MXPA97000064A - Bomba de calentamiento con deposito pararefrigerante liquido - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a una bomba de calentamiento caracterzada porque comprede una bobina interior para porporcionar calentamiento y enfriamiento a una zona de bienestar interior, y una bobina exterior que es mayor que la bobina interior para expulsar el exceso de calentamiento hacia el amibiente circundante, cuando la bomba de calentamiento estáoperando en un modo de enfriamiento, una primera línea de refrigerante para conectar la bobina interior a la bobina exterior, primeros medios de válvula en la línea para pasar el refirgerante en una dirección de la bobina interior hacia la bobina exterior, un primer dispositivo de expansión no regulado colocado en la línea entre los primeros medios de válvula y la bobina exterior, y un depósito de refrigerante en la línea colocado entre medios de válvula y la bobina interior, y una segunda línea de refirgerante para conectar la bobina exterior a la bobina interior que incluye segundos medios de válvula para pasar el refrigerante en una dirección de la bobina exterior hacia la bobina interior y un segundo dispositivo de expansión no regulada colocado en la segunda línea entre los segundos medios de válvula y la bobina interior.

Description

BOMBA DE CALENTAMIENTO CON DEPOSITO PARA REFRIGERANTE LIQUIDO DESCRIPCIÓN Esta invención se refiere a una bomba de calentamiento de refrigerante de compresión, mejorada, y, en particular, a mejorar los problemas asociados con la sobrecarga de bobinas exteriores de la bomba de calentamiento con refrigerante, cuando lo bomba de calentamiento está operando en el modo de calentamiento. Una unidad de acondicionamiento de aire y de refrigerante normal contendrá una bobina interior para absorber el calor de una zona de bienestar hacia el refrigerante, y una bobina exterior para expulsar el calor en el refrigerante hacia el ambiente circundante. Además, para manejar el calor absorbido en el refrigerante durante el enfriamiento, la bobina exterior también debe manejar el calor de la compresión desarrollado por el compresor de la unidad, y el calor generado tanto por el motor compresor y, por uno o ambos de los motores de ventilador de la bobina. Como resultado, la bobina exterior de una unidad de acondicionamiento de aire normal para proporcionar enfriamiento, es considerablemente más grande que la bobina interior, simplemente porque la bobina exterior debe realizar más trabajo que la bobina interior. Como es bien conocido, el sistema de acondicionamiento de aire normal puede ser empleado para proporcionar calor a una zona de bienestar invirtiendo termodinámicamente el ciclo de enfriamiento para expulsar calor del ambiente circundante y rechazar el calor absorbido en la zona de bienestar. En este punto, se conecta una válvula de inversión al compresor de la unidad para invertir el flujo del refrigerante hacia las bobinas. Cuando está en un modo de calentamiento, la bobina exterior más grande actúa como un evaporador y la bobina interior como un condensador en el sistema. Como se puede ver, las funciones de las bobinas exterior e interior son invertidas cuando el sistema está en un modo de calentamiento. El condensador, el cual ahora es la bobina interior, es más pequeño que el evaporador o bobina exterior. Por consiguiente, el condensador pequeño no es más capaz de almacenar tanto el refrigerante líquido como la bobina exterior, que actúa como el condensador, que cuando el sistema está en el modo de enfriamiento. Ya que solamente una pequeña cantidad de refrigerante líquido puede ser contenida en la bobina interior, y de esta forma se encuentra una sobre-abundancia de refrigerante en la bobina exterior produciendo una condición no deseada conocida como sobrecarga. Esta condición puede ser arreglada a cierto grado mediante el uso de dispositivos de expansión regulados tales como válvulas de expansión térmica para controlar la calidad del gas de regreso. Estos dispositivos son relativamente costosos y requieren del uso de controles complejos. Sin embargo, los dispositivos de expansión no regulados, tales como tubos capilares y similares, son menos costosos y complejos, son incapaces de regular el flujo de regreso hacia el compresor cuando la bomba de calentamiento está en un modo de calentamiento, y como consecuencia, el líquido o refrigerante húmedo puede ser suministrado directamente hacia la cavidad de bombeo compresor afectando así adversamente la operación del sistema y la duración del compresor. Las normas industriales requieren que el refrigerante, que entra al compresor, sea supercalentado a aproximadamente 10° por arriba de la saturación con el fin de proteger los componentes del compresor. La mayoría de los sistemas emplea un tanque acumulador en la línea de succión del compresor para evitar que el refrigerante líquido entre al compresor. Aunque el uso de un acumulador asegura que solamente los vapores supercalentados entran al compresor cuando el sistema está encendido y operando, el refrigerante frío, sin embargo, puede ser expulsado hacia la salida del compresor durante el encendido. Junto con el problema de supercalentamiento bajo, las bombas de calentamiento que emplean compresores giratorios encuentran bajas temperaturas de aceite por lo que el gas de descarga del compresor es capaz de condensarse hacia el aceite. Esto, a la vez, da como resultado problemas y puede conducir a la falla del compresor. Ya que el modo de enfriamiento determina el diseño del sistema de bomba de calentamiento, el ciclo de calentamiento siempre será sobrecargado con refrigerante a menos que se tomen precauciones especiales. Como se observó, los dispositivos de expansión no regulados no pueden cerrar el flujo de refrigerante entre las bobinas para eliminar el sobrecalentamiento. En un sistema de bomba de calentamiento idealmente ajustado por lo tanto, se requiere más refrigerante en el modo de enfriamiento que en el modo de calentamiento. Los intentos para igualar las cargas a cierto valor promedio reduce el rendimiento del enfriamiento a un nivel inaceptable y no resuelve totalmente los problemas asociados con el sobrecalentamiento, cuando se opera en el modo de enfriamiento. Por lo tanto, un objeto de la presente invención es mejorar las bombas de calentamiento de refrigerante. Este objeto se logra en un método y aparato de acuerdo con los preámbulos de las reivindicaciones y mediante las característica de sus partes caracterizadoras . Una bomba de calentamiento del refrigerante utiliza un ciclo Carnot para expandir el refrigerante del lado de alta presión del sistema hacia el lado de baja presión, a medida que este se mueve entre las bobinas. Una primera línea de refrigerante esta dispuesta para llevar el refrigerante de la ' bobina interior hacia la bobina exterior, cuando el sistema está operando en un modo de calentamiento, y una segunda línea de refrigerante está dispuesta para llevar el refrigerante de la bobina exterior hacia la bobina interior, cuando el sistema está operando en un modo de enfriamiento. La primera línea tiene una válvula de retención para pasar el flujo de la bobina interior hacia la bobina exterior, y un dispositivo de expansión no regulado colocado entre la válvula de retención y la bobina exterior para estrangular el refrigerante del lado de alta presión del sistema hacia el lado de baja presión. También, se coloca un depósito de líquido en está línea, entre la bobina interior y la válvula de inversión. La segunda línea de refrigerante"rcontiene una segunda válvula de retención dispuesta para hacer pasar flujo de la bobina exterior hacia la bobina interior, • y un segundo dispositivo de expansión no regulado colocado en la línea entre la bobina exterior y la bobina interior. La segunda línea está conectada a la primera línea entere la bobina interior y el depósito refrigerante, por lo que el refrigerante en la fase líquida es recolectado en el depósito cuando el sistema está operando en el modo de calentamiento, y el vapor es recolectado en el depósito cuando el sistema está operando en el modo de enfriamiento.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Para entender mejor estos y otros objetos de la presente invención, se debe hacer referencia en la presente a la siguiente descripción detallada de la invención, la cual se debe de leer junto con los dibujos anexos en donde la Figura 1 es una vista esquemática que ilustra una bomba de calentamiento que modaliza las enseñanzas de la presente invención, mostrando la carga de calentamiento operando en un modo de enfriamiento la Figura 2 es una vista esquemática que ilustra la bomba de calentamiento de la Figura 1, mostrando la bomba de calentamiento, operando en un modo de calentamiento, y la Figura 3 es un diagrama comparando el aceite a las temperaturas de condensación de descarga en un compresor giratorio utilizado en el sistema de la presente durante un periodo de una hora. Haciendo referencia a la Figura 1 se ilustra esquemáticamente un sistema de bomba de calentamiento de refrigerante 10, que modaliza las enseñanzas de la presente invención. El sistema emplea el ciclo de compresión de calor Carnot, bien conocido, para proporcionar ya sea calentamiento o enfriamiento a una región de bienestar la cual, en este caso, es una zona interior 11 ubicada en el interior de un edificio 13. El sistema incluye un cambiador de calor interior 15 situado en la zona de bienestar y un cambiador de calor exterior 16 ubicado en el exterior del edificio, en una relación de transferencia de calor con el ambiente circundante. También ubicada en el exterior de la estructura se encuentra el compresor del sistema 17 (mandado para la reducción de ruido) , el cual en este caso, es un compresor giratorio como normalmente se emplea en este tipo de sistemas. El compresor está equipado con una válvula de inversión 18 que puede ser ciclada cuando se selecciona ya sea, un modo de operación de enfriamiento o de calentamiento. Como en la Figura 1, cuando el modo de enfriamiento es seleccionado, el puerto de descarga del compresor está conectado a la bobina exterior, y el puerto de succión está conectado a la bobina interior. De esta forma, la bobina exterior sirve como un condensador y la bobina interior como evaporador en el sistesma. Como se explicará más adelante con detalle, el refrigerante es expandido o estrangulado entre el condensador de alta presión y el evaporador de baja presión por medio de un dispositivo de expansión no regulado, tal como un tubo capilar 19. Otros ejemplos de dispositivos de expansión no regulados son válvulas de estrangulación, y orificios de placa, los cuales también pueden ser utilizados en el sistema sin apartarse de las enseñanzas de la presente invención.

El tubo capilar 19 está contenido en una primera línea refrigerante 20 que se extiende entre las dos bobinas. También, una válvula de retención 21 está operativamente montada en la línea refrigerante y está dispuesta para permitir que el refrigerante fluya en una dirección solamente de la bobina exterior a la bobina interior. La válvula de retención, como se muestra en la Figura 1, está colocada sobre el lado corriente arriba del tubo capilar. Como se indica por las flechas en la Figura 1, el refrigerante de alta presión, a alta temperatura, en forma de vapor, es descargado del compresor hacia la bobina exterior, en donde el refrigerante es reducido a un líquido, a una temperatura constante. Durante este tiempo, el calor es repartido hacia el ambiente circundante. El refrigerante líquido, que deja la bobina exterior 16, después es expandido a través de tubo capilar 19 a una temperatura y presión bajas, a medida que se mueve a través de la línea 41 entre las bobinas exterior e interior. El refrigerante entra a la bobina interior, como una mezcla húmeda, y es evaporado adicionalmente a la saturación, a medida que absorbe energía (calor) de la zona de bienestar. El vapor saturado que deja la bobina interior, es supercalentado en la línea de succión 24 bajo la influencia del compresor. Por diseño, las bobinas están dimensionadas para manejar la carga de enfriamiento deseada sin sobrecargar el sistema, cuando éste está en el modo de enfriamiento. Como resultado, el sistema opera eficientemente en el modo de enfriamiento sin la necesidad de un acumulador o de un dispositivo de expansión regular. También se provee una segunda línea de refrigerante 28 en el sistema, la cual sirve para suministrar refrigerante de la bobina interior hacia la bobina exterior, cuando el sistema es encendido a partir del modo de enfriamiento descrito anteriormente, hacia el modo de calentamiento, como se muestra en la Figura 2. La línea de refrigerante 28 también contiene una válvula de retención 30 que permite que el refrigerante fluya en la línea solamente en una dirección desde la bobina interior hacia la bobina exterior para estrangular el refrigerante a medida que éste se mueve entre las bobinas. Aquí otra vez, se coloca un tubo capilar 32 en la línea entre la válvula de retención y la bobina exterior. Un depósito de refrigerante 35 también está montado en la línea 28 corriente arriba desde la válvula de retención entre la válvula de retención 30 y la bobina interior 15. Se debe observar que un extremo de la línea de refrigerante 28 entra hacia la otra línea de refrigerante 20 en el conector 40, el cual está ubicado entre la válvula de retención 21 y la bobina exterior 16. El otro extremo de la línea 28 también está unido a la línea 20 y a un segundo conector 41, ubicado entre el depósito refrigerante 35 y la bobina interior 15. Como se puede ver, la dirección de flujo a través de la línea de refrigerante co-montada, es controlada mediante • las dos válvulas de retención. Al encender el sistema en un modo de calentamiento, la válvula de inversión es ciclada para dirigir gas refri-gerante a una alta temperatura y presión a partir de un puerto de descarga de compresor de la bobina interior. El gas es reducido a una fase líquida en la bobina interior, la cual ahora está actuando como un condensador y el calor de la condensación es rechazado en la zona de bienestar. El refrigerante líquido deja bobina interior y debido a la disposición de las dos válvulas de retención, es conducido a través de la línea de refrigerante 28 hacia la bobina exterior. Como resultado, el depósito de refrigerante 35 se llena hasta la capacidad, con refrigerante líquido a alta presión. El refrigerante líquido es expandido al lado de baja presión del sistema a medida que pasa a través del tubo capilar 32 antes de entrar a la bobina exterior. La bobina exterior ahora actúa como un evaporador para absorber energía del ambiente circundante, evaporando así el refrigerante a un vapor satu-rado. Otra vez, bajo la influencia de compresor, el vapor saturado que deja el evaporador es supercalentado a medida que se mueve a través de la línea de succión 24 del compresor. Como se puede ver, debido a la configuración de las dos líneas de regreso y la ubicación de las válvulas de retención, el depósito de refrigerante 35 actúa como un receptor para el refrigerante líquido solamente cuando el sistema está operando en un modo de calentamiento. El depósito recibirá solamente vapor del refrigerante, cuando el sistema este operando en un modo de enfriamiento. Ya que el refrigerante líquido es más denso que el vapor, el depósito contiene considerablemente más refrigerante durante el calentamiento que durante el enfriamiento. El depósito está dimensionado para que el sistema no se sobrecargue con el refrigerante durante el ciclo de calentamiento, aún estará operando a una eficiencia pico durante el ciclo de enfriamiento. Por ejemplo, una unidad de 9,000 btu requerirá aproximadamente 30 onzas de refrigerante líquido para obtener una operación eficiente durante el modo de enfriamiento. Sin embargo, solo veintiséis onzas del refrigerante líquido se requieren para una operación eficiente durante el modo de calentamiento. Bajo estas condiciones, el depósito de refrigerante está dimensionado para almacenar aproximadamente cuatro onzas de refrigerante líquido, cuando el sistema está en el modo de calentamiento, evitando así el sobrecalentamiento de la bobina exterior durante las operaciones de enfriamiento. Cuando el sistema es encendido en un modo de enfriamiento, el depósito se llenará solamente con una cantidad insignificante de gas refrigerante, liberando así el refrigerante adicional para utilizarse en el modo de enfriamiento.

En el diagrama de la Figura 3 se compara la operación del sistema de la presente en un modo de calentamiento, con un sistema similar que no está equipado con un depósito para líquido. El diagrama gráfica la temperatura de condensación del refrigerante en la cámara de compresión de un compresor giratorio, con la temperatura de aceite del compresor. Como se ilustra, la temperatura del aceite en el compresor de un sisteme, equipado con el depósito para refrigerante de la presente, se mantendrá aproximadamente 20° por arriba de la temperatura de condensación del refrigerante en el compresor, asegurando así que el gas de descarga en el compresor no se condensará en el compresor cuando el sistema sea llamado para producir calor. En comparación, una bomba de calentamiento de construcción similar, que no está equipada con el depósito de refrigerante de la presente invención, se sobrecargará con refrigerante cuando opere en el modo de calentamiento. Como consecuencia, la bobina exterior se inundará y el vapor de regreso hacia el compresor no será supercalentado. Esto, a la vez, ocasiona que la temperatura del aceite en el compresor caiga por abajo de la temperatura de condensación del refrigerante, por lo que el aceite en el compresor se diluye, lo que conduce a problemas fuertes, calentamiento inefectivo, y fallas prematuras del compresor.

Claims (13)

1. REIVINDICACIONES 1. Una bomba de calentamiento caracterizada porque comprende una bobina interior para proporcionar calentamiento y enfriamiento a una zona de bienestar interior, y una bobina exterior que es mayor ?rue la bobina interior para expulsar el exceso de calentamiento hacia el ambiente circundante, cuando la bomba de calentamiento está operando en un modo de enfriamiento, una primera línea de refrigerante para conectar la bobina interior a la bobina exterior, primeros medios de válvula en la línea para pasar el refrigerante en una dirección de la bobina interior hacia la bobina exterior, un primer dispositivo de expansión no regulado colocado en la línea entre los primeros medios de válvula y la bobina exterior, y un depósito de refrigerante en la línea colocado entre los medios de válvula y la bobina interior, y una segunda línea de refrigerante para conectar la bobina exterior a la bobina interior que incluye segundos medios de válvula para pasar el refrigerante en una dirección de la bobina exterior hacia la bobina interior y un segundo dispositivo de expansión no regulada colocado en la segunda línea entre los segundos medios de válvula en la bobina interior.
2. 2. La bomba de calentamiento de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque los medios de válvula son válvulas de retención.
3. 3. La bomba de calentamiento de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada además porque incluye primeros medios de- conector para acoplar la segunda línea de refrigerante a la primera línea de refrigerante entre la bobina interior y el depósito de refrigerante.
4. 4. La bomba de calentamiento de conformidad con la reivindicación 3, caracterizada además porque incluye segundos medios de conector para acoplar la primera línea de refrigerante a la segunda línea de refrigerante entre la bobina exterior y los segundos medios de válvula .
5. 5. La bomba de calentamiento de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el depósito de refrigerante está dimensionado para contener suficiente refrigerante líquido para evitar que la bobina exterior se sobrecargue con refrigerante cuando la bomba de calentamiento está operando en un modo de calentamiento.
6. 6. La bomba de calentamiento de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque los dispositivos de expansión no regulados son tubos capilares.
7. 7. Una bomba de calentamiento de refrigerante caracterizada porque comprende: una bobina interior para absorber energía de una zona de bienestar cuando la bomba de calentamiento está en el modo de enfriamiento, para expulsar calor hacia la zona de bienestar cuando la bomba de calentamiento está en un modo de calentamiento, una bobina exterior para expulsar energía hacia el ambiente circundante cuando la bomba de calentamiento está en el modo de enfriamiento, y para absorber energía cuando la bomba de calentamiento está en un modo de calentamiento, la bobina exterior siendo mayor que la bobina interior para expulsar el exceso de energía cuando la bomba de calentamiento está en el modo de enfriamiento, un compresor que tiene un puerto de descarga y un puerto de succión, una válvula de inversión para conectar selectivamente el puerto de descarga del compresor a la bobina interior, y el puerto de succión del compresor a la bobina exterior, cuando la bomba de calentamiento está en el modo de calentamiento, y el puerto de descarga a la bobina exterior, y el puerto de succión a la bobina interior cuando el sistema está en el modo de enfriamiento, una primera línea de refrigerante para conectar la bobina interior a la bobina exterior, primeros medios de válvula en la línea para hacer pasar refrigerante en una dirección desde la bobina interior hacia la bobina exterior, cuando la bomba de calentamiento está operando en un modo de calentamiento, un primer dispositivo de expansión no regulado colocado en la línea entre los primeros medios de válvula y la bobina exterior, y un depósito de refrigerante en la línea que está colocado entre los primeros medios de válvula y la bobina interior, una segunda línea de refrigerante para conectar la bobina exterior a la bobina interior, segundos medios de válvula en la segunda línea para hacer pasar refrigerante en una dirección desde la bobina exterior hacia la bobina interior, cuando la bomba de calentamiento está operando en un modo de enfriamiento, y un segundo dispositivo de expansión no regulado colocado en la segunda línea entre los segundos medios de válvula y la bobina interior, por lo que- una cantidad predeterminada de refrigerante líquido es recogida en el depósito cuando la bomba de calentamiento está operando en el modo de calentamiento.
8. 8. La bomba de calentamiento de conformidad con la reivindicación 7, caracterizada porque los medios de válvula son válvula de retención.
9. 9. La bomba de calentamiento de conformidad con la reivindicación 7, caracterizada porque los dispositivos de expansión no regulados son tubos capilares.
10. 10. La bomba de calentamiento de conformidad con la reivindicación 7, caracterizada además porque incluye primeros medios conectores para acoplar la segunda línea de refrigerante a la primera línea de refrigerante, entre la bobina interior y el depósito de refrigerante.
11. 11. La bomba de calentamiento de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado además porque incluye segundos medios conectores para acoplar la primera línea de refrigerante a la segunda línea de refrigerante entre la bobina exterior y los segundos medios de válvula.
12. 12. La bomba de calentamiento de conformidad con la reivindicación 7, caracterizada porque el compresor es un compresor giratorio y el depósito refrigerante está dimensionado para que la temperatura de aceite en el compresor permanezca aproximadamente 20° por arriba de la temperatura de condensación del refrigerante en el compresor.
13. 13. La bomba de calentamiento de conformidad con la reivindicación 7, caracterizada porque el depósito de refrigerante está dimensionado para evitar el sobrecalentamiento de la bobina exterior con el refrigerante, cuando la bomba de calentamiento está operando en un modo de calentamiento.