ES2315463T3 - Sistema refrigerante que uriliza dioxido de carbono como refrigerante. - Google Patents
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Abstract
Sistema de ciclo de refrigeración que tiene un conducto de refrigerante (5) para hacer circular un refrigerante de dióxido de carbono de manera secuencial hacia un primer compresor (1a), un primer radiador (2a), un mecanismo de expansión (3a), y un absorbedor de calor (4), y descargar calor de dicho primer radiador (2a) en estado supercrítico, en el que un segundo compresor (1b) está dispuesto en el conducto de refrigerante (5) entre dicho absorbedor de calor (4) y dicho primer compresor (1a), y un eje de accionamiento giratorio de dicho segundo compresor (1b) y un eje de salida giratorio de dicho mecanismo de expansión (3a) están conectados entre sí, estando caracterizado el sistema de ciclo de refrigeración por comprender además: un conducto de desviación (7), uno de cuyos extremos está conectado al conducto de refrigerante (5) conectado a la entrada de gas (11) de dicho segundo compresor (1b), y cuyo otro extremo está conectado al conducto de refrigerante (5) conectado a la salida de gas (12) de dicho segundo compresor (1b) para evitar el paso por dicho segundo compresor (1b), en el que dicho conducto de desviación (7) está dotado de una válvula de conmutación (8).
Description
Sistema refrigerante que utiliza dióxido de
carbono como refrigerante.
La presente invención se refiere a un sistema de
ciclo de refrigeración que utiliza dióxido de carbono como
refrigerante.
El documento
EP-A-1046869 da a conocer un sistema
de refrigeración mecánico de dos fases que utiliza dióxido de
carbono como refrigerante.
La Figura 7 muestra un sistema de ciclo de
refrigeración conocido que utiliza dióxido de carbono (CO_{2})
como refrigerante.
Este sistema de ciclo de refrigeración tiene un
compresor 1, un radiador 2, una válvula de expansión 3 y un
absorbedor de calor 4; y hace circular un refrigerante de CO_{2}
de manera secuencial en el siguiente orden: compresor 1
\rightarrow radiador 2 \rightarrow válvula de expansión 3
\rightarrow absorbedor de calor 4 \rightarrow compresor 1, tal
como muestran las flechas de la Figura 7. En consecuencia, el calor
del aire de una habitación es absorbido por el absorbedor de calor
4, y la habitación se enfría.
A continuación se describirá la operación de
refrigeración de una habitación por parte de dicho sistema de ciclo
de refrigeración, haciendo referencia al diagrama de Mollier de la
Figura 8. El compresor 1 comprime el refrigerante de CO_{2}
(presión del refrigerante: 0,4x10^{6} kg/m^{2}) hasta una
presión que excede el punto crítico de la línea de líquido saturado
y de la línea de vapor saturado, por ejemplo, 1x10^{6} kg/m^{2}
(A \rightarrow B, Figura 8). A continuación, el refrigerante de
CO_{2} comprimido se descarga al exterior con el radiador 2 (B
\rightarrow C, Figura 8). Posteriormente, el refrigerante de
CO_{2} liberado del calor se expande según la línea isoentálpica
con la válvula de expansión 3 a efectos de disminuir la presión (C
\rightarrow D, Figura 8). El refrigerante de CO_{2}, que se
convierte en vapor húmedo debido a dicha disminución de presión,
absorbe
calor del aire de la habitación en el absorbedor de calor. Por lo tanto, la habitación es refrigerada (D \rightarrow A, Figura 8).
calor del aire de la habitación en el absorbedor de calor. Por lo tanto, la habitación es refrigerada (D \rightarrow A, Figura 8).
Por lo tanto, a efectos de obtener una capacidad
de refrigeración deseada, incluso en verano, cuando la temperatura
exterior es alta, el sistema de ciclo de refrigeración que descarga
calor hacia el exterior requiere un compresor que obtenga una
elevada presión de descarga.
No obstante, incluso aunque dicho sistema de
ciclo de refrigeración utiliza un compresor 1 con una elevada
capacidad de refrigeración, su rendimiento es más bajo que el
rendimiento de sistemas de ciclo de refrigeración que utilizan
refrigerantes basados en clorofluorocarbonos e hidrocarbonos.
Teniendo en cuenta dichos problemas, el presente
solicitante propuso un sistema de ciclo de refrigeración según la
Patente Japonesa abierta a inspección pública número
11-94379. En este sistema de ciclo de refrigeración,
un compresor 1 está compuesto por un primer compresor (no mostrado)
y un segundo compresor (no mostrado); un radiador 2 está compuesto
por un primer radiador (no mostrado) y un segundo radiador (no
mostrado); y el eje de accionamiento giratorio del segundo
compresor y el eje de salida giratorio del mecanismo de expansión
están conectados entre sí. Se hace circular un refrigerante de
CO_{2} de manera secuencial en el siguiente orden: primer
compresor \rightarrow primer radiador \rightarrow segundo
compresor \rightarrow segundo radiador \rightarrow mecanismo
de expansión \rightarrow absorbedor de calor \rightarrow primer
compresor.
Según este sistema de ciclo de refrigeración, el
refrigerante es comprimido por el primer compresor, dicho
refrigerante comprimido es descargado por el primer radiador, dicho
refrigerante descargado es comprimido por el segundo compresor y
dicho refrigerante comprimido es descargado por el segundo radiador.
La utilización del primer compresor y del segundo compresor reduce
la potencia necesaria para todo el compresor.
El objetivo de la presente invención es dar a
conocer un sistema de ciclo de refrigeración que tiene una
estructura diferente con respecto al sistema de ciclo de
refrigeración descrito en la Patente Japonesa abierta a inspección
pública número 11-94379, que permite obtener una
presión de refrigeración deseada sin aumentar la potencia de todo
el compresor y que presenta un efecto de refrigeración mejorado.
Según la presente invención, se da a conocer un
sistema de ciclo de refrigeración que tiene un conducto de
refrigerante para hacer circular un refrigerante de dióxido de
carbono de manera secuencial hacia un primer compresor, un primer
radiador, un mecanismo de expansión, y un absorbedor de calor, y
descargar calor de dicho primer radiador en estado
supercrítico,
en el que un segundo compresor está dispuesto en
el conducto de refrigerante entre dicho absorbedor de calor y dicho
primer compresor, y un eje de accionamiento giratorio de dicho
segundo compresor y un eje de salida giratorio de dicho mecanismo
de expansión están conectados entre sí,
estando caracterizado el sistema de ciclo de
refrigeración por comprender además:
un conducto de desviación, uno de cuyos extremos
está conectado al conducto de refrigerante conectado a la entrada
de gas de dicho segundo compresor, y cuyo otro extremo está
conectado al conducto de refrigerante conectado a la salida de gas
de dicho segundo compresor para evitar el paso por dicho segundo
compresor, en el que
dicho conducto de desviación está dotado de una
válvula de conmutación.
Según la presente invención, se hace circular un
refrigerante de CO_{2} de manera secuencial en el siguiente
orden: segundo compresor \rightarrow primer compresor
\rightarrow radiador \rightarrow mecanismo de expansión
\rightarrow absorbedor de calor \rightarrow segundo compresor, a
efectos de refrigerar habitaciones y similares. En este ciclo de
refrigeración, debido a que la fuerza de accionamiento del segundo
compresor es obtenida a partir de la potencia generada por la
acción de expansión del refrigerante en el mecanismo de expansión,
una pequeña cantidad de potencia resulta suficiente para accionar el
primer compresor, y es posible minimizar la energía procedente de
fuentes de suministro externas.
El objetivo descrito anteriormente, así como
otros objetivos, características y ventajas adicionales de la
presente invención, resultarán comprensibles de manera evidente a
partir de la siguiente descripción y dibujos adjuntos.
En los dibujos:
la Figura 1 es un diagrama de un circuito de
refrigerante de un sistema de ciclo de refrigeración según un
primer ejemplo;
la Figura 2 es un diagrama esquemático que
muestra la estructura que conecta un segundo compresor con un
mecanismo de expansión según el primer ejemplo;
la Figura 3 es un diagrama de Mollier de un
sistema de ciclo de refrigeración según el primer ejemplo;
la Figura 4 es un diagrama de un circuito de
refrigerante de un sistema de ciclo de refrigeración según una
realización preferida;
la Figura 5 es un diagrama de un circuito de
refrigerante de un sistema de ciclo de refrigeración según un
segundo ejemplo;
la Figura 6 es un diagrama de Mollier de un
sistema de ciclo de refrigeración según el segundo ejemplo;
la Figura 7 es un diagrama de un circuito de
refrigerante de un sistema de ciclo de refrigeración convencional;
y
la Figura 8 es un diagrama de Mollier de un
sistema de ciclo de refrigeración convencional.
Las Figuras 1 a 3 muestran un primer ejemplo de
sistemas de ciclo de refrigeración. Los mismos componentes que los
descritos previamente en los ejemplos convencionales, haciendo
referencia a la Figura 7 y a la Figura 8, se han indicado mediante
los mismos numerales y caracteres.
Este sistema de ciclo de refrigeración utiliza
CO_{2} como refrigerante. Tal como puede observarse en la Figura
1, el sistema de ciclo de refrigeración conecta de manera secuencial
un primer compresor 1a, un primer radiador 2a, un mecanismo de
expansión 3a, un absorbedor de calor 4 y un segundo compresor 1b
mediante un conducto de refrigerante 5. El sistema de ciclo de
refrigeración hace circular el refrigerante de CO_{2} de manera
secuencial en el siguiente orden: segundo compresor 1b \rightarrow
primer compresor 1a \rightarrow primer radiador 2a \rightarrow
mecanismo de expansión 3a \rightarrow absorbedor de calor 4
\rightarrow segundo compresor 1b, tal como indican las flechas en
línea continua de la Figura 1, a efectos de refrigerar las
habitaciones utilizando la acción de absorción de calor del
absorbedor de calor 4.
En el sistema de ciclo de refrigeración
configurado de esta manera, el segundo compresor 1b y el mecanismo
de expansión 3a tienen la configuración mostrada en la Figura 2, es
decir, adoptan un mecanismo de compresión/expansión de tipo
espiral.
El segundo compresor 1b tiene una entrada de gas
11 en la parte exterior y una salida de gas 12 en la parte central,
y una espiral giratoria 13 gira en la dirección de la flecha de la
Figura 2 (en el sentido de las agujas del reloj con respecto a la
Figura 2). Por lo tanto, el refrigerante de CO_{2} es absorbido
por la entrada de gas 11, es comprimido entre la espiral giratoria
13 y la espiral fija 14, y dicho refrigerante de CO_{2}
comprimido es descargado por la salida de gas 12.
El mecanismo de expansión 3a tiene una
configuración inversa con respecto a la del segundo compresor 1b. De
manera específica, el mecanismo de expansión 3a tiene una salida de
gas 31 en la parte exterior y una entrada de gas 32 en la parte
interior, y una espiral giratoria 33 gira en la dirección de la
flecha de la Figura 2 (en el sentido contrario al de las agujas del
reloj con respecto a la Figura 2). Por lo tanto, el refrigerante de
CO_{2} es absorbido por la entrada de gas 32, se expande entre la
espiral giratoria 33 y la espiral fija 34, y es descargado por la
salida de gas 31.
El eje de accionamiento giratorio del segundo
compresor 1b está conectado al eje de salida giratorio del mecanismo
de expansión 3a a través de un eje 6, tal como puede observarse en
la Figura 2, y el accionamiento del mecanismo de expansión 3a
provoca el accionamiento del segundo compresor 1b.
A continuación se describirá el cambio en el
refrigerante del sistema de ciclo de refrigeración según el presente
ejemplo. En primer lugar, cuando se activa el primer compresor 1a,
el refrigerante de CO_{2} es comprimido, y la presión del mismo
es aplicada a través del primer radiador 2a en la entrada de gas 32
del mecanismo de expansión 3a. Por lo tanto, el mecanismo de
expansión 3a gira, y la fuerza de giro de dicho mecanismo de
expansión 3a hace girar el segundo compresor 1b.
Mediante dicho funcionamiento del primer
compresor 1a, el segundo compresor 1b y el mecanismo de expansión
3a, el refrigerante de CO_{2} es comprimido por el segundo
compresor 1b, y es comprimido adicionalmente por el primer
compresor 1a. Tras las dos etapas de compresión, el refrigerante
pasa al primer radiador 2a instalado exteriormente. La presión del
refrigerante de CO_{2} que ha pasado por el radiador se reduce en
el mecanismo de expansión 3a, y dicho refrigerante absorbe calor del
aire de la habitación en el absorbedor de calor 4, y es absorbido
por el segundo compresor 1b.
A continuación se describirá el sistema de ciclo
de refrigeración descrito anteriormente, haciendo referencia al
diagrama de Mollier mostrado en la Figura 3. El segundo compresor 1b
comprime el refrigerante de CO_{2}, por ejemplo, de 0,4x10^{6}
kg/m^{2} a P1 kg/m^{2} (A \rightarrow B). El primer compresor
1a comprime adicionalmente el refrigerante de P1 kg/m^{2} a
aproximadamente 1x10^{6} kg/m^{2} (B1 \rightarrow B). A
continuación, el refrigerante pasa al primer radiador 2a (B
\rightarrow C), y a partir de ese momento la presión de dicho
refrigerante disminuye de 1x10^{6} kg/m^{2} a 0,4x10^{6}
kg/m^{2} según la línea isoentrópica (C \rightarrow D1).
Posteriormente, el refrigerante de CO_{2} a menor presión circula
nuevamente hacia el segundo compresor 1b (D1 \rightarrow A).
En este caso, el ciclo A \rightarrow B
\rightarrow C \rightarrow D mostrado en la figura 3 es un
ejemplo convencional (un ejemplo en el que la presión del
refrigerante cambia de 0,4x10^{6} kg/m^{2} a 1x10^{6}
kg/m^{2} solamente mediante el primer compresor 1a), y (h) indica
la entalpía. A continuación se describirá la acción de enfriamiento
del sistema de ciclo de refrigeración según el primer ejemplo en
comparación con la acción de enfriamiento del sistema de ciclo de
refrigeración según un ejemplo convencional.
\vskip1.000000\baselineskip
La potencia (WA1) de un compresor de un sistema
de ciclo de refrigeración convencional es:
WA1 = (hB -
hA)
Por otro lado, el sistema de ciclo de
refrigeración según el primer ejemplo tiene una estructura en la que
el eje de accionamiento giratorio del primer compresor 1b está
conectado al eje de salida giratorio del mecanismo de expansión 3a
a través de un eje común 6. En consecuencia, la potencia generada
por la acción de expansión del refrigerante en el mecanismo de
expansión 3a es utilizada para comprimir el refrigerante en el
segundo compresor 1b. Por lo tanto, la potencia (WA2) del compresor
1a es la siguiente:
WA2 = (hB -
hB1)
Asimismo, el efecto de refrigeración (WB1) del
sistema de ciclo de refrigeración convencional es el siguiente:
WB1 = (hA -
hD)
Por otro lado, el efecto de refrigeración (WB2)
del sistema de ciclo de refrigeración según el primer ejemplo es el
siguiente:
WB2 = (hA -
hD1)
Además, el COP (coeficiente de rendimiento)
(\varepsilon\gamma1) del sistema de ciclo de refrigeración
convencional es el siguiente:
\varepsilon\gamma1 =
WB1/WA1
El COP (\varepsilon\gamma2) del sistema de
ciclo de refrigeración según el primer ejemplo es el siguiente:
\varepsilon\gamma2 =
WB2/WA2
En este caso, tal como puede observarse en la
figura 3, debido a que WA1 > WA2, y WB1 < WS2, la relación
entre cada COP es la siguiente:
\varepsilon\gamma1 <
\varepsilon\gamma2
Por lo tanto, el sistema de ciclo de
refrigeración según el primer ejemplo consume menos energía que el
sistema de ciclo de refrigeración convencional, y también presenta
un mejor COP. Debido a que el mecanismo de expansión 3a del sistema
de ciclo de refrigeración según la presente invención expande el
refrigerante de CO_{2} de manera adiabática, la presión del
refrigerante cambia según la línea isoentrópica, y el efecto de
refrigeración es mejorado.
La Figura 4 muestra una realización preferida de
la invención, que incorpora un sistema de ciclo de refrigeración
según el primer ejemplo descrito anteriormente. En el dibujo, los
componentes coincidentes con los del ejemplo descrito anteriormente
se indican mediante los mismos numerales y caracteres de referencia,
omitiéndose la descripción de los mismos.
En la realización preferida, un conducto de
desviación 7 que evita el paso por el segundo compresor 1b está
instalado en el conducto de refrigerante 5 en el que está instalado
dicho segundo compresor 1b descrito anteriormente. Un extremo del
conducto de desviación 7 está conectado al conducto de refrigerante
5 conectado a la entrada de gas 31 del segundo compresor 1b, y el
otro extremo del conducto de desviación 7 está conectado al conducto
de refrigerante 5 conectado a la salida de gas 32 del segundo
compresor 1b. Una válvula de conmutación 8 está instalada en la
mitad del conducto de desviación 7.
Según la realización preferida, la válvula de
conmutación 8 se abre cuando el primer compresor 1a entra en
funcionamiento. De este modo, tal como muestran las flechas en línea
continua de la Figura 4, el refrigerante de CO_{2} es absorbido
por el lado de succión del primer compresor 1a a través del conducto
de desviación 7, y la presión en el lado de succión del mecanismo
de expansión 3a aumenta. Al mismo tiempo que el aumento de presión,
el mecanismo de expansión 3a es accionado, y el segundo compresor 1b
también es accionado. A continuación, después de que el mecanismo
de expansión 3a y el segundo compresor 1b han sido accionados, la
válvula de conmutación 8 se cierra. Por lo tanto, tal como muestran
las flechas en línea discontinua de la Figura 4, todo el
refrigerante de CO_{2} circula hacia el segundo compresor 1b, y
el funcionamiento cambia a funcionamiento regular.
Según la realización preferida, cuando el primer
compresor 1a inicia su funcionamiento, la presión de succión del
mecanismo de expansión 3a aumenta rápidamente, y el cambio al
funcionamiento regular se lleva a cabo de manera suave y en poco
tiempo.
Las Figuras 5 y 6 muestran otro ejemplo del
sistema de ciclo de refrigeración. En los dibujos, los componentes
coincidentes con los de la realización preferida descrita
anteriormente se indican mediante los mismos numerales y caracteres
de referencia, omitiéndose la descripción de los mismos.
En otro ejemplo, el conducto de refrigerante 5
entre el primer compresor 1a y el segundo compresor 1b está dotado
de un segundo radiador 2. Según este ejemplo adicional, la válvula
de conmutación 8 se abre durante el funcionamiento del primer
compresor 1a. Por lo tanto, tal como muestran las flechas en línea
continua de la Figura 5, el refrigerante de CO_{2} es absorbido
por el lado de succión del primer compresor 1a a través de un
conducto de desviación 7 y un segundo radiador 2b, y la presión en
el lado de succión del mecanismo de expansión 3a aumenta. Al mismo
tiempo que el aumento de presión, el mecanismo de expansión 3a es
accionado, y el segundo compresor 1b también es accionado. A
continuación, después de que el mecanismo de expansión 3a y el
segundo compresor 1b han sido accionados, la válvula de conmutación
8 se cierra. Por lo tanto, tal como muestran las flechas en línea
discontinua de la Figura 5, todo el refrigerante de CO_{2} circula
hacia el segundo compresor 1b, y el funcionamiento cambia a
funcionamiento regular.
A continuación se describirá el ciclo de
refrigeración en un funcionamiento regular de este tipo, haciendo
referencia al diagrama de Mollier de la Figura 6. El refrigerante de
CO_{2} es comprimido en el segundo compresor 1b, por ejemplo, de
0,4x10^{6} kg/m^{2} a P2 kg/m^{2} (A \rightarrow B1). El
refrigerante de CO_{2} comprimido pasa al segundo radiador 2b (B1
\rightarrow C1). En el primer compresor 1a, el refrigerante de
CO_{2} que ha pasado por el radiador es comprimido adicionalmente
de P2 kg/m^{2} a 1x10^{6} kg/m^{2} (C1 \rightarrow B2). A
continuación, el refrigerante pasa al primer radiador 2a (B2
\rightarrow C), y posteriormente, en el mecanismo de expansión
3a, la presión del refrigerante se reduce de 1x10^{6} kg/m^{2}
a 0,4x10^{6} kg/m^{2} según la línea isoentrópica (C
\rightarrow D1). A continuación, el refrigerante de CO_{2} a
menor presión circula nuevamente hacia el segundo compresor 1b (D1
\rightarrow A).
En este caso, el ciclo A \rightarrow B
\rightarrow C \rightarrow D1 mostrado en la Figura 6 muestra el
cambio del refrigerante del sistema de ciclo de refrigeración según
el primer ejemplo descrito anteriormente. A continuación se
describirá la acción de enfriamiento del sistema de ciclo de
refrigeración según el presente ejemplo en comparación con la
acción de enfriamiento del sistema de ciclo de refrigeración según
el primer ejemplo descrito anteriormente.
La potencia (WA2) del compresor 1a del sistema
de ciclo de refrigeración según el primer ejemplo descrito
anteriormente es la siguiente:
WA2 = (hb -
hB1)
La potencia (WA3) del compresor 1a del sistema
de ciclo de refrigeración según el presente ejemplo es la
siguiente:
WA3 = (hB2 -
hC1)
De este modo, tal como muestra la Figura 6, la
relación entre las potencias WA2 y WA3 es la siguiente:
WA2 >
WA3
Esto se debe a que el refrigerante absorbido por
el primer compresor 1a es irradiado parcialmente en el segundo
radiador 2, y la potencia se reduce por la disminución de la
entalpía (por un aumento del gradiente de la línea isoentrópica en
el primer compresor 1a mayor que el gradiente de la línea
isoentrópica en el segundo compresor 1b).
Por lo tanto, en el sistema de ciclo de
refrigeración según el presente ejemplo, la potencia del compresor
1a disminuye adicionalmente, y dicho sistema de ciclo de
refrigeración destaca por el ahorro de energía.
Claims (3)
1. Sistema de ciclo de refrigeración que tiene
un conducto de refrigerante (5) para hacer circular un refrigerante
de dióxido de carbono de manera secuencial hacia un primer compresor
(1a), un primer radiador (2a), un mecanismo de expansión (3a), y un
absorbedor de calor (4), y descargar calor de dicho primer radiador
(2a) en estado supercrítico,
en el que un segundo compresor (1b) está
dispuesto en el conducto de refrigerante (5) entre dicho absorbedor
de calor (4) y dicho primer compresor (1a), y un eje de
accionamiento giratorio de dicho segundo compresor (1b) y un eje de
salida giratorio de dicho mecanismo de expansión (3a) están
conectados entre sí,
estando caracterizado el sistema de ciclo
de refrigeración por comprender además:
un conducto de desviación (7), uno de cuyos
extremos está conectado al conducto de refrigerante (5) conectado a
la entrada de gas (11) de dicho segundo compresor (1b), y cuyo otro
extremo está conectado al conducto de refrigerante (5) conectado a
la salida de gas (12) de dicho segundo compresor (1b) para evitar el
paso por dicho segundo compresor (1b), en el que
dicho conducto de desviación (7) está dotado de
una válvula de conmutación (8).
2. Sistema de ciclo de refrigeración según la
reivindicación 1, en el que dicho segundo compresor (1b) y dicho
mecanismo de expansión (3a) están compuestos por un mecanismo
compresor/de expansión de tipo espiral.
3. Sistema de ciclo de refrigeración según la
reivindicación 1 ó 2, en el que dicho conducto de refrigerante (5)
entre dicho primer compresor (1a) y dicho segundo compresor (1b)
está dotado de un segundo radiador (2b).
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002-112015 | 2002-04-15 | ||
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|---|---|
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| EP (1) | EP1359379B1 (es) |
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