PT890065E

PT890065E - Acumulador de capacidade de refrigeracao

Info

Publication number: PT890065E
Application number: PT97919455T
Authority: PT
Inventors: Thai Nguyen Viet
Original assignee: Thai Nguyen Viet
Priority date: 1996-03-29
Filing date: 1997-04-01
Publication date: 2002-03-28
Also published as: EP0890065A1; FR2746909A1; DE69706970D1; DK0890065T3; DE69706970T2; US6158236A; ATE206202T1; ES2165048T3; JP2000507683A; WO1997037176A1; EP0890065B1

Description

SGCR-0795

ACUMULADOR DE CAPACIDADE DE REFRIGERAÇÃO -MEMÓRIA DESCRITIVA- O presente invento refere-se a um acumulador de capacidade de refrigeração e a um processo de realização do referido acumulador e que consiste em acumular uma capacidade de refrigeração e em restituir a referida capacidade de refrigeração. São conhecidos sistemas de acumulação de refrigeração que são constituídos por acumuladores de feixes multitubulares cujos tubos são mergulhados em tinas de água limpa. A realização de tais acumuladores requer a utilização de, no mínimo, dois líquidos dinâmicos: um primeiro líquido que circula no interior dos tubos e um líquido secundário que circula no exterior e em redor destes tubos.

Em modo “Carga” do acumulador, faz-se circular o líquido primário a uma temperatura negativa, proveniente de um grupo de refrigeração, no interior dos tubos dos referidos feixes a fim de criar, com o líquido secundário que circula no exterior dos tubos, uma camada de gelo em redor dos tubos.

Em modo “Descarga” faz-se parar o grupo de refrigeração e a fusão da camada de gelo criada em redor dos tubos arrefece o líquido secundário que é dirigido, graças a uma estação de bombeamento, para os pontos de utilização. SGCR-0793

Esta tecnologia muito difundida apresenta o inconveniente de obrigar a descarregar completamente o acumulador, isto é, a fazer fundir todo o gelo gerado em tomo dos tubos, entre cada ciclo de “Carga-Descarga”. Com efeito, uma camada de gelo residual, mesmo fraca, em caso de fusão incompleta, constitui um verdadeiro écran isotérmico, que prejudica a permuta de calor entre os fluidos primário e secundário. Por este motivo, a transferência térmica não pode ser obtida convenientemente e não pode ser iniciada uma nova fase de produção de gelo. Ora, é impossível de início prever com precisão as necessidades térmicas na maioria dos casos: e, entretanto, a fusão do gelo deve ser total sob pena de provocar danos irreversíveis nos grupos de refrigeração.

Os desempenhos irregulares destes aparelhos fazem com que se tome necessário acrescentar um terceiro circuito de arrefecimento a fim de manter uma determinada constante no processo. Com efeito, à medida que o gelo se vai fundindo, a secção dos tubos do feixe, diâmetro “tubo + gelo”, diminui e influencia os resultados. A perda de carga e as superfícies de permuta de fluido secundário que atravessam o feixe variam consideravelmente entre o início e o fim do ciclo de arrefecimento.

Além disso, o fluido secundário deve ser permanentemente oxigenado, em modo “Carga”, para permitir uma formação homogénea e regular do gelo em redor dos tubos. 2

SCCR-0795 g ; 7 O facto de empregar obrigatoriamente dois líquidos dinâmicos, primário e secundário, assim como um terceiro circuito suplementar a fim de manter uma determinada constante no processo, e enfim um quarto circuito para oxigenar o líquido secundário, exige uma realização pesada assim como tecnologias complexas para controlar a exploração do sistema.

Do ponto de vista de investimento, estas tecnologias necessárias, podem muitas vezes anular a economia que constitui a acumulação de refrigeração por armazenamento de gelo. »

Além disso, estes sistemas conhecidos não podem ser directamente utilizados com um líquido secundário sob pressão, por causa da oxigenação indispensável durante a fase de produção de gelo. O presente invento visa não só remediar os inconvenientes destes sistemas conhecidos, mas também obter uma nítida melhoria da o capacidade (mais massa de gelo por m de atravancamento) e os desempenhos (m2 superfície de permuta), assim como uma simplificação extrema da forma de realização.

Para este efeito o presente invento tem, portanto, como primeiro objecto acumular capacidade de refrigeração do tipo que compreende um conjunto de tubos acumuladores disposto num recinto isotérmico, estando os referidos tubos espaçados e mantidos sensivelmente paralelos uns aos outros, sendo cada tubo do referido conjunto fechado nas suas extremidades e contendo um líquido primário estático capaz de se transformar em gelo no momento de um arrefecimento por um fluido 3

SOCR-0795 secundário de refrigeração e/ou de arrefecer um líquido secundário, dito de utilização, circulando o fluido e/ou líquido secundário entre os tubos, no exterior dos mesmos, fazendo-se a circulação no recinto do produto secundário ou dos dois produtos secundários entre uma entrada e uma saída situadas em duas extremidades opostas do referido recinto, sendo o referido acumulador caracterizado pelo facto de (a) cada tubo ser fechado em cada uma das suas duas extremidades por uma parede interiormente côncava, (b) cada tubo reservar um espaço de expansão entre o líquido primário e a sua parede cilíndrica e (c) cada tubo estar disposto horizontalmente no recinto.

Segundo uma primeira construção especialmente vantajosa, cada parede de extremidade de um tubo acumulador é hemisférica.

Sempre segundo uma construção vantajosa, os tubos acumuladores são dispostos no recinto transversalmente em relação à direcção de circulação do produto secundário ou dos dois produtos secundários.

Numa forma de realização preferida, os tubos acumuladores são dispostos de maneira a formar duas zonas sobrepostas e espaçadas, sendo os tubos deslocados transversalmente de uma zona para a outra de maneira a forçar o produto secundário a circular através dos espaços ziguezagueando em tomo dos tubos e de uma zona para a outra. O líquido primário estático contido em cada tubo pode, por exemplo, ser, quer água, quer água com doses de sais NaCl, quer seja uma outra solução eutética. 4 SCCR-0795 Ϊ1

Ainda segundo uma outra construção vantajosa, a parede de cada tubo é metálica.

Ainda segundo uma outra variante, o recinto isotérmico pode ser fechado de modo que o fluido secundário de refrigeração utilizado seja um gás.

Através das patentes US-A-4.338.963 e US-A-4.856.296 é conhecida possibilidade de realizar instalações de armazenagem de calor e instalações de armazenagem de frio, designadamente para fins de climatização, que utilizam baterias de tubos fechados em cada uma das suas duas extremidades por uma parede interior sensivelmente côncava, encerrando cada um dos tubos um líquido tal como água, quente ou fria consoante o destino das instalações, até mesmo gelo.

No entanto, cada um desses tubos é em material plástico, material relativamente ao qual se sabe que o coeficiente de transferência térmica expressa em Kcal/m/°K é da ordem de 200 vezes inferior à dos metais e designadamente o aço.

Os tubos conhecidos através dos dois documentos da arte anterior anteriormente citados não são, por consequência, adequados para desempenhar o mesmo papel que o tubo objecto do presente invento, a saber o de ver o estado do líquido primário estático que o referido tubo contem transformar-se o mais rapidamente possível passando do estado líquido ao estado sólido em modo “carga” e inversamente em modo “descarga” de maneira a oferecer uma capacidade muito importante de 5 SCCR-0795

arrefecimento do líquido secundário exterior no tubo de acordo com o invento, mesmo em caso de pontos com necessidade de frio.

Para alcançar esse fim é eminentemente preferível que o material em que cada tubo é construído favoreça a permuta térmica, o que não é o caso dos materiais plásticos.

De preferência, cada um dos tubos de acordo com o presente invento tem um diâmetro de cerca de 10 centímetros e um comprimento compreendido entre cerca de 1 metro e cerca de 6 metros. O presente invento tem por segundo objecto um processo de acumulação de uma capacidade de refrigeração e de restituição da referida capacidade de refrigeração executando o acumulador de acordo com o presente invento, sendo o referido processo caracterizado pelo facto de consistir em fazer circular um fluido secundário de refrigeração entre os tubos dispostos horizontalmente no exterior dos mesmos, a fim de arrefecer o líquido primário estático contido em cada tubo e/ou em fazer circular um líquido secundário, dito de utilização, entre os referidos tubos dispostos horizontalmente, no exterior dos mesmos, a fim de arrefecer o referido líquido secundário de utilização sob o efeito do líquido primário estático.

Com vantagem, segundo este processo, a circulação entre os tubos do fluido secundário de refrigeração e/ou do líquido secundário de utilização faz-se transversalmente em relação à direcção geral segundo a qual se prolongam os referidos tubos. 6 5>Γ.ΓΚ-<Τ795

Numa outra forma de realização particularmente interessante deste processo, o fluido secundário de refrigeração e o líquido secundário de utilização que circulam entre os tubos representam um mesmo e único fluido e um distribuidor regula a circulação deste fluido único em modo “carga”, em modo “descarga” ou em modo “misto”.

Outras características e vantagens do presente invento tomar-se-ão evidentes no decurso da descrição que se vai seguir, feita com referência aos desenhos anexos que, a título de exemplo não limitativo, ilustram várias formas de realização. A Figura 1 é uma vista esquemática em corte axial de um tubo acumulador que faz parte do acumulador de acordo com o presente invento. A Figura 2 é uma vista esquemática em corte do acumulador de acordo com o presente invento que utiliza uma montagem de tubos acumuladores do tipo ilustrado na Figura 1, sendo estes tubos vistos em alçado. A Figura 3 é uma vista em corte transversal em escala aumentada do tubo acumulador da Figura 1 no decurso da fusão do líquido solidificado. A Figura 4 é um esquema de fluido de um sistema de arrefecimento de um fluido por meio de um acumulador de acordo com o presente invento com possibilidade de um funcionamento em modo “carga”, “descarga” ou “misto”. SGCR 0795 N-r *V-·

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Cada tubo acumulador 1 do acumulador A de acordo com o presente invento ilustrado na figura 1 compreende uma parede 2, por exemplo metálica, que contem um líquido estático 3, por exemplo água ou ainda água com doses de sal NaCl ou qualquer outra solução eutética, capaz de se solidificar quando o tubo acumulador 1 é exposto a um fluido de refrigeração com temperatura negativa. O tubo acumulador 1 é cilíndrico e é fechado em cada extremidade 4, 5 por uma parede côncava interiormente, por exemplo hemisférica. É reservado um espaço de expansão la entre o,líquido estático 3 e a parede cilíndrica do tubo acumulador 1. Com uma disposição horizontal do tubo acumulador 1 o referido espaço de expansão la e as referidas paredes 4, 5 côncavas interiormente (por exemplo hemisféricas) constituem um meio para compensar o efeito de expansão do líquido estático 3 que se encontra em curso de solidificação. O acumulador A de acordo com o presente invento ilustrado na Figura 2 compreende um conjunto compacto 6 de tubos acumuladores 1 mantidos transversalmente afastados entre si de maneira sensivelmente paralela, formando assim zonas de tubos 7, 8 e 9. Estas zonas estão, por seu turno, montadas de forma a deslocar os tubos uns dos outros, de uma zona para a outra, tal como se ilustrou. Os tubos 1 prolongam-se perpendicularmente em relação ao plano do desenho.

Este conjunto 6 de tubos acumuladores 1 é montado num recinto isotérmico 10 que contem um fluido de refrigeração 11a temperatura negativa no qual são imersos os tubos. Estão previstas, respectivamente, 8 SGCR-0795

uma entrada 12 e uma saída 13 respectivamente em cima e em baixo do recinto 10 a fim de fazer circular este fluido de refrigeração 11 desde a entrada 12 até à saída 13, através dos espaços entre os tubos acumuladores 1 do conjunto 6 e em redor dos referidos tubos 1 que são mantidos no recinto através de meios apropriados. Compreender-se-á que, se o fluido 11 for um gás, o recinto deve ser fechado. Quando o fluido 11 é um líquido tal como água, é evidentemente que a esta se adicionará um antigel. A disposição dos tubos ilustrada na Figura 3 obriga o fluido 11a ziguezaguear através das zonas de tubos 1, como indicado pelas setas, em contacto directo com os referidos tubos 1, o que melhora notavelmente a permuta térmica. O acumulador A que acaba de ser descrito funciona da maneira seguinte.

Em modo “carga”, a entrada 12 e a saída 13 estão ligadas a um grupo de refrigeração e faz-se circular no recinto o fluido 11 a temperatura negativa. O líquido estático 3 é arrefecido, passa do estado líquido ao estado sólido e transforma-se em gelo começando pela periferia até ao coração do tubo. O acumulador A está então pronto a arrefecer um líquido de utilização que se faz circular através dos referidos espaços entre os tubos 1 e em redor dos tubos, sendo o arrefecimento de fluido de utilização obtido graças ao calor latente da fusão do gelo.

Em modo “descarga” a entrada 12 e a saída 13 estão ligadas a uma instalação de utilização do fluido 11 externo a fim de arrefecer esta S0CR-0795

instalação. A fusão do gelo no interior dos tubos acumuladores 1 fornece a capacidade de refrigeração necessária para este efeito. Esta fusão começa na periferia do tubo acumulador e propaga-se para o centro.

Em modo “misto” a entrada 12 e a saída 13 estão ligadas simultaneamente ao grupo de refrigeração e à instalação de utilização externa. A produção de refrigeração junta-se então à descarga do conjunto dos tubos, o que aumenta consideravelmente a capacidade total de arrefecimento disponível. Este funcionamento em simultâneo não é possível senão graças ao facto de a fusão e a solidificação no interior do tubo acumulador se produzirem de maneira paralela, quer dizer, do exterior do tubo para o interior, no coração do tubo. O esquema da Figura 4 ilustra muito bem um tal funcionamento em modo “misto”. O sistema ilustrado na Figura 4 compreende o acumulador A de acordo com o presente invento ligado, por um lado, a um grupo de refrigeração 15, pelas condutas 16 e 17 e, por outro lado, a uma ou mais instalações de utilização externas 22, pelas condutas 17-18 e 19-16. Um distribuidor 20 regula a circulação nas diferentes condutas e uma bomba 21 permite impelir o fluido 11 nas diferentes condutas.

Compreende-se que, graças ao distribuidor 20, se pode fazer funcionar o conjunto do sistema apenas em modo “carga”, apenas em modo “descarga” ou os dois ao mesmo tempo, isto é, em modo “misto”. 10 SGCR-07Q5 .//

Estes três modos de funcionamento são indicados pelas setas no esquema da Figura 4. O presente invento apresenta numerosas vantagens. O líquido estático 3 no processo do presente invento é isolado pelos tubos fechados do fluido de refrigeração em modo “carga” , e pelo fluido a arrefecer em modo “descarga”. Por consequência, o desempenho do acumulador é constante até à fusão completa do gelo nos tubos, permanecendo constante a qualidade de permuta térmica enquanto houver gelo nos tubos. A fusão do líquido solidificado efectua-se do exterior para o interior dos tubos, e a solidificação do referido líquido efectua-se no mesmo sentido. Por este motivo é, de facto, possível “carregar” em qualquer momento o acumulador de uma maneira simples e homogénea, mesmo no decorrer de um ciclo de “descarga”, utilizando o grupo de refrigeração em simultâneo. Isto representa uma capacidade de arrefecimento muito importante posta em qualquer momento à disposição do utilizador para eliminar os pontos necessitados de frio. A forma dos tubos, de secção redonda e longitudinal, fornece a maior massa de líquido solidificável para um dado volume atribuído ao acumulador. A título de exemplo, estes tubos podem ter um diâmetro entre cerca de 10 centímetros e um comprimento de cerca de 1 metro a 6 metros ou mais. 11 SGCR-0795 A forma dos tubos e a sua disposição fornece a melhor permuta térmica entre os tubos e o fluido circundante, ao mesmo tempo que cria uma perda de carga mínima e constante no referido fluido que circula no exterior dos tubos. O facto de os tubos serem fechados, sem necessidade de os ligar a uma qualquer rede facilita notavelmente o estudo e a realização de um sistema de refrigeração de acumulação. As necessidades em capacidade de refrigeração determinam simplesmente o número e o comprimento dos tubos a instalar. O fabrico e a montagem dos tubos são muito simples e permitem quaisquer configurações imagináveis. A execução de um acumulador de acordo com o presente invento e a sua ligação a uma instalação de utilização de fluido 11 é muito simples uma vez que é necessário apenas um único circuito, porque o processo funciona com um único fluido dinâmico. O referido fluido 11 pode ser na forma de um líquido contendo um antigel. O presente invento é susceptível de diversas variantes sem se sair do seu âmbito.

Lisboa, 26 de Dezembro de 2001

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Claims

SGCR-0795 -REIVINDIC AÇÕES- 1. Acumulador de capacidade de refrigeração, do tipo que compreende um conjunto (6) de tubos acumuladores (1) disposta no recinto isotérmico (10), sendo os referidos tubos (1) espaçados e mantidos sensivelmente paralelos uns aos outros, sendo cada tubo (1) do referido conjunto fechado nas suas extremidades (4, 5) e contendo um líquido primário estático (3) capaz de se transformar em gelo aquando do arrefecimento por meio de um fluido secundário (11) de refrigeração e/ou de arrefecer um líquido secundário (11), dito de utilização, circulando o fluido e/ou líquido secundário entre os tubos (1), no exterior dos mesmos, fazendo-se a circulação no recinto (10) do produto secundário (11) ou dos dois produtos secundários (11) entre uma entrada (12) e uma saída (13) situadas em duas extremidades opostas do referido recinto, caracterizado pelo facto de (a) cada tubo ser fechado em cada uma das suas duas extremidades (4, 5) por uma parede côncava interiormente, (b) cada tubo reservar um espaço de expansão (la) entre o líquido primário (3) e a sua parede cilíndrica (2), e (c) cada tubo estar disposto horizontalmente no recinto (10).
2. Acumulador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de cada parede (4, 5) de extremidade de um tubo acumulador (1) ser hemisférica. SGCR-0795
3. Acumulador de acordo com qualquer das reivindicações 1 e 2, caracterizado pelo facto de os tubos acumuladores (1) estarem dispostos no recinto (10) transversalmente em relação à direcção de circulação do produto secundário ou dos dois produtos secundários (11).

Acumulador de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo facto de os tubos acumuladores (1) estarem dispostos de maneira a formar zonas (7, 8, 9) sobrepostas e espaçadas, estando os referidos tubos deslocados transversalmente de uma zona para outra de maneira a forçar o produto secundário (11) a circular através dos espaços ziguezagueando em tomo dos tubos (1) e de uma zona para a outra.
5. Acumulador de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo facto de o referido líquido primário estático (3) contido em cada tubo (1) ser, quer água, quer água com doses de sais NaCl, quer seja uma outra solução eutética.
6. Acumulador de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo facto de a parede (2) de cada tubo (1) ser metálica.
7. Acumulador de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo facto de o recinto isotérmico (10) ser fechado de maneira que o referido fluido secundário (11) de refrigeração utilizado seja um gás. 2 SGCR-0795
8. Acumulador de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo facto de cada um dos seus tubos apresentar um diâmetro de cerca de 10 centímetros e um comprimento da ordem de 1 a 6 metros.
9. Processo de acumulação de uma capacidade de refrigeração e de restituição da referida capacidade de refrigeração que executa o acumulador de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo facto de consistir em fazer circular um fluido secundário (11) de refrigeração entre os tubos (1) dispostos horizontalmente, no exterior dos mesmos, a fim de arrefecer o líquido primário estático (3) contido em cada tubo e/ou em fazer circular um líquido secundário (11), dito de utilização, entre os referidos tubos (1) dispostos horizontalmente, no exterior dos mesmos, a fim de arrefecer o referido líquido secundário de utilização sob o efeito do líquido primário estático.
10. Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo facto de a circulação entre os tubos (1) do fluido secundário (11) de refrigeração e/ou do líquido secundário de utilização (11) se fazer transversalmente em relação à direcção geral segundo a qual se prolongam os referidos tubos.
11. Processo de acordo com qualquer das reivindicações 9 e 10, caracterizado pelo facto de o fluido secundário (11) de refrigeração e o 3 SGCR-0795 líquido secundário de utilização (11) que circulam entre os tubos (1) representarem um mesmo e único fluido e pelo facto de um distribuidor (20) regular a circulação deste fluido único em modo “carga”, em modo “descarga” ou em modo “misto”. Lisboa, 26 de Dezembro de 2001 Pelo Requerente

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