Aparato de refrigeración para acondicionamiento de aire y bombas de calor.

Un aparato de refrigeración, que comprende

- una bomba de líquido (4) para el transporte de fluido a través de un ciclo de calentamiento (5,

7, 24, 16, 4, 3),

- una fuente de calor externa (1, 2) para calentar el fluido en el ciclo de calentamiento (5, 7, 24, 16, 4, 3),

- un expansor (7) con una entrada del expansor y una salida del expansor, teniendo la entrada del expansor una conexión de fluido (5) a la fuente de calor externa (1, 2) para recibir fluido en la fase gaseosa a efectos de accionar el expansor (7) expandiendo el fluido,

- un compresor (9) con una entrada del compresor y una salida del compresor, siendo accionado el compresor mediante el expansor (7) para comprimir un fluido de trabajo desde un gas de entrada del compresor a baja presión hasta un gas de salida del compresor a alta presión,

- un primer intercambiador de calor (22) con una conexión de fluido (21) a la salida del compresor y conectado a la entrada del expansor para la transferencia de calor desde el gas de salida del compresor a alta presión al fluido en el ciclo de calentamiento,

- un segundo intercambiador de calor (13) con un condensador para condensar el fluido de trabajo procedente del expansor mediante una transferencia de energía a un segundo fluido de menor temperatura,

- un tercer intercambiador de calor (18) con evaporador, para evaporar el fluido de trabajo procedente del segundo intercambiador de calor (13) mediante una transferencia de energía desde un tercer fluido (19) y para crear un efecto de refrigeración deseado en el tercer fluido (19),

caracterizado por que el primer intercambiador de calor (22) está conectado al ciclo de calentamiento entre la fuente de calor externa (1, 2) y la entrada del expansor (7).

Aparato de refrigeración para acondicionamiento de aire y bombas de calor SECTOR TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La presente Invención se refiere a sistemas de acondicionamiento de aire alimentados por calentadores solares. Especialmente, se refiere a un aparato de refrigeración, que comprende

una bomba de liquido para el transporte de fluido a través de un ciclo de calentamiento,

una fuente de calor externa para calentar el fluido en el ciclo de calentamiento,

un expansor con una entrada del expansor y una salida del expansor, teniendo la entrada del expansor una conexión de fluido a la fuente de calor externa para recibir fluido en fase gaseosa a efectos de accionar el expansor mediante la expansión del fluido,

un compresor con una entrada del compresor y una salida del compresor, siendo accionado el compresor mediante el expansor para comprimir un fluido de trabajo desde un gas de entrada del compresor a baja presión hasta un gas de salida del compresor a alta presión,

un primer intercambiador de calor con una conexión de fluido a la salida del compresor, y conectado a la entrada del expansor para la transferencia de calor desde el gas de salida del compresor a alta presión al fluido en el ciclo de calentamiento,

un segundo intercambiador de calor con un condensador para condensar el fluido de trabajo procedente del expansor mediante una transferencia de energía a un segundo fluido de menor temperatura, por ejemplo aire

ambiente,

un tercer intercambiador de calor con evaporador, para evaporar el fluido de trabajo procedente del segundo intercambiador de calor mediante una transferencia de energía desde un tercer fluido, tal como el aire refrigerado en un hogar, y para crear un efecto de refrigeración deseado en el tercer fluido,

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El número de aparatos de acondicionamiento de aire está aumentando rápidamente. Al estar relacionado con el objetivo mundial de reducción de la emisión de dióxido de carbono, una reducción del consumo de energía de dichas máquinas es de la mayor importancia.

Normalmente, el consumo de energía para el acondicionamiento de aire es máximo cuando la insolación es fuerte. Por lo tanto, es deseable la utilización de energía solar para su transformación en refrigeración de aire. Especialmente, es deseable utilizar sistemas comunes de calentamiento solar que utilicen agua como fluido de trabajo.

Se da a conocer un sistema propuesto para la utilización de energía residual para el acondicionamiento de aire, en la patente de EE.UU. 6 581 384. Este sistema utiliza líquidos que tienen una presión y una temperatura crítica bajas, tal como los refrigerantes. Aunque este sistema parece prometedor a primera vista y la descripción propone la utilización de calentamiento solar, un análisis más exhaustivo revela que este sistema no es adecuado para sistemas comunes de calentamiento solar, no lo es especialmente si se utiliza agua como fluido de trabajo. Esto se examinará con mayor detalle en lo que sigue.

La figura 1 es una copia del sistema dado a conocer en la patente de EE.UU. número 6 581 384. Una fuente de calor 1, tal como un calentador solar, proporciona energía térmica que se transfiere a un fluido de trabajo en un intercambiador de calor 2. El fluido de trabajo se proporciona en el tubo 3 bajo presión proporcionada por una bomba de líquido 4. Al recibir energía térmica en el intercambiador de calor 2, el líquido a presión es sobrecalentado. El líquido sobrecalentado es conducido por el tubo 5 y la válvula de control 6 al expansor 7, donde el líquido se expande y transfiere trabajo desde el fluido de trabajo al expansor. El fluido de trabajo sigue sobrecalentado después de salir del expansor 7, y parte de la energía se transfiere en el intercambiador de calor 8 desde la salida de fluido del expansor 7 al fluido de trabajo en el tubo 3. Después de haber recibido energía del fluido de trabajo, el expansor acciona un compresor 9 conectado al expansor mediante un eje 10. El compresor comprime el fluido de trabajo desde un estado gaseoso hasta un gas a presión intermedia, como parte de un ciclo de refrigeración habitual. El fluido de salida procedente del compresor 9 fluye a través del tubo 20 y se mezcla en la rama 11 con el fluido de salida procedente del intercambiador de calor 8. Con el fin de extraer más calor, se utiliza otro

intercambiador de calor 12 para una transferencia de energía al fluido de trabajo en el tubo 3. El calor restante se elimina en gran medida en el condensador 13 mediante refrigeración por aire ambiente ventilado. El fluido de trabajo sale del condensador 13 y se divide, donde una parte del liquido pasa a través del conducto 14 al depósito refrigerante 15, en el que cualquier vapor residual se separa del liquido antes de entrar al conducto 16 hacia la bomba de presión 4. La otra parte del fluido de trabajo posterior a la división sigue el conducto 17 hacia un evaporador 18, en el que la evaporación conduce a una reducción de la temperatura para obtener energía procedente del aire 19 soplado al interior de un edificio a temperatura reducida para el acondicionamiento de aire. El fluido procedente del evaporador 18 se recircula al compresor 9.

En la patente de EE.UU. número 6 581 384, se da a conocer que el expansor recibe fluido de trabajo de tipo R134a a una temperatura de 400 °F, correspondiente a 204 °C, para conseguir un fluido sobrecalentado, lo que se muestra en el ciclo de refrigeración reproducido en la figura 2, que es un diagrama de entalpia H frente a presión (log P). El ciclo de refrigeración A-B-C-D muestra la expansión A-B en el expansor 7, la condensación B-C en el condensador 13, el bombeo C-D en la bomba 4 y la evaporación D-A en el ¡ntercambiador de calor 2. Se muestra asimismo el ciclo de refrigeración para la otra parte del fluido de trabajo dividido, con la evaporación F-E en el evaporador 18.

La alta temperatura de 204 °C del fluido de trabajo es necesaria a la entrada del expansor 7 para conseguir un fluido sobrecalentado con una fase gaseosa en el expansor 7. El argumento para el sobrecalentamiento no queda claro en la descripción pero se puede deber al hecho de que el inventor desea garantizar que no se formen gotitas durante la expansión en el expansor, porque esto dañaría los álabes del expansor, dado que el expansor funciona a muy alta velocidad. La otra ventaja de una temperatura mayor en el fluido de trabajo es un valor mayor del COP (por sus siglas en Inglés) debido al efecto de exergía. El efecto de exergía se define como la transformación energética desde una escala de alta temperatura a una escala de menor temperatura.

La alta temperatura de 204 °C del fluido de trabajo impide la utilización de calentadores solares comerciales normales, dado que estos trabajan habitualmente a 70-120 °C y no están diseñados para dichas altas temperaturas de un fluido de trabajo.

En relación con la figura 2, el desplazamiento del punto A en el diagrama, por ejemplo, a 140 °C, sería una alternativa, que no se menciona en la descripción de la patente de EE.UU. número 6 581 384. Sin embargo, esto tampoco sería adecuado para los calentadores solares debido a una temperatura demasiado alta.

Otro punto crítico en la patente de EE.UU. número 6 581 384 es la conexión mecánica en forma de un eje entre el expansor y el compresor, en la que es necesario tener en cuenta la diferencia de presión entre la salida del expansor y la entrada del compresor. Esto requiere una mecánica muy sofisticada, en la medida en que el eje funciona a una velocidad muy alta. La solución acorde con la técnica anterior reducirá normalmente la eficiencia de la máquina.

El sistema de la patente de EE.UU. número 6 581 384 tampoco es adecuado para el agua como fluido de trabajo. Esto se puede comprender fácilmente a partir de la figura 3. Independientemente de la presión de entrada en el ¡ntercambiador de calor 2, la temperatura del calentador solar terminará aproximadamente a 100 °C. La expansión en el expansor desde A hasta B se produciría entonces en zona húmeda, donde el líquido no está en forma gaseosa, lo que dañaría el expansor. Como alternativa, el aparato de la patente de EE.UU. número 6 581 384 podría comenzar a una presión muy baja en el punto A' o A" a 100 °C, pero esto no proporcionaría finalmente un rendimiento de refrigeración optimizado. A modo de conclusión, el sistema acorde con la patente de EE.UU. número 6 581 384 no es adecuado para sistemas solares con agua como fluido de trabajo.

El documento WO 02/053877 da a conocer un circuito de turbina accionado por energía solar, que pertenece asimismo al presente campo de la invención.

DESCRIPCIÓN/RESUMEN... [Seguir leyendo]

1. Un aparato de refrigeración, que comprende

una bomba de líquido (4) para el transporte de fluido a través de un ciclo de calentamiento (5, 7, 24, 16, 4,

3),

una fuente de calor externa (1,2) para calentar el fluido en el ciclo de calentamiento (5, 7, 24, 16, 4, 3),

un expansor (7) con una entrada del expansor y una salida del expansor, teniendo la entrada del expansor una conexión de fluido (5) a la fuente de calor externa (1, 2) para recibir fluido en la fase gaseosa a efectos de accionar el expansor (7) expandiendo el fluido,

un compresor (9) con una entrada del compresor y una salida del compresor, siendo accionado el compresor mediante el expansor (7) para comprimir un fluido de trabajo desde un gas de entrada del compresor a baja presión hasta un gas de salida del compresor a alta presión,

un primer intercambiador de calor (22) con una conexión de fluido (21) a la salida del compresor y conectado a la entrada del expansor para la transferencia de calor desde el gas de salida del compresor a alta presión al fluido en el ciclo de calentamiento,

un segundo intercambiador de calor (13) con un condensador para condensar el fluido de trabajo procedente del expansor mediante una transferencia de energía a un segundo fluido de menor temperatura,

un tercer intercambiador de calor (18) con evaporador, para evaporar el fluido de trabajo procedente del segundo intercambiador de calor (13) mediante una transferencia de energía desde un tercer fluido (19) y para crear un efecto de refrigeración deseado en el tercer fluido (19),

caracterizado p or que el primer Intercambiador de calor (22) está conectado al ciclo de calentamiento entre la fuente de calor externa (1, 2) y la entrada del expansor (7).

2. Un aparato acorde con la reivindicación 1, en el que el primer intercambiador de calor (22) está configurado para aumentar la temperatura del fluido procedente de la fuente de calor externa (1, 2).

3. Un aparato acorde con la reivindicación 2, en el que el aumento de la temperatura está adaptado para cambiar el fluido de trabajo desde la fase líquida a la fase gaseosa.

4. Un aparato acorde con cualquier reivindicación anterior, en el que líquido de trabajo es agua.

5. Un aparato acorde con cualquier reivindicación anterior, en el que el expansor tiene una primera etapa del expansor (71) y una segunda etapa del expansor (7"), y opcionalmente etapas adicionales del expansor, y están dispuestos medios de calentamiento para la transferencia de calor al fluido gaseoso entre la primera (7') y la segunda (7") etapas del expansor.

6. Un aparato acorde con cualquier reivindicación anterior, en el que el compresor tiene una primera etapa del compresor (91) y una segunda etapa del compresor (9"), y opcionalmente etapas adicionales del compresor.

7. Un aparato acorde con las reivindicaciones 5 y 6, en el que los medios de calentamiento consisten en un cuarto intercambiador de calor (27) que tiene una conexión de fluido posterior (28) al primer intercambiador de calor (22).

8. Un aparato acorde con cualquier reivindicación anterior, en el que una conexión de fluido de la salida del expansor (24) a la salida del expansor (7) y una conexión de fluido de la salida del compresor (23) a la salida del compresor (9) están conectadas mutuamente por medio de una válvula de reducción de presión (25).

9. Un aparato acorde con la reivindicación 8, en el que la válvula está conectada a la conexión de fluido de la salida del expansor (24) posterior al segundo intercambiador de calor (13), y en el que la válvula está conectada a la conexión de fluido de la salida del compresor (23) anterior al segundo intercambiador de calor (13).

10. Un aparato acorde con cualquier reivindicación anterior, en el que está dispuesto un quinto intercambiador de calor para la transferencia de calor desde el fluido a la salida del compresor (9) al fluido a la entrada del compresor

(9).

11. Un aparato acorde con cualquier reivindicación anterior, en el que la fuente de calor externa (1, 2) comprende un calentador solar (1).

12. Un aparato acorde con la reivindicación 11, en el que el calentador solar (1) está configurado para proporcionar una temperatura al fluido en el ciclo de fluido entre 70 °C y 120 °C.

13. Un aparato acorde con la reivindicación 11, en el que el calentador solar (1) está combinado con un colector

solar configurado para proporcionar una temperatura al fluido en el ciclo de fluido de hasta 500 °C.

14. Un aparato acorde con cualquier reivindicación anterior, en el que la presión del fluido de trabajo en el ciclo de calentamiento antes del expansor (7) es menor de 2 atmósferas.

15. Un aparato acorde con la reivindicación 14, en el que la presión del fluido de trabajo en el ciclo de calentamiento 10 antes del expansor (7) es del orden de la presión atmosférica.

16. Un aparato acorde con cualquier reivindicación anterior, en el que está dispuesto un sexto intercambiador de calor (30) para la transferencia de calor entre la conexión de fluido (21, 23) de la salida del compresor (7) y el fluido de trabajo anterior a la fuente de calor externa (1,2).

17. Un aparato acorde con cualquier reivindicación anterior, en el que el expansor y/o el compresor pueden ser del 15 tipo de turbina axial o radial, o de un tipo que combina los dos principios.

18. Un aparato acorde con la reivindicación 17, en el que el expansor tiene una velocidad de rotación comprendida entre 50 000 y 250 000 rpm.

19. Aplicación de un aparato acorde con cualquier reivindicación anterior para destilar agua utilizada con el fin de humidificar el aire para el condensador (13).