MXPA00004446A - Intercambiador de calor para calentador de agua usando bomba de calor - Google Patents

Abstract

Un calentador de agua que comprende un tanque de agua y un sistema de bomba de calor. El intercambiador de calor incluye un colector de entrada conectado al compresor, un colector de salida conectado al evaporador y una pluralidad de tubos de intercambio de calor conectada en paralelo entre los colectores de entrada y de salida. Los tubos de intercambio de calor se embobinan helicoidalmente alrededor del tanque de agua y se aseguran a la pared del tanque en una relación conductora de calor con el tanque. El calor de condensación del líquido refrigerante circulando a través del sistema de bomba de calor se transfiere al agua contenida en el tanque. La provisión de dos o más tubos de intercambio de calor en paralelo proporciona un calentamiento más rápido y eficiente del agua en el tanque comparado con un solo intercambiador de calor embobinado.

Description

INTERCAMBIADO!? DE CALOR PARA CALENTADOR DE AGUA USANDO BOMBA DE CALOR La invención se refiere a mejoras en los calentadores de agua y más 5 particularmente a un arreglo de intercambio de calor mejorado para un tanque de agua. El uso de la energía solar para suministrar los sistemas de calentamiento de agua se vuelve cada vez más práctico por los desarrollos tecnológicos. En la Patente Australiana No. 509901 se describe un sistema de bomba de calor activado por energía solar que convierte la energía solar particularmente eficiente y transfiere tal energía mediante el uso de una bomba refrigerante de calor. En la Patente Europea No. 0 336 751 se describe un calentador de agua que comprende un tanque de agua que tiene una entrada de agua fría adyacente a un extremo y una salida de agua caliente adyacente a otro extremo, un tubo de intercambio de calor adaptado para portar un fluido refrigerante y embobinado alrededor del tanque de agua mediante un enlace conductor de calor, un evaporador para la absorción de la energía calorífica a partir de condiciones ambientales y un compresor para circular el fluido refrigerante a través del tubo de intercambio de calor y al evaporador. El tubo de intercambio de calor se asegura externamente a la pared del tanque de agua mediante un material de enlace conductor de calor y el tubo está bajo tensión aplicada cuando se asegura al tanque para reducir la probabilidad de ruptura del material de enlace conductor de calor durante la expansión o contracción del tubo y durante el uso del tanque. ^¡ tf^^^^^^^^^^^^_______|___i_________________________________________M__áÍ_Í El arreglo de intercambio de calor de la Patente Europea No. 0 336 751 opera de manera bastante efectiva para calentar el agua en el tanque de agua. Por ejemplo, es posible calentar el agua en un tanque de 340 litros a aproximadamente 60 °C en aproximadamente 4 horas. Sin embargo, se desea proporcionar un arreglo de intercambio de calor mejorado que puede calentar el agua en un tanque de agua más eficientemente que el arreglo de la Patente Europea No. 0 336 751. De conformidad con un aspecto de la invención, se proporciona un tanque de agua que tiene una pared de tanque formada a partir del material que tiene propiedades de transferencia de calor y un sistema de bomba de calor que incluye un intercambiador de calor para transferir el calor al tanque de agua, un evaporador y un compresor para circular el fluido refrigerante al evaporador vía el intercambiador de calor, en donde el intercambiador de calor incluye un colector de entrada conectado al compresor, un colector de salida y una pluralidad de tubos de intercambio de calor conectados en paralelo entre los colectores interno y externo, dicha pluralidad de tubos de intercambio de calor estando envuelta alrededor del tanque de agua y asegurada a la pared del tanque en una relación conductora de calor con la pared del tanque para transferir el calor a partir de la condensación del líquido refrigerante dentro de los tubos a través de la pared del tanque al agua contenida en el tanque. Preferiblemente, los tubos de intercambio de calor están asegurados a la pared del tanque mediante un material de enlace conductor de calor y están bajo tensión aplicada cuando se aseguran a la pared del tanque. Esto reduce la __, -. . • .• ... -ái&^A, . ,. A¿ ..^:..! *»*Mk¡&*jih posibilidad de ruptura del material de enlace conductor de calor durante la expansión y la contracción del tubo y durante el uso del tanque. Se proporcionan preferiblemente un par de tubos de intercambio de calor los cuáles están embobinados helicoidalmente alrededor del tanque de agua. Los tubos preferiblemente se extienden desde de una posición adyacente a un extremo inferior del tanque a una posición no excediendo de aproximadamente 80 % de la altura del tanque. Los extremos superiores de los tubos de intercambio de calor están convenientemente conectados al colector de entrada y los extremos inferiores de los tubos de intercambio de calor están conectados al colector de salida, preferiblemente mediante uno o más tubos ascendentes. Preferiblemente, el tanque de agua y los tubos de intercambio de calor se fabrican de acero. Esto ayuda a reducir la posibilidad de que se pierda el contacto de transferencia de calor debido a los diferentes coeficientes de expansión del tanque y del tubo. Una modalidad preferida de la presente invención se describe posteriormente a manera de ejemplo solamente, con referencia a los dibujos que le acompañan en los cuales: La Figura 1 es un diagrama esquemático de un sistema de bomba de calor activado por energía solar para calentar el agua; La Figura 1A es una elevación seccional fragmentaria aumentada de una porción de un tanque de agua del sistema mostrando la adición de un tubo de intercambio de calor del mismo y ^^j¡^ La Figura 2 es un diagrama esquemático de un sistema de bomba de calor incorporando un tanque de agua con un intercambiador de calor mejorado de conformidad con la invención. Con referencia a la Figura 1 , se muestra un sistema de bomba de calor activado por energía solar como se describe en la Patente Europea No. EP 0 336 751 , el contenido de la cuál se incorpora en el presente documento como referencia. El sistema de bomba de calor comprende un tanque de agua 1 , un tubo de intercambio de calor 8 portando un refrigerante envuelto alrededor del tanque de agua 1 , un compresor 12, un receptor/fltro/secador 13 y una serie de placas evaporadoras de energía solar 15. Cada placa evaporadora 15 contiene un número de canales refrigerantes 16 arreglados en una configuración de serpentín. El tanque de agua 1 y el tubo de intercambio de calor 8 se encierran en un alojamiento 10 que contiene una espuma aislante 11 y el compresor 12 y el receptor/fltro/secador 13 se montan en la parte superior de un chasis de refrigeración 14 ubicado en la parte superior del alojamiento 10 del tanque. El sistema tiene un sistema de control de termostato incluyendo un termostato T. El sistema también tiene una válvula de expansión Tx en una línea líquida entre el receptor/flitro/secador 13 y las placas evaporadoras 15. El tanque de agua 1 tiene una pared cilindrica 2, una pared inferior 3, una pared superior convexa 4, una entrada de agua fría 5 adyacente a la pared inferior 3, incorporando un difusor o desviador 6 y una salida de agua caliente 7 adyacente a la pared superior 1. Si bien la pared inferior 3 se muestra cóncava, puede ser conexa si se desea. El tubo de intercambio de calor 8 lleva un refrigerante B, tal como el refrigerante R12 se enrolla alrededor de la superficie externa de la pared del tanque 2. El tubo 8 es preferiblemente plano como se muestra en la Figura 1A, de manera que está conformado en una sección transversal D y la porción aplanada está enlazada conductivamente a la superficie de la pared 2 por medio de una película delgada de estaño 9 o de material similar entre la superficie exterior de la pared 2 del tanque 1 y la cara plana del tubo 8. Para asegurar el mejor contacto posible durante la soldadura y durante la expansión y la contracción del tubo y de la pared del tanque 2 en uso, el tubo 8 se embobina alrededor del tanque 1 bajo una tensión aplicada del orden de 1 ,286 N y se asegura al tanque 1 mientras está bajo tensión. Esto puede lograrse de la manera descrita en la Patente Europea No. EP 0336 751. Será evidente que mediante la adhesión del tubo 8 que lleva el refrigerante a la superficie externa del tanque 1 , un efecto de doble pared se logra automáticamente y se satisface la protección requerida por las autoridades relevantes del agua, que estipulan un tubo de doble pared donde un tubo que lleva el refrigerante esta asociado con el agua. Tanto el tubo 8 y el tanque 1 están preferiblemente fabricados de un material similar o al menos de materiales que tienen coeficientes similares de expansión térmica. En el presente caso, el tubo 8 y el tanque 1 están fabricados de acero o acero inoxidable. Por ejemplo, el tubo puede ser de tubería de acero Bundyweld mientras que el tanque 1 puede fabricarse de acero dulce. Como se mencionó anteriormente, el enlace térmico entre el tubo 8 y el tanque 1 se mantiene mediante el embobinado del tubo 8 alrededor del tanque 1 bajo tensión. Cuando se usan materiales que tienen coeficientes ligeramente diferentes de expansión térmica, pueden compensarse los diferentes rangos de expansión y de contracción de los materiales mediante el incremento de la tensión del embobinado del tubo 8. En cualquier evento, el embobinado del tubo bajo tensión asegura que el enlace térmico se mantiene no importando el doblez de los materiales causado por la expansión y la contracción en uso. 5 En uso, el compresor 12 suministra un gas refrigerante bajo presión al tubo de intercambio de calor 8 y como el refrigerante B se condesa en el tubo 8, el calor se transfiere a través de la pared del tanque 2 al agua contenida en el tanque 1. El refrigerante condensado posteriormente pasa a través del receptor/filtro/secador 13 y la válvula de expansión Tx a las placas evaporadoras 15 que se montan preferiblemente en un posición expuesta al sol de manera que el refrigerante en los canales 16 de las placas 15 puedan absorber el calor de las condiciones ambientales antes de que el refrigerante regrese vía de la línea de administración 12G al compresor 12. Si bien las placas evaporadoras se muestran en la modalidad anterior estando montadas en una posición expuesta al sol, las placas pueden montarse en la parte exterior del alojamiento 10, en una cubierta alrededor de la configuración en las áreas donde la temperatura ambiente es alta o en donde sea posible montar el tanque en un techo o en otra posición que este al menos parcialmente expuesta al sol. En tal situación, la bomba de calor opera al menos parcialmente como una bomba de calor de fuente de aire. Con referencia a la Figura 2, se muestra un sistema de bomba de calor 20 para un tanque de agua 21 similar a aquella de la Figura 1 , pero incorporando un arreglo de intercambio de calor mejorado. El sistema de bomba de calor 20 incluye un compresor 22, un receptor/filtro/secador 23, una válvula de expansión Tx 24, un -»--» • • - • > „>i^<A^. -.^. __ ..,__. . , ... -^ ffi evaporador 25 y un intercambiador de calor 26 conectado entre el compresor 22 y el receptor/filtro/secador 23. El evaporador 25 preferiblemente comprende al menos un panel colector solar 15 como se describió con referencia a la Figura 1. El número de paneles solares 15 puede variar dependiendo del tamaño del 5 compresor y de la región climática para los cuáles el sistema de bomba de calor se diseño. El ¡ntercambiador de calor 26 comprende un colector de entrada 27 conectado al compresor 22, un colector de salida 28 conectado al receptor/filtro/secador 23 y un par de tubos de intercambio de calor 29 y 30 10 embobinados alrededor del tanque de agua 21 y conectados en paralelo entre los colectores interior y exterior 27 y 28. El tanque de agua 21 es similar al tanque de la Figura 1 en la que tiene una pared cilindrica 32, una pared inferior 33, una pared superior convexa 34, una entrada de agua fría adyacente 35 a la pared inferior 33 incorporando un difusor o 15 desviador 36 y una salida de agua caliente 37 adyacente a la pared superior 34. Los tubos de intercambio de calor 29 y 30 son preferiblemente planos de manera que están conformados en una sección transversal D similar a la del tubo 8 de la Figura 1A. Las porciones aplanadas de los tubos de intercambio de calor 29 y 30 se aseguran a la superficie externa de la pared cilindrica 32 del tanque de agua 21 20 mediante un material de enlace conductor de calor, tal como una película delgada de estaño. Para asegurar el mejor contacto posible durante la soldadura y durante la expansión y la contracción del tubo y de la pared del tanque 2 en uso, el tubo 8 se embobina alrededor del tanque 1 bajo una tensión aplicada, preferiblemente del • «fe-**^ .- _t ^_,,.r - - m^ ,r ¡B-_-_-ia_ _ ^M * - ___._ , . L___¿ __ __ ,____^_JA-_ . - i___,________¡___ orden de 1 ,286 N y se asegura al tanque 1 mientras está bajo tensión. Esto pude lograrse de la manera descrita en la Patente Europea No. EP 0336 751. En una modalidad preferida, los tubos de intercambio de calor 29 y 30 están formados de tubería de acero Bundyweld que tiene un diámetro interno de 5 aproximadamente 12 mm y los tubos 29 y 30 están embobinados helicoidalmente alrededor del tanque 21 a partir de una posición adyacente del inferior del tanque a una posición no excediendo de aproximadamente 80 % de la altura del tanque. El tanque 21 está fabricado preferiblemente de un material que tiene un coeficiente similar de expansión térmica como los tubos 29 y 30, tal como el acero dulce. Cuando se usan materiales que tienen coeficientes ligeramente diferentes de expansión térmica, pueden compensarse los diferentes rangos de expansión y contracción de los materiales mediante el incremento de la tensión de embobinado del tubo 8. En cualquier evento, el embobinado del tubo bajo tensión asegura que el enlace térmico se mantenga sin importar el doblez de los materiales causado mediante la expansión y la contracción en uso. Los extremos superiores de los tubos de intercambio de calor 29 y 30 se conectan directamente al colector de entrada 27, mientras que los extremos inferiores de los tubos de intercambio de calor 29 y 30 se conectan al colector de salida 28 mediante los tubos ascendentes respectivos 39 y 40. Los tubos ascendentes 39 y 40 pueden formarse convenientemente a partir de un tubo de cobre de un diámetro de 9.5 mm. Los colectores interno y externo 27 y 28 también se forman preferiblemente de cobre, el colector de entrada 27 que tiene una sección de tubo superior 41 conectada al compresor 22 de aproximadamente un ^ ^ gMg^^^^^^^^^^^^^^_?_____^___^________ ^_?^__1______¿^____1______^___- diámetro de 12.5 mm y el colector de salida 28 que tiene una sección de tubo superior 42 conectada al receptor/filtro/secador 23 de un diámetro de aproximadamente 9.5 mm. Sin embargo será evidente que los tamaños de los tubos de intercambio de calor 29 y 30, los tubos ascendentes 39, 40 y las secciones de tubo superior 41 , 42 de los colectores 27, 28 y los materiales de los cuáles están fabricados pueden variar a partir de aplicaciones diferentes. En una modalidad particularmente preferida, para un tanque de agua de 340 litros, la longitud total de cada uno de los tubos de intercambio de calor 29, 30 es de aproximadamente 32 metros y cada uno de los tubos 29, 30 está embobinado helicoidalmente alrededor del tanque de agua 21 por aproximadamente 18 vueltas con el paso de cada embobinado siendo de aproximadamente 54 mm. Se ha encontrado que un arreglo intercambiador de calor con al menos dos tubos de intercambio de calor conectados en paralelo entre los colectores interior y exterior suministra un calentamiento más rápido y eficiente del agua en un tanque de agua como se comparó con el arreglo de un solo tubo de la Figura 1. Dos tubos de intercambio de calor paralelos posicionados muy cerca uno del otro incrementan efectivamente la temperatura de la superficie del tanque y mantienen una temperatura igualmente constante a través de los tubos más cercanos. Esto se hace para transferir el calor incrementado entre el tanque y el agua. Por ejemplo, para un tanque de agua de 340 litros, el arreglo de la Figura 2 con un par de tubos 29, 30 como se describió anteriormente puede calentar el agua a partir de la temperatura ambiente a aproximadamente 60°C en aproximadamente 2 horas comparado con aproximadamente 4 horas para un arreglo de un solo tubo tal como el de la Figura 1. Hay un límite para el tamaño del compresor que puede instalarse con el arreglo de transferencia de calor de la Figura 1 , y por lo tanto un límite para el 5 rango de recuperación lograble. Un diseño para una capacidad de recuperación más alta se requiere con frecuencia para aplicaciones domésticas o comerciales mayores. Para el refrigerante R22, el límite usando el arreglo previo de la Figura 1 es de aproximadamente 1300W del tamaño nominal del compresor para un solo tubo de 12 mm embobinado alrededor del tanque. El tener varias bobinas 10 alrededor del tanque permite un rango mayor de flujo de gas que permite instalar un compresor más grande para lograr un alto rango de recuperación requerido para las instalaciones comerciales o domésticas mayores. Será evidente que varias modificaciones y/o alteraciones pueden hacerse a la modalidad de la invención descrita anteriormente sin apartarse del alcance y el 15 espíritu de la presente invención. Por ejemplo, se prevé que más de dos tubos de intercambio de calor podrían conectarse en paralelo entre los colectores interior y exterior y embobinados alrededor del tanque de agua. _¿^^^ ?¿|t

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un calentador de agua que comprende: un tanque de agua que tiene una pared de tanque formada de un material que tiene propiedades de transferencia de calor y un sistema de bomba de calor que incluye un intercambiador de calor para la transferencia del calor al tanque de agua, un evaporador y un compresor para circular el fluido refrigerante al evaporador vía el intercambiador de calor, en donde el intercambiador de calor incluye un colector de entrada conectado al compresor, un colector de salida y una pluralidad de tubos de intercambio de calor conectados en paralelo entre los colectores de entrada y de salida, dicha pluralidad de tubos de intercambio de calor estando embobinados alrededor del tanque de agua y asegurados a la pared del tanque en la relación conductora de calor con la pared del tanque para transferir el calor a partir de la condensación del líquido refrigerante dentro de los tubos a través de la pared del tanque al agua contenida en el tanque.

2. Un calentador de agua de conformidad con la reivindicación 1 , en donde los tubos de intercambio de calor se aseguran a la pared del tanque mediante un material de enlace conductor de calor y están bajo tensión aplicada cuando se aseguran a la pared del tanque.

3. Un calentador de agua de conformidad con la reivindicación 2, en donde dicha pluralidad de tubos de intercambio de calor tiene una porción de pared aplanada asegurada a la pared del tanque mediante dicho material de enlace conductor de calor.

4. Un calentador de agua de conformidad con la reivindicación 3, en donde los 5 tubos de intercambio de calor están sustancialmente conformados en una sección transversal D.

5. Un calentador de agua de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde los tubos de intercambio de calor están 10 embobinados helicoidalmente alrededor del tanque de agua.

6. Un calentador de agua de conformidad con la reivindicación 5, en donde los tubos de intercambio de calor se extienden desde una posición adyacente a un extremo inferior del tanque a una posición no excediendo de aproximadamente el 15 80 % de la longitud del tanque.

7. Un calentador de agua de conformidad con la reivindicación 5 o la reivindicación 6, en donde un par de tubos de intercambio de calor están embobinados helicoidalmente alrededor del tanque de agua. 20

8. Un calentador de agua de conformidad con la reivindicación 7, en donde el paso de embobinado para cada uno de los tubos de intercambio de calor es de aproximadamente 55 mm.

9. Un calentador de agua de conformidad con la reivindicación 8, en donde el diámetro de los tubos de intercambio de calor es de aproximadamente 12 mm.

10. Un calentador de agua de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones de la 5 a la 9, en donde los extremos superiores de los tubos de intercambio de calor se conectan al colector de entrada y los extremos inferiores de los tubos de intercambio de calor se conectan al colector de salida mediante uno o más tubos ascendentes.

11. Un calentador de agua de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el tanque de agua y los tubos de intercambio de calor se fabrican de materiales que tienen los mismos o similares coeficientes de expansión térmica.

12. Un calentador de agua de conformidad con la reivindicación 10, en donde el tanque de agua y los tubos intercambiadores de calor se fabrican de acero.

13. Un calentador de agua de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde una válvula de expansión se conecta entre el colector de entrada y el evaporador.

14. Un calentador de agua de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el sistema de bomba de calor incluye un receptor/filtro/secador. «a? . _ , _.. . _ ?toeßm msßaß aB*tSua2k>.. , . . .««_<_<__ _- , . , .. __. .«>_______«_.

15. Un calentador de agua de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el evaporador comprende al menos un panel colector solar que tiene canales a través de los cuales el fluido refrigerante se circula en una relación conductora de calor con el panel. -fe