ES2926341T3 - Purga integrada de baja presión - Google Patents

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Abstract

Un sistema de calefacción, ventilación, aire acondicionado y refrigeración incluye un circuito de circulación de fluido de transferencia de calor configurado para hacer circular un refrigerante a través del mismo, una salida de gas de purga en comunicación operativa con el circuito de circulación de fluido de transferencia de calor y al menos una membrana permeable al gas que tiene un primer lado en comunicación operable con la salida de gas de purga y un segundo lado. La membrana incluye una pluralidad de poros de un tamaño para permitir el paso de contaminantes a través de la membrana, restringiendo al mismo tiempo el paso del refrigerante a través de la membrana y restringiendo aún más el paso de un inhibidor de corrosión en fase de vapor a través de la membrana. Una unidad de purga está en comunicación operativa con el segundo lado de la membrana permeable configurada para recibir un gas de purga desde la membrana permeable. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Purga integrada de baja presión
La presente descripción se refiere, en general, a sistemas enfriadores usados en los sistemas de acondicionamiento de aire y, más en particular, a un sistema de purga para eliminar los contaminantes de un sistema enfriador.
Los sistemas enfriadores, como los que utilizan los compresores de baja presión sin aceite, pueden incluir secciones que operan por debajo de la presión atmosférica. Como resultado, las fugas en el sistema enfriado pueden meter aire en el sistema, contaminando el refrigerante. Esta contaminación degrada el rendimiento del sistema enfriador y además puede provocar corrosión de los componentes interiores del sistema enfriador. Para abordar este problema, los enfriadores de baja presión existentes incluyen una unidad de purga para eliminar la contaminación. La unidad de purga es normalmente una unidad adicional de compresión de vapor conectada al sistema enfriador para eliminar los contaminantes.
Además, muchos sistemas utilizan un inhibidor de corrosión en fase de vapor (VPCI) como aditivo en el refrigerante para evitar la corrosión de los componentes interiores. El inhibidor de corrosión en fase de vapor también ayuda en la lubricación de los cojinetes de compresor. En muchos sistemas, el inhibidor de corrosión en fase de vapor presente en el vapor de condensador puede purgarse con el aire y los contaminantes húmedos en la unidad de purga, reduciendo de este modo la concentración de inhibidor de corrosión en fase de vapor en el sistema y aumentando posteriormente el riesgo de corrosión de los componentes interiores.
El documento US 5062273 A desvela un sistema de calentamiento, ventilación, acondicionamiento de aire y refrigeración de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1. Este documento revela un proceso para separar y eliminar contaminantes gaseosos no condensables de un sistema convencional de refrigeración por compresión de vapor de halocarbono extrayendo una corriente de vapor, procesándola a través de una segunda etapa de compresión y condensación, antes de entrar en una membrana semipermeable en cuyo punto se ventilan los contaminantes. El documento US 2007/113581 A1 desvela el uso de una membrana de separación para separar el gas no condensable y descargarlo.
Vista desde un primer aspecto, la invención proporciona, un sistema de calentamiento, ventilación, acondicionamiento de aire y refrigeración que comprende: un circuito de circulación de fluido de transferencia de calor configurado para hacer circular un refrigerante a través del mismo; una salida de gas de purga en el circuito de circulación de fluido de transferencia de calor; al menos una membrana permeable al gas que tiene un primer lado en comunicación operativa con la salida de gas de purga y un segundo lado, comprendiendo dicha membrana una pluralidad de poros de un tamaño para permitir el paso de contaminantes a través de la membrana, restringiendo al mismo tiempo el paso del refrigerante a través de la membrana y restringiendo aún más el paso de un inhibidor de corrosión en fase de vapor a través de la membrana; y una unidad de purga en comunicación operativa con el segundo lado de la membrana permeable configurada para recibir un gas de purga desde la membrana permeable; caracterizado por que la unidad de purga es una unidad de purga mecánica e incluye: un tanque de purga; un evaporador de purga con un ciclo de compresión de vapor de purga dispuesto en el tanque de purga; una línea de purga configurada para suministrar el gas de purga desde la membrana al tanque de purga; y una línea de retorno configurada para devolver el refrigerante a un evaporador del sistema de calentamiento, ventilación, acondicionamiento de aire y refrigeración después del intercambio de energía térmica con un flujo de refrigerante de purga en el evaporador de purga.
Opcionalmente, la pluralidad de poros tiene un diámetro promedio de poro inferior a 0,50 nm.
Opcionalmente, la membrana incluye un material de zeolita.
Opcionalmente, la salida de gas de purga dirige el gas de purga desde un condensador del circuito de circulación de fluido de transferencia de calor a la al menos una membrana permeable al gas.
Opcionalmente, el ciclo de compresión de vapor de purga incluye además un compresor de purga, un condensador de purga y una válvula de expansión de purga conectados operativamente al evaporador de purga y configurados para hacer circular el refrigerante de purga a través del mismo.
Opcionalmente, el sistema de calentamiento, ventilación, acondicionamiento de aire y refrigeración incluye una línea de ventilación configurada para ventilar los contaminantes desde la unidad de purga al ambiente.
Viéndose desde otro aspecto, la invención proporciona un método para operar un sistema de calentamiento, ventilación, acondicionamiento de aire y refrigeración, que comprende: hacer circular un refrigerante a través de un circuito de circulación de fluido de transferencia de calor; desviar un gas de purga que comprende contaminantes desde una salida de gas de purga en el circuito de circulación de fluido; transferir los contaminantes a través de una membrana permeable, comprendiendo dicha membrana una pluralidad de poros de un tamaño para permitir el paso de contaminantes a través de la membrana, restringiendo al mismo tiempo el paso del refrigerante a través de la membrana y restringiendo aún más el paso de un inhibidor de corrosión en fase de vapor a través de la membrana; y empujar el gas de purga desde la membrana permeable hasta una unidad de purga; separar el refrigerante de los contaminantes en la unidad de purga; y dirigir el refrigerante a un evaporador del circuito de circulación de fluido de transferencia de calor a través de una línea de retorno; caracterizado por que separar el refrigerante de los contaminantes en la unidad de purga incluye: hacer fluir el gas de purga desde la membrana permeable hasta un tanque de purga; y hacer fluir un refrigerante de purga a través de un evaporador de purga dispuesto en el tanque de purga, siendo el evaporador de purga un elemento de un ciclo de compresión de vapor de purga; intercambiar energía térmica entre el gas de purga y el refrigerante de purga que fluye a través del evaporador de purga, separando de este modo el refrigerante de los contaminantes.
Opcionalmente, el gas de purga se desvía desde un condensador del circuito de circulación de fluido de transferencia de calor a través de la salida de gas de purga.
Opcionalmente, los contaminantes se ventilan al ambiente a través de una línea de ventilación en la unidad de purga.
Las siguientes descripciones no se deberían considerar limitantes de ninguna manera. Haciendo referencia a los dibujos adjuntos, los elementos similares se numeran de la misma forma:
la figura 1 es una representación esquemática de un sistema de calentamiento, ventilación, acondicionamiento de aire y refrigeración que incluye un circuito de circulación de fluido refrigerante de transferencia de calor por compresión de vapor con un sistema de purga;
la figura 2 es una representación esquemática de un sistema de purga mecánica para un sistema de calentamiento, ventilación, acondicionamiento de aire y refrigeración; y
la figura 3 es una representación esquemática de un sistema de calentamiento, ventilación, acondicionamiento de aire y refrigeración que incluye un circuito de circulación de fluido refrigerante de transferencia de calor por compresión de vapor con un sistema de purga térmica.
En el presente documento, se presenta una descripción detallada de una o más realizaciones del aparato y método divulgados a modo de ejemplificación y no de limitación haciendo referencia a las figuras.
Haciendo referencia a la figura 1, un circuito de circulación de fluido de transferencia de calor 100 tal como el que puede usarse en un enfriador u otro sistema de calentamiento, ventilación, acondicionamiento de aire y refrigeración (HVAC&R), se muestra en forma de diagrama de bloques en la figura 1. Como se muestra en la figura 1, un compresor 102 presuriza fluido de transferencia de calor en estado gaseoso, que tanto calienta el fluido como proporciona presión para que circule por todo el sistema. En algunas realizaciones, el fluido de transferencia de calor o refrigerante, comprende un compuesto orgánico. En algunas realizaciones, el refrigerante comprende un hidrocarburo o hidrocarburo sustituido. En algunas realizaciones, el refrigerante comprende un hidrocarburo sustituido con halógeno. En algunas realizaciones, el refrigerante comprende un hidrocarburo sustituido con flúor o cloro-flúor. El fluido de transferencia de calor gaseoso presurizado caliente que sale del compresor 102 fluye a través del conducto 104 a un condensador 106, que funciona como un intercambiador de calor para transferir calor del fluido transferencia de calor al ambiente circundante, dando como resultado la condensación del fluido transferencia de calor gaseoso caliente a un líquido de temperatura moderada presurizado. El fluido de transferencia de calor líquido que sale del condensador 106 fluye a través del conducto 108 a una válvula de expansión 110, donde se reduce la presión. El fluido de transferencia de calor líquido a presión reducida que sale de la válvula de expansión 110 fluye a través del conducto 112 a un evaporador 114, que funciona como un intercambiador de calor para absorber el calor del entorno circundante y hervir el fluido transferencia de calor. El fluido de transferencia de calor gaseoso que sale del evaporador 114 fluye a través del conducto 116 al compresor 102, completando de este modo el circuito del fluido transferencia de calor. El sistema de transferencia de calor tiene el efecto de transferir calor del entorno circundante del evaporador 114 al entorno circundante del condensador 106. Las propiedades termodinámicas del fluido de transferencia de calor deben permitirle alcanzar una temperatura suficientemente alta cuando se comprime de tal manera que sea mayor que la del entorno circundante del condensador 106, permitiendo que el calor se transfiera al ambiente circundante. Las propiedades termodinámicas del fluido de transferencia de calor también deben tener un punto de ebullición en su presión posexpansión que permita que la temperatura circundante al evaporador 114 proporcione calor para vaporizar el fluido de transferencia de calor líquido.
Un sistema de purga 118 está conectado de manera fluida al condensador 106 y se usa para eliminar contaminantes, tales como la humedad del aire y del agua de la corriente de refrigerante. Una línea de purga 120 se extiende desde el condensador 106 hasta el sistema de purga 118, a través del que fluye el refrigerante de vapor al sistema de purga 118. El sistema de purga 118 separa los contaminantes o no condensables del refrigerante de vapor en una unidad de purga 122. Los contaminantes se liberan de la unidad de purga 112 a través de una línea de ventilación 124 a, por ejemplo, el ambiente. El refrigerante regresa al circuito de circulación de fluido 100 en el evaporador 114 a través de una línea de retorno 126.
Una unidad de purga de membrana 128 está localizada a lo largo de la línea de purga 120 entre el condensador 106 y la unidad de purga 122. La unidad de purga de membrana 130 incluye un separador de membrana 132 configurado para permitir que contaminantes tales como el aire, agua, oxígeno o nitrógeno atraviesen el separador de membrana 132 hacia la unidad de purga 122 a lo largo de la línea de purga 120, evitando al mismo tiempo que el refrigerante y los aditivos, tales como el inhibidor de corrosión por presión de vapor (VPCI), presentes en el refrigerante fluyan a través del separador de membrana 132. Los refrigerantes utilizados tienen un diámetro molecular promedio de 0,54 nm, mientras que los aditivos VPCI son normalmente aminas de alto peso molecular y sus derivados tienen diámetros moleculares más grandes. En algunas realizaciones, el separador de membrana 132 tiene un tamaño de poro uniforme con un diámetro de poro promedio de menos de 0,50 nm para evitar que el refrigerante y los aditivos VPCI pasen a través del separador de membrana 132 a la unidad de purga 122. Este diámetro de poro promedio da como resultado una eficiencia de separador de membrana de aproximadamente el 90 %.
En algunas realizaciones, el separador de membrana 132 comprende un material inorgánico poroso. Los ejemplos de materiales inorgánicos porosos pueden incluir cerámicas tales como óxidos metálicos o silicatos metálicos, más específicamente aluminosilicatos (por ejemplo, zeolita de estructura de chabazita (CHA), zeolita linde tipo A (LTA)), carbón poroso, vidrio poroso, arcillas (por ejemplo, montmorillonita, halloysita). Los materiales inorgánicos porosos también pueden incluir metales porosos como el platino y el níquel. También pueden usarse materiales inorgánicosorgánicos híbridos tales como estructuras orgánicas metálicas (MOF). Otros materiales pueden estar presentes en la membrana tales como un portador en el que puede dispersarse un material microporoso, que pueden incluirse por consideraciones estructurales o de proceso. Un experto en la materia apreciará fácilmente que los materiales expuestos en el presente documento son simplemente a modo de ejemplo y que pueden usarse otros materiales.
Haciendo referencia ahora a la figura 2, la unidad de purga 122 es una unidad de purga mecánica 122, que incluye un ciclo de compresión de vapor para eliminar los contaminantes del refrigerante. La unidad de purga 122 recibe refrigerante y contaminantes del separador de membrana 132 a través de la línea de purga 120. La línea de purga 120 dirige el refrigerante a un tanque de purga 134, que es un elemento de un ciclo de compresión de vapor de purga, que incluye un compresor de purga 136, una válvula de expansión de purga 138, un evaporador de purga 140 que reside en el tanque de purga 134 y un condensador de purga 142, que puede enfriarse por aire o por agua. El ciclo de compresión de vapor de purga utiliza un flujo de refrigerante de purga, que puede ser el mismo material refrigerante que el refrigerante del enfriador o, como alternativa, puede ser un material refrigerante diferente. En el evaporador de purga 140, el flujo de refrigerante de purga intercambia energía térmica con el refrigerante del enfriador, condensa al menos una parte del refrigerante del enfriador a un líquido, con un menor grado de contaminantes o no condensables, que se dirige de vuelta al evaporador 114 a través de la línea de retorno 126.
Haciendo referencia ahora a la figura 3, la unidad de purga 122 es una unidad de purga térmica 122 que no es parte de la invención. La unidad de purga térmica 122 incluye un condensador de purga 144, que tiene un serpentín de condensador de purga 146 a través del que se dirige el refrigerante condensado desde el conducto 108 a través de la línea de condensador de purga 148. El refrigerante de vapor fluye desde la línea de purga 120 hacia el condensador de purga 144, donde el intercambio de energía térmica con el refrigerante en el serpentín de condensador 146 condensa el vapor de refrigerante en líquido. El líquido refrigerante condensado en el condensador de purga 144 se devuelve al evaporador 114 a través de la línea de retorno 126, mientras que los no condensables, tal como el aire, agua y otros materiales se liberan de la unidad de purga 122 a través de la línea de ventilación 124. El refrigerante que fluye a través del serpentín de condensador de purga 146 regresa al evaporador 114 a través de la línea de retorno de serpentín 150.
La utilización de la unidad de purga de membrana 128 en combinación con la unidad de purga 122 permite reducir el tamaño y/o la capacidad operativa de la unidad de purga 122, ya que la unidad de purga de membrana 128 restringe la entrada de refrigerante a la unidad de purga 122. Además, la unidad de purga de membrana 128 reduce el agotamiento de la concentración de VPCI en el flujo de refrigerante a través del circuito de circulación de fluido de transferencia de calor 100.

Claims (9)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de calentamiento, ventilación, acondicionamiento de aire y refrigeración que comprende:
un circuito de circulación de fluido de transferencia de calor (100) configurado para hacer circular un refrigerante a través del mismo;
una salida de gas de purga en el circuito de circulación de fluido de transferencia de calor;
al menos una membrana (132) permeable al gas que tiene un primer lado en comunicación operativa con la salida de gas de purga y un segundo lado, comprendiendo dicha membrana una pluralidad de poros de un tamaño para permitir el paso de contaminantes a través de la membrana, restringiendo al mismo tiempo el paso del refrigerante a través de la membrana y restringiendo aún más el paso de un inhibidor de corrosión en fase de vapor a través de la membrana; y
una unidad de purga (122) en comunicación operativa con el segundo lado de la membrana permeable configurada para recibir un gas de purga desde la membrana permeable;
caracterizado por que la unidad de purga (122) es una unidad de purga mecánica e incluye:
un tanque de purga (134);
un evaporador de purga (140) con un ciclo de compresión de vapor de purga dispuesto en el tanque de purga; una línea de purga (120) configurada para suministrar el gas de purga desde la membrana al tanque de purga; y una línea de retorno (126) configurada para devolver el refrigerante a un evaporador (114) del sistema de calentamiento, ventilación, acondicionamiento de aire y refrigeración después del intercambio de energía térmica con un flujo de refrigerante de purga en el evaporador de purga.
2. El sistema de calentamiento, ventilación, acondicionamiento de aire y refrigeración de la reivindicación 1, en donde la pluralidad de poros tiene un diámetro promedio de poro inferior a 0,50 nm.
3. El sistema de calentamiento, ventilación, acondicionamiento de aire y refrigeración de la reivindicación 1 o 2, en donde la membrana (132) incluye un material de zeolita.
4. El sistema de calentamiento, ventilación, acondicionamiento de aire y refrigeración de la reivindicación 1, 2 o 3, en donde la salida de gas de purga dirige el gas de purga desde un condensador (106) del circuito de circulación de fluido de transferencia de calor (100) a la al menos una membrana (132) permeable al gas.
5. El sistema de calentamiento, ventilación, acondicionamiento de aire y refrigeración de cualquier reivindicación anterior, en donde el ciclo de compresión de vapor de purga incluye además un compresor de purga (136), un condensador de purga (142) y una válvula de expansión de purga (138) conectados operativamente al evaporador de purga (140) y configurados para hacer circular el refrigerante de purga a través del mismo.
6. El sistema de calentamiento, ventilación, acondicionamiento de aire y refrigeración de cualquier reivindicación anterior, que comprende además una línea de ventilación (124) para ventilar los contaminantes desde la unidad de purga (122) al ambiente.
7. Un método para operar un sistema de calentamiento, ventilación, acondicionamiento de aire y refrigeración, que comprende:
hacer circular un refrigerante a través de un circuito de circulación de fluido de transferencia de calor (100); desviar un gas de purga que comprende contaminantes desde una salida de gas de purga en el circuito de circulación de fluido;
transferir los contaminantes a través de una membrana permeable (132), comprendiendo dicha membrana una pluralidad de poros de un tamaño para permitir el paso de contaminantes a través de la membrana, restringiendo al mismo tiempo el paso del refrigerante a través de la membrana y restringiendo aún más el paso de un inhibidor de corrosión en fase de vapor a través de la membrana; y
empujar el gas de purga desde la membrana permeable hasta una unidad de purga (122);
separar el refrigerante de los contaminantes en la unidad de purga; y
dirigir el refrigerante a un evaporador (114) del circuito de circulación de fluido de transferencia de calor a través de una línea de retorno (126); 150);
caracterizado por que separar el refrigerante de los contaminantes en la unidad de purga (122) incluye: hacer fluir el gas de purga desde la membrana permeable (132) hasta un tanque de purga (134); y hacer fluir un refrigerante de purga a través de un evaporador de purga (140) dispuesto en el tanque de purga, siendo el evaporador de purga un elemento de un ciclo de compresión de vapor de purga;
intercambiar energía térmica entre el gas de purga y el refrigerante de purga que fluye a través del evaporador de purga, separando de este modo el refrigerante de los contaminantes.
8. El método de la reivindicación 7, que comprende además desviar el gas de purga desde un condensador (106) del circuito de circulación de fluido de transferencia de calor (100) a través de la salida de gas de purga.
9. El método de las reivindicaciones 7 u 8, que comprende además ventilar los contaminantes al ambiente a través de una línea de ventilación (124) en la unidad de purga (122).
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