ES2573409T3

ES2573409T3 - Procedimiento y sistema de control de una bomba de calor de módulos terrmoeléctricos

Info

Publication number: ES2573409T3
Application number: ES11723546.5T
Authority: ES
Inventors: Benjamin David; Julien Ramousse; Mehdi Ait Ameur; Lingai Luo
Original assignee: Acome SCOP
Current assignee: Acome SCOP
Priority date: 2010-05-03
Filing date: 2011-05-02
Publication date: 2016-06-07
Anticipated expiration: 2031-05-02
Also published as: FR2959557B1; FR2959557A1; EP2567160B1; WO2011138547A1; EP2567160A1

Abstract

Bomba de calor termoeléctrica, que comprende dos circuitos (C1, C2) de intercambio de calor y una pluralidad de unidades termoeléctricas (41, 42, 43, 44) de transferencia de calor de un primer grupo que comprende cada una: - un primer intercambiador (41a, 42a, 43a, 44a); - un segundo intercambiador (41b, 42b, 43b, 44b); y - al menos un módulo termoeléctrico (3) adaptado para transferir el calor entre los dos intercambiadores; caracterizada por que comprende un sistema de control (2) que incluye al menos una unidad (10) de alimentación eléctrica que permite alimentar eléctricamente cada una de las unidades termoeléctricas (41, 42, 43, 44); por que dicha pluralidad de unidades termoeléctricas (41, 42, 43, 44) comprende una unidad (41) de entrada cuyo primer intercambiador (41a) está conectado al primer circuito (C1) de los dos circuitos y una unidad (44) de salida cuyo segundo intercambiador (44b) está conectado a un segundo circuito (C2) de los dos circuitos, comprendiendo el sistema de control (2) una pluralidad de válvulas (V1-V20) asociadas a un dispositivo de control adaptado para parametrizar una configuración en cascada en la que el segundo intercambiador (41b) de la unidad de entrada está conectado a un primer intercambiador (42a; 44a) de dicha pluralidad de unidades termoeléctricas, y el primer intercambiador (44a) de la unidad (44) de salida está conectado a un segundo intercambiador (41b; 43b) de dicha pluralidad de unidades termoeléctricas, y por que el dispositivo de control comprende una unidad de control electrónica (ECU) que incluye: - unos medios para parametrizar un número definido de puntos de funcionamiento predeterminados de los módulos termoeléctricos (3) de la bomba de calor; y - un algoritmo adaptado para seleccionar uno de los puntos de funcionamiento predeterminados para los módulos termoeléctricos de dicho primer grupo y que permite activar una transferencia de calor generada por dicha configuración en cascada en función de la selección del punto de funcionamiento.

Description

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termoeléctrica reversible. Esta reducción se puede obtener mediante la detención de una circulación del fluido caloportador a la altura de una o varias de las unidades termoeléctricas, por ejemplo aquellas que no están alimentadas eléctricamente. En el modo de calefacción de la bomba de calor, esto permite minimizar la pérdida desfavorable de calor por entropía. En efecto, el calor se difunde desde el fluido que circula en las unidades termoeléctricas no alimentadas eléctricamente hacia el medio ambiente. Alternativamente, puede preverse un accionador para reducir la conductividad térmica de la interfaz entre el fluido caloportador y la superficie de intercambio, permitiendo el accionador por ejemplo separar o aproximar las zonas de intercambio de calor de los módulos termoeléctricos.

Descripción de las figuras

Surgirán otras características y ventajas de la invención en el curso de la descripción que sigue de varios modos de realización, dados a título de ejemplo no limitativo, en relación a los dibujos adjuntos en los que:

-: la figura 1 es una vista esquemática del sistema de control de una bomba de calor reversible de varias unidades termoeléctricas, según un primer modo de realización de la invención;

-: la figura 2 muestra un grupo de unidades termoeléctricas que pueden asociarse, en cascada, en paralelo o en una combinación mixta, según un segundo modo de realización de la invención;

-: la figura 3 representa el grupo de unidades termoeléctricas de la figura 2, en una configuración “todo paralelo”;

-: la figura 4 representa el grupo de unidades termoeléctricas de la figura 2, en una configuración “todo cascada”;

-: la figura 5 representa el grupo de unidades termoeléctricas de la figura 2, en una configuración mixta;

-: la figura 6 es un esquema que ilustra un ejemplo de unidad termoeléctrica utilizable en una bomba de calor según la invención;

-: la figura 7 muestra un gráfico que ilustra unos dominios de configuraciones óptimas para un conjunto de unidades termoeléctricas, en función del par temperatura del fluido / potencia útil deseada;

-: la figura 8 muestra un diagrama de etapas que permiten determinar un modo de calefacción óptimo.

Descripción detallada de la invención

En las diferentes figuras, las mismas referencias designan unos elementos idénticos o similares.

En la figura 1, se representa un modo de realización del sistema de control 2 para gestionar unas células de efecto Peltier (CEP) o módulos termoeléctricos 3 de transferencia de calor. El sistema de control 2 presenta una unidad 10 de alimentación eléctrica, que corresponde en este caso a un sistema modular de salidas múltiples de corriente continua, conectado por ejemplo a una fuente de corriente alterna típicamente de 230 V. Pueden utilizarse de ese modo varios sistemas modulares de salidas múltiples de corriente continua. Los módulos termoeléctricos 3 se disponen por grupos de seis en unas unidades termoeléctricas 41, 44, 45, 46 respectivas que definen un sistema intercambiador 4 de la bomba de calor. Por supuesto, el número de módulos termoeléctricos 3 no está fijado y puede ser variable, por ejemplo y de manera no limitativa comprendido entre dos y diez por unidad termoeléctrica 41, 44, 45, 46. La bomba de calor equipada con el sistema de control 2 ilustrado en la figura 1 es reversible gracias a la posibilidad de invertir la corriente de alimentación para todas o parte de las unidades termoeléctricas 41, 44, 45, 46.

En el ejemplo de las figuras 1 a 5, cada una de las unidades termoeléctricas 41, 42, 43, 44, 45, 46 comprende un primer intercambiador 41a, 42a, 43a, 44a, 45a, 46a que puede estar unido a un primer circuito C1 de intercambio de calor, así como un segundo intercambiador 41b, 42b, 43b, 44b, 45b, 46b que puede estar unido a un segundo circuito C2 de intercambio de calor. Uno o varios módulos termoeléctricos 3 permiten transferir el calor entre los dos intercambiadores. Alternativamente, una o varias unidades termoeléctricas pueden disponerse en posición intermedia entre una unidad denominada de entrada 41 y una unidad 44 de salida, sin estar necesariamente conectadas a los circuitos C1 y C2. En referencia a la figura 2, se comprende de ese modo que las unidades termoeléctricas 42 y 43 podrían no funcionar más que en una configuración en cascada entre la unidad 41 de entrada y la unidad 44 de salida, suprimiéndose en este caso las válvulas V5-V8 y V11-V14 y los conductos de conexión hacia los colectores respectivos N1-N4.

En el ejemplo de la figura 1, en el estado cerrado de las válvulas V1-V2 y V5-V6 y en el estado abierto de las válvulas V3-V4, se permite una circulación de fluido en bucle cerrado mediante un par de conductos intermedios que unen el primer intercambiador 44a de la unidad de salida al primer intercambiador 41b de la unidad 41 de entrada. Las calorías de un fluido caloportador se extraerán en este caso en el primer circuito C1 (figura 2) al que está unido el primer intercambiador 41a de la unidad 41 de entrada y la zona útil se calienta con la ayuda del segundo circuito C2 (figura 2) al que está unido el segundo intercambiador 44b de la unidad 44 de salida. El sistema de control 2 puede incluir más generalmente una pluralidad de válvulas V1-V20, como es visible en la figura 2. Un dispositivo del sistema de control 2 controla estas válvulas V1-V20 para parametrizar la configuración de la alimentación de fluido del sistema intercambiador 4. El sistema de control 2 permite gestionar la alimentación eléctrica proporcionada en unas salidas respectivas S1 y S2 para optimizar el funcionamiento en cascada de las unidades termoeléctricas 41 y

44.

Cada una de las salidas S1 y S2 de la unidad 10 de alimentación eléctrica puede asociarse a un circuito de

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modularidad completa de la bomba de calor termoeléctrica.

Cuando el número de unidades termoeléctricas 41, 42, 43, 44 que puede configurarse en cascada es N (número entero superior o igual a dos y por ejemplo superior o igual a cuatro), el dispositivo de control parametriza el número deseado (de 0 a N) unidades a asociar en cascada en función de las necesidades de transferencia de calor. En el ejemplo de la figura 2, la parte del sistema intercambiador 4 ilustrada se conecta a cuatro colectores N1, N2, N3, N4 de los que dos colectores N1-N2 forman parte del primer circuito C1 y los otros dos colectores N3-N4 forman parte del segundo circuito C2. El colector N3 se conecta aguas arriba de la zona para el intercambio de calor útil (lado a calentar cuando la bomba funciona en modo de calefacción) y el colector N4 se conecta aguas abajo de esta zona. El colector N2 se conecta aguas arriba de la zona para el intercambio de calor con la fuente (lado en el que se extraen unas calorías en el modo de calefacción) y el colector N1 se conecta aguas abajo de esta zona. El sistema de control 2 incluye unos órganos de bombeo P1, P5 para hacer circular un fluido caloportador en cada uno de los dos circuitos C1, C2. Las bombas se colocan típicamente entre uno de los dos colectores y la parte de circuito externo a la caja o aparato que encierra las unidades termoeléctricas 41, 42, 43, 44, 45, 46. Pudiendo ser las bombas clásicas o formar unos dispositivos de circulación de velocidad variable.

El esquema de las conexiones para fluidos mostrado en la figura 2 muestra un órgano de bombeo P1 utilizado por el primer circuito C1 para hacer circular el fluido caloportador en la zona para el intercambio de calor con la fuente y posteriormente al menos en el primer intercambiador 41a de la unidad 41 de entrada. Se utiliza un órgano de bombeo P5 de manera similar por el segundo circuito C2 para hacer circular el fluido caloportador al menos en el segundo intercambiador 44b de la unidad 44 de salida y a continuación encaminarlo hacia la zona para el intercambio de calor útil.

Siempre en referencia a la figura 2, se prevén en este caso un número de bombas P1-P5 superior al del número de unidades termoeléctricas 41, 42, 43, 44 para permitir alimentar de modo diferente de fluido cada una de estas unidades. Las válvulas V1-V20, que son por ejemplo unas electroválvulas, están en este caso en número superior o igual al cuádruple del número de unidades termoeléctricas 41, 42, 43, 44.

La figura 3 muestra el caso de la configuración en “todo paralelo”, en la que el dispositivo de control activa:

-: por un lado la circulación del fluido caloportador en paralelo en los primeros intercambiadores 41a, 42a, 43a, 44a, mediante el accionamiento de la bomba P1, y

-: por otro lado la circulación del fluido caloportador en paralelo en los segundos intercambiadores 41b, 42b, 43b, 44b, mediante el accionamiento de la bomba P5.

En este caso, las válvulas V3-V4, V9-V10 y V15-V16 permanecen en estado cerrado y solo funcionan las dos bombas principales P1, P5. Los cuatro colectores N1-N4 están completamente abiertos, de manera que alimenten directamente todos los intercambiadores, por medio de los conductos que unen los colectores a las unidades termoeléctricas. Para N unidades termoeléctricas 41, 42, 43, 44, este número de conductos es por ejemplo de 4N.

Una unidad del sistema intercambiador 4 puede aislarse fácilmente puesto que es suficiente cerrar las válvulas respectivas de los cuatro conductos que unen los intercambiadores de esta unidad a los colectores. Por supuesto, la

o las válvulas que unen un intercambiador adyacente al intercambiador de la unidad que se desea aislar deben cerrarse. A título de ejemplo, la unidad 44 podría aislarse cerrando las válvulas V15-V18 y V19. Por supuesto, el dispositivo de conmutación 20 estaría controlado en correspondencia para no alimentar eléctricamente a la o las CEP de esta unidad termoeléctrica 44.

La configuración en “todo cascada” mediante la utilización de las mismas cuatro unidades termoeléctricas 41, 42, 43, 44 se permite como se ha ilustrado en la figura 4 generando una circulación separada del fluido caloportador en los bucles intermedios que atraviesan cada uno de un primer intercambiador y un segundo intercambiador de un par de unidades termoeléctricas 41-42, 42-43, 43-44. En este caso, los órganos de bombeo P1-P5 están todos en funcionamiento y se puede distinguir:

- un bucle de entrada, que forma un circuito del lado de la fuente, que atraviesa el primer intercambiador 41a de la unidad 41 de entrada, y permite al fluido caloportador circular en unos colectores N1 y N2;

- una pluralidad de bucles intermedios en este caso en número de tres; y

- un bucle de salida, que forma un circuito del lado útil, que atraviesa el segundo intercambiador 44b de la unidad 44 de salida, y que permite al fluido caloportador circular en unos colectores N3 y N4.

La bomba P1 permite el paso en el primer intercambiador 41a de la unidad 41 de entrada del fluido que ha extraído unas calorías de la fuente. Solo están abiertas las válvulas V3-V4, V9-V10, V15-V16 y V19-V20. Por medio de la transferencia de calor escalonada realizada entre las diferentes unidades 41, 42, 43, 44, es el fluido puesto en circulación en el bucle de salida por la bomba P5 el que transmite finalmente unas calorías en la parte de intercambio de lado útil. En esta configuración, los órganos de bombeo P2, P3 y P4 permiten cada uno hacer circular un fluido caloportador en un bucle cerrado que no atraviesa ni el primer intercambiador 41a de la unidad 41 de

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