ES2214358T3 - Bomba termica de adsorcion. - Google Patents

Abstract

Bomba térmica de adsorción con, al menos, un adsorbente y, al menos, un desorbente, así como un condensador (13) y un evaporador (14) que están unidos entre sí a través de un circuito de refrigerante y en la que una derivación portadora de calor del condensador (13) está unida a un consumidor de calor (17) y la derivación portadora de calor del evaporador (14) se une a un intercambiador de calor ambiental (16), uniéndose entre sí el condensador (13) y el evaporador (14) a través de un conducto que contiene un órgano de estrangulación (15), caracterizada porque el condensador (13) está dispuesto por debajo del evaporador (14) y el órgano de estrangulación (15) está formado fundamentalmente por un tubo ascendente (18) que sobresale en una salida (22) del condensador (13) que está unido al fondo de carcasa más inferior (21) del condensador (13).

Description

Bomba térmica de adsorción.

La invención se refiere a una bomba térmica de adsorción según el preámbulo de la reivindicación 1. Por el documento EP-A-0 093 345 ya se conoce una bomba térmica de este tipo.

Las bombas térmicas del tipo mencionado al principio se pueden emplear para el calentamiento de edificios, así como para la preparación de agua caliente. Éstas se caracterizan por una eficacia especialmente buena, dado que con ayuda de un proceso cíclico termodinámico aumentan el calor ambiental a un nivel de temperatura que se puede aprovechar para fines de calefacción o agua caliente. Gracias a este efecto, con las bombas térmicas de este tipo se pueden conseguir grados de utilización de energía primaria claramente más altos que con la técnica de calefacción convencional.

El objetivo de la invención consiste en proponer una bomba térmica de adsorción del tipo mencionado al principio, que se caracterice por un muy buen intercambio de calor dentro del proceso con diferencias de temperatura reducidas.

Según la invención, esto se consigue en una bomba térmica de adsorción del tipo mencionado al principio gracias a las características de la reivindicación 1.

Mediante las medidas propuestas se obtiene la ventaja de una regulación muy sencilla de la diferencia de presión entre el condensador y el evaporador. Por otra parte, el órgano de estrangulación se caracteriza por una estructura que se puede fabricar muy fácilmente. Gracias a la regulación sencilla y automática de la diferencia de presión, se obtienen condiciones de servicio muy favorables para la bomba térmica de adsorción.

En este sentido resulta especialmente ventajoso prever las características de la reivindicación 2.

La invención se explica ahora con más detalle por medio del dibujo. Las figuras muestran:

Fig. 1 esquemáticamente una pantalla de esquema modular de una bomba térmica de adsorción según la invención y

Fig. 2 esquemáticamente un órgano de estrangulación.

Las mismas referencias hacen referencia en ambas figuras a los mismos elementos.

En la bomba térmica de adsorción según la invención se prevén respectivamente tres módulos de adsorción A1, A2, A3 conectados en serie que se unen a través de un intercambiador de calor de alta temperatura HWT a tres módulos de desorción conectados en serie D1, D2, D3. A los módulos de desorción D1-D3 se conectan en serie una derivación de un intercambiador de calor de baja temperatura NWT y una bomba P1. Esta bomba P1 se une por el lado de presión al módulo de adsorción A1.

Por otra parte, el lado de presión de la bomba P1 se une a un conducto de derivación B1 que no se debe prever forzosamente, que además está unido al módulo de desorción A3 ó bien al intercambiador de calor de alta temperatura HWT, disponiéndose una válvula V1 en el conducto de derivación B1 que se une en paralelo a la conexión en serie de los módulos de adsorción A1, A2, A3.

Otro conducto de derivación B2 que no es necesario prever forzosamente se conecta en paralelo a la conexión en serie de los módulos de desorción D1, D2, D3 en la que también se dispone una válvula V2.

En este caso, los módulos de adsorción A1, A2, A3, el intercambiador de calor de alta temperatura HWT, los módulos de desorción D1, D2, D3, la derivación unida a éstos del intercambiador de calor de baja temperatura NWT y los conductos de derivación respectivos forman un circuito portador de calor W1.

Los módulos de adsorción o bien de desorción A1-A3, D1-D3 se unen en paralelo a un condensador conjunto 13, disponiéndose respectivamente en cada una de estas uniones previstas para la guía de un refrigerante, una clapeta de retención 1 a 6. Además, los módulos de adsorción y de desorción A1-A3, D1-D3 se unen a un evaporador conjunto 14, disponiéndose respectivamente en cada una de estas uniones que también sirven para la guía de un refrigerante, una clapeta de retención 7 a 12.

El evaporador 14 se une a través de una bomba P3 a un intercambiador de calor ambiental 16, formando el intercambiador de calor ambiental 16 y el evaporador 14 un circuito portador de calor W3.

El condensador 13 se une a través de una bomba P2 a un consumidor de calor 17 y a una segunda derivación del intercambiador de calor de baja temperatura NWT que, por otra parte, se une al condensador 13. En este caso, otro conducto de derivación B3 se conecta en paralelo al condensador 13 en el que se dispone una válvula V3. Sin embargo, el conducto de derivación B3 no es absolutamente imprescindible para el funcionamiento de la instalación, pero sí resulta conveniente. El condensador 13, el consumidor de calor 17 con el condensador y la segunda derivación del intercambiador de calor de baja temperatura NWT forman un circuito portador de calor W2.

Las derivaciones del evaporador 14 y del condensador 13 previstas para guiar un refrigerante se unen entre sí a través de una válvula mariposa 15, cerrándose el circuito de refrigerante por medio de las conexiones a los módulos de adsorción A1-A3 y de desorción D1-D3 y conectándose paralelamente las conexiones a los módulos de adsorción A1-A3 y los módulos de desorción D1-D3.

Se prevé además un dispositivo de conmutación no representado. El mismo constituye la conexión entre el intercambiador de calor de alta temperatura HWT al módulo de desorción D1 y la conexión de uno de los módulos de desorción D1-D3 al siguiente, así como al intercambiador de calor de baja temperatura NWT. El dispositivo de conmutación establece además la conexión de éste al módulo de adsorción A1 y desde uno de los módulos de adsorción A1-A3 al siguiente, así como la unión de éste al intercambiador de calor de alta temperatura HWT, de modo que se cierra el circuito portador de calor W1. Sin embargo, el orden de sucesión de los componentes varía con cada conexión.

Mediante la conexión cíclica del dispositivo de conmutación en el circuito portador de calor W1, todos los módulos A1-A3, D1-D3 pasan por el proceso de sorción completo.

Durante el servicio de la bomba térmica, las válvulas V1 y V2 en los conductos de derivación B1 y B2 están cerradas. En el intercambiador de calor de alta temperatura HWT se acopla el calor, por ejemplo, con ayuda de un quemador de gas, al circuito portador de calor W1. Como consecuencia, el portador de calor caliente fluye sucesivamente por todos los módulos D1-D3 que se encuentran en la fase de alta presión o de desorción, enfriándose el portador de calor.

Debido a la transmisión de calor a los módulos de desorción D1-D3 se calienta el adsorbente aplicado a los mismos. El producto adsorbido que se encuentra en el adsorbente se evapora, fluye por las válvulas de retroceso 4-6 al condensador 13 y allí se vuelve a licuar. El calor de condensación generado es absorbido por el circuito portador de calor W2 y se transmite como calor útil al consumidor 17.

El portador de calor del circuito portador de calor W1, una vez pasados los módulos de desorción D1-D3, fluye al intercambiador de calor de baja temperatura NWT donde se enfría aún más, llegando este calor igualmente como calor útil al consumidor 17 a través del circuito portador de calor W2.

Después el portador de calor pasa en el circuito portador de calor W1 sucesivamente por todos los módulos A1-A3 que se encuentran en fase de baja presión o de adsorción, calentándose el portador de calor como consecuencia de la absorción del calor de adsorción. El calentamiento se basa en que durante la fase de desorción, el producto adsorbido licuado en el condensador 13 se estrangula por medio de la válvula mariposa 15 de una presión de condensador mayor a una presión de evaporador más baja y se evapora de nuevo en el evaporador 14 mediante incorporación de calor ambiental del intercambiador de calor ambiental 16.

El producto adsorbido en forma de vapor fluye por las válvulas de retroceso 7-9 desde el evaporador 14 a los módulos de adsorción A1-A3 donde es absorbido por el producto adsorbido emitiendo calor de adsorción. El calor de adsorción se transmite al portador de calor en el circuito de calor W1 que se calienta. Después de pasar por todos los módulos A1-A3 en fase de baja presión, el portador de calor fluye en el circuito portador de calor W1 al intercambiador de calor de alta temperatura HWT para calentarse allí hasta su temperatura máxima.

Por medio del ya mencionado dispositivo de conmutación se produce una conexión cíclica de todos los módulos A1-A3, D1-D3 en el circuito portador de calor W1, por lo que estos pasan por el completo proceso de sorción que se compone del calentamiento y de la desorción D1-D3, así como de la refrigeración y adsorción A1-A3. En función de la fase de funcionamiento en la que se encuentra un módulo A1-A3, D1-D3 fluye por la respectiva válvula de retroceso 1-6, vapor de refrigerante desorbido desde el módulo al condensador 13 ó vapor de refrigerante generado en el evaporador 14, a través de la respectiva válvula de retroceso 7-12, desde el evaporador 14 al módulo en cuestión donde es adsorbido por el producto adsorbido.

El circuito portador de calor W2 sirve para la alimentación del consumidor 17 con calor útil que es recogido en el condensador 13 o el intercambiador de calor de baja temperatura NWT.

En caso de bajas temperaturas exteriores, se pueden producir, según el diseño de la instalación, estados de funcionamiento que requieran los conductos de derivación B1 y B2 integrados opcionalmente. En el supuesto de tales estados de funcionamiento se abren las válvulas V1 y V2 de manera que el portador de calor en el circuito portador de calor W1 ya circula sólo entre el intercambiador de calor de alta temperatura HWT y el intercambiador de calor de baja temperatura y presión NWT debido a las menores pérdidas de presión.

Durante este calentamiento directo no se produce ningún proceso de sorción y la bomba P3 se puede desconectar. En el circuito portador de calor W2 se abre en este estado de funcionamiento la válvula V3 de manera que el calor útil se transporta desde el intercambiador de calor de baja temperatura NWT directamente al consumidor 17 a través del conducto de derivación B3.

Como se ve en la figura 2, el condensador 13 se dispone por debajo del evaporador 14. El vapor de agua condensado gotea a lo largo de un tubo nervado 19 del condensador 13 y llega a través de un fondo de carcasa 21 dispuesto con inclinación a una salida 22 en la que penetra un tubo ascendente 18 desde arriba. La salida 22 y el tubo ascendente 18 forman el órgano de estrangulamiento 15.

La presión reinante en el condensador 13 presenta un equilibrio junto con la presión del evaporador más la presión hidrostática generada por la longitud l1 del tubo ascendente 18 que sobresale del nivel 23 de la salida 22. Esta longitud 11 se calcula de modo que incluso con una diferencia de presión mínima \Delta\rho_{mín} entre el condensador 13 y el evaporador 14 se transporta refrigerante al evaporador. No es posible indicar la longitud exacta l1, dado que depende de la respectiva temperatura de condensación y de vaporización del refrigerante.

La determinación de la longitud l1 se lleva a cabo convenientemente según la relación.

\Delta\rho_{\text{mín}} \geq \rho \cdot g \cdot l1

significando \Delta\rho_{\text{mín}} la diferencia de presión mínima entre el condensador (13) y el evaporador (14) con la que aún se transporta refrigerante al evaporador (14), \rho la densidad del refrigerante empleado, g la constante de gravitación y l1 la longitud del tubo ascendente (18) que sobresale del nivel (23) de la salida (22).

En condiciones de servicio típicas para el agua refrigerante de, por ejemplo, 8,7 mbar en el evaporador y 42,4 mbar en el condensador 13 y la diferencia de presión mínima resultante de 33,7, se obtiene una longitud l1 del tubo ascendente 18 que sobresale del nivel 23 de 343,8 mm (columna de agua en caso de agua como refrigerante) que no se puede rebasar. La longitud total del tubo ascendente 18 corresponde a la suma l1 + 12 (figura 2) y debe concebirse para el caso de la diferencia máxima de presión \Delta\rho_{máx} entre el condensador 13 y el evaporador 14 más un margen de seguridad S. En este caso, l1 significa la longitud del tubo ascendente 18 que sobresale del nivel 23 de la salida 22, y l2 su longitud dentro de la salida 22. De lo contrario, el condensador 13 conduciría vapor al tubo ascendente 18, lo que tendría como consecuencia una compensación de presión no deseada entre el condensador 13 y el evaporador 14. La diferencia máxima de presión entre el condensador 13 y el evaporador depende, al igual que la mínima, del nivel de temperatura de salida y de retorno de la red calefactora utilizada y, por consiguiente, de las temperaturas de condensación y evaporación.

La determinación de la longitud l es análoga a la de l1.

\Delta\rho_{máx} + S = \leq \rho \cdot g \cdot l

significando S el margen de seguridad.

Una diferencia máxima de presión típica está en 54 mbar, lo que corresponde a una longitud l de 551,2 mm (columna de agua con agua como refrigerante). Si se añade el margen de seguridad s, la longitud total máxima l sería, en este caso, de 888,6 mm (columna de agua con agua como refrigerante). En el empleo de redes calefactoras de más grados, la longitud l2 aumenta respectivamente y, por consiguiente, la longitud total l.

Claims (2)

1. Bomba térmica de adsorción con, al menos, un adsorbente y, al menos, un desorbente, así como un condensador (13) y un evaporador (14) que están unidos entre sí a través de un circuito de refrigerante y en la que una derivación portadora de calor del condensador (13) está unida a un consumidor de calor (17) y la derivación portadora de calor del evaporador (14) se une a un intercambiador de calor ambiental (16), uniéndose entre sí el condensador (13) y el evaporador (14) a través de un conducto que contiene un órgano de estrangulación (15), caracterizada porque el condensador (13) está dispuesto por debajo del evaporador (14) y el órgano de estrangulación (15) está formado fundamentalmente por un tubo ascendente (18) que sobresale en una salida (22) del condensador (13) que está unido al fondo de carcasa más inferior (21) del condensador (13).

2. Bomba térmica de adsorción según la reivindicación 1, caracterizada porque la longitud (11) del tubo ascendente (18) que sobresale del nivel de la salida (22) corresponde a la relación:

\Delta\rho_{mín} \geq \rho \cdot g \cdot l1

significando \Delta\rho_{mín} la diferencia de presión mínima entre el condensador (13) y el evaporador (14) con la que aún se conduce refrigerante al evaporador (14), \rho la densidad del refrigerante empleado, g la constante de gravitación y l1 la longitud del tubo ascendente (18) que sobresale del nivel de la salida (22) y porque la longitud total (l) del tubo ascendente (18) corresponde a la relación

\Delta\rho_{máx} + S = \leq \rho \cdot g \cdot l

significando S un margen de seguridad.