ES2277377T3

ES2277377T3 - Control de presion de un conducto de vapor.

Info

Publication number: ES2277377T3
Application number: ES98630073T
Authority: ES
Inventors: Sathish R. Das; Don A. Schuster; Larry J. Burkhart; Ronald G. Butcher; Timothy J. Perry
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 1997-12-22
Filing date: 1998-12-04
Publication date: 2007-07-01
Anticipated expiration: 2018-12-04
Also published as: US6354097B1; DE69837031T2; EP0924480B1; JP3051382B2; US6092378A; JPH11248281A; US6141978A; EP0924480A3; DE69837031D1; KR19990063277A; KR100320699B1; EP0924480A2

Abstract

EN UN SISTEMA DE BOMBA DE CALOR DISEÑADO PARA UTILIZAR CON UN REFRIGERANTE A PRESION RELATIVAMENTE BAJA, SE HA PREVISTO, UTILIZANDO UN SISTEMA DE CONTROL DE LA PRESION DE VAPOR, UTILIZAR UN REFRIGERANTE A MAYOR PRESION SIN NECESIDAD DE SUSTITUIR EL SERPENTIN DEL INTERIOR Y EL EQUIPO DE LA LINEA. LA PRESION DEL VAPOR ES DETECTADA DURANTE LOS PERIODOS DE FUNCIONAMIENTO DE LA BOMBA DE CALOR, Y CUANDO LA PRESION ALCANZA UN NIVEL LIMITE MAXIMO PREDETERMINADO, SE REDUCE LA VELOCIDAD DEL VENTILADOR DEL EXTERIOR PARA HACER QUE SE REDUZCA LA PRESION DEL VAPOR. CUANDO LA PRESION DEL VAPOR SE REDUCE A UN NIVEL LIMITE MINIMO PREDETERMINADO SE REANUDA LA VELOCIDAD DEL VENTILADOR CON EL FIN DE PERMITIR QUE SE INCREMENTE NUEVAMENTE LA PRESION DEL VAPOR.

Description

Control de presión de un conducto de vapor.

Esta invención generalmente se refiere a sistemas de bomba de calor y, más particularmente as un método y aparato para controlar la presión dentro de la tubería de interconexión y otros componentes de contención de refrigerante del mismo de manera que se evite exceder la presión de diseño máxima cuando se utilizan refrigerantes de alta presión.

El refrigerante que ha sido comúnmente utilizado en acondicionadores de aire residenciales convencionales y comerciales y las bombas de calor han sido R-22m un refrigerante HCFC. Sin embargo, debido a la reciente preocupación por los efectos medioambientales, los refrigerantes CFC y HCFC están siendo retirados. Refrigerantes no clorados como sustitutos en los sistemas residenciales y comerciales ligeros, que están siendo desarrollados, tiende a ser de presión más elevada que el R-22. Uno de los refrigerantes de sustitución más prometedores es el HFC R-410A, que funciona con presiones de hasta el 70% más elevadas que el R-22.

El uso de refrigerantes de presión más elevada tiene el máximo impacto en el lado de alta presión de un sistema. Por consiguiente, para un acondicionador de aire, el diseño de la unidad al exterior necesita ser sustancialmente modificado con el fin de adaptarse a estas presiones más elevadas. Esto es, para cumplir requisitos de agencias de seguridad y de organización, la mayoría de los componentes que contienen refrigerante en el lado de presión elevada del sistema deben ser diseñados para superar las presiones sustancialmente más elevadas. Los componentes del lado de baja presión, por otro lado, pueden ser utilizados con modificaciones y/o precauciones menores. Los costos asociados con los cambios tanto de las secciones de intemperie como interiores para adaptarse al refrigerante R-410A no son significativamente mayores que para reemplazar un acondicionador de aire de R-22 por un nuevo acondicionador de aire R-22 y es por tanto comercialmente factible. Esto no es necesariamente así en el caso de la bomba de calor.

Para adaptar una bomba de calor de R-410A que funciona en el modo de refrigeración, la sección de intemperie debe ser rediseñada para adaptar el modo de calentamiento de funcionamiento, en el que la sección de alta presión está en el serpentín interior, los componentes que contienen refrigerante de interior, así como otros componentes en la unidad de intemperie, deben ser rediseñados.

Además de los serpentines exterior e interior hay una parte del sistema conocida como "conjunto de línea". Esta es la tubería de interconexión que conecta las secciones interior y exterior de los acondicionadores de aire y las bombas de calor. Típicamente, los acondicionadores de aire R-22 y las bombas de calor han usado lo que se denomina tubería de cobre de refrigeración RST (Tubería de Servicio de Refrigerante) para los conjuntos de línea. Las dimensiones físicas de la tubería RST no están reguladas ni reconocidas por ninguna organización de seguridad o normativas nacionales sino que simplemente es la tubería aceptada por el acondicionamiento de aire general y la industria
refrigerante.

El conjunto de línea está típicamente considerado fabricado en obra y está generalmente regulado por códigos de construcción locales. La mayoría de los códigos locales y nacionales para de tuberías de refrigeración se refieren a la norma ASME, ASME B31.5 "Refrigeration Piping". Para acondicionadores de aire R-410A y bombas de calor R-410A que funcionan en el modo de enfriamiento, la tubería RST estándar reúne los requisitos establecidos en la ASME B31.5. Sin embargo, con bombas de calor, la construcción R-22 convencional de la línea de vapor del conjunto de línea típicamente no reúne los requisitos de las normas ASME B31.5. Esto es, la tubería de vapor RST estándar instalada en una bomba de calor tendrá una presión de trabajo especificada por debajo de la norma ASME B31.5 cuando se utiliza R-410A como refrigerante.

Una proposición para adaptar el refrigerante R-410A es cambiar los conjuntos de línea o al menos la línea de vapor. Sin embargo, esto implica costes desproporcionados. En primer lugar, los conjuntos de línea de los sistemas existentes están a menudo situados en las paredes entre los sistemas exterior e interior y no son de fácil acceso. En segundo lugar, aparte de los costes de mano de obra, el coste de la tubería de cobre es elevado debido a (a) las paredes más gruesas requieren más cobre y (b) el bajo volumen de tuberías de cobre de pared más gruesas hace que los costes crezcan de manera desproporcionada. Por estas razones los cambios requeridos que se necesitan hacer en una bomba de calor R-22 para adaptarla al uso del R-410A son significativamente mayores que los costos de reemplazar el R-22 por un nuevos sistema R-22 y por tanto no es económicamente factible.

Es, por tanto, un objeto de la presente invención proporcionar un método y aparato mejorados para adaptar el uso de un refrigerante de mayor presión en un sistema diseñado para la utilización de un refrigerante de menor presión.

Los documentos JP-A-04 332 352 y US-A-4866944 exponen sistemas que comprenden sensores que controlan el funcionamiento de un ventilador de unidad exterior.

De acuerdo con la invención, se proporciona un sistema como el reivindicado en la reivindicación 1 y un método como el reivindicado en la reivindicación 6.

Mediante el uso de la invención el conjunto de línea y el serpentín interior utilizado para un refrigerante de menor presión pueden conservarse para utilizarse en un sistema que utiliza un refrigerante de mayor presión. Con el fin de evitar el exceso de la presión de diseño máxima de las líneas durante el funcionamiento de mayor presión, tal como cuando el sistema está funcionando en el modo de bomba de calor, la presión se mantiene en un nivel por debajo de un límite umbral de la presión de diseño máxima.

La presión de vapor en la unidad exterior de la bomba de calor es detectada, y el ventilador exterior es accionado en respuesta de manera que se mantenga la presión en la línea de vapor por debajo de un nivel umbral establecido.

Cuando la presión de vapor en la sección exterior de la bomba de calor alcanza un nivel umbral predeterminado, la velocidad del ventilador exterior se reduce, haciendo, por tanto, que la presión del refrigerante del lado alto del sistema se reduzca. Cuando la presión de vapor se reduce hasta un valor umbral inferior predeterminado, entonces la velocidad del ventilador inicial es preferiblemente reanudada para permitir que la presión aumente dentro del sistema.

El ciclo del ventilador exterior se puede realizar mediante el ciclo de activación y desactivación de un motor ventilador de velocidad única en respuesta al cambio de presión, o simplemente disminuyendo o aumentando la velocidad de un motor de velocidad variable o de dos velocidades, en respuesta al cambio de presión.

En los dibujos como se describirá a continuación, se muestra una realización preferida; sin embargo, se pueden realizar distintas modificaciones y construcciones alternativas a la misma sin que se salgan del campo de la invención.

La Figura 1 es una lustración esquemática de una bomba de calor con una realización preferida de la presente invención incorporada en la misma;

la Figura 2 es un circuito y diagrama eléctricos de la parte de ciclo de ventilador de una realización preferida de la invención; y

la Figura 3 es una ilustración gráfica de una velocidad de ciclo de ventilador en función de la temperatura ambiente.

Haciendo ahora referencia a la Figura 1, la invención se muestra generalmente en 10 aplicada a un sistema de bomba de calor convencional que tiene una unidad de exterior 11 y una unidad interior 12 interconectadas mediante tuberías comúnmente referidas como un conjunto de línea 13.

La unidad exterior 11 incluye un compresor 14 y un serpentín intercambiador de calor 16 que funciona de marea convencional en cooperación con la unidad interior 12 para producir un ciclo de refrigeración completo mientras que funciona o bien en el modo de calentamiento o bien en el modo de enfriamiento. Esto es, el serpentín exterior 16 actúa como un serpentín condensador cuando el sistema 3está funcionando en el modo de enfriamiento y como un evaporador durante los periodos en los que el sistema está funcionando en el modo de calentamiento. Una válvula de cuatro vías 17 está incluida en la sección exterior 11 para conmutar entre los modos de calentamiento y enfriamiento de manera convencional. También, un dispositivo de expansión 18 está dispuesto para utilizar durante los modos de funcionamiento de bomba de calor, con una línea de derivación 19 que actúa como derivación del dispositivo de expansión 18 durante los periodos de modos de funcionamiento de acondicionamiento de aire. Un acumulador 21 está dispuesto en la salida del evaporador para evitar que el refrigerante líquido vuelva al compresor 14. Un ventilador exterior 22 está dispuesto para hacer circular en aire exterior sobre el serpentín exterior 16 de manera convencional, excepto según se modifica por la presente invención.

De acuerdo con una realización preferida de la presente invención, un control de presión de vapor 23 está conectado a la línea refrigerante 24 de manera que se realice un ciclo en el ventilador exterior 22 en respuesta a la presión en la línea de refrigeración 24 de la manera que se describe más ampliamente a continuación. El control de presión de vapor 23 está conectado eléctricamente al motor del ventilador 22 por medio de una línea eléctrica 26.

Haciendo ahora referencia a la unidad interior 12, se incluye un serpentín intercambiador de calor 27 y un ventilador interior 28 para circular el aire interior sobre el mismo. Un dispositivo de expansión 29, con una parte de derivación, está incluido para adaptar los modos de enfriamiento y los modos de calentamiento de manera convencional.

Considerando ahora los cambios que se deben hacer en tal sistema diseñado para utilizar con un refrigerante de relativamente baja presión tal como R-22 cuando ese refrigerante es reemplazado por un refrigerante de presión relativamente alta tal como R-410A, es deseable hacer cambios en diversos componentes tanto de la unidad exterior 11 como de la unidad interior 12. Por ejemplo, dado que las presiones en la unidad interior pueden alcanzar 4,14 MPa, mientras funciona en el modo de enfriamiento, toda la unidad exterior es remplazada. En la unidad interior, sin embargo, sólo el dispositivo de expansión ha de ser reemplazado, así el serpentín interior se puede conservar.

Aunque los cambios anteriores se pueden realizar de una manera factible, generalmente económica, hay otros cambios que, aunque son deseables no son económicamente viables Esto es, dado que durante los modos de funcionamiento de bomba de calor, el lado de presión elevada normalmente funcionaría a presiones relativamente elevadas que podrían exceder la presión máxima de diseño de la tubería de interconexión, sería deseable tener tuberías de pared más gruesa tanto en el lado de alta presión como en el conjunto de línea y en el serpentín interior 27. sin embargo, sería caro remplazar todo el serpentín interior 27, y remplazar el conjunto de línea puede ser, o bien moderadamente caro, o si se requieren cambios estructurales, prohibitivamente caro. La presente invención, por tanto, se proporciona para adaptar la necesidad de una manera factible y económica.

El principio de funcionamiento de la presente invención es reducir la velocidad del motor del ventilador exterior 22 cuando la presión del refrigerante de la línea de vapor del sistema de bomba de calor que funciona en el modo de calentamiento alcanza la presión de diseño del conjunto de línea o de del serpentín interior. Esto, a su vez, hace que la presión del refrigerante en el lado alto del sistema sea reducida. Cuando la reducción de la presión de refrigerante en la línea de vapor alcanza una presión de corte predeterminada, la velocidad del motor del ventilador original es reanudada. La presión a la que se reduce la velocidad del motor del ventilador se ajusta mediante la presión de diseño más baja para la combinación específica de la línea de vapor y el serpentín interior. El corte de presión es activado por el diferencial de conmutadores económicamente factibles.

Una reducción en la velocidad del motor del ventilador se puede realizar de cualquiera de cierto número de formas. Por ejemplo, se puede utilizar un motor de dos velocidades durante los periodos en los que se ha alcanzado presión de corte. Un motor típico que podría ser utilizado para este fin es un motor de tipo inducción con una o múltiples velocidades que está comercialmente disponible de fabricantes de motores como General Electric, A.O. Smith o Emerson.

Otra alternativa es el uso de un motor de velocidad variable para el ventilador exterior. Debido a los más elevados costes de la adquisición de tal motor, no sería económicamente factible usarlo sólo para este fin. Sin embargo, si hubiera otras razones para tener un motor de velocidad variable para accionar el ventilador exterior, tal como un posible ahorro en los costes de funcionamiento durante largo tiempo, entonces un motor de velocidad variable podría ser práctico para este uno. En tal caso, el motor funcionaría a las mayores velocidades durante el funcionamiento normal y funcionaría entonces en las menores velocidades o detenido a veces cuando se haya alcanzado el límite de corte de presión.

Para fines de simplicidad, una realización preferida de la presente invención, será descrita en términos de uso con un motor de una velocidad que funciona o bien en la condición activado o bien desactivado. Esto es, será accionado durante los periodos de funcionamiento normal y será desactivado cuando la presión de corte se haya alcanzado detectada por el control de presión de vapor. Un ejemplo de tal motor que podría ser utilizado para estos fines es el General Electric Part Number KCP39FGN809BS.

Haciendo ahora referencia a la Figura 2, se muestra la parte de circuito eléctrico de una realización preferida interconectada con el compresor 14 y el ventilador exterior 22. El compresor 14 está conectado a una fuente de potencia de alto voltaje por medio de un contactor 31 que es controlador para activar o desactivar el compresor de acuerdo con las funciones de control de funcionamiento normales. Conectado en paralelo con el compresor, de manera que sea activado también a través del contactor, hay un circuito de potencia de ventilador 32 que incluye un conmutador de presión de vapor 33, el motor del ventilador 22 y un condensador de compresor 34. El conmutador de presión de vapor 33 es un conmutador de presión de polo único, de impulso único, normalmente cerrado, que es activado mediante un diafragma de presión conectado en la línea de vapor 24 dentro de la unidad exterior de bomba de calor. De este modo, cuando la presión en la línea de vapor excede una presión de corte del conmutador de presión, abre los contactos eléctricos y el ventilador externo 22 se desconecta. Sin el flujo de aire a través del serpentín exterior (el evaporador durante el modo funcionamiento de calentamiento) la presión de succión saturada del evaporador cae y también lo hace la presión y el volumen específico del refrigerante que entra en el compresor. Esto a su vez reduce la eficiencia volumétrica del compresor y la presión de descarga del refrigerante. Esta disminución de presión continuará hasta que se alcance el corte de presión del conmutador de presión de vapor 33, en cuyo momento, el conmutador de presión de vapor 33 se cerrará y la potencia volverá a ser suministrada al ventilador exterior 22.

Haciendo ahora referencia a la siguiente Tabla I, se muestran las dimensiones de la tubería de cobre RST para varios sistemas de bomba de calor de diverso tamaño, junto con las presiones de trabajo máximas ASME correspondientes. En este sentido, se ha de entender que está presión de trabajo se establece aplicando un margen de seguridad sustancial. Por ejemplo, un diseño típico de serpentín interior R-22 con una presión de rotura real de 14,5 MPa tiene una presión de trabajo límite de 2,9 MPa (es decir, con in factor de seguridad de 5). De este modo las presiones de trabajo máximas ASME presentadas en la Tabla 1 también están calculadas con un margen de seguridad similar.

TABLA I

100

Considerando ahora que un sistema de típico de bomba de calor con una capacidad comprendida entre 2 y 5 ton, tendrá una presión de funcionamiento máxima en su línea de vapor de 3,17-3,59 MPa, se reconocerá que la presión de trabajo máxima ASME será excedida a menos que se aplique algún medio, tal como la presente invención, para limitar la presión.

Haciendo ahora referencia a las dos últimas columnas de la tabla I, las presiones de corte de entrada y de salida del conmutador de presión están también dispuestas para cada uno de los conmutadores de presión que son aplicados a los sistemas de las capacidades presentadas. Por ejemplo, en un sistema de 2 ton, en el que la presión de trabajo ASME es de 3,25 MPa, el conmutador de presión de vapor 33 cortará (es decir, se abrirá para desactivar el motor 22) a 2,76 MPa, y permanecerá abierto hasta que la presión haya caído hasta 2,24 MPa en cuyo momento se cerrará y reanudará el funcionamiento.

Cuando la temperatura ambiente se eleva hasta el punto en el que la presión de corte es alcanzada, la presente invención será operativa. Cuando la temperatura está por encima de 10ºC la velocidad del ciclo es relativamente corta, mientras que, cuando la temperatura aumenta, la velocidad del ciclo aumentará. Esto se ilustra en la Figura 3 en la que se han representados datos de un ensayo real. Durante el funcionamiento, el ventilador es desactivado en el punto más alto y activado en el punto más bajo de cada curva. El ciclo del ventilador exterior tendrá mínimo impacto en el rendimiento debido a las bajas cargas de construcción en ambientes más elevados.

Claims

1. Un sistema de bomba de calor que tiene:

una unidad exterior (11) con un compresor (14), un ventilador (22), un serpentín intercambiador de calor (16);

una unidad interna (12) conectada al mismo mediante tuberías de líquido y vapor (13);

un sistema de control (23) para limitar la presión en dichas tuberías de vapor (13) durante los periodos de funcionamiento de bomba de calor, comprendiendo dicho sistema medios para detectar la presión (339; y medios (23) en respuesta a dichos medios de detección de presión para reducir la velocidad del ventilador exterior (22);

caracterizado porque:

dichos medios de detección de presión (33) están operativamente conectados en la unidad exterior (11) para detectar cuando la presión en las tuberías de vapor (13) excede un límite de presión umbral máximo predeterminado para dichas tuberías de vapor,

y porque dichos medios, en respuesta a dichos medios de detección de presión (33), reducen la velocidad del ventilador (22) y por lo tanto reducen la presión en las tuberías de vapor (13) cuando se excede el citado límite.

2. El sistema de bomba de calor de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dichos medios para detectar la presión son un conmutador de presión (33).

3. El sistema de bomba de calor de acuerdo con la reivindicación 2, en el que dicho conmutador de presión (33) es un conmutador normalmente cerrado en serie con un motor de accionamiento de dicho ventilador exterior (12).

4. El sistema de bomba de calor de acuerdo con la reivindicación 2, en el que dicho conmutador de presión (33) está diseñado para abrirse en un primer nivel de presión predeterminado y para cerrarse en un segundo nivel de presión predeterminado por dejado de dicho primer nivel de presión predeterminado.

5. El sistema de bomba de calor de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el que dichos medios de reducción de velocidad son un conmutador que desactiva el ventilador exterior (22).

6. El sistema de bomba de calor de acuerdo con cualquier reivindicación precedente que además comprende una válvula reversible (17) operable para dirigir de manera selectiva flujo de refrigerante durante tanto el modo de funcionamiento de enfriamiento como el modo de funcionamiento de calentamiento.

7. El sistema de bomba de calor de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el que dicha unidad interior (12) incluye un ventilador (18) y un serpentín intercambiador (27).

8. Un método para controlar la presión en las tuberías (24) de una bomba de calor del tipo que tiene un compresor (14), unidades exteriores e interiores que comprenden ventiladores interiores y exteriores (22, 28), serpentines exteriores e interiores (16, 27) estando dichas unidades interconectadas mediante respectivas tuberías interconectadas de líquido y vapor (24), en el que la presión en al menos una de dichas tuberías (24) es susceptible de exceder un límite de presión de umbral máximo predeterminado durante periodos de funcionamiento en el modo de calentamiento, comprendiendo el método las etapas de:

detectar la presión en una tubería de vapor en dicha unidad externa (11);

comparar dicha presión detectada con un límite de presión umbral máximo predeterminado que está por debajo de una presión de diseño máxima para las tuberías; y

cuando dicha presión detectada sea igual a dicha presión umbral máxima, reducir la velocidad del ventilador exterior (22) de manera que disminuya presión en dichas tuberías.

9. Un método de acuerdo con la reivindicación 8 y que incluye la etapa adicional de, cuando dicha presión detectada ha sido reducida a una presión umbral mínima, incrementar la velocidad del ventilador exterior (22) de manera que se eleve la presión en las tuberías.

10. Un método de acuerdo con la reivindicación 8 en el que dicha etapa de reducir la velocidad del ventilador exterior (22) se realiza desactivando la potencia eléctrica del mismo.

11. Un método de acuerdo con la reivindicación 9, en el que dicha etapa de incrementar la velocidad del ventilador exterior (22) se realiza restableciendo la potencia eléctrica al mismo.