente aerotérmica 500 se puede activar cuando la temperatura del aire TAIRE es mayor que la temperatura del subsuelo en la fuente geotérmica 400.
La configuración ilustrada en las figuras 1 a 5 es particularmente ventajosa, porque es compacta. Los nodos de enlace primero, segundo, tercero y cuarto pueden ser simplemente nodos de conexión y estar desprovistos de válvulas. Los dispositivos de conmutación pueden estar formados por una o más válvulas. Una máquina de este tipo permite realizar simplemente una producción simultánea de energía calorífica y de energía frigorífica destinadas, respectivamente, a una carga calorífica 200 y a una carga frigorífica 300 usando una o varias fuentes externas. Una máquina de este tipo también permite gestionar la evolución de la temperatura de la fuente geotérmica mediante la realización de fases de carga y descarga desde la fuente aerotérmica. En los modos de realización anteriores, se ilustra un solo circuito frigorígeno y se usa para obtener los múltiples modos de funcionamiento descritos. Es posible tener una máquina termodinámica 100 que posee dos circuitos frigorígenos o más de dos circuitos frigorígenos. La figura 6 representa de manera esquemática otro modo de realización de una máquina termodinámica 100 que comprende dos circuitos frigorígenos distintos 1 y 101. Cada circuito frigorígeno 1/101 alimenta un elemento primario de los múltiples intercambiadores de calor. El primer circuito frigorígeno 1 es idéntico al descrito anteriormente en relación con los modos de realización ilustrados en las figuras 1 a 5 en su configuración y en sus elementos constituyentes.
El segundo circuito frigorígeno 101 une los elementos primarios de los múltiples intercambiadores de calor para poder asegurar la transferencia de las calorías.
Los dos circuitos frigorígenos 1/101 son ventajosamente idénticos y comprenden, cada uno, un compresor 6/106 preferentemente dispuesto en la canalización que conecta el intercambiador evaporador 3 con el intercambiador condensador 2. Cada circuito frigorígeno 1 y 101 comprende también tres manorreductores 7, 8, 9 y 107, 108, 109. Las características técnicas de los elementos que forman el segundo circuito frigorígeno pueden retomar las características ya indicadas anteriormente para el primer circuito frigorígeno. El segundo circuito frigorígeno comprende cuatro nodos de enlace 117, 118, 119, 120, dispuestos de manera idéntica a lo que se ha descrito anteriormente y comprende también los tres dispositivos de conmutación. El segundo circuito frigorígeno puede comprender también un depósito 116, así como sensores de temperatura. Cada sensor de temperatura del segundo circuito frigorígeno es un sensor equivalente a como se ha descrito en el primer circuito frigorígeno.
El circuito frigorígeno 101 comprende ventajosamente un sensor de presión 161 configurado para medir la presión PHP101 en la salida del compresor 106. El circuito frigorígeno 101 puede comprender también otro sensor de presión 162 configurado para medir la presión PBP101 en la entrada del compresor 106. Todos estos sensores se conectan al circuito de control 600.
El segundo circuito frigorígeno 101 permite la circulación de un segundo fluido frigorígeno que puede ser idéntico o diferente al primer fluido frigorígeno en su composición.
El segundo circuito frigorígeno 101 comprende un primer sensor de temperatura del fluido frigorígeno 135 configurado para medir la temperatura T101 en la salida del segundo circuito primario del segundo intercambiador evaporador 2. El segundo circuito frigorígeno 101 comprende un segundo sensor de temperatura del fluido frigorígeno 145 configurado para medir la temperatura T102 del fluido frigorígeno en la salida del segundo circuito primario del tercer intercambiador 4 cuando este funciona como evaporador. El segundo circuito frigorígeno 101 comprende un tercer sensor de temperatura del fluido frigorígeno 155, configurado para medir la temperatura T103 del fluido frigorígeno en la salida del segundo circuito primario del cuarto intercambiador 5 cuando este funciona como evaporador.
La máquina termodinámica 100 con dos circuitos frigorígenos puede funcionar según los mismos modos de producción que los ilustrados en las figuras 2, 3, 4 y 5. En estos casos, los estados de los primer, segundo y tercer dispositivos de conmutación de los dos circuitos son idénticos. Por lo tanto, los diagramas de los dos circuitos frigorígenos son idénticos. Los dos fluidos frigorígenos circulan de manera idéntica en los dos circuitos. El funcionamiento general de la máquina termodinámica es idéntico a lo que se presentó anteriormente. El primer dispositivo de conmutación del segundo circuito frigorígeno 101 es equivalente al primer dispositivo de conmutación del primer circuito frigorígeno 1. El segundo dispositivo de conmutación del segundo circuito frigorígeno 101 es equivalente al segundo dispositivo de conmutación del primer circuito frigorígeno 1. El tercer dispositivo de conmutación del segundo circuito frigorígeno 101 es equivalente al tercer dispositivo de conmutación del primer circuito frigorígeno 1.
Resulta ventajoso prever que los dos circuitos frigorígenos 1 y 101 funcionen de diferentes maneras. Cada uno de los dos circuitos frigorígenos 1 y 101 puede funcionar independientemente según uno u otro de los cuatro modos de funcionamiento que son el modo de producción calorífica prioritaria, el modo de producción frigorífica prioritaria, el modo de descarga de la fuente geotérmica y el modo de recarga de la fuente geotérmica. Las figuras 7, 8, 9 y 10 ilustran cuatro configuraciones donde los dos circuitos frigorígenos 1 y 101 funcionan de manera diferente.
La figura 7 ilustra una primera configuración de los circuitos frigorígenos 1 y 101. En esta primera configuración, la máquina 100 funciona globalmente según el modo llamado producción calorífica prioritaria, realizando al mismo tiempo la descarga de la fuente geotérmica. La máquina 100 suministra energía calorífica al elemento de consumo de calor 200, suministra energía frigorífica al elemento de consumo de frío 300 y extrae el complemento de energía calorífica de la fuente geotérmica 400, mientras realiza simultáneamente una descarga de la fuente geotérmica 400 hacia la fuente aerotérmica 500.
El primer circuito frigorígeno 1 funciona según el modo de producción calorífica prioritaria en el caso particular donde solo se aprovecha la fuente geotérmica 400, tal como se explica e ilustra en la figura 2 para
un único circuito frigorígeno, en el caso particular en el que el manorreductor 9 está cerrado. El segundo circuito frigorígeno 101 funciona según el modo de descarga de la fuente geotérmica. Este modo de funcionamiento del segundo circuito frigorígeno 101 es idéntico al modo de funcionamiento de la máquina termodinámica 100 de un solo circuito frigorígeno, que se ilustra en la figura 4.
En el primer circuito frigorígeno 1, el primer y segundo dispositivos de conmutación se colocan en su segunda configuración, el tercer dispositivo de conmutación se coloca en su primera configuración, y el manorreductor 9 se cierra.
En el segundo circuito frigorígeno 101, el primer dispositivo conmutación se coloca en su segunda configuración, el segundo dispositivo de conmutación se coloca en su primera configuración, el tercer dispositivo de conmutación se coloca en su tercera configuración, y manorreductor 107 se cierra.
De manera ventajosa, el dispositivo de control 600 implementa esta configuración según los mismos criterios que para el modo de descarga de la fuente geotérmica 400 de la máquina con un solo circuito frigorígeno, es decir, cuando la temperatura del aire medida TAIRE es menor que la temperatura del subsuelo en la fuente geotérmica 400.
La figura 8 ilustra una segunda configuración en la que la máquina funciona globalmente según el modo llamado producción calorífica prioritaria, realizando al mismo tiempo la recarga de la fuente geotérmica. La máquina 100 suministra energía calorífica al elemento de consumo de calor 200, suministra energía frigorífica al elemento de consumo de frío 300 y extrae el complemento de energía calorífica de la fuente aerotérmica 500, mientras realiza simultáneamente una recarga de la fuente geotérmica 400 desde la fuente aerotérmica 500.
El primer circuito frigorígeno 1 funciona según el modo de producción calorífica prioritaria en el caso particular donde solo se aprovecha la fuente aerotérmica 500, tal como se explica e ilustra en la figura 2 para un solo circuito frigorígeno, en el caso particular en el que el manorreductor 8 está cerrado.
El segundo circuito frigorígeno 101 funciona según el modo de recarga de la fuente geotérmica, es decir, de manera idéntica al modo de funcionamiento de la termofrigobomba 100 de un solo circuito frigorígeno, que se ilustra en la figura 5.
En el primer circuito frigorígeno 1, el primer y segundo dispositivos de conmutación se colocan en su segunda configuración, el tercer dispositivo de conmutación se coloca en su primera configuración, y el manorreductor 8 se cierra.
En el segundo circuito frigorígeno 101, el primer dispositivo conmutación se coloca en su primera configuración, el segundo dispositivo de conmutación se coloca en su segunda configuración, el tercer dispositivo de conmutación se coloca en su tercera configuración, y manorreductor 107 se cierra.
El dispositivo de control 600 podrá activar esta combinación según los mismos criterios que para el modo de recarga de la fuente geotérmica 400 de la máquina de un solo circuito frigorígeno, es decir, cuando la temperatura del aire medida TAIRE es mayor que la temperatura del subsuelo en la fuente geotérmica 400.
La figura 9 ilustra una tercera configuración en la que la máquina funciona globalmente según el modo llamado producción frigorífica prioritaria, realizando al mismo tiempo la recarga de la fuente geotérmica. La máquina 100 suministra energía calorífica al elemento de consumo de calor 200, suministra energía frigorífica al elemento de consumo de frío 300 y transfiere una parte de la energía calorífica producida hacia la fuente geotérmica 400, mientras realiza simultáneamente una recarga de la fuente geotérmica 400 desde la fuente aerotérmica 500.
El primer circuito frigorígeno 1 funciona según el modo de producción frigorífica prioritaria en el caso particular donde solo se aprovecha la fuente geotérmica 400, tal como se explica e ilustra en la figura 3 para un solo circuito frigorígeno, en el caso particular en el que el manorreductor 9 está cerrado.
El segundo circuito frigorígeno 101 funciona según el modo de recarga de la fuente geotérmica, es decir, de manera idéntica al modo de funcionamiento de la termofrigobomba 100 de un solo circuito frigorígeno, que se ilustra en la figura 5.
En el primer circuito frigorígeno 1, el primer y segundo dispositivos de conmutación se colocan en su primera configuración, el tercer dispositivo de conmutación se coloca en su segunda configuración, y el manorreductor 9 se cierra.
En el segundo circuito frigorígeno 101, el primer dispositivo conmutación se coloca en su primera configuración, el segundo dispositivo de conmutación se coloca en su segunda configuración, el tercer dispositivo de conmutación se coloca en su tercera configuración, y manorreductor 107 se cierra.
El dispositivo de control 600 podrá activar esta combinación según los mismos criterios que para el modo de recarga de la fuente geotérmica 400 de la máquina de un solo circuito frigorígeno, es decir, cuando la temperatura del aire medida TAIRE es mayor que la temperatura del subsuelo en la fuente geotérmica 400.
La figura 10 ilustra una cuarta configuración en la que la máquina funciona globalmente según el modo llamado producción frigorífica prioritaria, realizando al mismo tiempo la descarga de la fuente geotérmica. La máquina 100 suministra energía calorífica al elemento de consumo de calor 200, suministra energía frigorífica al elemento de consumo de frío 300 y transfiere una parte de la energía calorífica producida hacia la fuente aerotérmica 500, mientras realiza simultáneamente una descarga de la fuente geotérmica 400 hacia la fuente aerotérmica 500.
El primer circuito frigorígeno 1 funciona según el modo de producción frigorífica prioritaria en el caso particular donde solo se aprovecha la fuente aerotérmica 500, tal como se explica e ilustra en la figura 3 para un solo circuito frigorígeno, en el caso particular en el que el manorreductor 8 está cerrado.
El segundo circuito frigorígeno 101 funciona según el modo de descarga de la fuente geotérmica, es decir, de manera idéntica al modo de funcionamiento de la termofrigobomba 100 de un solo circuito frigorígeno, que se ilustra en la figura 4.
En el primer circuito frigorígeno 1, el primer y segundo dispositivos de conmutación se colocan en su primera configuración, el tercer dispositivo de conmutación se coloca en su segunda configuración, y el manorreductor 8 se cierra.
En el segundo circuito frigorígeno 101, el primer dispositivo conmutación se coloca en su segunda configuración, el segundo dispositivo de conmutación se coloca en su primera configuración, el tercer dispositivo de conmutación se coloca en su tercera configuración, y manorreductor 107 se cierra.
El dispositivo de control 600 podrá activar esta combinación según los mismos criterios que para el modo de descarga de la fuente geotérmica 400 de la máquina de un solo circuito frigorígeno, es decir, cuando la temperatura del aire medida TAIRE es menor que la temperatura del subsuelo en la fuente geotérmica 400.
La máquina termodinámica 100 permite suministrar simultáneamente energía calorífica a una carga calorífica 200 y energía frigorífica a una carga frigorífica 300, mediante el aprovechamiento de la energía calorífica o frigorífica, ya sea de una fuente geotérmica 400 o de una fuente aerotérmica 500, o simultáneamente de ambas fuentes geotérmica y aerotérmica. La máquina termodinámica 100 permite seleccionar en todo momento entre las fuentes geotérmica y aerotérmica la fuente que se aprovechará con la mejor eficiencia energética dependiendo de si el circuito de control constata que la temperatura TAIRE es mayor que la temperatura TGEO o que la temperatura TAIRE es menor que la temperatura TGEO.
El circuito de control 600 está configurado para gestionar de manera activa la fuente geotérmica 400. El circuito de control puede monitorear el estado de la fuente geotérmica ya sea con la ayuda de la temperatura TSuelo que mide el tercer sensor de temperatura 404, o con la ayuda de la temperatura TGEO que mide el primer sensor 44 combinado con el circuito de estimación. En ciertos períodos del año, el circuito de control efectúa una recarga o una descarga de energía calorífica de la fuente geotérmica desde la fuente aerotérmica, es decir, aporta o extrae calorías. Cuando el circuito de control 600 constata que la diferencia entre la temperatura de la fuente geotérmica y la temperatura prevista alcanza una diferencia umbral, el circuito de control activa una fase de recarga o una fase de descarga. Cuando la temperatura de la fuente geotérmica es menor que la temperatura prevista y la temperatura del aire ambiente es mayor que la temperatura de la fuente geotérmica, el circuito de control activa la transferencia de calorías desde la fuente aerotérmica hacia la fuente geotérmica. Cuando la temperatura de la fuente geotérmica es mayor que la temperatura prevista y la temperatura del aire ambiente es menor que la temperatura de la fuente geotérmica, el circuito de control activa la transferencia de calorías desde la fuente geotérmica hacia la fuente aerotérmica.
Mediante el uso de varios circuitos frigorígenos, es posible suministrar simultáneamente energía calorífica a una carga calorífica 200 y energía frigorífica a una carga frigorífica 300 mediante el aprovechamiento de la fuente geotérmica 400 o la fuente aerotérmica 500 que conduce a la mejor eficiencia energética, mientras se efectúa una recarga calorífica o frigorífica de la fuente geotérmica 400 desde la fuente aerotérmica 500, pudiéndose realizar esta última operación con una alta eficiencia energética en cuanto las condiciones del aire ambiente son favorables. Se usan los mismos criterios que usa la comparación de las temperaturas TAIRE y TGEO.
De manera ventajosa, la máquina termodinámica 100 está configurada para producir una energía calorífica sobre la carga calorífica 200 para aplicaciones de calefacción y/o de producción de agua caliente sanitaria, por ejemplo, que necesitan la calefacción de un fluido caloportador a una temperatura comprendida entre 20 °C y 100 °C. La máquina termodinámica también está configurada para producir una energía frigorífica sobre la carga frigorífica 300 para aplicaciones de refrigeración de un fluido caloportador preferentemente en el intervalo 0 °C - 20 °C. Aunque la invención se ha descrito con referencia a un modo de realización particular, no está limitada en absoluto a este modo de realización. Sólo está limitada por las siguientes reivindicaciones.

Claims (20)

REIVINDICACIONES
1. Máquina termodinámica, que comprende:
- un primer intercambiador de calor (2) que posee al menos un circuito primario en el que circula un fluido frigorígeno y al menos un circuito secundario destinado a ser recorrido por un primer fluido caloportador, estando el primer intercambiador de calor (2) configurado para condensar el fluido frigorígeno;
- un segundo intercambiador de calor (3) que posee al menos un circuito primario en el que circula el fluido frigorígeno y al menos un circuito secundario destinado a ser recorrido por un segundo fluido caloportador, estando el segundo intercambiador de calor (3) configurado para evaporar el fluido frigorígeno;
- un tercer intercambiador de calor (4) destinado a cooperar con una fuente geotérmica (400) y que posee al menos un circuito primario en el que circula el fluido frigorígeno y al menos un circuito secundario, estando el tercer intercambiador de calor configurado para evaporar o condensar el fluido frigorígeno;
- un cuarto intercambiador de calor (5) destinado a cooperar con una fuente areotérmica (500) y que posee al menos un circuito primario en el que circula el fluido frigorígeno y al menos un circuito secundario, estando el cuarto intercambiador de calor configurado para evaporar o condensar el fluido frigorígeno;
- al menos un primer circuito frigorígeno (1) en el interior del cual circula el fluido frigorígeno, conectando el al menos un primer circuito frigorígeno el primer intercambiador de calor (2), el segundo intercambiador de calor (3), el tercer intercambiador de calor (4) y el cuarto intercambiador de calor (5);
donde el al menos un primer circuito frigorígeno (1) comprende:
- un compresor (6) montado entre una salida del segundo intercambiador de calor (3) y una entrada del primer intercambiador de calor (2);
- un primer manorreductor (7) montado entre una salida del primer intercambiador de calor (2) y una entrada del segundo intercambiador de calor (3); - un primer nodo de enlace (17) que conecta la salida del compresor (6) a la entrada del primer intercambiador de calor (2), a un primer dispositivo de conmutación (10, 11,21) y a un segundo dispositivo de conmutación (12, 13, 22);
- un segundo nodo de enlace (18) que conecta la salida del primer intercambiador de calor (2) a una entrada del primer manorreductor (7) y a un tercer dispositivo de conmutación (14, 15, 23);
- un tercer nodo de enlace (19) que conecta la entrada del segundo intercambiador de calor (3) con una salida del primer manorreductor (7) y con el tercer dispositivo de conmutación (14, 15, 23);
- un cuarto nodo de enlace (20) que conecta la salida del segundo intercambiador de calor (3) a la entrada del compresor (6), al primer dispositivo de conmutación (10, 11, 21) y al segundo dispositivo de conmutación (12, 13, 22);
- estando el primer dispositivo de conmutación (10, 11, 21) configurado para definir selectivamente una primera configuración o una segunda configuración, definiendo la primera configuración un primer canal de circulación del fluido frigorígeno que conecta el primer nodo de enlace (17) a la primera entrada/salida del tercer intercambiador de calor (4) y que impide la circulación del fluido frigorígeno a través del primer dispositivo de conmutación (10, 11, 21) hasta el cuarto nodo de enlace (20), definiendo la segunda configuración un segundo canal de circulación del fluido frigorígeno que conecta una primera entrada/salida del tercer intercambiador de calor (4) al cuarto nodo de enlace (20) y que impide la circulación del fluido frigorígeno a través del primer dispositivo de conmutación (10, 11, 21) desde el primer nodo de enlace (17);
- estando el segundo dispositivo de conmutación (12, 13, 22) configurado para definir selectivamente una primera configuración o una segunda configuración, definiendo la primera configuración un primer canal de circulación del fluido frigorígeno que conecta el primer nodo de enlace (17) a la primera entrada/salida del cuarto intercambiador de calor (5) y que impide la circulación del fluido frigorígeno a través del segundo dispositivo de conmutación (12, 13, 22) hasta el cuarto nodo de enlace (20), definiendo la segunda configuración un segundo canal de circulación del fluido frigorígeno que conecta una primera entrada/salida del cuarto intercambiador de calor (5) al cuarto nodo de enlace (20) y que impide la circulación del fluido frigorígeno a través del segundo dispositivo de conmutación (12, 13, 22) desde el primer nodo de enlace (17);
- estando el tercer dispositivo de conmutación (14, 15, 23) configurado para definir selectivamente una primera configuración, una segunda configuración o una tercera configuración, definiendo la primera configuración un primer canal de circulación del fluido frigorígeno que conecta el segundo nodo de enlace (18) a una segunda entrada/salida del tercer intercambiador de calor (4) y a una segunda entrada/salida del cuarto intercambiador de calor (5) y que impide la circulación del fluido frigorígeno a través del tercer dispositivo de conmutación (14, 15, 23) hasta el tercer nodo de enlace (19), definiendo la segunda configuración un segundo canal de circulación del fluido frigorígeno que conecta la segunda entrada/salida del tercer intercambiador de calor (4) y la segunda entrada/salida del cuarto intercambiador de calor (5) al tercer nodo de enlace (19) y que impide la circulación del fluido frigorígeno a través del tercer dispositivo de conmutación (14, 15, 23) desde el segundo nodo de enlace (18), impidiendo la tercera configuración la circulación del fluido frigorígeno a través del tercer dispositivo de conmutación (14, 15, 23) desde el segundo nodo de enlace (18), impidiendo la tercera configuración la circulación del fluido frigorígeno a través del tercer dispositivo de conmutación (14, 15, 23) desde el segundo nodo de enlace (18) e impidiendo la circulación del fluido frigorígeno a través del tercer dispositivo de conmutación (14, 15, 23) hasta el tercer nodo de enlace (19) y conectando la segunda entrada/salida del tercer intercambiador de calor (4) y la segunda entrada/salida del cuarto intercambiador de calor (5);
- un segundo manorreductor (8) montado entre el tercer dispositivo de conmutación (14, 15, 23) y la segunda entrada/salida del tercer intercambiador de calor (4);
- un tercer manorreductor (9) montado entre el tercer dispositivo de conmutación (14, 15, 23) y la segunda entrada/salida del cuarto intercambiador de calor (5).
2. Máquina termodinámica según la reivindicación 1, caracterizada por que el segundo manorreductor (8) y el tercer manorreductor (9) son manorreductores bidireccionales.
3. Máquina termodinámica según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que comprende un circuito de control (600) configurado para definir selectivamente al menos dos modos de funcionamiento de entre:
- un primer modo de funcionamiento donde el primer dispositivo de conmutación (10, 11, 21) y el segundo dispositivo de conmutación (12, 13, 22) están en la segunda configuración, y el tercer dispositivo de conmutación (14, 15, 23) está en la primera configuración, para transferir calorías desde el circuito secundario del segundo intercambiador de calor (3) y/o desde un circuito secundario del tercer intercambiador de calor (4) y/o desde un circuito secundario del cuarto intercambiador de calor (5) hacia el circuito secundario del primer intercambiador de calor (2);
- un segundo modo de funcionamiento donde el primer dispositivo de conmutación (10, 11, 21) y el segundo dispositivo de conmutación (12, 13, 22) están en la primera configuración, y el tercer dispositivo de conmutación (14, 15, 23) está en la segunda configuración, para transferir calorías desde el circuito secundario del segundo intercambiador de calor (3) hacia el circuito secundario del primer intercambiador de calor (2) y/o hacia el circuito secundario del tercer intercambiador de calor (4) y/o hacia el circuito secundario del cuarto intercambiador de calor (5);
- un tercer modo de funcionamiento donde el primer dispositivo de conmutación (10, 11, 21) está en la segunda configuración, el segundo dispositivo de conmutación (12, 13, 22) está en la primera configuración y el tercer dispositivo de conmutación (14, 15, 23) está en la tercera configuración, para transferir calorías desde el circuito secundario del tercer intercambiador de calor (4) hacia el circuito secundario del cuarto intercambiador de calor (5);
- un cuarto modo de funcionamiento donde el primer dispositivo de conmutación (10, 11, 21) está en la primera configuración, el segundo dispositivo de conmutación (12, 13, 22) está en la segunda configuración y el tercer dispositivo de conmutación (14, 15, 23) está en la tercera configuración, para transferir calorías desde el circuito secundario del cuarto intercambiador de calor (5) hacia el circuito secundario del tercer intercambiador de calor (4);
4. Máquina termodinámica según la reivindicación anterior, que comprende:
- un primer sensor de temperatura (44) configurado para medir la temperatura (TGEO) en la entrada del al menos un circuito secundario del tercer intercambiador de calor (4);
- un segundo sensor de temperatura (54) configurado para medir la temperatura (TAIRE) en la entrada del al menos un circuito secundario del cuarto intercambiador de calor (5);
y donde el segundo manorreductor (8) y el tercer manorreductor (9) presentan un grado de apertura variable y donde el circuito de control (600) está configurado para controlar el grado de apertura del segundo manorreductor (8) y el grado de apertura del tercer manorreductor (9) y ajustar la potencia calorífica o frigorífica transmitida respectivamente a través del tercer intercambiador de calor (4) y el cuarto intercambiador de calor (5) en función de los valores de temperatura (TGEO, TAIRE) medidos en la entrada del al menos un circuito secundario del tercer intercambiador de calor (4) y en la entrada del al menos un circuito secundario del cuarto intercambiador de calor (5).
5. Máquina termodinámica según la reivindicación anterior, caracterizada por que el circuito de control (600) está configurado para cerrar el segundo manorreductor (8) en el primer modo de funcionamiento cuando el circuito de control (600) constata que el valor de temperatura (TGEO) en la entrada del al menos un circuito secundario del tercer intercambiador de calor (4) es menor que el valor de temperatura (TAIRE) en la entrada del al menos un circuito secundario del cuarto intercambiador de calor (5).
6. Máquina termodinámica según una de las reivindicaciones 4 a 5, caracterizada por que el circuito de control (600) está configurado para cerrar el tercer manorreductor (9) en el primer modo de funcionamiento cuando el circuito de control (600) constata que el valor de temperatura (TGEO) en la entrada del al menos un circuito secundario del tercer intercambiador de calor (4) es mayor que el valor de temperatura (TAIRE) en la entrada del al menos un circuito secundario del cuarto intercambiador de calor (5).
7. Máquina termodinámica según una de las reivindicaciones 4 a 6, caracterizada por que el circuito de control (600) está configurado para cerrar el segundo manorreductor (8) en el segundo modo de funcionamiento cuando el circuito de control (600) constata que el valor de temperatura (TGEO) en la entrada del al menos un circuito secundario del tercer intercambiador de calor (4) es mayor que el valor de temperatura (TAIRE) en la entrada del al menos un circuito secundario del cuarto intercambiador de calor (5).
8. Máquina termodinámica según una de las reivindicaciones 4 a 7, caracterizada por que el circuito de control (600) está configurado para cerrar el tercer manorreductor (9) en el segundo modo de funcionamiento cuando el circuito de control (600) constata que el valor de temperatura (TGEO) en la entrada del al menos un circuito secundario del tercer intercambiador de calor (4) es menor que el valor de temperatura (TAIRE) en la entrada del al menos un circuito secundario del cuarto intercambiador de calor (5).
9. Máquina termodinámica según una de las reivindicaciones 4 a 8, que comprende medios para medir la temperatura de la fuente geotérmica (400) y donde el circuito de control (600) comprende un modelo predictivo de la temperatura de la fuente geotérmica (400) a lo largo del tiempo, estando el circuito de control (600) configurado para activar el tercer modo de funcionamiento o el cuarto modo de funcionamiento cuando el circuito de control (600) constata que la temperatura de la fuente geotérmica (400) se desvía de la temperatura del modelo predictivo más allá de un valor umbral.
10. Máquina termodinámica según la reivindicación anterior, donde los medios para medir la temperatura de la fuente geotérmica (400) comprenden el primer sensor de temperatura (44) y un dispositivo de estimación configurado para estimar la temperatura de la fuente geotérmica a partir de la temperatura (TGEO) en la entrada del al menos un circuito secundario del tercer intercambiador de calor (4).
11. Máquina termodinámica según la reivindicación 9, donde los medios para medir la temperatura de la fuente geotérmica (400) comprenden un tercer sensor de temperatura (403) diseñado para instalarse en el subsuelo cerca de la fuente geotérmica.
12. Máquina termodinámica según una de las reivindicaciones 10 a 11, donde el circuito de control (600) está configurado para activar el tercer modo de funcionamiento solo cuando el circuito de control (600) constata que la temperatura (TAIRE) en la entrada del al menos un circuito secundario del cuarto intercambiador de calor (5) es menor que la temperatura (TGEO) en la entrada del al menos un circuito secundario del tercer intercambiador de calor (4) y/o para activar el cuarto modo de funcionamiento solo cuando el circuito de control (600) constata que la temperatura (TAIRE) en la entrada del al menos un circuito secundario del cuarto intercambiador de calor (5) es mayor que la temperatura (TGEO) en la entrada del al menos un circuito secundario del tercer intercambiador de calor (4).
13. Máquina termodinámica según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que comprende un segundo circuito frigorígeno (101) distinto del primer circuito frigorígeno (1), en el interior del cual circula un segundo fluido frigorígeno, conectando el segundo circuito frigorígeno (101) el primer intercambiador de calor (2), el segundo intercambiador de calor (3), el tercer intercambiador de calor (4) y el cuarto intercambiador de calor (5), teniendo el segundo circuito frigorígeno (101) un compresor (106), un primer manorreductor (107), un segundo manorreductor (108) y un tercer manorreductor (109), un primer nodo de enlace (117), un segundo nodo de enlace (118), un tercer nodo de enlace (119), un cuarto nodo de enlace (120), un primer dispositivo de conmutación (110, 111, 121), un segundo dispositivo de conmutación (112, 113, 122) y un tercer dispositivo de conmutación (114, 115, 123) dispuestos de manera similar al primer circuito frigorígeno (1).
14. Máquina termodinámica según la combinación de las reivindicaciones 3 y 13, caracterizada por que el circuito de control (600) está configurado para definir selectivamente para el segundo circuito frigorígeno (101) los modos de funcionamiento primero, segundo, tercero y cuarto similares a los primer, segundo, tercero y cuarto modos de funcionamiento del primer circuito frigorígeno (1).
15. Máquina termodinámica según la reivindicación anterior, caracterizada por que el circuito de control (600) está configurado para definir una configuración donde el primer circuito frigorígeno (1) está en el primer modo de funcionamiento, manteniéndose cerrado el tercer manorreductor (9) del primer circuito frigorígeno (1), y el segundo circuito frigorígeno (101) está en el tercer modo de funcionamiento.
16. Máquina termodinámica según una de las reivindicaciones 14 y 15, caracterizada por que el circuito de control (600) está configurado para definir una configuración donde el primer circuito frigorígeno (1) está en el primer modo de funcionamiento, manteniéndose cerrado el segundo manorreductor (8) del primer circuito frigorígeno (1), y el segundo circuito frigorígeno (101) está en el cuarto modo de funcionamiento.
17. Máquina termodinámica según cualquiera de las reivindicaciones 14 a 16, caracterizada por que el circuito de control (600) está configurado para definir una configuración donde el primer circuito frigorígeno (1) está en el segundo modo de funcionamiento, manteniéndose cerrado el tercer manorreductor (9) del primer circuito frigorígeno (1), y el segundo circuito frigorígeno (101) está en el cuarto modo de funcionamiento.
18. Máquina termodinámica según cualquiera de las reivindicaciones 14 a 17, caracterizada por que el circuito de control (600) está configurado para definir una configuración donde el primer circuito frigorígeno (1) está en el segundo modo de funcionamiento, manteniéndose cerrado el segundo manorreductor (8) del primer circuito frigorígeno (1), y el segundo circuito frigorígeno (101) está en el tercer modo de funcionamiento.
19. Procedimiento de funcionamiento de una máquina termodinámica que comprende las etapas de: - suministrar una máquina termodinámica según una de las reivindicaciones 1 a 12;
- operar la máquina termodinámica en un modo de funcionamiento seleccionado de entre:
i) un montaje paralelo del segundo intercambiador de calor (3), del tercer intercambiador de calor (4) y del cuarto intercambiador de calor (5), funcionando el segundo intercambiador de calor (3), el tercer intercambiador de calor (4) y el cuarto intercambiador de calor (5) como evaporadores de fluido frigorígeno, entre la salida del primer intercambiador de calor (2) que funciona como condensador de fluido frigorígeno, y la entrada del compresor (6),
ii) un montaje paralelo del primer intercambiador de calor (2), del tercer intercambiador de calor (4) y del cuarto intercambiador de calor (5), funcionando el primer intercambiador de calor (2), el tercer intercambiador de calor (4) y el cuarto intercambiador de calor (5) como condensadores de fluido frigorígeno, entre la salida del compresor (6) y la entrada del segundo intercambiador de calor (3) que funciona como evaporador de fluido frigorígeno,
iii) un montaje en serie del cuarto intercambiador de calor (5) que funciona como condensador de fluido frigorígeno, y del tercer intercambiador de calor (4) que funciona como evaporador de fluido frigorígeno, entre la salida del compresor (6) y la entrada del compresor (6),
iv) un montaje en serie del tercer intercambiador de calor (4), que funciona como condensador de fluido frigorígeno, y del cuarto intercambiador de calor (5) que funciona como evaporador de fluido frigorígeno, entre la salida del compresor (6) y la entrada del compresor (6).
20. Procedimiento de funcionamiento de una máquina termodinámica que comprende las etapas de: - suministrar una máquina termodinámica según una de las reivindicaciones 13 a 18;
- operar la máquina termodinámica en al menos uno de los modos de funcionamiento seleccionados de entre: i) el primer intercambiador de calor (2) condensa el primer fluido frigorígeno, el segundo intercambiador de calor (3) evapora el primer fluido frigorígeno, el tercer intercambiador de calor (4) evapora el primer fluido frigorígeno y el segundo fluido frigorígeno, el cuarto intercambiador de calor (5) condensa el segundo fluido frigorígeno, el primer fluido frigorígeno no atraviesa el cuarto intercambiador de calor (5), y el segundo fluido frigorígeno no atraviesa los primer y el segundo intercambiadores de calor (2) y (3);
ii) el primer intercambiador de calor (2) condensa el primer fluido frigorígeno, el segundo intercambiador de calor (3) evapora el primer fluido frigorígeno, el tercer intercambiador de calor (4) condensa el segundo fluido frigorígeno, el cuarto intercambiador de calor (5) evapora el primer fluido frigorígeno y el segundo fluido frigorígeno, el primer fluido frigorígeno no atraviesa el tercer intercambiador de calor (4), y el segundo fluido frigorígeno no atraviesa los primer y segundo intercambiadores de calor (2) y (3);
iii) el primer intercambiador de calor (2) condensa el primer fluido frigorígeno, el segundo intercambiador de calor (3) evapora el primer fluido frigorígeno, el tercer intercambiador de calor (4) condensa el primer fluido frigorígeno y el segundo fluido frigorígeno, el cuarto intercambiador de calor (5) evapora el segundo fluido frigorígeno, el primer fluido frigorígeno no atraviesa el cuarto intercambiador de calor (5) y el segundo fluido frigorígeno no atraviesa los primer y segundo intercambiadores de calor (2) y (3);
iv) el primer intercambiador de calor (2) condensa el primer fluido frigorígeno, el segundo intercambiador de calor (3) evapora el primer fluido frigorígeno, el tercer intercambiador de calor (4) evapora el segundo fluido frigorígeno, el cuarto intercambiador de calor (5) condensa el primer fluido frigorígeno y el segundo fluido frigorígeno, el primer fluido frigorígeno no atraviesa el tercer intercambiador de calor (4), y el segundo fluido frigorígeno no atraviesa los primer y segundo intercambiadores de calor (2) y (3).
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