MXPA03001817A - Metodo y arreglo para descongelar un sistema de compresion de vapor. - Google Patents

Metodo y arreglo para descongelar un sistema de compresion de vapor.

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Abstract

La presente invencion se refiere a un metodo para descongelar un intercambiador de calor (evaporador) en un sistema de compresion de vapor que incluye, mas alla de un intercambiador de calor (evaporador) (3) que va a ser descongelado, al menos un compresor (1), un segundo intercambiador de calor (condensador/rechazador de calor) (2) y un dispositivo de expansion (6) conectado por conductos de una manera operativa para formar un circuito cerrado integral. El intercambiador de calor (3) que va a ser descongelado es sometido esencialmente a la misma presion que la presion de descarga del compresor (1) por lo cual el intercambiador de calor (3) es descongelado cuando el gas de descarga a alta presion desde el compresor (1) fluye hasta el intercambiador de calor, emitiendo calor al intercambiador de calor (3). Un arreglo esta caracterizado porque, en el circuito, en conexion con el dispositivo de expansion (6) se proporciona un primer circuito de derivacion (23) con una primera valvula (16'), y porque un dispositivo reductor de la presion (6') es provisto en un segundo circuito de derivacion en conjuncion con una segunda valvula (16' ' ') colocada despues del intercambiador de calor (3) que esta siendo descongelado, por lo cual la primera valvula (16') esta abierta y la segunda valvula (16' ' ') esta cerrada cuando la descongelacion se lleva a cabo.

Description

METODO Y ARREGLO PARA DESCONGELAR UN SISTEMA DE COMPRESION DE VAPOR Campo da la Invención La presente invención se refiere a un método y arreglo para descongelar el intercambiador de calor (evaporador) en un sistema de refrigeración o de bomba de calor que incluye, más alié del primer intercambiador de calor (evaporador) , al menos un compresor, un segundo intercambiador de calor (rechazador de calor) y un dispositivo de expansión conectado por conductos de una manera operativa para formar un circuito cerrado integral.
Descripción del arte previo En algunas aplicaciones tales como una bomba de calor con una fuente de aire o enfriador de aire en un sistema de ref igeración, se formará escarcha sobre el intercambiador de calor absorbente del calor (que funciona como evaporador) cuando la temperatura circundante esté cerca o abajo del punto de congelación del agua. La capacidad de transferencia de calor del intercambiador de calor y el funcionamiento del sistema resultante será reducido debido a la acumulación de escarcha. Por lo tanto se requiere un medio de descongelación. Los métodos de descongelación más comunes Ref.145578 son la descongelación eléctrica y la descongelación con un gas caliente. El primer método (descongelación eléctrica) es simple pero ineficiente mientras que el método de descongelación con un gas caliente es más adecuado cuando el sistema tiene dos o más evaporadores. En ambos casos, para un sistema de bomba de calor, un sistema de calentamiento auxiliar tiene que ser activado para satisfacer la demanda de calentamiento durante el ciclo de descongelación. A este respecto la patente US No. 5,845,502 describe un ciclo de descongelación en donde la presión y la temperatura en el intercambiador de calor exterior son elevadas por un medio de calentamiento para el refrigerante en un acumulador sin invertir la bomba de calor. Aunque este sistema mejora el confort térmico interior manteniendo la bomba de calor en el modo de calentamiento, el proceso de descongelación no requiere todavía que el medio de calentamiento deba ser lo suficientemente grande para elevar la presión de succión y la temperatura de saturación correspondiente arriba del punto de congelación del agua (escarcha) . Debido a lo anterior se podría limitar, por razones prácticas el tipo de medio de calentamiento (fuentes de energía) que puede ser utilizado con este método de descongelación (sistema de radiador) . De acuerdo con dicha patente, el ciclo de descongelación se entiende que trabaja solamente con una bomba de calor reversible. Todavía otra desventaja de este sistema conocido es que la temperatura del refrigerante en el acumulador necesita ser más elevada que 0 grados centígrados y esto puede limitar la diferencia de temperatura efectiva disponible para la transferencia de calor al acumulador. Finalmente, otra desventaja de este sistema es que la temperatura del refrigerante en el intercambiador de calor que va a ser descongelado será relativamente baja, y el tiempo de descongelación tendrá que ser prolongado para fundir la escarcha.
Breve Descripción de la invención La presente invención resuelve las desventajas de los sistemas mencionados anteriormente proporcionando un método y arreglo nuevo, mejorado, simple y efectivo para descongelar el evaporador de un sistema de refrigeración o de bomba de calor. El método está caracterizado porque el intercambiador de calor que va a ser descongelado es sometido esencialmente a la misma presión que la presión de descarga del compresor por lo cual el intercambiador de calor es descongelado cuando el gas de descarga a alta presión desde el compresor fluye a través del intercambiador de calor emitiendo el calor hacia el intercambiador de calor como se define en la reivindicación independiente 1 anexa.
El arreglo esté caracterizado adicionalmente porgue, en el circuito, conectado con el dispositivo de expansión, se proporciona un primer circuito de derivación con una primera válvula, y porque un dispositivo reductor de la presión es provisto en un segundo circuito de derivación en conjunción con una segunda válvula colocada después del intercambiador de calor 3 que es descongelado, por lo cual la primera válvula es abierta y la segunda válvula es cerrada cuando la descongelación se lleva a cabo como se definió en la reivindicación independiente 11 anexa. Las reivindicaciones dependientes 2 - 11 y 13 - 19 definen modalidades ventajosas de la invención.
Breve descripción de los dibujos La invención es descrita con mayor detalle por la referencia a las siguientes Figuras. La Figura 1 y la Figura 2 muestran representaciones esquemáticas del principio de operación del ciclo de descongelación de acuerdo con la presente invención. Las Figuras 3 y 4 muestran representaciones esquemáticas de las modalidades de la invención mostradas en las Figuras 1 y 2. La Figura 5 muestra el diagrama de T-S para el proceso utilizando el método de descongelación de acuerdo con la Figura 1.
La Figura 6 muestra la comparación del proceso de calentamiento para C02 y 12 en el diagrama de temperatura/entropia (?-?) en donde el proceso de descongelación para R12 corresponde al proceso de acuerdo con la patente US No. 5845502. La Figura 7, la Figura 8, la Figura 9 y la Figura 10 muestran representaciones esquemáticas del ciclo de descongelación de acuerdo con la presente invención aplicadas a modalidades diferentes adicionales. La Figura 11 muestra los resultados experimentales del ciclo de descongelación en funcionamiento el cual corresponde a la reivindicación 4 de la presente invención.
Descripción detallada de la invención La invención se refiere en general a sistemas de refrigeración y de bomba de calor, más específicamente pero no de manera limitada/ a la operación bajo procesos transcriticos, para descongelar un intercaiabiador con escarcha y en particular un evaporador, con cualquier fluido como refrigerante, y en particular dióxido de carbono. La invención puede ser utilizada con cualquier sistema de refrigeración o de bomba de calor que tiene preferentemente un receptor/ acumulador de presión. Si es necesario, la invención también puede eliminar la corriente interior fría durante el ciclo de descongelación que está asociada con métodos de descongelación convencionales en sistemas de bomba de calor. Esto es logrado por medio de una fuente de calor externa tal como una resistencia eléctrica o el calor sobrante o de desecho (por ejemplo del sistema de enfriamiento del radiador del automóvil) o cualquier medio apropiado que pueda ser incorporado en el receptor/ acumulador o la tubería de conexión a lo largo de la ruta del refrigerante en el circuito. El calor también puede ser suministrado desde una unidad de almacenamiento. La invención puede ser utilizada con el sistema de ref igeración y de bomba de calor tanto sub-critica como transcritica con un receptor/acumulador. La presente invención también puede ser implementada con sistemas de ref igeración y de bomba de calor que tienen solamente un evaporador. El método de operación del ciclo de descongelación de acuerdo con esta invención que se da a continuación, se describe con referencia a las Figuras 1 y 2 las cuales podrían ser ya sea un sistema de bomba de calor o un sistema de ref igeración (enfriamiento) . El sistema incluye un compresor 1, un intercambiador de calor que va a ser descongelado 3, un intercambiador de calor 9, dos dispositivos de expansión, el primero 6 y el segundo 6' , un segundo intercambiador de calor 2 (rechazador de calor) , las válvulas 16' y 16''', un receptor/acumulador 7 y un dispositivo de calentamiento 10. El segundo dispositivo de expansión 6' es provisto en un circuito de conducto de derivación con relación a la válvula 16''' colocada después del intercambiador de calor (evaporador) 3. La adición de calor por un dispositivo de calentamiento y la provisión del segundo dispositivo de expansión 6' derivando la válvula 16' ' ' y la válvula 16' derivando el primer dispositivo de expansión 6, representa la característica novedosa principal de la invención y hace posible someter el intercambiador de calor 3 a descongelación manteniendo esencialmente la misma presión en el intercambiador de calor que la presión de descarga del compresor (1), por lo cual el intercambiador de calor 3 es descongelado cuando el gas de descarga a alta presión desde el compresor 1 fluye a través del intercambiador de calor emitiendo el calor a dicho intercambiador de calor 3. El dispositivo de calentamiento 10 agrega calor el refrigerante preferentemente por medio de un receptor/ acumulador 7 pero el calor también puede ser agregado de manera alternativa o adicional al refrigerante en cualquier otra parte en el sistema a lo largo de la ruta del refrigerante durante el ciclo de descongelación.
La operación normal (Figura 1) : Bajo la operación normal, el segundo dispositivo de expansión 6' el cual es provisto en un circuito de derivación con relación a la válvula 16''' y la válvula 16'' la cual es provista en un circuito de derivación con relación al primer dispositivo de expansión 6, está cerrado mientras que la válvula 16''' está abierta, también se entiende que el segundo dispositivo de expansión 6' puede ser un tubo capilar o dispositivo semejante el cual hablando técnicamente no estará "cerrado" sino que estará prácticamente sin flujo de refrigerante durante la operación no mal. El refrigerante en circulación se evapora en el intercambiador de calor exterior 3. El refrigerante se introduce en el receptor/acumulador 7 antes de pasar a través del intercambiador de calor interno 9 en donde es sobrecalentado. El vapor refrigerante sobrecalentado es extraído por el compresor 1. La presión y la temperatura del vapor es incrementada entonces por el compresor 1 antes que el mismo se introduzca al segundo intercambiador de calor (rechazador de calor) 2. Dependiendo de la presión, el vapor refrigerante es ya sea condensado (a presión sub-crítica) o enfriado (a presión supercrítica) por el rechazo del calor. El refrigerante a alta presión pasa entonces a través del intercambiador de calor interno 9 antes que su presión sea reducida por el dispositivo de expansión 6 a la presión de evaporación, complementando el ciclo.
Ciclo de Descongelación: Con referencia a la Figura 1, durante el comienzo del ciclo de descongelación, la válvula 16' estará abierta y la válvula 16''' estará cerrada. De acuerdo con esta invención, el segundo intercambiador de calor (rechazador de calor) 2 y el primer intercambiador de calor (evaporador) 3 estarán acoplados en serie o en paralelo y experimentarán, como se estableció anteriormente, casi la misma presión que la presión de descarga del compresor. El intercambiador de calor 2 también puede ser derivado si es necesario. Este puede ser el caso en los sistemas de refrigeración en donde no existe necesidad para el rechazo del calor por el intercambiador de calor durante el ciclo de descongelación. (Figura 2) . La temperatura y presión del vapor refrigerante es elevada por el compresor 1 antes que el mismo se introduzca al intercambiador de calor 2. En el caso de la operación de la bomba de calor en donde existe una necesidad del suministro de calor durante el ciclo de descongelación, el vapor refrigerante es enfriado emitiendo el calor al disipador de calor (hacia el aire interior en el caso del sistema de aire) . El refrigerante a alta presión puede pasar a través del intercambiador de calor interno 9 o puede ser derivado alternativamente (como se muestra en la Figura 1) , antes que el mismo se introduzca al intercambiador de calor (evaporador 3) , es decir va a ser descongelado, a través de la válvula 16' . El refrigerante enfriado a la salida del intercambiador de calor 3 pasa entonces a través de la válvula de expansión 6' por lo cual su presión es reducida a la presión en el receptor/acumulador 7. El calor es agregado preferentemente al refrigerante en el receptor/acumulador 7 para evaporar el refrigerante liquido que se introduce al receptor/acumulador 7. El tipo de aplicación y sus requerimientos determinan el tipo de dispositivo de calentamiento y la cantidad de calor necesaria para llevar a cabo el proceso de descongelación. Por ejemplo, utilizando un compresor con el motor enfriado con el gas de succión, el calor emitido por el motor y/o el calor de la compresión pueden ser utilizados como la "fuente de calor" para agregar calor al refrigerante durante el ciclo de descongelación con una cantidad minima de entrada de energía. La Figura 14 muestra algunos resultados experimentales utilizando un compresor enfriado con el gas de succión en donde el calor de la compresión y el calor emitido por el motor del compresor fue utilizado como la "fuente de calor". O en el caso de un sistema de bomba de calor del calentador de agua, el calor acumulado en el agua en el rechazador de calor y/o el tanque de almacenamiento del agua caliente puede ser utilizado como la "fuente de calor". Usando la presión de rechazo de calor supercritica, existe un "grado de libertad" adicional el cual agrega flexibilidad adicional a esta invención. Aunque en un sistema sub-critico la presión (y la temperatura de saturación) en el condensador/ el intercambiador de calor 2, es decidida automáticamente por el balance del proceso de transferencia de calor en el intercambiador de calor (rechazador de calor) , la presión supercritica puede ser controlada activamente para optimizar el proceso y el funcionamiento de la transferencia de calor. La Figura 4 muestra una modalidad adicional de la invención en donde los intercambiadores de calor 2 y 3 están acoplados en paralelo por medio de una válvula de 3 vias 22 en donde, dependiendo de la velocidad deseada de descongelación y efectividad del calentamiento, parte del refrigerante desde el compresor es conducido al intercambiador de calor 3 a través de un circuito de derivación 22. El refrigerante conducido desde el intercambiador de calor 2, en este ejemplo, es derivado al intercambiador de calor 3 por la abertura de la válvula 16' ' en el segundo circuito de derivación. Adicionalmente, la Figura 5 muestra otra modalidad en donde una válvula de 3 vias 22 es utilizada para derivar, parcial o totalmente el intercambiador de calor 2 (rechazador de calor) por medio de otro circuito de conductos 21. Esta modalidad es útil en situaciones en donde una descongelación acelerada es deseable. De acuerdo con la invención, la presión supercritica puede ser controlada activamente para incrementar la temperatura y la entalpia especifica del refrigerante después del compresor 1 durante el ciclo de descongelación el cual es mostrado en la Figura 5. La entalpia especifica más elevada del refrigerante después del compresor 1 (punto b en el diagrama) es el resultado de un trabajo incrementado de compresión cuando la presión de descarga es incrementada. A este respecto, la posibilidad de incrementar el trabajo de compresión puede ser considerado como un "dispositivo de calentamiento de reserva" para el método de descongelación. Como un ejemplo, esta característica de la invención puede ser útil para satisfacer el requerimiento de confort térmico interior, en un sistema de bomba de calor, durante el ciclo de descongelación con demanda elevada de calentamiento. También es posible efectuar la descongelación haciendo funcionar el segundo intercambiador de calor (condensador) 2 y el primer intercambiador de calor que va a ser descongelado (evaporador) 3 en paralelo en lugar de en serie durante el ciclo de descongelación. El efecto incrementado de la descongelación (entalpia especifica debida al trabajo incrementado) de la invención comparado con la solución mostrada por ejemplo en la patente US No. 5,845,502 es mostrada adicionalmente en la Figura 7. El diagrama sobre el lado a mano derecha representa el proceso de la invención, mientras que el diagrama en el lado a mano izquierda representa el proceso de la patente US. Como se puede observar claramente la temperatura de descongelación es mucho más elevada con la presente invención . En aplicaciones diferentes de los sistemas de recuperación de calor o de bomba de calor, el objetivo principal es complementar el ciclo de descongelación tan rápida y eficientemente como sea posible. En estos casos, el intercambiador de calor 2 (rechazador de calor) , puede ser derivado durante el ciclo de descongelación como se ilustró en la Figura 2 en donde un circuito de conductos de derivación con una válvula 16 es provisto y la cual en tal caso está abierta. El ciclo de descongelación puede ser llevado a cabo por lo tanto más rápido que en el caso previo. De manera semejante, el intercambiador de calor 9 interno puede ser derivado por medio de un circuito de conductos con la válvula 16' como se muestra en la Figura 1. La invención como se definió en las reivindicaciones anexas no está limitada a las modalidades descritas anteriormente. Por consiguiente de acuerdo a la invención, el ciclo de descongelación puede ser utilizado con cualquier sistema de ref igeración y de bomba de calor que tiene un receptor/acumulador. Esto es ilustrado en las Figuras 7 - 9 en donde el mismo ciclo de descongelación es implementado en diferentes modalidades en donde se proporcionan por ejemplo dispositivos de inversión del flujo 4 y 5 respectivamente en los circuitos A y B del sub-proceso para efectuar un cambio rápido desde el modo de operación de bomba de calor a enfriamiento. La Figura 10 ilustra el principio de descongelación básico, de acuerdo con la presente invención, cuando un receptor de presión intermedia es utilizado. La Figura ilustra un ciclo de descongelación para un sistema en donde no existe la necesidad de un rechazo de calor por el intercambiador de calor 2 durante el ciclo de descongelación y en donde el calor de la compresión es utilizado como el dispositivo de calentamiento. Durante el ciclo de descongelación, las válvulas 16' y 16'' estarán abiertas mientras que la válvula 16''' estará cerrada. Como resultado, el gas a temperatura y presión elevada del compresor pasa a través de la válvula 16' antes que el mismo se introduzca al intercambiador de calor 3 el cual va a ser descongelado. La presión del refrigerante enfriado es reducida entonces por la válvula 6' ' ' del dispositivo de expansión hasta la presión en el receptor de presión intermedia 7. Puesto que el receptor está ahora en comunicación directa con el lado de succión del compresor a través de un circuito de derivación el cual proporciona la válvula 16''', la presión en el receptor será básicamente la misma que la presión de succión del compresor. El calor de la compresión es agregado al refrigerante cuando el gas de compresión es agregado al refrigerante cuando el gas de succión es comprimido por el compresor a temperatura y presión más elevada. Puesto que no existe dispositivo de calentamiento externo presente en el sistema, la presión de succión del compresor y aquella del receptor de presión 7 se reducirá hasta encontrar una presión de equilibrio.
Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims (1)

  1. RE IVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones . 1. Un método para descongelar un intercambiador de calor (evaporador) en un sistema de compresión de vapor que incluye, más allá de un intercambiador de calor (evaporador) que va a ser descongelado, al menos un compresor, un segundo íntercambiador de calor (rechazador de calor) y un dispositivo de expansión conectado por conductos de una manera operativa para formar un circuito cerrado integral, caracterizado porque el intercambiador de calor que va a ser descongelado es sometido esencialmente a la misma presión que la presión de descarga del compresor, por lo cual el intercambiador de calor es descongelado cuando el gas de descarga a alta presión desde el compresor fluye a través del intercambiador de calor, emitiendo calor hacia dicho intercambiador de calor. 2. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el calor es agregado por un dispositivo de calentamiento al refrigerante en un receptor/acumulador de la presión o en cualquier parte a lo largo de la ruta del refrigerante. 3. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el calor de compresión del trabajo del compresor y/o el calor del motor de compresión, es utilizado como el dispositivo de calentamiento durante el ciclo de descongelación. 4. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el calor acumulado en el rechazador de calor, y/o un tanque de almacenamiento y/u otra parte del sistema, actúa como el dispositivo de calentamiento durante el ciclo de descongelación. 5. El método de conformidad con las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque durante el ciclo de descongelación, los dos intercambiadores de calor son acoplados en serie, y porque el gas de descarga a presión elevada desde el compresor primero fluye a través del primer intercambiador de calor (rechazador de calor) , emitiendo algo de calor, antes de que fluya a través del segundo intercambiador de calor descongelando el intercambiador de calor . 6. El método de conformidad con las reivindicaciones 1-4, caracterizado porgue durante el ciclo de descongelación, los dos intercambiadores de calor son acoplados en paralelo, y porque el gas de descarga a presión elevada desde el compresor está fluyendo y el calor es emitido a ambos intercambiadores de calor simultáneamente de una manera controlada. 7. El método de conformidad con las reivindicaciones 1-6, caracterizado porque el ciclo de refrigeración o de la bomba de calor es trans-critico . 8. El método de conformidad con las reivindicaciones 1-7, caracterizado porque el refrigerante es el dióxido de carbono (C02) . 9. El método de conformidad con las reivindicaciones 1-8, caracterizado porque el proceso de descongelación es trans-critico. 10. El método de conformidad con las reivindicaciones 1-8, caracterizado porque la presión de descarga del compresor es controlada de manera activa para cambiar (incrementar o reducir) la temperatura y la entalpia especifica del refrigerante en la salida del compresor durante el ciclo de descongelación. 11. El método de conformidad con las reivindicaciones previas 1-10, caracterizado porque el refrigerante es conducido a un receptor/acumulador de la presión provisto en el circuito. 12. Un arreglo para descongelar un intercambiador de calor (evaporador) en un sistema de compresión de vapor que incluye, más allá del intercambiador de calor (evaporador) , al menos un compresor, un segundo intercambiador de calor ( condensador/rechazador de calor) y un dispositivo de expansión, conectados por conductos de una manera operativa para formar un circuito cerrado integral, en donde el calor es agregado al refrigerante por un dispositivo de calentamiento, caracterizado porque en el circuito, en conexión con el dispositivo de expansión se proporciona un primer circuito de derivación con una primera válvula, y porque un dispositivo reductor de la presión es provisto en un segundo circuito de derivación en conjunción con una segunda válvula colocada después del intercambiador de calor que está siendo descongelado, por lo cual la primera válvula está abierta y la segunda válvula está cerrada cuando la descongelación se lleva a cabo. 13. El método de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque la primera válvula es provista en un circuito de derivación, que conecta la salida del compresor a la entrada del intercambiador de calor (evaporador) que va a ser descongelado. 14. El método de conformidad con las reivindicaciones 12 y 13, caracterizado porque un acumulador de la presión baja o intermedia está provisto en el circuito. 15. El arreglo de conformidad con las reivindicaciones 12-14, caracterizado porque los intercambiadores de calor están acoplados en serie. 16. El arreglo de conformidad con las reivindicaciones 12-14, caracterizado porque los intercambiadores de calor están acoplados en paralelo. 17. El arreglo de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque una válvula de 3 vias es provista después del compresor para conducir el refrigerante total o parcialmente al intercambiador de calor que va a ser descongelado a través de un circuito de conductos de derivación. 18, El arreglo de conformidad con las reivindicaciones 12-16, caracterizado porque un circuito de conductos con una válvula adicional es provisto para derivar, total o parcialmente el segundo intercambiador de calor (rechazador de calor) . 19. El arreglo de conformidad con las reivindicaciones 12 - 15, estando provisto el circuito con un intercambiador de calor interno, caracterizado porque un circuito de conductos con una válvula adicional es provisto para derivar el intercambiador de calor interno.
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