PT110900B

PT110900B - Ejetor de geometria variável para aplicações de arrefecimento e sistema de arrefecimento compreendendo o ejetor de geometria variável

Info

Publication number: PT110900B
Application number: PT110900A
Authority: PT
Inventors: Varga Szabolcs; Carlos Figueiredo Coelho De Oliveira Armando; Gomes De Almeida Fernando; Manuel Ferreira Mendes Lopes António; Pedro Barata Rocha Falcão Carneiro João
Original assignee: Univ Do Porto; Inegi Inst De Engenharia Mecanica E Gestao Industrial
Priority date: 2018-08-01
Filing date: 2018-08-01
Publication date: 2021-11-04
Also published as: US11859872B2; PT110900A; WO2020027680A1; EP3830497A1; US20220113063A1

Abstract

É DIVULGADO UM EJETOR (300) DE GEOMETRIA VARIÁVEL PARA APLICAÇÕES DE ARREFECIMENTO COMPREENDENDO UMA CÂMARA (302) DE FLUIDO PRIMÁRIO; UMA CÂMARA (320) DE SUCÇÃO A JUSANTE DA CÂMARA (302) DE FLUIDO PRIMÁRIO; UM BOCAL (310) PRIMÁRIO CONFIGURADO DE FORMA A EJETAR UM FLUIDO DE TRABALHO DA CÂMARA (302) DE FLUIDO PRIMÁRIO PARA A CÂMARA (320) DE SUCÇÃO; E UM ELEMENTO (325) DE CAUDA DISPOSTO A JUSANTE DO BOCAL (310) PRIMÁRIO, EM QUE QUALQUER DE ENTRE O BOCAL (310) PRIMÁRIO E O ELEMENTO (325) DE CAUDA SÃO MÓVEIS EM RELAÇÃO UM AO OUTRO. A INVENÇÃO DIVULGA, AINDA, UM SISTEMA COMPREENDENDO O EJETOR (300) DE GEOMETRIA VARIÁVEL. A INVENÇÃO APLICA-SE À INDÚSTRIA DE APARELHOS E SISTEMAS DE ARREFECIMENTO.

Description

DESCRIÇÃO

EJETOR DE GEOMETRIA VARIÁVEL PARA APLICAÇÕES DE ARREFECIMENTO E SISTEMA DE ARREFECIMENTO COMPREENDENDO O EJETOR DE GEOMETRIA VARIÁVEL

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se a um ejetor de geometria variável para aplicações de arrefecimento. Refere-se, ainda, a um sistema de arrefecimento compreendendo o referido ejetor de geometria variável. A presente invenção aplica-se à indústria de aparelhos e sistemas de arrefecimento.

Antecedentes da Invenção

Um ciclo de arrefecimento de ejetor é um ciclo termodinâmico em que a energia necessária para fazer funcionar um sistema é, principalmente, fornecida sob a forma de calor num gerador de vapor. Esse calor é transferido para o fluxo motriz (ou primário) de um fluido de trabalho a uma pressão relativamente elevada. A energia de pressão do fluxo motriz é, depois, convertida em energia cinética no bocal primário de um ejetor por expansão supersónica a baixa pressão. Em resultado do processo de expansão, é arrastado um fluxo secundário proveniente de um evaporador do ciclo de arrefecimento. A interação e mistura entre os fluxos motriz e secundário resultam num aumento da energia cinética do fluxo secundário, que é convertida em energia de pressão por uma conceção adequada da secção transversal do ejetor. Assim, a função principal do ejetor é comprimir o fluxo secundário proveniente de uma pressão de entrada mais baixa para uma pressão de saída mais alta utilizando a energia do fluxo motriz.

Os ejetores da técnica anterior funcionando em ciclos de arrefecimento têm, tipicamente, uma geometria fixa. Por conseguinte, o desempenho desses ejetores só é bom quando respeitam uma única condição operacional de conceção. 0 desvio da condição de conceção influencia negativamente o desempenho de arrefecimento do ejetor ou pode, eventualmente, levar a falhas do sistema. Por outras palavras, temperaturas/pressões diferentes de entrada e saída obrigam a diferentes geometrias de ejetor.

Por conseguinte, aplicações envolvendo, por exemplo, temperaturas de entrada variáveis, não funcionam adequadamente com tais ejetores de geometria fixa. A título de exemplo, aplicações, tais como sistemas de ar condicionado utilizando energia solar térmica como fonte primária de energia, não são adequadas para trabalhar com esses ejetores conhecidos devido à considerável variabilidade da fonte de energia e das condições ambientais.

A solução atual na técnica para conseguir um funcionamento ideal em condições operacionais variáveis é utilizar um sistema ejetor múltiplo. No entanto, isso envolve um grande esforço em termos de tamanho e complexidade do sistema, com um impacto negativo nos custos de instalação, operação e manutenção.

Como tal, existe a necessidade na técnica de um ejetor concebido de modo a superar as desvantagens acima mencionadas.

A Patente US N.° 4173994 de Hiser, mostra um aparelho de arrefecimento e aquecimento baseado em ciclo de ejetor. 0 ejetor tem uma conceção de geometria fixa, e de modo a compensar a diminuição de desempenho devido a condições operacionais variáveis, um compressor de vapor convencional é ligado em paralelo ao ejetor. Esta solução aumenta os custos iniciais do equipamento e reduz a eficiência quando se utiliza energia solar para executar o ciclo de arrefecimento.

No documento EP1160522A1, é apresentado um sistema de ciclo de ejetor para aplicações de arrefecimento. 0 ejetor tem uma geometria fixa, embora possa incorporar mais bocais múltiplos. 0 fluxo dentro do ejetor é bifásico e um compressor de vapor mecânico é utilizado no ciclo de arrefecimento. A inclusão de um compressor de vapor adiciona complexidade técnica e aumenta o consumo de energia elétrica do sistema, aumentando, assim, os custos associados de produção e operação.

Na patente US6966199B2, é mostrado um ejetor com bocal controlável, utilizando uma válvula de agulha no bocal primário do ejetor que se estende através da secção transversal de saída do bocal. A válvula de agulha estendida desde a secção transversal de saída do bocal é movida por um atuador axial. Para um funcionamento adequado do ciclo de ejetor, é necessário um compressor de vapor para comprimir e descarregar o refrigerante, o que aumenta o consumo de energia elétrica do sistema.

Na patente US6904769B2, é aplicada uma agulha no bocal do ejetor para alterar, simultaneamente, o tamanho de secção transversal da saída do bocal e o tamanho da secção de área constante. Devido à presença da válvula de agulha na parte de velocidade elevada do ejetor, esta configuração resulta em perdas por atrito indesejáveis e fenómenos de choque próximo da superfície de parede da agulha. 0 ejetor faz parte de um sistema de compressão de vapor dependendo de um compressor de vapor, envolvendo as desvantagens acima mencionadas.

Na patente US7779647B2 e na patente US8047018B2, um ejetor é incorporado num sistema de refrigeração de compressão de vapor tipicamente utilizado para o ar condicionado de um veículo. 0 ejetor executa meios redutores de pressão e meios de circulação para a circulação do refrigerante a jusante do radiador. Na patente US7779647B2, uma agulha é utilizada para controlar a área de passagem da parte do bocal. Um ramal de fluxo de saída de refrigerante é acoplado à parte do bocal para redirecionar uma parte do refrigerante para o evaporador do ciclo de arrefecimento. No seu percurso, o trabalho de expansão pode ser parcialmente recuperado. Assim, com esta disposição, o ejetor funciona como um dispositivo de recuperação de trabalho de expansão.

Um ejetor bifásico é utilizado no documento WO2013/003179A1 numa máquina de refrigeração para recuperar trabalho de expansão num sistema de compressão de vapor. Este sistema também utiliza um compressor mecânico como principal meio de compressão de vapor. 0 ejetor exemplificativo é bifásico com refrigerante de C0₂ que está em estado supercrítico na entrada primária. Afirmase que o ejetor pode ser de tipo controlável, com uma agulha estendida até à garganta do bocal.

Na patente chinesa CN104676957, um tradicional acelerador de um sistema de compressão de vapor é substituído por um ejetor ajustável. 0 sistema incorpora o ejetor ajustável e outros meios de compressão de vapor. No bocal motorizado do ejetor, é utilizado um pino de regulação para ajustar a área de secção transversal do bocal motorizado. A posição do pino de regulação é ajustada utilizando uma ligação roscada e é baseada na medição da temperatura de armazenamento, cálculo da eficiência de armazenamento e valores alvo.

Na patente US 2016/0186783 Al, um ejetor é utilizado para um sistema de refrigeração por compressão de vapor, de modo a reduzir o consumo de energia do compressor mecânico. O compressor mecânico é o principal meio de compressão do refrigerante antes de entrar no condensador (radiador). O fluxo no interior do ejetor encontra-se no estado bifásico gásliquido. O ejetor pode compreender um corpo de válvula no interior da parte do bocal convergente para alterar a área de secção transversal de passagem de refrigerante. A válvula de agulha é colocada na parte do bocal convergente e estende-se desde a parte do bocal até à porta de injeção de refrigerante. Esta válvula de agulha é descrita como uma válvula de agulha de eixo central de formato cónico, afunilada na direção do lado de jusante no fluxo de refrigerante. Nenhum detalhe especifico é dado sobre a forma cónica da agulha e a sua função especifica.

Os sistemas de arrefecimento da técnica anterior compreendendo ejetores de geometria fixa exigem meios mecânicos adicionais de compressão de vapor. Essas soluções aumentam a complexidade dos sistemas e o custo inerente dos mesmos.

Em particular, há a necessidade na técnica de meios técnicos para compressão de vapor térmica de um fluido refrigerante num ciclo de arrefecimento utilizando um único ejetor. Por outras palavras, há a necessidade de um sistema de ciclo de arrefecimento que não requer a utilização de múltiplos meios mecânicos de compressão de vapor.

A presente invenção visa superar as desvantagens acima mencionadas.

Sumário da Invenção

A presente invenção refere-se a um ejetor (300) de geometria variável para aplicações de arrefecimento compreendendo:

• uma câmara (302) de fluido primário, • uma câmara (320) de sucção a jusante da câmara (302) de fluido primário, • um bocal (310) primário disposto de modo a ejetar um fluido de trabalho desde a câmara (302) de fluido primário para a câmara (320) de sucção e • um elemento (325) de cauda disposto a jusante do bocal (310) primário, caracterizado por qualquer de entre o bocal (310) primário e o elemento (325) de cauda serem móveis em relação um ao outro.

Em particular, o ejetor (300) de geometria variável compreende um meio de ajuste de posição de saida do bocal primário (NXP) para mover qualquer de entre o bocal (310) primário e o elemento (325) de cauda em relação um ao outro.

referido meio de ajuste é selecionado do grupo compreendendo um atuador mecânico, atuador elétrico, atuador eletrónico, atuador hidráulico, atuador pneumático e suas combinações.

Numa forma de realização, o meio de ajuste de NXP compreende uma placa (370) atuadora unida a barras (375) de acionamento móveis, e um motor (380) ligado às barras (375).

Numa outra forma de realização, o meio de ajuste de NXP compreende, ainda, uma placa (377) de veio de motor móvel ligada a um veio (376) rotativo do motor (380) e ligada às barras (375) de acionamento.

De acordo com uma forma de realização preferida, a câmara (302) de fluido primário está dotada de uma porta (309) de entrada de fluido primário, e a câmara (320) de sucção está dotada de uma porta (319) de entrada de fluido secundário; o bocal (310) primário compreende uma secção (311) convergente cónica primária, uma garganta (312) e uma secção (311) de saída divergente cónica finalizando numa saída (314) de bocal; e o elemento (325) de cauda compreende uma secção (330) convergente cónica secundária, uma secção (340) de área constante e uma secção (350) de difusor.

Noutra forma de realização, o ejetor (300) de geometria variável compreende, ainda, um meio (308) de deslocamento de relação de área (r_A) disposto a montante do bocal (310) primário. De um modo preferido, o meio (308) de deslocamento de relação de área (r_A) é um fuso móvel. De um modo mais preferido, o referido fuso (308) pode ser movido axialmente entre uma primeira posição, na qual uma ponta (304) de fuso está disposta no exterior da secção (311) convergente cónica do bocal (310) primário, e uma segunda posição, na qual a ponta (304) de fuso se encontra no interior da garganta (312) de bocal, bloqueandoa. Num aspeto particular, a referida ponta (304) de fuso tem duas partes obliquas diferentes.

Ainda numa outra forma de realização, o ejetor (300) de geometria variável compreende um meio (308) de deslocamento de relação de área (γα) disposto a montante do bocal (310) primário e um meio de ajuste de NXP disposto para mover o elemento (325) de cauda em relação à saida (314) de bocal primário do bocal (310) primário.

A presente invenção também se refere a um sistema ejetor compreendendo um ejetor (300) de geometria variável da invenção.

Numa forma de realização, o sistema ejetor compreende, ainda, uma unidade (800) de controlo e um gerador (210) de vapor, um condensador (700), um separador (400) de vapor, uma válvula (500) de expansão, um evaporador (600), uma bomba (110) de líquido e tubagens.

Breve Descrição dos Desenhos

A descrição dos detalhes e funcionamento da invenção será mais facilmente compreensível quando efetuada em conjunto com os desenhos anexos, nos quais:

A Fig. 1 mostra um diagrama esquemático de um sistema de ciclo de arrefecimento da técnica anterior utilizando um ejetor da técnica anterior.

A Fig. 2 é uma vista esquemática de um ejetor da técnica anterior.

A FIG. 3 mostra um diagrama esquemático de um sistema de ciclo de arrefecimento concebido para ser utilizado com o ejetor de geometria variável da invenção.

A Fig. 4 é uma vista em corte de uma forma de realização preferida do ejetor de geometria variável da invenção.

A Fig. 5 é um detalhe do bocal primário do ejetor da Fig. 4.

A Fig. 6 é um detalhe de uma ponta de fuso preferida utilizada em associação com o ejetor da invenção.

A Fig. 7 é um detalhe de um mecanismo de movimento de fuso preferido do ejetor de geometria variável da Fig. 4.

A Fig. 8 é um detalhe de um mecanismo preferido para ajustar a posição de saída de bocal no ejetor de geometria variável da Fig. 4.

A Fig. 9 é uma vista em corte de uma forma de realização preferida do ejetor de geometria variável da invenção.

Descrição Detalhada da Invenção

Tendo em vista os problemas acima mencionados, é um objetivo da presente invenção proporcionar um ejetor de geometria variável (VGE) que possa funcionar eficientemente, sem falhas, numa gama mais alargada de condições operacionais do que os dispositivos convencionais de geometria fixa.

Outro objetivo da presente invenção é proporcionar um sistema de arrefecimento funcionando de acordo com um ciclo de ejetor, utilizando o sistema um único ejetor de geometria variável da invenção sem a necessidade de meios mecânicos de compressão de vapor adicionais. Com o sistema da presente invenção, o fluxo de refrigerante no interior do ejetor é mantido numa única fase de vapor.

desempenho do ejetor num ciclo de arrefecimento pode ser medido pelo coeficiente de desempenho (COP) e pela contrapressão crítica. 0 COP é uma medida da capacidade de arrefecimento útil relativamente à taxa de entrada de energia. A contrapressão crítica é a pressão máxima na saída do ejetor para a qual o caudal de fluxo secundário é constante, desde que o estado de fluido motriz no bocal primário do ejetor não se altere. 0 funcionamento ideal de um ejetor é o que assegura o maior COP possível e está próximo da sua contrapressão crítica.

De acordo com a presente invenção e recorrendo às Figs. 4 e 5, o ejetor (300) de geometria variável da invenção compreende uma câmara (302) de fluido primário; uma câmara (320) de sucção a jusante da câmara (302) de fluido primário; um bocal (310) primário disposto de modo a ejetar um fluido de trabalho desde a câmara (302) de fluido primário para a câmara (320) de sucção; e um elemento (325) de cauda disposto a jusante do bocal (310) primário; em que qualquer de entre o bocal (310) primário e o elemento (325) de cauda é móvel em relação ao outro.

Surpreendentemente, verificou-se que, ao variar um fator geométrico dependente da posição de saída do bocal primário (também designada NXP a seguir), os efeitos e vantagens acima mencionados são cumpridos, dado que se descobriu que a NXP afeta tanto o COP como a contrapressão crítica. Na prática, fazer com que qualquer de entre o bocal (310) primário e elemento (325) de cauda seja móvel em relação ao outro permite ajustar a referida NXP, conseguindo-se, assim, os efeitos técnicos desej ados.

Numa forma de realização preferida, a câmara (302) de fluido primário está dotada de uma porta (309) de entrada de fluido primário, enquanto a câmara (320) de sucção está dotada de uma porta (319) de entrada de fluido secundário; o bocal (310) primário compreende uma secção (311) convergente cónica primária, uma garganta (312) e uma secção (311) de saída divergente cónica finalizando numa saída (314) de bocal; e o elemento (325) de cauda compreende uma secção (330) convergente cónica secundária, uma secção (340) de área constante e uma secção (350) de difusor.

O bocal (310) primário é disposto de modo a permitir a comunicação de um fluido de trabalho da câmara (302) de fluido primário para a câmara (320) de sucção.

Em funcionamento, o bocal (310) primário define o percurso de escoamento de um fluxo primário (ou motriz) e o elemento (325) de cauda é o elemento do ejetor (300) de geometria variável onde o fluxo primário expandido (proveniente do bocal primário) arrasta um fluxo secundário (ou de sucção) de um fluido de trabalho, que é, aí, comprimido e, depois, descarregado para um condensador. 0 funcionamento da forma de realização preferida da invenção é explicado em mais detalhe em seguida.

Um meio de ajuste de NXP é configurado para mover qualquer de entre o bocal (310) primário e o elemento (325) de cauda em relação ao outro.

Na forma de realização preferida, o meio de ajuste de NXP é concebido para uma mudança ativa e independente da secção transversal livre para o fluxo secundário na secção (330) convergente cónica do elemento (325) de cauda. Neste caso, um tal ajuste é obtido ao alterar a posição do elemento (325) de cauda em relação à saída (314) do bocal primário. São utilizados atuadores para ajustar a NXP ao atuarem ao longo da direção axial do ejetor (300) de geometria variável.

De um modo preferido, o meio de ajuste de NXP é selecionado do grupo compreendendo um atuador mecânico, atuador elétrico, atuador eletrónico, atuador hidráulico, atuador pneumático e suas combinações.

No que se refere à Fig. 8, o meio de ajuste de NXP compreende uma placa (370) atuadora unida a barras (375) de acionamento móveis, e um motor (380) ligado às barras (375).

Na forma de realização preferida da Fig. 8, o meio de ajuste de NXP compreende uma placa (370) atuadora unida a barras (375) de acionamento móveis, e um motor (380) ligado às barras (375) por meio de uma placa (377) de veio de motor móvel, que também está ligada a um veio (376) rotativo do motor (380).

Formas de realização diferentes do meio de ajuste de NXP podem ser concebidas pelos especialistas na técnica sem se divergir da presente invenção.

De um modo preferido, o ejetor (300) variável compreende, ainda, um meio (308) de deslocamento de r_A disposto a montante do bocal (310) primário.

O meio (308) de deslocamento de relação de área (r_A) permite variar uma relação de área (designada, aqui, por r_A) entre a secção (340) de área constante do elemento (325) de cauda e a garganta (312) de bocal primária. Um aumento da relação de área (r_A) aumenta o COP e, simultaneamente, diminui a contrapressão crítica, e, assim, pode conseguir-se um valor ideal dependendo das condições operacionais.

Ao dotar o ejetor (300) variável da invenção com os meios para fazer variar estes dois fatores geométricos mencionados: relação de área (r_A) e NXP, o desempenho do ejetor (300) em condições operacionais variáveis melhora consideravelmente.

O processo de expansão do fluxo motriz a jusante da secção (313) de saída do bocal primário também depende das condições operacionais. Ao ajustar a posição de saída do bocal primário (NXP) na secção (330) convergente cónica do elemento (325) de cauda, a secção transversal livre para o fluxo secundário pode ser controlada.

Numa forma de realização preferida, o meio (308) de deslocamento de relação de área é um fuso móvel. O referido fuso está disposto no lado de alta pressão, baixa velocidade, do bocal (310) primário. Nesta forma de realização, um atuador atuando sobre o fuso altera a posição axial do fuso em relação à garganta (312) do bocal. A forma do fuso é concebida de modo a permitir uma afinação fina da relação de área (γα) ideal.

Mais especificamente, o referido fuso (308) é movido axialmente entre uma primeira posição, na qual uma ponta (304) de fuso fica disposta no exterior da secção (311) convergente cónica do bocal (310) primário, e uma segunda posição, na qual a ponta (304) de fuso fica no interior da garganta (312) do bocal, bloqueando-a. Esta disposição permite um deslocamento do fuso entre a primeira posição, na qual a garganta (312) do bocal fica completamente aberta, e a segunda posição, na qual a garganta (312) do bocal fica completamente fechada ao fluxo primário do fluido de trabalho.

De um modo preferido, a referida ponta (304) de fuso tem duas partes obliquas diferentes, como melhor explicado abaixo em associação com a descrição da forma de realização preferida. Esta disposição proporciona um melhor funcionamento do fuso.

É outro objetivo da invenção proporcionar um sistema ejetor para aplicações de arrefecimento. 0 sistema compreende um ejetor (300) de geometria variável da invenção. O sistema pode funcionar de acordo com um ciclo de arrefecimento simples com um número reduzido de componentes que podem ser integrados de forma económica, por exemplo, num condicionador de ar alimentado por energia solar térmica.

No que se refere à Fig. 3, uma forma de realização particular do sistema ejetor compreende um ejetor (300) de geometria variável da invenção. Além disso, compreende um gerador (210) de vapor, um condensador (700), um separador (400) de vapor, uma válvula (500) de expansão, um evaporador (600), uma bomba (110) de liquido, tubagens e uma unidade (800) de controlo.

A unidade (800) de controlo permite controlar automaticamente um ou ambos os referidos meios de deslocamento de relação de área (rA) e de ajuste de NXP. Isso assegura um controlo eficiente da referida relação de área (γα) e/ou da posição de saída do bocal primário (NXP).

A unidade de controlo compreende instrumentação, hardware e software. A instrumentação da unidade de controlo compreende sensores de pressão/temperatura nas entradas e saída do ejetor de geometria variável e medidores de caudal. Os componentes de hardware são selecionados do grupo compreendendo um computador pessoal ou placa-mãe, conversor de frequência, dispositivo de registo de dados, atuadores e afins, e suas combinações. Os componentes de software podem incluir algoritmos de redes neurais artificiais de aprendizagem supervisionada ou aprendizagem não supervisionada ou outros.

A presente invenção é particularmente adequada para ser instalada em sistemas de ar condicionado utilizando energia solar térmica como fonte de energia primária, devido à considerável variabilidade da fonte de energia e às condições ambientais. Assegura uma operação eficiente do ciclo de arrefecimento na medida em que adapta ativamente a sua geometria às condições operacionais.

Vários fluidos de trabalho diferentes são adequados para serem utilizados em associação com a presente invenção. Estes fluidos de trabalho são selecionados do grupo compreendendo

R600a, R290, RC318, R134a, R152a, R600, R245fa, água e outros semelhantes e suas combinações.

Descrição da Forma de Realização Preferida

A forma de realização preferida da presente invenção será, aqui, descrita recorrendo aos desenhos anexos.

Para uma melhor compreensão da invenção, um sistema de ciclo de arrefecimento da técnica anterior é mostrado na Fig. 1 e será, agora, aqui descrito. Um compressor (100) comprime um refrigerante em fase de vapor proveniente de um separador (400) de gás/liquido. Depois do compressor (100), um permutador (200) de calor é disposto onde o refrigerante pode ser arrefecido utilizando um fluido de temperatura mais baixa (não mostrado). 0 fluido sob pressão elevada que sai do permutador (200) de calor entra no ejetor (300) num bocal (310) primário, tipicamente, em estado supercritico. O refrigerante líquido do fundo de um separador (400) de gás/liquido é conduzido através de um dispositivo (500) redutor de pressão, e. g., válvula. Pelo processo de evaporação num evaporador (600), o efeito de arrefecimento é produzido quando o refrigerante troca calor com ar ou outro fluido (não mostrado). Durante esta troca de calor, o fluido de trabalho (refrigerante) é evaporado e a temperatura do ar (ou de outro fluido) é reduzida. O vapor a baixa pressão produzido é, então, arrastado para o ejetor (300) através de um lado (320) de baixa pressão. De modo a fechar o ciclo de arrefecimento, os dois fluxos (fluxos a baixa pressão e a pressão elevada) misturam-se e são descarregados para o separador (400) de gás/liquido.

A secção transversal de um ejetor (300) da técnica anterior é mostrada na Fig.2. 0 ejetor (300) é composto por um bocal (310) primário, uma câmara (320) de sucção, uma secção (330) convergente cónica, uma secção (340) de área constante e um difusor (350) divergente. Em funcionamento, recorrendo, ainda, à Fig. 1, o fluxo a pressão elevada ou motriz, em estado supercritico ou subcritico, proveniente do permutador (200) de calor, entra no bocal (310) primário a baixa velocidade. É acelerado na secção (311) convergente cónica do bocal (310) primário na direção da garganta (312) do bocal, onde atinge a velocidade do som. Após a garganta (312) do bocal, o fluxo motriz de refrigerante é, ainda, expandido, deixando, assim, a secção (313) de saída do bocal sob a forma de um jato primário com uma elevada energia cinética e baixa pressão estática no estado subcritico. Este jato primário aspira o fluxo de refrigerante a baixa pressão (secundário) proveniente do evaporador (600) do sistema de ciclo de arrefecimento (onde ocorre o efeito de arrefecimento) através da câmara (320) de sucção. Devido à grande diferença de velocidade entre os fluidos motriz e secundário, desenvolve-se uma camada de cisalhamento entre os dois fluxos que leva à aceleração do fluxo secundário. Em funcionamento normal, o fluido secundário inicia a mistura com o fluxo primário depois de atingir uma velocidade sónica na secção (330) convergente cónica. O processo de mistura após a secção (313) de saída do bocal primário é bastante complexo devido à interação entre os dois fluxos de fluido e a parede do ejetor. Durante este processo, a pressão estática do fluxo primário tende a aumentar gradualmente até equivaler à pressão do fluxo secundário. Depois de o processo de mistura ser concluído, um choque final ocorre em algum lugar na secção (340) de área constante. O fluxo resultante passa a ser subsónico. A pressão é, então, aumentada no difusor (350) divergente, na direção da porta (360) de saída. O refrigerante deixa o ejetor através da saída como uma mistura de líquido/vapor.

A Fig. 3 mostra a forma de realização preferida de um sistema de ciclo de arrefecimento compreendendo um ejetor (300) de geometria variável. A invenção é, de um modo preferido, adequada para a implementação de um ciclo de arrefecimento utilizando refrigerantes compatíveis com o ambiente (também chamados fluidos de trabalho), tais como o R600a. O sistema requer consideravelmente menos energia elétrica do que os da técnica anterior, já que não necessita de utilizar um compressor de vapor mecânico. O refrigerante líquido da parte inferior de um separador (400) de vapor é dividido em dois fluxos: o fluxo (10) primário e o fluxo (20) secundário. O fluxo (10) primário em estado líquido comprimido entra numa bomba (110) de líquido, que aumenta a pressão do refrigerante. A bomba (10) descarrega o refrigerante para um permutador de calor normalmente chamado gerador (210) de vapor. No gerador (210) de vapor, recebe calor de uma fonte de calor externa (não mostrada), que é, de um modo preferido, proporcionada a partir de calor residual ou energia térmica solar. O refrigerante no estado de vapor (saturado ou superaquecido) e a alta pressão é transportado através uma passagem de ligação, por exemplo, um tubo, para uma entrada primária do ejetor (300) de geometria variável. O refrigerante pode encontrar-se num estado de saturação ou sobreaquecido, dependendo da natureza do refrigerante utilizado. O fluxo (20) secundário é dirigido para um dispositivo de expansão, tal como uma válvula (500) de expansão, onde baixa a sua pressão estática para a pressão determinada pela temperatura de evaporação. A maior parte da evaporação ocorre num permutador de calor habitualmente chamado evaporador (600). No evaporador (600), o calor é removido diretamente do ar ou de outro fluido (não mostrado) pelo fluxo (20) secundário do refrigerante, cuja temperatura é inferior à temperatura ambiente. O refrigerante é descarregado do evaporador (600) como um vapor saturado ou ligeiramente superaquecido e entra no ejetor (300) de geometria variável por um lado de entrada secundária a baixa pressão e velocidade. No ejetor (300) de geometria variável, os fluxos primário (10) e secundário (20) misturam-se, e a pressão do fluxo (20) secundário é aumentada para um nivel intermédio que é inferior à pressão na entrada primária. A geometria do ejetor de geometria variável é ajustada por comando de uma unidade (800) de controlo. O fuso e as posições de saída do bocal variam dependendo das condições operacionais. Um fluxo (30) misto em estado de vapor superaquecido entra num permutador de calor conhecido como condensador (700), onde é condensado ao libertar energia para o ar exterior ou outro fluido (não mostrado). Depois, o refrigerante sai do condensador (700) no estado líquido, de um modo preferido, com algum grau (5-10 °C) de subarrefecimento. Após o condensador (700), o refrigerante passa por um separador (400) de vapor para evitar danos na bomba (110) à frente devido a efeitos de cavitação na presença de possíveis bolhas de vapor (quando o subarrefecimento não está presente).

Uma vista em corte de uma forma de realização preferida do ejetor (300) de geometria variável da presente invenção é mostrada na Fig. 4. Nesta forma de realização, o ejetor (300) de geometria variável compreende várias partes formando o canal de escoamento para o fluido de trabalho e atuadores para ajustar a geometria do ejetor dependendo das condições operacionais.

Para uma melhor compreensão do ejetor (300) de geometria variável e do seu funcionamento, o caminho de escoamento do fluxo de refrigerante é explicado em seguida, em primeiro lugar. 0 fluxo primário do refrigerante entra numa câmara (302) de fluido primário do ejetor (300) a alta pressão e a baixa velocidade através da entrada (309) primária. Na entrada (309), o refrigerante encontra-se, numa única fase, no estado de vapor saturado ou superaquecido. Um bocal (310) primário na câmara (302) primária compreende uma secção (311) convergente cónica, uma garganta (312) e uma secção (313) de saída divergente cónica, como mostrado na Fig. 5. O fluxo primário do refrigerante é acelerado na secção (311) convergente cónica e atinge condições de estrangulamento na garganta (312) (número Mach igual a 1). Na secção (313) divergente cónica, expande-se ainda mais ao aumentar a sua velocidade para um fluxo supersónico e baixar a sua pressão estática. O fluxo primário atinge a sua energia cinética mais elevada e a pressão mais baixa na saída (314) da secção (313) de saída divergente cónica. Quando o fluxo primário sai em leque do bocal (310) primário, arrasta um fluxo (20) secundário, proveniente do evaporador (600), que se encontra no estado de vapor saturado ou ligeiramente superaquecido, como já mencionado em relação com a Fig. 3. Entra no ejetor (300) de geometria variável, através de uma porta (319) de entrada secundária, na câmara (320) secundária (ou de sucção), e também a baixa velocidade. O fluxo (20) secundário começa a acelerar numa secção (330) convergente cónica do elemento (325) de cauda. Em condições normais, o fluxo (20) secundário atinge a velocidade do som algures na secção (330) convergente cónica e mistura-se com o fluxo (10) primário na secção (340) de área constante do elemento (325) de cauda. Dependendo da pressão de saída, o fluxo misturado passa a subsónico pela extremidade da secção (340) de área constante ou no início do difusor (350) divergente do elemento (325) de cauda. Depois, o refrigerante misturado sai do ejetor (300) de geometria variável através de uma porta (360) de saída a uma pressão intermédia e num estado de vapor sobreaquecido. Assim, o fluido refrigerante percorre o ejetor (300) numa única fase de vapor.

Uma relação de área (r_A) entre a secção transversal da secção (340) de área constante no elemento (325) de cauda e a garganta (312) de bocal primário pode ser alterada por um fuso (308) móvel disposto na câmara (302) de fluido primário. A relação de área (r_A) varia entre um valor finito, determinado pela área de secção transversal da secção (340) de área constante e os diâmetros da garganta (312) de bocal primário, e um infinito, quando a ponta (304) de fuso bloqueia a passagem livre do fluido de trabalho na garganta (312).

Verificou-se que, de um modo preferido, o semiângulo da secção (311) convergente cónica do bocal (310) primário deve ser maior do que o semiângulo da ponta (304) de fuso. Na forma de realização exemplificativa, o semiângulo do bocal (310) primário é 30° e obtêm-se melhores resultados num intervalo compreendido entre 20° a 40°. Assim, a ponta (304) de fuso pode ter um único semiângulo entre 5^o e 15°. No entanto, como retratado na Fig. 6, é preferida uma conceção de ponta de fuso tendo duas partes oblíquas diferentes, com uma primeira parte de ângulo mais pequena e uma segunda parte de ângulo maior. A configuração exemplificativa da Fig. 6 mostra uma primeira parte de ângulo mais pequena com um semiângulo de 7^o e a segunda parte de ângulo maior com um semiângulo de 12°.

movimento axial do fuso (308) é conseguido por meios de acionamento (ou, no presente documento, atuadores), tal como um mecanismo atuador/de transmissão. Um meio de acionamento exemplificativo é proporcionado na Fig. 7. Em funcionamento, o fuso (308) móvel move-se na direção axial entre duas posições extremas. Na primeira posição extrema, a ponta (304) de fuso está posicionada fora do início da secção (311) convergente cónica do bocal (310) primário. Na segunda posição extrema, a ponta (304) de fuso toca na parede da garganta (312) do bocal, bloqueando, assim, a passagem livre para o fluido de trabalho no bocal (310) primário.

O alinhamento adequado do fuso (308) móvel pode ser assegurado, por exemplo, por uma placa (303) de guiamento e vedação, mostrada na Fig. 7. Na solução exemplificativa da Fig. 7, a ligação mecânica entre um motor (306) passo a passo exemplificativo e o fuso (308) móvel é assegurada por meios (307) de transmissão no interior de uma câmara (305) de transmissão. Também se podem utilizar outros tipos de atuadores para assegurar o movimento axial do fuso (308) móvel, e. g. , atuador mecânico, utilizando a pressão de um gás inerte (não mostrado).

A posição relativa (NXP) da saída (314) de bocal em relação ao elemento (325) de cauda pode ser ajustada pelo movimento axial relativo do elemento (325) de cauda em relação à referida saída (314) de bocal, como mostrado na Fig. 6 quando vista em associação com a Fig. 4.

Nesta forma de realização, o eixo do elemento (325) de cauda está alinhado com o eixo do bocal (310) primário por um invólucro da câmara (320) de sucção e uma placa (355) de suporte. Em funcionamento, durante o ajuste axial da NXP, a posição da câmara (320) de sucção e da placa (355) de suporte permanece inalterada. O movimento axial do elemento (325) de cauda é efetuado por uma placa (370) atuadora unida a barras (375) de acionamento móveis e pelo veio (376) rotativo de um motor (380) elétrico passo a passo pela placa (377) de veio de motor. O alinhamento de distância adequado do motor (380) elétrico da placa (355) de suporte e o seu alinhamento é assegurado pelas barras (378) de suporte fixas e pela placa (390) de invólucro do motor.

Pode utilizar-se um controlo automatizado para auxiliar o funcionamento do ejetor de geometria variável da invenção. Uma unidade (800) de controlo, tal como, por exemplo, um controlador eletrónico, permite um desempenho otimizado do ejetor e do ciclo de arrefecimento em condições operacionais variáveis.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Ejetor (300) de geometria variável para aplicações de arrefecimento compreendendo:

• uma câmara (302) de fluido primário, • uma câmara (320) de sucção a jusante da câmara (302) de fluido primário, • um bocal (310) primário de ejeção de fluido de trabalho e • um elemento (325) de cauda disposto a jusante do bocal (310) primário, caracterizado por qualquer de entre o bocal (310) primário e o elemento (325) de cauda serem móveis um em relação ao outro.

2. Ejetor (300) de geometria variável de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender um meio de ajuste de NXP para mover qualquer de entre o bocal (310) primário e o elemento (325) de cauda um em relação ao outro.

3. Ejetor (300) de geometria variável de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o meio de ajuste de NXP ser selecionado do grupo compreendendo atuador mecânico, atuador elétrico, atuador eletrónico, atuador hidráulico, atuador pneumático e suas combinações.

4. Ejetor (300) de geometria variável, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por o meio de ajuste de NXP compreender uma placa (370) atuadora unida a barras (375) de acionamento móveis e um motor (380) ligado às barras (375) .

5. Ejetor (300) de geometria variável, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por o meio de ajuste de NXP compreender, ainda, uma placa (377) de veio de motor móvel ligada a um veio (376) rotativo do motor (380) e ligada às barras (375) de acionamento.

6. Ejetor (300) de geometria variável de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por:

• a câmara (302) de fluido primário estar dotada de uma porta (309) de entrada de fluido primário e a câmara (320) de sucção estar dotada de uma porta (319) de entrada de fluido secundário;

• o bocal (310) primário compreender uma secção (311) convergente cónica primária, uma garganta (312) e uma secção (311) de saida divergente cónica finalizando numa saída (314) de bocal; e • o elemento (325) de cauda compreender uma secção (330) convergente cónica secundária, uma secção (340) de área constante e uma secção (350) de difusor.

7. Ejetor (300) de geometria variável de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 6, caracterizado por compreender, ainda, um meio (308) de deslocamento de relação de área (ra) disposto a montante do bocal (310) primário.

8.

Ejetor (300) de reivindicação 7, deslocamento de r_A geometria variável, caracterizado por ser um fuso móvel.

de acordo com a o meio (308) de

9.

Ejetor (300) de geometria variável de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por o fuso (308) poder ser movido axialmente entre uma primeira posição, na qual uma ponta (304) de fuso está disposta no exterior da secção (311) convergente cónica do bocal (310) primário e uma segunda posição, na qual a ponta (304) de fuso se encontra no interior da garganta (312) de bocal, bloqueando-a.

10.

Ejetor (300) de geometria variável de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por a referida ponta (304) de fuso ter duas partes oblíquas diferentes.

11.

Ejetor (300) de geometria variável, de acordo com qualquer das reivindicações 7 a 10, caracterizado por compreender um meio de ajuste de NXP disposto para mover o elemento (325) de cauda em relação à saída (314) de bocal primário do bocal (310) primário.

12.

Sistema ejetor compreendendo um ejetor (300) de geometria variável de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 11.

13.

Sistema ejetor de acordo com a reivindicação 12, compreendendo, ainda, uma unidade (800) de controlo.

14 .

Sistema ejetor, de acordo com a reivindicação 13, compreendendo, ainda, um gerador (210) de vapor, um condensador (700), um separador (400) de vapor, uma válvula (500) de expansão, um evaporador (600), bomba (110) de liquido e tubagens.

uma