REGULACION DE PRESION SUPERCRITICA DE UN SISTEMA DE COMPRESION DE VAPOR.

Un sistema de compresión de vapor transcrítico (18, 21) que comprende:

un dispositivo de compresión (22) para comprimir un refrigerante a alta presión;

un intercambiador de calor (24) que rechaza calor para enfriar dicho refrigerante;

un intercambiador de calor (28) que acepta calor para evaporar dicho refrigerante;

una máquina de expansión (27) para reducir dicho refrigerante a una presión baja y para recuperar energía, fluyendo dicho refrigerante a través de dicha máquina de expansión (27) a un caudal de máquina de expansión, en donde el ajuste de dicho caudal de máquina de expansión regula dicha alta presión en dicho sistema; y

un dispositivo de recompresión (32) unido a dicha máquina de expansión (27) para recomprimir una porción de dicho refrigerante que sale de dicha máquina de expansión (27), en donde dicha porción de dicho refrigerante recomprimida por dicho dispositivo de recompresión (32) es inyectada en un componente de alta presión del sistema (18, 21), y caracterizado porque la porción de dicho refrigerante que sale de dicha máquina de expansión (27) y que es recomprimida por dicho dispositivo de recompresión (32) circunvala el intercambiador de calor (28) que acepta calor

Regulación de presión supercrítica de un sistema de compresión de vapor.

La presente invención se refiere en general a un sistema para regular el componente de alta presión de un sistema de compresión de vapor transcrítico controlando el caudal a través de una máquina de expansión o mecanismo ex-pansor.

Los refrigerantes que contienen cloro se han ido eliminando progresivamente en la mayor parte del mundo debido al potencial destructor del ozono. Se han usado hidrofluorocarbonos (HFCs) como refrigerantes de reemplazo, pero estos refrigerantes aún tienen un alto potencial de calentamiento global. Se han propuesto como fluidos de reemplazo refrigerantes naturales, tales como dióxido de carbono y propano. Desafortunadamente, también existen problemas con el uso de muchos de estos fluidos. El dióxido de carbono tiene un punto crítico bajo, lo cual provoca que la mayor parte de sistemas de acondicionamiento de aire que emplean dióxido de carbono funcionen parcialmente por encima del punto crítico, o que funcionen en estado transcrítico, en la mayoría de condiciones. La presión de cualquier fluido subcrítico es una función de temperatura en condiciones saturadas (cuando están presentes tanto líquido como vapor). Sin embargo, cuando la temperatura del fluido es más alta que la temperatura transcrítica (supercrítica), la presión se convierte en una función de la densidad del fluido.

Cuando un sistema de compresión de vapor se hace funcionar en estado transcrítico, resulta ventajoso regular el componente de alta presión del sistema. Regulando la alta presión del sistema, puede controlarse y optimizarse la capacidad y/o eficiencia del sistema.

En la técnica anterior, el componente de alta presión de un sistema de compresión de vapor se ha regulado ajustando una válvula situada en la salida del enfriador de gas, permitiendo el control de la capacidad y eficiencia del sistema. Asimismo, se han empleado intercambiadores de calor con tubería de succión y depósitos de almacenamiento para aumentar la capacidad y eficiencia del sistema. Alternativamente, en el documento US 6.321.564 (frente al cual se caracterizan las reivindicaciones 1 y 2), se describe un sistema de ciclo de refrigerante que tiene una unidad de expansión y se convierte energía de expansión en energía mecánica para un segundo compresor.

Según la presente invención, se proporciona un sistema de compresión de vapor transcrítico según la reivindicación 1. En su realización preferida al menos, el sistema de compresión de vapor transcrítico incluye un compresor, un enfriador de gas, una máquina de expansión y un evaporador. Se hace circular el refrigerante a través del ciclo de circuito cerrado. Preferiblemente, se usa dióxido de carbono como refrigerante. Dado que el dióxido de carbono tiene un punto crítico bajo, los sistemas que usan dióxido de carbono como refrigerante requieren usualmente que el sistema de compresor de vapor funcione en estado transcrítico. Cuando se hace funcionar el sistema en estado transcrítico, resulta ventajoso regular el componente de alta presión del sistema de compresión de vapor para controlar y optimizar la capacidad y/o eficiencia del sistema.

La máquina de expansión es un dispositivo de recuperación de trabajo que extrae energía del proceso de expansión. La máquina de expansión aumenta la eficiencia del sistema proporcionando un proceso de expansión más isentrópico. El aumento del caudal a través de la máquina de expansión provoca que más masa abandone la parte de alta presión del sistema, disminuyendo la masa de refrigerante instantánea en la parte de alta presión del sistema y disminuyendo la alta presión en el sistema. La disminución del caudal a través de la máquina de expansión provoca que menos masa abandone la parte de alta presión del sistema, aumentando la masa de refrigerante instantánea en la parte de alta presión del sistema, aumentando la alta presión en el sistema.

En un ejemplo, después de la expansión, el flujo de refrigerante entra en un depósito separador. La fase de vapor del flujo expandido se vuelve a comprimir en un recompresor y se inyecta en la parte de alta presión del sistema. Preferiblemente, el refrigerante se inyecta en la entrada del enfriador de gas. El recompresor está enlazado directamente con la máquina de expansión. Mediante el caudal a través del recompresor, se controlan el caudal a través de la máquina de expansión y, por tanto, el componente de alta presión del sistema. Una primera válvula posicionada entre el flujo expandido y el recompresor regula la cantidad de flujo proporcionada al recompresor y el caudal a través del recompresor. La alta presión del enfriador de gas se vigila mediante un control. A medida que cambia la presión en el enfriador de gas, el control ajusta la primera válvula para alcanzar la presión óptima del sistema.

Si se cierra la primera válvula, disminuye la cantidad de flujo proporcionada al recompresor, disminuyendo la carga que el recompresor aplica sobre la máquina de expansión y aumentando el caudal a través de la máquina de expansión, lo cual provoca que disminuya la presión supercrítica en el sistema. Si se abre la primera válvula, aumenta la cantidad de flujo proporcionada al recompresor, aumentando la carga que el recompresor aplica sobre la máquina de expansión, disminuyendo el caudal a través de la máquina de expansión y aumentando la presión supercrítica del sistema.

El sistema puede incluir además una segunda válvula posicionada entre el flujo expandido y el evaporador para funcionar como un ciclo economizado. La segunda válvula controla el supercalor en la succión del compresor para variar el caudal de masa a través del evaporador. El flujo de vapor frío circunvala el evaporador a través de una tubería de desviación de vapor para enfriar la succión del compresor.

En otro ejemplo, el refrigerante de la succión del compresor se recomprime en el compresor. Alternativamente, el refrigerante del enfriador de gas intercambia calor con refrigerante del recompresor en un intercambiador de calor. Este refrigerante del intercambiador de calor se recomprimen posteriormente. Estos ejemplos alternativos incluyen cada uno de ellos medios para controlar el caudal a través de la máquina de expansión con el fin de controlar y optimizar la capacidad y/o eficiencia del sistema.

Según un aspecto amplio adicional de la presente invención, se proporciona un método para regular una alta presión de un sistema de compresión de vapor transcrítico según la reivindicación 22.

Estas y otras características de la presente invención se comprenderán mejor a partir de la siguiente memoria y dibujos.

Las diversas características y ventajas de la invención se harán evidentes para los versados en la técnica a partir de la siguiente descripción detallada de la realización actualmente preferida. Los dibujos que acompañan la descripción detallada se pueden describir brevemente como sigue:

La figura 1 ilustra un diagrama esquemático de un sistema de compresión de vapor de la técnica anterior;

La figura 2 ilustra un diagrama termodinámico de un sistema de compresión de vapor transcrítico;

La figura 3a ilustra un diagrama esquemático de un primer ejemplo del sistema de compresión de vapor transcrítico que incluye un recompresor para regular el caudal de la máquina expansora con el fin de controla el componente de alta presión del sistema;

La figura 3b ilustra un diagrama esquemático de un primer ejemplo del sistema de compresión de vapor transcrítico que incluye un recompresor regulado por un motor para regular el caudal de la máquina expansora con el fin de controlar el componente de alta presión del sistema;

La figura 4a ilustra un diagrama esquemático de un sistema de compresión de vapor transcrítico que no está de acuerdo con la presente invención y que se muestra únicamente a modo de ilustración, incluyendo un recompresor para regular el caudal de la máquina expansora con el fin de controlar el componente de alta presión del sistema; y

La figura 4b ilustra un diagrama esquemático de un sistema de compresión de vapor transcrítico que no está de acuerdo con la presente invención y que se muestra únicamente a modo de ilustración, incluyendo un recompresor regulado por un motor para regular el caudal de la máquina expansora con el fin de controlar el componente de alta presión del sistema;

La figura 5a ilustra un diagrama esquemático de otro ejemplo de un sistema de compresión...

1. Un sistema de compresión de vapor transcrítico (18, 21) que comprende:

2. El sistema según la reivindicación 1, en el que se regula un caudal de dicho refrigerante a través de dicho dispositivo de recompresión (32) para controlar dicho caudal de dicho refrigerante a través de dicha máquina de expansión (27).

3. El sistema según la reivindicación 1, que incluye además un separador (30) de fases posicionado entre dicha máquina de expansión (27) y dicho intercambiador de calor (28) que acepta calor, y dicha porción de dicho refrigerante que va a ser recomprimida por dicho dispositivo de recompresión (32) sale de dicho separador de fases y entra en dicho dispositivo de recompresión.

4. El sistema según cualquier reivindicación precedente, en el que dicho componente de alta presión de dicho sistema es una entrada de dicho intercambiador de calor (24) que rechaza calor.

5. El sistema según cualquier reivindicación precedente, que incluye además una primera válvula (36) posicionada entre dicha máquina de expansión (27) y dicho dispositivo de recompresión (32), y dicha primera válvula controla un caudal de dicha porción de dicho refrigerante hacia dicho dispositivo de recompresión.

6. El sistema según la reivindicación 5, en el que la apertura de dicha primera válvula (26) aumenta dicho caudal de dicha porción de dicho refrigerante hacia dicho dispositivo de recompresión (32), disminuye dicho caudal a través de dicha máquina de expansión (27) y aumenta dicha alta presión.

7. El sistema según la reivindicación 5, en el que el cierre de dicha primera válvula (36) disminuye dicho caudal de dicha porción de dicho refrigerante hacia dicho dispositivo de recompresión (32), aumenta dicho caudal a través de dicha máquina de expansión (27) y disminuye dicha alta presión.

8. El sistema según la reivindicación 5, que incluye además un control (38) que actúa sobre dicha primera válvula (36).

9. El sistema según la reivindicación 8, en el que dicho control (38) vigila dicha alta presión, compara dicha alta presión con una alta presión deseada y controla dicha primera válvula (36) en respuesta a una comparación de dicha alta presión y dicha alta presión deseada.

10. El sistema según la reivindicación 3, que además incluye una segunda válvula (40) posicionada entre dicho separador (30) de fases y dicho intercambiador de calor (28) que acepta calor.

11. El sistema según la reivindicación 1, en el que dicho refrigerante es dióxido de carbono.

12. El sistema según la reivindicación 1, en el que una de entre una velocidad de dicha máquina de expansión (27) y una frecuencia de funcionamiento de dicha máquina de expansión controla dicho caudal de máquina de expansión.

13. El sistema según la reivindicación 2, en el que un motor (33) regula dicho caudal a través de dicho dispositivo de compresión (32).

14. El sistema según la reivindicación 1, en el que dicho refrigerante de dicho intercambiador de calor (24) que rechaza calor intercambia calor con dicho refrigerante de dicha máquina de expansión (27) en un intercambiador de calor (25), dicho recompresor (32) recomprime dicho refrigerante de dicho intercambiador de calor (25) y dicho caudal de dicho refrigerante a través de dicho dispositivo de recompresión (32) es regulado para controlar dicho caudal de dicho refrigerante a través de dicha máquina de expansión (27).

15. El sistema según la reivindicación 1, en el que se regula dicho caudal de la máquina de expansión ajustando una de entre una velocidad de dicha máquina de expansión (27) y una frecuencia de funcionamiento de dicha máquina de expansión.

16. El sistema según la reivindicación 1, en el que se regula dicho caudal de la máquina de expansión regulando un desplazamiento de dicha máquina de expansión (27).

17. El sistema según la reivindicación 2, en el que se regula dicho caudal de dicho refrigerante a través de dicho dispositivo de recompresión (32) regulando una velocidad de dicho dispositivo de recompresión (32).

18. El sistema según la reivindicación 2, en el que se regula dicho caudal de dicho refrigerante a través de dicho dispositivo de recompresión (32) regulando un desplazamiento de dicho dispositivo de recompresión (32).

19. El sistema según la reivindicación 1, en el que se regula dicho caudal de dicho refrigerante a través de dicho dispositivo de recompresión (32) regulando una densidad de succión de dicho dispositivo de recompresión (32).

20. El sistema según la reivindicación 1, en el que dicha máquina de expansión (27) y dicho dispositivo de recompresión (32) son componentes independientes.

21. El sistema según la reivindicación 1, en el que dicha porción de dicho refrigerante fluye a través de dicho dispositivo de recompresión (32) a un caudal determinado, siendo regulado dicho caudal para controlar dicho caudal de dicha máquina de expansión (27).

22. Un método para regular una alta presión de un sistema de compresión de vapor transcrítico (18, 21), que comprende los pasos de:

23. El método según la reivindicación 22, en el que un caudal del paso de expandir está relacionado con dicho caudal a través de dicho paso de recomprimir.

24. El método según la reivindicación 22, en el que el refrigerante fluye a través de dicho dispositivo de recompresión (32) a un caudal determinado, siendo regulado dicho caudal para controlar dicho caudal de dicha máquina de expansión (27).