ES2300390T3 - Secador de aire comprimido por ciclo frigorifico y procedimiento de realizacion practica de dicho secador. - Google Patents
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Abstract
Secador de aire, por ciclo frigorífico, que comprende un circuito frigorífico (2) con una unidad de compresión (3) del refrigerante y un evaporador (5) del refrigerante, en el que: dicha unidad de compresión (3) es del tipo de caudal regulable entre un valor mínimo, no nulo, y un valor máximo, determinando dicho valor mínimo no nulo la potencia frigorífica mínima de dicho circuito frigorífico (2); un sistema de regulación (8) está asociado con dicha unidad de compresión (3) de manera que se pueda regular el caudal de refrigerante comprimido en función de la carga térmica del aire comprimido a evacuar, con el objetivo de aproximar la potencia frigorífica del circuito frigorífico (2) a la potencia frigorífica requerida por el evaporador (5) para garantizar el secado del aire comprimido; y caracterizado porque: existe un acumulador térmico asociado con el evaporador (5) y previsto de manera que pueda acumular, durante un tiempo de acumulación predeterminado seleccionado de manera que se garanticen ciclos de activación/desactivación aceptables de dicha unidad de compresión, las frigorías producidas en exceso cuando el circuito frigorífico (2) funcione con su potencia frigorífica mínima mientras que la potencia frigorífica requerida por el evaporador (5) sea próxima a cero, estando constituido dicho acumulador térmico por la masa sobredimensionada del evaporador que contribuya al intercambio térmico entre el aire y el refrigerante y siendo susceptible de descargarse por transmisión de las frigorías acumuladas al aire comprimido.
Description
Secador de aire comprimido por ciclo frigorífico
y procedimiento de realización práctica de dicho secador.
La presente invención tiene por objeto un
secador de aire comprimido, por ciclo frigorífico, y un
procedimiento de realización práctica de un secador de este
tipo.
En la tecnología del aire comprimido existen
numerosas aplicaciones en las que es necesario secar el aire. Con
este fin, es conocido utilizar secadores de aire que comprenden, en
particular, un circuito frigorífico con una unidad de compresión del
refrigerante y un evaporador del mismo, poniéndose el aire a secar
en condición de intercambio térmico con dicho evaporador con el fin
de conseguir su secado por enfriamiento. Se entenderá que la
potencia requerida por un secador de este tipo para el secado del
aire comprimido puede variar de manera importante, lo que implica
una frecuencia elevada de ciclos de activación/desactivación de la
unidad de compresión. Pero una frecuencia excesivamente elevada de
ciclos de activación/desactivación de la unidad de compresión puede
comprometer su vida útil.
Actualmente se utilizan dos métodos para limitar
la frecuencia de activación y desactivación de la unidad de
compresión de un secador de aire comprimido.
El primer método prevé desviar una fracción del
caudal de refrigerante comprimido durante la evaporación en el
evaporador y hacerlo recircular, a través de una válvula de
derivación, hacia la admisión del compresor. La fracción desviada se
regula en función de la carga térmica del secador. Esta manera de
proceder permite regular la potencia frigorífica del circuito
frigorífico en función del caudal y de los parámetros termodinámicos
del aire comprimido a tratar. El principal inconveniente de este
primer método consiste en su bajo rendimiento termodinámico, puesto
que parte de la energía acumulada durante la fase de compresión del
refrigerante se "desperdicia" en simples funciones de
regulación.
El segundo método prevé almacenar la energía
frigorífica en exceso en uno o varios acumuladores de frigorías, que
comprendan, por ejemplo, cierta masa de arena o de una solución de
bajo punto de congelación. De esta manera se consigue alargar los
intervalos entre ciclos sucesivos de activación y desactivación del
compresor. Pero, razonablemente, este segundo método sólo puede
utilizarse cuando los caudales de refrigerante en juego sean
relativamente pequeños, dado el coste elevado, el volumen y el peso
de los acumuladores de frigorías necesarios.
Un secador con las características enumeradas en
el preámbulo de la reivindicación principal se describe en la
solicitud internacional de patente WO 99/61135.
El problema fundamental de la presente invención
consiste en ofrecer una solución que permita reducir la frecuencia
de los ciclos de activación/desactivación del compresor o de los
compresores frigoríficos de un secador de aire comprimido, pero sin
deteriorar el rendimiento energético y sin requerir acumuladores de
frigorías costosos y voluminosos.
Este problema se resuelve merced a un secador de
aire comprimido de acuerdo con la reivindicación 1 y un
procedimiento de puesta en práctica de un secador de aire comprimido
de acuerdo con la reivindicación 7, respectivamente.
Un secador de aire de acuerdo con la invención
comprende, de manera en sí conocida, un circuito frigorífico con
una unidad de compresión del refrigerante y un evaporador del mismo.
El aire comprimido a secar es puesto en condición de intercambio
térmico con el evaporador, con el fin de conseguir su secado por
enfriamiento. De acuerdo con un aspecto importante de la presente
invención, la unidad de compresión es de tipo de caudal regulable
entre un valor mínimo no nulo y un valor máximo. Un sistema de
regulación está asociado con esta unidad de compresión con el fin
de regular el caudal de refrigerante comprimido en función de la
carga térmica (sensible y latente) del aire comprimido a evacuar
del evaporador, con el objetivo de aproximar la potencia
frigorífica del circuito frigorífico a la potencia frigorífica
requerida en el evaporador para garantizar el secado del aire
comprimido. Se apreciará que esta regulación del caudal de
refrigerante comprimido permite regular la potencia frigorífica del
circuito frigorífico garantizando un rendimiento termodinámico
aceptable del ciclo frigorífico. Por otro lado, la regulación del
caudal de refrigerante comprimido puede realizarse de modo
continuo, a partir de un caudal mínimo no nulo que determine una
potencia frigorífica mínima entregable por el circuito frigorífico,
o de modo discontinuo, mediante n escalones (n\geq2), que se
caracterice, también, por una potencia frigorífica mínima
entregable por el circuito frigorífico. De acuerdo con otro aspecto
importante de la presente invención, existe un acumulador térmico
asociado con el evaporador. Este acumulador está previsto de manera
que pueda acumular, durante un tiempo de acumulación predeterminado,
las frigorías producidas en exceso cuando el circuito frigorífico
funcione con su potencia frigorífica mínima (es decir, cuando la
unidad de compresión funcione con su caudal mínimo), mientras que
la potencia frigorífica requerida en el evaporador sea próxima a
cero. Cuando el acumulador térmico esté completamente cargado, la
unidad de compresión es desactivada y el acumulador térmico se
descarga por transmisión de las frigorías acumuladas al aire
comprimido. En el caso de regulación del caudal de refrigerante
mediante n escalones idénticos, la potencia frigorífica del ciclo
frigorífico varía, también, de acuerdo con n escalones idénticos. En
este caso el acumulador térmico podrá preverse de manera que
acumule, durante dicho tiempo predeterminado, una fracción 1/n de la
potencia frigorífica total de la unidad de compresión. Cuando el
circuito frigorífico funcione con una potencia frigorífica que
corresponda al escalón inmediatamente superior a la potencia
requerida por el evaporador, el acumulador térmico se cargará de
frigorías. Cuando el acumulador térmico esté completamente cargado,
la potencia frigorífica se reducirá al escalón inmediatamente
inferior a la potencia requerida por el evaporador. En ese momento
el acumulador térmico se descargará transmitiendo las frigorías
acumuladas al aire comprimido.
Teniendo en cuenta que la capacidad térmica del
acumulador térmico asociado con el evaporador está prevista de
manera que sólo absorba una pequeña parte de la potencia total del
circuito frigorífico, normalmente será suficiente sobredimensionar
la masa térmica del evaporador para comunicarle una "capacidad
térmica" que permita conseguir tiempos de acumulación
satisfactorios. Por "masa térmica" se entiende, en este caso,
la masa del evaporador que contribuya al intercambio térmico entre
el aire y el refrigerante.
Ventajosamente, para garantizar una regulación
del caudal de refrigerante por escalones, la unidad de compresión
comprende, al menos, dos compresores dispuestos en paralelo en el
circuito frigorífico. Alternativamente puede comprender, también, un
compresor con varios cilindros, cuyo número de cilindros en
funcionamiento pueda variarse.
Ventajosamente, con el fin de garantizar la
regulación del caudal de refrigerante en régimen continuo, la unidad
de compresión comprende, al menos, un compresor con, al menos, un
cilindro de capacidad variable, o, al menos, un compresor de
velocidad variable.
Las características y las ventajas de la
invención se pondrán de manifiesto a partir de la descripción
detallada de ejemplos preferidos de su puesta en práctica, ofrecida
en lo que sigue a título de ilustración no limitativa, sobre la base
del dibujo adjunto, en el que:
- la figura 1 es un esquema simplificado de un
secador de aire comprimido de acuerdo con la presente invención.
La referencia 1 indica, globalmente, un secador
de aire comprimido de ciclo frigorífico. Este secador 1 comprende un
circuito frigorífico 2 que incluye una unidad de compresión 3 del
refrigerante, un condensador 4 para la condensación del refrigerante
comprimido y una unidad de expansión con un evaporador 5 conectado,
por medio de una válvula de limitación de flujo 6, con el
condensador 4, por una parte, y con la unidad de compresión 3, por
otra. Un sistema de circuito frigorífico de este tipo es, en sí,
tradicional.
El circuito frigorífico 2 está dotado, además,
de un sistema de regulación que comprende un control termostático y
o presostático 8 asociado con el evaporador 5 y activo en la unidad
de compresión 3 para modificar el caudal del refrigerante comprimido
distribuido mediante la válvula de limitación de flujo 6.
La función del sistema de regulación consiste en
mantener la temperatura del aire secado en un intervalo de
temperatura prefijado, aguas abajo del evaporador 5, cuando varíe la
carga termodinámica en el secador, es decir, cuando varíe el caudal
de aire a secar y/o los parámetros termodinámicos de caudal.
Con este fin, está prevista una unidad de
compresión 3 de tipo de caudal de refrigerante regulable que permita
una regulación continua o discontinua (es decir, por escalones) del
caudal de refrigerante comprimido mediante la unidad de compresión
3.
La unidad de compresión 3 de la figura 1 es del
tipo de regulación por escalones. Con este fin, comprende n
compresores 10 (n\geq2) conectados en paralelo y que pueden ser
activados de acuerdo con una lógica secuencial determinada mediante
un algoritmo de regulación. De preferencia, los compresores 10
entregarán caudales de refrigerante iguales (por ejemplo, cuatro
compresores que entreguen, cada uno, el 25% del caudal total). Se
hace notar que la secuencia de activación de los n compresores 10
puede determinarse de manera que el módulo de la diferencia máxima
entre la potencia frigorífica instantánea entregada por la unidad de
compresión 3 y la carga frigorífica instantánea requerida por el
evaporador 5 para secar el aire comprimido sea inferior a la
potencia entregada por uno de los n compresores 10.
A su vez, el evaporador 5 está concebido a modo
de acumulador térmico con una capacidad térmica (M) prevista para
poder absorber, durante un tiempo predeterminado t_{1}, al menos,
las frigorías generadas por uno de los compresores 10. En otros
términos, un compresor 10 puede funcionar durante un tiempo
predeterminado t_{1} para cargar frigorías en el evaporador 5,
seleccionándose el tiempo t_{1} de modo que se garanticen ciclos
de activación/desactivación aceptables de los compresores 10.
En la práctica, la capacidad térmica (M) del
evaporador 5 se obtiene merced a un simple aumento de la masa
térmica del evaporador en relación con los parámetros conceptuales
tradicionales. Por "masa térmica" se entiende la masa del
evaporador que contribuya al intercambio térmico y a la acumulación
de frigorías, de manera que el número de ciclos de
activación/desactivación de un compresor 10 de la unidad de
compresión quede limitado por los valores fijados por el fabricante
del compresor. En lugar de utilizar una unidad 3 de compresores con
varios compresores 10 montados en paralelo, se puede utilizar,
también, un compresor multicilindro, en sí conocido, en el que sea
posible poner en funcionamiento los cilindros de manera secuencial,
y, de ese modo, variar la cilindrada útil por escalones.
Se puede utilizar, también, una unidad de
compresión que comprenda un compresor que permita una regulación
continua del caudal de refrigerante a partir de un caudal mínimo (no
nulo). Se trata, por ejemplo, de un compresor de cilindrada variable
o de un compresor con velocidad de rotación variable. En este caso,
la capacidad térmica (M) está destinada, principalmente, a reducir
la frecuencia de puesta en marcha del compresor cuando la carga
calorífica en el evaporador sea inferior a la potencia frigorífica
mínima por debajo de la cual sea imposible la regulación continua
del caudal de refrigerante.
La invención resuelve así el problema propuesto
y permite conseguir numerosas ventajas en relación con los secadores
tradicionales. Una ventaja importante está constituida, entre otras,
por el hecho de que el secador se muestra útil para equipar
instalaciones de producción de aire comprimido con caudales medios a
elevados. En efecto, la regulación de la potencia de la unidad de
compresor no penaliza el rendimiento global del circuito
frigorífico, y, al mismo tiempo, implica costes, pesos y volúmenes
sensiblemente reducidos en comparación con los secadores de aire
comprimido con acumuladores térmicos de arena o de solución con bajo
punto de congelación.
Claims (9)
1. Secador de aire, por ciclo frigorífico, que
comprende un circuito frigorífico (2) con una unidad de compresión
(3) del refrigerante y un evaporador (5) del refrigerante, en el
que:
dicha unidad de compresión (3) es del tipo de
caudal regulable entre un valor mínimo, no nulo, y un valor máximo,
determinando dicho valor mínimo no nulo la potencia frigorífica
mínima de dicho circuito frigorífico (2);
un sistema de regulación (8) está asociado con
dicha unidad de compresión (3) de manera que se pueda regular el
caudal de refrigerante comprimido en función de la carga térmica del
aire comprimido a evacuar, con el objetivo de aproximar la potencia
frigorífica del circuito frigorífico (2) a la potencia frigorífica
requerida por el evaporador (5) para garantizar el secado del aire
comprimido;
y caracterizado porque:
existe un acumulador térmico asociado con el
evaporador (5) y previsto de manera que pueda acumular, durante un
tiempo de acumulación predeterminado seleccionado de manera que se
garanticen ciclos de activación/desactivación aceptables de dicha
unidad de compresión, las frigorías producidas en exceso cuando el
circuito frigorífico (2) funcione con su potencia frigorífica mínima
mientras que la potencia frigorífica requerida por el evaporador (5)
sea próxima a cero, estando constituido dicho acumulador térmico por
la masa sobredimensionada del evaporador que contribuya al
intercambio térmico entre el aire y el refrigerante y siendo
susceptible de descargarse por transmisión de las frigorías
acumuladas al aire comprimido.
2. Secador de aire de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que dicho dispositivo de control comprende
un control termostático.
3. Secador de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 o 2, en el que dicha unidad de compresión (3)
comprende, al menos, dos compresores (10) dispuestos en paralelo en
dicho circuito frigorífico (2).
4. Secador de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, en el que dicha unidad de compresión (3)
comprende, al menos, un compresor con, al menos, un cilindro de
capacidad variable.
5. Secador de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, en el que dicha unidad de compresión (3)
comprende un compresor con varios cilindros, cuyo número de
cilindros en funcionamiento puede ser hecho variar.
6. Secador de aire de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 4, en el que dicha unidad de compresión (3)
comprende, al menos, un compresor de velocidad variable.
7. Procedimiento de puesta en práctica de un
secador de aire comprimido que comprende un circuito frigorífico con
una unidad de compresión del refrigerante y un evaporador del
líquido refrigerante, en el que:
se pone el aire comprimido a secar en condición
de intercambio térmico con dicho evaporador del refrigerante;
se regula el caudal de refrigerante comprimido
en función de la carga térmica del aire comprimido a evacuar, con el
objetivo de aproximar la potencia frigorífica del circuito
frigorífico a la potencia frigorífica requerida por el evaporador
para garantizar el secado del aire comprimido; y
caracterizado porque:
se pone el aire comprimido a secar y el
refrigerante en condición de intercambio térmico con un acumulador
previsto de manera que pueda acumular, durante un tiempo de
acumulación predeterminado, las frigorías generadas en exceso cuando
el circuito frigorífico funcione con su potencia frigorífica mínima
mientras que la potencia frigorífica requerida por el evaporador sea
próxima a cero, estando constituido dicho acumulador térmico por la
masa térmica sobredimensionada de dicho evaporador (5) y siendo
susceptible de descargarse por transmisión de las frigorías
acumuladas al aire comprimido, seleccionándose el acumulador térmico
de modo que se garanticen ciclos de activación/desactivación
aceptables de dicha unidad de compresión.
8. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 7, que comprende una regulación continua del caudal
de refrigerante de dicha unidad de compresión a partir de un valor
mínimo no nulo.
9. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 7, que comprende una regulación por escalones del
caudal de refrigerante de dicha unidad de compresión.
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