ES2217381T3 - Dispositivo para recuperacion de calor. - Google Patents
Dispositivo para recuperacion de calor.Info
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Abstract
UN SISTEMA CONVENCIONAL DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE TIENE UN DISPOSITIVO DE RECUPERACION DE CALOR INSTALADO DE TAL MANERA QUE EL AIRE DE RETORNO PROCEDENTE DEL ESPACIO ACONDICIONADO PASA A TRAVES DE UNA PARTE DE ABSORCION DE CALOR DEL MISMO Y EL AIRE DE ALIMENTACION PASA A TRAVES DE UNA PARTE DE CESION DE CALOR DEL MISMO. SUBSTANCIALMENTE, EL 100 % DEL AIRE EXTERIOR PASA A TRAVES DE LA PARTE DE CESION DE CALOR DEL DISPOSITIVO, DONDE SE ENFRIA ANTES DE PASAR A LA BATERIA DEL EVAPORADOR (14) Y AL ESPACIO A REFRIGERAR. DESPUES DE PASAR EL AIRE DE RETORNO A TRAVES DE LA PARTE DE ABSORCION DE CALOR, PASA A TRAVES DE LA BATERIA DEL CONDENSADOR (12) Y SE DESCARGA AL EXTERIOR. PREFERIBLEMENTE AGUAS DEBAJO DE LA BATERIA DEL EVAPORADOR (12), SE INSTALA UN SUBENFRIADOR Y PREFERIBLEMENTE AGUAS ARRIBA DE LA PARTE DE ABSORCION DE CALOR DEL DISPOSITIVO DE RECUPERACION DE CALOR, SE INSTALA UN REFRIGERADOR DE EVAPORACION PARA MEJORAR SUBSTANCIALMENTE LAS CARACTERISTICAS DE REFRIGERACION Y DEHUMIDIFICACION.
Description
Dispositivo para recuperación de calor.
Esta invención se refiere, en general, a sistemas
de acondicionamiento de aire y, más en particular, a un método y
aparato mejorados para controlar la humedad en un espacio.
En los sistemas usuales de acondicionamiento de
aire, se hace poco esfuerzo para controlar la humedad en el espacio
que se está enfriando, y como resultado, con el fin de conseguir el
grado de confort deseado, es necesario llevar el espacio a una
temperatura inferior a la que se requeriría en otro caso. Una
función de "sobreenfriamiento" de este tipo es relativamente
cara y también puede ser causa de incomodidad para el que se
encuentre en el espacio que está siendo enfriado.
Se hizo una mejora al sistema de
acondicionamiento de aire convencional por medio de la incorporación
de un subenfriador en el lado de aguas abajo del evaporador, como se
muestra y se describe en la de solicitud de patente norteamericana
número 08/520.896, presentada el 30 de agosto de 1995 y concedida
como patente americana número 5.622.057 el 22 de abril de 1997.
Aquí, el efecto latente del serpentín del evaporador es mejorado por
el serpentín subenfriador añadido, y se reduce sustancialmente la
humedad.
Otro enfoque que se ha seguido para controlar la
humedad en un espacio es el de utilizar desecantes para suplementar
el sistema de acondicionamiento de aire convencional. Un sistema de
este tipo se muestra en la patente norteamericana 5.551.245,
expedida el 3 de septiembre de 1996. Aunque un sistema desecante de
este tipo puede proporcionar un control de humedad aún mayor que el
del enfoque del subenfriador que se ha mencionado mas arriba, sus
costos de fabricación y de instalación del mismo serían
sustancialmente mayores.
Debido a la proximidad con que se construyen hoy
en día los edificios, en la actualidad existe la condición
denominada síndrome de "edificio enfermo", cuando una entrada
insuficiente de aire exterior al interior del edificio, de manera
que el mismo aire se hace recircular una y otra vez y se convierte
en aire viciado y estancado. Para evitar este problema, hay ahora un
código de normas ASHRAE que establece los requisitos prescritos para
una renovación mínima del volumen de aire en edificios públicos.
Esto se consigue actualmente por medio de la utilización de
economizadores, pero los sistemas actuales no se acomodan al uso de
aire exterior al 100%, puesto que la capacidad de enfriamiento
generalmente no es la suficiente para hacerlo.
Por lo tanto, es un objeto de la presente
invención proporcionar un método y un aparato mejorados para el
control de la humedad en un espacio con aire acondicionado.
Un sistema de acondicionamiento de aire que tiene
las características del preámbulo de la reivindicación 1, se muestra
en la patente norteamericana 4.071.080. Otros sistemas se muestran
en las patentes norteamericanas 4.562.955 y 5.509.172; y en los
documentos EP-A-00 55 000 y
WO-05/22726. La presente invención, como se expone
en la reivindicación 1, se caracteriza respecto a la exposición de
la patente norteamericana 4.071.080 por las particularidades de su
cláusula caracterizadora.
Brevemente, de acuerdo con un aspecto de la
invención, se coloca un dispositivo de recuperación de calor aguas
arriba del serpentín del evaporador de un sistema de
acondicionamiento de aire. El dispositivo de recuperación de calor
tiene dos corrientes de aire que circulan a través del mismo, en
relación de intercambio de calor sensible. El aire de retorno del
espacio que está siendo enfriado pasa a través del dispositivo de
recuperación de calor para conseguir una ganancia de calor sensible
antes de su descarga al exterior. En el otro lado del dispositivo de
recuperación de calor, se lleva aire de suministro al interior desde
el exterior y se le hace pasar a través del dispositivo de
recuperación de calor para ser enfriado y por lo tanto, para
llevarlo a una temperatura más cercana al punto de rocío antes de
hacerle pasar a través del serpentín del evaporador. De esta manera,
se mejora sustancialmente el efecto latente del serpentín del
evaporador y se reduce la humedad del aire que pasa al espacio,
debido a la cantidad incrementada de condensación que se produce en
el serpentín del evaporador.
La disposición de recuperación de calor que se ha
descrito mas arriba se utiliza en combinación con un subenfriador
situado aguas abajo del serpentín del evaporador, de manera que el
refrigerante que pasa al evaporador es subenfriado. De esta manera,
se mejora adicionalmente el efecto latente del serpentín del
evaporador, y se reduce aún más la humedad.
Se coloca un enfriador evaporativo en el flujo de
la corriente de aire de retorno, aguas arriba del dispositivo de
recuperación de calor. A continuación, en primer lugar se enfría el
aire de retorno antes de su entrada en el dispositivo de
recuperación de calor, con lo cual se incremente la diferencia de
temperatura respecto a la del aire exterior y se incrementa el
efecto de enfriamiento del aire antes de que pase al serpentín del
evaporador.
En una realización preferida de la invención, el
enfriador evaporativo se coloca debajo del serpentín del evaporador,
de manera que el condensado del serpentín del evaporador se pueda
utilizar como agua para el medio enfriador evaporativo.
En los dibujos, como se describe en lo que sigue,
se muestra una realización preferida; sin embargo, se pueden hacer
varias otras modificaciones e instrucciones alternativas a la misma
sin separarse del marco de la invención, que está definido por las
reivindicaciones.
La figura 1 es una ilustración esquemática
posible de un sistema de acondicionamiento de aire en el cual se ha
incorporado la presente invención;
La figura 2 es un gráfico sicrométrico que
ilustra los ciclos del aire de retorno, y los del aire de
suministro, que circulan a través del sistema.
La figura 3 es una vista en perspectiva de un
sistema empaquetado de acuerdo con la presente invención.
Haciendo referencia a continuación a la figura1,
la invención se muestra, generalmente en 10 aplicado a un sistema de
acondicionamiento de aire que tiene un subenfriador incluido como se
describe en la solicitud de patente norteamericana, mencionada con
anterioridad, número de Serie 08/520.896, presentada el 30 de agosto
de 1995 a nombre de Bussjager et al. (expediente número 8562)
y cedida al cesionario de la presente invención. Por lo tanto, esa
solicitud se incorpora a título de referencia y en lo que sigue se
denominará patente de Bussjager.
El sistema incluye un compresor 11, un serpentín
12 de condensador, un dispositivo de expansión 13 y un serpentín 14
de evaporador conectados en una relación de flujo en serie para que
funcionen de manera convencional. Aunque la presente invención se
puede utilizar en un sistema de bomba de calor, es mas útil en un
sistema de acondicionamiento de aire y, con propósitos de
simplicidad y descriptivos, se describirá en términos de un sistema
de este tipo, en el entendimiento de que se podría incluir una
válvula de inversión (no ilustrada) de manera que el sistema
funcionase en el modo de calentamiento.
El sistema también incluye un serpentín
subenfriador 16, una válvula de solenoide 17 y una válvula de
expansión térmica 18. Estos componentes, junto con otros
subcomponentes (no ilustrados) funcionan de la manera descrita en la
patente de Bussjager que se ha mencionado en lo que antecede. En
resumen, en el lado de alta presión, se comprime el gas refrigerante
por medio del compresor 11 y se le hace pasar por la tubería 19 al
serpentín 12 del condensador, en donde el refrigerante se enfría y
se condensa a estado líquido que, a continuación, es hecho pasar por
la tubería 21, que se ramifica en una tubería 22 de entrada al
subenfriador y en una tubería 23 de derivación. Si el solenoide 17
está cerrado, como se producirá automáticamente cuando las
condiciones detectadas sean tales que se desee un subenfriamiento,
entonces el refrigerante líquido pasará por la tubería 22 al
interior del subenfriador 16, en donde es subenfriado por el aire
que proviene del evaporador. A continuación, el refrigerante líquido
subenfriado pasará por TXV18, que funciona para modular el flujo de
refrigerante líquido subenfriado de acuerdo con la temperatura del
refrigerante y con la temperatura de aspiración, como se describe
mas completamente en la patente de Bussjager. A continuación, el
refrigerante líquido pasa a través del dispositivo de expansión 13 y
al interior del serpentín 14 del evaporador, pasando a continuación
el gas refrigerante por la tubería 24 al compresor 11, para
completar el ciclo.
Cuando las condiciones detectadas sean tales que
no se desee la función de subenfriador, la válvula de solenoide 17
se abrirá automáticamente y el refrigerante pasará por la tubería 23
de derivación, a través de la válvula de solenoide 17 y al interior
del evaporador 14 por medio del dispositivo de expansión 13, sin
haber pasado a través del serpentín 16 del subenfriador. De nuevo,
después de pasar a través del serpentín 14 del evaporador, los
gases refrigerantes pasan por la tubería 24 al compresor 11, para
completar el ciclo.
Considerando ahora el propósito y la estructura
de la presente invención, se proporciona un dispositivo de
recuperación de calor 26, aguas arriba del serpentín 14 del
evaporador. El dispositivo de recuperación de calor 26 puede tomar
varias formas, tales como un tubo de calor, un dispositivo de
recuperación de calor con canales concéntricos en relación de
yuxtaposición o canales adyacentes en flujo cruzado, tales como los
que se encuentran comercialmente disponibles de Venmar Corporation,
o un impulsor de recuperación de energía, o un impulsor receptor de
calor, comercialmente disponibles cualquiera de ellos en
Engelhard/ICC. En cualquier caso, el dispositivo de recuperación de calor tiene una o más porciones de rechazo de calor y una o más porciones de ganancia de calor correspondientes. Esto se muestra esquemáticamente en la figura 1, como una porción de rechazo de calor 27 y una porción de ganancia de calor 28.
Engelhard/ICC. En cualquier caso, el dispositivo de recuperación de calor tiene una o más porciones de rechazo de calor y una o más porciones de ganancia de calor correspondientes. Esto se muestra esquemáticamente en la figura 1, como una porción de rechazo de calor 27 y una porción de ganancia de calor 28.
La colocación del dispositivo de recuperación de
calor 26 es tal que la porción de rechazo de calor 27 se encuentra
en el trayecto de flujo del aire de suministro al espacio que se va
enfriar, mientras que la porción de ganancia de calor 28 se
encuentra en el trayecto de flujo del aire de retorno del espacio
acondicionado. Aguas arriba de la porción de ganancia de calor 28
hay instalado, preferiblemente, un enfriador evaporativo 29, que
está compuesto por un medio enfriador evaporativo típico, sobre el
cual circula agua. En este caso, como se muestra, el enfriador
evaporativo 29 preferiblemente se coloca debajo del serpentín 14 del
evaporador, de manera que el agua para el medio enfriador
evaporativo sea suministrada por el condensado del serpentín del
evaporador. Puede proporcionarse un suministro suplementario de agua
para condiciones extremas, siendo retirada cualquier agua en exceso
por medio de un rebose de drenaje. El enfriador evaporativo 29
funciona para disminuir la temperatura de bulbo seco del aire de
retorno, sin afectar a la temperatura de bulbo húmedo del mismo.
Después de pasar a través del enfriador
evaporativo, a continuación, el aire de retorno enfriado pasa a
través de la porción de ganancia de calor 28 del dispositivo de
recuperación de calor 26, en el cual se consigue una ganancia de
calor sensible en la corriente de aire. El beneficio de esta función
no está en la ganancia de calor de la corriente de flujo de aire de
retorno, sino en el efecto contrario que se produce en la porción de
rechazo de calor 27, como se describirá en lo que sigue. A
continuación. el aire calentado que sale de la porción de ganancia
de calor 28 pasa preferiblemente a través del serpentín 12 del
condensador, como se muestra para el enfriamiento del refrigerante,
o parte de él o la totalidad puede ser expulsado hacia fuera. En
cualquier caso, no se utiliza nada del aire de retorno en el nuevo
suministro de aire al espacio que se va a enfriar.
Considerando a continuación la otra corriente de
flujo de aire que se utiliza para suministrar aire al espacio, el
aire exterior se lleva por medio de sopladores (no ilustrados) en
dos corrientes de aire, como se indica en la parte superior de la
figura 1. Una corriente de aire pasa a través del serpentín 12 del
condensador para enfriamiento del refrigerante y, a continuación,
pasa al exterior. La otra corriente de aire, que es aire exterior al
100%, en primer lugar pasa a través de un filtro 31, y a
continuación, a través de la porción de rechazo de calor 27 del
dispositivo de recuperación de calor 26. A continuación, después de
ser enfriado en la porción de rechazo de calor 27, el aire pasa a
través del serpentín 14 del evaporador, el serpentín 16 del
subenfriador y al espacio que se va a enfriar. El aire que se
suministra de esta manera no solamente está enfriado, sino que
también está deshumidificado.
Considerando ahora el efecto sicrométrico de cada
una de las corrientes de aire, en la figura 2 se muestra un gráfico,
representándose el ciclo del aire de retorno en línea continua, y
mostrándose el aire de suministro o de entrada exterior en líneas
discontinuas.
Haciendo referencia en primer lugar al aire
exterior, el aire entra a 35ºC (45ºF) de temperatura de bulbo seco
y a 23,9ºC (75ºF) de temperatura de bulbo húmedo, como se muestra
en el punto 1 en la figura 2. El aire se enfría sustancialmente en
el dispositivo de recuperación de calor 26 y sale a 25,6ºC (78ºF) de
bulbo seco / 21,4ºC (70,5ºF) de bulbo húmedo, como se muestra en el
punto 2. A continuación, el aire se enfría sustancialmente por medio
del evaporador, saliendo a 16,3ºC (61,4ºF) de bulbo seco / 20,3ºC
(57,8ºF) de bulbo húmedo, como se muestra en el punto 3. Finalmente,
el aire pasa a través del subenfriador en donde se caliente a
19,8ºC(67,6ºF) de bulbo seco / 15,4ºC(59,7ºF) de bulbo
húmedo mientras subenfría al refrigerante antes de que entre en el
serpentín del evaporador por medio del dispositivo de expansión 13.
Esta condición del aire se muestra en el punto 4 del
gráfico.
gráfico.
Haciendo referencia a continuación al flujo del
aire de retorno desde el espacio acondicionado, cuando entra en el
enfriador evaporativo 29 se encuentra a 26,7ºC(80ºF) de bulbo
seco / 19,4ºC(67ºF) de bulbo húmedo, como se muestra en el
punto 5. El enfriador evaporativo reduce la temperatura a 21,
7ºC(71ºF) de bulbo seco / 19,4ºC(67ºF) de bulbo
húmedo, como se muestra en el punto 6. Cuando el aire pasa a través
de la porción de ganancia de calor 28 del dispositivo de
recuperación de calor 26, se calienta a 31,1ºC (88ºF) de bulbo seco
/ 22, 2ºC(72ºF) de bulbo húmedo, como se muestra en el punto
7. Finalmente, se calienta adicionalmente cuando pasa a través del
serpentín del condensador hasta 42,2ºC(108ºF) de bulbo seco /
25,2ºC(77,4ºF) de bulbo húmedo cuando sale al exterior, como
se muestra en el punto 8.
Otra manera de mirar el gráfico de la figura 2 es
en términos de entalpía. Al pasar del punto 1 al punto 2, que
representa la función de enfriamiento que es posible por la presente
invención, como se indica por los puntos de conexión 5, 6 y 7 del
gráfico, hay un cambio de entalpía de 10 kJ/kg (BTU/LB) (es decir,
89, 55 kJ/kg - 79,55 kJ/kg) (38,5 -34,2 BTU/LB). Cuando esto se
compara con el cambio de entalpía total de 28,61 kJ/kg (12,3 BTU/LB)
(es decir, 89,55 kJ/kg - 60,94 kJ/kg) (38,5 - 26,2 BTU/LB)
representa el porcentaje de mejora y por lo tanto se puede aplicar
para determinar la capacidad mejorada del rendimiento total de un
sistema. Esto es, la capacidad mejorada X de un sistema de 6
toneladas estándar por la incorporación de la presente invención se
puede mostrar como X en la ecuación:
de manera que se calcula que X es 9,2. Por lo
tanto, con la presente invención instalada en un sistema estándar de
6 toneladas, se pueden obtener 9,2 toneladas de capacidad de
enfriamiento.
Haciendo referencia a continuación a la figura 3,
la invención se muestra incorporada en una unidad empaquetada 32,
que incluye los sopladores para mover ambas corrientes de aire a
través de la misma. Generalmente, la corriente de aire de suministro
circula en la porción delantera de la unidad, y la corriente de aire
de retorno circula en el lado trasero, estando divididos los lados
delantero y trasero por una partición central 33, dispuesta
verticalmente. Los sopladores 34 y 36 se disponen en las secciones
delantera y trasera respectivamente, para mover estas corrientes de
aire a través del sistema. También se proporciona un ventilador 37
para mover el aire exterior a través del serpentín 12 del
condensador.
Considerando en primer lugar las corrientes de
aire exterior, se aspira el aire exterior al interior de la unidad
en la porción inferior izquierda de la figura 3 por medio del
ventilador 37, circulando el aire a través del serpentín 12 del
condensador y descargándose fuera. Otra corriente de aire, que es
100% aire exterior y que comprende el aire de suministro, es hecha
circular por el soplador 34 para que pase a través del filtro 31 y a
través de la porción de rechazo de calor 27 del dispositivo de
recuperación de calor 26. Hay dispuesto un deflector 38 para aislar
la corriente de flujo del enfriador evaporativo 29 y la corriente de
flujo de aire de retorno. En la porción izquierda superior del
sistema, también hay dispuesto un deflector 39 para aislar esta
corriente de flujo del serpentín 12 del condensador y la corriente
de aire que circula a través del mismo. A continuación, después de
pasar a través de la porción de rechazo de calor 27, se fuerza el
aire enfriado por el soplador 34 para que circule a través del
serpentín 14 del evaporador y del serpentín 16 del subenfriador al
espacio que se va a enfriar.
En el lado de aire de retorno del sistema, el
soplador 36 hace que el aire se aspire del espacio, como se indica
por medio de las flechas en la porción inferior derecha en la figura
3, en donde pasa a través del enfriador evaporativo 29. A
continuación, pasa a través de la porción de ganancia de calor 28
(no ilustrada) detrás de la partición central 33. A continuación, el
soplador 36 fuerza la corriente de aire calentado a través del
serpentín 12 del condensador, al exterior. Una porción de esta
corriente de flujo de aire se puede desviar al exterior, de manera
que solamente una porción del mismo pase a través del serpentín 12
del condensador, si así se desea. Hay dispuesto otro deflector 41
para aislar la corriente de flujo de aire de retorno del serpentín
14 del evaporador.
Claims (3)
1. Un sistema (10) para acondicionar el aire de
un espacio del tipo que tiene un serpentín interior (14), un
serpentín exterior (12), un compresor (11), un dispositivo de
expansión (13) conectado operativamente en un circuito de flujo de
refrigerante, un dispositivo de recuperación de calor (26) que tiene
una porción de enfriamiento y una porción de calentamiento
interconectadas operativamente, un soplador para hacer pasar aire
aspirado del espacio a través del dispositivo de recuperación de
calor (26) antes de expulsar el aire fuera del espacio, un soplador
para hacer pasar aire de entrada, que es sustancialmente aire
exterior 100%, a través del dispositivo de recuperación de calor
(26) para que sea acondicionado antes de que el aire entrante pase a
través del serpentín interior (14), para un acondicionado posterior,
que se caracteriza por:
un subenfriador (16) que está dispuesto aguas
abajo del serpentín interior (14), de manera que el aire entrante
que pasa desde el serpentín interior (14), pase a través del
subenfriador (16) antes de entrar en el espacio; y
un enfriador evaporativo (29) dispuesto aguas
arriba del dispositivo de recuperación de calor, de manera que el
aire aspirado del espacio, pase a través del enfriador evaporativo
(29) antes de pasar a través del dispositivo de recuperación de
calor (26).
2. Un sistema como se ha indicado en la
reivindicación 1, caracterizado, además, porque agua
condensada del serpentín interior (14) es suministrada al enfriador
evaporativo (29).
3. Un sistema como se ha indicado en la
reivindicación 1 ó 2, que se caracteriza, además, porque el
dispositivo (26) de recuperación de calor es un tubo de calor.
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