ES2924928T3 - Configuración para generar frío para una locomotora - Google Patents

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Markus Mehlan
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Abstract

La invención se refiere a una instalación frigorífica para un vehículo automóvil, que tiene un primer circuito cerrado que está diseñado como una máquina de refrigeración por compresión (CRM) y contiene un refrigerante como primer medio portador (CM1) y un evaporador (4), y también un condensador (2). El evaporador (4) está diseñado para absorber el calor del primer circuito, mientras que el condensador (2) está diseñado para ceder el calor del primer circuito. El primer circuito está acoplado, a través del evaporador (4), a un segundo circuito cerrado del vehículo automóvil que contiene un segundo medio portador líquido para el transporte de calor. En el que el segundo circuito está diseñado de tal manera que, con fines de refrigeración, el calor se toma en un punto predeterminado y se transfiere al segundo medio portador (CM2), y que el calor se transmite, por medio del segundo medio portador, al evaporador (4) para pasar al primer circuito. El primer circuito está acoplado, a través del condensador (2), a un tercer circuito cerrado que contiene un tercer medio portador líquido para el transporte de calor. El tercer circuito está diseñado de tal manera que el calor del primer circuito, transferido al tercer circuito por medio del condensador, se transfiere al entorno junto con el calor de las instalaciones de tracción del vehículo automóvil. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Configuración para generar frío para una locomotora
La invención se refiere a una configuración para generar frío para una locomotora.
Para refrigerar directamente componentes o para climatizar habitáculos y/o espacios útiles de locomotoras, se utilizan máquinas de refrigeración y sistemas de refrigeración. El espacio constructivo disponible para los aparatos de climatización y aparatos de refrigeración, así como su peso, están limitados por el espacio constructivo necesario y el peso para instalaciones de tracción, estructura del vehículo y personas, por radios de curvas predeterminados y por la carga máxima admisible por eje.
Los componentes necesarios para una climatización o refrigeración a realizar deben poder operarse con independencia de otros componentes del tren, para garantizar una climatización de espacios o refrigeración de componentes modular y desacoplada.
Un reglamento de la UE sobre gases de efecto invernadero fluorados limita la utilización de medios refrigerantes con un elevado “Global Warming Potential” (potencial de calentamiento global). Los medios refrigerantes con un bajo “Global Warming Potential” a su vez están catalogados a menudo a menudo como inflamables y sólo pueden utilizarse con limitaciones en una climatización de un vehículo ferroviario. Por ejemplo, no deben utilizarse los mismos en la llamada zona “crash” o de choque del vehículo ferroviario o la locomotora.
Es posible utilizar medios refrigerantes no inflamables, pero los mismos tienen un mal rendimiento cuando la temperatura ambiente es alta y originan un aumento considerable de los costes. En algunos medios refrigerantes aumenta fuertemente la presión de servicio a elevadas temperaturas, debido a un proceso transcrítico. En consecuencia, se necesitan entonces resistencias a la presión muy altas y por lo tanto, componentes muy especiales. Se conoce la utilización de una máquina de refrigeración por compresión KKM para generar frío en un vehículo ferroviario o locomotora. Una configuración a modo de ejemplo que utiliza el frío para la climatización se muestra en la figura 2.
La máquina de refrigeración por compresión KKM tiene como componentes principales un compresor 1, un condensador 2, una válvula de estrangulación 3, un evaporador 4 y un medio portador.
El medio portador se utiliza para transportar frío o calor dentro de un circuito.
Un medio portador KM1 que funciona como un medio refrigerante, se mueve en un primer circuito cerrado, compuesto por los componentes principales antes citados. El medio portador KM1 sufre una tras otra diversas modificaciones en cuanto a estado de agregación.
El medio portador KM1 del primer circuito se denominará a continuación también primer medio portador KM1.
El primer medio portador KM1 gaseiforme se comprime mediante el compresor 1 y se retransmite al condensador 2 conectado a continuación.
En el condensador 2 se condensa o licúa el primer medio portador KM1 y cede calor. El calor se cede aquí al aire del entorno del vehículo ferroviario o locomotora. El condensador 2 está diseñado como intercambiador de calor líquidoaire.
El primer medio portador líquido KM1 llega a la válvula de estrangulación 3, que está conectada a continuación del condensador 2.
Debido a la variación de la presión, se expande el primer medio portador líquido KM1 a través de la válvula de estrangulación 3 y llega al evaporador 4, que está conectado a continuación de la válvula de estrangulación 3.
En el evaporador 4 se evapora el primer medio portador líquido KM1, absorbiendo calor a baja temperatura.
Al pasar por el evaporador 4, absorbe calor el primer medio portador KM1 del segundo circuito, que igualmente es cerrado y que contiene un medio portador KM2. El evaporador 4 está diseñado como intercambiador de calor líquidolíquido.
El evaporador 4 está alojado en el segundo circuito, compuesto por un compresor 5, un ventilador 6, un intercambiador de calor 7 y el medio portador KM2.
El medio portador KM2, que tiene la función de un portador de frío o de calor y que por ejemplo es un medio refrigerante líquido, se mueve en el segundo circuito cerrado, compuesto por los componentes antes citados.
El medio portador KM2 no sufre entonces ninguna modificación en cuanto a estado de agregación.
El ventilador 6 transporta aire 12, que se aspira de un espacio útil (por ejemplo de un habitáculo, del puesto de mando de la locomotora o vehículo ferroviario, etc.) a través del intercambiador de calor 7.
El intercambiador de calor 7 está diseñado como intercambiador de calor aire-líquido y enfría el aire 12 que se le aporta, extrayendo calor del mismo y lo transfiere al medio portador KM2 del segundo circuito.
El medio portador KM2 del segundo circuito se denominará a continuación segundo medio portador KM2.
El segundo medio portador KM2 calentado llega, apoyado por el compresor 5, desde el intercambiador de calor 7 al evaporador 4.
Tal como se ha expuesto, toma el evaporador 4 calor del segundo medio portador KM2, con lo que en definitiva se enfría el segundo medio portador KM2.
El segundo medio portador KM2 enfriado se conduce al intercambiador de calor 7 y se utiliza allí para enfriar o extraer calor del aire 12 aportado.
Resumiendo, en el segundo circuito se extrae calor del aire 12 y se transporta al evaporador 4. A través del evaporador 4 se transfiere el calor del primer circuito al segundo circuito y se transporta al condensador 2. Mediante el condensador 2 se cede el calor del primer circuito al medio ambiente.
Debido a los intercambiadores de calor 2, 4 y 7 utilizados, los circuitos acoplados tienen una potencia total de refrigeración limitada.
Por el documento WO 2018/024359 A1 se conoce un equipo climatizador para un ómnibus.
Por el documento DE 102015002166 A1 se conoce una instalación de climatización para un vehículo.
Ambos documentos WO 2018/024359 A1 y DE 102015002166 A publican una configuración para generar frío
- con un primer circuito cerrado, diseñado como máquina de refrigeración por compresión KKM y un medio refrigerante como primer medio portador, un evaporador, diseñado como intercambiador de calor líquidolíquido, un condensador, diseñado como intercambiador de calor líquido-líquido, un compresor y una válvula de estrangulación, de forma que el primer medio portador llega desde el evaporador a través del compresor al condensador y desde el condensador a través de la válvula de estrangulación de retorno al evaporador, - con un segundo circuito cerrado, que tiene el evaporador, un intercambiador de calor, así como un segundo medio portador líquido para transportar el calor, de forma que el segundo medio portador llega desde el intercambiador de calor al evaporador y desde el evaporador de retorno al intercambiador de calor,
- con un tercer circuito cerrado, que tiene el condensador, un primer intercambiador de calor, un segundo intercambiador de calor, un tercer medio portador líquido para transportar el calor,
- en el que el segundo circuito está acoplado a través del evaporador con el primer circuito,
- en el que el primer circuito está acoplado a través del condensador con el tercer circuito.
El objetivo de la presente invención es especificar una configuración mejorada para generar frío para una locomotora, en particular para habitáculos o espacios útiles de la locomotora.
Este objetivo se logra mediante las características de la reivindicación 1.
Ventajosos perfeccionamientos se especifican en las otras reivindicaciones.
La invención se refiere a una configuración para generar frío para una locomotora, con un primer circuito cerrado, diseñado como máquina de refrigeración por compresión y un refrigerante como primer medio portador, así como un evaporador y también un condensador. El evaporador está diseñado para absorber calor en el primer circuito. El condensador está diseñado para ceder calor procedente del primer circuito.
El primer circuito está acoplado a través del evaporador con un segundo circuito cerrado, que con preferencia es parte de la locomotora. El segundo circuito contiene un segundo medio portador líquido, para transportar el calor.
El segundo circuito está diseñado de forma tal que para fines de refrigeración se absorbe calor en un lugar predeterminado y se transfiere al segundo medio portador (KM2).
El calor llega a través del segundo medio portador al evaporador, para transferir calor al primer circuito.
Con preferencia está diseñado el segundo circuito de forma tal que para refrigerar un componente de la locomotora y/o para refrigerar un habitáculo de la locomotora se absorbe calor del componente y/o calor del aire del habitáculo y se transfiere al segundo medio portador (KM2). De acuerdo con la invención, llega entonces el calor transferido a través del segundo medio portador al evaporador (4), para transferir calor al primer circuito.
El habitáculo es con preferencia parte de la locomotora.
El primer circuito está acoplado a través del condensador con un tercer circuito cerrado, que con preferencia es parte de la locomotora. El tercer circuito contiene un tercer medio portador líquido para transportar el calor. El tercer circuito está diseñado de forma tal que se transmite calor del primer circuito a través del condensador al tercer circuito juntamente con un calor de instalaciones de tracción de la locomotora al medio ambiente o entorno de la locomotora.
Como medio refrigerante se entiende, de acuerdo con normas, un medio de trabajo o un fluido que se utiliza para transmitir calor en una instalación frigorífica y que a baja temperatura y baja presión absorbe calor y a temperatura más alta y presión más alta, cede calor. En este proceso tienen lugar cambios de estado del fluido.
De acuerdo con la invención, está diseñado el primer circuito de forma tal que se transfiere calor mediante el evaporador al primer medio portador y a través de éste llega al condensador para ceder calor.
De acuerdo con la invención, incluye el segundo circuito un intercambiador de calor, con lo que se absorbe calor ventajosamente del aire del habitáculo mediante el intercambiador de calor y se transfiere al segundo medio portador y el calor llega a través del segundo medio portador al evaporador para transferir calor al primer circuito.
De acuerdo con la invención, contiene el tercer circuito un primer intercambiador de calor y un segundo intercambiador de calor. El segundo intercambiador de calor está diseñado para refrigerar las instalaciones de tracción de la locomotora y dispuesto tal que se transfiere calor del primer circuito mediante el condensador al tercer medio portador y a través del tercer medio portador llega el calor del primer circuito, junto con el calor de las instalaciones de tracción proporcionado por el segundo intercambiador de calor, al primer intercambiador de calor, que a continuación transmite todo ese calor al aire del entorno.
De acuerdo con la invención, tiene el primer circuito, además del condensador, del evaporador y del primer medio portador, adicionalmente un compresor y una válvula de estrangulación. Éstos constituyen un circuito cerrado, de modo que el primer medio portador llega desde el evaporador a través del compresor al condensador y desde el condensador a través de la válvula de estrangulación de retorno al evaporador.
De acuerdo con la invención, tiene el segundo circuito, además del evaporador, del intercambiador de calor y del segundo medio portador, adicionalmente un compresor. Éstos constituyen un circuito cerrado, de modo que el segundo medio portador llega desde el intercambiador de calor a través del compresor al evaporador y desde el evaporador de retorno al intercambiador de calor.
De acuerdo con la invención, tiene el tercer circuito, además del condensador, del primer y del segundo intercambiador de calor y del tercer medio portador, adicionalmente un compresor. Éstos constituyen un circuito cerrado, de modo que el tercer medio portador llega desde el condensador a través del compresor al segundo intercambiador de calor y desde éste, a través del primer intercambiador de calor, de retorno al condensador.
De acuerdo con la invención, están diseñados el segundo y el tercer medio portador para transportar frío o calor, como portador de frío y calor respectivamente, dentro del correspondiente circuito cerrado.
De acuerdo con la invención, está diseñado el evaporador y también el condensador del primer circuito como intercambiador de calor líquido-líquido.
De acuerdo con la invención, está diseñado el intercambiador de calor del segundo circuito como intercambiador de calor aire-líquido. Ventajosamente está diseñado el primer intercambiador de calor del tercer circuito como intercambiador de calor líquido-aire. En un perfeccionamiento preferido, se utiliza como segundo y/o como tercer medio portador agua, en particular un agua mezclada con un anticongelante (por ejemplo Antifrogen).
En un perfeccionamiento preferido, se constituyen varios primeros circuitos en cascada, e interactúan entonces correspondientemente.
En un perfeccionamiento preferido, están conectados otros circuitos de líquido entre el primer circuito y el tercer circuito. En un perfeccionamiento preferido, se utiliza potencia frigorífica, que se evacúa en el evaporador, para refrigerar otros componentes de la locomotora (por ejemplo para refrigerar baterías).
Mediante la presente invención se ahorra espacio constructivo, ya que el condensador del primer circuito está diseñado como intercambiador de calor líquido-líquido.
Mediante el acoplamiento del primer y el tercer circuito a través del condensador, sólo es necesaria una pequeña modificación del circuito de refrigeración de las instalaciones de tracción existente en la locomotora y que se utiliza a la vez de acuerdo con la invención.
La presente invención hace posible, al necesitarse sólo poco espacio constructivo, elegir con relativa libertad la posición de los componentes de la configuración de refrigeración en la locomotora.
La presente invención permite realizar un concepto de refrigeración central (por ejemplo por cada locomotora está prevista una configuración de refrigeración) o un concepto descentralizado (por ejemplo para cada habitáculo está prevista una configuración de refrigeración).
Al interactuar los tres circuitos, puede ahorrarse potencia frigorífica necesaria hasta ahora. Con ello se ahorran espacio constructivo, peso y costes en el diseño y en la fabricación de la locomotora.
La siguiente consideración de un régimen de calefacción (es decir, aire del entorno frío y demanda de calor en el habitáculo) muestra otra ventaja adicional:
Puede extraerse también calor del tercer medio portador mediante el primer circuito en una clase de servicio “bomba de calor” y conducirse al segundo circuito. Así se reduce la demanda de energía cuando se necesita calentar el habitáculo. A la vez se enfría el tercer medio portador de forma tal que el ventilador del tercer circuito puede funcionar ahorrando energía (es decir, el mismo funciona con una velocidad de giro menor y/o conectado durante menos tiempo).
Debido a la conductividad volumétrica de los medios portadores líquidos, los coeficientes de transferencia del calor en los intercambiadores de calor, debido al diseño, son un múltiplo de los que se tienen cuando se utiliza aire para evacuar calor en el condensador.
El volumen necesario para transportar potencia calorífica es varias veces menor que en la utilización conocida de aire para evacuar el calor en el condensador, debido a la capacidad calorífica de los medios portadores líquidos.
Para elevadas potencias de marcha (es decir, cuando el producto de velocidad de marcha por fuerza de tracción es elevado), se necesita la máxima potencia de refrigeración de la instalación de tracción. Para altas velocidades de marcha, se refrigeran las paredes de la locomotora que ha calentado la radiación solar mediante el viento en contra. Así no se necesita la máxima potencia de refrigeración de la climatización para elevadas velocidades de marcha. Esta sinergia puede aprovecharse para reducir la potencia total de refrigeración instalada.
El libre posicionado antes descrito permite también seguir utilizando medios refrigerantes inflamables en zonas predeterminadas (por ejemplo en la zona exterior). En este caso queda garantizado mediante medidas de seguridad sencillas (por ejemplo una instalación de extinción de CO2) que se extingan rápidamente incendios ya en su fase inicial. A continuación se describirá la presente invención más en detalle a modo de ejemplo, en base a un dibujo. En él muestra:
figura 1 la configuración de acuerdo con la invención en un esquema básico de circuitos y
figura 2 la aplicación descrita en la introducción a la descripción de una máquina de refrigeración de compresión, para climatizar un vehículo ferroviario.
La figura 1 muestra la configuración de acuerdo con la invención en un esquema básico de circuitos.
La máquina de refrigeración de compresión KKM tiene como componentes principales un compresor 1, un condensador 2, una válvula de estrangulación 3, un evaporador 4 y un medio portador KM1.
El medio portador KM1 se utiliza para transportar frío o calor dentro del primer circuito.
El medio portador KM1, que tiene la función de un medio refrigerante, se mueve en el primer circuito cerrado, compuesto por los componentes principales antes citados.
El medio portador KM1 sufre una tras otra diversas modificaciones en su estado de agregación. El medio portador KM1 del primer circuito se denominará a continuación también primer medio portador KM1.
El primer medio portador KM1 en forma gaseosa se comprime mediante el compresor 1 y se retransmite al condensador 2 conectado a continuación.
En el condensador 2 se condensa o licúa el primer medio portador KM1 y cede calor.
El primer medio portador KM1 líquido llega a la válvula de estrangulación 3, conectada a continuación del condensador 2.
Debido a la variación de la presión, se expande el primer medio portador KM1 líquido a través de la válvula de estrangulación 3 y llega al evaporador 4, que está conectado a continuación de la válvula de estrangulación 3.
En el evaporador 4 se evapora el primer medio portador KM1, absorbiendo calor a baja temperatura.
Mediante el evaporador 4 absorbe calor el primer medio portador KM1 de un segundo circuito, que igualmente es cerrado, y que contiene un medio portador KM2. El evaporador 4 está diseñado como intercambiador de calor líquidolíquido.
El evaporador 4 está integrado en el segundo circuito, compuesto por un compresor 5, un ventilador 6, un intercambiador de calor 7 y el medio portador KM2.
El medio portador KM2, que tiene la función de un medio portador de frío o de calor, se mueve en el segundo circuito cerrado, compuesto por los componentes antes citados.
El ventilador 6 transporta aire 12, que se aspira de un espacio útil (por ejemplo un habitáculo, el puesto del conductor de la locomotora o vehículo ferroviario, etc.) mediante el intercambiador de calor 7.
El intercambiador de calor 7 está diseñado como intercambiador de calor aire-líquido y enfría el aire 12 que se le aporta, al extraer calor del mismo y lo transfiere al medio portador KM2 del segundo circuito.
El medio portador KM2 del segundo circuito se denominará a continuación segundo medio portador KM2.
El segundo medio portador KM2 calentado llega, apoyado por el compresor 5, desde el intercambiador de calor 7 al evaporador 4.
Tal como se ha explicado, absorbe el evaporador 4 calor del segundo medio portador KM2, con lo que en definitiva se enfría el segundo medio portador KM2.
El segundo medio portador KM2 enfriado se conduce al intercambiador de calor 7 y se utiliza allí para enfriar o extraer calor del aire 12 aportado.
De acuerdo con la invención, está diseñado el condensador 2 de la máquina de refrigeración de compresión como intercambiador de calor líquido-líquido y está integrado en un tercer circuito.
El tercer circuito a su vez está previsto en la locomotora para enfriar allí instalaciones de tracción.
El tercer circuito incluye, además del condensador 2, un compresor 8, un ventilador 11, un intercambiador de calor 10 y un medio portador KM3.
El intercambiador de calor 10 está diseñado como intercambiador de calor líquido-aire.
El tercer circuito incluye además otro intercambiador de calor 9, que está acoplado con instalaciones de tracción de la locomotora. Mediante el mismo, se transfiere calor de las instalaciones de tracción al medio portador KM3 del tercer circuito.
El medio portador KM3 del tercer circuito se denominará a continuación tercer medio portador KM3.
El tercer medio portador KM3, que tiene la función de un portador de frío o de calor, se mueve en el tercer circuito cerrado, compuesto por los componentes antes citados.
El calor del primer circuito cedido a través del condensador 2, se conduce al tercer medio portador KM3, que llega a través del compresor 8 al intercambiador de calor 9.
El tercer medio portador KM3 absorbe allí otro calor de las instalaciones de tracción y se conduce al intercambiador de calor 10.
Mediante el ventilador 11 se conduce aire del entorno al intercambiador de calor 10, diseñado como intercambiador de calor líquido-aire.
A través del intercambiador de calor 10 se transfiere el calor del tercer medio portador KM3 al aire del entorno y con ello se retira del tercer medio portador KM3, que se enfría de nuevo y llega de nuevo al condensador 2.
Resumiendo, se extrae calor del aire 10 en el segundo circuito y se transporta hasta el evaporador 4. Mediante el evaporador 4 se transfiere el calor del primer circuito al segundo circuito y se transporta hasta el condensador 2.
Mediante el condensador 2 se transfiere el calor desde el primer circuito al tercer circuito y se transporta hasta el intercambiador de calor 10.
Mediante el intercambiador de calor 10 se cede el calor al medio ambiente, en particular al aire del entorno.

Claims (4)

REIVINDICACIONES
1. Configuración para generar frío para una locomotora,
- con un primer circuito cerrado, diseñado como máquina de refrigeración por compresión (KKM) y un medio refrigerante como primer medio portador (KM1), un evaporador (4), diseñado como intercambiador de calor líquido-líquido, un condensador (2), diseñado como intercambiador de calor líquido-líquido, un compresor (1) y una válvula de estrangulación (3), de forma que el primer medio portador (KM1) llega desde el evaporador (4) a través del compresor (1) al condensador (2) y desde el condensador (2) a través de la válvula de estrangulación (3) de retorno al evaporador (4),
- con un segundo circuito cerrado, que tiene el evaporador (4), un compresor (5), un ventilador (6), un intercambiador de calor (7), así como un segundo medio portador (KM2) líquido para transportar calor, de forma que el segundo medio portador (KM2) llega desde el intercambiador de calor (7) a través del compresor (5) al evaporador (4) y desde el evaporador (4) de retorno al intercambiador de calor (7),
- con un tercer circuito cerrado, que tiene el condensador (2), un primer intercambiador de calor (10), un segundo intercambiador de calor (9), un tercer medio portador líquido para transportar calor así como un compresor (8), - de forma que el tercer medio portador (KM3) llega desde el condensador (2) a través del compresor (8) al segundo intercambiador de calor (9) y desde éste, a través del primer intercambiador de calor (10), de retorno al condensador (2),
- en el que el segundo circuito está acoplado a través del evaporador (4) con el primer circuito,
- en el que el primer circuito está acoplado a través del condensador (2) con el tercer circuito,
- en el que el segundo circuito está diseñado de forma que para fines de refrigeración se extrae calor en un lugar predeterminado, se transfiere al segundo medio portador (KM2) y el calor llega a través del segundo medio portador al evaporador (4) para ceder calor al primer circuito,
- en el que el primer circuito está diseñado de forma tal que se transfiere calor mediante el evaporador (4) al primer medio portador (KM1) y a través de éste llega al condensador (2) para ceder calor al tercer circuito, - en el que el segundo intercambiador de calor (9) del tercer circuito está diseñado para refrigerar instalaciones de tracción de la locomotora y puede estar dispuesto tal que se aporta calor de las instalaciones de tracción al tercer medio portador (KM3),
- en el que el tercer circuito está diseñado de forma tal que se transfiere calor del primer circuito a través del condensador (2) al tercer medio portador (KM3) y este calor se transmite, junto con el calor de las instalaciones de tracción, a través del primer intercambiador de calor (10) al medio ambiente.
2. Configuración de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes,
en la que el segundo circuito está diseñado de forma que para fines de refrigeración se extrae calor de un componente de la locomotora y/o calor de un habitáculo de la locomotora y/o calor del aire del habitáculo.
3. Configuración de acuerdo con la reivindicación 2,
en la que el segundo circuito está diseñado de forma que a través del intercambiador de calor (7) se extrae calor del componente y/o calor del aire del habitáculo y se transfiere al segundo medio portador (KM2).
4. Configuración de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes,
- en la que el intercambiador de calor (7) del segundo circuito está diseñado como intercambiador de calor airelíquido,
- en el que el primer intercambiador de calor (10) del tercer circuito está diseñado como intercambiador de calor líquido-aire,
- en el que el segundo medio portador y el tercer medio portador es agua, en particular un agua mezclada con un anticongelante.
ES19812700T 2018-12-14 2019-11-14 Configuración para generar frío para una locomotora Active ES2924928T3 (es)

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