WO2021219908A1 - Sistema y procedimiento de recuperación de calor - Google Patents

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WO2021219908A1
WO2021219908A1 PCT/ES2020/070783 ES2020070783W WO2021219908A1 WO 2021219908 A1 WO2021219908 A1 WO 2021219908A1 ES 2020070783 W ES2020070783 W ES 2020070783W WO 2021219908 A1 WO2021219908 A1 WO 2021219908A1
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cylinder
fluid
source
heat exchanger
higher pressure
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PCT/ES2020/070783
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English (en)
French (fr)
Inventor
Santiago LAGO GUTIERREZ
Original Assignee
Lago Gutierrez Santiago
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B27/00—Machines, plants or systems, using particular sources of energy
    • F25B27/02—Machines, plants or systems, using particular sources of energy using waste heat, e.g. from internal-combustion engines
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04H—BUILDINGS OR LIKE STRUCTURES FOR PARTICULAR PURPOSES; SWIMMING OR SPLASH BATHS OR POOLS; MASTS; FENCING; TENTS OR CANOPIES, IN GENERAL
    • E04H4/00—Swimming or splash baths or pools
    • E04H4/12—Devices or arrangements for circulating water, i.e. devices for removal of polluted water, cleaning baths or for water treatment
    • E04H4/129—Systems for heating the water content of swimming pools

Definitions

  • the present invention refers to a heat recovery system and procedure, with minimal energy consumption, in liquid storage that need continuous renewal, such as swimming pools.
  • the cold water that is introduced needs to be heated to the temperature of use (26 to 27.5 ° C) from the starting temperature (between 4 and 16 ° C depending on the area and time of year). Depending on the pool, between 20 and 60 m 3 have to be heated per day with an easily calculable high energy cost. If approximately 28 m 3 of water are renewed in a semi-Olympic pool (25 x 12.5 x 2 m), with an inlet temperature of 9 ° C:
  • the renewal of the water is an operation that is usually carried out manually. This means that an operator opens the pool drain valve and, in approximately 10 minutes, the amount described is emptied. Then it is filled with water from the mains until the desired level is reached in the pool. To obtain heat recovery in that time, an exchanger capable of handling flows of 126 m 3 / h would be needed, with an exchange power of approx. 2,050 KW.
  • a type exchanger of this size is especially expensive and remains unused for most of the day. Therefore, this investment is not attractive.
  • the size of the exchanger can be easily reduced by simply increasing the exchange time, that is, reducing the speed of filling and emptying.
  • control systems that can consist of variable flow pumps and / or motorized valves at the inlet and outlet operating in combination with pulse counters and a control in charge of balancing the flows. It is a very accurate system, but its cost makes its installation. This system could have a cost of € 16,000 installed, to which must be added the cost of the electrical consumption of the system.
  • the present invention provides a heat recovery system between a lower pressure fluid source and a higher pressure fluid source.
  • the system comprises:
  • ⁇ a pumping equipment which in turn comprises: ⁇ a first cylinder with connection ports to the higher pressure source and to the heat exchanger;
  • ⁇ a second cylinder with connection ports to the lower pressure source and to the heat exchanger, and with a common rod to the first cylinder; ⁇ a first volumetric displacement member fixed to the rod, which generates in the first cylinder two first chambers that are alternately connected to the source of higher pressure or to the heat exchanger; and
  • the system of the present invention is a simple, compact system, with high volumetric accuracy, low cost and low energy consumption, since it can perform its function without more input of external energy than is necessary for the supervisory functions.
  • the applicant does not know of any solution as effective as that provided by the present invention.
  • the present invention also provides a heat recovery method between a lower pressure fluid source and a higher pressure fluid source, by means of the system of the present invention.
  • the method comprises the steps of: a) introducing fluid from the source at a higher pressure into one of the first chambers of the first cylinder, the other of the first chambers communicating with the heat exchanger; b) moving the rod thanks to the energy provided by the higher pressure fluid, thus pumping the lower pressure fluid in the second cylinder towards the heat exchanger; c) circulating the fluid from the first cylinder and the fluid from the second cylinder through the heat exchanger; d) displacing the rod in the opposite direction to that previously displaced, for the effect of reversing the operation of the first chambers, thus pumping the lower pressure fluid in the second cylinder towards the heat exchanger; e) circulating the fluid from the first cylinder and the fluid from the second cylinder through the heat exchanger; f) cyclically repeat the previous steps.
  • the present invention relates to the use of the heat recovery system according to the present invention in the renewal and treatment of water in swimming pools.
  • Figure 1 Schematic view of an exemplary embodiment.
  • Figure 2 Detail of figure 1.
  • Figure 3 Schematic view of a second embodiment, with a double-body valve.
  • Figure 4 Detail of figure 3.
  • the present invention provides a heat recovery system between a lower pressure fluid source and a higher pressure fluid source.
  • the system comprises a pumping equipment (23) and a heat exchanger (11) to which the lower pressure fluid source and the fluid source are connected. increased pressure.
  • the pumping equipment (23) continuously displaces the same proportion of fluid from the higher pressure source and fluid from the lower pressure source, making it a volumetric accuracy system.
  • volumetric displacement member is defined as a reciprocating part within a cylinder body to displace or receive movement from a fluid.
  • a piston, or a membrane are volumetric displacement members.
  • the pumping equipment (23) comprises a first cylinder (1) with connection ports to the higher pressure source and to the heat exchanger (11). It also comprises a second cylinder (2) with connection ports to the lower pressure source and to the heat exchanger (11). Both cylinders (1, 2) have a common rod (3) to which are attached two volumetric displacement members (4, 5) that generate 4 chambers (6, 6 ', 7, 7'): Specifically, a first member of volumetric displacement (4) generates two first chambers (6, 6 ') in the first cylinder (1), and a second volumetric displacement member (5) generates two second chambers (7, 7') in the second cylinder (2) .
  • the first chambers (6, 6 ') of the first cylinder (1) are alternately connected to the higher pressure source or to the heat exchanger (11). While one of the first chambers is connected to the higher pressure source, the other is connected to the heat exchanger and vice versa.
  • the pumping equipment (23) takes advantage of the pressure difference between fluids to carry out the pumping.
  • the working fluid coming from the higher pressure source for example water from a supply network (8), enters one of the first chambers (6, 6 ') of the first cylinder (1) and moves the first displacement member volumetric (4).
  • the movement of the first volumetric displacement member (4) causes an increase in volume of one of the first chambers at the cost of reducing the volume of the other first chamber, which is evacuated.
  • the movement of the first volumetric displacement member (4) is transmitted by the rod (3) to the second volumetric displacement member (5), and produces in the second cylinder (2) the pumping of the fluid coming from the lower pressure source towards the heat exchanger (11).
  • the higher pressure fluid provides the energy necessary for pumping the lower pressure fluid.
  • the higher pressure fluid source has a lower temperature than the lower pressure source.
  • it is the lower pressure fluid source that has the lowest temperature.
  • the source of higher pressure is a supply network (8)
  • the source of lower pressure is a glass (9) of a swimming pool.
  • the higher pressure source can be a pump network
  • the lower pressure source can be a reservoir.
  • the first cylinder (1) has a connection port in each of its first chambers (6, 6 ').
  • Each connection port acts alternatively as a suction port or as an evacuation port, thanks to the control of a distribution valve (10). While one port acts as a suction port, the other port acts as an evacuation port; and subsequently, the aspiration port becomes the evacuation port, and the other port becomes the aspiration port.
  • each of its second chambers (7, 7 ') has a suction port and an evacuation port.
  • the distributor valve (10) controls the direction of the fluid in the first cylinder (1), its chambers communicating alternatively with the heat exchanger (11) or with the respective fluid source. In particular, the distribution valve (10) determines at each moment which of the first chambers (6, 6 ') of the first cylinder
  • the fluid is derived from the higher pressure source and which is connected to the heat exchanger (11). According to a particular option shown in figures 1 and
  • the directional valve (10) is a four-way, two-position valve (4/2 valve).
  • connection ports in the first cylinder (1) is the same as in the second cylinder
  • Both cylinders have a connection port in each of their corresponding chambers, which alternately acts as a suction port or as an evacuation port, thanks to the control of a distribution valve (10). While one port on a cylinder acts as a suction port, the other port on the same cylinder acts as an exhaust port; and subsequently, the aspiration port becomes the evacuation port, and the other port becomes the aspiration port.
  • the distribution valve (10) is a double-body valve. Each of the bodies of the distributor valve (10) controls the direction of the fluids in one of the cylinders, communicating their corresponding chambers in an alternative way with the heat exchanger (11) or with the respective fluid source.
  • a body of the distributor valve (10) determines at each moment to which of the first chambers (6, 6 ') of the first cylinder (1) the fluid from the higher pressure source is derived and which one is connected to the heat exchanger. heat (11); the other body of the distributor valve (10) determines at each moment to which of the second chambers (7, 7 ') of the second cylinder (2) the fluid from the lower pressure source is derived and which one is connected to the heat exchanger (eleven).
  • each of the distribution valve bodies (10) has a four-way, two-position design (4/2 valve).
  • the distribution valve (10) can be programmed by time or it can be controlled by means of actuation, such as, for example, pilot devices.
  • the pumping equipment (23) comprises piloting devices (12) at the end of stroke of the stem (3), which control the distribution valve (10).
  • the piloting devices (12) can be arranged at the limit switches of the volumetric displacement members (4, 5).
  • the pilot devices (12) act on the distribution valve (10) so that each time a pilot device (12) detects the corresponding limit switch (or a little earlier if it is more convenient), the distribution valve (10 ) alternates the first chamber (6, 6 ') that is emptied and the one that is filled from the higher pressure source. This implies the movement of the stem (3) and the volumetric displacement members (4, 5) in the opposite direction.
  • the piloting devices (12) can be of the electrical, hydraulic, or electronic type.
  • the fluids evacuated from the first cylinder (1) and the second cylinder (2) are directed to the heat exchanger (11). In the heat exchanger (11) the heat energy of the higher temperature fluid is used to increase the temperature of the other fluid.
  • the heat exchanger (11) is parallel flow, but can be countercurrent flow without thereby departing from the scope of the present invention.
  • the fluid that exits the heat exchanger (11) from the source of higher pressure and the first cylinder (1) is diverted to the source of lower pressure.
  • the fluid that leaves the heat exchanger (11) coming from the lower pressure source and the second cylinder (2) is diverted to the outlet of the system, for example to be disposed of to a drain or to send it to an external use.
  • the system of the present invention may comprise an inlet valve (24) that controls the inlet of fluid to the system and an outlet valve (25), that controls the outlet of fluid from the system.
  • the operation of the system is continuous while the inlet valve (24) and the outlet valve (25) are open, and stops when at least one of them is closed.
  • the regulation of the system (for example the renewal flow of the water in a swimming pool) can be carried out by acting on the pressure of the fluid coming from the source of higher pressure.
  • it may have a pressure regulator (13) or a throttle valve.
  • the pumping equipment (23) continuously displaces the same proportion of fluid from the higher pressure source and fluid from the lower pressure source, making it a volumetric accuracy system.
  • the first cylinder (1) and the second cylinder (2) have the same dimensions, to ensure that the displaced volume of fluid from the higher pressure source is equal to the displaced volume of fluid from the lower pressure source .
  • the cylinders have the same dimensions and the displacement of the volumetric displacement members (4, 5) also, the volumes of both fluids in each cycle are identical. Consequently, there is no need to monitor the regulation or adjustment and there is no risk of overflowing or overflowing.
  • the dimensions of the first cylinder (1) may be different from the dimensions of the second cylinder (2) if a different ratio of higher pressure fluid and lower pressure fluid is desired.
  • the cylinders may have different sections.
  • the volumetric displacement members (4, 5) are membranes. To ensure precision in the desired ratio, it is necessary for the membranes to be inextensible, such as canvas membranes. According to an alternative option, the volumetric displacement members (4, 5) are pistons.
  • the system includes non-return devices (15) to ensure the function of each connection port of the cylinders and that the flow of fluids is carried out in the desired directions.
  • the system can also comprise other devices, such as one or more filters (17) to prevent fouling of the heat exchanger (11); one or more pressure gauges (16) and one or more temperature sensors (19) to control correct operation and warn of possible fouling of the heat exchanger (11); one or more hydropneumatic accumulators (14) to avoid transient overpressures, for example at the instant that the rod (3) reaches the end of the stroke and the pumping changes direction; one or more flow detectors (18) that cut off the flow of fluid if no flow is detected at any point in the system, to check for leaks and avoid flooding or damage in the event of a pipe break; etc.
  • the system can also comprise one or more cut-off solenoid valves (20) that receive information from one or more flow detectors (18), and cut off the flow of fluid if it is detected that it does not reach the desired destination.
  • a control system (26) can also be provided, which controls the interrelation between the flow detectors (18) and the corresponding cut-off solenoid valves (20).
  • the control system (26) can be of the mechanical, electrical or electronic type, for example a programmable automaton.
  • the system can comprise: - two flow detectors (18): one in the conduit that communicates the heat exchanger (11) with the pool glass (9), and another in the conduit that communicates the heat exchanger (11) with the outlet of the system;
  • shut-off solenoid valves (20) one in the conduit that communicates the supply network (8) with the first cylinder (1), and another in the conduit that communicates the pool glass (9) with the second cylinder ( 2).
  • a control system (26) to which the two flow detectors (18) and the two cut-off solenoid valves (20) are attached.
  • the flow detectors (18) detect that no fluid reaches the pool glass (9), or that no fluid comes out of the heat exchanger (11) towards the system outlet, they send a signal to the control (26), and this actuates the corresponding cut-off solenoid valves (20), stopping the flow of the supply network (8) and / or the outflow of the glass (9) of the swimming pool.
  • the system of the present invention is optimized for low pressures (less than 10 bar).
  • the pressure of the working fluid coming from the supply network (8) is between 2 and 5 bar
  • the pressure of the water in the glass (9) of a swimming pool is usually approximately 0.25 bar (atmospheric pressure plus the hydrostatic pressure corresponding to the height between the surface level of the pool and the pumping room).
  • the present invention also provides a heat recovery method between a lower pressure fluid source and a higher pressure fluid source, by means of the system of the present invention.
  • the procedure comprises the following steps: a) introducing fluid from the higher pressure source into one of the first chambers (6, 6 ') of the first cylinder (1), and simultaneously communicating the other of the first chambers (6, 6' ) with the heat exchanger (11); b) moving the rod (3) thanks to the energy provided by the higher pressure fluid, thus pumping the lower pressure fluid in the second cylinder (2) towards the heat exchanger (11).
  • the higher pressure fluid provides the necessary energy for pumping the lower pressure fluid.
  • the higher pressure fluid that has been introduced into one of the first chambers (6, 6 ') pushes and produces the movement of the first volumetric displacement member (4), and consequently the movement of the stem (3) and of the second volumetric displacement member (5), with the consequent pumping of the lower pressure fluid; c) circulating the fluid from the first cylinder (1) and the fluid from the second cylinder (2) through the heat exchanger (11); d) moving the stem (3) in the opposite direction to that previously moved, by reversing the filling direction of the first chambers (6, 6 '), thus pumping the lower pressure fluid in the second cylinder (2) towards the heat exchanger (11).
  • fluid from the higher pressure source is introduced into the chamber that previously communicated with the heat exchanger (11), and simultaneously the chamber in which it was previously communicated with the heat exchanger (11) it introduced the fluid from the source at a higher pressure; e) circulating the fluid from the first cylinder (1) and the fluid from the second cylinder (2) through the heat exchanger (11); f) cyclically repeat the previous steps.
  • the method comprises the additional stages c ') and e'), after stages c) and e) respectively, of diverting the fluid from the first cylinder (1) to the lower pressure source, and simultaneously diverting the fluid coming from the second cylinder (2) at the outlet of the system.
  • the changes of direction of the movement of the stem (3) are developed by the action of the distributor valve (10), which diverts the fluid from the source of higher pressure alternately to one or the other of the first chambers (6 , 6 ') of the first cylinder (1).
  • the higher pressure fluid provides the mechanical energy necessary for pumping the lower pressure fluid
  • the higher temperature fluid provides the heat energy for the increase.
  • temperature of the fluid with a lower temperature which results in significant energy savings, very useful for example in the case of the renovation and treatment of swimming pool water.
  • the system of the present invention is a simple, compact, volumetric accuracy, low cost and low energy consumption system, since it can perform its function without more external energy input than is necessary for the functions. supervision.

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Abstract

Sistema y procedimiento de recuperación de calor entre una fuente de fluido de menor presión y una fuente fluido de mayor presión, que comprende un primer cilindro (1) con puertos de conexión a la fuente de mayor presión y al intercambiador de calor (11); un segundo cilindro (2) con puertos de conexión a la fuente de menor presión y al intercambiador de calor (11), y con un vástago (3) común al primer cilindro (1); un primer órgano de desplazamiento volumétrico (4) fijado al vástago (3), que genera en el primer cilindro (1) dos primeras cámaras (6, 6') que se conectan alternativamente a la fuente de mayor presión o al intercambiador de calor (11); y un segundo órgano de desplazamiento volumétrico (5) fijado al vástago (3), que genera en el segundo cilindro (2) dos segundas cámaras (7, 7').

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema y procedimiento de recuperación de calor SECTOR DE LA TÉCNICA
La presente invención se refiere a un sistema y un procedimiento de recuperación de calor, con mínimo consumo de energía, en almacenamientos de líquidos que necesitan una renovación continua, como es el caso de las piscinas.
ESTADO DE LA TÉCNICA
Actualmente, en determinados procesos es necesario renovar fluidos para mantener su calidad. En el caso de las piscinas climatizadas, el agua que se debe reciclar diariamente es sustituida por agua fría de la red. Esta cantidad varía entre un 4% y un 5% del volumen total de la piscina, dependiendo de la normativa aplicable y del tipo de tratamiento de desinfección que se le aplique.
El agua fría que se introduce requiere ser calentada a la temperatura de uso (26 a 27.5°C) desde la temperatura de partida (entre 4 y 16°C según la zona y época del año). Según la piscina, se tienen que calentar entre 20 y 60 m3 al día con un alto coste energético fácilmente calculable. Si aproximadamente se renuevan 28 m3 de agua en una piscina semiolímpica (25 x 12.5 x 2 m), con una temperatura de entrada de 9°C:
Q = m c (t2-t1) = 28.000 Kg x 0,0011619 (KWh/(°C Kg)) x (27-9) °C = 585,6 KWh Esto, sin tener en cuenta el rendimiento de la calefacción, que puede ser del 0,8.
La instalación de un intercambiador de calor reduciría considerablemente el gasto energético de esta operación de renovación diaria, pues haciendo circular por un intercambiador de calor el agua que sale con la que entra se podría elevar fácilmente la temperatura del agua entrante hasta los 23°C. Esto reduce fuertemente el consumo energético puesto que el salto térmico es considerablemente inferior.
Esta operación tan sencilla y rentable actualmente no se realiza por varios motivos:
La renovación del agua es una operación que se suele realizar manualmente. Esto quiere decir que un operario abre la válvula de vaciado de la piscina y, en aproximadamente 10 minutos se vacía la cantidad descrita. A continuación se rellena con agua de la red hasta volver a alcanzar el nivel deseado en la piscina. Para obtener una recuperación del calor en ese tiempo, se necesitaría un intercambiador capaz de manejar caudales de 126 m3/h, con una potencia de intercambio de aprox. 2.050 KW.
Un intercambiador tipo de este tamaño es especialmente costoso y se tiene inutilizado casi todo el día. Por lo tanto, esta inversión no es atractiva.
Se puede reducir el tamaño del intercambiador fácilmente con sólo aumentar el tiempo de intercambio, esto es, reducir la velocidad de llenado y vaciado.
Realizando una renovación continua, es decir, a lo largo de las 24 h del día, el caudal del agua entrante y saliente se reduce a 1,16 m3/h, y la potencia del intercambiador a 24,4 kW. Este intercambiador tendría un coste aproximado de 800 €. Esta solución es más eficaz y rentable. No obstante, para que este intercambio se realice correctamente, es necesario que el caudal de agua entrante y saliente sean sensiblemente iguales, o de lo contrario se producirían rebosamientos o vaciados indeseados de la piscina.
En este punto hay que resaltar que el llenado se hace a presión de red y el vaciado por gravedad. Así, el régimen de salida del agua es completamente diferente al de llenado, pues las presiones y diámetros de tubería son diferentes. Es necesario proceder a equilibrar ambos regímenes.
Los sistemas disponibles actualmente para realizar este equilibrado son:
- Ajuste manual de las válvulas de vaciado y llenado. Es un método muy inexacto y muy expuesto a fallos, cambios en la presión de la red de abastecimiento y otras inestabilidades provocadas por ensuciamiento de los filtros. Es el método más económico, pero no es en absoluto recomendable puesto que puede dar lugar a vaciados excesivos o a rebosamientos.
- Instalación de sistemas de control que pueden constar de bombas de caudal variable y/o válvulas motorizadas a la entrada y a la salida funcionando en combinación con contadores de impulsos y un control encargado del equilibrado de los caudales. Es un sistema muy exacto, pero su coste hace poco atractiva su instalación. Este sistema podría tener un coste de 16.000 € instalado, a lo que hay que añadir el coste del consumo eléctrico del sistema.
- Otros sistemas que existen en el mercado de recuperación de calor se basan en bombas de calor agua-agua en los que el agua añadida a la piscina se calienta al pasar por el condensador y el agua extraída es enfriada a su paso por el evaporador. Son sistemas con buen rendimiento, aunque el coste y tamaño necesario para su instalación es alto. Un equipo de este tipo tiene un coste de aproximadamente 60.000 €. El problema del equilibrado de caudales en estos equipos también se resuelve por medio de sistemas complejos.
También existen equipos que realizan una función de equilibrador de caudales, pero se destinan a circuitos hidráulicos de potencia y no son suficientemente exactos:
- Generalmente son bombas cuyos engranajes están acoplados por parejas por ejes comunes. Estos equipos están preparados para trabajar con altas presiones en ambas líneas y con líquidos lubricantes como el aceite hidráulico. Su función es equilibrar caudales para asegurar un movimiento acompasado de dos cilindros hidráulicos.
- Otros equipos son cuerpos de válvula autopilotados que funcionan alternativamente desviando caudales, sensiblemente iguales, hacia dos conductos de salida
Ambos equipos adolecen de falta de exactitud cuando los circuitos a los que atienden tienen diferente presión.
Por todo lo explicado son equipos inaplicables para solucionar el problema que se ha planteado.
BREVE EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
Según un primer aspecto, la presente invención da a conocer un sistema de recuperación de calor entre una fuente de fluido a menor presión y una fuente de fluido de mayor presión. El sistema comprende:
- un intercambiador de calor al que se conectan ambas fuentes; y
- un equipo de bombeo, que a su vez comprende: ■ un primer cilindro con puertos de conexión a la fuente de mayor presión y al intercambiador de calor;
■ un segundo cilindro con puertos de conexión a la fuente de menor presión y al intercambiador de calor, y con un vástago común al primer cilindro; ■ un primer órgano de desplazamiento volumétrico fijado al vástago, que genera en el primer cilindro dos primeras cámaras que se conectan alternativamente a la fuente de mayor presión o al intercambiador de calor; y
■ un segundo órgano de desplazamiento volumétrico fijado al vástago, que genera en el segundo cilindro dos segundas cámaras; de modo que el fluido de mayor presión aporta la energía necesaria para el bombeo del fluido de menor presión.
Gracias a las características particulares del equipo de bombeo y a su conjugación con el intercambiador de calor, el sistema de la presente invención es un sistema sencillo, compacto, de gran exactitud volumétrica, de bajo coste y de reducido consumo de energía, ya que puede realizar su función sin más aporte de energía externa que el necesario para las funciones de supervisión. El solicitante no conoce ninguna solución igual de eficaz que la proporcionada por la presente invención. Según un segundo aspecto, la presente invención también proporciona un procedimiento de recuperación de calor entre una fuente de fluido de menor presión y una fuente de fluido de mayor presión, mediante el sistema de la presente invención. El procedimiento comprende las etapas de: a) introducir fluido de la fuente a mayor presión en una de las primeras cámaras del primer cilindro, comunicando la otra de las primeras cámaras con el intercambiador de calor; b) desplazar el vástago gracias a la energía aportada por el fluido de mayor presión, bombeando así el fluido de menor presión en el segundo cilindro hacia el intercambiador de calor; c) hacer circular por el intercambiador de calor el fluido procedente del primer cilindro y el fluido procedente del segundo cilindro; d) desplazar el vástago en sentido contrario al que se desplazaba anteriormente, por efecto de invertir el funcionamiento de las primeras cámaras, bombeando así el fluido de menor presión en el segundo cilindro hacia el intercambiador de calor; e) hacer circular por el intercambiador de calor el fluido procedente del primer cilindro y el fluido procedente del segundo cilindro; f) repetir cíclicamente las etapas anteriores.
Según un tercer aspecto, la presente invención se refiere al uso del sistema de recuperación de calor según la presente invención en la renovación y tratamiento de agua en piscinas.
A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Además, la palabra "comprende" incluye el caso "consiste en". Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean limitativos de la presente invención. Además, la presente invención cubre todas las posibles combinaciones de realizaciones particulares aquí indicadas.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, se acompaña un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente.
Figura 1: Vista esquemática de un ejemplo de realización.
Figura 2: Detalle de la figura 1.
Figura 3: Vista esquemática de un segundo ejemplo de realización, con una válvula de doble cuerpo.
Figura 4: Detalle de la figura 3.
MODOS DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
Según un primer aspecto, la presente invención da a conocer un sistema de recuperación de calor entre una fuente de fluido de menor presión y una fuente de fluido de mayor presión.
Tal y como se muestra en las figuras 1 , 2, 3 y 4, el sistema comprende un equipo de bombeo (23) y un intercambiador de calor (11) al que se conectan la fuente de fluido de menor presión y la fuente de fluido mayor presión. Tal y como se explicará más adelante, el equipo de bombeo (23) desplaza continuamente la misma proporción de fluido de la fuente de mayor presión y de fluido de la fuente de menor presión, por lo que se trata de un sistema de exactitud volumétrica.
Tal y como se usa en el presente documento, el término “órgano de desplazamiento volumétrico” se define como una pieza que se mueve alternativamente en el interior de un cuerpo de cilindro para desplazar un fluido o recibir de él movimiento. Por ejemplo, un pistón, o una membrana, son órganos de desplazamiento volumétrico.
El equipo de bombeo (23) comprende un primer cilindro (1) con puertos de conexión a la fuente de mayor presión y al intercambiador de calor (11). También comprende un segundo cilindro (2) con puertos de conexión a la fuente de menor presión y al intercambiador de calor (11). Ambos cilindros (1, 2) tienen un vástago (3) común al que se fijan dos órganos de desplazamiento volumétrico (4, 5) que generan 4 cámaras (6, 6’, 7, 7’): Concretamente, un primer órgano de desplazamiento volumétrico (4) genera en el primer cilindro (1) dos primeras cámaras (6, 6’), y un segundo órgano de desplazamiento volumétrico (5) genera en el segundo cilindro (2) dos segundas cámaras (7, 7’).
Las primeras cámaras (6, 6’) del primer cilindro (1) se conectan alternativamente a la fuente de mayor presión o al intercambiador de calor (11). Mientras una de las primeras cámaras se conecta a la fuente de mayor presión, la otra se conecta al intercambiador de calor y viceversa.
El equipo de bombeo (23) aprovecha la diferencia de presión entre fluidos para realizar el bombeo. El fluido de trabajo proveniente de la fuente de mayor presión, por ejemplo agua de una red de abastecimiento (8), entra en una de las primeras cámaras (6, 6’) del primer cilindro (1) y mueve el primer órgano de desplazamiento volumétrico (4). El movimiento del primer órgano de desplazamiento volumétrico (4) provoca un aumento de volumen de una de las primeras cámaras a costa de reducir el volumen de la otra primera cámara, que es evacuada. El movimiento del primer órgano de desplazamiento volumétrico (4) se transmite por el vástago (3) al segundo órgano de desplazamiento volumétrico (5), y produce en el segundo cilindro (2) el bombeo del fluido proveniente de la fuente de menor presión hacia el intercambiador de calor (11). Según lo expuesto, el fluido de mayor presión aporta la energía necesaria para el bombeo del fluido de menor presión.
Según una realización particular, la fuente de fluido de mayor presión tiene menos temperatura que la fuente de menor presión. Según una opción alternativa, es la fuente de fluido de menor presión la que tiene menor temperatura. Según una realización más particular, la fuente de mayor presión es una red de abastecimiento (8), y la fuente de menor presión es un vaso (9) de una piscina. Opcionalmente, la fuente de mayor presión puede ser una red de bombeo, y la fuente de menor presión puede ser un depósito.
Según una realización particular mostrada en las figuras 1 y 2, el primer cilindro (1) tiene un puerto de conexión en cada una de sus primeras cámaras (6, 6’). Cada puerto de conexión actúa alternativamente como puerto de aspiración o como puerto de evacuación, gracias al control de una válvula distribuidora (10). Mientras un puerto actúa como puerto de aspiración, el otro puerto actúa como puerto de evacuación; y posteriormente, el puerto de aspiración pasa a ser puerto de evacuación, y el otro puerto pasa a ser puerto de aspiración. Respecto al segundo cilindro (2), cada una de sus segundas cámaras (7, 7’) tiene un puerto de aspiración y un puerto de evacuación. La válvula distribuidora (10) controla la dirección del fluido en el primer cilindro (1), comunicando sus cámaras de forma alternativa con el intercambiador de calor (11) o con la fuente de fluido respectiva. Particularmente, la válvula distribuidora (10) determina en cada momento a cuál de las primeras cámaras (6, 6’) del primer cilindro
(1) se deriva el fluido de la fuente de mayor presión y cuál se conecta al intercambiador de calor (11). Según una opción particular mostrada en las figuras 1 y
2, la válvula distribuidora (10) es una válvula de cuatro vías y dos posiciones (válvula 4/2).
Según una realización alternativa mostrada en las figuras 3 y 4, la disposición de los puertos de conexión en el primer cilindro (1) es la misma que en el segundo cilindro
(2). Ambos cilindros tienen un puerto de conexión en cada una de sus cámaras correspondientes, que actúa alternativamente como puerto de aspiración o como puerto de evacuación, gracias al control de una válvula distribuidora (10). Mientras un puerto de un cilindro actúa como puerto de aspiración, el otro puerto del mismo cilindro actúa como puerto de evacuación; y posteriormente, el puerto de aspiración pasa a ser puerto de evacuación, y el otro puerto pasa a ser puerto de aspiración. En este caso, la válvula distribuidora (10) es una válvula de doble cuerpo. Cada uno de los cuerpos de la válvula distribuidora (10) controla la dirección de los fluidos en uno de los cilindros, comunicando sus cámaras correspondientes de forma alternativa con el intercambiador de calor (11) o con la fuente de fluido respectiva. Particularmente, un cuerpo de la válvula distribuidora (10) determina en cada momento a cuál de las primeras cámaras (6, 6’) del primer cilindro (1) se deriva el fluido de la fuente de mayor presión y cuál se conecta al intercambiador de calor (11); el otro cuerpo de la válvula distribuidora (10) determina en cada momento a cuál de las segundas cámaras (7, 7’) del segundo cilindro (2) se deriva el fluido de la fuente de menor presión y cuál se conecta al intercambiador de calor (11). Según la opción particular mostrada en las figuras 3 y 4, cada uno de los cuerpos de la válvula distribuidora (10) tiene un diseño de cuatro vías y dos posiciones (válvula 4/2).
La válvula distribuidora (10) puede estar programada por tiempos o puede estar comandada por medios de accionamiento, como por ejemplo por dispositivos de pilotaje. Según una realización particular, el equipo de bombeo (23) comprende unos dispositivos de pilotaje (12) en los finales de carrera del vástago (3), que comandan la válvula distribuidora (10). Opcionalmente, los dispositivos de pilotaje (12) pueden estar dispuestos en los finales de carrera de los órganos de desplazamiento volumétrico (4, 5).
Los dispositivos de pilotaje (12) actúan sobre la válvula distribuidora (10) de forma que cada vez que un dispositivo de pilotaje (12) detecta el final de carrera correspondiente (o un poco antes si es más conveniente), la válvula distribuidora (10) alterna la primera cámara (6, 6’) que se vacía y la que se llena desde la fuente de mayor presión. Esto implica el movimiento del vástago (3) y de los órganos de desplazamiento volumétrico (4, 5) en sentido opuesto. Los dispositivos de pilotaje (12) pueden ser de tipo eléctrico, hidráulico, o electrónico. Los fluidos evacuados del primer cilindro (1) y del segundo cilindro (2) se dirigen al intercambiador de calor (11). En el intercambiador de calor (11) se aprovecha la energía calorífica del fluido de mayor temperatura para aumentar la temperatura del otro fluido. En las figuras, el intercambiador de calor (11) es de flujo paralelo, pero puede ser de flujo a contracorriente sin por ello apartarse del alcance de la presente invención. Según una realización particular mostrada en las figuras, el fluido que sale del intercambiador de calor (11) proveniente de la fuente de mayor presión y del primer cilindro (1) se deriva a la fuente de menor presión. El fluido que sale del intercambiador de calor (11) proveniente de la fuente de menor presión y del segundo cilindro (2) se deriva a la salida del sistema, por ejemplo para desecharlo a un desagüe o para enviarlo a una utilización externa.
El sistema de la presente invención puede comprender una válvula de entrada (24) que controla la entrada de fluido al sistema y una válvula de salida (25), que controla la salida de fluido del sistema. El funcionamiento del sistema es continuo mientras están abiertas la válvula de entrada (24) y la válvula de salida (25), y se detiene cuando al menos una de ellas está cerrada.
La regulación del sistema (por ejemplo el caudal de renovación del agua de una piscina) se puede realizar actuando sobre la presión del fluido proveniente de la fuente de mayor presión. Por ejemplo, puede tener un regulador de presión (13) o una válvula de estrangulamiento.
Tal y como se ha mencionado anteriormente, el equipo de bombeo (23) desplaza continuamente la misma proporción de fluido de la fuente de mayor presión y de fluido de la fuente de menor presión, por lo que se trata de un sistema de exactitud volumétrica. Según una realización particular, el primer cilindro (1) y el segundo cilindro (2) tienen las mismas dimensiones, para asegurar que el volumen desplazado de fluido de la fuente de mayor presión sea igual al volumen desplazado de fluido de la fuente de menor presión. Como los cilindros tienen las mismas dimensiones y el desplazamiento de los órganos de desplazamiento volumétrico (4, 5) también, los volúmenes de ambos fluidos en cada ciclo son idénticos. En consecuencia, no es necesario vigilar la regulación o ajuste y no existe riesgo de vaciado excesivo o de rebosamiento.
Opcionalmente, las dimensiones del primer cilindro (1) pueden ser diferentes a las dimensiones del segundo cilindro (2) si se desea una proporción diferente de fluido de mayor presión y fluido de menor presión. Por ejemplo, puede ser necesario introducir en el vaso (9) de la piscina más agua de la extraída para compensar la evaporación, reboses y otras pérdidas. En ese caso, los cilindros pueden tener secciones diferentes. Las diferencias de volumen de los órganos de desplazamiento volumétrico (4, 5), por ejemplo en función de su espesor, también pueden utilizarse para modificar la proporción.
Según una realización particular, los órganos de desplazamiento volumétrico (4, 5) son membranas. Para asegurar la precisión en la proporción deseada es necesario que las membranas sean inextensibles, como por ejemplo membranas enlonadas. Según una opción alternativa los órganos de desplazamiento volumétrico (4, 5) son pistones.
Según una realización mostrada en las figuras, el sistema incluye unos dispositivos antirretorno (15) para asegurar la función de cada puerto de conexión de los cilindros y que el flujo de fluidos se realiza en los sentidos deseados. El sistema también puede comprender otros dispositivos, como uno o más filtros (17) para evitar el ensuciamiento del intercambiador de calor (11); uno o más manómetros (16) y uno o más sensores de temperatura (19) para controlar el correcto funcionamiento y alertar del posible ensuciamiento del intercambiador de calor (11); uno o más acumuladores hidroneumáticos (14) para evitar sobrepresiones transitorias, por ejemplo en el instante que el vástago (3) llega al final de carrera y el bombeo cambia de sentido; uno o más detectores de flujo (18) que cortan el paso de fluido si no se detecta caudal en algún punto del sistema, para revisar fugas y evitar inundaciones o desperfectos en caso de rotura de tuberías; etc.
Opcionalmente, el sistema también puede comprender una o más electroválvulas de corte (20) que reciben información de uno o más detectores de flujo (18), y cortan el paso de fluido si se detecta que no llega al destino deseado. También puede disponerse un sistema de control (26), que controla la interrelación entre los detectores de flujo (18) y las electroválvulas de corte (20) correspondientes. El sistema de control (26) puede ser de tipo mecánico, eléctrico o electrónico, por ejemplo un autómata programable. Concretamente, según se muestra en las figuras 1 y 3, el sistema puede comprender: - dos detectores de flujo (18): uno en el conducto que comunica el intercambiador de calor (11) con el vaso (9) de la piscina, y otro en el conducto que comunica el intercambiador de calor (11) con la salida del sistema;
- dos electroválvulas de corte (20): una en el conducto que comunica la red de abastecimiento (8) con el primer cilindro (1), y otro en el conducto que comunica el vaso (9) de la piscina con el segundo cilindro (2). - Un sistema de control (26) al que se unen los dos detectores de flujo (18) y las dos electroválvulas de corte (20).
De este modo, si los detectores de flujo (18) detectan que no llega fluido al vaso (9) de la piscina, o que no sale fluido del intercambiador de calor (11) hacia la salida del sistema, envían una señal al sistema de control (26), y éste acciona las electroválvulas de corte (20) correspondientes, deteniéndose el flujo de la red de abastecimiento (8) y/o el flujo de salida del vaso (9) de la piscina.
El sistema de la presente invención está optimizado para bajas presiones (menos de 10 bar). Por ejemplo, la presión del fluido de trabajo proveniente de la red de abastecimiento (8) es de entre 2 y 5 bar, y la presión del agua del vaso (9) de una piscina es usualmente de 0,25 bar aproximadamente (presión atmosférica más la presión hidrostática correspondiente a la altura existente entre el nivel superficial de la piscina y la sala de bombeo).
Según un segundo aspecto, la presente invención también proporciona un procedimiento de recuperación de calor entre una fuente de fluido de menor presión y una fuente de fluido de mayor presión, mediante el sistema de la presente invención. El procedimiento comprende las siguientes etapas: a) introducir fluido de la fuente de mayor presión en una de las primeras cámaras (6, 6’) del primer cilindro (1), y simultáneamente comunicar la otra de las primeras cámaras (6, 6’) con el intercambiador de calor (11); b) desplazar el vástago (3) gracias a la energía aportada por el fluido de mayor presión, bombeando así el fluido de menor presión en el segundo cilindro (2) hacia el intercambiador de calor (11).
El fluido de mayor presión, aporta la energía necesaria para el bombeo del fluido de menor presión. Concretamente, según la opción particular mostrada en las figuras, el fluido de mayor presión que ha sido introducido en una de las primeras cámaras (6, 6’) empuja y produce el movimiento del primer órgano de desplazamiento volumétrico (4), y en consecuencia el movimiento del vástago (3) y del segundo órgano de desplazamiento volumétrico (5), con el consiguiente bombeo del fluido de menor presión; c) hacer circular por el intercambiador de calor (11) el fluido procedente del primer cilindro (1) y el fluido procedente del segundo cilindro (2); d) desplazar el vástago (3) en sentido contrario al que se desplazaba anteriormente, por efecto de invertir la dirección de llenado de las primeras cámaras (6, 6’), bombeando así el fluido de menor presión en el segundo cilindro (2) hacia el intercambiador de calor (11).
Para el desarrollo de esta etapa, se introduce fluido de la fuente de mayor presión en la cámara que anteriormente comunicaba con el intercambiador de calor (11), y simultáneamente se comunica con el intercambiador de calor (11) la cámara en la que anteriormente se introducía el fluido de la fuente a mayor presión; e) hacer circular por el intercambiador de calor (11) el fluido procedente del primer cilindro (1) y el fluido procedente del segundo cilindro (2); f) repetir cíclicamente las etapas anteriores.
Según una realización particular, el procedimiento comprende las etapas adicionales c’) y e’), tras las etapas c) y e) respectivamente, de derivar el fluido procedente del primer cilindro (1) a la fuente de menor presión, y simultáneamente derivar el fluido procedente del segundo cilindro (2) a la salida del sistema.
Según una realización particular, los cambios de sentido del desplazamiento del vástago (3) se desarrollan por la acción de la válvula distribuidora (10), que deriva el fluido de la fuente de mayor presión alternativamente a una u otra de las primeras cámaras (6, 6’) del primer cilindro (1).
Gracias a las características particulares del equipo de bombeo y a su conjugación con el intercambiador de calor, el fluido de mayor presión aporta la energía mecánica necesaria para el bombeo del fluido de menor presión, y el fluido de mayor temperatura aporta la energía calorífica para el aumento de temperatura del fluido de menor temperatura, lo que repercute en un ahorro energético importante, muy útil por ejemplo en el caso de la renovación y tratamiento de agua de piscinas. De este modo, el sistema de la presente invención es un sistema sencillo, compacto, de gran exactitud volumétrica, de bajo coste y de reducido consumo de energía, ya que puede realizar su función sin más aporte de energía externa que el necesario para las funciones de supervisión.
Además de la aplicación de la presente invención en la renovación y tratamiento de agua en piscinas, también es aplicable en otros campos en los que se manejen fluidos, como tratamiento de aguas en general, industria química, farmacéutica o alimentaria. El solicitante no conoce ninguna solución igual de eficaz que la proporcionada por la presente invención.
Aunque se ha descrito la presente invención con referencia a realizaciones particulares de la misma, los expertos en la técnica podrán realizar modificaciones y variaciones a las enseñanzas anteriores sin por ello apartarse del alcance y el espíritu de la presente invención.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Sistema de recuperación de calor entre una fuente de fluido de menor presión y una fuente de fluido de mayor presión, caracterizado por que comprende: - un intercambiador de calor (11) al que se conectan ambas fuentes; y
- un equipo de bombeo (23), que a su vez comprende:
• un primer cilindro (1) con puertos de conexión a la fuente de mayor presión y al intercambiador de calor (11);
• un segundo cilindro (2) con puertos de conexión a la fuente de menor presión y al intercambiador de calor (11), y con un vástago (3) común al primer cilindro (1);
• un primer órgano de desplazamiento volumétrico (4) fijado al vástago (3), que genera en el primer cilindro (1) dos primeras cámaras (6, 6’) que se conectan alternativamente a la fuente de mayor presión o al intercambiador de calor (11); y
• un segundo órgano de desplazamiento volumétrico (5) fijado al vástago (3), que genera en el segundo cilindro (2) dos segundas cámaras (7, 7’); de modo que el fluido de mayor presión aporta la energía necesaria para el bombeo del fluido de menor presión.
2. Sistema según la reivindicación 1, en el que la fuente de fluido de mayor presión es una red de abastecimiento (8) a menor temperatura que la fuente de fluido de menor presión, que es un vaso (9) de una piscina.
3. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende una válvula distribuidora (10) que deriva el fluido de la fuente de mayor presión alternativamente a una u otra de las primeras cámaras (6, 6’) del primer cilindro (1)·
4. Sistema según la reivindicación 3, en el que la válvula distribuidora (10) es una válvula de doble cuerpo, que deriva el fluido de la fuente de menor presión alternativamente a una u otra de las segundas cámaras (7, 7’) del segundo cilindro (2).
5. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 3 o 4, en el que el equipo de bombeo (23) comprende unos dispositivos de pilotaje (12) en los finales de carrera del vástago (3), que comandan la válvula distribuidora (10).
6. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el fluido de la fuente de mayor presión se deriva a la fuente de menor presión tras su paso por el intercambiador de calor (11)
7. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el primer cilindro (1) y el segundo cilindro (2) tienen las mismas dimensiones.
8. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el primer órgano de desplazamiento volumétrico (4) y el segundo órgano de desplazamiento volumétrico (5) son membranas inextensibles.
9. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende uno o más acumuladores hidroneumáticos (14) para evitar sobrepresiones transitorias.
10. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende uno o más detectores de flujo (18) que cortan el paso de fluido si no detectan caudal.
11. Procedimiento de recuperación de calor entre una fuente de fluido de menor presión y una fuente de fluido de mayor presión, mediante el sistema definido en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por que comprende las etapas de: a) introducir fluido de la fuente de mayor presión en una de las primeras cámaras (6, 6’) del primer cilindro (1), comunicando la otra de las primeras cámaras (6, 6’) con el intercambiador de calor (11); b) desplazar el vástago (3) gracias a la energía aportada por el fluido de mayor presión, bombeando así el fluido de menor presión en el segundo cilindro (2) hacia el intercambiador de calor (11); c) hacer circular por el intercambiador de calor (11) el fluido procedente del primer cilindro (1) y el fluido procedente del segundo cilindro (2); d) desplazar el vástago en sentido contrario al que se desplazaba anteriormente, por efecto de invertir la dirección de llenado de las primeras cámaras (6, 6’), bombeando así el fluido de menor presión en el segundo cilindro (2) hacia el intercambiador de calor (11). e) hacer circular por el intercambiador de calor (11) el fluido procedente del primer cilindro (1) y el fluido procedente del segundo cilindro (2); f) repetir cíclicamente las etapas anteriores.
12. Procedimiento según la reivindicación 10, que comprende las etapas adicionales c’) y e’), tras las etapas c) y e) respectivamente, de derivar el fluido procedente del primer cilindro (1) a la fuente de menor presión.
13. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 10 o 11, en el que los cambios de sentido del desplazamiento del vástago (3) se desarrollan por la acción de la válvula distribuidora (10), que deriva el fluido de la fuente de mayor presión alternativamente a una u otra de las primeras cámaras (6, 6’) del primer cilindro (1).
14. Uso del sistema definido en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en la renovación y tratamiento de agua en piscinas.
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