ES2287416T3 - Metodo para aumentar la eficiencia de un sistema de compresion de vapor calentando el evaporador. - Google Patents
Metodo para aumentar la eficiencia de un sistema de compresion de vapor calentando el evaporador. Download PDFInfo
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Abstract
Un sistema (220) de compresión de vapor que comprende: un dispositivo de compresión que comprende una primera etapa (222a) de compresión y una segunda etapa (222b) de compresión para comprimir un refrigerante a alta presión; un intercambiador de calor (224b) que despide calor para enfriar dicho refrigerante; un dispositivo (226a, 226b) de expansión para reducir dicho refrigerante a una baja presión; un primer intercambiador (228a) de calor que acepta calor y un segundo intercambiador (228b) de calor que acepta calor, configurados en una relación de flujos paralelos, para evaporar dicho refrigerante; un refrigerador intermedio (224a) que está situado entre dichas etapas de compresión para enfriar aún más dicho refrigerante que pasa a través de dicho refrigerador intermedio; caracterizado porque dicho segundo intercambiador (228b) de calor que acepta calor está acoplado a dicho refrigerador intermedio (224a), de forma que el calor de dicho refrigerante del dicho refrigerador intermedio (224a)es despedido hacia dicho refrigerante en dicho segundo intercambiador (228b) de calor que acepta calor, por lo que dicho segundo intercambiador (228b) de calor acepta calor desde dicho dispositivo de compresión.
Description
Método para aumentar la eficiencia de un sistema
de compresión de vapor calentando el evaporador.
La presente invención está relacionada en
general con un método para aumentar la eficiencia de un sistema de
compresión de vapor, calentando el refrigerante del evaporador con
el calor proporcionado por el compresor.
Los refrigerantes que contienen cloro han
quedado desfasados en la mayor parte del mundo debido a su potencial
de destrucción del ozono. Como refrigerantes sustitutivos se han
utilizado hidrofluorocarburos (HFC), pero estos refrigerantes
siguen teniendo un alto potencial de calentamiento global. Como
fluidos de sustitución se han propuesto refrigerantes
"naturales", tales como el dióxido de carbono y el propano.
Desafortunadamente, también existen problemas con el uso de estos
fluidos. El dióxido de carbono tiene un punto crítico bajo, que
hace que la mayoría de los sistemas de aire acondicionado que
utilizan dióxido de carbono funcionen como
trans-críticos o por encima del punto crítico.
Cuando un sistema de compresión de vapor
funciona como trans-crítico, la presión del lado
alto del refrigerante es típicamente alta, de manera que el
refrigerante no cambia las fases desde vapor a líquido cuando pasa a
través de intercambiador de calor que despide el calor. Por tanto,
el intercambiador de calor que despide calor funciona como un
refrigerador de gas en un ciclo trans-crítico, en
lugar de hacerlo como un condensador. La presión de un fluido
sub-crítico es una función de la temperatura en
condiciones de saturación (donde están presentes tanto el líquido
como el vapor). Sin embargo, la presión de un fluido
trans-crítico es una función de la densidad del
fluido cuando la temperatura es más alta que la temperatura
crítica.
En un sistema de compresión de vapor de la
técnica anterior, el calor generado por el motor del compresor se
pierde al ser descargado al ambiente, o bien sobrecalienta el gas de
aspiración en el compresor. Si el calor sobrecalienta el gas de
aspiración en el compresor, la densidad y el caudal de la masa del
refrigerante disminuye, disminuyendo la eficiencia del sistema.
Sería beneficioso utilizar el calor del compresor para mejorar la
eficiencia del sistema y reducir el tamaño y el coste del
sistema.
El documento
US-A-2677944 divulga un sistema que
tiene las características del preámbulo de la reivindicación 1.
Otros sistemas están divulgados en los documentos DE 3319318A y
EP-A-0933603.
De acuerdo con la invención, se proporciona un
sistema de compresión de vapor como se reivindica en la
reivindicación 1, y un método de aumentar la capacidad de un
sistema de compresión de vapor trans-crítico, como
se reivindica en la reivindicación
7.
7.
La eficiencia de un sistema de compresión de
vapor puede aumentarse acoplando un evaporador con el compresor
para proporcionar calor desde el compresor al refrigerante en el
evaporador. Acoplado al evaporador, hay un refrigerador intermedio
de un sistema de compresión de vapor de dos etapas para proporcionar
el calor al refrigerante del evaporador. El refrigerante del
evaporador acepta calor del refrigerante del refrigerador
intermedio, aumentando la temperatura del refrigerante en el
evaporador. Como la presión está directamente relacionada con la
temperatura, la temperatura del refrigerante en el evaporador
aumenta, aumentando la presión del lado inferior del refrigerante
que sale del evaporador. A medida que aumenta la presión del lado
inferior, el compresor necesita hacer menos trabajo para llevar el
refrigerante al lado de alta presión, aumentando la eficiencia del
sistema y/o su capacidad.
Además, como el calor del refrigerante del
refrigerador intermedio es despedido hacia el refrigerante del
evaporador, el refrigerante del compresor se enfría. Al enfriar el
refrigerante del compresor, la densidad y el caudal de masa del
refrigerante del compresor aumenta, aumentando la eficiencia del
sistema.
Estas y otras características de la presente
invención se comprenderán mejor a partir de la siguiente memoria y
dibujos.
Las diversas características y ventajas de la
invención quedarán claras para los expertos en la técnica a partir
de la siguiente descripción detallada del modo de realización
preferido actualmente. Los dibujos que acompañan la descripción
detallada pueden ser descritos brevemente como sigue:
La figura 1 ilustra un diagrama esquemático de
un sistema de compresión de vapor de la técnica anterior;
La figura 2 ilustra un diagrama esquemático de
un evaporador acoplado al refrigerador intermedio de un sistema de
compresión de vapor de múltiples etapas para aumentar la eficiencia,
pero que cae fuera del alcance de la presente invención;
La figura 3 ilustra el acoplamiento del
evaporador con el refrigerador intermedio, de acuerdo con la
invención;
La figura 4 ilustra un diagrama esquemático del
evaporador acoplado a un componente del compresor, para aumentar la
eficiencia, pero que cae fuera del alcance de la presente invención;
y
La figura 5 ilustra un acoplamiento alternativo
del evaporador al componente del compresor, que cae también fuera
del alcance de la presente invención.
La figura 1 ilustra un diagrama esquemático de
un sistema 20 de compresión de vapor de la técnica anterior. El
sistema 20 incluye un compresor 22 con un motor 23, un primer
intercambiador de calor 24, un dispositivo 26 de expansión, un
segundo intercambiador de calor 28 y un dispositivo 30 de inversión
del flujo, para invertir el flujo del refrigerante que circula a
través del sistema 20. Cuando se funciona en modo de calentamiento,
después de que el refrigerante haya salido del compresor 22 a alta
presión y entalpía, el refrigerante fluye a través del primer
intercambiador de calor 24, el cual actúa como un condensador o
refrigerador de gas. El refrigerante pierde calor, saliendo del
primer intercambiador de calor 24 con baja entalpía y alta presión.
El refrigerante pasa después a través del dispositivo 26 de
expansión y la presión baja. Tras la expansión, el refrigerante
fluye a través del segundo intercambiador de calor 28, el cual actúa
como un evaporador, y sale con una alta entalpía y baja presión. El
refrigerante pasa a través de la bomba de calor 30 y después vuelve
a entrar en el compresor 22, completando el sistema 20. La bomba de
calor 30 puede invertir el flujo del refrigerante para cambiar el
sistema 20 del modo de calentamiento al modo de refrigeración.
En un modo de realización preferido de la
invención, se utiliza el dióxido de carbono como refrigerante.
Aunque se ilustra el dióxido de carbono, otros refrigerantes pueden
beneficiarse de esta invención. Debido a que el dióxido de carbono
tiene un punto crítico bajo, los sistemas que utilizan dióxido de
carbono como refrigerante requieren normalmente que el sistema 20
de compresión funcione como transcrítico. Este concepto puede ser
aplicado a los ciclos de refrigeración que funcionan a niveles de
presión múltiples, tales como aquellos sistemas que tienen dos o
más compresores, refrigeradores de gas, dispositivos de expansión o
evaporadores. Aunque se describe un sistema de compresión de vapor
transcrítico, debe entenderse que puede emplearse un sistema de
compresión de vapor sub-crítico convencional.
Además, la presente invención puede ser aplicada también a ciclos
de refrigeración que funcionan en niveles de presión múltiples,
tales como los sistemas que tiene más de un compresor, refrigerador
de gas, motores de expansión o evaporadores.
La figura 2 ilustra un sistema 120 de compresión
de múltiples etapas que no cae dentro del alcance de la invención.
Las referencias numéricas similares están incrementadas en múltiplos
de 100 para indicar partes similares. El sistema 120 incluye un
dispositivo 126 de expansión, un segundo intercambiador 128 de calor
o evaporador, un solo compresor con dos etapas o bien dos
compresores 122a y 122b de una sola etapa, un refrigerador
intermedio 124a situado entre los dos compresores 122a y 122b, y un
primer intercambiador de calor o refrigerador 124b de gas.
El evaporador 128 está acoplado al refrigerador
intermedio 124a. El calor del refrigerante en el refrigerador
intermedio 124a es aceptado por el refrigerante que pasa a través
del evaporador 128. Al aumentar la temperatura del refrigerante en
el evaporador 128 se aumenta el rendimiento del evaporador 128 y del
sistema 120. Como la presión está directamente relacionada con la
temperatura, al aumentar la temperatura del refrigerante que sale
del evaporador 128 se aumenta la presión del lado inferior del
refrigerante que sale del evaporador 128.
El trabajo del compresor 122a y 122b es una
función de la diferencia entre la presión del lado superior y la
presión del lado inferior del sistema 120. A medida que aumenta la
presión del lado inferior, se requiere que los compresores 122a y
122b trabajen menos, aumentando la eficiencia del sistema 120.
Además, a medida que el refrigerante suministra calor en el
refrigerador intermedio 128, se requiere que el evaporador 128
efectúe un menor calentamiento del refrigerante, reduciendo o
eliminando la función de calentamiento del evaporador 128.
A medida que se despide calor del refrigerante
del refrigerador intermedio 124a hacia el refrigerante del
evaporador 128, disminuye la temperatura del refrigerante que sale
del refrigerador intermedio 124a y entra en el compresor 122b de la
segunda etapa. Esto reduce el sobrecalentamiento del gas de
aspiración en el compresor 122b de la segunda etapa, aumentando la
densidad y la masa de fluido del refrigerante en el compresor 122b
de la segunda etapa, aumentando aún más la eficiencia del sistema
120. La temperatura de descarga del compresor 122b de la segunda
etapa se reduce también, prolongando la vida del compresor 122b.
Como se ilustra en la figura 3, el sistema 220
de compresión de vapor de múltiples etapas, de acuerdo con la
invención, incluye dos evaporadores 228a y 228b. El primer
evaporador 228a está situado entre un primer dispositivo 226a de
expansión y el compresor 222a de la primera etapa. El segundo
evaporador 228b está situado entre un segundo dispositivo 226b de
expansión y el compresor 222a de la primera etapa, y esta acoplado
al refrigerador intermedio 224a.
El calor del refrigerante en el refrigerador
intermedio 224a es suministrado al refrigerante que pasa a través
del segundo evaporador 228b para aumentar la temperatura del
refrigerante que sale del segundo evaporador 228b. Además, la
temperatura del refrigerante del refrigerador intermedio 224b se
reduce, aumentando la eficiencia del sistema 220 al aumentar la
densidad y el caudal de masa del gas de aspiración en el compresor
222b de la segunda etapa.
El primer dispositivo 226a de expansión y el
segundo dispositivo 226b de expansión controlan el flujo del
refrigerante a través de los evaporadores 228a y 228b,
respectivamente. Al cerrar el dispositivo 226a de expansión, el
refrigerante fluye a través del evaporador 228b y acepta calor del
refrigerante del refrigerador intermedio 224a. Alternativamente, al
cerrar el dispositivo 226 de expansión, el refrigerante fluye a
través del evaporador 228a y no acepta calor del refrigerante del
refrigerador intermedio 224a. Ambos dispositivos de expansión, 226a
y 226b, pueden ser ajustados en la medida deseada para conseguir un
flujo deseado de refrigerante a través de los evaporadores 228a y
228b, respectivamente. Un control 232 supervisa el sistema 220 para
determinar la distribución óptima del refrigerante a través de los
evaporadores 228a y 228b, y ajusta los dispositivos de expansión
226a y 226b para conseguir la distribución óptima. Por ejemplo, si
está pasando refrigerante a través del dispositivo 226a de
expansión y el control 232 determina que la eficiencia del sistema
220 es baja, el control 232 comenzará a cerrar el dispositivo 226a
de expansión y comenzará a abrir el dispositivo 226b de expansión,
aumentando la eficiencia del sistema 220. Una vez que se consigue la
eficiencia deseada, se fijan los dispositivos de expansión 226a y
226b para mantener esta eficiencia. Los factores que se utilizarían
para determinar la presión óptima están dentro de las aptitudes de
quien trabaja en la técnica.
La figura 4 ilustra un sistema 320 de compresión
de vapor que cae fuera del alcance de la presente invención y que
emplea un evaporador 328 acoplado a un componente 325 de un
compresor 322. Preferiblemente, el componente 325 del compresor es
un refrigerador de aceite del compresor o un motor del compresor. El
calor del compresor 322 es aceptado por el refrigerante del
evaporador 328. A medida que aumenta la temperatura del refrigerante
del evaporador 328, la presión del lado inferior del sistema 320
aumenta, disminuyendo el trabajo del compresor 322 y aumentando la
eficiencia del sistema 320. A medida que la temperatura del
refrigerante del compresor 322 disminuye, la eficiencia del sistema
320 aumenta.
Alternativamente, como se ilustra en la figura
5, el sistema 420 (que también cae fuera del alcance de la
invención) incluye dos evaporadores 428a y 428b. El primer
evaporador 428a está situado entre un primer dispositivo 426a de
expansión y el compresor 422, y el segundo evaporador 428b está
entre un segundo dispositivo 426b de expansión y el compresor 422.
El segundo evaporador 428b está acoplado con el componente 425 del
compresor para aumentar la temperatura del refrigerante en el
segundo evaporador 428b y enfriar el componente 425 del
compresor.
El primer dispositivo 426a de expansión y el
segundo dispositivo 426b de expansión controlan el flujo del
refrigerante a través de los evaporadores 428a y 428b,
respectivamente. Al cerrar el dispositivo 426a de expansión, el
refrigerante fluye a través del evaporador 428b e intercambia calor
con el refrigerante del componente 425 del compresor.
Alternativamente, al cerrar el dispositivo 426b de expansión, el
refrigerante fluye a través del evaporador 428a y no intercambia
calor con el refrigerante del componente 425 del compresor. Ambos
dispositivos de expansión 426a y 426b pueden ser ajustados en la
medida deseada para conseguir el flujo deseado. Un control 432
supervisa el sistema 420 para determinar la distribución óptima del
refrigerante a través de los evaporadores 428a y 428b, y ajusta los
dispositivos de expansión 426a y 426b para conseguir la distribución
óptima. Por ejemplo, si el refrigerante pasa a través del
dispositivo 426a de expansión y el control 432 determina que la
eficiencia del sistema 420 es baja, el control 432 comenzará a
cerrar el dispositivo 426a de expansión y comenzará a abrir el
dispositivo 426b de expansión, aumentando la eficiencia del sistema
420. Una vez que se consigue la eficiencia deseada, se fijan los
dispositivos 426a y 426b de expansión para mantener esta eficiencia.
Los factores que se utilizarían para determinar la presión óptima
están dentro de las aptitudes de quien trabaja en la técnica.
Aunque el refrigerador intermedio 124a y 224a y
el componente 325 y 425 del compresor han sido descritos por
separado, debe entenderse que un sistema de compresión de vapor
podría utilizar tanto el refrigerador intermedio 124a y 224a como
el componente 325 y 425 del compresor para calentar el refrigerante
del evaporador 128, 228, 328b y 428b. Si se emplean tanto el
refrigerador intermedio 124a y 224a como el componente 325 y 425 del
compresor, pueden ser aplicados en serie o en paralelo.
Además, aunque se ha descrito que el evaporador
228b está acoplado al refrigerador intermedio 224a, debe entenderse
que la transferencia interna de calor entre estos componentes podría
tener lugar a través de un tercer medio, tal como el aire.
La descripción precedente es solamente un
ejemplo de los principios de la invención.
Claims (8)
1. Un sistema (220) de compresión de vapor que
comprende:
- un dispositivo de compresión que comprende una primera etapa (222a) de compresión y una segunda etapa (222b) de compresión para comprimir un refrigerante a alta presión;
- un intercambiador de calor (224b) que despide calor para enfriar dicho refrigerante;
- un dispositivo (226a, 226b) de expansión para reducir dicho refrigerante a una baja presión;
- un primer intercambiador (228a) de calor que acepta calor y un segundo intercambiador (228b) de calor que acepta calor, configurados en una relación de flujos paralelos, para evaporar dicho refrigerante;
- un refrigerador intermedio (224a) que está situado entre dichas etapas de compresión para enfriar aún más dicho refrigerante que pasa a través de dicho refrigerador intermedio; caracterizado porque
- dicho segundo intercambiador (228b) de calor que acepta calor está acoplado a dicho refrigerador intermedio (224a), de forma que el calor de dicho refrigerante del dicho refrigerador intermedio (224a) es despedido hacia dicho refrigerante en dicho segundo intercambiador (228b) de calor que acepta calor, por lo que dicho segundo intercambiador (228b) de calor acepta calor desde dicho dispositivo de compresión.
2. El sistema que se describe en la
reivindicación 1, en el que dicho dispositivo de expansión incluye
un primer dispositivo (226a) de expansión que controla el flujo de
dicho refrigerante a través de dicho primer intercambiador (228a)
de calor que acepta calor y un segundo dispositivo (226b) de
expansión que controla el flujo de dicho refrigerante a través de
dicho segundo intercambiador (228b) de calor que acepta calor.
3. El sistema que se describe en la
reivindicación 2, que comprende un control (232) para ajustar el
grado de apertura de dicho primer dispositivo (226a) de expansión y
dicho segundo dispositivo (226b) de expansión.
4. El sistema que se describe en cualquier
reivindicación precedente, en el que dicho refrigerante es dióxido
de carbono.
5. El sistema que se describe en cualquier
reivindicación precedente, donde dicho sistema incluye además un
dispositivo de compresión adicional, un intercambiador de calor
adicional que despide calor, un dispositivo de expansión adicional,
y un intercambiador de calor adicional que acepta calor.
6. El sistema que se describe en cualquier
reivindicación precedente, en el que dicho refrigerante de dicho
intercambiador de calor que acepta calor, acepta el calor desde
dicho dispositivo de compresión a través de un medio adicional.
7. Un método para aumentar la capacidad de un
sistema de compresión de vapor trans-crítico, que
comprende los pasos de:
- comprimir un refrigerante a una alta presión en la primera y segunda etapas (222a, 222b);
- enfriar dicho refrigerante;
- expandir dicho refrigerante a una baja presión;
- evaporar dicho refrigerante en el primer y segundo evaporadores (228a, 228b) configurados en una relación de flujo paralelo;
- efectuar una refrigeración intermedia de dicho refrigerante en un refrigerador intermedio (224a) dispuesto entre la primera y segunda etapas de compresión; caracterizado por:
- acoplar dicho evaporador (228b) a dicho refrigerador intermedio (224a) para transferir calor desde el paso de compresión al paso de evaporación.
8. El método que se describe en la
reivindicación 7, en el que dicho refrigerante es dióxido de
carbono.
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