TERMOINTERCAMBIADOR DE FLUJO PARALELO PARA APLICACIONES DE BOMBA DE CALOR
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Esta invenc ón en general se refiere a sistemas de bomba de calor de refrigerante y, más particularmente, a termointercambiadores de flujo paralelos de la misma, Una definic ón de un denominado termointercambiador de flujo paralelo se utiliza ampliamente en la industria de aire acondicionado y de refrigeración y designa un termointercambiador c Dn una pluralidad de pasos paralelos, entre los cuales se distribuye y se transporta el refrigerante por lo general en la orientación sustancialmente perpendicular a la dilección del flujo de refrigerante en los manguitos de entrada y de salida. Esta definición se adapta bien dentro de la comí.nidad técnica y se utilizará a lo largo del texto. Los tertiointercambiadores de flujo paralelo comenzaron a ganar popularidad en las instalaciones de aire acondicionado, pero sµ aplicación en el campo de bombas de calor se limita en edtremo para las razones descritas en lo siguiente Los sistemas de bombas de calor de refrigerante operan típicamente, ya sea en el modo de enfriamiento o en el de calentamiento, dependiendo de las demandas de carga térmica y de las condiciones ambientales. Un sistema de bomba de calor convencional incluye un compresor, un dispositivo
para control de flujo tal como una válvula de inversión de cuatro vías, un termointercambiador externo, un dispositivo de expansión, y un termointercambiador interno. La válvula de inversión de cuatro vías dirige el transporte de refrigerante fuera de una lumbrera de descarga de compresor hacia un termointercambiador > a sea externo o interno, así como también lo envía de regreso hacia una lumbrera de succión de compresor desde otro de estos termointercambiadores, cuando está operando el sistema de bomba de calor en el modo de enfriamiento o de caluntamiento, respectivamente. En el modo de enfriamiento de la operación, el refrigerante se comprimé en el compresor, se d Lstribuye corriente abajo a una válvula de inversión de cu atro vías y después se envía al termointercambiador exjterno (en este caso un condensador) . En el condensador, se renueve el calor del refrigerante durante la interacción de t transferencia de calor con un fluido secundario tal como airé, se transporta por las superficies externas del condensador mediante un dispositivo que se mueve por aire tal como un ventilador. Como resultado, el refrigerante se desrecalienta, se condensa y típicamente se subenfría. El refrigerante fluye a través del dispositivo de expansión desde el "termointercambiador externo, donde se expande a una presión y temperatura menores, y después hacia un termointercambiador interno (en este caso un evaporador) . En el evaporador, el refrigerante, durante la interacción de
transferencia de ca-Jor, enfría el aire (u otro fluido secundario) distribuido a un espacio adaptado mediante un dispositivo que se mueve por aire, tal como un ventilador. Aunque el refrigerante, que se evapora y se recalienta, enfría el aire que fluye por el termointercambiador interno, típicamente, también se elimina la humedad del vapor de aire, de este modo, el aire también se deshumidifica . A partir del termointercambiador interno, el refrigerante, una vez más, pasa a través de la v¿.lvula de inversión de cuatro vías y se regresa al compresor. En el modo de operación de calentamiento, el flujo de refrigerante a través del sistema de bomba de calor se invierte esencialment ;. El refrigerante fluye desde el compresor hasta la vá] vula de inversión de cuatro vías y se envía al termoi ntercambiador interno. En el termointercambiador i eterno, el cual sirve ahora como condensador, se libera el calor en el aire para que se distribuya en el ambiente interno mediante un ventilador para calentar el ambiente interno. El refrigerante desrecalentado, condensado y típicamente subenfriado fluye entonces a través del dispositivo de expansión y hacia el termointercambiador externo corriente abaj < , donde el calor se transfiere de un ambiente relativamente frío hacia el refrigerante, el cual se evapora y por lo general se recalienta. El refrigerante se dirige entonces a la valvula de inversión de cuatro vías y se
regresa al compresor. Como una p srsona con experiencia en la técnica sabe, una operación simplificada del sistema de bomba de calor básica se de: cribe en lo anterior, y se pueden incorporar muchas var Laciones y características opcionales a los esquemas de borr a de calor. Por ejemplo, se pueden emplear dispositivos de expansión separados para los modos de operación de calentaniento y de enfriamiento o se puede integrar un economiz .ador o ciclo de recalentamiento a un diseño de bomba de alor. Además, con la introducción de refrigerantes natur ales tales como un R744, el termointercambiador ce lado de presión alto puede operar potencialmente en la región supercrítica (por arriba del punto crítico) , y un refrigerante de fase simple fluirá a través de su tubo de intercambio de calor en lugar de un fluido predominantem nte de dos fases, tales como en condiciones subcrítiqas. En este caso, el condensador se vuelve un termointer cambiador de tipo enfriador de fase simple . Como puede observarse a partir de una descripción simplificada de la opíeración de la bomba de calor, ambos termointercambiadores típicamente tienen una doble función, como condensador y cqmo evaporador, dependiendo del modo de operación. Además, un flujo de refrigerante a través de los intercambiadores de btmba de calor típicamente se invierte (a
menos que se realicen disposiciones de tubería específicas) durante los modos de operación antes mencionados. En consecuencia, los diseños de sistema de termointercambiador y de bomba de calor enfrentan un reto para optimizar la configuración de circuitería del termointercambiador para que funcione tanto en el modo de enfriamiento como en el modo de calentamiento. Esto se vuelve una tarea particularmente difícil, debido a que se debe mantener un equilibrio adecuado entre la transferencia de calor de refrigerante las características de descenso de presión a través del termointercambiador . Por lo tanto, muchos termointercambiadores de bomba de calor se diseñan con un número igual, aunque no óptimo, de circuitos continuos para los modos de operaciór de enfriamiento y de calentamiento. En general, entre más vapor se contenga en la mezcla de refrigerante de dos fases través del termointercambiador y entre más alta sea la proporción de flujo de refrigerante, mayor será el número de circuitos paralelos que se requiera para una operación eficiente del termointercambiador. Eje este modo, los condensadores eficaces incorporan típicamer :te circuitos convergentes y loa evaporadores eficiente s emplean ya sea circuitos continuos o divergentes. En otras palabras, los circuitos de termointercambiador se combinan o se separan en algunas ubicaciones intermedias a lo largo de las trayectorias del
refrigerante para incforporar los cambios en la densidad dé refrigerante y para mejorar las características de flujos de refrigerante de condensación y evaporación, respectivamente. En termointercambiadc res de aleta y placa convencionales, tales alteraciones de circuito, junto con la inversión de la dirección del flujo de refrigerante, pueden lograrse al utilizar los trípode- y los manguitos intermedios, como se conocen en la indus tria. En los termointercambiadores de flujo paralelos, debi do a las particularidades de diseño así como al diseño del manguito y detalles específicos de la distribución de refrigerante, se puede alterar el número de circuitos paralelos solo en las ubicaciones de manguitos, restringiendo la flexibilidad de diseño del termointercambiador, especialmente en las aplicaciones de bomba de calor. En consecuencia, la implementación de un número variable de ;ircuitos paralelos a lo largo de la longitud del termoi itercambiador, así como circuitos de longitud variable para modos de operación de enfriamiento y de calentamiento, rep esentan un obstáculo significativo para los diseñadores de sistema de bomba de calor y de termointercambiadores y no se conoce en la técnica termointercambiadores de flujo paralelos. Otro reto que enfrenta un diseñador de termointercambiador e 3 la mala distribución de refrigerante, acentuado especialmente en los evaporadores de sistema de
refrigerante. Eso provoca un deterioro significativo en el funcionamiento del sistema en su conjunto y del evaporador en un margen amplio de condiciones de operación. La mala distribución de refrigerante puede ocurrir debido a diferencias en las impedancias de flujo dentro de los canales del evaporador, a la distribución de flujo de aire no uniforme en las superficies de transferencia de calor externas, a la orientación de termointercambiador impropia o al diseño del sistema de distribución y de manguitos deficiente. La mala distribución se manifiesta particularmente en evaporadores de flujo paralelos debido a su diseño específico con respecto a la ruta del refrigerante a cada circuito de r«ifrigeración . Se han realizado intentos para eliminar o para reducir los efectos de este fenómeno en el funcionamiento de evaporadores de flujo paralelos, con poco o ningún éxito Las razones principales de tales fracasos por lo genera 1 se relacionan con la complejidad y la ineficacia de la técni a propuesta o con el costo muy elevado de la solución. En años redientes, los termointercambiadores de flujo paralelos, y er particular los termointercambiadores soldados con aluminio, han recibido mucha atención e interés, no sólo en el campo aultomotriz, sino también en la industria de calentamiento, de vventilación, de aire acondicionado y dé refrigeración (HVAC&R Las razones principales para el
empleo de la tecnolo?ía de flujo paralelo se relacionan con su funcionamiento superior, alto grado de compactación y resistencia mejorada a la corrosión. Como se menciona en lo anterior, en los sistemas de bomba de calor, cada termointercambiador de flujo paralelo se utiliza como un condensador y un evaporador, dependiendo del modo de operación y la mala c. .istribución del refrigerante es una de las preocupaciones y obstáculos principales para la implementación de está tecnología en los evaporadores de los sistemas de bomba de dalor. La mala distribución de refrigerante en termointercambiadores de flujo paralelos ocurre debido a un descenso de presión de :sigual en el interior de los canales y en los manguitos de entrada y de salida, así como al diseñó de sistema de distribución y de manguitos deficiente. En los manguitos, la diferencia en la longitud de las trayectorias de refrigerante, la se?paración de fase y la gravedad, son los principales factores rrBsponsables de la mala distribución. En el interior de los canales del termointercambiador, los ffaaccttoorreess ddoommiinnaanntteess sseen las variaciones en la proporción de transferencia de calor, la distribución de flujo del aire, las tolerancias de fabricación y la gravedad. Además, la tendencia reciente de.', mejoramiento del funcionamiento del termointercambiador promovió la miniaturización de sus canales (denominados mz.nicales y microcanales), los cuales, a
su vez, afectaron en forma negativa la distribución de refrigerante. Debido a que es sumamente difícil controlar todos estos factores, muchos de los intentos anteriores para manejar la distribucion de refrigerante, especialmente en evaporadores de flujo paralelos, han fracasado. En los sistemas de refrigerante que utilizan termointercambiadores de flujo paralelos, los manguitos de entrada y salida o colectores (estos términos se utilizarán indistintamente a lo largo del texto) por lo general tienen una forma cilindrica convencional. Cuando el flujo de dos fases entre al colector, por lo general la fase de vapor se separa de la fase líquida. Debido a que ambas fases fluyen de manera independiente, la mala distribución de refrigerante tiende a ocurrir, cau sando potencialmente las condiciones de dos fases (cero recalentado) en la salida de algunos tubos de transferencia de calbr y promoviendo la inundación en la succión de compresor que se puede traducir de inmediato en un daño del compresor. De este mod , un diseñador de termointercambiadores de flujo paralelos para las aplicaciones de bombas de calor enfrenta los siguientes retos: implementación de los circuitos de desviación y de inversión de longitud variable para mejorar las características de funcionamiento en los modos de operación de calentamiento y de enfriamiento, manejando la inversión de flujo y evitando la mala
distribuye a un número mayor de tubos de intercambio de calor paralelos en la primera trayectoria, se recolecta en el manguito intermedio después se distribuye al manguito de salida a través de J? número restante menor de tubos de intercambio de calor paralelos, como se describirá en mayor detalle en lo sucesi /O. En la operación de evaporador, al utilizar un sistema de válvula de retención y una tubería de envío, el flujo de refrigerante través del termointercambiador de flujo paralelo se invierte y se dispone en una configu. ración de un solo paso, al mismo tiempo que se proporciona ur dispositivo de expansión simple para expandir refrigerante a una presión y temperatura menores corriente arriba del elvaporador. Por lo tanto, los beneficios antes mencionados de. funcionamiento intensificado y de confiabilidad mejorada se logran en tanto en el modo de enfriamiento como en el de calentamiento debido a un equilibrio óptimo entre la transferencia de calor dé refrigerante y las características de descenso de presión en el interior de los tubos de intercambio de calor. En otra modalidad, un sistema de termointercambiador incluye un manguito intermedio separado y un termointercambiador de flujo paralelo que opera como un condensador de tres p asos y como un evaporador de un solo paso. La operación y as ventajas obtenidas de este sistema son análogas a la modalidad anterior. Además, se proporcionan
dispositivos de expansión múltiple para evitar o para disminuir efectos de 1 a mala distribución de refrigerante, En aún otra modalidad, un sistema de termointercambiador ir corpora un termointercambiador de flujo paralelo que tiene trfs pasos en la operación de condensador mientras que tiene iólo un solo paso en la función de evaporador. Esta modalidad incluye un dispositivo de expansión simple y un sistema de distribuidor que también pueden mejorar la dist ;ribución de refrigerante. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LOS DIBUJOS Para un entendimiento posterior de los objetos de la invención, se hará referencia a la siguiente descripción detallada de la invención que se leerá en relación con el dibujo anexo, donde: La Figura 1?. es una ilustración esquemática de un termointercambiador de flujo paralelo para aplicaciones de condensador de dos pasos La Figura IB es una vista de la Figura ÍA adaptada para aplicaciones de e aporador de dos pasos La Figura 2A es una ilustración esquemática de una segunda modalidad de un sistema de termointercambiador de flujo paralelo adaptado para aplicaciones de condensador de dos pasos. La Figura 2B es una vista de la Figura 2A adaptada para aplicaciones de co)ndensador de dos pasos.
La Figura 3A es una ilustración esquemática de una tercera modalidad d un sistema de termointercambiador paralelo adaptado para aplicaciones de condensador de triple paso, La Figura 3B es una vista de la Figura 3A adaptada para aplicaciones de avaporador de un solo paso. La Figura 4Á es una ilustración esquemática de una cuarta modalidad para un sistema de termointercambiador de flujo paralelo de la presente invención adaptada para aapplliiccaacciioonneess ddee ccoonnddeennsador de triple paso. La Figura 4E es una vista de la Figura 4A adaptada par aplicaciones de eváporador de un solo paso, En la operación de un termointercambiador de flujo paralelo convencional, el refrigerante fluye a través de la abertura de entrada y hacia la cavidad interna de un manguito de entrada. Desde el manguito de entrada, el refrigerante, en una configuración de m solo paso, entra y pasa a través de una serie de tubos de transferencia de calor paralelos hasta la cavidad interna de un manguito de salida. Externamente a los tubos, el aire se hace circular por los tubos de intercambio de calor y aletas expuestas al aire asociadas mediante un dispositi?; o que se mueve por aire tal como un ventilador, de modo q?e la interacción de transferencia de calor ocurre entre el aire que fluye fuera de los tubos de transferencia de calor y el refrigerante en el interior de
los tubos. Los tubos de intercambio de calor pueden ser huecos o pueden tener realces internos tales como salientes para una rigidez estructural y un aumento de la transferencia de calor. Estos realces internos dividen cada tubo de intercambio de calor en múltiples canales a lo largo de los cuales se transporta el refrigerante en una forma paralela.
Los canales típicamente son de una sección transversal circular, rectangular triangular, trapezoidal o cualquier otra sección transve rsal factible. Además, los tubos de transferencia de calor pueden ser de cualquier sección transversal, pero d s preferencia son predominantemente rectangulares u ovalados. Los elementos del termointercambiador usualmente están hechos de aluminio y están unidos entre si durante las operaciones de broncesoldado del horno. En una dispJiosición de multipasos, los tubos de transferencia de calor se dividen en bancos de tubos y el refrigerante se transporta de un banco de tubos a otro en una forma paralela a través de un número de manguitos intermedios o cámaras de manguito asociadas con los manguitos de entrada y de salida. Un número de tubos de transferencia de calor en cada banco de tubosl puede variarse con base en los requerimientos de funciJonamiento y de confiabilidad. Como se menciona en lo anterior, en general, entre más vapor se contiene en la mezcla de refrigerante de dos
fases que fluye a t ravés del termointercambiador y entre mayor sea la proporción de flujo de refrigerante, mayor será el número de circuitos paralelos que se requerirá para una operación eficiente del termointercambiador. De este modo, los condensadores eficaces incorporan típicamente circuitos convergentes y los ev.aporadores eficaces emplean circuitos ya sea continuos o divergentes. En otras palabras, se altera un número de circuitos del termointercambiador paralelo en las ubicaciones del manguito intermedio para incorporar los cambios en la densidad de refrigerante y para mejorar las características (equilibrar la transferencia de calor y el descenso de presión) para condensar y evaporar flujos de refrigerante , Como tambiéjn se explica en lo anterior, en la operación de bomba de calor, cada termointercambiador típicamente tiene una doble función, como condensador y como evaporador, dependiendo del modo de operación (enfriamiento o calentamiento) . Además, el flujo de refrigerante a través de los intercambiadores de bomba de calor típicamente se invierte durante los iodos de operación antes mencionados. En consecuencia, los diseños de sistema de termointercambiador y de bomba de calor enfrentan un reto para optimizar la configuración de circ?itería del termointercambiador para que funcione y sea conf iable en los modos de operación de enfriamiento y de calentamiento. Esto se vuelve una tarea
particularmente difícil, debido a que se debe mantener un equilibrio adecuado entre la transferencia de calor de refrigerante y las ce racterísticas de descenso de presión a través del termointergambiador en una variedad de condiciones de operación. Por lo tanto, muchos termointercambiadores de bomba de calor se diseñan con un número igual, aunque no óptimo, de circuitos continuos para los modos de operación de enfriamiento y de caleuntamiento. Con referenc :ia ahora a las Figuras ÍA y IB, en una modalidad de la invención, se muestra un termointercambiador
de flujo paralelo que incluye un colector de entrada mangüito 12, un colector de salida adjunto o manguito 14, y una pluralidad de tubos 22 de intercambio de calor dispuestos en forma paralela q?e interconectan en forma fluida el manguito de entrada y el manguito de salida con un manguito
intermedio disp esto en un lado opuesto del termointercambiador 10 i Típicamente, los manguitos 12 y 14 de entrada y de salida eitán en sección transversal circular o rectangular, y los tubos 22 de intercambio de calor son tubos (o extrusiones) de forna aplanada o redonda. Como se menciona en lo anterior, los tubos 22 de intercambio de calor normalmente tienen una pluralidad de elementos de realce de transferencia de calor internos y externos, tales como aletas. Por ejemplo, las aletas 24 externas dispuestas en forma uniforme entre las mismas para el realce del proceso de
intercambio de calor ? de la rigidez estructural, típicamente se broncesoldan en hfrno. Los tubos 22 de transferencia de calor también pueden tener realces de transferencia de calor internos y elementos estructurales que dividen cada tubo en múltiples canales a 1o largo de los cuales se transporta el refrigerante en una forma paralela. Como se sabe, los canales pueden ser de una sección transversal circular, rectangular, triangular, trapezoide.1 o cualquier otra sección transversal factible En la operación de condensador, como se muestra en la Figura ÍA, el refr .gerante se distribuye a un manguito 12 a través de una línea 16 de refrigerante colocada corriente abajo de una válvul .a de inversión de cuatro vías (no mostrada) y se distribuye a un número relativamente grande de tubos de /*/*interca?fio de calor paralelos en la primera trayectoria del banco 22A de tubos (aproximadamente 2/3 del número total de tubc s) , se recolecta en el manguito 20 intermedio y después s;5 distribuye al manguito 14 a través de un número restante relativamente menor de tubos de intercambio de calor paralelos en la segunda trayectoria o banco 22B de tubos (aproximadamente 1/3 del número total de tubos). Desde el manguito 14 el refrigerante fluye fuera de la línea 18 de refrigerante que se comunica con un dispositivo de expansión corriente abajo del sistema de bomba de calor (no mosteado) . Durante la interacción de
transferencia de calor con el aire transportado por las superficies de transferencia de calor externas del termointercambiador 10 mediante un dispositivo que se mueve por aire tal como un ventilador, el refrigerante se desrecalienta y se condensa parcialmente en el primer banco 22A de tubos y se condensa por completo y después se subenfría en el según io banco 22B de tubos. Un número menor de tubos de transferencia de calor en el segundo banco refleja un refrigerant e de densidad mayor que fluye a través del banco y que se necesita para mantener un equilibrio apropiado entre la tr:ansferencia de calor de refrigerante y las características de descenso de presión. En esta modalidad, los manguitos 12 y 14 son adyacentes, comparten el mismo miembro 26 de construcción general y están separados mediante una división 28 rígida. En la operación de evaporador, el flujo de refrigerante a través de los tubos 22 de intercambio de calor se invierte (véase Figura IB) . En la Figura IB, el termointercambiador .0 de flujo paralelo tiene una construcción de angui.to idéntica al de la modalidad de la Figura ÍA, pero un número de tubos de intercambio de calor paralelos en el primer paso o banco 32A de tubos es menor ahora (aproximadamente 1/3 del número total de tubos) que un número de los tubos de intercambio de calor paralelos en el segundo paso o banco 32B de tubos (aproximadamente 2/3 del
número total de tubos) . En la operación de evaporador, el refrigerante se evapota parcialmente en el primer paso 32A y se evapora por completo y después se recalienta en el segundo paso 32B, una vez más, debido a la interacción de transferencia de calor con el transporte de aire en las superficies del termointercambiador externas. Ahora, un número mayor de tubos de intercambio de calor en el segundo banco (que en el prjJmer banco) refleja un refrigerante de densidad mayor que fluye a través del banco y que se desea par mantener un equilibrio apropiado entre la transferencia de calor de refrigeranjte y las características de descenso de presión. Por lo tanto, se puede designar una división apropiada en un número de tubos 22 de intercambio de calor en el primer y segundo pasos para un funcionamiento mejorado del termointercambiador 10 de flujo paralelo en los modos de operación tanto de enfriamiento como de calentamiento del sistema de bomba de calor. Debe notarse que aunque la orientación del termoi ntercambiador 10 de flujo paralelo se muestra en forma horizontal, otras orientaciones tal como la vertical o en un ángalo también se encuentran dentro del alcance de la invención. Además, el termointercambiador 10 de flujo paralelo puede ser recto, como se muestra en las Figuras ÍA y IB pueden doblarse o formarse de otro modo en la forma que se desee.
En las mod¿.üdades mostradas en las Figuras 2A y 2B, el sistema 50 del termointercambiador incluye un termointercambiador 9|0 de flujo paralelo y un sistema de control de flujo de refrigerante asociado. En la operación de condensador ilustrada en la Figura 2A, el refrigerante entra al termointercambiadoi 90 de flujo paralelo a través de una línea 58 de refrigerarte y fluye a través de la válvula 70 de retención, ubicada en una línea 82 de refrigerante, hacia un manguito 54, mientras que una válvula 72 de retención evita que el refrigerante entre de inmediato a un manguito 60 intermedio a través de una línea 66 de refrigerante. Después, el refrigerante fluye a través de un primer paso o banco 52A de tubos que contiene un número relativamente grande de tubos de intercambio de calor (aproximadamente 2/3 del número total de tubos), entra al manguito 60 intermedio y se dirige a un segundo paso o banco 52B de tubos que contiene un número relativamente menor de tubos de intercambio de calor
(aproximadamente 1/3 d|el número total de tubos) . Una presión mayor que actúa en in lado opuesto de la válvula 72 de retención evita que si refrigerante que fluye fuera del manguito 60 intermedio entre a la línea 66 de refrigerante.
En caso de que exista (ualquier preocupación concerniente con la operación de la vál la 72 de retención, siempre se puede sustituir con una válvula de solenoide. Después de dejar el segundo banco 52B de ti.bos, el refrigerante entra al manguito
52, que comparte la misma construcción 84 general con el manguito 54, y sale d 1 manguito 52 a través de una línea 62 de refrigerante y un, válvula 74 de retención para que se distribuya a un dispositivo de expansión a través de una línea 56 de refrig rante. Una válvula 76 de retención colocada en una lín ¡a 64 de refrigerante, evita que el refrigerante fluya i través de un dispositivo 80 de expansión, en caso de que se utilicen dispositivos de expansión separados para los modos de operación de enfriamiento y de calentamiento . Durante la interacción de transferencia de calor con el aire transporta do por las superficies de transferencia de calor externas d ¡1 termointercambiador 90 mediante un dispositivo que se mueve por aire, el refrigerante se desrecalienta y se condensa parcialmente en el primer banco 52A de tubos y se condensa por completo y después se subenfría en el segundc banco 52B de tubos. Una vez más, un número menor de tubos de transferencia de calor en el segundo banco refleja un refrigerante de densidad mayor que fluye a través del banco y que se necesita para mantener un equilibrio apropiado entre la transferencia de calor de refrigerante y las caí acterísticas de descenso de presión. En esta modalidad, los manguitos 52 y 54 también son adyacentes y comparten el mismo miembro 84 de construcción general y están separados mediante una válvula 78 de retención. Una vez
mas, una presión mayor que actúa en un lado opuesto de la válvula 78 de retenci ón evita que el refrigerante entre al manguito 54 desde el manguito 52. Las ventajas similares a los beneficios de la modalidad de la Figura ÍA también se obtienen aquí. En la operación de evaporador ilustrada en la Figura 2B, el refrigerante fluye desde la línea 56 de refrigerante hacia la línea 64 de refrigerante a través de la válvula 76 de retención y del dispositivo 80 de expansión, mientras que la valvula 74 de retención evita que el refrigerante entre a la línea 62 de refrigerante y que se desvíe del dispositivo 0 de expansión. En el dispositivo 80 de expansión, que puede ser de un tipo de orificio fijo (por ejemplo un tubo capilar, una corona o un orificio) o un tipo de válvula (por ejemplo válvula de expansión termostática o válvula de expansión e Lectrónica) , el refrigerante se expande a una presión y tempe::atura menores y entra a los manguitos
52 y 54 en una forma paralela, debido a que ahora la válvula 78 de retención no evita que el refrigerante entre al manguito 54. Desde los manguitos 52 y 54, el refrigerante fluye simultáneamente a través de todos los tubos 22 de intercambio de calor en una disposición de un solo paso entra al manguito 60 y sale del evaporador 90 de flujo paralelo a través de la válvula 72 de retención y de las líneas 66 y 58 de refrigerante para que se distribuya a la
válvula de inversión de cuatro vías y se regrese al compresor. La válvula 70 de retención, instalada en la línea 82 de refrigerante, evita que el refrigerante salga de inmediato del manguitjo 54 y del termointercambiador 90 de flujo paralelo sin pasar a través de los tubos 22 de intercambio de calor, Como en la modalidad de la Figura IB, en la operación de evaporador, el refrigerante se evapora y se recalienta, aunque en un solo paso, debido a la interacción de transferencia de calor con el aire transportado por las superficies externas del termointercambiador. Eebido a que en muchos casos, un número mayor de circuitos de refrigerante es benéfico para la operación de evapor ador, se logra un aumento en el funcionamiento en la modalidad de la Figura 2B. Por lo tanto, los circuitos de refrigerante de longitud variable proporcionados para e| sistema 50 del termointercambiador de flujo paralelo aseguran un funcionamiento mejorado óptimo en los modos de opera ión tanto de enfriamiento como de calentamiento del sistema de bomba de calor. También, debe notarse que si el dispositivo 80 de expansión es de un tipo electrónico, entonces no se requiere la válvula 76 de retención. En las modalidades mostradas en las Figuras 3A y
3B, el sistema 100 del termointercambiador incluye un termointercambiador 110 de flujo paralelo y un sistema de
control de flujo de re frigerante asociado. En la operación de condensador ilustrada en la Figura 3A, el refrigerante entra al termointercambiador 110 de flujo paralelo a través de una línea 112 de refrigerante y fluye hacia un manguito 114, mientras que una vá .vula 118 de retención evita que el refrigerante entre de inmediato a un manguito 116 intermedio. Después, el refrigerante fluye a través de un primer paso o banco 152A de tubos que contiene un número relativamente grande le tubos de intercambio de calor, entra al manguito 120 inte medio y se dirige a un segundo paso o banco 152B de tubos que contiene un número relativamente menor de tubos de int< rcambio de calor. Una presión mayor que actúa en un lado opue: to de la válvula 118 de retención evita que el refrigerante que fluye fuera del manguito 116 intermedio vuelva a entrar al manguito 114. Después de dejar el segundo banco 152E de tubos, el refrigerante entra a un tercer paso o banco 1 2C de tubos que contienen un número aún menor de tubos de intercambio de calor y se dirige a través de una línea 128 de refrigerante y de una válvula 130 de retención para que se distribuya a un dispositivo de expansión a través de una línea 136 de refrigerante. Una válvula 134 de retención colocada en una línea 132 de refrigerante evita qu i el refrigerante fluya a través de un dispositivo 124 de e xpansión, en caso de que exista una preocupación de que 1os dispositivos 124 de expansión por sí
mismos no crearán una resistencia hidráulica lo suficientemente alta tara el flujo de refrigerante. De este modo, en algunas situaciones, no se requerirá la válvula 134 de retención. De forna paralela, la resistencia hidráulica alta creada mediante ?os dispositivos 124 de expansión evita predominantemente la comunicación del flujo de refrigerante entre los manguitos 12 0 y 126. Como en lo anterior, durante la interacción dé transferencia de cal<br con el aire transportado por las superficies de transferencia de calor externas del termointercambiador 11 0 mediante un dispositivo que se mueve por aire, el refrigerante se desrecalienta y se condensa parcialmente en el primer banco 152A de tubos y se condensa por completo (o casi por completo) en el segundo banco 152B de tubos y después se subenfría en el tercer banco 152C de tubos. Una vez más, ui número progresivamente menor de tubos de transferencia de calor en el segundo y tercer bancos dé tubos refleja un refrigerante de densidad mayor que fluye a través del banco y que se necesita para mantener un equilibrio apropiado entre la transferencia de calor de refrigerante y las características de descenso de presión. De manera similar, si se desea, se puede implementar un número mayor de pasos de refrigerante en la operación de condensador. En la oper ción de evaporador ilustrada en la
benéfico para la opejración de evaporador, y se logra un aumento en el funcionamiento en la modalidad de la Figura 3B. Por lo tanto, los circuitos de refrigerante de longitud variable proporcionados para el sistema 100 del termointercambiador de flujo paralelo aseguran un funcionamiento mejoraco óptimo en los modos de operación tanto de enfriamiento como de calentamiento del sistema de bomba de calor. Además, las líneas 122 de conexión se pueden instalar para penetrar en el interior del manguito 120 intermedio para orientar los extremos opuestos de los tubos 22 de intercambio de cé.lor que definen espacios relativamente angostos entre los tubos 22 de intercambio de calor y las líneas 122 de conexión. Estos espacios angostos mejoran la distribución de refrigerante en la operación de evaporador y pueden ser uniformes p,ara todos los tubos 22 de intercambio de calor o pueden alternativamente cambiar de un tubo de intercambio de calor a otro o de una sección de tubo de intercambio de calor a otra, dependiendo del diseño del termointercambiador y ds las restricciones de aplicación. En las modal:.dades mostradas en las Figuras 4A y
4B, el sistema 200 del termointercambiador incluye un termointercambiador 210 de flujo paralelo y un sistema de control de flujo de ref .rigerante asociado. En la operación de condensador ilustrada e n la Figura 4A, el refrigerante entra
al termointercambiador 210 de flujo paralelo a través de una línea 212 de refrigerante y fluye hacia el manguito 214. Una válvula 218 de retencion evita que el refrigerante entre de inmediato un manguito 216 intermedio. Después, el refrigerante fluye a t ravés de un primer paso o banco 252A de tubos que contiene un número relativamente grande de tubos de intercambio de calor, entra al manguito 220 intermedio y se dirige a un segundo paso o banco 252B de tubos que contiene un número menor de tu: os de intercambio de calor. Una presión mayor que actúa en un lado opuesto de la válvula 218 de retención evita que el refrigerante vuelva a entrar al manguito 214 desde e 1 manguito 216. Después de dejar el segundo banco 252B de tubos y el manguito 216, el refrigerante entra a un tercer paso o banco 252C de tubos que contiene un número aún menor de tubos de intercambio de calor y después pasa a travé s de una línea 228 de refrigerante y de una válvula 230 de r stención para que se distribuya a una línea 236 de refrige ante y a un dispositivo de expansión corriente abajo (en caso de que los dispositivos de expansión separados se utilicen para operaciones de calentamiento o de enfriamiento) . Al mismo tiempo, una válvula 234 de retención evita que el refrigerante fluya a través de un dispositivo de distribución 240 (o denominado distribuidor) , de tubos 222 de distribuidor, de una línea 232 de refrigerante y de un dispositivo 224 de expansión. Como en lo anterior, si el
dispositivo 224 de exqansión es de tipo electrónico, entonces no se requiere la válvjula 234 de retención Como en lo anterior, durante la interacción de transferencia de calor con el aire transportado por las superficies de transferencia de calor externas del termointercambiador 21 .0 mediante un dispositivo que se mueve por aire, el refrige: cante se desrecalienta y se condensa parcialmente en el pr:.mer banco 252A de tubos y se condensa por completo (o casi por completo) en el segundo banco 252B de tubos y después se subenfría en el tercer banco 252C de tubos. Una vez más, ur número progresivamente menor de tubos de transferencia de calor en el segundo y tercer bancos de tubos refleja un refrigerante de densidad mayor que fluye a través del banco y que se necesita para mantener un equilibrio apropiado entre la transferencia de calor de refrigerante y las cairacterísticas de descenso de presión. Como se nota en lo anterior, si se desea, se puede implementar un número mayor de pasos de refrigerante en la operación de condensador En la opera]ción de evaporador ilustrada en la
Figura 4B, el refrigerante fluye desde la línea 236 de refrigerante a través de la válvula 234 de retención y del dispositivo 224 de expansión, a través de la línea 232 de refrigerante y hacia. el distribuidor 240. Desde el distribuidor 240 el refrigerante se distribuye
simultáneamente entre los tubos 222 del distribuidor para distribuirse al mangui to 220 y a través de todos los tubos 22 de intercambio de cal or en una disposición de un solo paso, Además, el refrigerant e entra simultáneamente a los manguitos 214 y 216 conectados directamente en forma fluida uno con otro (debido a que anora el refrigerante fluye a través de la válvula 218 de retenc: ón en una dirección opuesta) y sale del evaporador 210 de flu o paralelo a través de la línea 212 de refrigerante. Como en la modalidad de la Figura 3B, en la operación de evaporador, el refrigerante se evapora y después se recalienta en un , olo paso, debido a una interacción de transferencia de calor con el aire transportado por las superficies externas ce 1 termointercambiador. Como se nota en lo anterior, en mucho- casos, un número mayor de circuitos de refrigerante es benéf Lco para la operación de evaporador, y se logra un aumento en el funcionamiento en la modalidad de la Figura 4B. Por lo tanto, los circuitos de refrigerante de longitud variable proporcionados para el sistema 200 del termointercambiador de flujo paralelo aseguran un funcionamiento mejorado óptimo en los modos de operación tanto de enfriamiento como de calentamiento del sistema de bomba de calor. Además, los tubos 222 del distribuidor se instalan preferentemente para p enetrar en el interior del manguito 220 intermedio para orien ar los extremos opuestos de los tubos
22 de intercambio de calor que forman aberturas relativamente angostas entre los tubos 22 de intercambio de calor y los tubos 222 del distribiiidor. Estos espacios angostos mejoran la distribución de ref rigerante en la operación de evaporador y pueden ser uniformes para todos los tubos 22 de intercambio de calor o pueden cafribiar alternativamente de un tubo de intercambio de calor a otro o de una sección de tubo de intercambio de calor a otra, dependiendo del diseño del termointercambiador y de las restricciones de aplicación. En caso de que la mala distribución de refrigerante no sea una preocupación, el sistema 240-222 total de distribución se puede eliminar, cor la línea 232 de refrigerante extendiéndose directamente hacia el manguito 220. Debe entendelrse que los esquemas presentados son ejemplares y que muchos arreglos y configuraciones son posibles para lograr c Lrcuitos de longitud variable en modos de operación de enfrlamiento y de calentamiento para el sistema de bomba de calor con los termointercambiadores de flujo paralelo. Además, varios arreglos de multipasos son factibles para las aplicaciones de condensador y de evaporador con los manguitos y las cámaras de manguitos colocadas en los mi.smos lados o lados opuestos del termointercambiador de flujo paralelo. Aunque la c resente invención se muestra y se describe en particular con referencia al modo preferido como
se ilustra en el d bujo, alguien con experiencia en la técnica entenderá que se pueden efectuar varios cambios en detalle a la misma sirt apartarse del espíritu y alcance de la invención, como se deí ine en las reivindicaciones.