MX2013009487A - Sistema de bomba de calor de temperatura intermedia flotante en cascada. - Google Patents

Abstract

Se describe una bomba de calor en cascada que está configurado con compresores de velocidad variable que permiten la operación a un alto coeficiente desempeño del sistema para una carga térmica dada. Un módulo de control electrónico puede ser utilizado para hacer variar dinámicamente la velocidad de los compresores para obtener máxima eficiencia de energía. También se pueden usar ventiladores o sopladores de velocidad variable.

Description

SISTEMA. DE BOMBA DE CALOR DE TEMPERATURA INTERMEDIA FLOTANTE EN CASCADA ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Las bombas de calor son empleadas frecuentemente para proveer calentamiento o enfriamiento a un espacio o zona objetivo, frecuentemente en área interior de un edificio residencial o comercial . El tipo más común de bomba de calor es la bomba de calor de fuente de aire, que transfiere y amplifica el calor entre un espacio objetivo y el aire en otro espacio, frecuentemente un medio ambiente. Para aplicaciones de calentamiento, ventilación y acondicionamiento/ref igeración de aire (HVAC/R) las bombas de calor frecuentemente utilizan el ciclo de refrigeración de vapor-compresión, en el cual un refrigerante circulante es usado como el medio que absorbe calor de un espacio y subsecuentemente rechaza el calor en cualquier parte .

En un sistema de bomba de calor de vapor-compresión de una sola etapa, el refrigerante fluye a través de un evaporador que absorbe el calor y produce un vapor y luego a un compresor que provee el incremento de presión necesaria antes de entrar a un condensador para rechazar el calor. La refrigeración es luego expandida a una baja presión utilizando un dispositivo de expansión tal como un dispositivo de expansión térmica (TXV) antes de regresar al evaporador. Ventiladores o sopladores son también frecuentemente usados para transferir el efecto de calentamiento o enfriamiento al espacio objetivo o medio ambiente. Los sistemas de vapor-compresión de una sola etapa no son prácticos para aplicaciones de calentamiento de climas fríos debido a la baja presión de succión del refrigerante a baja temperatura ambiente y la dificultad de poner en operación eficientemente los compresores a altas proporciones de compresión y la compresión de refrigerantes con gran volumen específico.

Una solución de calentamiento en climas fríos coáocida es un sistema de bomba de calor en cascada de multietapás, en el cual múltiples ciclos de vapor-compresión separados son acoplados entre sí con el evaporador del ciclo de etapa más alta que remueve el calor del refrigerante que se condensa del ciclo de etapa inmediatamente más baja. Cada ciclo en un sistema de cascada de multietapás usualmente utiliza un refrigerante diferente apropiado para aquella temperatura, con el refrigerante seleccionado para adaptarse mejor para sus condiciones de operación. Los sistemas de calor en cascada de múltiples etapas tienen las ventajas de una temperatura de operación más baja, una proporción de compresión más pequeña y eficiencia volumétrica del compresor más alto cuando se compara con los sistemas de una! sola i etapa.

Los sistemas de cascada de dos etapas han sido usados en evaporación en la etapa superior. Esta deficiencia puede ser parcialmente evitada por la introducción de un impregnador de calor de líquido-vapor y de sobre calentadores. Sin embargo, existe la necesidad continua de desarrollar sistemas de ¡bomba i de calor en cascada con eficiencia de energía incrementada. i j. i BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN j I Se describen en la presente modalidades de un sistema de bomba de calor que comprende una primera etapa que tiene un primer compresor, un primer condensador, una primera válvula de expansión y un primer evaporador. El sistema también j tiene una segunda etapa que tiene un segundo compresor, un segundo condensador, una segunda válvula de expansión y un segundo evaporador. El primer condensador y segundo evaporadojr son colocados para bombear calor del primer condensador al segundo evaporador. Por lo menos ya sea el primer compresor o segundo compresor es un compresor de velocidad variable. El sistema también comprende un módulo de control electrónico configurado para controlar la velocidad de por lo menos el primer compresor o segundo compresor. Se aquellos experimentados en el arte condensadores pueden ser usados para alimentar calor a múltiples manipuladores de aire. En tanto que una modalidad de la invención dos compresores de velocidad variable en cada etapa, se comprenderá por aquellos experimentados en el arte, que algunos de los beneficios pueden también ser obtenidos mediante el uso de un compresor de velocidad variable y un compresor de velocidad fija. En algunas modalidades, ya sea el primer compresor o segundo compresor es un compresor de velocidad fija. En algunas modalidades, ya sea el primer compresor o el segundo compresor es un compresor de velócidad fija. En algunas modalidades, tanto el primero compresor como el segundo compresor son compresores de velocidad variable . En algunas modalidades, el primer compresor, el segundo compresor o ambos son impulsados por accionadóres de secuencia variable. En algunas modalidades, el primer compresor, el segundo compresor o ambos son impulsados por motores conmutados electrónicamente. En algunas modalidades, la primera válvula de expansión, segunda válvula de expansión o ambas son válvulas de expansión térmicas pulsantes. En algunas modalidades, el sistema de bomba de calor comprende además por lo menos un ventilador o soplador de velócidad variable. En algunas modalidades, el sistema de bomba de calor comprende además una pluralidad de sensores de temperatura configurados para enviar datos de temperatura al módulo de control electrónico. En algunas modalidades, el sistema de bomba de calor comprende además un sensor de presión configurado para enviar datos de presión de succión de la primera etapa al módulo de control electrónico. En algunas modalidades, el sistema de bomba de calor comprende además un primer refrigerante en la etapa y un segundo refrigerante en la segunda etapa. En algunas modalidades, el primer refrigerante es diferente del segundo refrigerante. En algunas modalidades, el sistema de bomba de calor comprende además una tercera etapa que tiene un tercer compresor, un tercer condensador, una tercera válvula de expansión! y un tercer evaporador y configurado para bombear calor del segundo condensador al tercer evaporador .

I También se describen en la presente modalidades de métodos para controlar un sistema de bomba de calor en cascada que comprende proveer una primera etapa de bomba de calor que tiene un primer compresor, un primer condensador y un primer evaporador; proveer una segunda etapa de bomba de calor que tiene un segundo compresor, un segundo condensador y un segundo evaporador, en donde el primer evaporador y el segundo condensador son colocados para bombear calor del primer condensador al segundo evaporador y en donde por lo menos uno ya sea del primero o segundo compresor es un compresor de velocidad variable y controlar la velocidad ya sea del primero o segundo compresor para maximizar un coeficiente de desempeño del sistema a una carga térmica predeterminada. En algunas modalidades, ya sea el primer compresor o el segundo compresor es un compresor de velocidad fija. En algunas modalidades, tanto el primer compresor como el segundo compresor son compresores de velocidad variable. En algunas modalidades, el control de la velocidad comprende recibir datos de por lo menos un sensor. En algunas modalidades, el sensor es un sensor de presión o temperátura. En algunas modalidades, la velocidad de ya sea por lo menos uno del primero o segundo compresor es controlada al controlar la energía a un accionador de frecuencia variable. En algunas modalidades, la velocidad ya sea del primero o segundo compresor es controlada al controlar la energía a un motor conmutado electrónicamente. En algunas modalidades, el método para controlar un sistema de bomba de calor en cascada comprende además controlar la velocidad de un ventilador configurado para soplar aire sobre el primer evaporador. En algunas modalidades, el método para controlar un sistema de bomba de calor en cascada comprende además controlar la velocidad de un ventilador configurado para soplar aire, sobre el segundo evaporador. En algunas modalidades, el método para controlar un sistema de bomba de calor en cascada comprende además proveer una válvula de expansión térmica pulsante entre el primer condensador y el primer evaporador. En algunas modalidades, el método para controlar un sistema de bomba de calor en cascada comprende además proveer una i válvula de expansión térmica pulsante entre el ségundo condensador y el segundo evaporador. j I BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS ¡ La figura 1 es una ilustración de un edificio con una bomba de calor de una sola velocidad de una sola etapa común.

La figura 2 es un diagrama esquemático de una modalidad, i de un sistema de bomba de calor de temperatura intermedia flotante en cascada de dos etapas (CFITHP) de velocidad variable . ¡ La figura 3 es un diagrama de flujo que ilustra una modalidad de un proceso de control que ajusta dinámicamente I la velocidad de los compresores y ventiladores/sopladores para obtener eficiencias del sistema global maximizada. j j DESCRIPCIÓN DETALLADA j Para incrementar la eficiencia de un sistema de bomba de I calor en cascada, los compresores y ventiladores o sopladores se pueden poner en operación a velocidades independientemente I variables. Como resultado, la temperatura intermedia j entre las etapas y asi la elevación de temperatura en cada ciclo, pueden ser ajustadas continuamente para dar como resultado eficiencia global maximizada.

El control de velocidad variable permite que un sistema de bomba de calor en cascada mantenga tanto una alta capacidad como un coeficiente de desempeño alto (COP) ya sea para aplicaciones de calentamiento o enfriamiento. Como se usa en la presente, capacidad se refiere a la proporción a la cual una bomba de calor es apta de liberar calor a o rechazar calor de un espacio objetivo. COP es una indicación de la eficiencia de energía de una bomba de calor. Para calentamiento, COP de un sistema de bomba de calor en cascada es definido como la proporción de la cantidad de calor bombeado (esto es, transferido) por el sistema al espacio objetivo a la cantidad de trabajo introducido al sistema: ^^^calentam iento en donde QH es la capacidad de calentamiento del sistema (calor transferido a través del condensador al espacio objetivo) y ?W± representa la suma del trabajo introducido al sistema. Para acondicionamiento/refrigeración de aire, COP es definido como la transferencia de calor obtenido por el sistema del espacio objetivo a la cantidad de trabajo introducida al sistema. ^ ^^enfriamiento en donde Qc es la capacidad de enfriamiento del sistema (calor transferido a través del operador desde el espacio objetivo) y ?Wi representa la suma de trabajo introducido al sistema.

La figura 1 ilustra una configuración común paira un sistema de bomba de calor que está configurado para calentar o enfriar un edifico residencial o comercial. El sistema de calor 110 incluye por lo menos un compresor 120, evaporador/condensador externo 130, válvula de expansión 140 y evaporador/condensador interno 150, todos los cuales , están en comunicación fluida vía la tubería 160 que transporta un I refrigerante (no mostrado) . El ventilador 170 y soplador 180 son mostrados para transferir el efecto de calentamiento o enfriamiento del evaporador/condensador 130, 150 ya sea al medio ambiente externo 105 o al espacio objetivo interno 195 del edificio 190. El sistema de bomba de calor ilustrado en la figura 1 es un sistema de vapor-compresión de una sola etapa de una sola velocidad.

Bomba de calor de temperatura intermedia flotante en cascada La figura 2 es un diagrama que ilustra una modalidad de un sistema de calor de temperatura intermedia flotante en cascada (CFITHP) de dos etapas de velocidad variable 200, configurado para proveer calor a un espacio objetivo 298. El sistema CFTITHP 200 incluye dos sistemas o etapas de vapor-compresión 220, 240, que son acoplados entre sí mediante un intercambiador de calor en cascada 230, en dond re el refrigerante en el evaporador 248 de la segunda etapa es evaporado utilizando el calor suministrado del condensador 224 que contiene el refrigerante que se condensa de la primera etapa 220.

Cada etapa 220, 240 utiliza un ciclo de vapor-compresión termodinámico en el cual un refrigerante viaja a través de un compresor, condensador, válvula de expansión y evaporador. La primera etapa 220 y segunda etapa 240 son identificados por los puntos 201, 204 y 205-208, respectivamente. De 201 a 202, el refrigerante de la primera etapa 220 es comprimido por el compresor 222 que eleva la presión del refrigerante de la primera etapa 220. De 202 a 203, el refrigerante de la primera etapa 220 es luego convertido de vapor a un líquido saturado o subenfriado por el condensador 224, liberando mediante esto calor KX a la porción de evaporador de la segunda etapa 240, 248 del intercambiador de calor en cascada 230. Entre 203 y 204, el refrigerante de la primera etapa 220 pasa a través de la válvula de expansión 226, que reduce la presión del refrigerante de la primera etapa 220, enfriando mediante esto el refrigerante de la primera etapa 220. De 204 a 201, el refrigerante de la primera etapa 220 viaja a través del evaporador 228, en donde el refrigerante de la primera etapa 220 toma calor Qc del medio ambiente 296, provocando que el refrigerante de la primera etapa 220 sea saturado o vapor ligeramente sobrecalentado.

De 205 a 206, el refrigerante de la segunda etapa 240 es comprimido por el compresor 242 elevando la presión del refrigerante de la segunda etapa 240. De 206 a 207, el refrigerante de la segunda etapa 240 es luego convertido de un vapor a un líquido saturado o subenfriado por el condensador 244, liberando mediante esto calor ¾ al espacio objetivo 298. Entre 207 y 208, el refrigerante de la segunda etapa 240 pasa a través de la válvula de expansión 246, que reduce la presión del refrigerante de la segunda etapa 240, enfriando mediante esto el refrigerante de la segunda i etapa 240. De 208 a 205, el refrigerante de la segunda etapa 240 viaja a través del evaporador 240, en donde el refrigerante de la segunda etapa 240 toma el calor Qx del condensador 22 de la primera etapa 220 vía el intercambiador de calor en cascada 230, provocando que el refrigerante de la segunda etapa 240 se convierta en vapor.

El intercambiador de calor en cascada 230 provee transferencia de calor eficiente entre el condensador 224 de la primera etapa 220 y el evaporador 248 de la segunda etapa 240. El intercambiador de calor en cascada puede ser cualquier tipo de intercambiador de calor, incluyendo pero no limitado a intercambiadores de calor de tubo en tubo, de coraza y tubo, tipo plata, de micro canal o mini canal e intercambiadores de calor en espiral .

Debido a las diferencias de las temperaturas de I operación entre las segundas y primeras etapas, la solución más eficiente es frecuentemente usar diferentes refrigerantes en cada etapa. Específicamente, el refrigerante en la segunda etapa 240 debe usualmente tener un punto de ebullición más alto que el refrigerante en la primera etapa 220. El uso del refrigerante de punto de ebullición más alto en la segunda etapa requiere menos presión, frecuentemente una proporción de compresión más baja y por consiguiente, menos trabajo del compresor de la segunda etapa. Por ejemplo, el sistema de CFITHP puede usar R-134a en la segunda etapa y R-410a en la primera etapa. El punto de ebullición de R-134a es 22 °C (40°F) más alto que el punto de ebullición de R-410a. sin embargo, en algunas modalidades, el sistema de CFITHP utiliza un refrigerante de punto de ebullición más alto en la primera etapa y un refrigerante de punto de ebullición más bajo en la segunda etapa. Por ejemplo, el sistema de CFITHP puede usar R-410a en la segunda etapa y R-134a en la primera etapa. Así mismo, en algunas modalidades, el sistema de CFITHP utiliza el mismo refrigerante en ambas etapas . Otros refrigerantes pueden ser usados, incluyendo pero no limitados a R-12,. R-22, R-290, R-404a, R-407C, R-417a, R-500, R-502, R-600a, R-717 y R-744.

Además, ventiladores o sopladores 262, 264 pueden ser utilizados para distribuir el efecto de calentamiento o enfriamiento de los condensadores 224/244 o evaporadores 228/248. Ambos de los términos "ventilador" y "soplador" son usados como sinónimos en la presente para incluir ampliamente cualquier dispositivo que provoca el flujo dentro de un gas usualmente aire.

Como se muestra en la figura 2, el sistema de CFITHP 200 está configurado para bombear calor del medio ambiente 296 a un espacio objetivo 298. En algunas modalidades, el flujo del refrigerante puede ser invertido, dando como resultado que los evaporadores 228/248 que actúan como condensadores ¡y los condensadores 224/244 que actúan como evaporadores. En tal operación de flujo inverso, el sistema de CFITHP 200 bombearía el calor de espacio objetivo 298 al medio ambiente 296, enfriando el espacio objetivo 298. La inversión del flujo del refrigerante y de aquí la inversión de la dirección de transferencia de calor puede ser obtenida utilizando válvulas de inversión conocidas en el arte . ¡ Como se muestra en la figura 2, un solo condensador 244 es usado para alimentar calor al espacio objetivo 298. Sin embargo, en algunas modalidades, múltiples condensadores pueden ser usados para alimentar calor al espacio objetivo 298, por ejemplo al alimentar calor a múltiples manipuladores de aire. Así mismo, en donde el sistema de CFITHP 200 está configurado para enfriar el espacio objetivo 298, múltiples evaporadores pueden ser usados, por ejemplo al alimentar enfriamiento a múltiples manipuladores de aire. ¡ i Mostrado además en la figura 2, está el control del sistema electrónico que provee eficiencia maximizada del sistema de CFITHP 200. Un módulo de control electrónico (ECOM) 230 es mostrado conectado a dos VFD 232, 274, que energizan los compresores 222, 224, respectivamente y dos VFD 276, 278 que proporcionan energía a los ventiladores/sopladores 262, 268, respectivamente. El| ECOM 270 es conectado además a los sensores 280, 282, 284, 286 que envían datos al ECOM que puede ser usado para controlar el sistema. Por ejemplo, sensor 280 puede estar configurado para enviar los siguientes datos al ECOM: presión de succión de la primera etapa; temperatura de fusión de la primera etapa o temperatura ambiente. Los sensores 282 y 284 pueden estar configurados para enviar datos de temperatura del condensador de la primera etapa y datos de temperatura del evaporador de segunda etapa, respectivamente. Similarmente, el sensor 286 puede estar configurado para enviar los siguientes datos, por ejemplo temperatura del espacio objetivo (por ejemplo, interna) , temperatura de condensación de segunda etapa o presión de condensación de segunda etapa. El ECOM 270 puede también ser conectado a un termostato 288. Otros datos que pueden ser enviados al ECOM por los sensores pueden incluir velocidad del compresor, velocidad del ventilador o soplador, velocidad del flujo volumétrico del refrigerante y características eléctricas (por ejemplo, amperaje, voltaje y/o ángulo de fases) de los componentes del sistema individuales tales como compresores. La información comunicada al ECOM, también como el tipo, el número y ubicación de los sensores y termostato puede variar dependiendo del arreglo del sistema. Por ejemplo, en una modalidad, el sistema de CFITHP 200 incluye un sensor configurado para enviar datos de presión de succión de la primera etapa y un sensor configurado para enviar datos de temperatura interna (espacio objetivo) . Además de los sensores, en algunas modalidades, el ECOM puede recibir además datos de un dispositivo de entrada del usuario 290 y una memoria electrónica 292. En algunas modalidades, el dispositivo de entrada del usuario incluye una interface de usuario. Como se discute además posteriormente en la presente, utilizando los datos recibidos, el ECOM 270j hace variar independiente y dinámicamente las velocidades de los compresores 222, 242 y ventiladores/sopladores 262, 264 para obtener eficiencia del sistema maximizada para una capacidad dad y medida por el COP. ¡ Aunque la modalidad ilustrada en la figura 2 tiene dos etapas, algunas modalidades incluyen sistemas de bomba de calor en cascada con tres o más etapas. Además, en algunas modalidades una configuración del sistema de bomba de calor en cascada conocida es alterada al reemplazar los compresores con compresores de velocidad variable y proveer además un módulo de control electrónico que está configurado; para i controlar las velocidades de los compresores de velocidad variable. Como tal, algunas modalidades no están limitadas a la organización del sistema en cascada ilustrado en la figura 2, sino que más bien están dirigidas a la mejora de sistemas en cascada conocidos-que pueden variar en composición del i sistema ilustrado en la figura 2-por la adición del control del compresor de velocidad variable como se describe ¡en la presente . i Asimismo, aunque la modalidad ilustrada en la figura 2 tiene dos compresores de velocidad variable, en algunas modalidades, solo una etapa usa un compresor de velocidad variable, mientras que la otra etapa usa un compresor de velocidad fija. Aquel que tiene habilidad ordinaria en el i arte apreciara que algunos de los beneficios de usar dos compresores de velocidad variable pueden ser realizados al usar un compresor de velocidad variable con un compresor de velocidad fija.

Control del compresor de velocidad variable En la modalidad ilustrada en la figura 21, los compresores 222, 224 son energizados por acciones de velocidad variable (VSD) , también conocidos como accionadores de frecuencia variable (VFD) . Estos VFD son descritos en la solicitud de patente estadounidense no. de serie 12/510139 y 12/510140 que son incorporadas expresamente en la présente por referencia en su totalidad. Los VFD hacen variar la velocidad de motores eléctricos mientras que mantienen el momento de torsión y eficiencia, al alterar la frecuencia y/o voltaje aplicados al motor. El uso de VFD para proporcionar energía a los motores 222, 242 provee numerosos beneficios de eficiencia cuando son usados en un sistema de bomba de calor en cascada. En primer lugar, el uso de VFD para energizár los compresores en un sistema de bomba de calor en cascada altera el sistema para ajustar-esto es "hacer flotar" -la temperatura intermedia en el intercambiador de calor en cascada para dar como resultado la COP del sistema global más alto. Para una temperatura de espacio objetivo dada y temperatura ambiente, la COP global del sistema varia con la elevación de temperatura en cada ciclo, que es dependiente de la i temperatura intermedia en el intercambiador de calor en cascada. En segundo lugar, el uso de VFD para energizár los compresores en un sistema de bomba de calor en cascada incrementa además la eficiencia del sistema al optimizar la superposición de temperatura entre el condensador 224 de la primera etapa 220 con el evaporador 249 de la segunda! etapa 240 dentro del intercambiador de calor en cascada 230. La velocidad variable de cada uno de los compresores 222, 242 permite que el sistema de CFITHP 200 ajuste independientemente la temperatura del condensador en la primera etapa 220 y la temperatura del evaporador de la segunda etapa 240 para optimizar la superposición. Esto permite la operación en el "punto dulce" termodinámico de eficiencia maximizada para cada una de las etapas de vapor-compresión 220-240 a una capacidad dada.

Para que el intercambiador de calor en cascada 230 proporcione una transferencia eficiente de calor entre el condensador 224 de la primera etapa 220 y el evaporador 248 de la segunda etapa 240, alguna diferencia de temperatura, ??, entre el condensador de la etapa inferior y el evaporador de la etapa superior es necesaria. Por alguna razón, alguna ?? entre el condensador de la primera etapa y la temperatura del espacio objetivo, también como entre el evaporador de la primera etapa y la temperatura ambiente es también necesaria. ?? es función de la energía térmica (flujo de calor) a ser movida a través de los intercambiadores de calor (esto es, condensadores o evaporadores) . A condiciones de carga parcial, el flujo de calor es más bajo, requiriendo mediante esto una ?? más baja. Al controlar independientemenpe la temperatura de los condensadores 224, 244 y evaporadores 228, 248, el sistema de CFITHP 200 puede controlar la ?? para cada intercambiador de calor a un valor ideal correspondiente a la eficiencia del sistema global máxima, en donde la superposición de temperatura es optimizada.

En tercer lugar el uso de VFD elimina la limitación en el sistema para ser sometido a ciclos de encendido o apagado. Por ejemplo, un sistema de bomba de calor con VFD puede poner en operación los compresores a una velocidad correspondiente a la carga de calentamiento o enfriamiento del medio ambiente que tiene su temperatura controlada. Por ejemplo, si el medio ambiente controlado requiere 5000 watts de calentamiento, el i compresor se puede poner en operación a una velocidad correspondiente para para proveer los 5000 watts de | calor necesarios. Esto permite una eficiencia de energía mejorada i en el sistema debido a que las inefíciencias de energía experimentadas con el arranque y parada repetidamente del compresor son evitadas y las superficies de transferencia de calor operaran con eficiencias más altas.

Asimismo, la zona neutral de temperatura alrededor del punto de ajuste en un medio ambiente controlado es reducida espectacularmente cuando se compara con los sistemas de; calor convencionales en los cuales el compresor esta ya sea encendido o apagado. En sistemas de bombas de calor convencionales, con el fin de impedir cambios de estados frecuentes entre apagado y encendido, el sistema de control trabaja con una característica de zona neutral o : banda muerta. En tales sistemas, las excursiones de temperatura corresponden a la zona neutral. Por ejemplo, en algunos sistemas, la zona neutral del sistema es de -15.5°C (4°F). Si la temperatura es ajustada a 22.2°C (72°F) , una vez que la j temperatura del medio ambiente es de 22.2°C (72 °F) el compresor es apagado. Sin embargo, debido a los -15.5°C (4°F) de zona neutral, el compresor no será encendido otra vez hasta que la temperatura del medio ambiente es de 20 °C (68°F) . En contraste, en un sistema de bomba de calor de VFD que controlan los compresores, el sistema de control electrónico de manera incrementada incrementa y disminuye la velocidad del compresor para proveer control preciso durante la temperatura en el medio ambiente. Como resultado, hay menos o ninguna zona neutral y así, una solución intermedia significativamente reducida entre la consistencia de temperatura y consumo de energía.

Como una alternativa a usar VFD para energizar los compresores, aquel de habilidad en el arte apreciara y entenderá que modalidades que utilizan cualesquier í otros medios para controlar de manera variable la velocidad de los compresores están dentro del alcance de la présente revelación. Por ejemplo, motores conmutados electrónicamente (ECM), bien conocidos en el arte pueden ser usados. Lós ECM son impulsados por circuito de control electrónicos que pueden proveer control de velocidad variable para el ECM. Por ejemplo, para proveer control de velocidad variable a un EMC, se pueden usar circuitos de control para reducir el voltaje suministrado al motor. Al mismo tiempo, un voltaje de control sustancialmente uniforme, , dependiente del voltaje variable suministrado al motor, puede ser aplicado para controlar un modulador de ancho de impulso, que produce impulsos de salida que también controlan el flujo de energía al motor.

Otras alternativas al uso de VFD para proveer control de velocidad variable para los compresores incluyen pero no están limitados a control directo. En el control directo, la velocidad de un motor de CD es controlada por el voltaje de armadura variable o corriente de campo.

Control de velocidad de ventilador/soplador En la modalidad ilustrada en la figura 2, el sistema de CFITHP 200 también utiliza uno o más ventiladores/sopladores 262, 264. En comparación con los compresores, los requerimientos de energía del ventilador y soplador son afectados aún más espectacularmente con la operación de velocidad variable en lugar de la operación de velocidad fija. Para un soplador o ventilador de una sola velocidad a 50% de carga, el consumo de energía es aproximadamente kl 50% en base al tiempo de operación. Sin embargo, a una operación de velocidad variable, en base a las leyes del ventilador gobernantes, solo el 12.5% de la energía es requerida cuando la velocidad de flujo de aire es del 50%. Con las tecnologías de motor modernas, virtualmente toda esta mejora de desempeño puede ser realizada.

El desempeño del condensador y el evaporador son también afectados fuertemente por la modulación de la carga térmica. La efectividad de cada uno de los intercambiadores de calor se incrementa con la carga térmica disminuida. Esto tiene el efecto de hacer elevar la temperatura del evaporador y hacer descender la temperatura del condensador, reduciendo mediante esto la carga sobre el compresor y así su consumo de energía. Como tal, como una alternativa o además de hacer variar las velocidades del compresor, el sistema de control electrónico puede hacer variar las velocidades del ventilador/soplador que también impactan la temperatura intermedia en el intercambiador de calor en cascada.

Como con los compresores, la operación del ventilador o i soplador de velocidad variable puede ser obtenida utilizando cualesquier medios que proveen velocidad de control variable incluyendo pero no limitados a VFD, ECM o control de I motor directo.

El número, arreglo, tipo y control de velocidad de ventiladores y/o sopladores puede variar dados los requerimientos y recepciones para un sistema dado;. Por i ejemplo, en algunas modalidades, el sistema de CFITHP puede usar solamente un ventilador externo de una sola velocidad (esto es, medio ambiente) y un soplador interno de velocidad variable (esto es, espacio objetivo) energizado por un ECM. En otras modalidades, no se usa ningún ventilador/soplador tipo velocidad variable. ¡ Sistema de control electrónico En una modalidad, el sistema de CFITHP 200 incorpora un módulo de control electrónico (ECOM) 270 para controlar la operación de velocidad variable de por lo menos uno de los compresores 222, 242 y ventiladores/sopladores 262, 264. El ECOM puede tomar la forma de un tablero de circuitos pero puede también comprender una computadora de uso universal o cualquier otro dispositivo apto de recibir entradas, analizar las entradas y emitir señales de control.

La figura 3 es un diagrama de flujo que ilustra un proceso de control incrementado mediante el cual el ECOM 230 hace variar dinámicamente la velocidad de uno o más de los compresores 222, 242 y ventiladores/sopladores 262, 264 para obtener eficiencia del sistema global maximizada, medida por el COP. En primer lugar, en la etapa 310, el ECOM introduce los datos a ser usados para el control del sistema. En algunas modalidades, estos datos incluyen pero rio , están limitados a la temperatura del espacio objetivo (por ejemplo, interna) , la temperatura ambiente, la temperatura en el condensador de la primera etapa, la temperatura en el evaporador de la segunda etapa, las características eléctricas (por ejemplo, amperaje, voltaje y/o ángulo de fases) de los componentes del sistema, las velocidades del compresor y las velocidades del ventilador/soplador. En una modalidad, los datos usados para optimizar la operación de la bomba de calor incluyen la presión de succión de la primera etapa y la temperatura interna (esto es, espacio objetivo) . Como una alternativa a la presión de succión de la primera etapa, se puede proveer la temperatura de la sección de la primera etapa o la temperatura externa (esto es, ambiente) . Además, como una alternativa a la temperatura interna, se puede proveer la temperatura de condensación de la segunda etapa o presión de condensación de la segunda etapa. Otros datos usados para el control del sistema fue disminuir por ejemplo las propiedades termo físicas de los refrigerantes usados y las curvas de eficiencia para los compresores y los ventiladores/sopladores. Algunos de estos datos pueden ser introducidos de uno o más sensores 280, 282, 284, 286 dentro del sistema, mientras que otros pueden ser introducidos de otras fuentes, incluyendo pero no limitados a, por ejemplo, de memoria electrónico 292, un termostato 288 o un dispositivo de entrada del usuario 290.

Enseguida, en la etapa 320 del proceso de control, el ECOM 270 determina la carga térmica del sistema. En una modalidad, la carga térmica es predeterminada puede ser provista por la entrada del usuario o de una memoria electrónica. En otra modalidad, el ECOM utiliza la capacidad del sistema alimentado actual como la carga térmica. En otras modalidades, el ECOM determina la carga térmica en base a la diferencia entre la temperatura interna y la temperatura deseada. En otra modalidad, llamadas de segunda etapa para el acondicionamiento de espacio del termostato 288 son Usadas para incrementar la capacidad hasta que la llamada de la segunda etapa es aliviada. Al determinar la carga térmica, el objetivo es proveer un flujo de calor que mantiene el eápacio objetivo 298 a la temperatura deseada. La temperatura deseada puede ser provista por ejemplo por un termostato 288, dispositivo de entrada de usuario 290, memoria electrónica 292 o cualquier otra fuente. En algunas modalidades, el ECOM monitorea la temperatura del espacio objetivo con respecto al tiempo con el fin de determinar la carga térmica. En una modalidad, la temperatura interna es introducida y luego un cambio de velocidad con el tiempo de la temperatura interna es calculado para determinar la temperatura versus tiempo con el fin ya sea de incrementar o disminuir la capacidad de la bomba de calor. La capacidad alimentada afecta directamente la velocidad a la cual la temperatura interna cambia. Por consiguiente, el ECOM puede ajustar la carga térmica para corresponder a una proporción de cambio objetivo de la temperatura interna. La proporción de cambio objetivo de la temperatura interna puede ser afectada por múltiples consideraciones, incluyendo pero no limitado a eficiencia de energía, confort, niveles de ruido, entrada del usuario, hora del día y/o entrada del sensor. En una modalidad, elj ECOM pronostica la demanda de carga futura del sistema, por ejemplo al usar extrapolación o regresión lineal dados una serie de datos de temperatura internas previas. Luego, el ECOM puede determinar la carga térmica para satisfacer la carga de demanda futura en lugar de la carga de demanda inmediata .

Enseguida, en la etapa 330 del proceso de control, el ECOM 270 determina las velocidades del compresor y/o velocidades del ventilador/soplador ideales que dan como resultado el COP de sistema máximo para una carga térmica. El ECOM utiliza un proceso de optimización para determinar la combinación más eficiente de elevaciones de temperatura de ciclo inferior y ciclo superior-y así las velocidades del compresor y ventilador/soplador ideales-para la carga térmica. El proceso de optimización toma en cuenta numerosos factores que afectan la eficiencia, incluyendo pero no limitados a: capacidad del compresor y curvas de eficiencia para varias temperaturas/presiones de succión curvas de eficiencia del ventilador/soplador para el rechazo/alimentación de calor al espacio objetivo y superposición de temperatura necesaria para el flujo de calor eficiente a través de cada intercambiador de calor. El proceso de optimización determina las elevaciones de temperatura del primer ciclo y segundo ciclo más eficientes y las correspondientes velocidades ideales del compresor y ventilador/soplador necesarias para obtener estas elevaciones de temperatura ideales. La persona de habilidad ordinaria en el arte entenderá como desarrollar tal procesó de optimización, que puede ser derivado, por ejemplo utilizando teoría, datos empíricos o una combinación de los dos.

Por ejemplo, en algunas modalidades, el proceso de optimización determina las velocidades ideales del compresor y ventilador/soplador al calcular el COP del sistema a la carga térmica para un intervalo de elevaciones de temperatura potenciales y luego seleccionar las elevaciones de temperatura correspondientes al COP del sistema global más alto. Luego, el proceso de optimización determina las velocidades ideales del compresor y velocidades de ventilador/soplador correspondientes a elevaciones de temperatura seleccionados. El ECOM puede calcular el COP del sistema a partir del trabajo requerido por los compresores y ventiladores/sopladores para obtener cada conjunto de elevaciones de temperatura potenciales. El trabajo requerido por los compresores y ventiladores/sopladores puede ser determinado por curvas de eficiencia del compresor y ventilador/soplado . El proceso de optimización también toma en cuenta la superposición de temperatura necesaria pa'ra el flujo de calor eficiente a través de cada intercambiador de calor. Aunque este ejemplo describe la determinación de velocidad de señales de los compresores; y ventiladores/sopladores, en algunas modalidades, solamente las velocidades de compresor ideales son determinados.

Enseguida, en la etapa 340 del proceso de control, el ECOM 270 ajusta las velocidades del compresor y velocidades del ventilador/soplador a sus velocidades ideales con el fin de alcanzar el COP del sistema máximo que cumple con la carga térmica. Para obtener esto, el ECOM envía datos (por ejemplo, una señal) a cada controlador 272, 274, 276 y 278 í para incrementar, reducir o mantener la velocidad como sea necesario para coincidir con la velocidad ideal determinada por el proceso de optimización. En algunas modalidades, el ECOM 270 verifica el COP del sistema ha sido maximizado al medir la capacidad del sistema alimentado real y el trabajo introducido y comparar estos con valores con aquellos determinados en el proceso de optimización. En otras modalidades, el ECOM verifica que la capacidad del sistema alimentado satisface la carga térmica. Si el ECOM determina que el COP no ha sido maximizado o que la carga térmica no ha sido satisfecha, puede hacer ajustes correctivos. Estos i ajustes correctivos pueden incluir por ejemplo incrementar o disminuir una o más velocidades del compresor ' y/o ventilador/soplador . El ECOM puede también ajustar los datos que usa para el proceso de optimización para reflejar condiciones medidas reales.

Después de la etapa 340, el ECOM 270 espera una cantidad de tiempo predeterminada antes de efectuar ciclos de regreso a la etapa 310. El tiempo predeterminado puede incluir, por ejemplo 0.01 segundos, 0.05 segundos, 0.1 segundos, 0.02 segundos, 0.5 segundos, 1 segundo, 2 segundos, 5 segundos, 10 segundos, 30 segundos, 1 minuto, 2 minutos, 10 minutos, 1 hora, 1 día o cualquier valor más bajo o entre los valores i previos. En otras modalidades, el proceso de control es repetido inmediatamente sin esperar una cantidad de tliempo predeterminada. En algunas modalidades, el proceso de cqíitrol es repetido en la presencia de un evento diferente del transcurso de un tiempo específico, incluyendo por ejemplo, entrada del usuario, hora del día, fecha o entrada del sensor.

En algunas modalidades, la etapa de determinar la carga térmica y la etapa de determinar las condiciones ideales del sistema son emprendidas al mismo tiempo. Por ejemplo, la carga térmica y velocidad correspondiente de cambio's en temperatura del espacio objetivo pueden ser determinadas como función del COP del sistema. Por ejemplo, si una carga térmica más alta es más eficiente para elevar la temperatura del espacio objetivo a la temperatura deseada, entonces la carga térmica seria ajustada al valor más alto para dar¡ como resultado eficiencia de energía incrementada. Algunas consideraciones, tales como la capacidad de sistema máximo, confort, proporciones de cambio de temperatura mínimos y ruido, por ejemplo pueden todavía proveer limitaciones para la determinación de la carga térmica en esta modalidad.

Esta metodología para obtener máxima eficiencia global del sistema puede ser llevada a cabo por un operador humano; sin embargo, el uso de ECOM 270 provee un ajuste del sistema más rápido, más exacto.

Control de flujo de refrigerante pulsado En una modalidad del sistema de CFITHP 200, las válvulas de expansión 226, 246 comprenden válvulas de expansión térmica pulsantes (PTXV) , como se describen en las patentes estadounidenses 5,675,982, 6,843,064 y 5,718,125, que son incorporadas expresamente por referencia en su totalidad.

A diferencia de las válvulas de expansión térmica convencionales (TXV) , las PTXV se pulsan para modular el flujo de refrigerante. El uso de PTXV da como resultado varios beneficios. Las TXV convencionales en general modulan el refrigerante sobrecalentado en un intervalo de ±7°F, mientras que las PTXV permiten la modulación precisa del sobrecalentamiento tan cercano como ±0.5°F. Como tal, las PTXV incrementan el COP de una bomba de calor al utilizar el área superficial del evaporador plenamente. Así mismo,^ una PTXV protege al compresor al eliminar la inundación potencial que puede ocurrir si el refrigerante no ha sido evaporado plenamente antes de entrar al compresor. La PTXV también tiene una respuesta mucho más rápida al flujo cambiante y condiciones de presión. El efecto de pulsación también incrementa la transferencia de calor en el evaporador y condensador puestas que las pulsaciones de líquido rompen las fronteras térmicas e hidrodinámicas en estos intercambiadores de calor, incrementando mediante esto su efectividad.

El uso de PTXV es también benéfico debido a que el i sistema de CFITHP utiliza velocidades del compresor I variables, lo que da como resultado flujos del refrigerante variables al condensador y al evaporador. Las TXV convencionales son frecuentemente demasiado lentas en su respuesta y pueden no ser aptas de manejar o tomar ventaja de los flujos de refrigerante variables y recorrido o inundación, reduciendo mediante esto la eficiencia' del evaporador y desempeño del sistema. Con el fin de obtener ventajas deseadas de tales flujos del refrigerante variables, de acuerdo con esta modalidad, se usan PTXV para producir un pleno intervalo de control de sobrecalentamiento del evaporador a todos los flujos del refrigerante sin escasez o inundación del evaporador. Tal control del refrigerante es especialmente importante a velocidades de flujo del refrigerante más bajas resultantes de las velocidades de compresión variables. Los dispositivos de expansión pero no limitado a .5:1, 2:1, 3:1, 4:1, 5:1, 6:1, 7:1,[ 8:1, 9:1 and 10:1. La proporción de rendimiento es definida como 5,718,125. Tales válvulas operan para controlar el flujo del refrigerante al evaporador en todos los intervalos de j flujo del refrigerante variables del compresor y condensador, j i i I Ejemplo de trabajo ' E emplo 1 : Simulación por computadora ¡ Con el fin de investigar los beneficios de eficiencia de energía de un sistema como se describe anteriormentjé, se i usaron los elementos de programación "Cycle_D versión 4" elaborados por el Instituto Nacional de y tecnología.

Tres casos fueron investigados: (1) una bomba de j calor de una sola etapa de una sola velocidad que usa R-4Í0á; (2) una bomba de calor en cascada de dos etapas de una sola velocidad con R-410a en la etapa inferior y R-134a en la etapa superior y (3) un CFITHP de dos etapas de velocidad variable con R-410a en la etapa inferior y R-134a en la ¡etapa superior. Los resultados son resumidos en la tabla a continuación.

Resultados de simulación por computadora ! Como se muestra, dada la misma temperatura del evaporador, temperatura del condensador y sustancialmeite la misma capacidad del calentamiento, el sistema de CFITHP proporciono el COPcaientamiento más alto en comparación tanto con el sistema de una sola etapa de una sola velocidad cómo el I sistema en cascada de dos etapas de una sola velocidad. El COPcaientamiento de 3.2 para el sistema de CFITHP fue 12.3% más alto que el sistema en cascada de dos etapas de una sola velocidad y 23% más alto que el sistema de una sola etapa de una sola velocidad. ¡

Claims (24)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de bomba de calor caracterizado porque comprende : | I una primera etapa que tiene un primer compresor, un primer condensador, una primera válvula de expansión y un primer evaporador; una segunda etapa que tiene un segundo compresor, un segundo condensador, una segunda válvula de expansión y un segundo evaporador, en donde el primer condensador y segundo evaporador son colocados para bombear calor del primer I condensador al segundo evaporador y en donde por lo menos uno del primer compresor y el segundo compresor es un compresor de velocidad variable y un módulo de control electrónico configurado para controlar la velocidad de por lo menos uno del primer compresor y el segundo compresor.

2. El sistema de bomba de calor de la reivindicación 1, caracterizado porque el primer compresor es un compresor de velocidad fija.

3. El sistema de bomba de calor de la reivindicación 1, caracterizado porque tanto el primer compresor como el segundo compresor son compresores de velocidad variable.

4. El sistema de bomba de calor de la reivindicación 1, í caracterizado porque por lo menos uno del primer compresor y el segundo compresor son energizados por accionadorés de frecuencia variable. !

5. El sistema de bomba de calor de la reivindicación 1, caracterizado porque por lo menos uno del primer compresor y el segundo compresor son energizados por motores conmutados eléctricamente.

6. El sistema de bomba de calor de la reivindicación 1, caracterizado porque la primera etapa comprende además una primera válvula de expansión y la segunda etapa comprende además una segunda válvula de expansión.

7. El sistema de bomba de calor de la reivindicación 6, caracterizado porque la primera válvula de expansión y la segunda válvula de expansión son válvulas de expansión térmica pulsantes.

8. El sistema de bomba de calor de la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además por lo ménós un ventilador o soplador de velocidad variable.

9. El sistema de bomba de calor de la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además una pluralidad de sensores de temperatura configurados para enviar datjps de temperatura al módulo de control electrónico.

10. El sistema de bomba de calor de la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además un sensor de presión configurado para enviar datos de presión de succión de la primera etapa al módulo de control electrónico.

11. El sistema de bomba de calor de la reivindicación 1, 37 caracterizado porque comprende además un primer refrigerante en la primera etapa y un segundo refrigerante en la segunda etapa .

12. El sistema de bomba de calor de la reivindicación 11, caracterizado porque el primer refrigerante es diferente del segundo refrigerante .

13. El sistema de bomba de calor de la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además una tercera etapa que tiene un tercer compresor, un tercer condensador, una tercera válvula de expansión y un tercer evaporador y configurado para bombear calor del segundo condensador al tercer evaporador .

14. Un método para controlar un sistema de bomba de calor en cascada, caracterizado porque comprende: proveer una primera etapa de bomba de calor que tiene un primer compresor, un primer condensador y un primer evaporador; proveer una segunda etapa de bomba de calor que tiene un segundo compresor, un segundo condensador y un segundo evaporador, en donde el primer evaporador y segundo condensador son colocados para bombear calor del primer condensador al segundo evaporador y en donde por lo menos uno del primer compresor y el segundo compresor : son compresores de velocidad variable y controlar la velocidad de por lo menos uno del primero y el segundo compresor para maximizar el coeficiente de desempeño del sistema a una carga térmica predeterminada.

15. El método de la reivindicación 14, caracterizado porque ya sea el primer compresor o el segundo compresor es un compresor de velocidad fija.

16. El método de la reivindicación 14, caracterizado porque ambos del primer compresor y el segundo compresor son compresores de velocidad variable.

17. El método de la reivindicación 14, caracterizado porque el control de la velocidad comprende recibir datos de por lo menos un sensor.

18. El método de la reivindicación 17, caracterizado porque el sensor es un sensor de presión o sensor de temperatura .

19. El método de la reivindicación 14, caracterizado porque la velocidad del por lo menos uno de un primer compresor y segundo compresor son controladas al controlar la energía a un accionador de frecuencia variable.

20. El método de la reivindicación 14, caracterizado porque la velocidad de por lo menos del primer compresor y segundo compresor es controlada al controlar la energía a un motor conmutado electrónicamente .

21. El método de la reivindicación 14, caracterizado porque comprende además controlar la velocidad de un ventilador configurado para soplar aire sobre el primer evaporador .

22. El método de la reivindicación 14, caracterizado porque comprende además controlar la velocidad de un ventilador configurado para soplar sobre el segundo evaporador.

23. El método de la reivindicación 14, caracterizado porque comprende además proveer una válvula de expansión térmica pulsante entre el primer condensador y el primer evaporador .

24. El método de la reivindicación 22, caracterizado porque comprende además proveer una válvula de expansión térmica pulsante entre el segundo condensador y el segundo evaporador .