Procedimiento y dispositivo para controlar el funcionamiento de un dispositivo de bomba de calor.

Procedimiento para controlar un funcionamiento de una unidad de bomba de calor (10A) que utiliza NH3 como un refrigerante,

presenta un compresor (16, 44), un condensador (18, 46), una válvula de expansión (20, 50) y un evaporador (54), y constituye un ciclo de bomba de calor, siendo el compresor un compresor alternativo (16) que presenta una pluralidad de cilindros, un motor de accionamiento (24, 45) que acciona los pistones de los cilindros, y que presenta asimismo una bomba de aceite de lubricación (28) accionada por el motor de accionamiento (24, 45), comprendiendo el procedimiento:

una primera etapa de detectar la temperatura del fluido de intercambio de calor en una salida del condensador (18) o del evaporador (54), siendo el fluido de intercambio de calor termopermutado con el refrigerante de NH3 en el condensador o el evaporador;

una segunda etapa de mantener la temperatura del fluido de intercambio de calor en la salida del condensador (18) o del evaporador (54) para que se encuentre dentro de un intervalo de ajuste mediante el control de, en un funcionamiento con todos los cilindros, la capacidad del compresor alternativo en un periodo entre una carga máxima permitida y una carga mínima para lubricación, en el que puede garantizarse el flujo de una bomba de aceite de lubricación, basándose en el control de la velocidad de revolución del motor de accionamiento (24) que acciona el compresor alternativo (16); y

una tercera etapa de mantener la temperatura del fluido de intercambio de calor en la salida del condensador (18) o del evaporador (54) para que se encuentre dentro del intervalo de ajuste mediante el control de la capacidad del compresor alternativo (16) en la carga mínima para lubricación o inferior basándose en una combinación de control de la disminución del número de cilindros de funcionamiento y el control de la velocidad de revolución del motor de accionamiento (24).

Procedimiento y dispositivo para controlar el funcionamiento de un dispositivo de bomba de calor.

Campo técnico

La presente invención se refiere a un procedimiento de control de funcionamiento y a una unidad de control de funcionamiento que implementan el suministro estable de agua a alta temperatura o agua a baja temperatura a la temperatura deseada por medio de una unidad de bomba de calor que utiliza un refrigerante de NH3.

Antecedentes de la técnica Desde el punto de vista de la protección medioambiental global, se han fomentado de manera convencional los refrigerantes naturales que presentan un bajo potencial de agotamiento de la capa de ozono (PAO) y un bajo potencial de calentamiento global (PCG) como refrigerantes de funcionamiento para unidades de bomba de calor en lugar de los clorofluorocarbonos. Puesto que el CO2 que actúa como refrigerante natural presenta un bajo PAO de 0 y un bajo PCG de 1, permite el suministro de agua caliente a alta temperatura, y presenta alto COP, se ha utilizado en la práctica en máquinas de suministro de agua caliente para usos domésticos y de negocios.

El documento JP 2006 329445 A da a conocer una unidad de bomba de calor que utiliza amoniaco o CO2 como refrigerante. La capacidad de la bomba de calor se modifica controlando la velocidad de revolución del motor del compresor.

Sin embargo, el refrigerante de CO2 presenta una mayor presión que los refrigerantes generales a la temperatura atmosférica ambiental y, por tanto, no puede utilizarse en los equipos existentes. Por tanto, se requiere que construyan de nuevo equipos que soporten la presión de CO2 además de un sistema de tubos, lo que da lugar al problema de que el gasto en equipos se vuelve elevado. Así, las unidades de bomba de calor que utilizan un refrigerante de NH3 que sirva como refrigerante natural, que presentan un PAO de 0 y un PCG casi igual a 0, que presentan alto calor latente de evaporación, y que presentan alto rendimiento de enfriamiento o calentamiento han estado disponibles comercialmente y se han utilizado en la práctica como funciones de caldera alternativas de ahorro de energía para producir agua a alta temperatura.

Los documentos de patente 1 y 2 dan a conocer unidades de bomba de calor que utilizan un refrigerante de NH3.

Documento de patente 1: solicitud de patente japonesa abierta al público n.º 2008-255919

Documento de patente 2: documento WO 2010/13590

Se utiliza el agua a alta temperatura producida por la unidad de bomba de calor para calentamiento, suministro de agua caliente, calentamiento en procesos industriales, lavado, desinfección, fusión de nieve, o similar. En una utilización de este tipo, se requiere un funcionamiento para suministrar agua caliente de manera continua a temperatura fija. Además, si disminuye la carga, aumenta la temperatura del agua que se hace circular desde el lado de la carga. Por tanto, se requiere el control de la capacidad de la unidad de bomba de calor. Además, el rendimiento de enfriamiento o calentamiento de la unidad de bomba de calor resulta diferente dependiendo de cambios en la fuente de calor y la temperatura ambiental de la unidad de bomba de calor. Por tanto, se requiere el control de funcionamiento correspondiente a tales cambios. Para suministrar agua caliente de manera continua a temperatura fija, se requiere un control proporcional de la capacidad de un compresor según fluctuaciones en la carga y la temperatura ambiental.

Además, para producir agua a alta temperatura a de 50 a 100ºC, la presión del refrigerante de NH3 supera los 1, 5 MPa en el lado de baja presión y 5 MPa en el lado de alta presión de un ciclo de bomba de calor. Por tanto, la presión del refrigerante depende de factores de fluctuación tales como condiciones de funcionamiento y temperatura ambiental, lo que da lugar al problema de que la temperatura de superficie de lado de refrigerante de un tubo de entrada, el compresor y un tubo de salida en la parada y la del tubo de entrada y el compresor durante el funcionamiento disminuyen por debajo de la temperatura de saturación de la presión del gas refrigerante de NH3 como para licuar el gas refrigerante de NH3.

Además, si aumenta la presión del gas refrigerante de NH3 del trayecto de entrada del compresor, la temperatura del tubo de entrada no puede seguir tal aumento, lo que da como resultado la probabilidad de que el gas refrigerante de NH3 a alta temperatura se ponga en contacto con el tubo de entrada y se licue. En caso de que el compresor succione el refrigerante licuado, se produce el contacto metálico de un pistón, un segmento de pistón, o similar, lo que puede provocar daño en los equipos y componentes.

Divulgación de la invención A partir de los problemas de la técnica relacionada, la presente invención presenta el objetivo que consiste en

permitir el suministro de agua a alta temperatura o similar a la temperatura deseada, por ejemplo, a de 50 a 90ºC en todo momento sin degradar el COP independientemente de fluctuaciones en la carga y el entorno circundante con una unidad de bomba de calor que utiliza un refrigerante de NH3.

Además, la presente invención presenta un segundo objetivo que consiste en eliminar un flujo de refrigeración licuado a un compresor durante el funcionamiento o en la parada del funcionamiento e impedir el daño en equipos, componentes, o similares que constituyen el compresor.

Para ello, la presente invención proporciona un procedimiento para controlar el funcionamiento de una unidad de bomba de calor que utiliza NH3 como refrigerante, presenta un compresor, un condensador, una válvula de expansión y un evaporador, y constituye un ciclo de bomba de calor. El procedimiento incluye una primera etapa de detectar la temperatura del fluido de intercambio de calor en una salida del condensador o del evaporador, intercambiando calor el fluido de intercambio de calor con el refrigerante de NH3 en el condensador o el evaporador; una segunda etapa de mantener la temperatura del fluido de intercambio de calor en la salida del condensador o del evaporador para que esté dentro de un intervalo de ajuste mediante el control de, en un funcionamiento con todos los cilindros, la capacidad del compresor alternativo en un periodo entre una carga máxima permitida y una carga mínima para lubricación, en el que puede garantizarse el flujo de una bomba de aceite de lubricación, basándose en el control de la velocidad de revolución del motor de accionamiento que acciona el compresor alternativo; y una tercera etapa de mantener la temperatura del fluido de intercambio de calor en la salida del condensador o del evaporador para que esté dentro del intervalo de ajuste mediante el control de la capacidad del compresor alternativo en la carga mínima para lubricación o menor basándose en una combinación de control de la disminución del número de cilindros en funcionamiento y el control de la velocidad de revolución del motor de accionamiento.

En el procedimiento de la presente invención, el compresor alternativo, que es relativamente menos costoso y cuya capacidad se controla fácilmente, se utiliza como compresor. Además, a la vez que se detecta la temperatura del fluido de intercambio de calor en la salida del condensador o del evaporador, se controla la capacidad del compresor alternativo en el periodo entre la carga máxima permitida y la carga mínima para lubricación en el que puede garantizarse el flujo de la bomba de aceite de lubricación basándose en el control de la velocidad de revolución del motor de accionamiento en el funcionamiento con todos los cilindros. Además, en el caso de tal carga o menor, se controla la capacidad basándose en la combinación del control del número de cilindros y el control de la velocidad de revolución del motor de accionamiento.

Por tanto, se posibilita un control proporcional con relación a la carga con el COP mantenido a un alto nivel. Además, posibilitándose un control proporcional con relación a la carga, se impide el licuado del refrigerante en el tubo de entrada del compresor. Además, manteniéndose la temperatura del fluido de intercambio de calor en la salida del condensador o del evaporador de modo que se encuentre dentro del intervalo de ajuste, se posibilita la producción del fluido de intercambio de calor a la alta o baja temperatura deseada.

Puesto que la cantidad de circulación del refrigerante disminuye con una disminución de la capacidad del compresor, hay margen para el rendimiento de evaporación del evaporador. Por tanto, aumenta la temperatura de evaporación, lo que da como resultado un aumento de la presión de entrada. Debido a esto, la temperatura de un tubo de entrada disminuye de manera transitoria por debajo de la temperatura de saturación... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para controlar un funcionamiento de una unidad de bomba de calor (10A) que utiliza NH3 como un refrigerante, presenta un compresor (16, 44) , un condensador (18, 46) , una válvula de expansión (20, 50) y un evaporador (54) , y constituye un ciclo de bomba de calor, siendo el compresor un compresor alternativo (16) que presenta una pluralidad de cilindros, un motor de accionamiento (24, 45) que acciona los pistones de los cilindros, y que presenta asimismo una bomba de aceite de lubricación (28) accionada por el motor de accionamiento (24, 45) , comprendiendo el procedimiento:

una primera etapa de detectar la temperatura del fluido de intercambio de calor en una salida del condensador (18) o del evaporador (54) , siendo el fluido de intercambio de calor termopermutado con el refrigerante de NH3 en el condensador o el evaporador;

una segunda etapa de mantener la temperatura del fluido de intercambio de calor en la salida del condensador (18) o del evaporador (54) para que se encuentre dentro de un intervalo de ajuste mediante el control de, en un funcionamiento con todos los cilindros, la capacidad del compresor alternativo en un periodo entre una carga máxima permitida y una carga mínima para lubricación, en el que puede garantizarse el flujo de una bomba de aceite de lubricación, basándose en el control de la velocidad de revolución del motor de accionamiento (24) que acciona el compresor alternativo (16) ; y una tercera etapa de mantener la temperatura del fluido de intercambio de calor en la salida del condensador (18) o del evaporador (54) para que se encuentre dentro del intervalo de ajuste mediante el control de la capacidad del compresor alternativo (16) en la carga mínima para lubricación o inferior basándose en una combinación de control de la disminución del número de cilindros de funcionamiento y el control de la velocidad de revolución del motor de accionamiento (24) .

2. Procedimiento para controlar el funcionamiento de la unidad de bomba de calor según la reivindicación 1, que comprende:

una cuarta etapa de mantener el refrigerante de NH3 que fluye al interior de un trayecto de entrada de refrigerante (14a) a una temperatura no inferior a una temperatura de saturación mediante un mecanismo de calentamiento previsto en el trayecto de entrada de refrigerante (14a) del compresor alternativo (16) para impedir el flujo de refrigeración licuado del refrigerante de NH3 al compresor alternativo (16) .

3. Procedimiento para controlar el funcionamiento de la unidad de bomba de calor según la reivindicación 1 o 2, en el que el trayecto de entrada (14a) se interrumpe en una parada de la unidad de bomba de calor mediante una válvula de cierre (72) prevista sobre el trayecto de entrada (14a) del compresor alternativo para impedir el flujo de refrigeración licuado en el arranque del compresor alternativo.

4. Procedimiento para controlar el funcionamiento de la unidad de bomba de calor según cualquiera de las reivindicaciones 1 o 3, que comprende:

una quinta etapa de hacer que, en una parada del compresor alternativo (16) , la presión de un gas refrigerante a alta presión de un trayecto de salida (14b) del compresor alternativo (16) sea igual a la presión sobre un lado del 45 evaporador (54) para impedir la licuación en una parte a alta presión del compresor alternativo (16) .

5. Procedimiento para controlar el funcionamiento de la unidad de bomba de calor según cualquiera de las reivindicaciones 1 o 3, que comprende:

una sexta etapa de hacer que, en el arranque del compresor alternativo (16) , la presión de un gas refrigerante a alta presión de un trayecto de salida (14b) del compresor alternativo (16) sea igual a la presión sobre un lado del evaporador (54) para disminuir un par motor de arranque del compresor alternativo (16) .

6. Unidad para controlar un funcionamiento de una unidad de bomba de calor que utiliza NH3 como refrigerante,

presenta un compresor (16) , un condensador (18) , una válvula de expansión (20) y un evaporador (54) , y constituye un ciclo de bomba de calor, siendo el compresor un compresor alternativo (16) que presenta una pluralidad de cilindros, un motor de accionamiento (24) que acciona los pistones de los cilindros, y que presenta asimismo una bomba de aceite de lubricación (28) accionada por el motor de accionamiento (24) , comprendiendo la unidad de bomba de calor:

un sensor de temperatura (36) que detecta la temperatura del fluido de intercambio de calor en una salida del 65 condensador (18) o del evaporador (54) , siendo el fluido de intercambio de calor termopermutado con el refrigerante de NH3 en el condensador (18) o el evaporador (54) ; y 13 5

un controlador (66) que mantiene la temperatura del fluido de intercambio de calor en la salida del condensador (18) o del evaporador (54) para que se encuentre dentro de un intervalo de ajuste controlando la capacidad del compresor alternativo (16) en un periodo entre una carga máxima permitida y una carga mínima para lubricación, en el que puede garantizarse un estado de lubricación del compresor alternativo (16) con un flujo de la bomba de aceite de lubricación, basándose en el control de la velocidad de revolución del motor de accionamiento (24) que acciona el compresor alternativo (16) y controlando la capacidad del compresor alternativo en la carga mínima para lubricación o inferior basándose en una combinación del control de la velocidad de revolución del motor de accionamiento (24) y el control del número de cilindros.

7. Unidad para controlar el funcionamiento de la unidad de bomba de calor según la reivindicación 6, en la que un mecanismo de calentamiento está previsto sobre un trayecto de entrada de refrigerante (14a) del compresor alternativo (16) para mantener el refrigerante de NH3 que fluye al interior del trayecto de entrada de refrigerante (14a) a una temperatura no inferior a la temperatura de saturación, impidiendo así el flujo de refrigeración licuado del refrigerante de NH3 al compresor alternativo (16) .

8. Unidad para controlar el funcionamiento de la unidad de bomba de calor según la reivindicación 7, en la que el mecanismo de calentamiento es un calentador previsto sobre el trayecto de entrada (14a) del compresor alternativo (16) .

9. Unidad para controlar el funcionamiento de la unidad de bomba de calor según la reivindicación 7, en la que el mecanismo de calentamiento presenta el trayecto de entrada (14a) del compresor alternativo (16) formado en una estructura de doble tubo, introduce la salida de gas refrigerante del compresor alternativo o un líquido refrigerante sobre un lado de la salida del condensador en el interior de un tubo externo (712) de la estructura de doble tubo, y calienta el trayecto de entrada (14a) con el calor retenido en el gas refrigerante o el líquido refrigerante.

10. Unidad para controlar el funcionamiento de la unidad de bomba de calor según la reivindicación 7, en la que el mecanismo de calentamiento hace que parte de la salida de gas refrigerante del compresor alternativo se divida y se vierta en el interior del trayecto de entrada (14a) calentando así el trayecto de entrada (14a) con el calor retenido en el gas refrigerante.

11. Unidad para controlar el funcionamiento de la unidad de bomba de calor según la reivindicación 7, en la que el mecanismo de calentamiento cubre el compresor alternativo (16) con una camisa (722) aislante del calor amovible.

12. Unidad para controlar el funcionamiento de la unidad de bomba de calor según la reivindicación 6, en la que está previsto un mecanismo de igualación de presión que hace que la presión de un gas refrigerante a alta presión en un trayecto de salida (14b) del compresor alternativo (16) sea igual a la presión sobre un lado del evaporador (54) en una parada o arranque del compresor alternativo (16) .

13. Unidad para controlar el funcionamiento de la unidad de bomba de calor según la reivindicación 12, en la que el mecanismo de igualación de presión presenta un intercambiador de calor previsto sobre el trayecto de salida (14b) del compresor alternativo (16) o del condensador (18) , hace que un medio de enfriamiento fluya al interior del intercambiador en la parada de la unidad de bomba de calor, y condensa y licua el gas refrigerante para disminuir la presión del gas refrigerante del trayecto de salida (14b) .

14. Unidad para controlar el funcionamiento de la unidad de bomba de calor según la reivindicación 6, en la que

está prevista una segunda unidad de bomba de calor (40) que presenta un aparato que constituye un ciclo de bomba de calor, el evaporador (54) se incorpora en un trayecto de refrigerante de lado de alta presión de la segunda unidad de bomba de calor (40) para constituirse como condensador en cascada (22) que utiliza el calor retenido en un refrigerante de la segunda unidad de bomba de calor como fuente de calor, y se regula la presión del trayecto de refrigerante de lado de alta presión de la segunda unidad de bomba de calor (40) para mantener la temperatura del fluido de intercambio de calor en la salida del condensador (18) para que se encuentre dentro del intervalo de ajuste.

15. Unidad para controlar el funcionamiento de la unidad de bomba de calor según la reivindicación 14, en la que un líquido refrigerante condensado de la segunda unidad de bomba de calor (40) se subenfría mediante el condensador en cascada (22) , y se hace que el líquido refrigerante subenfriado regrese a un trayecto de circulación de refrigerante de lado de baja presión de la segunda unidad de bomba de calor (40) .

16. Unidad para controlar el funcionamiento de la unidad de bomba de calor según la reivindicación 14, en la que el condensador en cascada (22) se dispone en paralelo a un condensador de la segunda unidad de bomba de calor (40) , y se regula un flujo del refrigerante del condensador para regular la presión de condensación del condensador (22) .

17. Unidad para controlar el funcionamiento de la unidad de bomba de calor según la reivindicación 14, en la que el condensador en cascada (22) se dispone en serie entre el condensador de la segunda unidad de bomba de calor (40) y el compresor y, o bien se regula un flujo del refrigerante del condensador o bien se regula la presión de condensación del condensador mediante una válvula de regulación de presión de salida (68) prevista entre el condensador en cascada y el condensador.