PT1337793E - Sistema reversível de recuperação de energia calorífica - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO

SISTEMA REVERSÍVEL DE RECUPERAÇÃO DE ENERGIA CALORÍFICA A invenção refere-se a um sistema reversível de recuperação por extracção e transferência de energia calorífica entre, pelo menos, dois meios diferentes, por exemplo, entre o exterior e um lugar habitável, de trabalho, de armazenamento ou qualquer outro em que se necessite de uma entrada de calorias ou frigorias de acordo com o preâmbulo da reivindicação 1. Tal sistema é conhecido pelo documento US-A-5 937 663.

As necessidades de calor em período frio de um lugar habitável, de trabalho ou outro lugar resumem-se, de maneira simples, a uma quantidade de calorias destinada ao aquecimento do ar e uma menor quantidade de calorias destinada ao aquecimento da água sanitária. Esta última varia fortemente em função do número de pessoas que está a utilizar água quente sanitária ou a gerar indirectamente tal necessidade.

De Verão, a energia consagrada ao aquecimento desaparece enquanto que a quantidade de energia calorífica consagrada à água sanitária só diminui ligeiramente.

Nos lugares climatizados, gera-se um consumo adicional de energia. Trata-se da extracção das calorias das residências, dos escritórios ou dos estabelecimentos. Esta quantidade de calorias extraídas perde-se frequentemente uma vez que é rejeitada ou dissipada para o exterior das casas ou dos edifícios.

Estas quantidades de calorias e de frigorias podem proceder de uma mesma fonte de energia, geralmente a electricidade ou outras fontes de diferente natureza, por exemplo, um combustível e uma caldeira por um lado, e a electricidade e uma instalação de climatização, por outro. 1/23

Naturalmente, com o encarecimento da energia, várias soluções de economia foram propostas e aplicadas.

Trata-se de modos e de durações de funcionamento que dependem dos indices de ocupação, de regulação, mas também das economias de energia provenientes da recuperação ou da extracção de calorias num meio exterior de acesso livre e gratuito.

Foi assim que apareceram as bombas de calor.

Trata-se de máquinas frigoríficas que transferem o calor de um meio para o outro utilizando como veículo um fluido frigorífico que passa sucessivamente de um estado gasoso a um estado líquido e inversamente pela sucessão de fases de compressão e de descompressão.

Para realizar também a climatização das residências, dos escritórios, dos estabelecimentos ou outros, construíram-se e utilizaram-se conjuntos reversíveis de bomba de calor (ver o documento US-A-5 074 120).

Assim, utiliza-se actualmente a rede de aquecimento integrada nos pisos dos conjuntos de aquecimento pelo solo para produzir uma arrefecimento de climatização no Verão.

As bombas de calor e os conjuntos de recuperação de energia caracterizam-se por um índice denominado de coeficiente de prestações que intervém no rendimento energético da instalação e, portanto, nos ganhos obtidos ao aprovisionar-se parcialmente num meio de extracção de calorias gratuitas.

Com o passar dos anos, os compressores específicos das bombas de calor melhoraram em fiabilidade, em rendimento próprio e em custo e as instalações e tornaram-se deste modo mais eficientes. 2/23

Este é o caso também dos permutadores tais como os evaporadores ou os condensadores cujo rendimento melhorou e cujo custo diminuiu.

Pelo contrário, em relação às outras partes dos conjuntos de recuperação de bombas a calor, só se puderam obter ganhos menores. Estes representam apenas um reduzido valor na melhoria do rendimento global, em qualquer caso, insuficientes para originar um aumento de interesse por este produto e para voltar a dinamizar o mercado. A presente invenção tem por objectivo melhorar ainda mais o rendimento global das instalações de recuperação de energia calorífica utilizando uma bomba de calor.

Esta tem também como objectivo melhorar este rendimento global no caso de uma realização reversível em que as calorias são extraídas das residências e dos estabelecimentos.

De acordo com a invenção, as calorias já não são rejeitadas para o exterior, mas utilizadas para outras necessidades, por exemplo, o aquecimento da água sanitária, da água de piscina ou qualquer outra necessidade de aquecimento e inclusive de cozedura. 0 sistema de recuperação e de transferência de calor de acordo com a invenção está definida na reivindicação 1. 0 sistema de acordo com a invenção apresenta grandes prestações e, em particular, um rendimento excelente.

Como se verá à continuação, a ausência de válvula tradicional de três ou quatro vias assim como de um único compressor ou de um compressor principal reforçado com pelo menos um sequndo compressor utilizado como rendição do compressor principal proporcionam uma sensível melhoria na diminuição de perdas. 3/23

Por outro lado, vários modos específicos de comandos de funcionamento e de regulação melhoram ainda mais o rendimento global.

Além disso, a presença de um separador específico da fase multifunção proporciona um aumento de fiabilidade e uma melhoria do rendimento.

Finalmente, a pluralidade de válvulas calibradas e controladas à distância assegura uma flexibilidade de funcionamento excepcional tanto em modo Inverno como em modo Verão. A utilização de permutadores com placas particularmente eficientes para a transferência da energia aos circuitos de utilização aumenta o rendimento e a rapidez de transferência.

Outras características e vantagens da invenção são mencionadas na descrição seguinte, proporcionada a título de exemplo e acompanhada pelos desenhos, em que: • a figura 1 é o esquema de base do sistema de acordo com a invenção; • a figura 2 é o esquema de base da invenção na configuração dita de inverno, ou seja, de consumo de energia calorífica em aquecimento e em água quente sanitária; • a figura 3 é o esquema básico na sua configuração dita de

Verão, ou seja, quando o circuito de aquecimento das residências e dos estabelecimentos funciona em modo de arrefecimento; • a figura 4 é o esquema de base de um sistema simplificado para instalações pequenas na sua configuração dita de Inverno; • a figura 5 é o esquema de base de um sistema simplificado para instalações pequenas na sua configuração dita de Verão; • a figura 6 é o esquema de base de um sistema simplificado com um único compressor na sua configuração dita de Inverno; • a figura 7 é o esquema de base de um sistema simplificado com um único compressor na sua configuração dita de Verão. 4/23

Por convenção esquemática representaram-se os diferentes estados do fluido frigorifico da seguinte forma: • setas negras cheias para o fluido em estado liquido, • setas brancas duplas para o fluido em estado gasoso de alta pressão, • setas brancas simples para o fluido em estado gasoso de baixa pressão.

Antes de mais, se descreverá à continuação a composição do esquema de base do sistema reversível de acordo com a invenção (figura 1) e depois o seu funcionamento, por um lado em modo de aquecimento unicamente (figura 2) e, por outro lado, em modo misto de arrefecimento e de aquecimento da água sanitária ou outro (figura 3) que corresponde a um funcionamento de Verão. 0 sistema de recuperação de acordo com a invenção apresenta um circuito frigorífico formado por um permutador de ventilação reversível EA atravessado por uma circulação de ar remetida por um ventilador de permutador VE seguido posteriormente por diferentes componentes entre os quais há uma válvula calibrada VC1 comandada à distância, um separador de fases S, de um compressor principal CP instalado em paralelo só ou com pelo menos um compressor secundário CS utilizado como rendição deste compressor principal CP. 0 compressor principal CP alimenta um permutador primário não reversível EP de sobreaquecimento com condensação parcial ou total para a transferência de todas ou de uma parte das calorias para um circuito de utilização em aquecimento de água sanitária ECS. 0 único ou o compressor principal CP possui um tamanho e umas características tais para uma instalação dada que não se sobrecarga no Verão tendo em conta que no Inverno o complemento pode ser proporcionado por outra fonte de energia ou pelos compressores secundários CS. 5/23

As saídas dos compressores CP e CS são conectadas num ponto comum a jusante AV do permutador primário EP a partir do qual se desenvolvem vários ramos que correspondem a vários circuitos de utilização em modo aquecimento ou em modo arrefecimento. Esta conexão é realizada a este nível para desviar o fluxo do ou dos compressores secundários CS para não perder energia em forma de descida de pressão gerada por EP que seria atravessada por um fluxo gasoso demasiado forte e inútil a esse ponto.

Três ramos foram representados para ilustrar três possibilidades de utilização, por exemplo para a primeira, uma utilização em modo de aquecimento por unidades terminais não reversíveis, por exemplo radiadores, piscinas, ventiladores, aerotermos, para a segunda uma utilização em aquecimento/arrefecimento por unidades terminais reversíveis que utilizam a água quente ou a água fria, por exemplo: pavimentos radiantes, convectores de ventilação, aerotermos, e, para a terceira, uma utilização idêntica à segunda. 0 primeiro ramo é constituído por uma conexão directa a um permutador secundário, não reversível ESI com retorno como representado a um bloco de descompressão e de separação BDS por LI através de uma válvula calibrada VC2 comandada à distância. 0 circuito de utilização ligado à saída do secundário deste permutador ESI é activado por um circulador PI colocado sobre o circuito de água quente. 0 segundo ramo compõe-se em paralelo de uma parte de uma válvula de retenção C4 seguida de uma válvula calibrada VC3 controlada à distância proveniente do ponto comum AV e, por outro lado, por válvula calibrada VC4 controlada à distância procedendo da saída de VC1 e chegando à entrada de um permutador reversível ES2. A saída de ES2 está ligada por L2 ao bloco de descompressão e de separação BDS. 0 circuito de utilização do secundário de ES2 é activado por uma bomba P2 montada no circuito de utilização da água quente. 6/23 0 terceiro ramo chega à entrada de outro permutador secundário reversível ES3 a partir de duas válvulas calibradas controladas à distância, uma VC5 que provém de VC1 e a outra VC6 que provém do ponto comum AV.

Um ramo auxiliar formado por uma válvula calibrada VC7 de derivação, controlada à distância e seguida por uma válvula de fecho C5 é montada em derivação entre AV e a saída de ES3. Esta está ligada por L3 ao bloco de descompressão e de separação BDS. 0 circuito de utilização de ES3 é activado por uma bomba P3 montada no circuito de utilização.

Uma válvula calibrada VC8 de inversão controlada à distância montada entre o permutador de ventilação EA e os permutadores EP e ESI permite a alimentação em calorias em modo Verão dos permutadores EP e ESI ou o degelo em modo Inverno do permutador EA.

As válvulas calibradas VCn controladas à distância são, por exemplo, do tipo electroválvula. Devido à sua multiplicidade, pode-se optar por alimentar o permutador ESn que corresponde ao circuito pedido e beneficiar assim de uma flexibilidade e de uma optimização de funcionamento excepcionais com um aumento de economia.

Entende-se que o número de válvulas calibradas assim como o dos permutadores não é limitado.

Por exemplo, o permutador reversível ES2 pode funcionar em modo de arrefecimento enquanto ES3 está em modo de aquecimento e ESI está parado. Isto constitui só um exemplo já que são múltiplas as combinações.

No que se refere ao circuito de água quente sanitária ECS, este é constituído geralmente por um aquecedor de água quente BEC em que flui um circuito de aquecimento formado por um circulador P4 7/23 e por uma válvula termostática VTA controlada em funcionamento por um sensor CAP de temperatura disposto em saída de EP. A irrupção de água fria e a saída de água quente do aquecedor BEC são indicadas respectivamente por G1 e G2.

Os esquemas das figuras 1, 2 e 3 terminam na sua parte superior pelo bloco de descompressão e de separação BDS ao qual chegam as linhas Ll, L2 e L3 dos ramos contendo os permutadores ESI, ES2 e ES3 e do qual partem ou chegam três conexões L4, L5, L6 respectivamente, primeiro com os compressores CP e CS, e depois com a entrada e a saída do permutador de ventilação reversível EA. 0 bloco de descompressão e de separação BDS compõe-se por um separador de fase S, por três descompressores termoestáticos de igualação externa Dl, D2 e D3. D3 é, além disso, um descompressor pilotado electricamente • Trata-se, respectivamente, para os dois primeiros Dl e D2 de descompressores em modo Verão e para o último D3 de um descompressor em modo Inverno ou misto. Cada descompressor é derivado por uma válvula anti-retorno Cl, C2 e C3. 0 descompressor Dl derivado pela sua válvula Cl está colocado em série na saída por L2 do permutador ES2. Como representado, a saída do descompressor Dl está ligada a D2, a S e a VC2 e, portanto, a ESI por Ll. A saída de ES3 chega pela linha L3 à entrada do descompressor D2 e da válvula de retenção C2 ligada na sua outra extremidade à unidade de separação da fase S. A entrada do descompressor D2 está ligada a Cl à entrada de Dl e a S.

Os descompressores Dl, D2 e D3 são descompressores termoestáticos. São regulados pela temperatura medida ao nível dos seus bolbos respectivamente Bl, B2 e B3 montados, por exemplo, como representado, aplicados sobre as condutas do circuito frigorífico onde circula o fluido frigorífico. Estes 8/23 bolbos indicam a temperatura do fluido frigorifico no ponto onde foram colocados. 0 descompressor D3 é um descompressor termoestático especial. Sobre o seu bolbo B3 está montada uma resistência R de 10 a 50 watts disposta sob tensão por um termostato regulável ThR disposto entre CP e EP. Destina-se a aquecer o bolbo B3 para provocar a abertura maior do descompressor D3.

Explica-se agora o funcionamento do sistema de recuperação e de transferência de calorias de acordo com a invenção em referência aos esquemas. Por questões de clareza e de facilidade, definem-se à continuação diferentes pontos do circuito utilizando a letra N seguida de um algarismo.

Estes pontos Nn só aparecem nas figuras 2 e 3 para ilustrar o funcionamento respectivamente em modo Inverno, ou seja, de aquecimento, e em modo Verão, ou seja, de arrefecimento e de aquecimento da água sanitária ou outra não utilizada em aquecimento.

Distinguem-se assim os pontos NI e N2 situados respectivamente à saida do compressor principal CP e à saida do permutador primário EP perto de CAP.

Podem-se identificar à continuação os pontos seguintes: • N3 à saida do permutador ES3 orientado a jusante da união com o ramo VC7-C5, • N4 à entrada/saida do separador de fases S sobre a linha L6, • N5 entre os bolbos BI e B2 • N6 sobre a linha L4 entre B3 e a entrada dos compressores CP e CS, • N7 à entrada/saida do separador de fases S sobre a linha L5, • N8 à entrada/saida do permutador EA sobre a linha L6.

Todos estes pontos marcam os lugares caracteristicos do circuito para facilitar a descrição do funcionamento. 9/23 A explicação do funcionamento do sistema de recuperação de energia calorífica de acordo com a invenção requer dois desenvolvimentos descritivos específicos, um para cada um dos dois modos principais de funcionamento, a saber: o modo de aquecimento só (regime de Inverno), o modo misto sem aquecimento mas com arrefecimento (regime de Verão). 0 princípio de funcionamento é idêntico para diversas potências e independente do número de permutadores, de compressores ou da natureza ou da extensão do meio exterior de recuperação ou de evacuação e do meio de entrada. 0 princípio de funcionamento é particularmente válido no caso de um só compressor.

Regime de Inverno 0 regime de Inverno implica o aquecimento das residências e dos estabelecimentos e da água sanitária.

Habitualmente, as calorias são captadas por exemplo do ar por meio do permutador de ventilação reversível EA exercendo a função de evaporador, para serem transferidas para os circuitos de utilização.

Para tal, utiliza-se como veículo um fluido frigorífico em que a primeira mudança de estado permite tomar uma massa de calorias recolhidas num meio exportador para serem transferidas dentro de um meio receptor através de circuitos de utilização a partir dos permutadores com este fluido frigorífico. 0 regime de Inverno corresponde aos estados constantes seguintes: • os descompressores Dl e D2 estão fechados, • EA funciona como um evaporador afogado, 10/23 • o balão de água quente BEC é atravessado por água de aquecimento com limitação da condensação parcial em EP por VTA. • pelo menos um dos permutadores ESI, ES2, ES3 funciona.

Se qualquer um dos permutadores EP, ESI, ES2, ES3 requer calorias, o compressor principal CP será posto em funcionamento ao mesmo tempo que o circulador P4 de aquecimento da água sanitária.

Se a potência do compressor principal CP é insuficiente, um ou os compressores secundários CS serão necessários como rendição em função das necessidades ou uma fonte externa de calorias. A necessidade do momento é conhecida pela detecção de uma falta de potência definida por uma discrepância demasiado relevante entre a temperatura de água calculada e a temperatura de água produzida.

Se o permutador EP requer calorias, CP, P4 e VE estão em funcionamento. A válvula calibrada VC7 só se abre se EP for o único permutador em funcionamento.

Em relação ao circuito de aquecimento da água sanitária, VTA manterá a temperatura da água de aquecimento do balão BEC a um valor mínimo, por exemplo, de 45°C. 0 bolbo ou o sensor CAP desta válvula VTA é colocado sobre a tubulação de saída do primário de EP para optimizar a função do refrigerador deste permutador atravessado pelo fluxo gasoso de alta pressão que provém unicamente do compressor CP. VC1 abre-se para permitir a recuperação das calorias provenientes de EA pelas linhas L5, L4.

Os outros permutadores podem requerer calorias. 11/23

Se ESI requer calorias, CP, Pl e VE estão em funcionamento. VC2 abre-se para permitir a recepção das calorias no permutador ESI proveniente de EP. ESI é atravessado pelo fluxo gasoso de alta pressão comprimido por CP e eventualmente CS. ESI recebe um fluxo gasoso mais ou menos refrigerado ou condensado parcialmente em função das calorias requeridas ao nível do secundário de EP, ou seja, das calorias requeridas pelo circuito primário de aquecimento da água sanitária contendo VTA e P4.

Se o permutador ES2 requer calorias, CP, P2 e VE estão em funcionamento, e VC3 abre-se para que ES2 receba o fluido frigorífico gasoso comprimido e assegure a contribuição de calorias. 0 permutador EP refrigera o fluxo gasoso de alta pressão, inclusive gera uma condensação parcial do fluxo em função da regulação requerida por VTA. VC1 abre-se para permitir a contribuição das calorias provenientes de EA.

Quando o permutador ES3 requer calorias, então CP, P3 e VE estão em funcionamento e VC6 abre-se para que o fluxo gasoso do fluido frigorífico possa penetrar no permutador ES3. 0 permutador principal EP é atravessado pelo fluxo gasoso frigorífico de alta pressão que refrigera ou condensa parcialmente em função das necessidades calóricas.

Este fenómeno está limitado a uma temperatura, por exemplo, de 45°C que não corresponde obrigatoriamente a uma condensação total.

Em todos os casos, para este regime, o fluxo frigorífico, depois de ter sido passado pelo separador de fase S, é descomprimido por D3 em função da temperatura medida ao nível do seu bolbo B3, Dl e D2 estando fechados. 12/23 VC7 fecha-se sistematicamente se um dos permutadores ESI, ES2, ou ES3 está a requerer calorias.

Se a temperatura do fluido frigorifico gasoso ultrapassar, por exemplo, os 90°C ao nível do ponto Nl, a resistência eléctrica R de excitação adicional do bolbo B3 de uma potência de 10 a 50 W será posto sob tensão por um circuito de controlo accionado por um termostato regulável ThR situado em Nl.

Esta função tem como objectivo conservar o funcionamento dos compressores numa gama de temperaturas razoáveis em que o rendimento é óptimo. O aquecimento do bolbo B3 provocará a abertura maior do descompressor D3 o que implicará uma descida da temperatura do fluido frigorífico gasoso ao nível de Nl para conservar a instalação nos limites de um funcionamento normal.

Esta função é inovadora porque permite manter um ligeiro sobreaquecimento ao nível de Nl mesmo no caso de uma compressão aumentada por uma temperatura exterior débil e uma procura elevada de calorias pelo circuito de água quente e isto com um ajustamento idêntico do descompressor.

Função do separador de fases S: O separador de fases S tal como utilizado aqui é um componente construído especialmente para esta montagem. Realiza as quatro funções principais seguintes: • primeiro, garante por gravidade a alimentação dos descompressores em fluido frigorífico em estado líquido; • aumenta a quantidade de fluido em estado líquido no permutador de ventilação reversível EA por arrefecimento do líquido no ponto N4, ou seja, antes da sua introdução no descompressor D3, por evaporação do líquido ainda não evaporado e por aumento do sobreaquecimento do fluido no ponto N5 pelas trocas térmicas 13/23 entre o líquido de alta pressão que está quente e o fluxo de fluido a 90°C de baixa pressão que está frio. 0 permutador EA pode assim funcionar como permutador afogado; • o facto de ter um fluido frigorífico não evaporado no ponto N7 à entrada de S, graças à capacidade de intercâmbio de S que permite a evaporação do líquido frio restante, aumenta o rendimento de EA em forma de evaporador já que desta maneira contém mais fluido no estado líquido. Aumenta-se também a quantidade mássica do fluido que atravessa VCl para uma mesma descida de pressão a esse nível uma vez que parte do fluxo é líquida. As perdas a este nível tornam-se assim insignificantes; • permite dispor de uma reserva de volume necessário para o armazenamento ou o desarmazenamento do fluido em estado líquido para compensar os diferentes modos de funcionamento da instalação; • permite evitar ou, pelo menos, limitar as chegadas de fluido em estado líquido na aspiração dos compressores graças à sua inércia térmica resultante do seu tamanho e da sua concepção, -ao mesmo tempo que mantém um sobreaquecimento muito pequeno ao nível do evaporador. Este sobreaquecimento definido como a diferença de temperatura entre N4 e N5 será estabelecida com o valor mais pequeno possível por um ajustamento apropriado do controlo do descompressor. Pretende-se, por exemplo, um sobreaquecimento de 10°C.

Compreende-se o interesse da presença deste separador de fases S no circuito do fluido frigorífico cuja presença constitui em simultâneo uma garrafa anti-golpe de aríete, um permutador de calor entre o líquido a alta pressão e o gás a baixa pressão para o aumento do rendimento do permutador de ventilação reversível EA, uma protecção para os compressores CP e CS e um reservatório de líquido bi-direccional.

Este separador de fases S é de tubo submergido numa reserva de fluido líquido. Numa realização preferida, a secção do seu tubo de imersão é mais importante do que a conduta de chegada para 14/23 optimizar os intercâmbios térmicos e permitir a evaporação das últimas gotas de fluido frigorifico contidas no fluido gasoso a baixa pressão.

Regime de Verão (figura 3): 0 regime de Verão utiliza o carácter reversível do sistema uma vez que durante este período climático é necessário refrescar as residências e os estabelecimentos. 0 sistema é misto porque o aquecimento da água sanitária subsiste bem como, eventualmente total ou parcialmente, o da água da piscina.

Caracteriza-se por: • a inversão do fluxo nos permutadores secundários reversíveis, • o funcionamento dos descompressores Dl e D2, • o funcionamento de EA em condensador, • o funcionamento de, pelo menos, um dos permutadores secundários reversíveis em evaporador.

Caso particular: unicamente água quente sanitária

Neste caso, nenhum dos permutadores secundários ESI, ES2 e ES3 é atravessado pelo fluido frigorífico, ou porque o fluxo é derivado ou porque a válvula em série sobre o circuito de entrada está fechada. Só o permutador principal EP funciona. Se a temperatura no balão de água quente sanitária BEC provida pela sua sonda termostática STh desce abaixo da temperatura fixada, o circulador P4 do circuito de aquecimento começa a funcionar assim como o compressor principal CP. 0 ventilador VE do permutador de ventilação EA inicia-se ao mesmo tempo do que CP. CP retira o fluido frigorífico em estado de gás quente e sob alta pressão, por exemplo, 20 bares, ou seja, 70°C. 15/23

Em Nl, ou seja, à entrada de EP, é colocado um gás sobreaquecido que se refrigera e depois se condensa no primário do permutador EP e transmite o seu calor à água do circuito de aquecimento contendo VTA e P4.

Neste caso, não existe nenhum circuito complementar de utilização das calorias, pelo que se pode obter uma condensação total no permutador EP. 0 fluido frigorífico liquidifica-se e recupera-se também o calor de condensação.

No entanto, mesmo que a condensação seja total, podem ficar borbulhas no líquido de saída que será tratado pelo separador de fase S que funciona por gravidade depois de atravessar VC7, C5 e C2. 0 líquido passa a seguir no descompressor D3 de onde sai em fase liquida + vapor para entrar no permutador EA onde se evaporou.

Em todo este sistema de recuperação, procura-se obter uma ligeira diferença de temperatura do meio exterior, em geral o ar, entre as duas faces da bateria do permutador exterior reversível EA, por exemplo 3°C, e procura-se ser ter uma elevada produção.

Em resultado, obtém-se a importante vantagem de um degelo menos frequente ao nível do permutador EA uma vez que se desumidifica menos do que num sistema clássico.

Pode-se indicar que, como máximo, são necessários três degelos por dia mesmo quando faz muito frio. 0 anel de regulação do circuito de aquecimento que compreende VTA e P4 permite estabelecer um nível de refrigeração e de condensação em EP em função da necessidade média. 16/23 A regulação por R a partir de ThR também exerce a sua função ao limitar a temperatura do fluido frigorifico gasoso à saida do compressor CP.

Caso geral:

Trata-se do caso misto em que se arrefecem as residências e os estabelecimentos e onde continua a solicitação de água quente.

Utiliza-se: • EP para a água quente sanitária, • ESI permutador não reversível para aquecer a água de outro uso, por exemplo, o da piscina, • ES2 e/ou ES3 permutadores reversíveis para o arrefecimento das residências e estabelecimentos.

No caso de ES2 solicitar frigorias, CP está em funcionamento e as válvulas VC8 e VC4 estão abertas. O fluxo de fluido frigorífico gasoso e de alta pressão atravessa EP onde uma arrefecimento e eventualmente uma condensação parcial ou total se produz se a água sanitária estiver a uma temperatura inferior à da temperatura fixada no interior do balão BEC e depois o fluxo atravessa EA via VC8. A este nível VE só estará em funcionamento se a temperatura medida em N2 for superior a uma temperatura pré-determinada, por exemplo, de 65°C. Neste caso, as necessidades de calorias ao nível de EP e/ou de ESI são nulas.

Depois da condensação em EA, o fluxo atravessa S via C3 em estado líquido e depois atravessa Dl onde é descomprimido. ES2 é atravessado pelo fluido frigorífico líquido a baixa temperatura que se evapora, posteriormente este fluxo em forma gasosa atravessa VC4 para ser aspirado por CP depois de passar em S.

No caso de ES3 requerer frigorias, CP está em funcionamento e as válvulas VC8 e VC5 estão abertas. 0 fluxo do fluido frigorífico 17/23 gasoso e de alta pressão atravessa EP onde se produzirá um arrefecimento e eventualmente uma condensação parcial ou total se a água sanitária está a uma temperatura inferior à temperatura fixada, por exemplo, a 65°C, depois o fluxo atravessa EA via VC8. Neste nível, VE só estará em funcionamento se a temperatura medida em N2 indicar uma temperatura superior ao valor pré-determinado seleccionado. Nesse caso, as necessidades de calorias ao nível de EP e/ou de ESI são nulas. 0 fluxo atravessa S através de C3 em estado líquido e depois atravessa D2 onde é descomprimido. ES3 é atravessado pelo fluido frigorífico líquido a baixa temperatura que se evapora. Depois, este fluxo em forma gasosa atravessa VC5 para ser aspirado por CP depois de passar dentro de S.

No modo de arrefecimento descrito supra, ESI recupera a energia calorífica do sistema se a válvula VC2 estiver aberta. Esta última só se abre quando o termostato que a pilota solicitar calorias. ESI recuperará as calorias residuais do fluxo que sai de EP no caso de ESI solicitar calorias, estando a válvula VC8 então fechada e VE não controlado em funcionamento. A título de exemplo, no Verão, a água no circuito do pavimento tem uma temperatura mínima de 18°C e no primário de ES2 ou ES3 a temperatura de evaporação é de aproximadamente 12°C.

No Verão, o rendimento é bom e só se necessita do compressor principal CP. 0 sistema é particularmente económico já que as calorias extraídas nas residências e nos estabelecimentos só são parcialmente devolvidas ao exterior por EA, servindo a diferença para satisfazer as necessidades de aquecimento da água sanitária ou da água da piscina. 18/23

Degelo O permutador de ventilação EA utilizado como evaporador em modo Inverno pode degelar, ou seja, cobrir-se de uma camada de gelo. Sendo o gelo um bom isolante térmico, a crosta de gelo constitui um sério obstáculo para o bom funcionamento do permutador. É necessário, portanto, proceder ao degelo quando o gelo cobre as estruturas exteriores do permutador exterior EA.

Para degelar, desliga-se o compressor CP, fecham-se todas as válvulas e apaga-se o ventilador VE.

Abre-se a válvula de inversão VC8 durante uma breve duração (de aproximadamente um minuto). A totalidade do fluido frigorifico em estado gasoso condensar-se-á no ponto mais frio do circuito, ou seja, nas paredes internas do permutador EA. 0 degelo começa, mas continua a ser insuficiente.

Passa-se depois ao modo de arrefecimento. Para tal, torna-se a inverter o ciclo para utilizar o calor do aquecimento o que assegura a totalidade do degelo.

Um ciclo completo de degelo não dura mais do que três minutos e não são necessários mais do que três degelos mesmo quando faz muito frio.

Variante simplificada

As figuras 4 e 5 referem-se a uma variante simplificada para uma pequena instalação, por exemplo, a prevista para uma pequena moradia unifamiliar isolada. 19/23

Esta inclui os elementos e os componentes essenciais, ou seja: • o permutador reversível de ventilação EA com o meio exterior e o seu ventilador VE, • um compressor principal CP e eventualmente um compressor secundário CS utilizado como rendição de CP, • um permutador principal EP não reversível para a transferência das calorias para um circuito de utilização em aquecimento de água sanitária ECS num balão BEC com sonda de temperatura STh por um circuito que compreende um circulador P4 e uma válvula termostática VTA pilotada por um sensor CAP colocado à saída do permutador EP, • um único permutador secundário ES3 reversível ou de não alimentação de um circuito de aquecimento de residências e de estabelecimentos por um circulador P3, • um bloco de descompressão e de separação BDS que inclui um separador de fases S e dois descompressores termoestáticos Dl e D3 de bolbos termo-sensíveis BI e B3 derivados por válvulas anti-retorno Cl e C3, uma de Verão Dl em sistema de inversão e a outra D3 de Inverno em aquecimento, • as válvulas calibradas seguintes: • VC1 válvula principal, • VC5 válvula de retorno, • VC6 válvula de permutador de aquecimento, • VC7 válvula de derivação, • VC8 de inversão. 0 funcionamento também é simplificado.

Funcionamento de Inverno

Em regime de funcionamento de Inverno (figura 4) , o permutador

EA funciona como um evaporador, o ou os compressores CP, CS recebe(m) o fluido frigorífico evaporado através de VC1, este atravessa o separador de fases S e é comprimido, por exemplo, em 20 bares, ou seja 70°C, por CP com eventualmente a ajuda de CS.

Atravessa depois o primário do permutador EP onde se refrigera e 20/23 se condensa mais ou menos parcialmente em função das necessidades indicadas pelo termostato STh do balão BEC controlando a válvula VTA do circuito a partir de CAP. 0 fluido refrigerado e condensado parcialmente continuará a sua condensação no primário do permutador reversível ES3 passando através de VC6 para transferir o resto das calorias que transporta num circuito de utilização em aquecimento por exemplo mediante um circulador P3. 0 fluido frigorífico condensado atravessa depois o separador de fases S do bloco de descompressão e de separação BDS passando por Cl, para se descomprimir em D3 e voltar ao estado líquido e descomprimido no permutador de ventilação EA onde se evapora transportando a quantidade de calor correspondente às suas características dimensionais e de funcionamento.

Para este efeito, prevê-se um funcionamento que utiliza uma diferença de temperatura bastante pequena entre as duas faces do permutador EA para tornar o degelo menos frequente. 0 fluido frigorífico em estado gasoso chega à entrada dos compressores por VC1 e circula no circuito tal como indicado previamente. 0 bolbo B3 de D3 pode ser aquecido com uma resistência R de baixa potência a partir dos valores de temperatura do fluido frigorífico à saída do compressor principal CP, transformando-o assim num descompressor termoestático de igualação externa para uma temperatura do fluido frigorífico à saída de CP que ultrapassa um limite pré-determinado, por exemplo, de 90°C.

Deste modo, dispõe-se de uma regulação suplementar por igualização. 21/23

Funcionamento de Verão

Em regime de funcionamento de Verão (figura 5) , a produção de água quente e a regulação do seu circuito de aquecimento efectuam-se da mesma maneira que anteriormente. 0 fluido evaporado provém da saída do permutador reversível ES3 através de VC5 e alimenta o único compressor CP em funcionamento.

Efectivamente, a função de arrefecimento das residências e dos estabelecimentos implica a passagem das calorias do secundário do permutador ES3 para o seu primário e assim a sua transferência no circuito frigorífico.

Este permutador ES3 que funciona como evaporador transporta as calorias pelo fluido frigorífico que sai no estado gasoso para ser comprimido em CP e servir para o aquecimento da água sanitária.

Se se satisfazem as necessidades de aquecimento da água sanitária, já não se recolherão mais calorias por EP. O fluido frigorífico gasoso será depois condensado no permutador exterior EA por VC8. 0 líquido que torna a sair de EA, e atravessa S, passando por C3, é descomprimido, por sua vez, em Dl.

Torna ao estado líquido depois da passagem no separador de fases S no primário do permutador ES3 onde se evapora transportando calorias, e volta à entrada de CP por VC5 porque VC6 está fechado. 0 sistema pode funcionar em circuito curto quando a necessidade de calorias do circuito de água quente sanitária ECS é relevante, ou seja, sem utilizar o permutador exterior EA com desprendimento de calor. Nessas condições, todas as calorias 22/23 recuperadas por ES3 são utilizadas e resulta inútil evacuá-las para o exterior por EA.

Nesse caso, as condições de funcionamento são tais que o fluido frigorifico é totalmente condensado no primário de EP a partir de onde torna a sair no estado liquido, atravessa VC6, chega liquido à entrada do primário de ES3 e atravessa S, onde se evapora e volta à entrada do compressor CP.

Ou então, o fluido frigorifico passa pelo separador de fases S antes da sua entrada no primário de ES3, isto para purificá-lo das eventuais bolhas gasosas.

Esta realização simplificada corresponde às necessidades de uma moradia unifamiliar isolada.

Variante com um único compressor

No caso de uma variante com um único compressor, representada nas figuras 6 e 7, o esquema permanece quase idêntico ao das figuras 4 e 5. Está simplificado devido à ausência do compressor CS. Esta variante não está coberta pelas reivindicações. 0 funcionamento é também quase idêntico. Só se diferencia pela ausência de um compressor secundário CS.

Referimo-nos, portanto, ao desenvolvimento descritivo supra referido. É possível imaginar, numa forma ainda mais simples, um sistema não reversível em que não existe a válvula de inversão.

Lisboa, 06 de Setembro de 2007. 23/23

Claims (18)

1. Reivindicações 1. Sistema reversível de recuperação e de transferência de calorias de alto rendimento para o aquecimento da água sanitária da água de uma piscina e o aquecimento e a climatização das residências, escritórios e estabelecimentos ou outros lugares que implementam uma bomba de calor que apresenta um circuito frigorífico onde circula um fluido frigorífico em estado líquido ou gasoso formado por um permutador reversível exterior com um meio exterior de recolha ou de fornecimento de calorias, pelo menos um compressor (CP, CS), de pelo menos um descompressor (Dl, D2, D3) e diversos circuitos de utilização a partir de permutadores internos, o sistema reversível de recuperação e de transferência de calorias de alto rendimento caracterizado por também incluir: • pelo menos um compressor principal (CP) completado, em caso de necessidade, por pelo menos um compressor secundário (CS) utilizado como rendição do compressor principal (CP), • um permutador interno principal (EP) não reversível para o aquecimento da água sanitária colocado à saída do compressor principal (CP) ; • permutadores interiores secundários (ESI, ES2, ES3) colocados de forma escalonada dos em que pelo menos um permutador reversível para o fornecimento ou a recolha de calorias a ou de um circuito de utilização, • um bloco de descompressão e de separação (BDS) compreendendo um separador de fases (S) que reúne as funções da garrafa anti-golpe de aríete, de permutador de calor entre o líquido a alta pressão e o gás de baixa pressão, uma função de depósito de líquido bi-direccional e, posteriormente, pelo menos dois descompressores dos quais um descompressor (D3) é para o regime de Inverno e, por fim, pelo menos outro descompressor (Dl) ou (D2) para o regime invertido de Verão, 1/5 • um permutador reversível exterior EA colocado no circuito frigorífico como fonte ou evacuação de calorias e num meio exterior de recolha ou de fornecimento de calorias, • uma pluralidade de válvulas calibradas (VCn) controladas à distância para isolar os ramos de circuitos em vista do funcionamento reversível.
2. 2. Sistema reversível de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o descompressor (D3) ser um descompressor termoestático de igualação externa cujo elemento termo-sensível ou bolbo (B3) ser colocado em contacto com a conduta alimentando os compressores com fluido frigorífico e aquecido por uma resistência eléctrica (R) controlada por um sensor térmico (ThR) se a temperatura do fluido frigorífico em saída do compressor principal (CP) for superior a um certo valor de referência.
3. 3. Sistema reversível de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por o valor de referência do comando do descompressor termoestático (D3) pela resistência (R) ser de aproximadamente 90°C.
4. 4. Sistema reversível de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o circuito secundário do permutador principal (EP) alimentar um circuito de aquecimento da água sanitária num balão (BEC).
5. 5. Sistema reversível de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por o circuito de aquecimento da água sanitária de aquecimento (BEC) incluir uma válvula termoestática regulável controlada (VTA) a partir da temperatura da água quente sanitária e um circulador (P4), em que o circuito atravessa o balão (BEC) . 2/5
6. 6. Sistema reversível de acordo com a reivindicação anterior caracterizado por a válvula (VTA) ser pilotada por um sensor térmico que mede a temperatura da água sanitária no balão (BEC).
7. 7. Sistema reversível de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por o permutador exterior ser um permutador de ventilação (EA) colocado num fluxo de ar criado por um ventilador (VE).
8. 8. Sistema reversível de acordo com a reivindicação anterior caracterizado por a diferença de temperatura do fluxo de ar antes e depois do permutador (EA) ser reduzida.
9. 9. Sistema reversível de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por a diferença de temperatura do fluxo de ar ser de alguns graus centígrados.
10. 10. Sistema reversível de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 9, caracterizado por o permutador de ventilação (EA) ser um permutador reversível que constitui, segundo o caso, um evaporador ou um condensador.
11. 11. Sistema reversível de acordo com qualquer uma das reivindicações de 7 a 10, caracterizado por o permutador de ventilação ser utilizado de Inverno como evaporador afogado.
12. 12. Sistema reversível de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o separador de fases (S) possuir um tamanho e uma concepção tais que apresenta uma inércia térmica que permite evitar ou limitar as chegadas de fluido frigorífico no estado líquido à aspiração do ou dos compressores. 3/5
13. 13. Sistema reversível de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o separador de fases (S) ser um tubo de imersão num reservatório de fluido líquido.
14. 14. Sistema reversível de acordo com a reivindicação anterior caracterizado por a secção do tubo de imersão do separador de fases (S) ser mais importante do que a conduta de cheqada para optimizar os intercâmbios térmicos e permitir a evaporação das últimas gotas de fluido frigorígeno contidas no fluido gasoso a baixa pressão.
15. 15. Sistema reversível de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o compressor principal (CP) ser prioritário, o ou os compressor (es) secundário(s) (CS) serem solicitado(s) como complemento.
16. 16. Sistema reversível de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por o tamanho e as características do compressor principal (CP) serem tais que, para uma determinada instalação, que este não se sobrecarrega no Verão sendo completado por um ou uns compressor(es) secundário (s) (CS) no Inverno.
17. 17. Sistema reversível de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por 0 compressor principal (CP) constituir o único compressor da instalação, sendo a energia eventualmente completada por uma entrada de energia calorífica proveniente de outro meio. 4/5
18. 18. Sistema reversível de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o permutador principal (EP) ser utilizado como refrigerador com condensação parcial ou total. Lisboa, 06 de Setembro de 2007 5/5