ES2959824T3 - Compresor termodinámico híbrido - Google Patents

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Abstract

Compresor termodinámico híbrido (8) para comprimir un fluido de trabajo, comprendiendo el compresor un cilindro volumétrico (1) y un cilindro térmico (2) conectados entre sí mecánicamente mediante un sistema de biela (5) y neumáticamente mediante un circuito de conexión (12). opcionalmente con una válvula (4), una máquina eléctrica reversible (6), el cilindro volumétrico que comprende un primer pistón (81) que separa una primera cámara (Ch1) de una segunda cámara (Ch2), el cilindro térmico que comprende un segundo pistón (82) que separa una tercera cámara (Ch3) de una cuarta cámara (Ch4), que puede ponerse en contacto térmico con una fuente de calor (21) para generar de ese modo un movimiento cíclico en el cilindro térmico, y respecto al sistema de biela (5), los pistones primero y segundo están conectados a un rotor (52) mediante bielas (91, 92) respectivas primera y segunda, con un desplazamiento angular predeterminado (θd), estando equipado el cilindro volumétrico con válvulas antirretorno (61). , 62), la potencia generada en el cilindro térmico se transmite al cilindro volumétrico esencialmente a través del circuito de conexión y no a través del sistema de biela. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Compresor termodinámico híbrido
Sector de la técnica
La invención se refiere a compresores para ciclos de bomba de calor, y se dirige en particular a un compresor termodinámico híbrido que puede accionarse por un compresor térmico y/o por una máquina eléctrica reversible. La invención también se refiere a calderas híbridas que comprenden un compresor termodinámico híbrido de este tipo.
Estado de la técnica
En las soluciones conocidas, un motor eléctrico se utiliza muy a menudo para accionar un compresor, compresor que constituye el elemento motor de un ciclo de bomba de calor.
También existen soluciones basadas en un motor de combustión para accionar tal compresor.
De este modo, en general, los fabricantes de equipos térmicos proponen soluciones que permiten aportar soluciones termodinámicas mercado, con:
1. Bombas de calor eléctricas
2. Bombas de calor térmicas
3. Calderas de microcogeneración
La empresa solicitante también ha propuesto ya utilizar un nuevo tipo de compresor termodinámico, conocido como compresor “térmico”, para formar el elemento motor de un ciclo de bomba de calor.
Sin embargo, parecía ventajoso poder ofrecer una solución más flexible en función de las condiciones de uso del circuito de la bomba de calor y de la disponibilidad de distintas formas de energía para accionar el compresor. En particular, es posible en determinados momentos producir energía eléctrica a partir de una fuente térmica como producto auxiliar (lo que se denomina “cogeneración”), y en otros momentos utilizar energía eléctrica sin utilizar la fuente térmica.
Objeto de la invención
Para ello, se propone un compresor termodinámico híbrido para comprimir un fluido de trabajo, comprendiendo el compresor al menos:
- un cilindro (1) volumétrico y un cilindro (2) térmico conectados entre sí mecánicamente por un sistema (5) de embielaje y neumáticamente por un circuito (12) de conexión,
- una máquina (6) eléctrica reversible conectada al sistema (5) de embielaje,
comprendiendo el cilindro volumétrico una envuelta cilíndrica con un primer pistón (81) que separa una primera cámara (Ch1) de una segunda cámara (Ch2),
comprendiendo el cilindro térmico una envuelta cilíndrica con un segundo pistón (82) que separa una tercera cámara (Ch3), denominada cámara fría, de una cuarta cámara (Ch4), que puede ponerse en contacto térmico con una fuente (21) de calor para convertirse en cámara caliente, y generar de este modo un movimiento cíclico en el cilindro térmico, conectando el circuito de conexión la segunda cámara con la tercera cámara,
y en lo que respecta al sistema (5) de embielaje, el primer pistón está conectado a un rotor (52) mediante un primer embielaje (91), y el segundo pistón está conectado, directa o indirectamente, a dicho rotor mediante un segundo embielaje (92), con un desplazamiento (0d) angular predeterminado proporcionado por el sistema de embielaje entre el ciclo del primer pistón y el ciclo del segundo pistón,
estando el cilindro volumétrico con una vía de admisión con una primera válvula (61) antirretorno y una vía de salida con una segunda válvula (62) antirretorno, para suministrar fluido de trabajo a una segunda presión (Pout), y en el que la potencia producida en el cilindro térmico se transmite al cilindro volumétrico esencialmente a través del circuito de conexión y no a través del sistema de embielaje.
Gracias a estas disposiciones, el cilindro volumétrico puede bombear el fluido de trabajo en el contexto de un ciclo de bomba de calor, poniéndose en movimiento dicho cilindro volumétrico o bien por efecto del cilindro térmico conectado al mismo y/o por aporte de la máquina eléctrica.
Como se verá más adelante, puede utilizarse el mismo fluido de trabajo en el cilindro térmico y en el cilindro volumétrico positivo, así como en el circuito primario de la bomba de calor.
También hay que señalar que el cilindro volumétrico puede ser de efecto sencillo o de efecto doble, como se verá más adelante.
Cabe señalar que el desplazamiento (0d) angular predeterminado caracteriza el retraso del ciclo volumétrico con respecto al ciclo térmico y este desfase angular predeterminado puede ser de cualquier valor entre 50 ° y 130 °. Preferiblemente, puede obtenerse por construcción mecánica, con posibilidad de ajuste mecánico en caso necesario.
El término “primera válvula antirretorno” se refiere en este caso a la válvula de entrada del compresor. El término “segunda válvula antirretorno” se refiere en este caso a la válvula de descarga del compresor.
La frase “la potencia producida en el cilindro térmico se transmite al cilindro volumétrico esencialmente a través del circuito de conexión y no a través del sistema de embielaje” debe entenderse en el sentido de que más de la mitad de la potencia producida en el cilindro térmico se transmite a través del circuito de conexión de fluidos, preferiblemente más del 75 % de la potencia producida en el cilindro térmico se transmite a través del circuito de conexión de fluidos.
En diversas realizaciones de la invención relativas al sistema, se puede hacer uso opcionalmente de una y/u otra de las siguientes disposiciones, tomadas individualmente o en combinación.
Como opción ventajosa, puede utilizarse el mismo fluido de trabajo en el cilindro térmico y en el cilindro volumétrico, de preferencia, pero no exclusivamente, puede elegirse CO<2>como fluido de trabajo. Como resultado, incluso si hay fugas en la segmentación del primer pistón, no hay mezcla de fluidos, ya que el mismo fluido está presente en ambos lados de este pistón. Lo mismo ocurre con el segundo pistón. Por tanto, las limitaciones de estanqueidad entre el pistón y la camisa son mucho menos críticas que cuando se utilizan dos fluidos independientes.
Según una disposición, se proporciona:
- un modo de compresión eléctrico en el que la fuente de calor está desactivada y la máquina eléctrica funciona como un motor, y
- un modo de compresión térmico en el que la fuente de calor está activada e impulsa un ciclo de vaivén en el cilindro térmico, impartiéndose el movimiento del primer pistón por el movimiento de vaivén del fluido de trabajo en el circuito de conexión, y la máquina eléctrica funciona como un generador.
Puede observarse que en cada uno de los dos modos, el sistema de embielaje transmite solo una parte auxiliar de la potencia termodinámica, y en particular en el modo de compresión térmico, el sistema de embielaje transmite solo una parte auxiliar de la potencia termodinámica, mientras que la mayor parte pasa por el circuito de conexión.
Según una opción complementaria, también puede preverse un modo mixto, en el que el movimiento del primer pistón en el cilindro volumétrico se provoca por el aporte cíclico de calor en la primera cámara y por la máquina eléctrica que funciona como motor. Se obtiene de este modo una flexibilidad total en términos de arbitraje entre la fuente térmica y la fuente eléctrica, y el arbitraje puede realizarse prácticamente en tiempo real.
Según una opción, se prevé que el desfase (0d) predeterminado esté comprendido entre 80 ° y 120 °, preferiblemente cerca de 95 °, quedando el ciclo volumétrico retardado con respecto al cilindro térmico por este desfase predeterminado. Este desfase permite obtener un rendimiento óptimo.
Según una opción, la carrera (T1) del primer pistón (81) puede ser mayor que la carrera (T2) del segundo pistón (82). De este modo, la potencia termodinámica generada en el cilindro térmico puede equilibrarse con la potencia volumétrica de bombeo utilizada en el cilindro volumétrico, dependiendo principalmente de las presiones de funcionamiento.
En otra configuración, la carrera (T2) del segundo pistón (82) puede ser mayor que la carrera (T1) del primer pistón (81).
Según una configuración, la cilindrada del cilindro térmico puede estar comprendida entre 1 litro y 5 litros. Según una configuración, la cilindrada del cilindro volumétrico puede estar comprendida entre 1 litro y 5 litros.
Según una configuración, la cilindrada del cilindro térmico puede ser mayor que la cilindrada del cilindro volumétrico. Según otra configuración, la cilindrada del cilindro volumétrico puede ser mayor que la cilindrada del cilindro térmico.
Según una opción, puede preverse la siguiente disposición mecánica: el eje (Y1) del cilindro volumétrico y el eje (Y2) del cilindro térmico están dispuestos sustancialmente en perpendicular entre sí, y en los que puede proporcionarse un desfase complementario mediante la posición de las muñequillas de conexión respectivas del primer embielaje (91) y el segundo embielaje (92). Gracias a estas disposiciones, y al desfase angular de cerca de 90 °, es posible tener un rotor giratorio con muñequillas respectivas para cada cilindro en posiciones angulares cercanas o incluso idénticas.
En una opción, conocida como compresor volumétrico de “efecto sencillo”, el cilindro volumétrico funciona en modo de efecto sencillo, y solo se utiliza la primera cámara (Ch1) para la aspiración e impulsión, mientras que la segunda cámara funciona solo en modo de vaivén con la tercera cámara a través del circuito (12) de conexión, estando conectadas a la primera cámara la vía de admisión con la primera válvula (61) antirretorno y la vía de salida con la segunda válvula (62) antirretorno.
Según una opción, denominada compresor de desplazamiento de “efecto doble”, el cilindro volumétrico se utiliza en modo de efecto doble, conectando entonces el circuito (12) de conexión selectivamente mediante una válvula (4) la segunda cámara con la tercera cámara, y estando previsto un paso (7) de transferencia desde la primera cámara hacia la segunda cámara, estando equipada la primera cámara con una vía de admisión con la primera válvula (61) antirretorno, para admitir el fluido de trabajo a una primera presión (Pin), comprendiendo el paso de transferencia un volumen (3) de almacenamiento intermedio con una tercera válvula (63) antirretorno entre la primera cámara (Ch1) y el almacenamiento intermedio y una cuarta válvula (64) antirretorno entre el almacenamiento intermedio y la segunda cámara (Ch2), estando la vía de salida con la segunda válvula (62) antirretorno conectados a la segunda cámara.
Gracias a esta configuración de efecto doble, el compresor puede proporcionar una mayor relación de compresión si es necesario. Esta configuración también permite al compresor beneficiarse de una relajación de las restricciones de segmentación.
Según una disposición complementaria de la configuración de dos etapas, cuando el circuito (12) de conexión está equipado con dicha válvula (4), en el modo de compresión eléctrico, dicha válvula (4) está cerrada, la fuente de calor está desactivada y la máquina eléctrica funciona como un motor y en el modo de compresión térmico, dicha válvula (4) está abierta, la fuente de calor está activada e impulsa un ciclo de vaivén en el cilindro térmico, impartiéndose el movimiento del primer pistón por el movimiento de vaivén del fluido de trabajo en el circuito de conexión, y la máquina eléctrica funciona como un generador.
Según una disposición complementaria a la configuración de una sola etapa, el circuito (12) de conexión también puede estar equipado con una válvula (4) de este tipo con un funcionamiento idéntico en los modos eléctrico y térmico.
Según una opción particular, el vástago del pistón del cilindro volumétrico puede tener un diámetro mayor que el del vástago del cilindro térmico. En estas condiciones, puede observarse un efecto de aumento de la presión relacionado con la reducción de la superficie.
La presente invención también se refiere a una caldera termodinámica, para suministrar/retirar calor a/de un local de interés, que comprende un compresor térmico híbrido como el descrito anteriormente, formando el compresor térmico la función de compresión de un bucle de tipo bomba de calor reversible que comprende al menos un circuito general de fluido de trabajo, un regulador de presión y al menos una unidad exterior.
Según un modo particular, la caldera en cuestión puede formar una máquina de cogeneración con producción de electricidad.
Descripción de las figuras
Otros aspectos, objetivos y ventajas de la invención se pondrán de manifiesto a partir de la siguiente descripción de una realización de la invención, proporcionada a modo de ejemplo no limitativo. La invención también se comprenderá mejor con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
- la figura 1 representa un diagrama de un compresor térmico híbrido según la presente invención, en una versión de bombeo de una sola etapa, representándose los componentes esquemáticamente planos,
- la figura 2 representa una vista similar a la de la figura 1 en una variante de compresor volumétrico de dos etapas.
- la figura 3 representa una realización de construcción del compresor con el cilindro térmico dispuesto perpendicularmente al cilindro volumétrico,
- la figura 4 representa una realización similar a la de la figura 2 vista desde el sistema de embielaje y según la dirección del cilindro volumétrico,
- la figura 5 representa un diagrama de ciclo con presiones y carreras en la ordenada, para la versión de una etapa, - la figura 6 representa un diagrama de ciclo termodinámico del cilindro térmico,
- la figura 7 representa un diagrama de ciclo con las presiones y carreras en la ordenada, para la versión de dos etapas,
- la figura 8 muestra una vista esquemática general de un sistema de bomba de calor reversible.
Descripción detallada de la invención
En las distintas figuras, las mismas referencias designan elementos idénticos o similares. Por razones de claridad, es posible que algunos elementos no se muestren a escala.
Información general, bomba de calor con compresor
La figura 8 muestra un sistema de bomba de calor que comprende un compresor 8 térmico híbrido que se describirá con más detalle más adelante. El compresor 8 forma la función de compresión de un bucle de tipo bomba de calor, que puede ser reversible, como se muestra en este caso, o no reversible.
Un sistema de bomba de calor de este tipo, tal como se ilustra en este caso, comprende un circuito 85 de fluido caloportador, un primer intercambiador 87 de calor y un segundo intercambiador 88 de calor, y un regulador 86 de presión que desempeña la función opuesta a la del compresor. En el caso de un sistema reversible, el regulador 86 de presión puede ser doble, funcionando cada parte en un sentido e inoperante en el otro. Una válvula 89 de cuatro vías invierte el sentido del flujo de fluido en los intercambiadores y en el regulador de presión. En una primera configuración, el sistema retira calor del primer intercambiador 87 de calor y lo devuelve al segundo intercambiador 88 de calor, y en la configuración opuesta, el sistema retira calor del segundo intercambiador 88 de calor y lo devuelve al primer intercambiador 87 de calor.
Resulta especialmente interesante el caso de una caldera que incorpore una función de bomba de calor, con calor tomado de una unidad exterior y suministrado a un local o vivienda de interés.
En este caso, el sistema propuesto se basa en un compresor 8 térmico híbrido, que se describirá con más detalle más adelante, con un circuito general de fluido de trabajo (o fluido “refrigerante”), un regulador de presión y al menos una unidad exterior. La caldera incluye el compresor 8 térmico híbrido para el bucle de tipo bomba de calor y también puede suministrar calor a la sala/local de interés desde un quemador.
Generalmente, el compresor está equipado con una vía de admisión con una primera válvula 61 antirretorno (conocida en el sector como “válvula de entrada”) y una vía de salida con una segunda válvula 62 antirretorno (conocida en el sector como “válvula de descarga”). En relación con el circuito 85 primario, el compresor aspira fluido de trabajo a través de la vía de admisión a una primera presión Pin y suministra fluido de trabajo a través de la vía de salida a una segunda presión Pout.
Compresor - aspectos generales- cilindros volumétricos y térmicos
El compresor 8 térmico híbrido comprende un cilindro 1 volumétrico, un cilindro 2 térmico y una máquina 6 eléctrica reversible (M/G por: motor-generador, siendo posibles ambas funciones).
Como se verá más adelante, el cilindro 1 volumétrico y un cilindro 2 térmico están conectados entre sí mecánicamente por un sistema 5 de embielaje y neumáticamente por un circuito 12 de conexión.
El cilindro 1 volumétrico comprende un primer pistón (81) que separa una primera cámara (Ch1) de una segunda cámara (Ch2), a la que se hará referencia más adelante. El primer pistón (81) se desplaza en una camisa 71 cilíndrica de revolución alrededor de un primer eje (Y1).
El cilindro 1 volumétrico forma al menos una etapa de compresor de tipo volumétrico para el circuito 85 primario del sistema de bomba de calor.
El cilindro 2 térmico comprende una envuelta cilíndrica con un segundo pistón, 82, que separa una tercera cámara, Ch3, denominada cámara fría, de una cuarta cámara, Ch4. El primer pistón (81) se desplaza en una camisa 72 cilíndrica de revolución alrededor de un segundo eje (Y2).
La tercera cámara Ch3 puede enfriarse mediante un circuito de enfriamiento, representado simbólicamente en las figuras por la referencia 26.
La cuarta cámara Ch4 puede ponerse en contacto térmico con una fuente 21 de calor para convertirse en una cámara caliente y generar de este modo un movimiento cíclico en el cilindro térmico.
Las cámaras Ch3, Ch4 tercera y cuarta están en comunicación fluida a través de un circuito exterior a la camisa en el que se mueve el segundo pistón 82. Concretamente, se prevé un regenerador 29 para mantener un gradiente de temperatura entre las partes fría y caliente.
El eje Y2 es vertical con la cuarta cámara situada por encima de la tercera cámara Ch3.
Fuera del cilindro 72, se prevé un paso que permite el tránsito del fluido de la tercera cámara hacia la cuarta y viceversa. Más concretamente, en la parte superior de la cuarta cámara Ch4, se prevé un orificio 23 de entrada salida para el fluido y, a continuación, un paso 24 anular en la parte caliente hacia el regenerador 29.
El paso continúa por debajo del regenerador a través de un paso 25 anular en la parte fría, que se abre desde abajo hacia la cámara fría. En este punto, el paso también está conectado a un orificio 27 de entrada salida exterior.
La construcción y el funcionamiento de un compresor térmico regenerativo de este tipo se describen en el documento internacional WO2014/202885 del solicitante y las enseñanzas de este documento se retomarán en este caso en relación con el principio y el funcionamiento de un compresor térmico regenerativo de este tipo.
La diferencia con esta referencia es que, en este caso, en la cámara Ch3 fría, no hay una entrada de aspiración y una salida de descarga independientes, sino una única conexión con el exterior que aspira y descarga sucesivamente un movimiento de ida y vuelta en el circuito 12 de conexión.
Gracias al regenerador 29, la diferencia de temperatura entre la cuarta cámara Ch4 y la tercera cámara Ch3 se mantiene por encima de 500 °C. Normalmente, la cuarta cámara está a una temperatura de unos 600 °C, mientras que la tercera permanece a unos 50 °C por efecto del sistema de enfriamiento. Es este gradiente de temperatura, y su mantenimiento en el tiempo, lo que acciona el compresor regenerativo térmico.
La fuente 21 caliente es un quemador, por ejemplo un quemador de gas. No obstante, cabe señalar que la fuente caliente puede quemar cualquier otro tipo de combustible además de gas. En otras configuraciones, la fuente caliente puede proceder de otro tipo de fuente de calor, solar u otra, sin combustión. Se prefiere un combustible no fósil.
El circuito 12 de conexión conecta selectivamente la segunda cámara Ch2 con la tercera cámara Ch3. Una válvula 4, que es opcional en algunos casos como se verá más adelante, se utiliza para cerrar o abrir selectivamente el paso de fluido entre la segunda cámara Ch2 y la tercera cámara Ch3. La válvula 4 puede ser una electroválvula o una válvula accionada manualmente.
Obsérvese que el circuito de conexión permite el paso de fluido de trabajo entre las cámaras Ch2, Ch3 segunda y tercera, y es el mismo fluido el que entra en la cuarta cámara Ch4.
Además, ventajosamente, el mismo fluido se utiliza también en la primera cámara Ch1. Cabe señalar que, gracias a la utilización de un único fluido, aunque se produzcan fugas a nivel de la segmentación 78, esto no causa ningún problema, salvo un rendimiento muy ligeramente afectado, siendo esta consideración válida tanto para el cilindro térmico como para el cilindro volumétrico.
También es el mismo fluido que se utiliza en el circuito 85 primario del sistema de bomba de calor descrito en la figura 8.
Además del circuito 85 primario, puede haber circuitos auxiliares (mostrados parcialmente y punteados en la figura 8) acoplados mediante intercambiadores de calor pero sin intercambio físico de fluido.
Puede elegirse un gas como fluido de trabajo, preferiblemente CO<2>(R744 en la jerga de la térmica/refrigeración), aunque no exclusivamente. No obstante, el principio de la presente invención puede aplicarse a otros fluidos de trabajo.
Sistema de embielaje y disposición mecánica
La figura 1 representa un diagrama esquemático plano de un compresor térmico en versión de bomba de una etapa. Los componentes se muestran esquemáticamente planos para facilitar la comprensión. Para facilitar la comprensión, se muestran dos rotores unidos en rotación, con los ejes X1 y X2 respectivamente.
Las figuras 3 y 4 representan configuraciones más realistas en términos de soluciones industriales.
El sistema 5 de embielaje conecta mecánicamente el cilindro 1 volumétrico y el cilindro 2 térmico entre sí.
En este primer ejemplo (figura 1), el cilindro volumétrico se utiliza en modo de efecto sencillo. Solo se utiliza la primera cámara Ch1 para aspirar y descargar el fluido en el circuito 85 primario. La segunda cámara funciona únicamente de forma alterna con la tercera cámara a través del circuito 12 de conexión. La válvula 4 puede estar ausente.
La vía de admisión con la primera válvula 61 antirretorno y la vía de salida con la segunda válvula 62 antirretorno están ambos conectados a la primera cámara Ch1.
Compresor - sistema de embielaje
El sistema 5 de embielaje comprende un rotor 5 montado en rotación en la carcasa del compresor alrededor del eje X. Este rotor 5 forma un cigüeñal pero transmite poca fuerza mecánica, a diferencia de un cigüeñal convencional.
Este rotor 5 está formado como una pieza en rotación con manivelas; más concretamente, se disponen muñequillas a una distancia del eje X. Una primera muñequilla se fija al rotor a una distancia T1/2 del eje X; el pie de una primera biela 91 se fija a esta primera muñequilla. Una segunda muñequilla se fija al rotor a una distancia T2/2 del eje X; el pie de una segunda biela 92 se fija a esta segunda muñequilla.
La cabeza de la primera biela 91 está conectada a un primer vástago solidario con el primer pistón 81. La cabeza de la segunda biela 92 está conectada a un segundo vástago solidario con el segundo pistón 82.
T1 es, por tanto, la carrera del primer pistón 81. La cilindrada del cilindro volumétrico es T1 x S1, siendo S1 la sección de la primera camisa 71.
T2 es, por tanto, la carrera del segundo pistón 82. La cilindrada del cilindro térmico es T2 x S2, siendo S2 la sección de la segunda camisa 72.
En el punto muerto inferior del primer pistón, el volumen residual de la primera cámara Ch1 es muy pequeño, inferior al 5 % de la cilindrada, preferiblemente inferior al 2 % de la cilindrada.
En el punto muerto superior del primer pistón, el volumen residual de la segunda cámara Ch2 también puede ser pequeño, inferior al 5 % de la cilindrada, preferiblemente inferior al 2 % de la cilindrada.
Sin embargo, en una configuración particular de una sola etapa, como la segunda cámara Ch2 no se utiliza para la función de compresión volumétrica, el volumen residual de la segunda cámara Ch2 en el punto muerto superior del primer pistón puede ser menor, por ejemplo entre el 5 % y el 15 % de la cilindrada.
En el punto muerto inferior del segundo pistón 82, el volumen residual de la tercera cámara Ch3 es muy pequeño, inferior al 4 % de la cilindrada, preferiblemente inferior al 2 % de la cilindrada. En el punto muerto superior del primer pistón, el volumen residual de la cuarta cámara Ch4 también es muy pequeño, inferior al 4 % de la cilindrada, preferiblemente inferior al 2 % de la cilindrada.
El primer pistón está unido al rotor mediante el primer embielaje 91, en la figura 1, con una posición 01 actual con respecto a la posición 00 de referencia de punto muerto inferior.
El segundo pistón está conectado (indirectamente mediante una correa en el esquema “plano” de las figuras 1 y 2) al rotor a través del segundo embielaje 92, con una posición 02 actual con respecto a la posición 00 de referencia de punto muerto inferior.
En las figuras, la rotación es en el sentido de las agujas del reloj para ambos embielajes. El ciclo 1 volumétrico va por detrás del cilindro 2 térmico un cierto ángulo.
Existe un desplazamiento 0d angular entre el ciclo del primer pistón y el ciclo del segundo pistón.
Este desplazamiento 0d angular está predeterminado y se proporciona intrínsecamente por el sistema de embielaje. El desfase 0d predeterminado se elegirá generalmente entre 80 ° y 120 °. Los inventores han descubierto que el óptimo está cerca de los 95°, quedando el ciclo volumétrico retardado con respecto al cilindro térmico por este desfase predeterminado. Este desfase permite obtener un rendimiento óptimo.
En las figuras 3 y 4, el segundo embielaje 92 del segundo émbolo 2 está conectado directamente al único rotor 52, al igual que el primer embielaje 91. El eje Y1 del cilindro volumétrico y el eje Y2 del cilindro térmico están dispuestos perpendicularmente entre sí.
Sin embargo, con esta disposición en ángulo recto, puede obtenerse un rotor giratorio con las muñequillas respectivas de cada cilindro en posiciones angulares próximas o incluso idénticas, con un desfase complementario de las muñequillas que se expresa entonces como 0d - 90 (véase la figura 3).
Generalmente, el desfase angular real es de unos 90°, por lo que el desfase físico entre las muñequillas primera y segunda sigue siendo relativamente pequeño, de modo que el mecanizado de una pieza de este tipo sigue siendo convencional y rentable.
En una variante, en lugar de disponer de una pieza con manivelas convencionales, podrían utilizarse dos excéntricas asociadas entre sí y ajustables en posición angular una respecto a otra para ajustar el desfase 0d angular predeterminado en función de la aplicación.
Circuito neumático - única etapa
En la versión de única etapa mostrada en la figura 1, es decir, en el modo de efecto sencillo, solo se utiliza la primera cámara Ch1 para la aspiración y la descarga. La primera válvula 61 antirretorno se dispone en la vía de admisión y la vía de salida con la segunda válvula 62 antirretorno, ambos conectados a la primera cámara.
En términos sencillos, la segunda cámara Ch2 solo funciona en modo de vaivén con la tercera cámara Ch3 a través del circuito 12 de conexión.
En esta configuración, la primera cámara Ch1 aspira fluido de trabajo a través de la vía de admisión a una primera presión Pin y descarga fluido de trabajo a una segunda presión Pout a través de la vía de salida.
Doble etapa
En esta configuración (véanse las figuras 2 y 3), se utilizan las dos cámaras del cilindro volumétrico para elevar la presión de Pin a Pout.
Un paso 7 de transferencia conecta la primera cámara Ch1 con la segunda cámara Ch2. La primera cámara está equipada con la vía de admisión con la primera válvula 61 antirretorno ya mencionada, para admitir el fluido de trabajo a una primera presión Pin. Es la segunda cámara Ch2 a la que está conectada la vía de salida con la segunda válvula 62 antirretorno.
El paso 7 de transferencia comprende un volumen 3 de almacenamiento intermedio. El paso de transferencia comprende una tercera válvula 63 antirretorno para transferir fluido desde la primera cámara Ch1 hacia el almacenamiento 3 intermedio y una cuarta válvula 64 antirretorno para transferir fluido desde el almacenamiento 3 intermedio hacia la segunda cámara Ch2. La vía de salida con la segunda válvula 62 antirretorno está conectada a la segunda cámara.
El almacenamiento 3 intermedio presenta un volumen suficiente para que el volumen introducido y retirado durante un ciclo de revolución del rotor represente una cantidad de fluido de como máximo el 10 % del volumen presente en el almacenamiento 3 intermedio.
Funcionamiento y control
El compresor se denomina “híbrido” porque puede funcionar según al menos los dos modos de funcionamiento siguientes: eléctrico y térmico.
Modo eléctrico: se trata de un modo de compresión eléctrico en el que la fuente 21 de calor está desactivada, la máquina eléctrica funciona como un motor y la válvula 4 (si está presente) está cerrada. En este modo eléctrico, no se produce potencia en el cilindro térmico. Obsérvese que el cilindro 2 térmico no dispone de freno significativo, el segundo pistón funciona en modo de desplazamiento sencillo.
Modo térmico y de cogeneración: se trata de un modo de compresión térmico en el que la válvula 4 está abierta (si está presente), la fuente 21 de calor está activada e impulsa un ciclo de vaivén en el cilindro 2 térmico, impartiéndose el movimiento del primer pistón 81 por el movimiento de vaivén del fluido de trabajo en el circuito de conexión, y en el que el sistema 5 de embielaje transmite únicamente una parte auxiliar de la potencia termodinámica y la máquina eléctrica funciona como generador.
En esta configuración, la potencia producida en el cilindro 2 térmico se transmite al cilindro 1 volumétrico esencialmente a través del circuito 12 de conexión y no a través del sistema 5 de embielaje. Normalmente, más del 60 % de la potencia producida en el cilindro 2 térmico puede transmitirse al cilindro 1 volumétrico a través del circuito 12 de conexión.
Según una configuración, la lógica de control puede imponer una elección binaria, es decir, exclusivamente el modo eléctrico o el modo térmico.
Según otra configuración, la lógica de control puede utilizar un modo mixto con cualquier contribución de la fuente térmica y la fuente eléctrica. De este modo, puede utilizarse un excedente eléctrico local para accionar el compresor, complementado con calor procedente de la fuente térmica.
La figura 6 ilustra el funcionamiento termodinámico del compresor térmico regenerativo. Las diferentes fases A, B, C, D ilustran cada una un desplazamiento en el diagrama de presión frente a temperatura. Las distintas fases A, B, C, D corresponden cada una a un cuarto de ciclo del segundo pistón, como se muestra en las figuras 1, 2 y 3.
Como se explica con más detalle en el documento internacional WO2014/202885 mencionado anteriormente, la superficie cubierta por la curva 94 (ciclo ABCD) de la figura 6 representa el trabajo termodinámico proporcionado por cilindro 2 térmico.
En la figura 5, que considera un régimen establecido en una configuración de una única etapa, el diagrama de carreras y presiones muestra que la presión P2 en el cilindro 2 térmico evoluciona entre P2min cuando la temperatura del fluido está en su mínimo en el cilindro 2 térmico y P2max cuando la temperatura del fluido está en su máximo. Pmax se alcanza en las proximidades del punto muerto inferior del pistón 82. Pmin se alcanza cerca del punto muerto superior del pistón 82.
En la única etapa, las presiones Pmin y Pmax no tienen ninguna relación restringida con los valores de presión Pin y Pout.
En el modo térmico, la potencia térmica y, por tanto, la amplitud P2max - P2min, así como la sección y la carrera del émbolo, se dimensionan de forma que la potencia térmica sea mayor o igual que la potencia de bombeo a desarrollar en el cilindro 1 volumétrico.
En otras palabras: W2 > W1, en donde
W1 representa la potencia de bombeo desarrollada en el cilindro 1 volumétrico y W2 representa la potencia termodinámica desarrollada en el cilindro 2 térmico. La potencia generada por el cilindro térmico es proporcional a su presión media (P2max+P2min)/2.
Si W6 expresa la potencia motriz de la máquina 6 eléctrica, entonces en modo térmico, puede expresarse: W1 = W2 W6.
Y en virtud de W2 > W1, se dispone de W6 negativo, y por tanto la máquina 6 eléctrica que funciona como generador. W6 representa la potencia de cogeneración.
En modo eléctrico, W2=0 (fuente 21 parada y válvula 4 cerrada) y es la máquina 6 eléctrica la que funciona como motor y, por tanto, W1 = W6. El controlador de la máquina eléctrica ajusta las señales de control para alcanzar un valor de consigna de velocidad, por ejemplo en el funcionamiento del cilindro 1 volumétrico.
En la configuración de una única etapa, la válvula 4 puede estar presente o no. En el modo eléctrico, las cámaras Ch3 y Ch4 pueden utilizarse como cámaras de compensación en relación con la segunda cámara Ch2. Alternativamente, puede proporcionarse un volumen residual suficiente de Ch2 en el punto de orificio superior del primer pistón 81.
En la figura 7, que considera un régimen establecido en una configuración de dos etapas, el diagrama de carreras y presiones muestra que la presión P3 es relativamente estable. La presión P2max corresponde sustancialmente a la presión Pout. La presión P2min corresponde sustancialmente a la presión P3.
La presión P1 varía entre Pin y P3. La presión P2 cambia entre P3 y Pout.
La figura 7 ilustra la aperturas secuenciales de las cuatro válvulas 61, 62, 63, 64 antirretorno. La apertura de cada válvula se representa en la figura 7 mediante una línea horizontal gruesa asociada con el número de la válvula. Se observa que las válvulas 61, 62, 63 y 64 se abren secuencialmente con un solapamiento temporal que puede ser mayor o menor en función de los ajustes respectivos de las válvulas antirretorno.
En la parte superior del diagrama, las posiciones respectivas de los pistones 81, 82 muestran el desfase 0d angular predeterminado, en este caso con un retardo de 90 °C del cilindro volumétrico.
En el ejemplo de la figura 7, Pin es próximo a 25 bares, P3 próximo a 50 bares y Pout próximo a 75 bares.
En el ejemplo de la figura 5, Pin es próximo a 25 bares y Pout próximo a 65 bares.
Otras consideraciones
En general, Pin está normalmente comprendido entre 15 y 40 bares y Pout está normalmente comprendido entre 60 y 90 bares.
Las cilindradas pueden elegirse en función de las necesidades de potencia. En algunos casos habituales, la cilindrada del cilindro térmico puede estar comprendida entre 1 litro y 5 litros. Según una configuración, la cilindrada del cilindro volumétrico puede estar comprendida entre 1 litro y 5 litros.
En algunos casos habituales, la carrera T1 es mayor que T2. En algunos otros casos habituales, la sección S1 es mayor que S2.
En algunos casos habituales, el volumen del almacenamiento 3 intermedio puede estar comprendido entre 10 litros y 25 litros.
Cabe señalar que en la versión de dos etapas, las tensiones de estanqueidad en la segmentación 78 pueden relajarse porque las presiones medias a ambos lados del pistón 81 son iguales.

Claims (11)

REIVINDICACIONES
1. Compresor (8) termodinámico híbrido para comprimir un fluido de trabajo, comprendiendo el compresor al menos: - un cilindro (1) volumétrico y un cilindro (2) térmico conectados entre sí mecánicamente por un sistema (5) de embielaje y neumáticamente por un circuito (12) de conexión,
- una máquina (6) eléctrica reversible conectada al sistema (5) de embielaje,
comprendiendo el cilindro volumétrico una envuelta cilíndrica con un primer pistón (81) que separa una primera cámara (Ch1) de una segunda cámara (Ch2),
comprendiendo el cilindro térmico una envuelta cilíndrica con un segundo pistón (82) que separa una tercera cámara (Ch3), denominada cámara fría, de una cuarta cámara (Ch4), que puede ponerse en contacto térmico con una fuente (21) de calor para convertirse en cámara caliente, y generar de este modo un movimiento cíclico en el cilindro térmico, conectando el circuito (12) de conexión la segunda cámara con la tercera cámara,
y en lo que respecta al sistema (5) de embielaje, el primer pistón está conectado a un rotor (52) mediante un primer embielaje (91), y el segundo pistón está conectado, directa o indirectamente, a dicho rotor mediante un segundo embielaje (92), con un desfase (0d) angular predeterminado proporcionado por el sistema de embielaje entre el ciclo del primer pistón y el ciclo del segundo pistón,
estando el cilindro volumétrico equipado con una vía de admisión con una primera válvula (61) antirretorno y una vía de salida con una segunda válvula (62) antirretorno, para suministrar fluido de trabajo a una segunda presión (Pout), y en el que la potencia producida en el cilindro térmico se transmite al cilindro volumétrico esencialmente a través del circuito de conexión y no a través del sistema de embielaje.
2. Compresor termodinámico híbrido según la reivindicación 1, en el que el cilindro (2) térmico comprende una camisa (72) y la cuarta cámara (Ch4) está conectada de manera fluida a la tercera cámara (Ch3) mediante un circuito externo a la camisa (24, 25) a través de un regenerador (29).
3. Compresor termodinámico híbrido según una de las reivindicaciones 1 a 2, en el que se utiliza el mismo fluido de trabajo en el cilindro térmico y en el cilindro volumétrico, preferiblemente pero no exclusivamente CO2.
4. Compresor termodinámico híbrido según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que se prevé:
- un modo de compresión eléctrico en el que la fuente de calor está desactivada y la máquina eléctrica funciona como un motor, y
- un modo de compresión térmico en el que la fuente de calor está activada e impulsa un ciclo de vaivén en el cilindro térmico, impartiéndose el movimiento del primer pistón por el movimiento de vaivén del fluido de trabajo en el circuito de conexión, y
en el que el sistema de embielaje transmite solo una parte auxiliar de la potencia termodinámica y la máquina eléctrica funciona como un generador.
5. Compresor termodinámico híbrido según la reivindicación 4, en el que se proporciona además un modo mixto, en el que el movimiento del primer pistón en el cilindro volumétrico está provocado por el aporte cíclico de calor en la primera cámara y por la máquina eléctrica que funciona como motor.
6. Compresor termodinámico híbrido según una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el desfase (0d) predeterminado está comprendido entre 80 ° y 120 °, preferiblemente es próximo a 95 °, quedando el ciclo volumétrico retardado con respecto al cilindro térmico por este desfase predeterminado.
7. Compresor termodinámico híbrido según una de las reivindicaciones 1 a 6, en el que el eje (Y1) del cilindro volumétrico y el eje (Y2) del cilindro térmico están dispuestos sustancialmente en perpendicular entre sí, y en el que puede proporcionarse un desfase complementario mediante la posición de las muñequillas de conexión respectivas del primer embielaje (91) y el segundo embielaje (92).
8. Compresor termodinámico híbrido según una de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el cilindro volumétrico positivo se utiliza en modo de efecto sencillo, y en el que solo la primera cámara (Ch1) se utiliza para la aspiración y la descarga, mientras que la segunda cámara funciona solo en modo de vaivén con la tercera cámara a través del circuito (12) de conexión, estando la vía de admisión con la primera válvula (61) antirretorno y la vía de salida con la segunda válvula (62) antirretorno conectadas a la primera cámara.
9. Compresor termodinámico híbrido según una de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el cilindro volumétrico funciona en modo de efecto doble, conectando entonces el circuito (12) de conexión selectivamente la segunda cámara con la tercera cámara a través de una válvula (4), y en el que se proporciona un paso (7) de transferencia desde la primera cámara hacia la segunda cámara, estando la primera cámara de la vía de admisión equipada con la primera válvula (61) antirretorno, para admitir el fluido de trabajo a una primera presión (Pin),
Comprendiendo el paso de transferencia un volumen (3) de almacenamiento intermedio con una tercera válvula (63) antirretorno entre la primera cámara (Ch1) y el almacenamiento intermedio y una cuarta válvula (64) antirretorno entre el almacenamiento intermedio y la segunda cámara (Ch2), estando la vía de salida con la segunda válvula (62) antirretorno conectada a la segunda cámara.
10. Caldera termodinámica, para suministrar/retirar calor a/de un local de interés, que comprende un compresor (8) térmico híbrido según una de las reivindicaciones anteriores, formando el compresor térmico la función de compresión de un bucle de tipo bomba de calor reversible que comprende al menos un circuito general de fluido de trabajo, un regulador de presión y al menos una unidad exterior.
11. Caldera termodinámica, según reivindicación 10, a su vez en combinación con la reivindicación 4, siendo entonces dicha caldera una máquina de cogeneración con producción de electricidad.
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