ES2933906T3

ES2933906T3 - Sistema de compresión de vapor con una unidad de purga termoeléctrica

Info

Publication number: ES2933906T3
Application number: ES15787401T
Authority: ES
Inventors: Zidu Ma
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 2014-10-29
Filing date: 2015-10-16
Publication date: 2023-02-14
Anticipated expiration: 2035-10-16
Also published as: WO2016069294A2; WO2016069294A3; CN107148543A; EP3213011A2; US10533785B2; EP4134602A1; EP3213011B1; CN107148543B; US20180283747A1

Abstract

Una unidad de purga (100; 600) comprende un recipiente (234; 606) que tiene una entrada (152; 608), un puerto de retorno (154; 610), un primer camino entre la entrada y el puerto de retorno, un puerto de purga (156 ; 612), y un segundo camino entre la entrada y el puerto de purga. Una o más unidades termoeléctricas (220) están posicionadas para estar en comunicación térmica con al menos el primer camino. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de compresión de vapor con una unidad de purga termoeléctrica

Antecedentes

La divulgación se refiere a los sistemas de compresión de vapor. Más particularmente, la divulgación se refiere a unidades de purga para eliminar contaminantes de los sistemas de compresión de vapor.

Muchos sistemas de compresión de vapor que usan refrigerantes de baja presión de vapor incluyen unidades de purga para eliminar los contaminantes no condensables del sistema. Se desvía un flujo de la trayectoria de flujo de refrigerante principal y se pasa a un tanque de purga donde se enfría para condensar el refrigerante y deja los contaminantes no condensables en forma de vapor. El vapor puede ventilarse o bombearse fuera del recipiente (por ejemplo, a la atmósfera). La unidad de purga puede funcionar de forma intermitente.

El calor de condensación puede eliminarse mediante un sistema de compresión de vapor secundario. El sistema de compresión de vapor secundario puede tener su propia trayectoria de flujo de refrigerante recirculante que procede aguas abajo desde un compresor hasta un intercambiador de calor de rechazo de calor, un dispositivo de expansión, un intercambiador de calor de absorción de calor que proporciona el enfriamiento para el tanque de purga y luego regresa al compresor.

Un sistema de compresión de vapor en particular se usa como enfriador para producir agua helada. Un enfriador ejemplar usa un compresor centrífugo hermético. La unidad ejemplar comprende una combinación independiente del compresor, un intercambiador de calor de rechazo de calor, un dispositivo de expansión, una unidad evaporadora y varios componentes adicionales. Ejemplos de compresores son compresores herméticos o semiherméticos accionados por motor eléctrico.

El documento WO2014092850A1 divulga sistemas enfriadores que usan refrigerante a baja presión. El documento WO2014092850A1define el refrigerante de "refrigerante de baja presión" como aquel que tiene una presión de saturación de fase líquida por debajo de aproximadamente 45 psi (310,3 kPa) a 104 °F (40 °C) y da un ejemplo de refrigerante de baja presión como R245fa. También hace referencia al uso de "refrigerante de presión media" que define como una presión de saturación de fase líquida entre 45 psia (310,3 kPa) y 170 psia (1.172 kPa) a 104 °F (40 °C). Otro refrigerante de baja presión reciente es el HFO R1233zd(e).

Además, la solicitud de patente internacional PCT/US14/43834, divulgada el 24 de junio de 2014, describe el uso de material de cambio de fase en asociación con un evaporador de un sistema de enfriamiento. Los ejemplos de materiales de cambio de fase incluyen ceras de parafina, ácidos grasos de aceites naturales y soluciones de sales inorgánicas. El material de cambio de fase ejemplar tiene una temperatura de fusión (de sólido a líquido) a la que absorbe calor mientras mantiene una temperatura sustancialmente constante. En otras palabras, a medida que el material de cambio de fase se calienta desde una temperatura por debajo de la temperatura de fusión hasta la temperatura de fusión, la temperatura del material de cambio de fase aumenta en consecuencia. Sin embargo, cuando el material de cambio de fase alcanza su temperatura de fusión, la temperatura del material de cambio de fase permanece sustancialmente igual a medida que absorbe calor, antes de que todo el material de cambio de fase se vuelva líquido.

El documento FR 2760977 A1 describe una unidad de purga para deshidratar gas tal como aire que se va a comprimir para su uso en un laboratorio o aparato industrial. La unidad de purga comprende un módulo termoeléctrico para enfriar el gas y un medio para separar el gas enfriado y los elementos condensables.

Sumario

Un primer aspecto de la presente invención se describe en la reivindicación 1. De acuerdo con el primer aspecto, la presente invención proporciona un sistema de compresión de vapor que comprende una unidad de purga, la cual comprende: un recipiente que tiene: una entrada; un puerto de retorno, una primera trayectoria entre la entrada y el puerto de retorno; un puerto de purga, una segunda trayectoria entre la entrada y el puerto de purga; una o más unidades termoeléctricas posicionadas para estar en comunicación térmica con al menos la primera trayectoria; y un material de cambio de fase posicionado para recibir el calor absorbido por una o más unidades termoeléctricas de la primera trayectoria, que comprende además el sistema de compresión de vapor: un compresor que tiene un puerto de succión y un puerto de descarga; un primer intercambiador de calor acoplado al puerto de descarga para recibir el refrigerante impulsado en una dirección aguas abajo a lo largo de una trayectoria de flujo de refrigerante en una primera condición operativa; un dispositivo de expansión aguas abajo del primer intercambiador de calor a lo largo de la trayectoria del flujo de refrigerante en la primera condición operativa; y un segundo intercambiador de calor aguas abajo del dispositivo de expansión y acoplado al puerto de succión para devolver el refrigerante en la primera condición operativa, en el que la entrada está acoplada a la trayectoria del flujo de refrigerante para recibir el refrigerante; y el puerto de retorno está acoplado a la trayectoria de flujo de refrigerante para devolver el refrigerante.

La unidad de purga puede comprender además una fuente de alimentación acoplada a una o más unidades termoeléctricas para, al menos en un primer modo, hacer que una o más unidades termoeléctricas absorban calor del refrigerante a lo largo del primer camino.

La unidad de purga puede comprender además una o más unidades termoeléctricas adicionales situadas para transferir el calor absorbido por una o más unidades termoeléctricas de enfriamiento.

La una o más unidades termoeléctricas adicionales pueden colocarse para transferir el calor absorbido por una o más unidades termoeléctricas de enfriamiento a un entorno.

La unidad de purga puede comprender además: una trayectoria de flujo de fluido de intercambio de calor que tiene un primer tramo en relación de intercambio térmico con una o más unidades termoeléctricas y una o más unidades termoeléctricas adicionales; y una bomba a lo largo de la trayectoria de flujo del fluido de intercambio de calor. La una o más unidades termoeléctricas adicionales pueden colocarse para intercambiar calor entre la trayectoria de flujo del fluido de intercambio de calor y el aire ambiente.

Un fluido de intercambio de calor a lo largo de la trayectoria de flujo del fluido de intercambio de calor puede comprender al menos 50 % en peso de uno o más de agua y glicol.

El recipiente puede ser un recipiente interior, la unidad de purga puede comprender un recipiente exterior que contiene el recipiente interior, y el material de cambio de fase puede estar en un espacio entre el recipiente exterior y el recipiente interior.

La una o más unidades termoeléctricas pueden montarse en el recipiente interior, la una o más unidades termoeléctricas adicionales pueden montarse en el recipiente exterior, y uno o más disipadores de calor con aletas de la una o más unidades termoeléctricas y uno o más disipadores de calor con aletas de una o más unidades termoeléctricas adicionales pueden sumergirse en el material de cambio de fase.

El uno o más disipadores de calor con aletas de una o más unidades termoeléctricas y el uno o más disipadores de calor con aletas de una o más unidades termoeléctricas adicionales pueden tener aletas intercaladas.

El material de cambio de fase puede comprender material seleccionado del grupo que consiste en ceras de parafina, ácidos grasos de aceites naturales y soluciones de sales inorgánicas.

El material de cambio de fase puede tener una temperatura de fusión de -20 °C a 15 °C.

El puerto de purga puede ventilarse a la atmósfera.

Una carga de refrigerante puede comprender al menos un 50 % en peso de un HFO que tenga una presión de saturación de la fase líquida inferior a 310 kPa a 40 °C.

El sistema puede ser un enfriador.

Puede configurarse un controlador para operar la unidad de purga para, en un primer modo, aplicar una tensión a una o más unidades termoeléctricas para enfriar el refrigerante recibido para condensar el refrigerante.

De acuerdo con un segundo aspecto, la presente invención proporciona un procedimiento para operar el sistema del primer aspecto y como se define en la reivindicación 14, que comprende: operar la unidad de purga para, en un primer modo, aplicar una tensión a uno o más unidades termoeléctricas para enfriar el refrigerante recibido para condensar el refrigerante.

Los detalles de una o más realizaciones se exponen en los dibujos acompañantes y la descripción más abajo. Otras características, objetivos y ventajas serán evidentes a partir de la descripción y los dibujos, y a partir de las reivindicaciones.

Breve descripción de las figuras

La Figura 1 es una vista esquemática de un sistema enfriador de acuerdo con una realización de la presente invención.

La Figura 2 es una vista central en sección vertical/axial parcialmente esquemática de una unidad de purga del sistema enfriador de la Figura 1.

La Figura 3 es una vista en sección transversal parcialmente esquemática de un recipiente de la unidad de purga de la Figura 2.

La Figura 4 es una vista en corte transversal parcialmente esquemática del recipiente de la unidad de purga de la Figura 2.

La Figura 5 es una vista esquemática de una unidad de purga alternativa para el sistema enfriador de la Figura 1. Los números de referencia y las designaciones similares en los diversos dibujos indican elementos similares.

Descripción detallada

El rendimiento de los diseños de purga de última generación se afecta cuando se usan refrigerantes de menor presión (que es el caso de los refrigerantes con bajo potencial de calentamiento global (GWP, por sus siglas en inglés)). El R1233zd(E), por ejemplo, tiene una presión saturada de alrededor de 26,56 psia (183 kPa) a 95 °F (35 °C). Para lograr una relación de separación superior a 200 (por ejemplo, un rendimiento de alto nivel), la presión de vapor del refrigerante R1233zd(E) sería tan baja como 0,133 psia (26,56 dividido por 200) (0,92 kPa), lo que corresponde a una temperatura de saturación de aproximadamente -84 °F (-64,4 °C). Como estimación aproximada, esto significa que si una mezcla de aire y R1233zd(E) en un tanque se mantiene a -84 °F (-64,4 °C), la fase gaseosa tiene más del 99,5 % de aire y menos del 0,5 % de R1233zd (E) y la fase líquida es R1233zd(E) puro. Para lograr el nivel de separación (es decir, diferencias de presión de vapor y aumento de temperatura), los diseños de vanguardia requieren sistemas de alto costo.

La Figura 1 muestra un sistema de compresión de vapor 20. El sistema ejemplar de compresión de vapor 20 es un sistema enfriador. El sistema 20 incluye un compresor 22 que tiene un puerto de succión (entrada) 24 alimentado por una línea de succión 25 y un puerto de descarga (salida) 26 que alimenta una línea de descarga 27. El sistema incluye además un primer intercambiador de calor 28 que tiene una entrada de refrigerante conectada a la línea de descarga. En un modo de funcionamiento normal, el primer intercambiador de calor 28 es un intercambiador de calor de rechazo de calor (por ejemplo, un condensador). En un sistema ejemplar basado en un enfriador existente, el intercambiador de calor 28 es un intercambiador de calor de agua y refrigerante en una unidad condensadora donde el refrigerante se enfría y condensa por un flujo de agua externo 520 (entrada), 520' (salida).

El sistema incluye además un segundo intercambiador de calor 30 (en el modo normal, un intercambiador de calor por absorción de calor o evaporador) que tiene una salida de refrigerante conectada a la línea de succión. En el sistema enfriador ejemplar, el intercambiador de absorción de calor 30 es un intercambiador de calor de agua y refrigerante para enfriar un flujo de agua helada 522 (entrada), 522' (salida). Un dispositivo de expansión 32 está aguas abajo de una salida de refrigerante del intercambiador de calor de rechazo de calor 28 y aguas arriba de una entrada de refrigerante del intercambiador de calor de absorción de calor 30 a lo largo de la trayectoria de flujo de refrigerante principal de modo normal 34 (la trayectoria de flujo está parcialmente rodeada por líneas/tuberías asociadas, etc. e incluye la línea de succión 25, la línea de descarga 26 y la línea intermedia 35). Los intercambiadores de calor de agua y refrigerante ejemplares 28 y 30 comprenden haces de tubos (no mostrados) que transportan flujo de agua y en relación de intercambio de calor con el refrigerante que pasa alrededor de los haces dentro de las carcasas o los tubos de los intercambiadores de calor. Los intercambiadores de calor tienen entradas de agua 40, 42 y salidas 44, 46.

Un compresor ejemplar es un compresor centrífugo que tiene un conjunto de carcasa (carcasa) 50. El conjunto de carcasa contiene un motor eléctrico 52 y uno o más elementos de trabajo (no mostrados; por ejemplo, impulsor(es) para un compresor centrífugo, espiral(es) para un compresor espiral, rotores para un compresor de tornillo o pistón(es) para un compresor alternativo) accionado por el motor eléctrico en el primer modo para extraer fluido (refrigerante) a través del puerto de succión, comprimir el fluido y descargar el fluido desde el puerto de descarga. Los elementos de trabajo centrífugos ejemplares comprenden un impulsor giratorio accionado directamente por el motor alrededor de un eje. Los compresores centrífugos alternativos pueden tener una transmisión que acople el motor a los impulsores. Los sistemas de accionamiento alternativos incluyen compresores que tienen un eje de accionamiento que pasa a través de un sello de eje para acoplarse a medios de accionamiento externos (por ejemplo, motor eléctrico u otro).

La Figura 1 muestra además una unidad de purga 100 para eliminar gases contaminantes del refrigerante. La unidad de purga ejemplar comprende una entrada (puerto de entrada) 102 para recibir refrigerante del resto del sistema (por ejemplo, desviado de la trayectoria de flujo principal/primaria 34) y una primera salida (puerto de salida) 104 para devolver el refrigerante al resto del sistema (por ejemplo, al evaporador). Para fines de referencia, el puerto de entrada 102 se identifica arbitrariamente como el puerto de entrada de una válvula de entrada 120 y la primera salida 104 (una salida de líquido o salida o puerto de retorno como se analiza a continuación) se identifica como el puerto de salida de una válvula de salida 122. Una segunda salida 106 puede ser una salida o puerto de purga o ventilación para descargar un flujo 546 de gases contaminantes. La segunda salida 106 se identifica arbitrariamente como el puerto de salida de una segunda válvula de salida 124.

Otras ubicaciones pueden identificarse alternativamente como la entrada o las salidas. En el ejemplo de realización, la entrada 102 recibe el refrigerante del condensador a lo largo de una línea 110 que se extiende a lo largo de una trayectoria de flujo 111 desde un puerto 112. La unidad de purga devuelve el refrigerante desde la salida 104 a lo largo de una línea 114 (por ejemplo, a lo largo de un camino de flujo 115 a un puerto 116 en el evaporador). Como en una unidad de purga convencional, el refrigerante regresa desde la salida 104 directamente a la trayectoria de flujo principal. Como se analiza más adelante, la trayectoria de flujo 111 se bifurca de la trayectoria de flujo principal 34 y la trayectoria de flujo 115 se bifurca de la trayectoria de flujo 111, de modo que una trayectoria de flujo de derivación incluye las trayectorias de flujo 111 y 115.

La unidad de purga 100 comprende un tanque de purga 140 que tiene una entrada (puerto de entrada) 142 posicionada para recibir refrigerante desde la salida de la válvula 120; una primera salida (puerto de salida) 144 (un puerto de salida de líquido como se analiza a continuación) posicionado para pasar líquido a lo largo del camino de flujo 115; y una segunda salida (puerto de salida) 146 (un puerto de purga o ventilación como se explica a continuación) posicionada para pasar el flujo 546 a la entrada de la válvula 124.

El flujo de entrada 542 contiene refrigerante y contaminantes. En el tanque de purga 140 (Figura 2), el flujo de entrada se enfría para condensar el líquido 160 y dejar un espacio superior 162 encima que contiene gas. El líquido es refrigerante con contaminantes igualmente condensables. El gas consiste esencialmente (si no en su totalidad) en otros contaminantes (por ejemplo, aire) que no se condensan tan fácilmente como el refrigerante.

Una trayectoria de flujo de descarga (escape) 163 desde el puerto 146 hasta la salida 106 puede pasar a lo largo de una línea de descarga (escape) 164 y a través de una bomba (no mostrada) y una o más válvulas 106. Las válvulas sirven para eliminar la fuga de refrigerante a la atmósfera. Al igual que la trayectoria de flujo 115, la trayectoria de flujo 163 se ramifica desde la trayectoria de flujo 111 que sirve como un tronco común.

Para condensar refrigerante en el tanque de purga, se proporcionan medios para enfriar el flujo de entrada 542 en el tanque de purga 140. Los medios ejemplares comprenden bombas de calor de estado sólido (SSHP) (también conocidas como unidades de enfriamiento termoeléctricas o refrigeradores Peltier). Más particularmente, los medios ejemplares comprenden dos etapas de dichas unidades SSHP. Una primera etapa de las unidades SSHP 220 extrae directamente el calor del refrigerante. Una segunda etapa de unidades SSHP 222 puede además pasar el calor extraído por la primera etapa a un medio de enfriamiento. Un medio de enfriamiento ejemplar es un flujo de aire externo 560 (por ejemplo, aire ambiental del entorno externo). Un medio de enfriamiento alternativo puede ser un flujo de agua externo. Este flujo de agua puede ser parte del mismo flujo o un flujo de la misma fuente que el flujo 520 usado para enfriar el condensador. En función de la configuración, dichos flujos pueden ser flujos no forzados o flujos forzados (a través de un ventilador o una bomba, de acuerdo con el estado).

Para aumentar la capacidad y/o estabilizar el funcionamiento de la unidad de purga, puede usarse un material de cambio de fase (PCM) 230. Por ejemplo, la segunda etapa de las bombas de calor puede no tener la capacidad de extraer/elevar todo el calor extraído por la primera etapa. De esta manera, el calor latente de fusión del PCM puede elegirse para complementar cualquier enfriamiento disponible de la segunda etapa durante un ciclo de la primera etapa. En la implementación ejemplar, se usa un material de cambio de fase para mitigar la temperatura en una etapa intermedia de las dos etapas de la bomba de calor de estado sólido. Un material de cambio de fase ejemplar tiene un punto de fusión (a presión estándar o ambiental) en un intervalo de -20 °C a 15 °C, más particularmente, -5 °C a 12 °C o 0 °C a 10 °C o 3 °C a 10 °C. Los ejemplos de materiales de cambio de fase incluyen ceras de parafina, ácidos grasos de aceites naturales y soluciones de sales inorgánicas. El punto de fusión particular del PCM puede seleccionarse en vista de la temperatura ambiente a la que se rechaza el calor y la temperatura de enfriamiento deseada en el recipiente para condensar el refrigerante. En un ejemplo, la temperatura interna deseada de la unidad que condensa el refrigerante es de -45 °C y la temperatura ambiente es de 35 °C para un aumento de temperatura de 80 °C. En vista de la capacidad disponible de las unidades de la primera etapa, puede seleccionarse un punto de fusión SSHP de aproximadamente 0 °C o los valores más amplios anteriores.

En la configuración ejemplar de la Figura 2, el material de cambio de fase 230 está contenido en el espacio entre un tanque o recipiente exterior 232 y un tanque o recipiente interior 234 dentro del tanque exterior. Caracterizados alternativamente, estos pueden considerarse como dos paredes de un tanque o recipiente 140 de doble pared. Los puertos 142, 144 y 146 se comunican con los respectivos puertos correspondientes 152, 154, 156 del tanque interior (por ejemplo, teniendo segmentos de conducto que pasan a través del espacio entre los tanques). Por lo tanto, la acumulación de refrigerante líquido 160 está en una porción inferior/base del tanque interno 234 y el espacio superior 162 es un espacio superior del tanque interno 234.

Para facilitar la transferencia de calor, las bombas de calor de las dos etapas pueden estar provistas de superficies de transferencia de calor (por ejemplo, conjuntos de aletas) en ambos lados de la unidad de bomba de calor de estado sólido. En la implementación ejemplar de depósitos generalmente cilíndricos (por ejemplo, con uno o dos extremos abovedados), cada etapa de las bombas de calor de estado sólido comprende una pluralidad de bombas de calor dispuestas circunferencial y verticalmente. La unidad de purga ejemplar de la Figura 2 ilustrada, muestra cada etapa como comprendida por cuatro anillos circunferenciales dispuestos verticalmente de bombas de calor con la Figura 3 que muestra cada anillo que incluye doce bombas de calor. Estos recuentos son meramente ilustrativos.

Cada una de las unidades de bomba de calor tiene un primer lado 240, 242 y un segundo lado 244, 246. En los modos operativos normales de cada etapa de las unidades, el primer lado 240, 242 es un lado frío y el segundo lado 244, 246 es un lado caliente. Cada una de las unidades 220, 222 se conecta eléctricamente a una fuente de energía eléctrica 202 (Figura 2). La fuente de alimentación ejemplar 202 es una fuente de alimentación de DC que tiene los terminales 204 y 206 acoplados mediante cableado (no mostrado) a las unidades 220, 222 de forma conocida. Si se desea un control independiente, esto puede lograrse al conmutar (no mostrado) y/o tener múltiples fuentes de alimentación o múltiples conjuntos de terminales controlables independientemente desde una fuente de alimentación dada. Si se desean ciertos modos alternativos, la dirección del flujo de calor puede invertirse al invertir la polaridad en las unidades de la etapa deseada.

En la realización ejemplar, los primeros lados 240 de las unidades 220 están en comunicación térmica con las aletas de transferencia de calor 250 de un disipador de calor 249. En el ejemplo de realización, hay un conjunto circunferencial único de aletas de transferencia de calor 250 aseguradas radialmente a lo largo de la superficie interna de la pared lateral del tanque interno 234. Por lo tanto, la comunicación térmica entre los primeros lados 240 y las aletas 250 se realiza a través de la pared lateral interna del tanque. En consecuencia, el material ejemplar para el tanque interior es térmicamente conductor, como una aleación. En la realización ejemplar, los conjuntos restantes de aletas de transferencia de calor se asocian individualmente con las unidades 220 y 222. De esta manera, el primer lado de cada unidad de bomba de calor 222 está en comunicación térmica con un disipador de calor 251 que tiene un conjunto de aletas 252; el segundo lado de cada unidad de bomba de calor 220 está en comunicación térmica con un disipador de calor 253 que tiene un conjunto de aletas 254; y el segundo lado 246 de cada unidad de bomba de calor 222 está en comunicación térmica con un disipador de calor 255 que tiene un conjunto de aletas 256.

En la configuración ejemplar ilustrada de la Figura 2, un tubo de entrada 180 pasa hacia abajo a una salida cerca del fondo del recipiente para descargar la mezcla de refrigerante y contaminante. Un tubo de salida de purga 182 (por ejemplo, un comienzo de la trayectoria de flujo 163) tiene una entrada en el espacio libre. A medida que el gas pasa hacia arriba en relación de intercambio de calor con las aletas 250 del intercambiador de calor 249, se enfría lo que provoca que las gotitas de refrigerante se condensen y caigan a la acumulación de refrigerante 160 o se retiren/retornen a la trayectoria de flujo principal 34. Para facilitar la ilustración, los tubos 180 y 182 no se muestran en las vistas restantes.

En la realización ejemplar, los primeros lados 242 de las unidades de bomba de calor 222 están montados en la superficie exterior de la pared lateral del tanque exterior 232 y se comunican térmicamente a través de ellos con el disipador de calor asociado 253.

Dentro del espacio entre los recipientes, las aletas de los disipadores de calor 251 y 253 se intercalan entre sí. En este ejemplo ejemplar, las aletas de cada disipador de calor 251 se intercalan con las aletas de exactamente otro disipador de calor 253. El entrelazado ejemplar deja suficiente espacio entre las aletas para acomodar el material de cambio de fase 230.

Varias otras características (ya sea ilustradas o no) pueden ser como las que se usan en los sistemas de purga convencionales. Estos pueden incluir una variedad de sensores, puertos, bombas y similares. Por ejemplo, la Figura 1 muestra además una unidad de filtro/secador opcional 190 en la línea de retorno desde el puerto 144 hasta la trayectoria de flujo 35. Entre los sensores probables estaría un sensor tal como un interruptor de flotador para determinar el nivel de líquido en el tanque/recipiente de purga. La Figura 1 también muestra una válvula adicional 192 aguas arriba de la unidad de filtro/secador 190 para proporcionar mayor flexibilidad en el aislamiento de los componentes del sistema (por ejemplo, al permitir el cierre de las válvulas 192 y 122 para aislar la unidad de filtro/secador para fines como el reemplazo).

La Figura 1 muestra además un controlador 200. El controlador puede recibir entradas del usuario desde un dispositivo de entrada (por ejemplo, interruptores, teclado o similar) y sensores (no mostrados, por ejemplo, sensores de presión y sensores de temperatura en varias ubicaciones del sistema). El controlador puede acoplarse a los sensores y componentes controlables del sistema (por ejemplo, válvulas, cojinetes, el motor del compresor, accionadores de paletas y similares) a través de líneas de control (por ejemplo, rutas de comunicación cableadas o inalámbricas). El controlador puede incluir uno o más: procesadores; memoria (por ejemplo, para almacenar información de programa para que la ejecute el procesador para realizar los métodos operativos y para almacenar datos usados o generados por el programa o programas); y dispositivos de interfaz de hardware (por ejemplo, puertos) para interactuar con dispositivos de entrada/salida y componentes de sistema controlables.

La unidad de purga puede controlarse por el controlador 200 mediante métodos similares a los que ya se usan en las unidades de purga existentes. Un modo principal "encendido" o de funcionamiento puede implicar el funcionamiento de ambas etapas de las unidades SSHP 220, 222 para extraer respectivamente calor del refrigerante y, a su vez, pasar ese calor al medio ambiente. Más específicamente, dado el funcionamiento del PCM, la segunda etapa de las unidades 222 puede extraer solo una parte del calor inicialmente y luego extraer el resto (por ejemplo, en un modo de recarga después de que se apaga la primera etapa). Una variante del modo "encendido" puede operar solo la primera etapa. Esto puede representar una condición inicial o una condición de baja carga en la que el material de cambio de fase puede absorber suficiente calor sin usar la segunda etapa. También podría usarse donde no hay energía suficiente para operar deseablemente la segunda etapa. De manera similar, el modo de recarga podría el funcionamiento únicamente de las unidades de segunda etapa para solidificar el material de cambio de fase cuando no se necesita la extracción de calor del refrigerante en la unidad de purga.

Otros modos implican operar una o ambas etapas o subgrupos de unidades de las mismas con polaridad invertida con respecto a los modos "encendido". Por ejemplo, esto puede usarse para poner calor en el interior del recipiente para calentar el aire u otro contaminante para aumentar la presión y/o ayudar en su evacuación. Por ejemplo, la polaridad inversa de las unidades 220 puede calentar el gas en el recipiente y aumentar la presión. Simultáneamente, esto enfría el PCM y puede ayudar en su resolidificación. Esto puede reducir o eliminar la necesidad de usar las unidades de segunda etapa 222 para recargar. Por lo tanto, una primera de tal variación en un modo de "purga" puede implicar el funcionamiento únicamente de las unidades 220. Una segunda variación que recarga más rápidamente podría implicar operar las unidades 220 con una polaridad invertida mientras opera las unidades 222 con la polaridad de modo "encendido" normal. Sin embargo, si tales variaciones de modo no son suficientes para proporcionar la cantidad deseada de calor al gas, una tercera variación podría implicar el funcionamiento inverso de ambas etapas en relación con el modo "encendido" para que la segunda etapa de las unidades 222 ponga calor en el PCM para la primera etapa de las unidades 220 para su posterior transferencia al aire. El controlador puede seleccionar entre estas variaciones de modo en función de las condiciones detectadas y/o introducidas por el usuario.

En consecuencia, un ciclo de purga ejemplar puede comenzar con la válvula de entrada 120 cerrada, la segunda válvula de salida 124 cerrada y una o ambas válvulas 122 y 192 cerradas (para bloquear la salida de líquido y aislar completamente la unidad purgada de la trayectoria de flujo principal 34). Cuando se necesita un ciclo de purga (por ejemplo, determinado por una lógica similar usada en los sistemas de purga actuales), el controlador 200 puede abrir la válvula de entrada 120 e iniciar el modo "encendido" apropiado. Esto inicia el enfriamiento de la mezcla de refrigerante-contaminante a lo largo de porciones de caminos entre la entrada y los puertos de purga y retorno (por ejemplo, a lo largo de una intersección de esos caminos). El controlador 200 puede ordenar entonces el cierre de la válvula de entrada 120. Puede haber un retraso o adelanto del cierre de la válvula y cualquier terminación del modo "encendido". Sin embargo, en algún momento, después del cierre de la válvula 120, el controlador abrirá las válvulas 192 y 122 para hacer pasar el refrigerante líquido a lo largo de la trayectoria de flujo 115 de regreso a la trayectoria de flujo principal 34. Cuando se ha devuelto suficiente refrigerante (por ejemplo, de acuerdo con lo determine el controlador 200 en respuesta a los sensores de nivel o similares), el controlador puede volver a cerrar las válvulas 122 y 192 en preparación para la operación en el modo de "purga" apropiado de las etapas SSHP. Las etapas de la bomba de calor pueden funcionar para calentar el contaminante en el recipiente y elevar la presión del espacio de cabeza a una presión de purga. La presión ejemplar puede elevarse a un valor ejemplar en el intervalo de 15 %-20 % de la presión de condensación en un sistema ejemplar sin bomba. Los sistemas alternativos podrían usar una bomba a lo largo de la trayectoria de flujo 163 para evacuar el aire. Tras determinar una presión de purga suficiente, el controlador puede abrir la válvula 124 para permitir que se purgue el aire. Posteriormente (por ejemplo, después de que la presión caiga hasta un valor umbral), la válvula 124 puede cerrarse. Cualquier recarga puede completarse en preparación para el siguiente ciclo de purga.

Como se discutió anteriormente, una unidad de purga ejemplar enfriada por agua puede tener los flujos 560 de agua forzada o no forzada. En una situación ejemplar de flujo forzado, otro tanque (no mostrado) rodea los tanques ilustrados y pasa un flujo de agua desde una entrada de agua hasta una salida de agua. El flujo de agua 560 pasa sobre los disipadores de calor 255 para absorber el calor de las unidades de la segunda etapa. Son posibles otras configuraciones de intercambiador de calor y disipador de calor, al igual que otras configuraciones de unidades SSHP.

Entre las variaciones están los sistemas de purga (por ejemplo, 600, Figura 5) que además separan físicamente las etapas SSHP (si se usan dos o más etapas) y/o el PCM (si lo hay). Por ejemplo, las dos etapas ejemplares pueden estar en diferentes ubicaciones a lo largo de un lazo de fluido de transferencia de calor (trayectoria de flujo) 602. Un lazo de fluido de transferencia de calor ejemplar es un lazo de líquido y comprende al menos 50 % en peso de uno o más de agua y glicol como fluido de transferencia de calor. Una bomba 604 puede bombear el fluido de forma recirculante a lo largo del lazo. Un recipiente de purga 606 puede estar a lo largo del bucle que tiene un puerto de entrada 608, un puerto de retorno 610 y un puerto de purga 612. El refrigerante dentro del recipiente puede estar en relación de intercambio de calor con un lado de la(s) unidad(es) SSHP 220 de la primera etapa de dos etapas (o la única etapa de un sistema de una sola etapa). El lazo de fluido de transferencia de calor puede estar en relación de intercambio de calor con el otro lado de dichas unidades SSHP de la primera etapa.

Para facilitar la ilustración, las unidades ejemplares de la primera etapa 220 se muestran dispuestas aguas arriba y aguas abajo entre dos partes una al lado de la otra de un recipiente o simplemente planas entre dos recipientes. Sin embargo, otras configuraciones podrían involucrar tanques concéntricos como en la primera realización.

En una ubicación remota, el calor puede extraerse del lazo de fluido de transferencia de calor. Un ejemplo de extracción también puede ser a través de unidades SSHP con una segunda etapa de la(s) unidad(es) SSHP 222 que tiene un lado en relación de intercambio de calor con el lazo de fluido de intercambio de calor y el otro lado en relación de intercambio de calor (por ejemplo, en el recipiente del intercambiador de calor 618) con un segundo flujo o cuerpo de fluido de intercambio de calor forzado o no forzado 560 que actúa como sumidero térmico (por ejemplo, aire ambiente del entorno o agua de enfriamiento). Como se señaló anteriormente para las unidades 220 de la primera etapa, las unidades 222 de la segunda etapa pueden disponerse en cualquiera de las numerosas configuraciones posibles, incluida una matriz plana entre dos volúmenes uno al lado del otro o entre espacios asociados con dos recipientes concéntricos.

Además o independientemente de la presencia de unidades SSHP de segunda etapa, un PCM 230 puede ubicarse en algún lugar a lo largo del lazo de fluido de transferencia de calor. Un ejemplo de PCM puede ubicarse en un intercambiador de calor 620 en comunicación con el lazo de fluido de transferencia de calor. Esto puede integrarse con una de las etapas SSHP o separarse de ambos. Una ubicación separada ejemplar es aguas abajo de la primera etapa. Una posición ejemplar de la bomba es aguas arriba de la primera etapa.

Otras variaciones pueden implicar el uso del PCM como fluido de transferencia de calor en un lazo de fluido de transferencia de calor. Por ejemplo, el intercambiador de calor 620 de la Figura 5 puede reemplazarse por un recipiente que sirva como amortiguador para almacenar parte del PCM. En tal sistema, puede ser deseable evitar la solidificación total del PCM en cualquier lugar que pueda interferir con la operación del sistema. Por ejemplo, puede ser particularmente deseable evitar la solidificación total en cualquier lugar fuera del recipiente de purga 606. Sin embargo, para algunos fines, también podría ser deseable evitar la solidificación total en el recipiente de purga 606. En consecuencia, el sistema de control puede monitorear la temperatura (a través de sensores apropiados que no se muestran) en varios lugares a lo largo del lazo de fluido de transferencia de calor 602 para evitar tal solidificación completa. Por ejemplo, el estado PCM sería líquido puro o una suspensión en todos los lugares a lo largo del bucle 602. Si es necesario, las unidades termoeléctricas 220 o 222 podrían usarse para agregar calor para evitar dicha solidificación total. En dicho bucle 602, el PCM puede ser uno o más de los materiales indicados anteriormente. Una mezcla de varios PCM miscibles puede tener ventajas para evitar la solidificación total.

El sistema de purga y su uso pueden tener una o más de varias ventajas con respecto a los sistemas de purga que usan ciclos de compresión de vapor. En primer lugar, el sistema de purga termoeléctrica puede proporcionar un sistema de purga de bajo costo, particularmente para refrigerantes de baja presión/bajo GWP. Además de los ahorros en el hardware de enfriamiento, puede haber ahorros relacionados con el control. Puede ser más fácil configurar/programar el hardware de control para que las unidades termoeléctricas proporcionen las condiciones de condensación de purga deseadas. Esto puede implicar hardware de control más simple y/o menos sensores, actuadores y similares. En segundo lugar, puede proporcionar adaptabilidad mejorada (por ejemplo, el mismo modelo de sistema de purga termoeléctrica o al menos los componentes principales del mismo pueden usarse con sistemas de compresión de vapor que tengan diferentes refrigerantes o que tengan diferentes requisitos de condensación de purga, como temperaturas y capacidades). Tal adaptabilidad o capacidad de ajuste puede lograrse mediante el control de la tensión de las unidades termoeléctricas, mediante la selección de las propiedades del PCM o mediante el control de otros componentes de la unidad de purga, si están presentes. Tercero, el sistema de purga termoeléctrica puede ofrecer compacidad u otra flexibilidad de empaque.

El uso de "primero", "segundo" y similares en la descripción y las siguientes reivindicaciones es solo para diferenciar dentro de la reivindicación y no indica necesariamente una importancia relativa o absoluta ni un orden temporal. De manera similar, la identificación en una reivindicación de un elemento como "primero" (o similar) no impide que dicho "primer" elemento identifique un elemento al que se haga referencia como "segundo" (o similar) en otra reivindicación o en el descripción. De manera similar, las direcciones de referencia ejemplares simplemente establecen un marco de referencia y no requieren ninguna orientación absoluta relativa a un usuario. Por ejemplo, la parte delantera del compresor bien puede estar en la parte trasera de algún sistema más grande en el que esté situado.

Cuando una medida se da en unidades inglesas seguidas de un paréntesis que contiene SI u otras unidades, las unidades entre paréntesis son una conversión y no deben implicar un grado de precisión que no se encuentra en las unidades inglesas.

Se entenderá que pueden realizarse diversas modificaciones sin apartarse del ámbito de las reivindicaciones adjuntas. Por ejemplo, cuando se aplica a la reingeniería de un sistema de compresión de vapor existente o un sistema de compresión de vapor en una aplicación existente, los detalles del sistema o aplicación de compresión de vapor existente pueden influir en los detalles de cualquier implementación en particular. En consecuencia, otras modalidades están dentro del ámbito de las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de compresión de vapor (20) que comprende:

una unidad de purga (100; 600), comprendiendo la unidad de purga:

un recipiente (234; 606) que tiene:

una entrada (152; 608);

un puerto de retorno (154; 610), una primera trayectoria entre la entrada y el puerto de retorno;

un puerto de purga (156; 612), una segunda trayectoria entre la entrada y el puerto de purga;

una o má s unidades termoeléctricas (220) posicionadas para estar en comunicación térmica con al menos la primera trayectoria; y

un material de cambio de fase (230) colocado para recibir el calor absorbido por la una o más unidades termoeléctricas de la primera trayectoria,

un compresor (22) que tiene un puerto de succión (24) y un puerto de descarga (26);

un primer intercambiador de calor (28) acoplado al puerto de descarga para recibir el refrigerante impulsado en una dirección aguas abajo a lo largo de una trayectoria de flujo de refrigerante (34) en una primera condición operativa;

un dispositivo de expansión (32) aguas abajo del primer intercambiador de calor a lo largo de la trayectoria del flujo de refrigerante en la primera condición operativa; y

un segundo intercambiador de calor (30) aguas abajo del dispositivo de expansión y acoplado al puerto de succión para devolver el refrigerante en la primera condición operativa,

en el que,

la entrada (152; 608) se acopla a la trayectoria de flujo de refrigerante (34) para recibir refrigerante; y el puerto de retorno (154; 610) se acopla a la trayectoria de flujo de refrigerante (34) para devolver el refrigerante.

2. El sistema de compresión de vapor de la reivindicación 1, en el que la unidad de purga comprende:

una fuente de alimentación (202) acoplada a la una o más unidades termoeléctricas y configurada para, al menos en un primer modo, hacer que la una o más unidades termoeléctricas absorban calor del refrigerante a lo largo de la primera trayectoria.

3. El sistema de compresión de vapor de la reivindicación 1, en el que la unidad de purga comprende:

una o más unidades termoeléctricas adicionales (222) posicionadas para transferir el calor absorbido por la una o más unidades termoeléctricas de enfriamiento (220).

4. El sistema de compresión de vapor de la reivindicación 3, en el que:

la una o más unidades termoeléctricas adicionales se posicionan para transferir el calor absorbido por la una o más unidades termoeléctricas de enfriamiento a un entorno.

5. El sistema de compresión de vapor de la reivindicación 3, en el que la unidad de purga comprende:

una trayectoria de flujo de fluido de intercambio de calor (602) que tiene un primer tramo en relación de intercambio térmico la con una o más unidades termoeléctricas y una o más unidades termoeléctricas adicionales (222); y

una bomba (604) a lo largo de la trayectoria de flujo del fluido de intercambio de calor.

6. El sistema de compresión de vapor de la reivindicación 5, en el que:

la una o más unidades termoeléctricas adicionales están posicionadas para intercambiar calor entre la trayectoria de flujo del fluido de intercambio de calor y el aire ambiente.

7. El sistema de compresión de vapor de la reivindicación 5, en el que:

un fluido de intercambio de calor a lo largo de la trayectoria de flujo del fluido de intercambio de calor comprende al menos 50 % en peso de uno o más de agua y glicol.

8. El sistema de compresión de vapor de la reivindicación 3, en el que:

el recipiente (234) es un recipiente interior;

la unidad de purga comprende un recipiente exterior (232) que contiene el recipiente interior; y

el material de cambio de fase está en un espacio entre el recipiente exterior y el recipiente interior.

9. El sistema de compresión de vapor de la reivindicación 8, en el que:

la una o más unidades termoeléctricas (220) están montadas en el recipiente interior;

la una o más unidades termoeléctricas adicionales (222) están montadas en el recipiente exterior; y uno o más disipadores de calor con aletas (253) de la una o más unidades termoeléctricas (220) y uno o más disipadores de calor con aletas (251) de la una o más unidades termoeléctricas adicionales (222) se sumergen en el material de cambio de fase.

10. El sistema de compresión de vapor de la reivindicación 9, en el que:

el uno o más disipadores de calor con aletas (253) de la una o más unidades termoeléctricas (220) y el uno o más disipadores de calor con aletas (251) de la una o más unidades termoeléctricas adicionales (222) tienen aletas intercaladas.

11. El sistema de compresión de vapor de la reivindicación 1, en el que:

el material de cambio de fase comprende material seleccionado del grupo que consiste en ceras de parafina, ácidos grasos de aceites naturales y soluciones de sales inorgánicas.

12. El sistema de compresión de vapor de la reivindicación 1, en el que:

el material de cambio de fase tiene una temperatura de fusión de -20 °C a 15 °C.

13. El sistema de compresión de vapor de la reivindicación 1, en el que:

el puerto de purga está configurado para ventilar a la atmósfera.

14. Un procedimiento para operar el sistema de la reivindicación 1, comprendiendo el procedimiento:

operar la unidad de purga para, en un primer modo, aplicar una tensión a la una o más unidades termoeléctricas (220) para enfriar el refrigerante recibido para condensar el refrigerante.