ES2255573T3 - Acoplamiento de transferencia termica por cambio de fase para sistemas por absorcion de agua-amonio. - Google Patents
Acoplamiento de transferencia termica por cambio de fase para sistemas por absorcion de agua-amonio.Info
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Abstract
Procedimiento para el funcionamiento de un sistema de refrigeración o un sistema de calefacción y/o refrigeración por absorción de agua-amonio para suministrar refrigeración o calefacción a un espacio interior, comprendiendo dicho sistema: un conjunto intercambiador de calor (35, 35'', 75) que tiene un primer intercambiador de calor (24, 24'', 39) exterior al espacio interior a calentar y/o refrigerar, un segundo intercambiador de calor (26) en exposición de transferencia de calor con el interior de dicho espacio interior, conducciones en comunicación de flujo con dichos primer y segundo intercambiador de calor, y que tiene un refrigerante de cambio de fase distinto de amonio en el interior del mismo, y una bomba (19) para bombear el líquido refrigerante de cambio de fase entre dichos primer y segundo intercambiador de calor, estando caracterizado el procedimiento por el bombeo de refrigerante líquido de cambio de fase desde el intercambiador de calor en el que se produce la condensación delrefrigerante hasta el intercambiador de calor en el que se produce la vaporización del refrigerante, en una cantidad superior a la necesaria para la transferencia de la carga de calor en dicho intercambiador de calor para vaporizar dicho refrigerante de cambio de fase únicamente.
Description
Acoplamiento de transferencia térmica por cambio
de fase para sistemas por absorción de
agua-amonio.
Los sistemas por absorción de calefacción y de
refrigeración, particularmente sistemas de aire acondicionado y
bombas de calor en las que el refrigerante es amonio y el absorbente
es agua, son bien conocidos como alternativas eficientes y
rentables a los sistemas convencionales de aire acondicionado por
compresión de vapor y bomba de calor, así como estufas
convencionales. Los ahorros de costes de los sistemas de
agua-amonio accionados por combustión de gas
natural son significativos en comparación con los sistemas
convencionales, accionados por electricidad, que es más cara. El
aparato de ciclo de elevada eficiencia de intercambio de calor
entre generador y absorbedor (GAX), tal como el que se da a conocer
en Modahl, et al. "Evaluation of a Commercial Advanced
Absorption Heat Pump Breadboard", 1988, y en las patentes US Nos.
Re. 36.684 y 5.367.884, son ejemplos de perfeccionamientos
adicionales de sistemas por absorción de
agua-amonio. Sin embargo, estos sistemas con
refrigerante amonio requieren la utilización de un acoplamiento
hidrónico de transferencia de calor o de otro conjunto
intercambiador de calor para el suministro de calefacción o de
refrigeración al espacio habitable debido a que está excluida la
utilización del amonio en los ambientes interiores en evaporadores
de expansión directa o en condensadores interiores. ASHRAE clasifica
el amonio como refrigerante del grupo B2 de seguridad, mientras que
UL lo clasifica como gas de Grupo II. Además, las normativas y
reglamentos locales y nacionales prohíben la utilización de amonio
en equipos expuestos a ambientes interiores o a otros recintos
cerrados previstos para ser ocupados, excepto en cantidades
reducidas.
Además de los sistemas por absorción de
agua-amonio, otros sistemas de calefacción o de
refrigeración que utilicen un fluido de trabajo cuya utilización se
encuentre restringida o prohibida en el espacio acondicionado deben
tener un conjunto aislado de transferencia de calor para la
transferencia de calefacción y de refrigeración a la carga. Los
conjuntos intercambiadores de calor para los sistemas de
acoplamiento de agua-amonio y otros sistemas de
refrigeración o de calefacción incluyen ciclos de calor sensible con
bomba y ciclos con cambio de fase. Los ciclos de calor sensible con
bomba utilizan fluidos de transferencia de calor, tales como agua,
soluciones de agua y glicol, soluciones salinas concentradas o
aceites. Los ciclos hidrónicos (basados en agua) típicamente se
utilizan en sistemas unitarios por absorción de
agua-amonio. Tanto los sistemas con cambio de fase
como los sistemas con bomba tienen desventajas. Los acoplamientos
hidrónicos de transferencia de calor utilizados frecuentemente para
transferir calefacción y refrigeración desde un sistema de
agua-amonio a un espacio acondicionado utilizan un
ciclo bombeado que contiene una solución de agua y un fluido de
transferencia de calor, tal como etilenglicol o propilenglicol.
Existen varias desventajas en la utilización de estos ciclos de
acoplamiento de transferencia de calor basados en agua. La potencia
eléctrica necesaria para bombear fluido de transferencia de calor
basado en agua incrementa significativamente los costes de
funcionamiento. La actualización de equipos de acondicionamiento de
agua-amonio para espacios en edificios existentes
resulta difícil y cara, al requerir la sustitución de serpentines y
conjuntos de tuberías interiores, típicamente diseñados para
refrigerantes con cambio de fase y, de este modo, no dimensionados
o diseñados adecuadamente para el intercambio líquido de calor. El
descenso de temperatura de un líquido basado en agua a medida que
intercambia calor entre el espacio acondicionado y el sistema
exterior fuerza a que el ciclo termodinámico funcione en un
intervalo más amplio de temperaturas, reduciendo de este modo la
eficiencia del sistema. Además, los intercambiadores de calor
diseñados para la transferencia de calor mediante líquidos
típicamente son de mayores dimensiones que aquellos que utilizan
fluidos con cambio de fase.
Entre los conjuntos de cambio de fase de la
técnica anterior se incluyen los termosifones y las tuberías de
calor, en ninguno de las cuales circula más refrigerante que el
necesario para transportar la carga de calor por cambio de fase
únicamente. La sobrealimentación (o sobrebombeo) es el procedimiento
de hacer circular refrigerante en un sistema de cambio de fase en
una cantidad superior a la necesaria para la carga térmica. La
sobrealimentación se utiliza frecuentemente en el ciclo del
evaporador de los sistemas industriales y en algunos sistemas
comerciales de refrigeración con retorno del fluido refrigerante a
un tanque de separación a la entrada del compresor, pero no se
utiliza en conjuntos aislados de transferencia de calor que no
comunican directamente con un compresor. El sobrebombeo tiene
ventajas significativas en la reducción de la superficie de
transferencia de calor necesaria, reduciendo la potencia de bombeo y
relajando o eliminando las restricciones sobre las elevaciones
relativas de los componentes. Las tuberías de calor y los
termosifones dependen de la gravedad para la circulación, y la
orientación y localización de los componentes es importante.
La presente invención se refiere a un
acoplamiento mejorado de transferencia de calor diseñado para
reducir significativamente las desventajas de los acoplamientos
hidrónicos utilizados en la actualidad para los sistemas por
absorción de agua-amonio, así como para reducir las
desventajas del acoplamiento con cambio de fase de la técnica
anterior.
Según un aspecto de la invención se proporciona
un procedimiento para hacer funcionar un sistema de refrigeración
por absorción de agua-amonio, o un sistema de
calefacción y/o de enfriamiento para suministrar refrigeración o
calefacción a un espacio interior, comprendiendo dicho sistema:
un conjunto intercambiador de calor que tiene un
primer intercambiador de calor exterior al espacio interior a
calentar y/o refrigerar, un segundo intercambiador de calor en
exposición de transferencia de calor con el interior de dicho
espacio interior, unas conducciones en comunicación de flujo con
dichos primer y segundo intercambiador de calor y que tiene un
refrigerante de cambio de fase distinto de amonio en el interior
del mismo, y una bomba para bombear el refrigerante líquido de
cambio de fase entre dichos primer y segundo intercambiador de
calor,
estando caracterizado el procedimiento por el
bombeo de refrigerante líquido de cambio de fase desde el
intercambiador de calor en el que se produce la condensación de
refrigerante hasta el intercambiador de calor en el que se produce
la vaporización de refrigerante en una cantidad superior a la
necesaria para la transferencia de la carga de calor en dicho
intercambiador de calor para vaporizar dicho refrigerante de cambio
de fase únicamente.
Según un aspecto adicional de la invención se
proporciona un aparato para llevar a cabo el procedimiento
anteriormente descrito que comprende un conjunto absorbedor y un
conjunto generador y conducciones para dirigir el fluido de
absorción entre ellos, un conjunto intercambiador de calor que
comprende un primer intercambiador de calor, un segundo
intercambiador de calor, conducciones para dirigir un refrigerante
de cambio de fase distinto de amonio entre dichos primer y segundo
intercambiador de calor y una bomba capaz de bombear refrigerante
líquido de cambio de fase a un intercambiador de calor en el que se
produce la vaporización en una cantidad superior a la necesaria
para la transferencia de la carga de calor en el mismo para
vaporizar dicho refrigerante de cambio de fase únicamente.
El procedimiento y aparato de la presente
invención utiliza un refrigerante de cambio de fase que no está
prohibido ni su utilización sustancialmente restringida para
intercambiar calor entre el sistema de agua-amonio
y el espacio interior u ocupado a acondicionar. La invención incluye
el sobrebombeo específico del refrigerante líquido de cambio de
fase a los intercambiadores de calor del acoplamiento de
transferencia de calor en una cantidad superior a la necesaria para
la transferencia de la carga de intercambio de calor mediante
únicamente el cambio de fase. Un ciclo de cambio de fase con
sobrebombeo es un híbrido entre un ciclo bombeado de calor sensible
y un ciclo de cambio de fase puro, y conserva las ventajas de ambos
evitando simultáneamente la mayoría de sus desventajas. En la
descripción detallada siguiente se describen componentes del aparato
y formas de realización del procedimiento específico.
La Fig. 1 es una ilustración esquemática de un
refrigerador por absorción de agua-amonio que
muestra el acoplamiento de transferencia de calor por cambio de fase
con un espacio acondicionado según la invención;
la Fig. 2 ilustra esquemáticamente un dispositivo
únicamente calefactor de agua-amonio que utiliza un
acoplamiento de cambio de fase con el espacio calefaccionado;
la Fig. 3 ilustra esquemáticamente un dispositivo
únicamente calefactor GAX (intercambio de calor entre generador y
absorbedor) de agua-amonio incorporando el
acoplamiento de cambio de fase;
la Fig. 4 es una ilustración esquemática de una
bomba de calor de un sistema por absorción de
agua-amonio que funciona en modo de refrigeración
que muestra el acoplamiento de transferencia de calor por cambio de
fase con un espacio acondicionado según la invención;
la Fig. 5 ilustra esquemáticamente un
refrigerador GAX de agua-amonio que tiene el
acoplamiento de transferencia de calor por cambio de fase de la
invención;
la Fig. 6 es una ilustración esquemática de un
refrigerador/calefactor GAX de agua-amonio que
incluye el acoplamiento de cambio de fase con una derivación de
condensación del refrigerante;
la Fig.7 ilustra otro aparato
refrigerador/calefactor GAX que incluye el acoplamiento de cambio
de fase y que utiliza el retorno por gravedad del refrigerante hasta
el generador; y
la Fig. 8 es un gráfico que ilustra la ventaja de
sobrebombear refrigerante liquido de cambio de fase en un
acoplamiento de transferencia de calor según la invención.
La Fig. 1 es una ilustración esquemática de un
refrigerador por absorción de agua-amonio que
incorpora el acoplamiento de transferencia de calor por cambio de
fase a un espacio acondicionado según la invención. Los componentes
del refrigerador por absorción de agua-amonio
incluyen un conjunto absorbedor 10 y un conjunto generador 11. El
conjunto absorbedor comprende una sección de intercambio de calor 13
del absorbedor y un absorbedor refrigerado por aire 12. El conjunto
generador incluye un generador-intercambiador de
calor 18 y una sección rectificadora 16 con un serpentín de reflujo
17. Un serpentín condensador refrigerado por aire 28 condensa el
vapor de amonio recibido desde el generador y el condensado es
dirigido a través del subrefrigerador 23 al intercambiador de calor
24, donde se evapora. La bomba 21 bombea solución de
agua-amonio desde el absorbedor al generador. En el
acoplamiento de transferencia de calor por cambio de fase 35, la
bomba refrigeradora 19 bombea el refrigerante líquido de cambio de
fase hasta el serpentín interior 28. El refrigerante líquido de
cambio de fase procedente del intercambiador de calor 24 se evapora
en el serpentín interior 26 a medida que absorbe calor de la carga
y refrigera un espacio al que está expuesto térmicamente. El
refrigerante en fase vapor procedente del serpentín interior 26 es
dirigido al intercambiador de calor 24, donde el refrigerante
distinto de amonio se condensa por contacto térmico con el amonio en
vaporización que se alimenta al intercambiador de calor 24 como un
líquido desde el condensador 28 y subrefrigerador 23.
La Fig. 2 ilustra esquemáticamente un dispositivo
por absorción únicamente calefactor de agua-amonio
que incorpora el acoplamiento de cambio de fase de la invención para
proporcionar calor a un espacio a calentar. Los componentes del
conjunto generador mostrados son similares a o sustancialmente los
mismos que los descritos en Fig. 1. El conjunto absorbedor
comprende un absorbedor intercambiador de calor 13 y un
intercambiador de calor 24 que evacúan calor de absorción hacia el
fluido líquido de cambio de fase. El conjunto absorbedor también
incluye un evaporador de amonio refrigerado por aire 27. La bomba de
solución 21 bombea fluido de absorción de
agua-amonio como indican las flechas. El
acoplamiento de transferencia de calor por cambio de fase 35'
incluye un intercambiador de calor con refrigerante de cambio de
fase 24'. El intercambiador de calor 24 vaporiza el refrigerante
líquido de cambio de fase por transferencia de calor con la solución
absorbedora de agua-amonio desde absorbedor
intercambiador de calor 13. El refrigerante de cambio de fase se
dirige seguidamente desde el intercambiador de calor 24 hasta el
intercambiador de calor 24' para su calentamiento y vaporización
adicionales por contacto térmico con el vapor de amonio en
condensación de la sección rectificadora 16 del conjunto generador.
La condensación del refrigerante de cambio de fase en el serpentín
interior 26 calienta el espacio a calentar. En muchas situaciones,
el orden de los intercambiadores de calor 24 y 24' puede invertirse,
de modo que el fluido de cambio de fase pasa a través de 24' en
primer lugar y después pasa por 24. Los intercambiadores de calor
24 y 24' también pueden disponerse en paralelo, de modo que una
parte del fluido de cambio de fase pase a través de 24, mientras
que la parte restante pasa a través de 24'.
La Fig. 3 muestra un dispositivo sólo calefactor
GAX (intercambio de calor entre generador y absorbedor) con
acoplamiento de transferencia de calor por cambio de fase en un
espacio calefaccionado. El sistema por absorción de
agua-amonio ilustrado comprende un absorbedor que
tiene un absorbedor intercambiador de calor 13, un intercambiador
de calor GAX 53 y un intercambiador de calor 24. El conjunto
generador 11 es sustancialmente tal como se ha descrito
anteriormente e incluye una sección adiabática 15 entre la sección
rectificadora 16 y el generador intercambiador de calor 18 y la
sección de depósito de agua caliente. El funcionamiento de los
componentes del GAX, incluyendo la división de caudal del fluido de
absorción rico en amonio (licor) a partir del absorbedor
intercambiador de calor, con una parte dirigida al absorbedor GAX y
desde éste hasta una sección más caliente de la columna del
generador, y otra parte dirigida a una sección más fría de la
columna del generador, son bien conocidos en la técnica y se
describen, por ejemplo, en la publicación de Modahl, et al.
y en la patente US No. 5.367.884 anteriormente indicados. La
división del flujo de fluido de absorción rico en amonio antes del
absorbedor intercambiador de calor también es frecuente, con una
parte dirigida directamente al generador, mientras que la otra
parte pasa a través del absorbedor intercambiador de calor
dirigiéndose seguidamente al absorbedor GAX, y desde éste a una
parte más caliente de la columna del generador. Los componentes y
funcionamiento del conjunto de acoplamiento de transferencia de
calor por cambio de fase 35' son como los descritos anteriormente
con referencia a la Fig. 2.
El esquema de la Fig. 3 muestra unos medios para
conseguir el intercambio de calor entre generador y absorbedor
(GAX) mediante la utilización de una solución rica en amonio como
fluido de transferencia de calor. El calor para el absorbedor se
transfiere a la solución rica en el
absorbedor-intercambiador de calor 13 y en el
intercambiador de calor GAX 3. En el intercambiador de calor GAX, se
incrementa la temperatura de la solución rica más allá de su
temperatura de punto de burbuja y se produce una vaporización y una
desorción parciales. Este tipo de GAX habitualmente se denomina GAX
de licor rico o de licor fuerte. En la técnica se conocen otros
procedimientos para conseguir el intercambio de calor entre
generador y absorbedor. Entre estos procedimientos se incluye la
utilización de solución débil de amonio del generador como el fluido
de transferencia de calor entre generador y absorbedor,
habitualmente denominado GAX de licor débil. También pueden
utilizarse fluidos (tales como agua) en ciclos separados de
transferencia de calor para transferir calor entre el absorbedor y
el generador. Aunque los componentes de transferencia de calor del
GAX ilustrados y descritos en las Figs. 3, 4, 5 y 6 muestran GAX de
licor fuerte, la presente invención de utilización de acoplamiento
de calor de cambio de fase con el espacio acondicionado en
combinación con el sobrebombeo, son aplicables a todos los
procedimientos de transferencia de calor GAX y de este modo resultan
igualmente válidos con el GAX de licor débil o de fluido
secundario.
El acoplamiento de transferencia de calor por
cambio de fase también puede utilizarse con una bomba de calor de
agua-amonio. Este tipo de aparato suministra
selectivamente calefacción y refrigeración a un espacio a
acondicionar. Además de un conjunto absorbedor y un conjunto
generador del sistema por absorción de agua-amonio,
que puede ser GAX o no GAX, tal como se discutirá después, y el
acoplamiento de transferencia de calor por cambio de fase, el
conjunto de bomba de calor incorporará un aparato para invertir
selectivamente el ciclo de absorción, tal como una o más válvulas,
y/o bombas unidireccionales o reversibles y conducciones adecuadas
para proporcionar una selección efectiva de ciclo. Para la fase de
refrigeración, el sistema por absorción de
agua-amonio proporcionará amonio condensado para
vaporizar en el intercambiador de calor del acoplamiento de
transferencia de calor por cambio de fase; para una fase de
calefacción, el vapor de amonio se direcciona desde el sistema por
absorción para ser condensado en el acoplamiento de transferencia de
calor, y también se capta el calor por absorción en el ciclo de
acoplamiento de transferencia de calor por cambio de fase.
La Fig. 4 es una ilustración esquemática de una
bomba de calor de absorción de agua-amonio que
utiliza un acoplamiento de transferencia de calor por cambio de fase
al interior o espacio a acondicionar. La bomba de calor del sistema
por absorción de agua-amonio ilustrada se da a
conocer en la patente US No. Re. 36.684. Aunque el acoplamiento de
transferencia de calor por cambio de fase puede utilizarse con
cualquier forma de bomba de calor, tal como aquéllas invertidas
hidrónicamente, como se describe en la patente US No. 5.579.652,
resulta especialmente útil en sistemas en los que el calor se
expulsa en un solo punto, como se describe en la patente US No. Re.
36.684. El sistema ilustrado en la Fig. 4 incluye un absorbedor 10 y
un generador 14 que tiene un rectificador 16. Puede utilizarse un
distribuidor en lugar del serpentín de reflujo mostrado. Una bomba
30 bombea amonio líquido desde el depósito 22, aunque en lugar de
una bomba puede utilizarse la gravedad para el refrigerante de
amonio líquido, como se describe en la patente US No. 36.684. El
refrigerante de amonio condensado del depósito 22 se bombea a un
distribuidor de flujo 29, donde es direccionado al absorbedor
intercambiador de calor inferior 37 y al rectificador 16, estando
regulado este último flujo por la válvula 45. El amonio (en su
mayor parte vapor) del rectificador y del absorbedor intercambiador
de calor seguidamente se conduce por una tubería a la válvula de
inversión 25. En la forma de realización ilustrada en el modo de
refrigeración de funcionamiento, la válvula de inversión 25
direcciona amonio al serpentín exterior 28, donde se condensa y se
conduce al depósito 22 a través de la válvula de control de flujo 33
o de una válvula unidireccional de expansión termostática (TXV) u
otro limitador de flujo. El amonio líquido se conduce desde el
depósito 22 a través de la válvula de control de flujo 31 al
conjunto intercambiador de calor con refrigerante de cambio de fase
35, tal como se describe después. Las válvulas de control de flujo
31 y 33 están totalmente abiertas, sin apenas restricción de flujo
en la dirección de las flechas, y actúan como dispositivos de
expansión en la dirección opuesta. La configuración específica de
la bomba de calor de absorción puede seleccionarse de entre
cualquiera de los sistemas ilustrados en la patente US No. Re.
36.684, incluyendo el intercambiador de calor entre generador y
absorbedor (GAX), e incluyendo los refrigeradores GAX y los de
simple efecto convencionales disponibles comercialmente.
El conjunto de acoplamiento de transferencia de
calor por cambio de fase 35 incluye un intercambiador de calor 24
en el que el calor se transfiere entre amonio y un refrigerante
distinto de amonio de cambio de fase. Con la bomba de calor
funcionando en modo de refrigeración, el amonio es dirigido a través
de la válvula de inversión 25 a través de un serpentín externo 28
que actúa como un condensador, hasta el depósito 22 a través del
dispositivo de expansión 31 hasta el intercambiador de calor 24. El
conjunto de acoplamiento de transferencia de calor 35 incluye un
serpentín interior 26 en exposición de transferencia de calor con el
interior de un espacio interior u otro área a acondicionar, una
válvula de cuatro vías 38, conducciones 20 y una bomba
unidireccional 19 para direccionar selectivamente el refrigerante de
cambio de fase hasta y desde el serpentín interior. En el modo de
refrigeración, la válvula de cuatro vías 38 y la bomba 19
direccionan el refrigerante líquido de cambio de fase desde el
intercambiador de calor 24 hasta el serpentín interior 26, donde se
evapora el refrigerante líquido, dirigiendo la fase vapor de vuelta
al intercambiador de calor 24. En el modo de calefacción, se
invierte la dirección de flujo del refrigerante de cambio de fase en
el conjunto de acoplamiento de transferencia de calor 35. Si se
desea, la válvula de 4 vías 38 y la bomba unidireccional pueden
sustituirse por una bomba reversible, o la válvula de 4 vías puede
sustituirse con cualquier combinación adecuada de válvulas de 2 vías
y/o de 3 vías.
La Fig. 5 ilustra esquemáticamente un aparato
refrigerador GAX (intercambio de calor entre generador y
absorbedor) de agua-amonio que también incorpora el
conjunto de acoplamiento de transferencia de calor 75 de la
invención. Los componentes principales del sistema refrigerador GAX
incluyen un conjunto absorbedor 10 que comprende un absorbedor 12 y
una sección de intercambio de calor 50 del absorbedor que incluye un
absorbedor intercambiador de calor 51 y un intercambiador de calor
GAX 53. Un conjunto generador 11 incluye un
generador-intercambiador de calor 18, un depósito
de agua caliente 46, una sección adiabática 15 y una sección
rectificadora 16. El condensador 28 condensa amonio vaporizado y lo
direcciona a un subrefrigerador 45 para la prerefrigeración del
amonio. Los intercambiadores de calor del absorbedor y del
condensador pueden estar refrigerados por aire o por agua, mientras
que el rectificador 16 puede estar refrigerado por una solución o
por agua. En la técnica es bien conocido el refrigerador GAX
convencional, por ejemplo en las patentes US Nos. 5.490.393 y
5.367.884, y también se ha descrito en la publicación de Modahl
et al. anteriormente indicada. El funcionamiento del
refrigerador GAX convencional mostrado se describe específicamente
en la solicitud de patente US No. de serie 09/479.277 presentada el
5 de enero de 2000 (ROCKYR.99A). Este conjunto de acoplamiento de
transferencia de calor 75 funciona sustancialmente tal como se ha
descrito en los dibujos anteriormente indicados. El intercambiador
de calor 39 actúa como un condensador para el refrigerante de cambio
de fase, que se condensa y el líquido es bombeado hasta un
serpentín interior 26 por la bomba de refrigerante 19. El serpentín
interior 26 actúa como un evaporador, refrigerando la carga (espacio
acondicionado) a la que se encuentra expuesto.
En la Fig. 6 se ilustra un sistema de
refrigerador/calefactor GAX. El aparato incluye un funcionamiento
de derivación por el que el vapor de amonio del generador 11 puede
derivar el condensador 28, direccionando el amonio vaporizado a
través de la conducción 72 al intercambiador de calor 39. El
funcionamiento de la válvula 55 cierra selectivamente el flujo de
amonio hacia el condensador 28, y la válvula accionada por solenoide
74 abre y cierra selectivamente la tubería 72. Para proporcionar
una función de calefacción, el vapor de amonio del generador pasa
al intercambiador de calor 39, que actúa como un condensador,
calentando el refrigerante en fase vapor en el conjunto de
acoplamiento de transferencia de calor 75. El refrigerante de cambio
de fase en el acoplamiento de transferencia de calor se calienta y
vaporiza en el intercambiador de calor 39, pasando el vapor de
refrigerante al serpentín interior 26, que actúa como un
condensador, proporcionando calefacción al espacio al que se
encuentra expuesto. Se utiliza una bomba reversible 33 para bombear
la fase líquida del refrigerante en el conjunto de acoplamiento de
transferencia de calor. Opcionalmente, puede utilizarse una o más
válvulas de inversión y una bomba unidireccional como se muestra en
la Fig. 4. Para suministrar refrigeración al serpentín interior 26,
que actúa como un evaporador, las válvulas 55 y 74 se accionan
selectivamente para permitir que el vapor de amonio pase a través
del condensador 28, cerrando la tubería de desvío 72 de modo que el
aparato funciona como un refrigerador, como el ilustrado y descrito
en la Fig. 5. El sobrebombeo del refrigerante de cambio de fase se
lleva a cabo como se describe en la presente memoria. El
funcionamiento de los componentes del conjunto de
refrigerador/calefactor GAX se describen completamente en la
solicitud 09/479.277 anteriormente indicada.
La Fig. 7 ilustra otra forma de realización de un
sistema integrado de refrigerador calefactor en el que se utiliza
la gravedad para devolver el refrigerante amonio desde el
intercambiador de calor 39 hasta el generador 11 a través de la
conducción 82 y de la válvula accionada por solenoide 84, evitando
de este modo la necesidad de una bomba y la utilización de energía
para hacer funcionar una bomba para el amonio. En el modo de
funcionamiento de calefactor, el condensador y el absorbedor no
funcionan, ni se bombea el líquido de absorción por el sistema. Por
el contrario, el amonio simplemente se calienta y se vaporiza en el
generador 11 y se pasa directamente al intercambiador de calor 39 a
través de una conducción de derivación 72, donde se condensa para
suministrar calor al refrigerante en el conjunto de acoplamiento de
transferencia de calor 75. Nuevamente, el funcionamiento del
sistema por absorción de agua-amonio se describe
completamente en la solicitud anteriormente indicada, No. de serie
09/479.277 presentada el 5 de enero de 2000 (ROCKYR.099A).
De acuerdo con la invención, en el modo de
refrigeración o de calefacción, se bombea fluido de transferencia
de calor por cambio de fase al serpentín interior en cantidad
superior a la necesaria para la transferencia de carga de calor en
el serpentín interior por vaporización del refrigerante únicamente.
Este procedimiento, denominado sobrebombeo, reduce la cantidad de
superficie de transferencia de calor necesaria para vaporizar el
refrigerante de cambio de fase en una temperatura fija y/o reduce la
potencia de bombeo, dependiendo de cómo se optimice el
procedimiento. A medida que se seca la superficie de transferencia
de calor en un serpentín interior, se reducen los coeficientes de
transferencia de calor, requiriendo incrementos en la superficie de
transferencia de calor. El sobrebombeo de líquido elimina las áreas
de secado en la superficie de transferencia de calor del serpentín
interior. Sin embargo, el sobrebombeo excesivo debe evitarse para
prevenir una reducción en los coeficientes de transferencia de
calor. Según la invención, la cantidad de sobrebombeo de líquido
está comprendida entre aproximadamente el 1% y aproximadamente el
100%, y preferentemente está comprendida entre aproximadamente el 2%
y el 25%, del liquido en exceso.
De modo similar, en el modo de calefacción, el
sobrebombeo resulta útil para minimizar los requisitos de potencia
de bombeo. En el modo de calefacción, el refrigerante de cambio de
fase se condensa en el serpentín interior y se vaporiza en el
intercambiador de calor. De este modo, en la Fig. 6, en el modo de
calefacción, la bomba 32 bombeará más líquido refrigerante desde el
serpentín interior 26 al intercambiador de calor 39 del que se
vaporizará en el intercambiador de calor 39.
Con referencia a la Fig. 8, se proporciona un
gráfico que ilustra el efecto del sobrebombeo de refrigerante
líquido al serpentín interior durante el funcionamiento en modo de
refrigeración. La Fig. 8 muestra la potencia de bombeo requerida
como una función del nivel de sobrebombeo. Estos datos, basados en
el análisis y específicos para el refrigerante R22 y para tamaños
particulares de serpentín y conducciones, muestran la potencia de
bombeo mínima requerida en el intervalo comprendido entre el 2% y el
10% de sobrebombeo. El intervalo específico de sobrebombeo de
refrigerante líquido depende de los requisitos a alcanzar por el
serpentín interior de transferencia de calor de la carga, de la
selección de fluido de cambio de fase, del diseño de serpentín y de
las temperaturas de proceso. Por ejemplo, si el refrigerante de
cambio de fase seleccionado tiene una energía de cambio de fase de
100 Btu/lb, una carga de diseño de 36.000 Btu/h, resultará necesaria
una tasa de circulación mínima de 360 lb/h. Sin embargo, más
típicamente se utiliza una tasa de circulación comprendida entre
365 y 750 lb/h.
Los refrigerantes de cambio de fase específicos
utilizados en el acoplamiento de transferencia de calor incluyen
los HFCs y HCFCs, tales como R22, R134a, R404a, R410a, R502, R123 y
R507. La mayoría de refrigerantes de utilización frecuente en los
sistemas de aire acondicionado (HVAC) servirán para los
acoplamientos de cambio de fase, y resulta deseable utilizar estos
refrigerantes debido a que se encuentran fácilmente disponibles en
el mercado, son seguros y son compatibles con los materiales
habituales de las conducciones, y resultan familiares a los
constructores, ingenieros y técnicos de aire acondicionado. Los
refrigerantes preferentes son las composiciones refrigerantes del
Grupo de seguridad ASHREA A1 ó A2 y el Grupo UL 4, 5 y 6. La
utilización de estos refrigerantes de HVAC aceptados también
asegura que las presiones a las temperaturas de refrigeración y de
calentamiento no serán excesivamente altas o bajas. La utilización
del acoplamiento de transferencia de calor por cambio de fase según
la presente invención resulta ventajoso sobre los sistemas
hidrónicos que incorporan soluciones de agua y etilenglicol o
propilenglicol u otros líquidos anticongelantes. Tal como se ha
discutido anteriormente, los requisitos de potencia eléctrica para
el bombeo de un refrigerante de cambio de fase al serpentín
interior son sustancialmente más bajos. Debido a que las casas con
un sistema centralizado de aire acondicionado o de bombas de calor
típicamente están equipadas con un serpentín interior dimensionado
para la vaporización de los refrigerantes, y las conexiones de
tubería entre una unidad externa y el serpentín interior también
están dimensionadas y diseñadas para el transporte de los
refrigerantes de cambio de fase, los costes de actualización son
sustancialmente más bajos. Con frecuencia, las conducciones
existentes en las casas pueden utilizarse para el acoplamiento de
transferencia de calor por cambio de fases con los sistemas de aire
acondicionado o de bombas de calor de agua-amonio
utilizados en los sistemas de la presente invención. Además,
adicionalmente a la utilización de las conducciones existentes,
también puede utilizarse el serpentín interior existente, aunque
pueden resultar necesarias algunas modificaciones, tales como la
extracción del dispositivo de expansión (limitador de presión de
refrigerante) y modificaciones en el distribuidor. Sin embargo,
incluso si no puede utilizarse el serpentín interior existente, la
actualización puede llevarse a cabo de manera económica y cómoda
simplemente sustituyendo el serpentín interior y utilizando las
conducciones existentes entre la unidad externa y el nuevo serpentín
interior.
Pueden utilizarse diferentes diseños y
estructuras de intercambiador de calor en el acoplamiento de
transferencia de calor del conjunto. Por ejemplo, el intercambiador
de calor seleccionado puede ser de diseño de varios tubos dentro de
un tubo, que comprende una pluralidad de tubos internos alineados
sustancialmente en paralelo con el eje de un tubo externo más
grande. Este diseño resulta relativamente económico y tiene la
ventaja de una baja caída de presión dentro del intercambiador de
calor. Con referencia a la Fig. 1, la fase vapor del refrigerante
de cambio de fase distinto de amonio utilizado en el acoplamiento de
transferencia de calor 35 será dirigido en contracorriente respecto
al flujo de refrigerante condensado de amonio procedente del
depósito 22, que se vaporiza a medida que pasa a través del
intercambiador de calor. Otro diseño útil de intercambiador de
calor es una versión de de un tubo dentro de un tubo, que utiliza un
solo tubo interno que se extiende coaxialmente con un tubo externo.
La desventaja de los intercambiadores de calor de tipo un tubo
dentro de un tubo es que puede resultar necesario un tramo
sustancialmente largo de tubo para intercambiar calor adecuadamente
entre los fluidos. Típicamente la longitud es mucho mayor que el
diámetro del tubo externo. La razón de longitud a diámetro
habitualmente es como mínimo 200. Todavía otro tipo de
intercambiador de calor es un tubo serpentín en una estructura de
carcasa de intercambiador de calor. En este diseño, un fluido se
desplaza a lo largo del tubo arrollado interior que se extiende a lo
largo del interior anular de una carcasa a través de la cual pasa
el otro fluido. Otro intercambiador de calor utiliza un diseño
helicoidal de tubo en el que un tubo interno se arrolla
helicoidalmente y se extiende coaxialmente dentro de un tubo
externo. También puede utilizarse un diseño de intercambiador de
calor de tipo placa que incorpora una pluralidad de placas
alineadas generalmente paralelas entre sí y entre placas de
cubierta. Este intercambiador de calor es compacto y de este modo
resulta útil cuando el espacio es limitado. Una desventaja es el
estrés térmico a través de los componentes del intercambiador de
calor cuando se requiere un intervalo amplio de temperaturas de
funcionamiento. También pueden utilizarse otros diseños de
intercambiador de calor dentro del alcance de la invención según se
da a conocer en las reivindicaciones. La selección del diseño de
intercambiador de calor a utilizar resultará evidente para los
expertos en la materia considerando las ventajas y desventajas
respectivas.
Claims (27)
1. Procedimiento para el funcionamiento de un
sistema de refrigeración o un sistema de calefacción y/o
refrigeración por absorción de agua-amonio para
suministrar refrigeración o calefacción a un espacio interior,
comprendiendo dicho sistema:
un conjunto intercambiador de calor (35, 35', 75)
que tiene un primer intercambiador de calor (24, 24', 39) exterior
al espacio interior a calentar y/o refrigerar, un segundo
intercambiador de calor (26) en exposición de transferencia de
calor con el interior de dicho espacio interior, conducciones en
comunicación de flujo con dichos primer y segundo intercambiador de
calor, y que tiene un refrigerante de cambio de fase distinto de
amonio en el interior del mismo, y una bomba (19) para bombear el
líquido refrigerante de cambio de fase entre dichos primer y
segundo intercambiador de calor,
estando caracterizado el procedimiento por
el bombeo de refrigerante líquido de cambio de fase desde el
intercambiador de calor en el que se produce la condensación del
refrigerante hasta el intercambiador de calor en el que se produce
la vaporización del refrigerante, en una cantidad superior a la
necesaria para la transferencia de la carga de calor en dicho
intercambiador de calor para vaporizar dicho refrigerante de cambio
de fase únicamente.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el
que la cantidad de refrigerante líquido de cambio de fase bombeado
hasta el intercambiador de calor de vaporización del refrigerante de
cambio de fase es entre aproximadamente el 1% y aproximadamente el
100% superior a la requerida para la transferencia de la carga de
calor del mismo.
3. Procedimiento según la reivindicación 1, en el
que la cantidad de refrigerante líquido de cambio de fase bombeado
al intercambiador de calor de vaporización del refrigerante de
cambio de fase es entre aproximadamente el 2% y aproximadamente el
25% superior a la requerida para la transferencia de la carga de
calor del mismo.
4. Procedimiento según la reivindicación 1, que
comprende bombear un refrigerante de cambio de fase de
fluorocarbono o de clorofluorocarbono, o mezclas de los mismos.
5. Aparato para llevar a cabo el procedimiento
según la reivindicación 1, en el que el aparato es un sistema por
absorción de agua-amonio que comprende un conjunto
absorbedor (10, 13) y un conjunto generador (11), y conducciones
para dirigir el fluido de absorción entre ellos, un conjunto
intercambiador de calor (35, 35', 75') que comprende un primer
intercambiador de calor (24, 24', 39), un segundo intercambiador de
calor (26), conducciones para dirigir un refrigerante de cambio de
fase distinto de amonio entre dichos primer y segundo
intercambiador de calor, y una bomba (19) capaz de bombear
refrigerante líquido de cambio de fase hasta un intercambiador de
calor en el que se produce la vaporización en una cantidad superior
a la necesaria para la transferencia de carga de calor en el mismo
para la vaporización de dicho refrigerante de cambio de fase
únicamente.
6. Aparato según la reivindicación 5, en el que
el sistema por absorción es un refrigerador de
agua-amonio, en el que dicho primer intercambiador
de calor (24) comprende un condensador para dicho refrigerante de
cambio de fase y dicho segundo intercambiador de calor (26)
comprende un evaporador para dicho refrigerante de cambio de fase
para proporcionar refrigeración al espacio interior.
7. Aparato según la reivindicación 6, en el que
dicho conjunto absorbedor incluye un absorbedor intercambiador de
calor (51) y un generador/absorbedor intercambiador de calor (53), y
que incluye conducciones para dirigir por lo menos una parte de
fluido de absorción rico en amonio desde dicho absorbedor hasta
dicho absorbedor intercambiador de calor, y desde éste a dicho
generador, y un aparato para transferir energía térmica desde el
generador/absorbedor intercambiador de calor hasta el generador.
8. Aparato según la reivindicación 5, en el que
el sistema por absorción es un calefactor de
agua-amonio, en el que dicho primer intercambiador
de calor (24) comprende un evaporador para dicho refrigerante de
cambio de fase y dicho segundo intercambiador de calor (26)
comprende un condensador para dicho refrigerante de cambio de fase,
para proporcionar calefacción al espacio interior.
9. Aparato según la reivindicación 8, que incluye
conducciones para dirigir por lo menos una parte del fluido de
absorción rico en amonio desde dicho absorbedor hasta dicho
absorbedor intercambiador de calor y desde éste a dicho generador,
y un aparato para transferir la energía térmica desde el
generador/absorbedor intercambiador de calor hasta el
generador.
10. Aparato según la reivindicación 5, en el que
dicho sistema por absorción de agua-amonio es una
bomba de calor y en el que dicho conjunto intercambiador de calor
(35) es capaz de proporcionar selectivamente calefacción y
refrigeración al espacio interior a acondicionar, en el que dicho
primer intercambiador de calor (24) es exterior a dicho espacio
interior y dicho segundo intercambiador de calor (26) está en
exposición de transferencia de calor con dicho espacio interior y
es capaz de funcionar selectivamente como un evaporador y como un
condensador, y que incluye un aparato (18) para invertir la
dirección de circulación a través del conjunto intercambiador de
calor de cambio de fase, un aparato para intercambiar calor entre
dicho sistema por absorción de agua-amonio y dicho
primer intercambiador de calor, y un aparato de inversión de ciclo
que comprende una o más válvulas (25) y/o bombas que cooperan con
un ciclo de refrigeración para invertir selectivamente los ciclos
de absorción de agua-amonio.
11. Aparato según la reivindicación 10, en el que
dicho conjunto absorbedor comprende un absorbedor, un absorbedor
intercambiador de calor y un generador/absorbedor intercambiador de
calor, y que incluye conducciones para dirigir por lo menos una
parte de un fluido de absorción rico en amonio desde dicho
absorbedor hasta dicho absorbedor intercambiador de calor y desde
éste hasta dicho generador, y un aparato para transferir energía
térmica desde el generador/absorbedor intercambiador de calor hasta
el generador.
12. Aparato según las reivindicaciones 10 u 11,
en el que dicha bomba para hacer circular refrigerante líquido de
cambio de fase es una bomba reversible.
13. Aparato según las reivindicaciones 10 u 11,
en el que dicho conjunto intercambiador de calor (35) incluye una o
más válvulas de inversión (18) y en el que dicha bomba para hacer
circular refrigerante líquido de cambio de fase es una bomba
unidireccional.
14. Aparato según la reivindicación 5, en el que
dicho sistema por absorción de agua-amonio comprende
además un serpentín externo (28) que comprende un tercer
intercambiador de calor capaz de funcionar selectivamente como un
evaporador y como un condensador, un primer ciclo de refrigeración
para dirigir amonio entre dicho primer intercambiador de calor,
dicho serpentín exterior, dicho absorbedor y dicho generador, y un
segundo ciclo de refrigeración que contiene el refrigerante de
cambio de fase distinto de amonio entre dicho primer intercambiador
de calor y dicho segundo intercambiador de calor.
15. Aparato según la reivindicación 14, que
incluye un depósito (22) para amonio condensado y en el que dicho
primer ciclo de refrigeración incluye conducciones para dirigir el
amonio condensado desde dicho serpentín exterior (28) hasta dicho
depósito, y desde dicho depósito hasta dicho primer intercambiador
de calor.
16. Aparato según la reivindicación 14, que
incluye una válvula de inversión (25) que coopera con dicho primer
ciclo de refrigeración para dirigir selectivamente amonio a dicho
primer intercambiador de calor o a dicho serpentín exterior y para
dirigir amonio desde dicho primer intercambiador de calor o desde
dicho serpentín exterior hasta el absorbedor.
17. Aparato según la reivindicación 16, en el que
dicha válvula de inversión comprende una válvula de cuatro vías.
18. Aparato según la reivindicación 14, en el que
dicho conjunto absorbedor comprende un absorbedor, un absorbedor
intercambiador de calor y un generador/absorbedor intercambiador de
calor, y que incluye conducciones para dirigir por lo menos una
parte del fluido de absorción rico en amonio desde dicho absorbedor
hasta dicho absorbedor intercambiador de calor y desde éste a dicho
generador, y un aparato para transferir energía térmica desde el
generador/absorbedor intercambiador de calor a dicho generador.
19. Aparato según la reivindicación 14, en el que
dicha bomba es una bomba reversible.
20. Aparato según la reivindicación 14, en el que
dicho segundo ciclo de refrigeración incluye una o más válvulas de
inversión (18) y en el que dicha bomba es una bomba
unidireccional.
21. Aparato según la reivindicación 5, en el que
dicho sistema por absorción de agua-amonio es un
refrigerador/calefactor que comprende:
un ciclo de fluido de absorción para dirigir el
fluido de absorción entre dicho conjunto absorbedor y dicho
conjunto generador, comprendiendo dicho ciclo de fluido de absorción
unas primeras conducciones para dirigir el fluido de absorción rico
en amonio desde dicho conjunto absorbedor a dicho conjunto
generador, y unas segundas conducciones para dirigir el fluido de
absorción de solución débil de amonio desde dicho conjunto generador
a dicho conjunto absorbedor,
un condensador (28),
un primer ciclo de refrigeración para dirigir
amonio entre dicho conjunto generador, el condensador, un primer
intercambiador de calor y un conjunto absorbedor, siendo capaz dicho
primer intercambiador de calor (39) de funcionar selectivamente como
un condensador o un evaporador,
conducciones de derivación de refrigerante (72)
para dirigir amonio desde dicho conjunto generador a dicho primer
intercambiador de calor sin pasar a través de dicho condensador,
y
un segundo ciclo de refrigeración para dirigir
refrigerante de cambio de fase distinto de amonio, y para
proporcionar selectivamente calefacción y refrigeración a un espacio
interior a acondicionar, incluyendo dicho segundo ciclo dicho
segundo intercambiador de calor (26) en exposición de transferencia
de calor con dicho espacio interior y capaz de funcionar
selectivamente como evaporador y condensador.
22. Aparato según la reivindicación 21, que
incluye una o más válvulas accionables (55, 74) que cooperan con
dicha conducción de derivación de refrigerante para abrir y cerrar
selectivamente dicha conducción de derivación.
23. Aparato según la reivindicación 21, en el que
dicho conjunto absorbedor comprende un absorbedor y un absorbedor
intercambiador de calor, y en el que dicho ciclo de fluido de
absorción dirige fluido de absorción en comunicación de
transferencia de calor en dicho
absorbedor-intercambiador de calor y desde éste
hasta dicho conjunto generador.
24. Aparato según la reivindicación 21, en el que
dicho conjunto absorbedor comprende un absorbedor, un absorbedor
intercambiador de calor y un generador/absorbedor intercambiador de
calor y en el que dicho ciclo de fluido de absorción dirige por lo
menos una parte del fluido de absorción rico en amonio hasta dicho
absorbedor intercambiador de calor y desde éste a dicho generador, y
un aparato para transferir energía térmica desde el
generador/absorbedor intercambiador de calor a dicho generador.
25. Aparato según la reivindicación 21, en el que
dicho primer intercambiador de calor está elevado por encima de
dicho conjunto generador para proporcionar un flujo por gravedad de
refrigerante condensado desde dicho primer intercambiador de calor a
dicho conjunto generador a través de dicho conducto de
refrigerante.
26. Aparato según la reivindicación 25, que
incluye una o más válvulas accionables (55, 74) que cooperan con
dicha conducción de derivación de refrigerante para abrir y cerrar
selectivamente dicha conducción de derivación.
27. Aparato según las reivindicaciones 7, 9, 11,
18 ó 24, en el que dicho aparato para transferir energía térmica
desde dicho generador/absorbedor intercambiador de calor hasta el
generador comprende una conducción para derivar una parte de fluido
de absorción rico en amonio a través del generador/absorbedor
intercambiador de calor antes de dirigirlo al generador.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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