ES2296714T3 - Regulacion de la presion elevada en un ciclo transcritico de compresion de vapor. - Google Patents
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Abstract
Un sistema transcrítico de compresión de vapor (10) que posee un aparato para regular la alta presión del refrigerante que circula en el sistema de compresión (10), comprendiendo dicho aparato: un tanque de expansión (20) situado entre una primera válvula de expansión (26) y una segunda válvula de expansión (28), de manera que dicho tanque de expansión (20) almacena una cantidad de carga, dicha primera válvula de expansión (26) regula el flujo de dicha carga en dicho tanque de expansión (20) y dicha segunda válvula de expansión (28) regula el flujo de dicha carga fuera de dicho tanque de expansión (20); y caracterizándose por: una vía (23) que lleva desde dicho tanque de expansión (20) a una etapa de inter-compresión entre un primer dispositivo de compresión (12a) y un segundo dispositivo de compresión (12b); y un controlador (29) para monitorizar dicha alta presión, en el que el controlador acciona dicha primera (26) y dicha segunda (28) válvulas de expansión para controlar la cantidad de carga contenida en el tanque de expansión (20), regulando, por tanto, la alta presión.
Description
Regulación de la presión elevada en un ciclo
transcrítico de compresión de vapor.
La presente invención se refiere en general a
medios para regular el componente de alta presión de un sistema
transcrítico de compresión de vapor.
Los refrigerantes que contienen cloro han sido
paulatinamente retirados en la mayor parte del mundo debido a su
potencial para destruir el ozono. Como refrigerantes sustitutivos se
han utilizado compuestos hidrofluorocarbonados (HFCs), si bien
estos compuestos todavía presentan un alto potencial para contribuir
al calentamiento global. Como fluidos sustitutivos se han propuesto
refrigerantes "naturales", tales como dióxido de carbono y
propano. Desgraciadamente, también existen problemas con el uso de
muchos de estos fluidos. El dióxido de carbono tiene un punto
crítico bajo, hecho que causa que la mayoría de los sistemas de aire
acondicionado en los que se utiliza dióxido de carbono como
refrigerante funcionen en su mayoría en condiciones por debajo de
las transcríticas.
En los casos en que un sistema de compresión de
vapor funciona de forma transcrítica, es ventajoso regular el
componente de alta presión del sistema. La capacidad y/o la
eficiencia del sistema se pueden controlar y optimizar mediante la
regulación de la alta presión del sistema. Aumentando la alta
presión del sistema (presión en el refrigerador de gas) disminuye
la entalpía específica entrante en el evaporador y aumenta la
capacidad. Sin embargo, se consume más energía debido a que el
compresor debe trabajar más. Es ventajoso encontrar la alta presión
óptima del sistema, que cambia a medida que cambian las condiciones
de operación. Mediante la regulación del componente de alta presión
del sistema, se puede seleccionar la alta presión óptima.
En el documento DE 19522884 se describe un
sistema de compresión con dos etapas de estrangulamiento y
separación del CO_{2} refrigerante que circula en el sistema.
En la patente de EE.UU. 5.431.026 se describe un
sistema de refrigeración en el que se usa un doble evaporador, un
circuito en dos etapas.
Por tanto, existe la necesidad en la técnica de
encontrar medios para regular el componente de alta presión de un
sistema transcrítico de compresión de vapor.
Según un aspecto de la presente invención, se
proporciona un sistema transcrítico de compresión de vapor como el
reivindicado en la reivindicación 1.
Según otro aspecto de la presente invención, se
proporciona un método para regular la alta presión de un
refrigerante en un sistema transcrítico de compresión de vapor como
el reivindicado en la reivindicación 9.
La presente invención se refiere a medios para
regular el componente de alta presión de un sistema transcrítico de
compresión de vapor.
Un sistema de compresión de vapor consiste en un
compresor, un refrigerador de gas, un dispositivo de expansión y un
evaporador. A veces se emplean circuitos economizadores para
aumentar la eficiencia y/o la capacidad del sistema. Los circuitos
economizadores funcionan expandiendo el refrigerante que sale del
intercambiador de calor que rechaza calor a una presión intermedia
y separando el flujo del refrigerante en dos chorros. Un chorro es
enviado al intercambiador de calor que absorbe calor y el otro es
enviado para enfriar el flujo entre dos etapas de compresión. En
una forma de un circuito economizador, se usa un tanque de expansión
para llevar a cabo la separación. Esta invención regula el
componente de alta presión del sistema de compresión de vapor
(presión en el refrigerador de gas) mediante el control de la
cantidad de carga del tanque de expansión. En una forma de
realización preferida de la invención, se usa dióxido de carbono
como refrigerante.
En un tanque de expansión, el refrigerante
descargado del refrigerador de gas pasa a través de un primer
dispositivo de expansión, reduciéndose su presión. El refrigerante
se recoge en el tanque de expansión, parte como líquido y parte
como vapor. El refrigerante en forma de vapor se usa para enfriar el
refrigerante agotado a medida que sale de un primer dispositivo de
compresión, y el refrigerante en forma de líquido se expande
adicionalmente mediante un segundo dispositivo de expansión antes de
entrar en el evaporador.
Para expandir el refrigerante desde una alta
presión hasta una baja presión, se usan válvulas de expansión
situadas en los cursos que llevan al interior y al exterior del
tanque de expansión. Esta invención controla la actuación de las
válvulas de expansión para controlar el flujo de carga dentro y
fuera del tanque de expansión, regulando la cantidad de carga
almacenada en el tanque de expansión. Mediante la regulación de la
cantidad de carga almacenada en el tanque de expansión, pueden
controlarse la cantidad de carga en el refrigerador de gas y la alta
presión del sistema.
Mediante el control del accionamiento de las
válvulas se puede seleccionar una presión óptima del sistema. Si la
presión en el refrigerador de gas es demasiado baja, se pueden
ajustar las válvulas de expansión para liberar carga desde el
tanque de expansión al sistema, con objeto de aumentar la presión en
el refrigerador de gas, aumentando la capacidad del sistema. Si la
presión en el refrigerador de gas es demasiado alta, se pueden
ajustar las válvulas de expansión para almacenar carga en el tanque
de expansión, con objeto de disminuir la presión en el refrigerador
de gas, reduciendo la energía consumida por el compresor.
Se describen a continuación algunas formas de
realización preferidas de la siguiente invención, únicamente a modo
de ejemplo, con referencia a los dibujos que la acompañan, en los
que:
La Figura 1 ilustra un diagrama esquemático de
un sistema de compresión de vapor descrito en la técnica
precedente.
La Figura 2 ilustra un diagrama termodinámico de
un sistema transcrítico de compresión de vapor.
La Figura 3 ilustra un diagrama esquemático de
un sistema de compresión de vapor en dos etapas, descrito en la
técnica precedente, en el que se utiliza un tanque de expansión.
La Figura 4 ilustra un diagrama termodinámico de
un ciclo economizado en dos etapas y de un ciclo no economizado de
un circuito transcrítico de compresión de vapor.
La Figura 5 ilustra un diagrama esquemático de
un tanque de expansión de un sistema de compresión de vapor en dos
etapas según la invención, en el que se utilizan válvulas de
expansión para controlar la alta presión del sistema.
La Figura 6 ilustra un diagrama esquemático de
un tanque de expansión de un sistema de compresión de vapor en dos
etapas según la invención, en el que se utilizan válvulas
adicionales para controlar la alta presión del sistema.
La Figura 1 ilustra un sistema de compresión de
vapor 10 descrito en la técnica precedente. Un sistema básico de
compresión de vapor 10 consiste en un compresor 12, un
intercambiador de calor 14 que rechaza calor (un refrigerador de
gas en circuitos transcríticos), un dispositivo de expansión 16 y un
intercambiador de calor 18 que acepta calor (un evaporador).
El refrigerante circula a través del ciclo en
circuito cerrado 10. En formas de realización preferidas de la
invención, se usa dióxido de carbono como refrigerante. Si bien la
invención se ilustra con dióxido de carbono, pueden usarse otros
refrigerantes. Debido a que el dióxido de carbono tiene un punto
crítico bajo, los sistemas en los que se utiliza dióxido de carbono
como refrigerante requieren normalmente que el sistema de compresión
de vapor 10 funcione en condiciones transcríticas.
En los casos en que el sistema 10 funciona en
condiciones transcríticas, es ventajoso regular el componente de
alta presión del sistema de compresión de vapor 10. Mediante la
regulación de la alta presión del sistema 10 se pueden controlar y
optimizar la capacidad y/o la eficiencia del sistema 10. Al aumentar
la presión en el refrigerador de gas 14, disminuye la entalpía que
entra en el evaporador 18 y aumenta la capacidad, aunque también se
requiere más energía, ya que el compresor 16 debe trabajar más.
Mediante la regulación de la alta presión del sistema 10 se puede
seleccionar la presión óptima del sistema 10, que cambia a medida
que cambian las condiciones de operación.
En el circuito de un sistema de compresión de
vapor 10 descrito en la técnica precedente e ilustrado en la Figura
1, el refrigerante sale del compresor 12 a altas presión y entalpía,
representándose por el punto A en la Figura 2. A medida que el
refrigerante fluye a través del refrigerador de gas 14 a alta
presión, pierde calor y entalpía, saliendo del refrigerador de gas
14 con baja entalpía y alta presión, indicándose como punto B. A
medida que el refrigerante pasa a través del dispositivo de
expansión 16, la presión del refrigerante cae, representándose por
el punto C. Después de la expansión, el refrigerante pasa a través
del evaporador 18 y sale a alta entalpía y baja presión,
representándose por el punto D. Después de pasar a través del
compresor 12, el refrigerante está otra vez a altas presión y
entalpía, completándose el ciclo.
La Figura 3 ilustra un sistema de compresión de
vapor 10 en el que se emplea un tanque de expansión 20 en un
circuito economizador en dos etapas. El refrigerante que sale del
refrigerador de gas 14 pasa a través de un primer dispositivo de
expansión 16a, reduciéndose su presión. El refrigerante se recoge en
un tanque de expansión 20 como una porción líquida 24 y una porción
vapor 22. La estructura del tanque de expansión 20 ya es conocida y
no forma parte de esta invención. El tanque de expansión 20 se
controla de manera inventiva en la invención de esta solicitud. El
vapor 22 asciende a la parte superior del tanque de expansión y se
usa para enfriar el refrigerante que sale del primer dispositivo de
compresión 12a. El refrigerante líquido 24 se recoge en el fondo
del tanque de expansión 20 y se expande nuevamente mediante un
segundo dispositivo de expansión 16b antes de entrar en el
evaporador 18. Después de pasar a través del evaporador 18, el
refrigerante se comprime mediante el primer dispositivo de
compresión 12a, enfriándose el refrigerante agotado mediante el
vapor refrigerante frío descargado 22, procedente del tanque de
expansión 20. Seguidamente, el refrigerante se comprime nuevamente,
mediante un segundo dispositivo de compresión 12b, antes de entrar
en el refrigerador de gas 14. Mediante el uso del tanque de
expansión 20 se puede reducir la entalpía específica del sistema,
hecho que aumenta la capacidad del sistema 10. Sin embargo, el
tanque de expansión 20 no ejerce ningún efecto sobre la alta
presión en el refrigerador de gas 14, lo que podría permitir un
mayor control sobre la alta presión del sistema 10.
Mediante la utilización de una compresión
multi-etapa se puede aumentar la eficiencia del
sistema economizador 10 en los casos en que existe una gran
diferencia entre las altas y bajas presiones de un sistema. Como se
sabe, una línea 23 comunica el vapor 22 a la porción succionada de
la etapa de compresión 12b. Ello proporciona enfriamiento,
sabiéndose que economiza la operación. La Figura 4 ilustra un
diagrama termodinámico de un ciclo economizado y de un ciclo no
economizado. La economización permite un flujo másico mayor a través
del refrigerador de gas 14 y reduce la entalpía específica del
refrigerante que entra en el evaporador 18, causando que el circuito
tenga una mayor capacidad de enfriamiento.
La Figura 5 ilustra un tanque de expansión 20 y
válvulas de expansión 26, 28 utilizadas para regular la alta
presión en un circuito transcrítico. Una primera válvula de
expansión 26 regula el flujo de carga en el tanque de expansión 20
y una segunda válvula de expansión 28 regula el flujo de carga fuera
del tanque de expansión 20.
Como se sabe, la velocidad de flujo de la carga
a través de la primera válvula de expansión 26 y de la segunda
válvula de expansión 28 es función de la presión en el sistema 10 y
del diámetro del orificio de las válvulas de expansión 26, 28. Las
válvulas de expansión 26, 28 se accionan aumentando o disminuyendo
el tamaño del orificio. Al abrir o aumentar el tamaño del orificio
en las válvulas de expansión 26, 28, puede aumentarse la velocidad
de flujo de la carga a través de las válvulas de expansión 26, 28.
En contraste, al cerrar o disminuir el tamaño del orificio de las
válvulas de expansión 26, 28, puede disminuirse la velocidad de
flujo de la carga a través de las válvulas de expansión 26, 28.
Mediante el control de la velocidad del flujo de carga a través de
las válvulas de expansión 26, 28 puede regularse la cantidad de
carga en el tanque de expansión 20 y en el refrigerador de gas 14,
con objeto de controlar la presión en el refrigerador de gas 14.
El control 29 monitoriza la presión en el
refrigerador 14 y controla las válvulas de expansión 26 y 28. El
control 29 puede ser el control principal del circuito 10. El
control 29 está programado para evaluar el estado del circuito 10 y
determinar la presión deseada en el refrigerador 14. Una vez que se
ha determinado la presión deseada, se controlan las válvulas de
expansión 26 y 28 para regular la presión. Los factores que pueden
usarse para determinar la presión óptima forman parte de la
experiencia de un especialista en la técnica.
Si la presión en el refrigerador de gas 14 se
encuentra por encima de la presión óptima, se usa una gran cantidad
de energía para comprimir el refrigerante. El control 29 acciona la
segunda válvula de expansión 28 para cerrarla y reducir el flujo
del volumen de carga fuera del tanque de expansión 20, aumentando la
cantidad de carga en el interior del tanque de expansión 20 y
disminuyendo tanto la cantidad de carga como la presión en el
refrigerador de gas 14. A la inversa, si la presión en refrigerador
de gas 14 se encuentra por debajo de la presión óptima, debe
aumentarse la eficiencia del sistema 10. El control 29 cierra la
primera válvula de expansión 26 para disminuir el flujo del volumen
de carga en el tanque de expansión 20, aumentando tanto la cantidad
de carga como la presión en el refrigerador de gas 14.
La presión en el refrigerador de gas 14 se
monitoriza mediante el controlador 29. A medida que cambia la
presión en el refrigerador de gas 14, el controlador 29 ajusta el
accionamiento de las válvulas de expansión 26, 28, de manera que
puede conseguirse la presión óptima.
Controlando selectivamente el accionamiento de
la primera válvula de expansión 26 y de la segunda válvula de
expansión 28, se puede variar la cantidad de carga almacenada en el
tanque de expansión 20, hecho que varía el componente de alta
presión en el sistema 10 para conseguir una óptima capacidad y/o
eficiencia. Regulando la alta presión en el refrigerador de gas 14
antes de la expansión, se puede modificar la entalpía del
refrigerante a la entrada del evaporador, hecho que controla la
capacidad y/o eficiencia del sistema 10.
Si bien el modo más simple de visualizar el
control 29 de la invención es cerrar la válvula 26 para disminuir
el volumen en el tanque de expansión 20 y cerrar la válvula 28 para
aumentar el volumen, la válvula 26 se puede abrir para aumentar el
flujo y la válvula 28 se puede abrir para disminuir el volumen.
Como se muestra en la Figura 6, pueden emplearse
también una tercera válvula 30 y una cuarta válvula 32 para variar
el nivel de carga en el tanque de expansión 20 y optimizar la
eficiencia y/o la capacidad del sistema 10. La cuarta válvula 32
controla el flujo de carga desde el tanque de expansión 20 al
dispositivo de compresión 12. Al cerrar la cuarta válvula 32, el
economizador es desconectado, bloqueándose la entrada al compresor
12 del refrigerante en forma de vapor 22 que sale del tanque de
expansión 20. El cierre de la cuarta válvula 32 atrapa el
refrigerante en forma de vapor 22 en el tanque de expansión 20. La
tercera válvula 30 actúa como descarga, de manera que la apertura
de la tercera válvula 30 permite el flujo de carga desde el tanque
de expansión 20 al evaporador 18. Al abrir la tercera válvula 30,
se permite que el refrigerante en forma de vapor 22 procedente del
tanque de expansión 20 entre en el evaporador 18, creándose un
escape para el vapor 22. Alternativamente, la cuarta válvula 32
puede abrirse para conectar el economizador. Mediante el control de
las válvulas 30 y 32, el economizador se puede conectar y
desconectar para optimizar la eficiencia del sistema 10. El
accionamiento de las válvulas 30, 32 se controla también mediante el
controlador 29, que monitoriza la presión en el refrigerador de gas
14.
Por consiguiente, la presente invención
proporciona un tanque de expansión 20 en el que se utilizan válvulas
de expansión 26, 28 para controlar la alta presión en un sistema
transcrítico de compresión de vapor 10.
La descripción precedente se ha dado únicamente
a modo de ejemplo de los principios de la invención. A la luz de las
explicaciones anteriores, son posibles muchas modificaciones y
variaciones de la presente invención. No obstante, se han descrito
las formas de realización preferidas de esta invención, de manera
que un experto en la técnica puede reconocer que ciertas
modificaciones pueden entrar en el ámbito de la invención. Se debe,
por tanto, entender que en el ámbito de las reivindicaciones anejas
la invención puede ponerse en práctica de manera diferente a las
especialmente descritas. Por esa razón, deben estudiarse las
siguientes reivindicaciones con objeto de determinar el verdadero
ámbito y contenido de esta invención.
Claims (11)
1. Un sistema transcrítico de compresión de
vapor (10) que posee un aparato para regular la alta presión del
refrigerante que circula en el sistema de compresión (10),
comprendiendo dicho aparato:
un tanque de expansión (20) situado entre una
primera válvula de expansión (26) y una segunda válvula de expansión
(28), de manera que dicho tanque de expansión (20) almacena una
cantidad de carga, dicha primera válvula de expansión (26) regula el
flujo de dicha carga en dicho tanque de expansión (20) y dicha
segunda válvula de expansión (28) regula el flujo de dicha carga
fuera de dicho tanque de expansión (20); y caracterizándose
por:
- una vía (23) que lleva desde dicho tanque de expansión (20) a una etapa de inter-compresión entre un primer dispositivo de compresión (12a) y un segundo dispositivo de compresión (12b); y
- un controlador (29) para monitorizar dicha alta presión, en el que el controlador acciona dicha primera (26) y dicha segunda (28) válvulas de expansión para controlar la cantidad de carga contenida en el tanque de expansión (20), regulando, por tanto, la alta presión.
2. El sistema según se ha descrito en la
reivindicación 1, que adicionalmente comprende:
un intercambiador de calor que rechaza calor
(14) para enfriar dicho refrigerante;
un doble dispositivo de expansión que comprende
la primera válvula de expansión (26) y la segunda válvula de
expansión (28), reduciendo dicho doble dispositivo de expansión a
dicho refrigerante hasta una baja presión;
un intercambiador de calor que acepta calor (18)
para evaporar dicho refrigerante; y
un doble dispositivo de compresión que comprende
el primer dispositivo de compresión (12a) y el segundo dispositivo
de compresión (12b), comprimiendo dicho doble dispositivo de
compresión a un refrigerante hasta una alta presión.
3. El sistema según se ha descrito en la
reivindicación 1 ó 2, en el que dicha carga se almacena en dicho
tanque de expansión (20) para disminuir dicha alta presión de dicho
refrigerante y se descarga de dicho tanque de expansión (20) para
aumentar dicha alta presión de dicho refrigerante.
4. El sistema según se ha descrito en cualquiera
de las reivindicaciones precedentes, en el que dichas primera y
segunda válvulas de expansión (26, 28) se controlan para disminuir
dicha carga en dicho tanque de expansión (20) y para aumentar dicha
alta presión de dicho refrigerante.
5. El sistema según se ha descrito en cualquiera
de las reivindicaciones precedentes, en el que dichas primera y
segunda válvulas de expansión (26, 28) se controlan para aumentar
dicha carga en dicho tanque de expansión (20) y para disminuir dicha
alta presión de dicho refrigerante.
6. El sistema según se ha descrito en cualquiera
de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha vía 23
transmite el vapor refrigerante contenido en dicho tanque de
expansión (20) a dicha etapa de
inter-compresión.
7. El sistema según se ha descrito en cualquiera
de las reivindicaciones precedentes, que comprende adicionalmente
una tercera válvula (30), colocada para regular el flujo de dicha
carga desde dicho tanque de expansión (20) a un intercambiador de
calor (18) que acepta calor, y una cuarta válvula (32), colocada
para regular el flujo de dicha carga desde dicho tanque de expansión
(20) a un doble dispositivo de compresión que comprende el primer
dispositivo de compresión (12a) y el segundo dispositivo de
compresión (12b), accionándose dicha tercera válvula (30) y dicha
cuarta válvula (32) mediante un controlador (29) que monitoriza
dicha alta presión.
8. El sistema según se ha descrito en cualquiera
de las reivindicaciones precedentes, en el que dicho refrigerante es
dióxido de carbono.
9. Un método para regular la alta presión de un
refrigerante en un sistema transcrítico de compresión de vapor (10)
mediante la regulación de la cantidad de carga contenida en un
tanque de expansión (20), comprendiendo el método las etapas de:
enfriar dicho refrigerante;
expandir dicho refrigerante en dos etapas a una
baja presión;
evaporar dicho refrigerante;
pasar el refrigerante a través de un tanque de
expansión (20) situado entre las etapas de expansión, controlándose
la cantidad de carga en dicho tanque de expansión (20) mediante una
primera válvula de expansión (26), que regula el flujo de dicha
carga en dicho tanque de expansión (20), y una segunda válvula de
expansión (28), que regula el flujo de dicha carga fuera de dicho
tanque de expansión (20); y caracterizándose por comprender
las etapas adicionales de:
- comprimir el refrigerante en dos etapas de compresión a dicha alta presión;
- dirigir una cantidad de la carga de dicho tanque de expansión (20) a una posición situada entre las dos etapas de compresión;
- monitorizar dicha alta presión de dicho sistema de vapor (10); y
- accionar dicha primera (26) y dicha segunda (28) válvulas de expansión para controlar la cantidad de carga contenida en dicho tanque de expansión (20), regulando, por tanto, la alta presión.
10. El método según se ha descrito en la
reivindicación 9, en el que dicha cantidad de carga contenida en
dicho tanque de expansión (20) se controla adicionalmente mediante
una tercera válvula (30), colocada para regular el flujo de dicha
carga desde dicho tanque de expansión (20) a la etapa de
evaporación, y una cuarta válvula (32), colocada para regular el
flujo de dicha carga desde dicho tanque de expansión (20) a la etapa
de compresión, en el que dicha tercera válvula (30) y dicha cuarta
válvula (32) se accionan en función de la alta presión
monitorizada.
11. El método según se ha descrito en la
reivindicación 9 ó 10, en el que dicho refrigerante es dióxido de
carbono.
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