MXPA04001995A - Sistema de compresion para fines de enfriamiento y calentamiento. - Google Patents

Abstract

Se describe un sistema de refrigeracion de compresion que incluye un compresor (1), eliminador de calor (2), medio de expansion (3) y absorbente de calor (4) conectados en un circuito de circulacion cerrado que puede operar con presion supercritica del lado de alta. La carga refrigerante y el diseno del componente del sistema corresponden a una presion en reposo dentro del sistema que es mas baja de 1.26 veces la presion critica del refrigerante cuando la temperatura de todo el sistema es igual a 60 degree C. El dioxido de carbono o una mezcla de un refrigerante que contiene dioxido de carbono se puede aplicar como el refrigerante en el sistema.

Description

SISTEMA DE COMPRESIÓN PARA FINES DE ENFRIAMIENTO Y CALENTAMIENTO CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere al sistema de refrigeración de compresión que incluye un compresor, eliminador de calor, medio de expansión y un absorbente de calor conectados en un circuito de circulación cerrado que puede operar con presión supercrítica del lado de alta, usando dióxido de carbono o una mezcla que contiene dióxido de carbono como el refrigerante en el sistema.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los sistemas convencionales de compresión de vapor que rechazan calor por la condensación del refrigerante a presión subcrítica dada por la presión de saturación a la temperatura dada. Estos refrigerantes son más frecuentemente seleccionados para que la presión máxima que ocurre en el sistema deba estar muy por debajo de la presión crítica del refrigerante y generalmente sin exceder ' un límite dado, por ejemplo 25 bares. Al usar un refrigerante con temperatura crítica baja, por ejemplo C02, la presión en el rechazo de calor hará que sea supercrítica si la temperatura del disipador de calor REF. 154343 es alta, por ejemplo más alta que la temperatura critica del refrigerante, para obtener una operación eficiente del sistema. El ciclo de operación entonces será transcritico, por ejemplo, como se conoce del documento WO 90/07683. Los documentos WO 94/14016 y WO 97/27437 describen un circuito simple para realizar tal sistema, en la base que comprenda un compresor, un eliminador de calor, medio de expansión y un evaporador conectados en un circuito cerrado. C02 es el refrigerante preferido para ambos debido a intereses ambientales . Una desventaja importante de los documentos WO 94/14016 y WO 97/27437 es que las presiones muy altas ocurrirán en los sistemas durante su reposo a altas temperaturas ambiente. Según lo explicado en el documento WO 97/27437, la presión será generalmente más alta que 100 bares a 60 °C. Esto requerirá una presión muy alta en el diseño para todos los componentes, resultando en componentes pesados y costosos. Especialmente esto es una desventaja en el diseño de compresores herméticos, para los cuales el tamaño del armazón es dictado por el tamaño del motor eléctrico. El documento WO 94/14016 describe cómo esto puede mejorarse conectando un recipiente separado de expansión que libera presión conectado en el lado de baja del circuito via ¦ una válvula. La desventaja de esto es que aumentará el costo y la complejidad del sistema.

Aún otra desventaja de los documentos WO 94/14016 y WO 97/27437 es que las especificaciones de carga, respectivamente 0.55 a 0.7 kg/1 y 0.25 a 0.45 kg/1 del volumen interno del sistema darán lugar a una carga demasiado alta para ser óptima a los sistemas por ejemplo que operan a temperaturas más bajas de absorción de calor y/o que usan compresores herméticamente sellados, teniendo un volumen grande de gas en el lado de baja del sistema. Otra desventaja de los documentos WO 94/14016 y WO 97/27437 es que no toman en consideración que la carga óptima del sistema será influenciada fuertemente por la solubilidad del refrigerante en el lubricante para sistemas con compresores lubricados y también por los elementos constructivos del sistema.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Un objeto importante de la presente invención es hacer un sistema eficiente y simple que evite los defectos y desventajas ya mencionados. La invención está caracterizada por las características de acuerdo a lo definido en la reivindicación independiente 1 adjunta. Las características ventajosas de la invención se definen adicionalmente en las reivindicaciones independientes 2—9 adjuntas.

Como se señaló anteriormente, la invención se basa en un circuito simple que comprenden al menos un compresor, un eliminador de calor, medio de expansión y un absorbente de calor. Basado en el hecho que las referencias de la técnica anterior comentadas arriba se relacionan con circuitos de refrigeración con cargas refrigerantes altas, los inventores, a través de pruebas y simulaciones, encontraron asombrosamente que adaptando el volumen interno de componentes que contienen el vapor/gas refrigerante durante la operación normal en el lado de presión baja del sistema, las condiciones de operación óptimas se pueden obtener con una carga baja para un volumen interno dado del sistema. Así, puede obtenerse la presión más baja posible del diseño para elementos constructivos del sistema. De esta manera, un recipiente separado de expansión que libera presión no es necesario para evitar presiones excesivas en las condiciones en reposo a altas temperaturas, y todos los componentes o partes de componentes en el lado de baja del sistema se pueden diseñar para una presión más baja. Los cálculos y experimentos demuestran que la presión máxima en reposo a una temperatura de 60 °C se puede mantener fácilmente por debajo de 80 bares con C02 como refrigerante. La invención se puede utilizar para disminuir el peso y costo del sistema de manera significativa, incluso con un diseño simple del sistema.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS. La invención será descrita adicionalmente en lo siguiente por medio de ejemplos solamente y con referencia a las figuras, en las cuales, La figura 1 ilustra un circuito simple para un sistema de compresión de vapor, La figura 2 muestra un ejemplo de cómo la presión varia en el sistema en reposo con una temperatura variante cuando está diseñado de acuerdo a la invención y se compara con el documento WO 97/27437, La figura 3 ilustra cómo el volumen y la carga de los diversos componentes en un sistema típico de acuerdo a la invención contribuyen a la carga del sistema para una carga óptima del sistema en comparación con el volumen para los intervalos de carga de acuerdo con los documentos WO 94/14016 y WO 97/27437, según lo indicado con áreas rayadas en el diagrama, La figura 4 ilustra el coeficiente máximo de funcionamiento (COP, por sus siglas en inglés) que es dado por la carga óptima del sistema y cómo el coeficiente de funcionamiento disminuirá si el relleno es más alto o más bajo que el óptimo, La figura 5 es un ejemplo de un ciclo modificado para mejorar la operación del sistema, La figura 6 es un ejemplo de un sistema reversible de aire acondicionado y de un sistema de bombeo de calor.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN. La figura 1 ilustra un sistema convencional de compresión de vapor que comprende un compresor 1, un eliminador de calor 2, medio de expansión 3 y un absorbente de calor 4 conectado en un sistema de circulación cerrado. Al usar por ejemplo CO2 como refrigerante, la presión del lado de alta puede ser algunas veces subcritica, pero tal sistema debe ser capaza de operar a presión del lado de alta supercritica a temperaturas más altas del disipador de calor, para obtener una eficiencia óptima del sistema. El lado de alta del sistema se debe por lo tanto diseñar para una presión de operación alta correspondiente, para que CO2 generalmente pueda estar en un intervalo mayor de 110 bares si el aire se utiliza como disipador de calor. El lado de baja del sistema, sin embargo, requerirá rara vez de presiones de operación más altas que por ejemplo 60 bares, correspondiendo a una temperatura de evaporación de aproximadamente 22 °C. La presión en reposo entonces dictará frecuentemente la presión del diseño del lado de baja, puesto que el sistema frecuentemente debe ser capaz de resistir temperaturas del estado en reposo de hasta 60°C o más. En estas condiciones, el nivel de presión puede f ecuentemente ser tan alto como la presión máxima de operación del lado de alta del sistema si el sistema se puede exponer a esta clase de temperaturas. La importancia de la presión máxima para el diseño de componentes es demostrada por algunos de los códigos existentes, estándares y práctica común. Comúnmente, se requiere cinco veces la presión máxima como la presión mínima de incremento repentino. Un componente que puede exponerse a 120 bares entonces requerirá resistir 600 bares, mientras que un componente que se puede exponer a 70 bares requerirá solamente resistir 350 bares. Esto puede conducir a una diferencia significativa en el tamaño, peso y costo de fabricación. Esto será especialmente importante para componentes tal como compresores ( semi ) herméticos, donde el tamaño del armazón que es bastante grande, es dictado por las dimensiones del motor eléctrico. De acuerdo a la invención, es posible diseñar el sistema con respecto a una carga refrigerante y volumen de diversos componentes para reducir la presión máxima en reposo. Así, la presión necesaria del diseño para el lado de baja del sistema se puede reducir de una manera simple, sin apartarse de la presión óptima del lado de alta durante la operación del sistema. Esto contribuirá en un sistema de bajo costo con eficiencia óptima. La intención de la invención se puede obtener adaptando el volumen interno de componentes que contienen vapor/gas refrigerante durante la operación normal en el lado de presión baja del sistema, las condiciones de óptimas de operación se pueden obtener con una carga baja para un volumen interno dado del sistema. Asi, puede obtenerse la presión más baja posible del diseño para los elementos constructivos del sistema. El volumen se puede por ejemplo adaptar como un tubo de tamaño más grande, que es relativamente económico incluso para grados más altos de presión, con el fin de reducir la presión necesaria del diseño del armazón de un compresor hermético. La figura 2 muestra cómo la presión en un sistema de acuerdo a la invención puede variar con la temperatura para un sistema igualado en temperatura en estado de reposo, ver la curva marcada con el número 10. Como puede verse, la presión en el sistema incluso a temperaturas ambiente muy altas está por debajo de la presión critica del refrigerante. Una curva tipica 11 para un sistema de acuerdo al documento WO 97/27437 también se incluye, por comparación. Como puede verse, la diferencia es significativa. La figura 3 muestra cómo la relación carga/volumen acumulada varía a través de las diversos partes de un sistema seleccionado cargado para proporcionar una eficiencia óptima ¦ en el punto del diseño para el sistema, de acuerdo a la invención. Como puede verse claramente; la carga final por volumen interno en total para este sistema finaliza a aproximadamente 0.14 kg/1 20, que está muy por debajo de los límites descritos en el documento WO 94/14016 y WO 97/27437 y que se indica por las áreas rayadas, 21 y 22, respectivamente . La figura 4 ilustra cómo la carga óptima mencionada 30 proporciona una eficiencia máxima, COP, para un sistema de acuerdo a la invención. COP se define como la relación entre la capacidad de enfriamiento para un sistema de refrigeración y la entrada de energía al sistema. Cuando la carga es más alta o más baja, la COP disminuye rápidamente a un valor significativamente más bajo que el dado por la carga óptima. Las figuras 2-4 se basan en simulaciones detalladas para un sistema de acuerdo a la invención que comprende un compresor hermético, intercambiador de calor interno, evaporador y enfriador de gas . La figura 4 corresponde a valores para el sistema cuando es operado a temperatura ambiente de +40 °C para el rechazo de calor y con la temperatura de evaporación en el intervalo de —7°C a —2 dependiendo de la carga y capacidad del sistema. La presión alta de operación puede variar entre 70-120 bares dependiendo de la carga y temperatura ambiente. La capacidad de enfriamiento fue de aproximadamente 700 Watts. Puesto que la carga óptima dependerá de factores tal como las condiciones de operación, elementos constructivos del sistema y solubilidad del refrigerante en el lubricante, la especificación de una carga dada por unidad de volumen interno del sistema no es muy relevante o útil en la práctica. De acuerdo a la invención, la carga se relaciona a una presión máxima resultante en el sistema a una temperatura dada cuando está en reposo, lo que significa que el sistema tiene una temperatura igualada que es la misma para todo el sistema. De acuerdo a la invención, esta presión debe ser más baja de 1.26 veces la presión critica del refrigerante cuando la temperatura del sistema se iguala a una temperatura de hasta 60°C. La presión resultante a esta temperatura, o cualquier otra temperatura que se defina como la temperatura máxima en reposo, será importante para definir la presión del diseño del lado de baja del sistema, siempre y cuando el valor exceda la presión máxima de operación del lado de baja. Para el C02 puro este limite de presión corresponde a una presión de aproximadamente 93 bares a la temperatura dada. No se designa ningún limite de presión más baja para la invención, puesto que presiones más bajas resultantes habrán de satisfacer las intenciones de la invención, es decir, lograr bajar la presión en estado de reposo del diseño. Sin embargo, no es probable que la presión en estado de reposo a esta temperatura, 60°C, pueda ser más baja de 0.14 veces la presión critica, que para el C02 puro corresponde aproximadamente 10 bares. Varias mejoras de la eficiencia o condiciones de operación del sistema se pueden obtener usando diversos tipos de componentes, tal como compresores de capacidad variable, máquinas de expansión, diversos medios de reducción de presión o estrangulamiento, intercambiadores de calor internos, reducción de presión intermedia u otras mejoras del ciclo. Aún será posible, dentro del alcance de protección según lo definido en la reivindicación 1 de la invención, reducir la presión del diseño de varias partes del sistema, y por lo cual se reduce el costo del sistema al mínimo. Esto también será válido para un receptor incluido en el lado de baja del sistema, si es preferible por cierta razón incluir un receptor en el sistema, no como un recipiente independiente dirigido para servir como recipiente de expansión, según lo descrito en el documento WO 94/14016, sino como una parte integral del ciclo de circulación del sistema . La figura 5 muestra una posible configuración del sistema con un ciclo modificado. El sistema de ejemplo comprende un compresor de dos fases 41, eliminador de calor 42, medio de expansión 43, absorbente de calor 44, intercambiador de calor interno 45, otro medio de expansión 46 y un sub-enfriador interno 47. Se realiza la reducción de presión intermedia para sub-enfriar el refrigerante a alta presión antes de la reducción de presión en el sub-enfriador 47, y reducir la temperatura final de compresión a través de la inyección de gas de presión intermedia durante la compresión o entre las dos fases de un compresor de doble fase 41. De acuerdo a la invención la presión del diseño de los componentes a presión intermedia se puede también reducir, por ejemplo el lado de presión intermedia del intercambiador de calor 47 y las partes del compresor 41 se exponen a la presión intermedia. Un sistema caracterizado en que la operación del sistema se puede invertir, por ejemplo como se muestra en la figura 6, también puede beneficiarse de la invención. El ejemplo muestra un sistema reversible de bombeo de calor que comprende un compresor 51, intercambiador de calor 52, medio de expansión 53, intercambiador de calor 54, intercambiador de calor interno 55, otro medio de expansión 56, válvula de cuatro pasos 57, válvula de paso único 58 y otra válvula de paso único 59. El lado de succión del compresor estará siempre a baja presión en el sistema y puede asi beneficiarse de una presión más baja del diseño según lo descrito anteriormente. El intercambiador de calor 52, que en modo de enfriamiento es el evaporador/absorbente de calor, en el lado de baja del sistema, en modo de calentamiento estará en el lado de alta del sistema. La presión alta máxima en modo de calentamiento es, sin embargo, frecuentemente tan baja como probablemente 70-80 bares, asi, una presión baja máxima en reposo de acuerdo a la invención por lo tanto también será beneficiosa para este componente. El refrigerante preferido de acuerdo a la invención es dióxido de carbono, pero la invención también se puede utilizar para mezclas de dióxido de carbono y otros fluidos, que pueden exhibir las mismas características, operando en un ciclo transcrítico durante ciertas condiciones de operación. Se debe enfatizar que el uso de la invención no está limitado a los ejemplos y figuras explicadas en la descripción precedente, pero dentro del alcance de las reivindicaciones la invención es aplicable a todos los sistemas donde puede utilizarse la intención de la invención.

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 (9)

1. REIVINDICACIONES
2. Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones: 1. Sistema de refrigeración de compresión que incluye un compresor, eliminador de calor, medio de expansión y absorbente de calor conectados en un circuito de circulación cerrado que puede operar con presión supercritica del lado de alta, caracterizado porque la carga refrigerante y el diseño del componente del sistema corresponden a una presión en reposo dentro del sistema que es más baja de 1.26 veces la presión critica del refrigerante cuando la temperatura de todo el sistema es igual -a 60°C; y donde el dióxido de carbono o una mezcla de refrigerante que contiene dióxido de carbono se aplica como el refrigerante en el sistema. 2. Sistema de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque se usa un compresor de capacidad variable o de fases múltiples.
3. 3. Sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1-2, caracterizado porque el compresor es de un diseño semi-hermético o hermético.
4. 4. Sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1-3, caracterizado porque el sistema también comprende un intercambiador de calor interno.
5. 5. Sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1-4, caracterizado porque está diseñado para una operación transcritica .
6. 6. Sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1-5, caracterizado porque un receptor o componente adicional proporciona volumen adicional en el sistema.
7. 7. Sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1-6, que usa C02 como refrigerante, caracterizado porque la carga del sistema está entre 18 y 250 gramos por litro del volumen interno total del sistema .
8. 8. Sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1-7, caracterizado porque se realizan modificaciones del ciclo, por ejemplo, pero sin limitarse a, la reducción de presión intermedia, para mejorar la eficiencia y/o condiciones de operación.
9. 9. Sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1-8, caracterizado porque puede invertirse la operación del sistema.