ES2939859T3 - Turbo economizador utilizado en el sistema de enfriador - Google Patents

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Abstract

Un turbo economizador (26) adaptado para usarse en un sistema enfriador (10) incluye una boquilla (62), una turbina (64) y un impulsor economizador (66). La boquilla (62) introduce refrigerante en el turbo economizador (26). La turbina (64) está dispuesta aguas abajo de la boquilla (62) y la turbina (64) está unida a un eje (70) giratorio alrededor de un eje de rotación. Un flujo del refrigerante introducido a través de la boquilla (62) impulsa la turbina (64) para hacer girar el eje (70). El impulsor del economizador (66) está unido al eje (70) para girar de acuerdo con la rotación del eje (70). En el turbo economizador (26), la boquilla (62) reduce la presión del refrigerante de manera que la presión del refrigerante que ingresa al turbo economizador (26) es menor que una presión predeterminada, (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Turbo economizador utilizado en el sistema de enfriador
ANTECEDENTES
Campo de la invención
La presente invención se refiere en general a un turbo economizador para un sistema de enfriador.
Información de los antecedentes
Un sistema de enfriador es una máquina o aparato de refrigeración que elimina el calor de un medio. Habitualmente, se usa un líquido tal como agua como medio y el sistema de enfriador funciona en un ciclo de refrigeración por compresión de vapor. Este líquido puede luego circular a través de un intercambiador de calor para refrigerar el aire o el equipo según sea necesario. Como subproducto necesario, la refrigeración genera calor residual que debe ser expulsado al ambiente o, para una mayor eficiencia, recuperado con fines de calefacción. Un sistema de enfriador convencional a menudo utiliza un compresor centrífugo, que se denomina a menudo turbocompresor. Por tanto, tales sistemas de refrigeración pueden denominarse turborenfriadores. Alternativamente, pueden usarse otros tipos de compresores, por ejemplo, un compresor de tornillo.
En un (turbo)enfriador convencional, el refrigerante se comprime en el compresor centrífugo y se envía a un intercambiador de calor en el que se produce el intercambio de calor entre el refrigerante y un medio de intercambio de calor (líquido). Este intercambiador de calor se denomina condensador porque el refrigerante se condensa en este intercambiador de calor. Como resultado, el calor se transfiere al medio (líquido) para que el medio sea calentado. El refrigerante que sale del condensador se expande mediante una válvula de expansión y es enviado a otro intercambiador de calor en el que se produce el intercambio de calor entre el refrigerante y un medio de intercambio de calor (líquido). Este intercambiador de calor se denomina evaporador porque el refrigerante se calienta (evapora) en este intercambiador de calor. Como resultado, el calor se transfiere del medio (líquido) al refrigerante y el líquido se enfría. A continuación, el refrigerante procedente del evaporador es devuelto al compresor centrífugo y se repite el ciclo. El líquido utilizado es a menudo agua.
Un compresor centrífugo convencional incluye básicamente una carcasa, una paleta de guía de entrada, un impulsor, un difusor, un motor, varios sensores y un controlador. El refrigerante fluye en orden a través de la paleta de guía de entrada, el impulsor y el difusor. Así, la paleta de guía de entrada está acoplada a un orificio de entrada de gas del compresor centrífugo mientras que el difusor está acoplado a un orificio de salida de gas del impulsor. La paleta de guía de entrada controla el caudal de gas refrigerante hacia el impulsor. El impulsor aumenta la velocidad del gas refrigerante. El difusor trabaja para transformar la velocidad del gas refrigerante (presión dinámica), proporcionada por el impulsor, en presión (estática). El motor hace rotar el impulsor. El controlador controla el motor, la paleta de guía de entrada y la válvula de expansión. De esta manera, el refrigerante se comprime en un compresor centrífugo convencional.
Para mejorar la eficiencia del sistema de enfriador, se ha utilizado un economizador. Véase, por ejemplo, la publicación de solicitud de patente de Estados Unidos número 2008/0098754. El economizador separa el gas refrigerante del refrigerante bifásico (gas-líquido), y el gas refrigerante se introduce en una parte de presión intermedia del compresor.
El documento D1 WO 2008/079128 A1 se refiere a un sistema de refrigeración en el que se combinan compresores en tándem, un expansor y un economizador para proporcionar una potente combinación de opciones de operación y características de mejora.
El documento D2 EP 1067 342 A2 se refiere a un expansor-compresor como reemplazo de la válvula de mariposa de flujo bifásico para mejorar el estado de la técnica de los sistemas de recuperación de pérdidas de la válvula de mariposa.
El documento D3 WO 90/04107 A1 se refiere a una máquina del tipo de tornillo rotativo para un medio gaseoso que tiene una sección de compresión y una sección de expansión que impulsa la sección de compresión. De acuerdo con la invención, tanto la sección de compresión como la sección de expansión están ubicadas en un único espacio de trabajo en el que operan dos rotores.
COMPENDIO
Se ha descubierto que, en un economizador convencional, la presión del gas refrigerante que sale del economizador se reduce hasta la presión intermedia de manera que el gas refrigerante se introduce en la parte intermedia del compresor. La capacidad de enfriamiento en el sistema de enfriador puede aumentarse a medida que se reduce la presión intermedia del compresor. De acuerdo con una técnica convencional, el compresor puede tener dos impulsores de diferentes tamaños donde el impulsor de la primera etapa tiene un tamaño menor y el impulsor de la segunda etapa tiene un tamaño mayor para conseguir la baja presión intermedia del refrigerante en el compresor. Si bien esta técnica funciona relativamente bien, este sistema requiere un compresor de gran tamaño para permitir la diferencia de tamaño en los impulsores, lo que conlleva un aumento de los costos.
Por tanto, un objeto de la presente invención es proporcionar un turbo economizador que consiga la capacidad de enfriamiento mejorada en un sistema de enfriador sin el uso de impulsores de diferentes tamaños en el compresor. Otro objeto de la presente invención es proporcionar un turbo economizador autoalimentado sin el uso de un motor separado.
Otro objeto más de la presente invención es proporcionar un turbo economizador que mejore aún más la capacidad de refrigeración mediante el uso de un expansor.
Otro objeto más de la presente invención es proporcionar un sistema de enfriador que utiliza el turbo economizador de acuerdo con la presente invención.
Uno o más de los objetos anteriores se pueden conseguir básicamente al proporcionar un turbo economizador de acuerdo con la reivindicación 1.
Estos y otros objetos, características, aspectos y ventajas de la presente invención resultarán evidentes para los expertos en la técnica a partir de la siguiente descripción detallada, que, junto con los dibujos adjuntos, describe formas de realización preferidas.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Con referencia ahora a los dibujos adjuntos que forman parte de esta descripción original:
La Figura 1 ilustra un sistema de enfriador que incluye un turbo economizador de acuerdo con un ejemplo;
la Figura 2 es una vista en perspectiva del compresor centrífugo del sistema de enfriador ilustrado en la Figura 1, con partes separadas y mostradas en sección transversal con fines ilustrativos;
la Figura 3A es una vista esquemática del turbo economizador en el sistema de enfriador ilustrado en la Figura 1; la Figura 3B es un diagrama p-h que muestra la presión del refrigerante en cada punto del turbo economizador; la Figura 4A es un diagrama p-h de un ciclo típico;
la Figura 4B es un diagrama p-h de un ciclo mejorado en el turbo economizador ilustrado en la Figura 3A;
la Figura 5 es una vista en perspectiva del turbo economizador ilustrado en la Figura 3A que muestra el flujo de refrigerante;
la Figura 6 es una vista en perspectiva en despiece ordenado del turbo economizador ilustrado en la Figura 5; la Figura 7 es una vista en perspectiva de la caja de cojinetes del turbo economizador ilustrado en las Figuras 5 y 6, con partes separadas y mostradas en sección transversal con fines ilustrativos;
la Figura 8A es una vista esquemática del turbo economizador (con un expansor) de acuerdo con la presente invención en el sistema de enfriador;
la Figura 8B es un diagrama p-h que muestra la presión del refrigerante en cada punto del turbo economizador de acuerdo con la presente invención;
la Figura 9A es un diagrama p-h de un ciclo típico;
la Figura 9B es un diagrama p-h de un ciclo mejorado en el turbo economizador de acuerdo con la presente invención ilustrado en la Figura 8A;
la Figura 10A es una vista esquemática del turbo economizador de acuerdo con la presente invención en la que el expansor se utiliza como generador de energía;
la Figura 10B es una vista esquemática del turbo economizador de acuerdo con la presente invención en la que el expansor se utiliza como una bomba;
la Figura 11 son vistas en perspectiva del turbo economizador y el expansor de acuerdo con la presente invención que muestran el flujo de refrigerante;
la Figura 12A es una vista en perspectiva en despiece ordenado del expansor utilizado como generador de energía ilustrado en la Figura 10A;
la Figura 12B es una vista en perspectiva en despiece ordenado del expansor utilizado como una bomba ilustrada en la Figura 10B;
la Figura 13A es una vista en sección transversal esquemática del expansor utilizado como generador de energía ilustrado en la Figura 10A; y
la Figura 13B es una vista en sección transversal esquemática del expansor utilizado como una bomba ilustrada en la Figura 10B.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS FORMAS DE REALIZACIÓN
A continuación, se explicarán formas realización seleccionadas con referencia a los dibujos. Será evidente para los expertos en la técnica a partir de esta descripción que las siguientes descripciones de las formas de realización se proporcionan únicamente con fines ilustrativos y no con el propósito de limitar la invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas y sus equivalentes.
Con referencia inicialmente a la Figura 1, se ilustra un sistema 10 de enfriador, que incluye un turbo economizador 26 de acuerdo con una primera forma de realización de ejemplo. El sistema 10 de enfriador es preferiblemente un enfriador de agua que utiliza agua de refrigeración y agua de enfriadora de manera convencional. El sistema 10 de enfriador ilustrado aquí es un sistema de enfriador de dos etapas. Sin embargo, será evidente para los expertos en la técnica a partir de esta descripción que el sistema 10 de enfriador podría ser un sistema de enfriador de múltiples etapas que incluya más etapas siempre que tenga una etapa intermedia.
El sistema 10 de enfriador incluye básicamente un compresor 22, un condensador 24, una boquilla 25 de expansión, un turbo economizador 26, una válvula 27 de expansión y un evaporador 28 conectados en serie para formar un circuito de refrigeración. Además, están dispuestos varios sensores (no mostrados) a lo largo del circuito del sistema 10 de enfriador.
Haciendo referencia a las Figuras 1 y 2, el compresor 22 es un compresor centrífugo de dos etapas en la forma de realización ilustrada. Más específicamente, el compresor 22 ilustrado aquí es un compresor centrífugo de dos etapas que incluye dos impulsores. Sin embargo, el compresor 22 puede ser un compresor centrífugo de etapas múltiples que incluya más impulsores. El compresor centrífugo de dos etapas 22 de la forma de realización ilustrada incluye un impulsor 34a de primera etapa y un impulsor 34b de segunda etapa. El compresor 22 centrífugo incluye además una paleta 32a de guía de entrada de primera etapa, un primer difusor/voluta 36a, una paleta 32b de guía de entrada de segunda etapa, un segundo difusor/voluta 36b, un motor 38 de compresor y un conjunto 40 de cojinete magnético, así como varios sensores convencionales (no mostrados).
El refrigerante fluye en orden a través de la paleta 32a de guía de entrada de la primera etapa, el impulsor de la primera etapa 34a, la paleta 32b de guía de entrada de la segunda etapa y el impulsor 34b de la segunda etapa. Las paletas 32a y 32b de guía de entrada controlan el caudal de gas refrigerante hacia los impulsores 34a y 34b, respectivamente, de manera convencional. Los impulsores 34a y 34b aumentan la velocidad del gas refrigerante, generalmente sin cambiar la presión. La velocidad del motor determina la cantidad de aumento de la velocidad del gas refrigerante. Los difusores/volutas 36a y 36b aumentan la presión del refrigerante. Los difusores/volutas 36a y 36b están fijos de forma no móvil en relación con la carcasa 30 del compresor. El motor 38 del compresor hace girar los impulsores 34a y 34b a través de un eje 42. El conjunto 40 de cojinete magnético soporta magnéticamente el eje 42. El conjunto 40 de cojinete magnético incluye preferiblemente un primer cojinete magnético radial 44, un segundo cojinete magnético radial 46 y un cojinete magnético axial 48 (de empuje). En cualquier caso, al menos un cojinete magnético radial 44 o 46 soporta de forma giratoria el eje 42. El cojinete magnético 48 de empuje soporta el eje 42 a lo largo de un eje de rotación. Alternativamente, el sistema de cojinete puede incluir un elemento de rodillo, un cojinete hidrodinámico, un cojinete hidrostático y/o un cojinete magnético, o cualquier combinación de estos. De esta manera, el refrigerante se comprime en el compresor 22 centrífugo.
En funcionamiento del sistema 10 de enfriador, el impulsor 34a de primera etapa y el impulsor 34b de segunda etapa del compresor 22 giran, y el refrigerante de baja presión en el sistema 10 de enfriador es aspirado por el impulsor 34a de primera etapa. El caudal del refrigerante se ajusta mediante la paleta 32a de guía de entrada. El refrigerante aspirado por el impulsor 34a de primera etapa se comprime a una presión intermedia, la presión del refrigerante aumenta mediante el primer difusor/voluta 36a, y luego el refrigerante se introduce en el impulsor 34b de segunda etapa. El caudal del refrigerante se ajusta mediante la paleta 32b de guía de entrada. El impulsor 34b de segunda etapa comprime el refrigerante de presión intermedia a alta presión, y el segundo difusor/voluta 36b aumenta la presión del refrigerante. Luego, el gas refrigerante a alta presión se descarga al sistema 10 de enfriador.
Como se mencionó anteriormente, el sistema 10 de enfriador tiene el turbo economizador 26. El sistema 10 de enfriador es convencional. Por lo tanto, el sistema 10 de enfriador no se discutirá ni ilustrará con más detalle en este documento salvo lo relacionado con el turbo economizador 26. Sin embargo, será evidente para los expertos en la técnica que las partes convencionales del sistema 10 de enfriador pueden ser construidas en una diversidad de formas sin salirse del alcance de la presente invención.
El turbo economizador 26 está conectado a una etapa intermedia del compresor 22 para inyectar gas refrigerante en la etapa intermedia del compresor 22, como se explica con más detalle a continuación. En las formas de realización ilustradas, el turbo economizador 26 está dispuesto entre el evaporador 28 y el condensador 24 en el sistema 10 de enfriador.
Con referencia a las Figuras 3A y 6, el turbo economizador 26 incluye básicamente una boquilla 62, una turbina 64 de rueda Pelton y un impulsor 66 del economizador. La turbina 64 de rueda Pelton está dispuesta dentro de una carcasa 65 de la turbina. El impulsor 66 del economizador está dispuesto dentro de una carcasa 67 del impulsor. El turbo economizador 26 incluye además una carcasa tubular (no mostrada) que conecta la carcasa 65 de la turbina y la carcasa 67 del impulsor. Un extremo de la carcasa tubular está unido a la carcasa 65 de la turbina y el otro extremo de la carcasa tubular está unido a la carcasa 67 del impulsor.
Con referencia a las Figuras 3A, 5, 6 y 7, el turbo economizador 26 incluye además un eje 70, un cojinete 72 y una carcasa 74 de cojinete. El eje 70 puede girar alrededor de un eje de rotación que se extiende a lo largo de una dirección longitudinal del eje 70. El cojinete 72 está dispuesto dentro de la carcasa 74 del cojinete. El cojinete 72 está fijo y soporta el eje 70 de manera giratoria. El cojinete 72 es convencional y, por lo tanto, no se discutirá ni ilustrará en detalle en este documento, salvo en lo relacionado con la presente invención. Más bien, será evidente para los expertos en la técnica que se puede utilizar cualquier cojinete adecuado sin apartarse de la presente invención. Ejemplos del cojinete 72 incluyen un cojinete de rodillos, un cojinete deslizante y/o un cojinete magnético. El cojinete 72 ilustrado en la Figura 7 es un cojinete deslizante.
La boquilla 62 está dispuesta en la entrada del turbo economizador 26 para introducir el refrigerante que sale del condensador 24 al turbo economizador 26. La turbina 64 de rueda Pelton está dispuesta aguas abajo de la boquilla 62. La turbina 64 de rueda Pelton está unida a un extremo del eje 70. El impulsor 66 del economizador está conectado al otro extremo del eje 70. El flujo de refrigerante en el sistema 10 de enfriador ingresa al turbo economizador 26 desde la boquilla 62 y va a la turbina 64 de rueda Pelton. El flujo de refrigerante luego impulsa la turbina 64 de rueda Pelton y hace girar el eje 70 unido a la turbina 64 de rueda Pelton. El impulsor 66 del economizador luego gira de acuerdo con la rotación del eje 70. Es decir, en el turbo economizador 26, la potencia motriz generada por la turbina 64 de rueda Pelton que utiliza el flujo del refrigerante se transmite a través del eje 70, y la potencia motriz transmitida impulsa el impulsor 66 del economizador. De esta manera, el turbo economizador 26 es impulsado por el refrigerante sin usar un motor separado. Más específicamente, el turbo economizador 26 de acuerdo con la presente invención no necesita un motor tal como un motor eléctrico para impulsar la turbina 64 de rueda Pelton o el impulsor 66 del economizador.
Mientras el refrigerante pasa a su través, la boquilla 62 reduce la presión del refrigerante y aumenta la velocidad del flujo del refrigerante. Más específicamente, con la boquilla 26, la presión del refrigerante que ingresa al turbo economizador 26 se reduce para que sea menor que la presión intermedia del refrigerante en la etapa intermedia del compresor 22. La etapa intermedia del compresor 22 está ubicada entre el primera etapa y la segunda etapa del compresor 22. El refrigerante que pasa a través de la boquilla 62 es refrigerante bifásico (gas-líquido). A continuación, el refrigerante se introduce en la turbina 64 de rueda Pelton. La turbina 64 de rueda Pelton separa el refrigerante bifásico en refrigerante gaseoso y refrigerante líquido. La turbina 64 de rueda Pelton también reduce la velocidad de flujo del refrigerante.
El refrigerante líquido separado en la turbina 64 de rueda Pelton se introduce en la válvula 27 de expansión en el sistema 10 de enfriador. Por otro lado, el refrigerante, que incluye principalmente gas refrigerante y poco refrigerante líquido, separado en la turbina 64 de rueda Pelton se introduce en el impulsor 66 del economizador a través de un tubo (no mostrado) que conecta la turbina 64 de rueda Pelton y el impulsor 66 del economizador. El impulsor 66 del economizador aumenta la presión del refrigerante introducido en él hasta la presión intermedia. Como se mencionó anteriormente, el impulsor 66 del economizador es impulsado por la fuerza motriz de la turbina 64 de rueda Pelton.
El refrigerante que sale del impulsor 66 del economizador se inyecta en la etapa intermedia del compresor 22. El gas refrigerante inyectado en la etapa intermedia del compresor 22 se mezcla luego con el refrigerante de presión intermedia comprimido por el impulsor 34a de primera etapa del compresor 22. El refrigerante mezclado fluye al impulsor 34b de segunda etapa para comprimirse más.
Con referencia a las Figuras 3A, 3B y 5, ahora se explicará el flujo del refrigerante en el turbo economizador 26 y la presión del refrigerante en cada posición del turbo economizador 26. El refrigerante que sale del condensador 24 entra en el turbo economizador 26 a través de la boquilla 62 (posición A). La presión del refrigerante se reduce para que sea menor que la presión intermedia por la boquilla 62. Véase el proceso (1) en las Figuras 3A y 3B. El flujo del refrigerante que pasa a través de la boquilla 62 se introduce en la turbina 64 de rueda Pelton (posición B). El refrigerante se separa en refrigerante gaseoso y refrigerante líquido en la turbina 64 de rueda Pelton. El refrigerante líquido separado en la turbina 64 de rueda Pelton sale de la turbina 64 de rueda Pelton (posición D) y fluye hacia la válvula 27 de expansión en el sistema 10 de enfriador Véase el proceso (2) en las Figuras 3A y 3B. Por otra parte, el refrigerante gaseoso separado en la turbina 64 de rueda Pelton sale de la turbina 64 de rueda Pelton (posición C) y fluye hacia el impulsor 66 del economizador (posición C'). La presión del gas refrigerante es aumentada hasta la presión intermedia por el impulsor 66 del economizador. El gas refrigerante de la presión intermedia sale del impulsor 66 del economizador (posición E) para ser inyectado en la etapa intermedia del compresor 22. Véanse los procesos (3) y (4) en las Figuras 3A y 3B.
De esta manera, la presión del refrigerante en el turbo economizador 26 se reduce para que sea menor que la presión intermedia del compresor 22 por la boquilla 62. Además, se extrae trabajo del proceso (1) de expansión del refrigerante (desde la posición A a la posición B), y el trabajo extraído se imparte al impulsor 66 del economizador. De acuerdo con la presente invención, A h aumenta como se muestra en el diagrama p-h de la Figura 3B. Como resultado, se puede lograr la mejora de la capacidad de enfriamiento en el sistema 10 de enfriador.
Haciendo referencia a las Figuras 4A y 4B, se explicará un ejemplo de valores de diseño de la mejora de la capacidad de enfriamiento. La Figura 4A es un diagrama p-h de un ciclo típico, y la Figura 4B es un diagrama p-h de un ciclo mejorado que usa el turbo economizador 26 de acuerdo con la presente invención. Los valores de diseño que se explican aquí son simplemente ejemplos que usan R134a como refrigerante. Será evidente para los expertos en la técnica que los datos de diseño y los diagramas son diferentes según el tipo de refrigerante y las condiciones de funcionamiento. En estos ejemplos, las presiones intermedias para el ciclo típico son 612 kPa como se muestra en la Figura 4A, y la presión intermedia para el ciclo mejorado de acuerdo con la presente invención es 490 kPa como se muestra en la Figura 4B. Por consiguiente, la presión intermedia se reduce en 122 kPa. La capacidad de enfriamiento (la diferencia de entalpía en el evaporador) para el ciclo típico es de 172 kJ/kg y la capacidad de enfriamiento para el ciclo mejorado de acuerdo con la presente invención es de 182 kJ/kg. Por consiguiente, la capacidad de refrigeración aumenta en 10 kJ/kg. El COP (coeficiente de rendimiento) teórico para el ciclo típico es 8,21, y el COP teórico para el ciclo mejorado de acuerdo con la presente invención es 8,69. Por consiguiente, el COP teórico se incrementa aproximadamente en un 5%. De esta manera, se mejorará el COP usando el turbo economizador 26 de acuerdo con la presente invención.
Segunda forma de realización
Con referencia a la Figura 8A, se explicará el turbo economizador 26' de acuerdo con la presente invención. En esta forma de realización, el turbo economizador 26' incluye además un expansor 68. Los otros elementos del turbo economizador 26' según la segunda forma de realización son sustancialmente idénticos a los del turbo economizador 26 según la primera forma de realización. Por lo tanto, no se discutirán en detalle en este documento, salvo cuando sea necesario para comprender la segunda forma de realización. Las descripciones e ilustraciones de la primera forma de realización se aplican a la segunda forma de realización salvo como se explica y/o ilustra en este documento.
Como se mencionó anteriormente, el turbo economizador 26' de acuerdo con la segunda forma de realización incluye el expansor 68. El expansor 68 está dispuesto aguas abajo de la turbina 64 de rueda Pelton. El expansor 68 incluye al menos un impulsor expansor. El expansor 68 realiza un proceso de expansión en el refrigerante introducido desde la turbina 64 de rueda Pelton al expansor 68. El refrigerante que ha sufrido el proceso de expansión en el expansor 68 se introduce en el evaporador 28 en el sistema 10 de enfriador. El sistema 10 de enfriador, que utiliza el turbo economizador 26' de acuerdo con la segunda forma de realización, no requiere la válvula 27 de expansión.
Haciendo referencia a las Figuras 8A, 8B y 11, ahora se explicará el flujo del refrigerante en el turbo economizador 26' y la presión del refrigerante en cada posición del turbo economizador 26'. El refrigerante que sale del condensador 24 entra en el turbo economizador 26 a través de la boquilla 62 (posición A). La presión del refrigerante se reduce para que sea inferior a la presión intermedia mediante la boquilla 62. Véase el proceso (1) en las Figuras 8A y 8B. El flujo del refrigerante que pasa a través de la boquilla 62 se introduce en la turbina 64 de rueda Pelton (posición B). El refrigerante se separa en gas refrigerante y refrigerante líquido en la turbina 64 de rueda Pelton. El gas refrigerante separado en la turbina 64 de rueda Pelton sale de la turbina 64 de rueda Pelton (posición C) y fluye hacia el impulsor 66 del economizador (posición C'). La presión del gas refrigerante es incrementada hasta la presión intermedia por el impulsor 66 del economizador. El gas refrigerante de la presión intermedia sale del impulsor 66 del economizador (posición E) para ser inyectado en la etapa intermedia del compresor 22. Véanse los procesos (3) y (4) en las Figuras 8A y 8B. Por otro lado, el refrigerante líquido separado en la turbina 64 de rueda Pelton sale de la turbina 64 de rueda Pelton (posición D) y fluye hacia el expansor 68 que incluye un expansor 68A y un expansor 68B que se explican a continuación. El refrigerante experimenta un proceso de expansión en el expansor 68. El refrigerante que sale del expansor 68 (posición F) se introduce en el evaporador 28 en el sistema 10 de enfriador. Véase el proceso (2) en las Figuras 8A y 8B.
De esta manera, la presión del refrigerante en el turbo economizador 26' se reduce para que sea menor que la presión intermedia del compresor 22. Además, se extrae trabajo del proceso (1) de expansión del refrigerante (de la posición A a la posición B), y el trabajo extraído se imparte al impulsor 66 del economizador. En el economizador turbo 26' de acuerdo con la segunda forma de realización, se extrae trabajo adicional del proceso de expansión en el expansor 68 (desde la posición D a la posición F). Como resultado, puede lograrse una mejora adicional de la capacidad de enfriamiento en el sistema 10 de enfriador como se muestra en la Figura 8B.
Haciendo referencia a las Figuras 9A y 9B, se explicará un ejemplo de valores de diseño de la mejora de la capacidad de refrigeración. La Figura 9A es un diagrama p-h de un ciclo típico, y la Figura 9B es un diagrama p-h de un ciclo mejorado que usa el turbo economizador 26' de acuerdo con la segunda forma de realización de la presente invención. Los valores de diseño que se explican aquí son simplemente ejemplos que usan R134a como refrigerante. Será evidente para los expertos en la técnica que los datos de diseño y los diagramas son diferentes según el tipo de refrigerante y las condiciones de funcionamiento. En estos ejemplos, las presiones intermedias para el ciclo típico son 612 kPa como se muestra en la Figura 9A, y la presión intermedia para el ciclo mejorado de acuerdo con la segunda forma de realización de la presente invención es 490 kPa como se muestra en la Figura 9B. Por consiguiente, la presión intermedia se reduce en 122 kPa. La capacidad de enfriamiento (la diferencia de entalpía en el evaporador) para el ciclo típico es de 172 kJ/kg y la capacidad de enfriamiento para el ciclo mejorado de acuerdo con la segunda forma de realización de la presente invención es de 201 kJ/kg. Por consiguiente, la capacidad de refrigeración aumenta en 29 kJ/kg. El COP (coeficiente de rendimiento) teórico para el ciclo típico es 8,21, y el COP teórico para el ciclo mejorado de acuerdo con la segunda forma de realización de la presente invención es 9,60. Por consiguiente, el COP teórico se incrementa aproximadamente en un 17%. De esta manera, el COP se mejorará aún más usando el turbo economizador 26' de acuerdo con la segunda forma de realización de la presente invención.
Como se ilustra en las Figuras 10A y 10B, el expansor 68 del turbo economizador 26' de acuerdo con la segunda forma de realización de la presente invención puede usarse como generador de energía o como bomba. En el caso de que el expansor 68A se utilice como generador de energía (Figura 10A), la energía rotacional en el expansor 68A se utiliza para obtener energía eléctrica en el generador de energía. En el caso de que el expansor 68B se utilice como bomba (Figura 10B), el expansor 68B sirve como bomba para recircular el refrigerante a través de un evaporador de película descendente como se explica con más detalle a continuación.
La Figura 12A es una vista en perspectiva en despiece ordenado del expansor 68A utilizado como generador de energía ilustrado en la Figura 10A. La Figura 12B es una vista en despiece ordenado del expansor 68B utilizado como bomba ilustrada en la Figura 10B. Además, la Figura 13A es una vista en sección transversal esquemática del expansor 68A, y la Figura 13B es una vista en sección transversal esquemática del expansor 68B.
Haciendo referencia a las Figuras 12A y 13A, el expansor 68A incluye básicamente una turbina 80 de expansor y un generador 82 de energía. La turbina 80 de expansor está dispuesta dentro de una carcasa 81 de turbina de expansor. El generador 82 de energía está dispuesto dentro de una carcasa de generador de energía (no se muestra). El expansor 68A incluye además una carcasa (no mostrada) que conecta la carcasa 81 de la turbina de expansor y la carcasa del generador de energía. El generador de energía 82 incluye un eje 90, un estator 91 y un rotor 92. El eje 90 puede girar alrededor de un eje de rotación que se extiende a lo largo de una dirección longitudinal del eje 90. El eje 90 está unido a la turbina 80 de expansor en un extremo del mismo. El estator 91 es un miembro estacionario, que se fija a la carcasa del generador de energía, por ejemplo. El rotor 92 está dispuesto dentro del estator 91 y está acoplado de forma fija al eje 90. Un cojinete 93 y un cojinete 94 están dispuestos para soportar de forma giratoria el eje 90. Los cojinetes 93 y 94 son convencionales y, por lo tanto, no se analizarán y/o se ilustrarán en detalle en este documento. Será evidente para los expertos en la técnica que se puede utilizar cualquier cojinete adecuado sin apartarse de la presente invención.
En funcionamiento, la turbina 80 de expansor gira por el trabajo impartido por el refrigerante, y la energía rotacional se convierte en energía eléctrica. De esta manera, el expansor 68A se utiliza como generador de energía impulsado por la energía obtenida en el proceso de expansión del refrigerante. La energía eléctrica generada se puede utilizar como fuente de energía para impulsar la paleta de guía de entrada, el cojinete magnético o el mecanismo de expansión electrónico en el sistema 10 de enfriador. Además, se puede proporcionar una batería de almacenamiento para almacenar la energía eléctrica generada.
Haciendo referencia a las Figuras 12B y 13B, el expansor 68B incluye básicamente una turbina 80 de expansor y una bomba 84. La turbina 80 de expansor está dispuesta dentro de la carcasa 81 de la turbina de expansor. La bomba 84 incluye un impulsor 86 de bomba, y el impulsor 86 de bomba está dispuesto dentro de una carcasa 87 de impulsor de bomba. La carcasa 87 de impulsor de bomba tiene una entrada 87a y una salida 87b. El expansor 68B incluye además una carcasa (no mostrada) que conecta la carcasa 81 de la turbina de expansor y la carcasa 87 del impulsor de la bomba. La bomba 84 incluye además un eje 96. El eje 96 puede girar alrededor de un eje de rotación que se extiende a lo largo de una dirección longitudinal del eje 96. El eje 96 está unido a la turbina 80 de expansor en un extremo del mismo, y está unido al impulsor 86 de la bomba en el otro extremo del mismo. De esta manera, la turbina 80 de expansor y la bomba 84 están conectadas entre sí a través del eje 96. Un cojinete 97 y un cojinete 98 están dispuestos para soportar rotativamente el eje 96. Los cojinetes 97 y 98 son convencionales y, por lo tanto, no serán descritos y/o ilustrados en detalle aquí. Será evidente para los expertos en la técnica que se puede utilizar cualquier cojinete adecuado sin apartarse de la presente invención.
En funcionamiento, la turbina 80 de expansor gira por el trabajo impartido por el refrigerante, y la rotación de la turbina expansora 80 se transmite al impulsor 86 de la bomba a través del eje 96. El impulsor 86 de la bomba impulsa el flujo del refrigerante introducido desde la entrada 87a de la carcasa 87 del impulsor de expansión hacia la salida 87b de la carcasa del impulsor 87 de expansión. El refrigerante que sale de la salida 87b se introduce en el evaporador para que circule a través del mismo. A continuación, el refrigerante se introduce de nuevo en la entrada 87a para otra circulación. De esta forma, el expansor 68B se utiliza como una bomba impulsada por la energía obtenida en el proceso de expansión del refrigerante para recircular el refrigerante a través del evaporador. En particular, el expansor 68B se aplica preferentemente a un caso en el que el evaporador es un evaporador de película descendente. En un evaporador de película descendente, el refrigerante líquido se deposita sobre las superficies exteriores de los tubos de transferencia de calor desde arriba, de modo que se forma una capa o película delgada del refrigerante líquido a lo largo de las superficies exteriores de los tubos de transferencia de calor, lo que requiere una circulación del refrigerante.
El sistema 10 de enfriador puede incluir un controlador de enfriador. El controlador del enfriador es convencional y, por tanto, no se describirá ni ilustrará en detalle en este documento. El controlador del enfriador puede incluir al menos un microprocesador o CPU, una interfaz de entrada/salida (E/S), memoria de acceso aleatorio (RAM), memoria de solo lectura (ROM), un dispositivo de almacenamiento (ya sea temporal o permanente) que forma un medio legible por computadora programado para ejecutar uno o más programas de control para controlar el sistema 10 de enfriador. El controlador del enfriador puede incluir opcionalmente una interfaz de entrada como un teclado para recibir entradas de un usuario y un dispositivo de visualización utilizado para mostrar varios parámetros a un usuario.
En términos de protección del medio ambiente global, se considera el uso de nuevos refrigerantes de bajo GWP (potencial de calentamiento global) como R1233zd, R1234ze para los sistemas de enfriador. Un ejemplo de refrigerante de bajo potencial de calentamiento global es el refrigerante de baja presión en el que la presión de evaporación es igual o menor que la presión atmosférica. Por ejemplo, el refrigerante de baja presión R1233zd es un candidato para aplicaciones de enfriadores centrífugos porque no es inflamable, no es tóxico, es de bajo costo y tiene un COP alto en comparación con otros candidatos como el R1234ze, que son las principales alternativas actuales al refrigerante R134a. Tal refrigerante a baja presión puede usarse para el turbo economizador de acuerdo con la presente invención. Sin embargo, se pueden usar varios tipos de refrigerantes de baja presión para el economizador turbo de acuerdo con la presente invención, y no se limita al refrigerante de baja presión.
INTERPRETACIÓN GENERAL DE LOS TÉRMINOS
Para comprender el alcance de la presente invención, el término "que comprende" y sus derivados, tal como se usa en este documento, pretenden ser términos abiertos que especifican la presencia de las características, elementos, componentes, grupos, números enteros y/o etapas establecidas, pero no excluye la presencia de otras características, elementos, componentes, grupos, números enteros y/o etapas no declaradas. Lo anterior también se aplica a palabras que tienen significados similares, como los términos "que incluye", "que tiene" y sus derivados. Además, los términos "parte", "sección", "porción", "miembro" o "elemento" cuando se usan en singular pueden tener el significado dual de una sola parte o una pluralidad de partes.
El término "detectar", tal como se utiliza aquí para describir una operación o función realizada por un componente, una sección, un dispositivo o similar, incluye un componente, una sección, un dispositivo o similar que no requiere detección física, sino que incluye determinar, medir, modelar, predecir o calcular o similares para llevar a cabo la operación o función.
Los términos de grado tales como "sustancialmente", "alrededor de" y "aproximadamente", tal como se usan aquí, significan una cantidad razonable de desviación del término modificado de manera que el resultado final no cambia significativamente.
Si bien solo se han elegido formas de realización seleccionadas para ilustrar la presente invención, será evidente para los expertos en la técnica a partir de esta descripción que se pueden realizar varios cambios y modificaciones en este documento sin apartarse del alcance de la invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas. Por ejemplo, se pueden cambiar según sea necesario y/o deseado el tamaño, la forma, la ubicación o la orientación de los diversos componentes. Los componentes que se muestran directamente conectados o en contacto entre sí pueden tener estructuras intermedias dispuestas entre ellos. Las funciones de un elemento pueden ser realizadas por dos, y viceversa. Las estructuras y funciones de una forma de realización pueden adoptarse en otra forma de realización. No es necesario que todas las ventajas estén presentes en una forma de realización particular al mismo tiempo. Cada característica que es única por el estado de la técnica, sola o en combinación con otras características, también debe considerarse una descripción separada de invenciones adicionales por parte del solicitante, incluidos los conceptos estructurales y/o funcionales incorporados por dicha(s) característica(s). Por lo tanto, las descripciones anteriores de las formas de realización de acuerdo con la presente invención se proporcionan únicamente a modo de ilustración y no con el fin de limitar la invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un turbo economizador (26) adaptado para ser utilizado en un sistema (10) de enfriador que incluye un compresor (22), un evaporador (28) y un condensador (24) conectados para formar un circuito de refrigeración, comprendiendo el turbo economizador (26):
una boquilla (62) configurada y dispuesta para introducir refrigerante en el turbo economizador (26);
una turbina (64) dispuesta aguas abajo de la boquilla (62), estando la turbina (64) unida a un eje (70) giratorio alrededor de un eje de rotación, y un flujo de refrigerante introducido a través de la boquilla (62) que impulsa la turbina (64) para hacer girar el eje (70); y
un impulsor (66) de economizador unido al eje (70) para girar de acuerdo con la rotación del eje (70), estando además la boquilla (62) configurada y dispuesta para reducir la presión del refrigerante de manera que la presión del refrigerante que entra en el turbo economizador (26) sea inferior a una presión predeterminada, siendo introducido al menos parte del refrigerante que pasa a través de la boquilla (62) en el impulsor del economizador (66), y
estando configurado y dispuesto el impulsor (66) del economizador para aumentar la presión del refrigerante introducido en el mismo hasta la presión predeterminada,
comprendiendo el turbo economizador (26) además:
un expansor (68) dispuesto aguas abajo de la turbina (64),
estando configurado y dispuesto el expansor (68) para realizar un proceso de expansión sobre el refrigerante introducido en el mismo, y
el refrigerante que ha sufrido el proceso de expansión se introduce al evaporador (28) en el sistema (10) de enfriador, donde
el expansor (68) incluye al menos un impulsor de expansor.
2. El turbo economizador (26) según la reivindicación 1, donde
el turbo economizador (26) funciona con refrigerante sin el uso de un motor separado en el que la turbina (64) es impulsada por el flujo del refrigerante y el impulsor (66) del economizador es impulsado por la fuerza motriz de la turbina (64).
3. El turbo economizador (26) según la reivindicación 1 o 2, donde
la boquilla (62) está además configurada y dispuesta para aumentar la velocidad del flujo del refrigerante.
4. El turbo economizador (26) según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, donde
la turbina (64) está configurada y dispuesta para reducir la velocidad de flujo del refrigerante.
5. El turbo economizador (26) según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, donde
la turbina (64) está configurada y dispuesta además para separar el refrigerante en refrigerante gaseoso y refrigerante líquido.
6. El turbo economizador (26) según la reivindicación 5, donde
el gas refrigerante separado en la turbina (64) se introduce en el impulsor (66) del economizador, y el impulsor (66) del economizador se configura y dispone además para aumentar la presión del gas refrigerante.
7. El turbo economizador (26) según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, donde
el compresor (22) es un compresor (22) centrífugo de etapas múltiples que incluye al menos una primera etapa y una segunda etapa.
8. El turbo economizador (26) según la reivindicación 7, donde
el turbo economizador (26) está conectado a una etapa intermedia del compresor (22) ubicada entre la primera etapa y la segunda etapa del compresor (22), y
el refrigerante se inyecta desde el impulsor (66) del economizador a la etapa intermedia del compresor (22).
9. El turbo economizador (26) según la reivindicación 1, donde
el expansor (68) se utiliza como generador de energía impulsado por la energía obtenida en el proceso de expansión del refrigerante.
10. Un sistema (10) de enfriador que comprende:
un circuito de refrigeración que incluye un compresor (22), un evaporador (28) y un condensador (24) conectados entre sí; y
un turbo economizador (26) según la reivindicación 1.
11. El sistema (10) de enfriador según la reivindicación 10, donde
el compresor (22) es un compresor centrífugo de etapas múltiples que incluye al menos una primera etapa y una segunda etapa.
12. El sistema (10) de enfriador según la reivindicación 11, donde
el turbo economizador (26) está conectado a una etapa intermedia del compresor (22) ubicada entre la primera etapa y la segunda etapa del compresor (22), y
el refrigerante se inyecta desde el impulsor (66) del economizador a la etapa intermedia del compresor (22).
13. El sistema (10) de enfriador según cualquiera de las reivindicaciones 10-12, donde
el turbo economizador (26) está dispuesto entre el evaporador (28) y el condensador (24) en el sistema (10) de enfriador.
14. El sistema (10) de enfriador según cualquiera de las reivindicaciones 10-13, donde
el expansor (68) se utiliza como generador de energía impulsado por la energía obtenida en el proceso de expansión del refrigerante.
15. El sistema (10) de enfriador según la reivindicación 14, donde
el evaporador (28) es un evaporador de película descendente, y
el expansor (68) se utiliza como una bomba impulsada por la energía obtenida en el proceso de expansión del refrigerante para hacer circular el refrigerante a través del evaporador (28) de película descendente.
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