CIRCUITO DE REFRIGERACIÓN CON RECEPTOR DE LÍQUIDO/VAPOR MEJORADO DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Esta invención se refiere a un circuito de refrigeración que comprende un primer dispositivo de compresor, un termointerca biador de supresión de calor, un primer dispositivo de expansión, un receptor que tiene una porción superior y una porción inferior, un segundo dispositivo de expansión, y un primer evaporador. El circuito de refrigeración además comprende un trayecto de flujo entre la porción superior del receptor y un compresor, el lado de presión el cual está en comunicación de flujo con la entrada del termointercambiador de supresión de calor. El circuito de refrigeración de preferencia es del tipo diseñado para C02 como un refrigerante, pero no se limita a la misma. El circuito de refrigeración es del tipo de expansión de dos etapas, en donde el refrigerante primero se expande en la primera etapa de expansión. La primera etapa de expansión proporciona enfriamiento para completar la condensación del refrigerante en el receptor. Además, la sección del circuito de refrigeración que se extiende desde el receptor al dispositivo de compresor está a un nivel de presión sustancialmente menor que la sección restante del circuito de refrigeración que se extiende desde el dispositivo de compresor al primer dispositivo de expansión. Es un objeto de la invención proporcionar un circuito de refrigeración con un receptor mejorado. Es un objeto adicional de la invención proporcionar un circuito de refrigeración con un receptor que genera desde su porción superior el gas instantáneo que sustancialmente no tiene gotas de líquido en el mismo. Es aún otro objeto de la invención proporcionar un circuito de refrigeración con un receptor que genera un refrigerante líquido sub-enfnado. De acuerdo con una modalidad de la invención, se proporciona un circuito de refrigeración para circular un refrigerante en una dirección de flujo predeterminada, que comprende en una dirección de flujo un primer dispositivo de compresor, un termointercambiador de supresión de calor, un primer dispositivo de expansión, un receptor que tiene en su interior una porción superior, que está en comunicación de flujo con el primer dispositivo de expansión, y una porción inferior, un segundo dispositivo de expansión que está en comunicación de flujo con la porción inferior del receptor, y un primer evaporador; y comprende un trayecto de flujo adicional entre la porción superior del receptor y el lado de succión de un compresor, el lado de presión el cual está en comunicación de flujo con la entrada del termointercambiador de supresión de calor; en donde se proporciona por lo menos un elemento del grupo que consiste de los siguientes elementos (a) y (b) : (a) un segundo termointercambiador se dispone en la porción superior del receptor, la entrada del segundo termointercambiador está en comunicación de flujo con la salida del termointercambiador de supresión de calor y la salida del segundo termointercambiador está en comunicación de flujo con la entrada del primer dispositivo de expansión, (b) el trayecto de flujo adicional comprende un tercer dispositivo de expansión y, corriente abajo del mismo, un tercer termointercambiador se dispone en la porción inferior del receptor. El segundo termointercambiador dispuesto en la porción superior del receptor intercambia calor contra el vapor contenido en la porción superior del receptor. Cualquier gota de líquido que puede estar presente en la porción superior del receptor se evaporará y arrastrará en el trayecto de flujo adicional. El tercer dispositivo de expansión y el tercer termointercambiador dispuestos en la porción inferior del receptor proporcionan sub-enfriamiento al líquido en la porción inferior del receptor. El sub-enfriamiento del refrigerante líquido resulta en un efecto de enfriamiento más eficaz por el primer evaporador y reduce la formación de vapor refrigerante en la sección del circuito que se extiende desde el receptor al segundo dispositivo de expansión.
En general, el receptor mejorado proporciona una separación perfecta en una fase gaseosa del refrigerante que sustancialmente no tiene contenido de gotas de líquido, y una fase líquida que se sub-enfría y tiene menor tendencia a la formación de vapor. El primer dispositivo de compresor puede ser un compresor simple o un grupo paralelo de varios compresores. El dispositivo de compresor puede ser del tipo que comprende un control de su rendimiento, por ejemplo, por medio del control de su velocidad rotativa dependiente del nivel de presión del refrigerante gaseoso comprimido que debe lograrse . El compresor asociado al trayecto de flujo adicional comenzando desde la porción superior del receptor, puede ser un compresor adicional . El lado de succión de tal compresor adicional puede estar a un nivel de presión mayor que el lado de succión del dispositivo de compresor mencionado primero, o puede estar sustancialmente al mismo nivel de presión como el dispositivo de compresor mencionado primero. Es posible combinar el compresor, que se asocia al trayecto de flujo adicional, con el dispositivo de compresor mencionado primero, ya sea usando uno y el mismo compresor para comprimir el refrigerante gaseoso que viene desde el segundo dispositivo de expansión como también el refrigerante gaseoso que viene desde la porción superior del receptor, o combinando el compresor adicional, que se asocia al trayecto de flujo adicional, en un grupo paralelo de compresores que forman el primer dispositivo de compresor. De acuerdo con una modalidad de la invención, el circuito de refrigeración además comprende un circuito derivado, que se deriva desde una ubicación ubicada en una sección del circuito cuya sección se extiende desde la porción inferior del receptor a la entrada del segundo dispositivo de expansión; el circuito derivado comprende en la dirección de flujo un cuarto dispositivo de expansión, un segundo evaporador, y un segundo dispositivo de compresor; y el circuito derivado, en su extremo corriente abajo, está en comunicación de flujo con el lado de succión del primer dispositivo de compresor. En tal modalidad, el circuito derivado proporciona enfriamiento de baja temperatura, por ejemplo para fines de congelación. En comparación con tal enfriamiento de baja temperatura, el segundo dispositivo de expansión y el primer evaporador proporcionan enfriamiento de temperatura media, por ejemplo manteniendo alimentos y bebidas en un nivel de temperatura de 0 a 10°C. El circuito de refrigeración puede comprender uno o diversos segundos dispositivos/primeros evaporadores de expansión, dispuestos en paralelo, y uno o diversos cuartos dispositivos/segundos evaporadores de expansión, dispuestos en paralelo, si existe alguno. El refrigerante en el circuito de refrigeración puede ser un refrigerante de un componente o un refrigerante de múltiples componentes. En la descripción precedente, se ha hecho referencia a varios dispositivos de expansión. Debe destacarse que pueden proporcionarse dispositivos de expansión de diversas construcciones y diseños. Una forma bastante común del dispositivo de expansión es una válvula de expansión. El dispositivo de expansión puede ser un dispositivo de regulación o una válvula reguladora. El dispositivo de expansión, dependiendo de su ubicación, el nivel de temperatura, y el nivel de presión, puede servir para expandir refrigerante líquido a refrigerante gaseoso o puede expandir el refrigerante gaseoso desde un nivel de presión mayor a un nivel de presión inferior. Esta invención además se refiere a un aparato de refrigeración que comprende un circuito de refrigeración como se describe en la presente solicitud. El aparato de refrigeración de esta invención puede proporcionarse como una bomba de calor. Los elementos técnicos del aparato de enfriamiento y las bombas de calor son las mismas. Con el aparato de enfriamiento, el fin del enfriamiento es el fin primario, y la generación de calor relacionada es normalmente un efecto secundario. Con las bombas de calor, la generación de calor es el fin deseado, mientras que el efecto de enfriamiento relacionado del o los evaporadores se consideran normalmente un efecto lateral menos útil . Esta invención también describe una bomba de calor que tiene un circuito como se describe en la presente solicitud. Tal circuito puede ser designado un circuito de refrigeración debido a que contiene un refrigerante sometido a condensación y evaporación. A veces se prefiere usar el término fluido de trabajo en lugar de usar el término refrigerante cuando se describe una bomba de calor. Un circuito de refrigeración que contiene C02 como un refrigerante puede ser un circuito operado en ciclo transcrítico, o puede ser un circuito operado en ciclo subcrítico, o puede ser un circuito operable en un ciclo transcrítico o un ciclo subcrítico dependiendo de los parámetros tal como temperatura ambiente y nivel de presión después del dispositivo de compresor. En aplicaciones típicas, tal como productos sensibles a la temperatura de enfriamiento, congelación, construcciones de enfriamiento, el circuito de refrigeración no alcanza un nivel de temperatura subcrítica en el termointercambiador de supresión de calor, por lo menos en la temporada de verano; el circuito es operado en el ciclo transcrítico. En esa situación, el termointercambiador de supresión de calor opera como un enfriador de gas. En el caso de un ciclo subcrítico, el termointercambiador de supresión de calor opera como un enfriador y condensador de gas combinado. Las funciones principales del receptor son mantener permanentemente disponibles una cantidad suficiente de refrigerante líquido y proporcionar una separación entre el refrigerante líquido y refrigerante gaseoso (vapor) . En el caso del ciclo transcrítico, una función adicional es la condensación del refrigerante por medio del enfriamiento instantáneo proporcionado por el primer dispositivo de expansión. El aparato de refrigeración/bomba de calor de esta invención tiene un número de campos de aplicación preferidos. El más importante es el enfriamiento de alimentos y bebidas en tiendas, restaurantes u otras ubicaciones de almacenamiento; el enfriamiento de otros productos sensibles a la temperatura como farmacéuticos; congelación; construcciones de enfriamiento de cualquier tipo; enfriamiento de automóviles y cualquier otro tipo de vehículos en el sentido amplio, como aviones, barcos, vagones, etc. Esta invención se refiere adicionalmente a un método para refrigeración. En una modalidad de la invención, el método para refrigeración comprende por lo menos una etapa del grupo de etapas que consiste de (i) operar una fuente de calor en la porción superior del receptor, (ii) operar un disipador de calor en la porción inferior del receptor. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Una modalidad ejemplar de la invención se describirá en lo siguiente. Las características de esa modalidad son características preferidas del circuito de refrigeración de esta invención: la Figura 1 muestra un diagrama de un circuito de refrigeración para dilucidar la configuración básica de un circuito; la Figura 2 muestra un receptor/separador en una escala mayor, el cual puede incorporarse en el circuito de refrigeración de la Figura 1. El circuito de refrigeración total mostrado en la
Figura 1 comprende un circuito (básico) descrito primero, un trayecto de flujo adicional descrito en segundo lugar, y un circuito derivado descrito en tercer lugar y algunos elementos adicionales. El circuito básico, cuando comienza con un dispositivo 6 de compresor y progresa en la dirección de flujo del C02 refrigerante, comprende los siguientes elementos : - dispositivo 6 o 6 y 6' compresor; conducto 7 ; - termointercambiador 1 de supresión de calor (enfriador de gas y/o condensador) ;
- conducto 2 ; - primera válvula a de expansión; - receptor 3 ; conducto 4 ; - dos segundas válvulas b y c de expansión paralelas - dos evaporadores E2 y E3 paralelos; - conducto 5 de retorno al dispositivo 6 de compresor . El dispositivo 6 de compresor comprende tres compresores paralelos y un compresor 6' adicional que se describirá en mayor detalle más adelante. Los lados de succión de los tres compresores son suministrados por un espacio 20 de suministro común. Típicamente, el dispositivo 6 de compresor comprime el C02 gaseoso suministrado a una presión en el margen de 50 a 120 bar, en donde la temperatura del C02 comprimido gaseoso se aumenta en aproximadamente 50 a 150 °C. En la operación subcrítica, la presión del C02 gaseoso comprimido típicamente estaría en el margen de 40 a 70 bar. El termointercambiador de supresión de calor remueve el calor del C02. En la operación subcrítica, el C02 típicamente se enfría de 10 a 30 °C y se condensa en el termointercambiador de supresión de calor; en este caso el termointercambiador 1 trabaja como un enfriador y condensador de gas combinado. En la operación transcrítica, el C02 típicamente se enfría a una temperatura de 25 a 45 °C, sin la condensación de una parte sustancial del C02 , en el termointercambiador de supresión de calor; en este caso trabaja como un enfriador de gas. A fin de remover el calor del C02 , el termointercambiador 1 es enfriado con gas o enfriado con líquido (agua) . El vapor o mezcla de líquido/vapor o C02 líquido en la operación subcrítica, es expandido por la válvula a de expansión proporcionada cerca del receptor 3, proporcionando así gas instantáneo en una porción superior del receptor 3. Típicamente, el nivel de presión en el interior del receptor 3 es de 30 a 40 bar. Una porción inferior del receptor 3 contiene C02 líquido. El receptor 3 también actúa como un separador de C02 líquido y vapor de C02. Por las válvulas b y c de expansión el C02 líquido se expande típicamente a una temperatura de menos 15 a 0 °C, resultando en un nivel de presión típicamente de 20 a 35 bar. Los evaporadores E2 y E3 cerca de las válvulas b y c de expansión sirven para permitir una evaporación completa del C02 y proporcionar grandes superficies de frío, desde donde el enfriamiento propiamente dicho se origina, típicamente por aire que se mueve por el principio de que el "aire frío es más pesado que el aire caliente" o que se mueve por ventilación forzada.
El dispositivo 6 de compresor y el receptor 3 típicamente se montan en un marco metálico común, que también soporta el equipo de control del aparato de refrigeración. El (primer) termointercambiador 1, que es un termointercambiador de supresión de calor, normalmente está a cierta distancia lejos del dispositivo 6 de compresor y el receptor 3 y la válvula 8 de expansión, por ejemplo fuera de la construcción, donde puede enfriarse mejor. Es importante notar que sólo la sección del circuito básico se extiende desde el lado de presión del dispositivo 6 de compresor al lado de salida de la válvula 8 de expansión está en el nivel de alta presión de típicamente 50 a 120 bar. La sección restante del circuito básico que se extiende desde el lado de salida de la válvula a de expansión al lado de succión del dispositivo 6 de compresor está en los dos niveles de presión sustancialmente menores, es decir, típicamente 30 a 40 bar frente a las válvulas b y c de expansión y típicamente 25 a 30 bar frente al dispositivo 6 de compresor. Como consecuencia, la sección mencionada en segundo lugar del circuito básico puede diseñarse para esos niveles de baja presión, es decir, usando tubos que tienen paredes más delgadas, usando conexiones menos sofisticadas donde el C02 está fluyendo, y usando evaporadores adaptados al nivel de presión relativamente bajo. Existe un trayecto de flujo adicional, comenzando en el lado de salida de la porción superior (porción de vapor) del receptor 3 con un conducto 12 y que contiene una válvula e de expansión o válvula reguladora, y finalmente que conduce al lado de entrada del dispositivo 6 de compresor mediante un conducto 11. La válvula e de expansión sirve para reducir la presión del C02 gaseoso al nivel existente en el lado de succión del dispositivo 6 de compresor. Como alternativa, se puede prescindir de la válvula e de expansión, y existe solamente un conducto 12, 15 desde la porción superior del receptor 3 hacia el compresor 6' adicional. El lado de succión del compresor 6' adicional está a un nivel de presión mayor que el lado 20 de succión del dispositivo 6 de compresor. Los lados de presión de todos los compresores 6 y 6' tienen el mismo nivel de presión. En lugar de proporcionar el compresor 6' adicional, es posible alimentar desde la línea 15 en uno o varios de los compresores del dispositivo 6 de compresor, pero en una etapa después de una primera etapa de compresión, de manera que el gas instantáneo es alimentado dentro del dispositivo 6 de compresor al nivel de presión correcto de los compresores. Además, la Figura 1 muestra un circuito derivado que comprende lo siguiente: Un conducto 8 que se deriva desde el conducto 4 corriente arriba de las válvulas b y c de expansión; una (cuarta) válvula d de expansión; un segundo evaporador E4 ; un conducto 9; un segundo dispositivo 10 de compresor, y un conducto 11 que proporciona conexión de flujo de fluido con el lado de succión del primer dispositivo 6 de compresor. La válvula d de expansión y el segundo evaporador E4 se diseñan para proporcionar una expansión del C02 líquido a un nivel de presión inferior que el existente en el lado 20 de succión del dispositivo 6 de compresor. El nivel de temperatura alcanzado en el evaporador E4 es menor que el nivel de temperatura alcanzado en los evaporadores E2 y E3 , proporcionando así un medio para congelación o almacenamiento a temperatura de congelación. Los valores típicos son 7 a 15 bar y menos 50 a menos 25 °C en el evaporador E . Finalmente, la Figura 1 muestra un conducto 13 que deriva el conducto 2 (que conduce desde el primer termointercambiador 1 a la primera válvula a de expansión) a un termointercambiador El, una válvula f de expansión se proporciona en ese conducto 13. Un conducto 14 conduce desde el termointercambiador El al lado de succión del compresor 6' adicional . El termointercambiador El intercambia calor contra el C02 que fluye a través del conducto 2. Debido a que la válvula f de expansión proporciona C02 gaseoso frío, el C02 que fluye a través del conducto 2 se enfría, ayudando así, ya sea, en la condensación del C02 o en el sub-enfriado del C02 líquido. La Figura 2 muestra una vista en corte esquemática del receptor 3 a una escala mayor que en la Figura 1. El receptor 3 tiene en su interior una porción 3a superior y una porción 3b inferior. Una cantidad del C02 líquido se contiene en el receptor 3, llenando el interior del receptor 3 hasta un nivel 22. Dependiendo de las condiciones de operación del circuito de refrigeración, el nivel 22 puede ser mayor o menor que el mostrado en la Figura 2. La línea 2 (que proporciona una conexión de flujo de fluido entre la salida del termointercambiador 1 y la válvula a de expansión, compárese, Figura 1) se extiende dentro del receptor 3 y se conecta un segundo termointercambiador 24 dispuesto en la porción 3a superior del receptor 3. Existe un conducto 26 adicional, que se extiende fuera del receptor 3 y que conecta el extremo corriente abajo del segundo termointercambiador 24 con el interior de la porción 3a superior del receptor 3, una válvula 28 de expansión se proporciona en ese conducto 26. La válvula 28 de expansión produce gas instantáneo en la porción 3a superior, el cual como consecuencia está a un nivel de temperatura menor que el C02 que fluye a través del segundo termointercambiador 24. Algunas gotas de C02 líquido que pueden estar presente en la porción 3a superior, se evaporan. Esto minimiza el potencial de erosión de la válvula 34 de expansión descrita en el párrafo siguiente. La válvula 28 de expansión tiene la misma función que la válvula a de expansión mostrada en la Figura 1. La diferencia es que el conducto 2 no conduce directamente a la válvula 28 de expansión, pero está el segundo termointercambiador 24 corriente arriba de la válvula 28 de expansión. Por medio del segundo termointercambiador 24, el C02 gaseoso que sale de la porción 3a superior contiene menos C02 condensado que sin la provisión del segundo termointercambiador 24. Hay un conducto 30 adicional que conduce, fuera del receptor 3, desde la porción 3a superior a un tercer termointercambiador 32 dispuesto en la porción 3b inferior del receptor 3, una válvula 34 de expansión que se proporciona en ese conducto 30. El extremo corriente abajo del tercer termointercambiador 32 se conecta por un conducto 36 al lado 20 de succión del dispositivo 6 de compresor. En otras palabras, la válvula 34 de expansión reemplaza la válvula e de expansión mostrada en la Figura 1, y se proporciona adicionalmente el tercer termointercambiador 32. Al pasar a través de la válvula 34 de expansión el C02 se vuelve más frío, y el tercer termointercambiador 32 proporciona sub-enfriamiento del C02 líquido acumulado en la porción 3b inferior del receptor 3. El C02 líquido sub-enfriado sale de la porción 3b inferior a través del conducto 4, como se muestra en la Figura 1. El C02 gaseoso que fluye a través del tercer termointercambiador 32 logra un cierto sobrecalentamiento el cual reduce el riesgo de arrastramiento del C02 líquido dentro del dispositivo 6 de compresor.