Bomba de calor, pequeña central eléctrica y procedimiento para el bombeo de calor.

Bomba de calor con las siguientes características:

una primera sección para la evaporación (10) de un líquido de trabajo con una primera presión,

para la compresión(16) del líquido de trabajo evaporado a una segunda presión mayor, y para el licuado (18) del líquido de trabajocomprimido en un licuador (18); y

una segunda sección para la compresión (1100) del líquido de trabajo líquido a una tercera presión, que es mayorque la segunda presión, para la evaporación (1102) del líquido de trabajo comprimido a la tercera presión, para larelajación (1106) del líquido de trabajo evaporado, para generar corriente eléctrica, y para el licuado del líquido detrabajo evaporado relajado en el licuador (18), caracterizada porque

la primera presión es menor que 20 hPa,

la segunda presión es mayor que 5 hPa por encima de la primera presión, y la tercera presión es mayor que 0,2MPa.

Bomba de calor, pequeña central eléctrica y procedimiento para el bombeo de calor.

La presente invención se refiere a una bomba de calor, y en particular a una bomba de calor con característica de generación de corriente.

La Fig. 8 muestra una bomba de calor conocida, tal y como está descrita en “Technische Thermodynamik”, Theoretische Grundlagen und praktische Anwendungen, 14. edición revisada, Hanser Verlag, 2005, páginas 278–279. La bomba de calor comprende un circuito cerrado en el que circula una sustancia activa, como por ejemplo R 134a. A través de un primer intercambiador de calor 80 y el evaporador se extrae del suelo y del agua subterránea tanto calor que la sustancia activa se evapora. La sustancia activa, de alta energía ahora, es aspirada a través de la tubería de aspiración retirándola del compresor. En el compresor 81 se comprime, gracias a lo cual se incrementa la presión y la temperatura. Esta compresión se realiza a través de un compresor de émbolo. La sustancia activa comprimida y que está a una elevada temperatura va a parar ahora al segundo intercambiador de calor 82, el licuador. En el licuador se extrae a la sustancia activa del circuito de agua de calefacción o de agua de servicio tanto calor que el medio de refrigeración se licua bajo una elevada presión y una elevada temperatura. En el órgano de estrangulación o de expansión 83 se expande la sustancia activa, es decir, la sustancia activa se relaja. En este caso se reducen la presión y la temperatura hasta que la sustancia activa vuelve a ser capaz de absorber energía del suelo o del agua subterránea. El circuito está ahora cerrado y comienza de nuevo.

Tal y como se puede ver a partir de esto, la sustancia activa sirve como transportador de energía para tomar calor del suelo o del agua subterránea, y entregar esta en el licuador al circuito de calefacción. En esta realización del proceso se cumple la segunda ley de la termodinámica, en la que se dice que el calor o la energía “por ella misma” sólo se puede transmitir desde el nivel más elevado de temperatura al nivel más reducido de temperatura y que esto sólo puede suceder a la inversa por medio de un suministro de energía exterior, en este caso el trabajo de accionamiento del compresor.

La Fig. 7 muestra un diagrama típico h, log p (h es la entalpía, p es la presión de una sustancia) . Entre el punto 4 y el punto 1 en el diagrama de la Fig. 7 tiene lugar la vaporización isobárica de la sustancia activa con valores más reducidos para la presión y la temperatura (p1, T1) . En este caso se suministra el calor Q81.

Entre el punto 1 y el punto 2 tiene lugar idealmente una compresión reversible de la sustancia activa en un compresor adiabático a la presión p2. En este caso, la temperatura sube a T2. En este caso se ha de suministrar un trabajo de compresión.

A continuación, con una presión p2 se realiza en primer lugar una refrigeración isobárica del vapor de la sustancia activa de 2 a 2’. Se reduce el sobrecalentamiento. A continuación tiene lugar una licuación de la sustancia activa. En su conjunto, se puede retirar el calor Q25.

En el dispositivo de estrangulación 83 tiene lugar entonces el estrangulamiento adiabático de la sustancia activa desde la presión elevada p2 a la presión reducida p1. En este caso, se evapora una parte de la sustancia activa líquida, y la temperatura se reduce a la temperatura de evaporación T1. En el diagrama h, log p se pueden calcular y visualizar las energías y los números característicos de este proceso por medio de entalpías, tal y como se muestra en la Fig. 7.

El líquido de trabajo de la bomba de calor toma, con ello, en el evaporador, calor del entorno, por ejemplo aire, agua, aguas residuales o suelo. El licuador sirve como medio transmisor térmico para el calentamiento de un medio de calentamiento. La temperatura T1 está algo por debajo de la temperatura del entorno, la temperatura T2 considerablemente, la temperatura T2’ algo por encima de la temperatura de calefacción requerida. Cuanto mayor es la diferencia de temperatura requerida, más trabajo ha de aplicar el compresor. Por ello se tiende a mantener el incremento de temperatura lo más pequeño posible.

Haciendo referencia a la Fig. 7, con ello, en el caso ideal se realiza una compresión de los vapores de la sustancia activa a lo largo de la curva para la entropía s = constante hasta el punto 2. Desde aquí hasta el punto 3 se licua la sustancia activa. La longitud del recorrido 2-3 representa el calor útil Q. Desde el punto 3 al punto 4 se realiza la relajación, y desde el punto 4 al punto 1 la evaporación de la sustancia activa, reproduciendo el recorrido 4-1 el calor retirado a la fuente de calor. En lugar del diagrama T, s, en el diagrama h, log p se pueden tomar los valores del calor y del trabajo como recorridos. Las pérdidas de presión en las válvulas, en las tuberías de presión y de aspiración, del compresor, etc., conforman el curso ideal del proceso cíclico en el diagrama h, log p, y reducen la efectividad del proceso en su conjunto.

En el caso de los compresores de émbolo, el valor de la sustancia activa aspirada tiene en primer lugar una temperatura menor que la pared del cilindro del compresor, y extrae calor de él. A medida que avanza la compresión se incrementa finalmente la temperatura del vapor de la sustancia activa a lo largo de la pared de cilindro, de manera que el vapor de la sustancia activa entrega calor a la pared del cilindro. A continuación, cuando el émbolo aspira y comprime de nuevo, se vuelve a pasar por debajo de la temperatura de la pared del émbolo por primera vez, y a continuación se supera, lo que lleva a pérdidas duraderas. Además será necesario y requerido un sobrecalentamiento del vapor de la sustancia activa aspirada, para que el compresor no aspire ninguna sustancia activa líquida. También representa una desventaja, en particular, el intercambio de calor con el circuito de aceite del compresor del émbolo, que es imprescindible para el engrase.

Las irreversibilidades que se producen, como las pérdidas de calor en la compresión, las pérdidas de presión en las válvulas y las pérdidas de corriente en la tubería de presión al licuador y en el licuador elevan la entropía, es decir, el calor que ya no se puede volver a recuperar. Además, también la temperatura T2 está por encima de la temperatura de licuación. Una “entalpía de sobrecalentamiento” de este tipo es indeseada, en particular, ya que las elevadas temperaturas que se producen con ella aceleran el envejecimiento del compresor, y en particular del aceite lubricante en un compresor de émbolo. También se reduce la efectividad del proceso.

La sustancia activa licuada a baja temperatura en la salida del licuador se debería relajar en el marco de un proceso cíclico ideal a través de una máquina motriz, por ejemplo una turbina, para aprovechar el exceso de energía que se ha originado respecto al estado con la temperatura y la presión antes de la compresión. Por razones del elevado coste requerido para esto no sucede esta medida, y la presión de la sustancia activa es reducida por medio del dispositivo de estrangulación 83 de modo brusco a la presión menor y a la temperatura menor. La entalpía de la sustancia activa permanece en este caso aproximadamente igual. Por medio de la brusca reducción de la presión, la sustancia activa se ha de evaporar parcialmente para reducir su temperatura. El calor de evaporación requerido procede de la sustancia activa que se encuentra con exceso de temperatura, es decir, no se extrae de la fuente de calor. La totalidad de las pérdidas ocasionadas por medio de la relajación en el dispositivo de estrangulación 83 (Fig. 8) se designa como pérdidas por relajación. En este caso se trata de pérdidas de exergía, ya que el calor de la temperatura T se convierte en calor de la temperatura T0. Estas pérdidas se pueden reducir cuando la sustancia activa líquida puede entregar su calor a un medio de una temperatura menor que T. Esta entalpía de refrigeración se puede aprovechar por medio de un intercambio de calor interno, que sin embargo requiere nuevamente, e igual que antes, un coste adicional de un aparato. Además, principalmente, el intercambio de calor principal está sometido a un límite, ya que en la compresión de los vapores se incrementa la temperatura de sobrecalentamiento T2, gracias a lo cual se pueden volver a compensar parcialmente las ganancias conseguidas, y también se pueden cargar térmicamente la máquina y el... [Seguir leyendo]

1. Bomba de calor con las siguientes características: una primera sección para la evaporación (10) de un líquido de trabajo con una primera presión, para la compresión

(16) del líquido de trabajo evaporado a una segunda presión mayor, y para el licuado (18) del líquido de trabajo comprimido en un licuador (18) ; y una segunda sección para la compresión (1100) del líquido de trabajo líquido a una tercera presión, que es mayor que la segunda presión, para la evaporación (1102) del líquido de trabajo comprimido a la tercera presión, para la relajación (1106) del líquido de trabajo evaporado, para generar corriente eléctrica, y para el licuado del líquido de trabajo evaporado relajado en el licuador (18) , caracterizada porque la primera presión es menor que 20 hPa, la segunda presión es mayor que 5 hPa por encima de la primera presión, y la tercera presión es mayor que 0, 2 MPa.

2. Bomba de calor según la reivindicación 1, en la que la primera sección está conformada para usar corriente eléctrica para la compresión del líquido de trabajo evaporado, que procede de la segunda sección o de una red de suministro de corriente externa, y en la que la segunda sección está conformada para alimentar la corriente eléctrica al menos parcialmente a la red de suministro de corriente externa.

3. Bomba de calor según la reivindicación 1, en la que el líquido de trabajo es agua.

4. Bomba de calor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la segunda sección está conformada para evaporar el líquido de trabajo líquido comprimido a la tercera presión usando una fuente de energía primaria (1102) , en la que la fuente de energía primaria presenta una corriente de gas de salida de un proceso de combustión, o un dispositivo de derivación de calor de un colector solar.

5. Bomba de calor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el licuador (18) presenta dos entradas, en la que una primera entrada está unida a un compresor del tipo dinámico de la primera sección, y en la que la segunda entrada está unida con una turbina (1106) de la segunda sección.

6. Bomba de calor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la segunda sección presenta una bomba de líquido (1100) , un evaporador (1102) que se puede acoplar con una fuente de calor, una turbina (1106) para la entrega de corriente eléctrica y el licuador (18) , en la que la fuente de calor está dimensionada de tal manera que el líquido de trabajo se evapora a la tercera presión.

7. Bomba de calor según una de las reivindicaciones anteriores, en la que la primera sección presenta un evaporador (10) , que se puede acoplar con una fuente de calor, un compresor del tipo dinámico (16) , que está conformado para consumir corriente eléctrica, y el licuador (18) , en la que la fuente de calor está dimensionada de tal manera que el líquido de trabajo se evapora a la primera presión.

8. Procedimiento para el bombeo de calor con las siguientes etapas: Operación de una primera sección, en la que la etapa de la operación de la primera sección presenta una etapa de la evaporación de un líquido de trabajo a una primera presión, una etapa de la compresión del líquido de trabajo evaporado a una segunda presión mayor, y una etapa del licuado del líquido de trabajo comprimido en un licuador (18) , y operación de una segunda sección, en la que la operación de la segunda sección presenta una etapa de la compresión del líquido de trabajo líquido a una tercera presión, que es mayor que la segunda presión, una etapa de la evaporación del líquido de trabajo comprimido a la tercera presión, una etapa de la relajación del líquido de trabajo evaporado a una presión que es menor que la tercera presión, para generar corriente eléctrica, y una etapa para el licuado del líquido de trabajo evaporado relajado en el licuador (18) , caracterizada porque la primera presión es menor que 20 hPa, la segunda presión es menor que 5 hPa por encima de la primera presión, y la tercera presión es mayor que 0, 2 MPa.