ES2225051T3 - Instalacion de bombeo de calor, en particular con funcion frigorifica. - Google Patents
Instalacion de bombeo de calor, en particular con funcion frigorifica.Info
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Abstract
Instalación de bombeo de calor, en particular con función frigorífica, del tipo con ciclo frigorígeno de compresión-expansión, que comprende una zona de vaporización antes de compresión y una zona de condensación después de esta última, en la cual el fluido termodinámico utilizado en dicho ciclo así como el fluido utilizado en los ciclos portador de frío y portador de calor es el agua, efectuándose los intercambios térmicos de vaporización y respectivamente de condensación entre estos dos últimos ciclos y dicho ciclo frigorígeno directamente, sin la medición de superficies de intercambio, y estando el frío producido por esta instalación habitualmente a una temperatura superior a 0°C (frío ¿positivo¿) o a una temperatura negativa (producción de hielo), caracterizada porque el ciclo frigorígeno utiliza una compresión dinámica con dos secciones de compresión separadas (1, 2) conectadas entre sí por lo menos por una zona de intercambio térmico (25) con desobrecalentado y/o con economizador, e incluidas en un recinto (13) de confinamiento del vapor hermético y térmicamente aislada, y porque la ruedas (11, 12) de estas dos secciones están montadas directamente sobre los extremos opuestos del árbol (18) de un motor eléctrico estanco (6) común de velocidad variable dispuesto en dicho recinto (13) entre estas secciones (1, 2).
Description
Instalación de bombeo de calor, en particular con
función frigorífica.
La presente invención se refiere a una
instalación de bombeo de calor, en particular con función
frigorífica, del tipo de ciclo frigorígeno de
compresión-expansión, que comprende una zona de
evaporación antes de compresión y una zona de condensación después
de esta última, en la cual el fluido termodinámico utilizado en
dicho ciclo así como el fluido utilizado en los ciclos portador de
frío y portador de calor es agua, efectuándose los intercambios
térmicos de vaporización y respectivamente de condensación entre
estos dos últimos ciclos y efectuándose dicho ciclo frigorígeno
directamente, sin la intermediación de superficies de intercambio,
y estando el frío producido por esta instalación habitualmente a
una temperatura superior a 0ºC (frío "positivo") o a una
temperatura negativa para la producción de hielo; queda entendido
sin embargo que la función primera de dicha instalación podría ser
por el contrario la producción de calor.
Dichas instalaciones han sido ya utilizadas para
su producción de frío, y para servir así tanto para el enfriado en
unos procesos industriales (moldeo de materiales plásticos,
fabricación de componentes electrónicos...) y terciarios
(comercialización de productos alimenticios, climatización de
ordenadores...) como para el confort de las personas (refrescado o
climatización de locales).
Las mismas presentan la ventaja de evitar la
utilización, en el ciclo de compresión-expansión o
frigorígeno, fluidos termodinámicos orgánicos tales como los de la
familia de los CFG (clorofluorocarbonos) que tienen un impacto
desfavorable sobre el efecto de invernadero, o también de los HCFC
(hidroclorofluorocarbonos) o HFC (hidrofluorocarbonos) cuyo impacto
sobre el efecto de invernadero es menor pero aún no
despreciable.
Por el contrario, las mismas adolecen del
inconveniente que su realización topa con la necesidad de que
tratan volúmenes muy importantes de vapor, en particular a nivel
del compresor, constituyendo esto una de las razones por las cuales
las instalaciones con ciclos con vapor de agua solamente han
conocido hasta el presente un desarrollo muy limitado.
Unos prototipos de dichas instalaciones que
utilizan el agua como fluido termodinámico así como en los ciclos
portador de frío y portador de calor, han sido sin embargo
construidos ya a escala industrial. Una, con una potencia
calorífica del orden de 2000 kW, utilizada para el enfriado de
máquinas de extrusión, utiliza un ciclo abierto de producción de
frío por evaporación, compresión, condensación y expulsión de agua
en la atmósfera, lo que constituye un primer inconveniente. La misma
recurre a dos compresores de vapor independientes dispuestos
enfrentados en los extremos de un recinto estanco a baja presión,
estando sus entradas de aspiración enfrentadas una a la otra, a
ambos lados del evaporador, y siendo estos compresores, del tipo
centrífugo con aletas flexibles, lo que les confiere una
"geometría variable", arrastrados respectivamente por dos
motores eléctricos también de velocidad variable, exteriores al
recinto. Otro inconveniente de este tipo de instalación reside por
consiguiente en un volumen muy importante, con riesgos de entradas
de aire en las travesías de árboles, así como de pérdidas térmicas,
siendo el aire disuelto por otra parte introducido en la
instalación por el circuito abierto del condensador, lo que
complica el problema del desgaseado; debe observarse a este
respecto que los incondensables son extraídos aquí a la presión de
evaporación, es decir a baja presión. Se observan además unos
"pinzados" (diferencias entre las temperaturas de intercambio)
relativamente importantes a nivel del evaporador y del
condensador.
Otro prototipo, más compacto, de una potencia
frigorífica del orden de 800 kW, funciona globalmente según el mismo
ciclo termodinámico con agua y utiliza también dos compresores
separados dispuestos, con sus dos motores respectivos, en el
interior del recinto hermético; esto resuelve ciertamente el
problema de la estanqueidad en las travesías de árboles, pero la
gran velocidad periférica de las ruedas de compresores, las cuales
deben comprimir unos volúmenes de vapor muy importantes, ha
conducido a su diseñador a utilizar aquí una estructura de aletas
de fibras de carbono, que les proporciona la resistencia mecánica
deseada con respecto a las fuerzas centrífugas pero hipoteca su
duración de vida, siendo estas ruedas muy sensibles a la erosión
debida al impacto de las gotas de agua que corren el riesgo de ser
arrastradas a gran velocidad con la aspiración de los compresores.
El documento US 4 896 515 describe otra instalación de bombeo de
calor que utiliza dos compresores y el agua como refrigerante.
El objetivo de la presente invención es por
tanto, conservando al mismo tiempo las ventajas inherentes a la
utilización de agua como fluido termodinámico, evitar los
inconvenientes de las técnicas anteriores en una instalación de
bombeo de calor a escala industrial, en particular con el fin
primario de producir frío pero sin excluir la producción de
calor.
A este fin, una instalación de acuerdo con la
presente invención, del tipo general recordado a principio, está
caracterizada porque el ciclo frigorígeno utiliza una compresión
dinámica con dos secciones de compresión separadas, unidas entre sí
por lo menos por una zona de intercambio térmico
(desobrecalentamiento y/o economizador) e incluidas en un recinto de
confinamiento del vapor hermético y térmicamente aislado, y porque
las ruedas de estas dos secciones están montadas directamente sobre
los extremos opuestos del árbol de un motor eléctrico estanco común
de velocidad variable dispuesto en dicho recinto, entre estas
secciones.
La adopción de dicho conjunto motocompresor
completamente "integrado" permite por una parte alcanzar una
gran compacidad, por otra parte resolver el problema de
estanqueidad de árbol y, con una mejor economía de medios, resolver
también el problema difícil planteado por la concepción del
compresor capaz de rendimientos aerodinámicas y mecánicas elevadas,
limitando al mismo tiempo el precio de coste de la instalación. En
particular, la adopción del motor eléctrico único para el arrastre
de las dos secciones de compresión, comprendiendo cada una (por
ejemplo en caso de compresión centrífuga) o varias (en caso de
compresión axial) etapas de ruedas de compresión, y esto sin
obligación de utilizar unas etapas multiplicadoras de velocidad,
corresponde a una simplificación constructiva determinante. Además,
dicha concepción del confinamiento de la instalación permite un
funcionamiento del compresor sin aceite, de lo que resulta una
simplificación de las operaciones de explotación y de
mantenimiento, garantizando al mismo tiempo la ausencia de polución
del fluido frigorígeno. Debe observarse aquí que las secciones de
compresión llamada "centrífuga" que serán utilizadas
preferentemente en las secciones de compresión llamada axial,
comprenderán de forma clásica, para cada etapa que las constituye
(en principio una o dos), una rueda móvil precedida de un
convergente de aspiración y seguida de un difusor estático liso o
con aletas.
Debe observarse por otra parte que la utilización
de por lo menos un desobrecalentamiento del vapor entre las dos
secciones de compresión evitará alcanzar temperaturas excesivas,
presentará la ventaja de reducir el trabajo de compresión de la
segunda sección y contribuirá a la mejora de la eficacia del ciclo,
a saber al aumento de la relación entre la potencia frigorífica o
calorífica suministrada y la energía eléctrica necesaria para el
funcionamiento de la instalación, pudiendo esta eficacia alcanzar un
valor de 7 a 8, lo que resulta muy satisfactorio. Este
desobrecalentamiento después de la primera sección de compresión
podrá efectuarse parcialmente por expansión instantánea del agua
salida del condensador, y devuelta al evaporador, expansión
instantánea que asegura, sin superficie de intercambio intermedia,
un enfriado parcial de esta agua y que constituye así un
economizador.
Preferentemente, dicho motor eléctrico será un
motor síncrono con rotor de imanes permanentes asociado a un
variador de frecuencia que permitirá hacer variar su velocidad y
por tanto adaptar la velocidad de rotación de las ruedas de
compresor a los caudales de vapor tratados, y funcionar con carga
parcial en los límites de estabilidad aerodinámica del compresor.
La adopción de dicho motor permitirá asegurar un mínimo de pérdidas
térmicas a nivel del rotor, lo que es importante teniendo en cuenta
los malos intercambios térmicos en un recinto en el que reinará, en
el caso de una producción de frío, una presión muy débil de vapor.
Sin embargo, se podrían prever otros tipos de motores menos
costosos, pro ejemplo unos motores asíncronos, con dispositivo de
eliminación de pérdidas térmicas.
Los cojinetes de árbol de dicho motor eléctrico
pueden ser de cualquier tipo apropiado para su función, por ejemplo
de tipo con rodamientos de bolas de cerámica o también del tipo
fluido o liso, con agua como dispositivo anticavitación, o incluso
con aceite con dispositivo de estanqueidad, o del tipo magnético,
con lo cual se imposibilita cualquier contaminación del fluido
frigorígeno por un medio de lubricación.
Según una disposición de la invención, se puede
prever que los cojinetes de árbol de dicho motor estén dispuestos
por el lado de este último, estando las ruedas del compresor de tal
modo en voladizo sobre los extremos de dicho árbol, pero la
disposición inversa también es posible: ruedas del compresor
dispuestas entre el motor y los cojinetes, sin voladizo.
Otra característica estructural importante de la
instalación reside en el hecho de que las dos secciones de
compresión están dispuestas en oposición a ambos lados del motor de
arrastre eléctrico común, con sus entradas respectivas
(aspiraciones) dirigidas hacia los extremos del recinto de
confinamiento (contrariamente a la técnica anterior mencionada en
primer lugar más arriba), formándose así unas zonas de vaporización
y de desobrecalentamiento entre estos extremos del recinto y,
respectivamente, la entrada de la primera y la entrada de la
segunda secciones de compresión.
Esta disposición permite compensar las reacciones
axiales debidas a las ruedas, contribuye a la obtención de una gran
compacidad, en particular en longitud, y facilita la conexión de
los circuitos de agua exteriores.
En el caso en que ello fuera necesario, en
particular en algunas condiciones climáticas para aumentar el
porcentaje de compresión (en caso de temperatura exterior demasiado
elevada o de diferencia de temperatura evaporación/condensación
demasiado importante), se puede prever también que las dos
secciones de compresión estén asociadas a una tercera sección de
compresión dispuesta en el recinto de confinamiento -o puesta en
comunicación con ella- y constituida por un aumentador de presión
el cual está dispuesto corriente arriba o corriente abajo del
compresor o también entre sus dos secciones.
Ventajosamente, este aumentador de presión será
arrastrado por una turbina hidráulica que funciona con agua, en
particular tomada del circuito interno, a nivel de la vaporización
o la condensación, pero también podría ser arrastrada por la turbina
de expansión de vapor o por un motor eléctrico independiente,
eventualmente a una velocidad diferente de la del compresor,
pudiendo incluso ser detenido en caso de retorno a unas condiciones
climáticas normales.
Ventajosamente también, y con el fin de disminuir
el precio de coste y de aligerar las masas giratorias, se podrá
prever que dicho aumentador de presión o las secciones de
compresión estén constituidos por una o varias ruedas de compresión
que comprenden un rotor de placa giratoria provisto de aletas planas
radiales y eventualmente asociado a unos álabes estáticos de puesta
en prerrotación del fluido.
Según que la instalación comprenda o no un
aumentador de presión, su organización general podrá ser
ligeramente diferente: la misma podrá entonces caracterizarse,
respectivamente, porque la zona de condensación está situada en el
extremo del recinto de confinamiento que se encuentra por el lado de
entrada de aspiración de la segunda sección de compresión, o porque
esta zona de condensación está situada entre la zona de
desobrecalentamiento y esta entrada de aspiración de la segunda
sección de compresión.
Estas disposiciones de la invención así como unas
disposiciones complementarias que se refieren a la estructura de la
instalación y a su funcionamiento termodinámico se comprenderá
mejor con la lectura de los siguientes ejemplos de realización,
dados a título en modo alguno limitativo haciendo referencia a las
figuras del plano anexo, en el cual:
- la figura 1 es una vista esquemática que
muestra una organización general posible de la instalación,
suponiendo que solo comprende dos secciones de compresión,
mostrando la figura una variante con dos secciones de compresión en
paralelo;
- la figura 2 es una vista esquemática que
muestra una organización general de la instalación cuando está
provista de una tercera etapa de compresión o aumentador de
presión;
- la figura 3 es una vista en sección axial más
detallada de una instalación semejante a la de la figura 1;
- la figura 4 es una vista en sección axial
parcial que muestra la separación líquido/vapor en un convergente de
aspiración dispuesto a la entrada de cada sección de compresión y
asociado a un canal de separación inercial;
- la figura 5 es una vista en perspectiva de una
rueda semiabierta y zunchada de sección de compresión;
- las figuras 6 y 7 son unas vistas en sección
parcial desarrollada de dos variantes posibles de un alabeado de
rotor del compresor;
- la figura 8 es una vista en sección parcial
desarrollada de un rotor del compresor simplificado que comprende
una placa giratoria provista de aletas planas radiales y asociada a
unos álabes estáticos de puesta en prerrotación del fluido;
- la figura 9 representa esquemáticamente una
zona de condensación con guarnición;
- la figura 10 representa un condensador de
"reflujo" dispuesto a la salida de la zona de
condensación;
- la figura 11 es una vista esquemática del
conjunto de la instalación;
- la figura 12a es un esquema termodinámico de la
instalación;
- la figura 12b es un ejemplo de diagrama
entálpico P=f(H) de una instalación de acuerdo con la
invención;
- la figura 13 es una vista esquemática parcial
de la instalación, que muestra la implantación de un aumentador de
presión corriente abajo; y
- la figura 14 muestra un cojinete de agua para
el árbol del motor.
En la figura 1 se ha referenciado en 1 y 2 las
dos secciones de compresión de la instalación, cuyas entradas de
aspiración 3 y 4 están dispuestas opuestas entre sí, estando la
salida de la sección 1 conectada por unos conductos 5 a la entrada
4 de la sección 2. Las ruedas móviles de las dos secciones están
caladas sobre los extremos del árbol 18 de un motor eléctrico común
de velocidad variable 6.
En la figura 1a se han representado una variante
según la cual se utilizan dos secciones de compresión 1' y 2'
montadas en paralelo, con una entrada común 3' y arrastradas por un
motor común 6', para obtener unas potencias frigoríficas más
elevadas. Estas secciones pueden estar seguidas de una sección de
compresión, pudiendo esta última estar constituida también por dos
secciones en paralelo y/o por un aumentador de presión.
La figura 2 representa también esquemáticamente
una instalación que comprende una tercera sección de compresión (o
aumentador de presión) 7 arrastrada por un motor eléctrico
independiente 8, cuya entrada de aspiración 9 comunica con la salida
de la segunda sección de compresión 2 y cuya impulsión 10 comunica
con una zona de condensación; la implantación de este aumentador de
presión en la instalación se apreciará mejor en la figura 13, en la
cual se han utilizado las mismas referencias que en la figura 3,
para designar las partes comunes.
En la figura 3, que representa una instalación
sin aumentador de presión, se ha designado en 11 y 12 las ruedas
centrífugas de compresión de vapor de agua (que en este dibujo se
suponen semiabiertas) que pertenecen respectivamente a las dos
secciones de compresión citadas 1 y 2, por ejemplo cada una en una
etapa de compresión, constituyendo juntas el compresor del ciclo
termodinámico, el cual esta dispuesto en un recinto hermético 13 de
confinamiento a muy baja presión, estando estas dos secciones como
se ha indicado más arriba situadas en oposición: sus entradas de
aspiración 3 y 4, provistas cada una respectivamente de un
separador líquido/vapor o desvesiculador 14, 15, están dirigidas
hacia los dos extremos opuestos del recinto, referenciado
respectivamente en 16 y 17. Las ruedas móviles 11 y 12 de estas
dos secciones de compresión 1 y 2 están caladas en voladizo sobre
los extremos opuestos del árbol 18 del motor eléctrico común 6
citado, que es de tipo síncrono y estanco, y cuyo rotor es
ventajosamente de imanes permanentes. Como los cojinetes del árbol
18 están lubrificados sin aceite, como se ha descrito más adelante,
el mantenimiento está facilitado y se elimina el riesgo de polución
del fluido frigorígeno.
El recinto 13, con el fin de simplificar las
operaciones de mantenimiento que pueden hacer intervenir unos
cuerpos de oficios diferentes (frigoristas, mecánicos,
termodinámicos, electricistas), está constituido por tres módulos
distintos conectados uno al siguiente por medio de unas bridas 19 y
20 cuyo ensamblaje está asegurado por unos medios conocidos
(tornillos, "cintas móviles", etc.). Estos tres módulos
comprenden un módulo de evaporación instantánea 21 que contiene una
zona de evaporación 22, un módulo de compresión 23 que contiene las
dos secciones de compresión 1 y 2, y un módulo de condensación 24
que contiene una zona de sobrecalentamiento 25 y eventualmente con
economizador, y la zona de condensación 26.
La zona de vaporización 22 está establecida en
forma de un evaporador instantáneo en el cual la energía interna
del fluido permanece constante (expansión isentálpica), siendo la
disminución de la del líquido exactamente compensada por el aumento
de la del líquido vaporizado. Para ello, el agua helada de retorno
a la instalación por un conducto 27, que ha sido recalentado, por
ejemplo hasta aproximadamente 12ºC, por su paso por el circuito de
utilización U que la instalación tiene por objeto enfriar, es
inyectada en forma de gotas en la zona 22 por una batería de
pulverización 28 y se vaporiza instantáneamente debido a la presión
absoluta muy baja, que puede ser del orden de 10 mbars, que reina
en esta zona 22. En otros términos, la energía necesaria para la
evaporación del líquido proviene del propio líquido según un
proceso adiabático. El agua así enfriada a una temperatura que puede
ser del orden de 7ºC, es recuperada en la parte inferior del
recinto y es evacuada de allí por un conducto de agua helada
referenciado en 29. Los intercambios térmicos en este ciclo
frigorígeno son directos (intercambios por contacto y no por medio
de superficies), y existen muy pocas irreversibilidades; se ha
suprimido el "pinzado" presente en las instalaciones con
intercambiadores tubulares o de placas, lo que permite obtener un
coeficiente de rendimiento prácticas superior a 7 para unas
temperaturas de evaporación y de condensación respectivamente de 7 y
de 30ºC. La ausencia de superficies de intercambio para el
evaporador y el condensador presenta además la ventaja de no
necesitar ningún desprendimiento longitudinal para desentubado o
limpieza de las superficies, de lo que resulta una disminución del
espacio que debe ser reservado para la instalación.
La presencia de gotas de agua en el vapor así
creado es beneficiosa puesto que favorece el desobrecalentamiento
del vapor cuando tiene lugar la fase siguiente de compresión, de lo
que resulta un caudal volumétrico menor, permitiendo reducir las
secciones de paso, por tanto el volumen de la instalación y el
coste. Además, la masa volumétrica es más elevada, lo que permite
obtener un porcentaje de compresión más importante y contribuye a
aumentar el coeficiente de rendimiento global.
Sin embargo, para evitar una erosión de los
álabes de la ruedas de compresor por las gotas de agua a gran
velocidad, el separador líquido/vapor o desvesiculador 14, 15
dispuesto a la entrada de aspiración 3, 4 de cada sección de
compresión puede ser, como se ha detallado en la figura 4, seguido
o reemplazado por un pabellón de convergente fijo 30 especial sobre
la pared del cual el agua puede fluir y cuyo borde de fuga desemboca
en un colector de agua circular o canal 31, provisto de una salida
de evacuación de agua inferior 32 y que asegura una separación
inercial eficaz entre el agua y el vapor. Debe observarse que el
agua fluye en cantidad bastante significativa sobre esta pared 30
del convergente, debido a la separación provocada por la puesta en
velocidad axial del vapor, asociada a la coalescencia de las gotas
de agua, lo que subraya el interés de esta disposición. Por el
contrario, no se busca eliminar la niebla que pasa por la sección de
salida del convergente, puesto que su presencia es favorable para
el desobrecalentamiento, y sus efectos mecánicos son reducidos.
Por otra parte, para evitar la erosión llamada
"en croissant" de los álabes de la rueda 11, 12 de compresión
bajo el impacto de las finas gotas que permanecen en suspensión en
el vapor, estos álabes están ventajosamente rodeados, en su porción
axial, por un zuncho, referenciado 33 en la vista en perspectiva de
la figura 5. Este zuncho, que tiene también un efecto
antivibratorio, puede así canalizar el agua aspirada hasta que deja
la zona axial.
La vista en sección desarrollada parcial de la
figura 6 muestra por otra parte la posibilidad de conferir a las
aletas 34 de los álabes de rotor un ángulo agudo con respecto al
plano de la placa posterior 35, lo que favorece el arrastre del
agua en el sentido de la rotación. También sería posible conferir a
estas aletas 34 una ligera concavidad, con el mismo efecto (figura
7).
La figura 8 representa una variante de compresión
simplificado que se puede utilizar si se desea rebajar el precio de
coste o reducir las masas giratorias para el aumentador de presión
8 o para las ruedas de compresión, variante que además permitirá
eliminar el zuncho 33 mencionado más arriba: el compresor comprende
un rotor de placa giratoria 37 provisto de aletas planas radiales 38
y eventualmente asociado a unos álabes estáticos 36 de puesta en
prerrotación del fluido.
El vapor comprimido en la primera sección 1 del
compresor es dirigido hacia la segunda sección 2 por los conductos
de circulación 5 ya mencionados y referenciados también en la
figura 3. Estos conductos pueden comprender a la salida de sección
un difusor radial liso o con aletas 39, 39a y/o axial 40, 40a con
aletas (caso de la parte alta del plano), destinado a elevar la
presión de vapor disminuyendo su velocidad. Puede resultar necesario
prever una inyección adicional de agua en el difusor, corriente
abajo de la rueda a fin de desobrecalentar el vapor. En caso de
difusor radial y/o axial, puede resultar juicioso realizar esta
inyección en la proximidad del cambio de dirección, en el codo entre
los difusores 39 y 40 y/o en el borde de fuga de las aletas 39, 39a
de la parte alta del dibujo.
Antes de ser aspirado en la entrada de la segunda
sección de compresión 2, el vapor salido de los conductos 5 sufre
un desobrecalentado en la zona de desobrecalentamiento intermedia
25 mencionada más arriba, situada en este ejemplo en la proximidad
del extremo 17 del recinto de confinamiento 13, para evitar
alcanzar temperaturas excesivas a la salida del compresor. Este
desobrecalentamiento puede estar asegurado por "expansión
instantánea" del caudal de agua salido del condensador y devuelto
al evaporador, lo que constituye un economizador que asegura un
enfriado parcial de esta agua. En efecto, teniendo el agua un calor
latente muy elevado, la vaporización de un pequeño volumen de
líquido es suficiente para desobrecalentar el vapor.
El vapor salido de la segunda sección de
compresión 2 a una temperatura próxima a la condensación bajo la
presión correspondiente pasa a continuación a la zona de
condensación 26 por otros conductos estáticos 41. La condensación se
efectúa por mezcla, produciéndose el intercambio térmico entre la
fase vapor salida del compresor y las gotas líquidas dispersadas
por una batería 42 de pulverización alimentada por un conducto 43 de
retorno del agua enfriada (a aproximadamente 25ºC) del
aerorefrigerante (A), tratándose de un aerorefrigerante clásico con
serpentín y ventilación mecánica, que impide cualquier contacto
entre el agua y el aire exterior, esto para evitar cualquier
contaminación biológica o química así como la presencia de gases
disueltos en el agua. El agua calentada por la condensación del
vapor es recogida en la parte baja del recinto y devuelta al
aerorefrigerante por un conducto 44 (figura 3).
Debe observarse que la principal resistencia al
fenómeno de condensación no está ligada a la convección en el
vapor, sino más bien a la conducción en el líquido, por lo que
convendrá eventualmente asegurar un tiempo de permanencia del
líquido en el condensador lo más largo posible, aumentando las
superficies de contacto y con un removido con el vapor que circula
a contracorriente, creado por una guarnición del condensador tal
como unos anillos Raschig. Dicha guarnición ha sido representada
esquemáticamente en 45 en la figura 9 y está coronada por un
repartidor 46 alimentado con agua enfriada por la batería 42,
estando prevista una rejilla 47 en la base de la guarnición para su
retención en el interior de una caja 48.
En 49 se ha referenciado en la figura 3 una bomba
de puesta bajo vacío, la cual se efectúa a la presión de
condensación. Al arranque de la instalación, estando el recinto 13
lleno de aire a presión, la bomba deberá evacuar este aire para
llevar la presión interna absoluta a un valor próximo a 40 mbars.
Para reducir el tiempo necesario para esta evacuación, se puede
prever un grupo de arranque, por ejemplo del tipo con elector, con
agua como fluido motor, puesto que se dispone de agua de enfriado
del condensador.
Para reducir el caudal de vapor extraído con los
incondensables, esencialmente aire, será ventajoso disponer un
condensador de "reflujo" a la salida de la zona de
condensación 26. Dicho condensador de "reflujo", representado
en la figura 10, podría estar constituido por una columna 50 en la
base de la cual el vapor residual que proviene de la zona de
condensación 26 es inyectado a través de los laberintos 51, siendo
los incondensables saturados de humedad evacuados por su extremo
superior 52 hacia la bomba de vacío 49. Esta columna puede
comprender sucesivamente dos zonas a contracorriente: por una parte
una zona 53 en la cual una parte del vapor se condensa gracias a un
intercambiador de superficie de serpentín 54 en el cual al
aportación frigorífica está asegurada por el retorno de agua del
aerorefrigerante antes de su pulverización en la batería 42 del
condensador, por otra parte, una zona 55 en la cual otra parte del
vapor se condensa gracias a un intercambiador de superficie 56 con
tubos y laberintos de circulación de agua, estando aquí la
aportación frigorífica asegurada por un bajo caudal de agua helada
57 que proviene de la zona de evaporación 22. Se puede indicar que
el condensador de "reflujo" podría comprender solo una o la
otra de las dos partes descritas anteriormente, o también los dos
tipos de superficies de intercambios permutadas.
Para el funcionamiento con carga parcial de la
instalación, se puede hacer variar la frecuencia de alimentación
del motor síncrono 6, o se puede prever un circuito de reciclaje
térmico de cierto caudal de líquido de la zona de condensación 26
hacia la zona de evaporación 22.
En la vista esquemática de la figura 11, en la
cual se han utilizado las mismas referencias que en la figura 3, se
observa que la diferencia de las presiones entre las dos zonas 22 y
26 puede ser muy simplemente compensada por un conducto 58 que
conecta los pies de las columnas de agua de alturas diferentes
previstas para la evacuación 29 y 44 de estas dos zonas. Debe
observarse que el desobrecalentamiento intermedio entre las
secciones de compresión puede estar asociado a una "expansión
instantánea" del pequeño caudal de agua salido del condensador
26 y devuelto por el conducto 58 a la zona de vaporización 22, lo
que constituye un economizador que asegura un enfriado parcial de
este agua.
También se puede prever producir un exceso de
frío durante la noche y almacenarlo en forma de agua helada o de
hielo, siendo entonces este frío recuperado durante la jornada.
En un diagrama T= f(E), siendo E la
energía intercambiada, la figura 12a muestra el esquema
termodinámico de la instalación I. Q_{F} representa el calor
tomado de la fuente fría, a saber el circuito utilizador U; W
representa el trabajo recibido en la instalación I, y Q_{C} el
calor cedido a la fuente caliente, a saber el aerorefrigerante A
(ver también figura 12b), siendo la relación que liga estos valores
IQ_{F} I = IQ_{C}I + IWI.
El diagrama entálpico de la figura 12b representa
un funcionamiento clásico de la instalación I. El agua es
vaporizada a una temperatura T_{E} de aproximadamente 7ºC en la
zona de evaporación 22, y después comprimida en la primera sección
de compresión 1, desobrecalentada hasta una temperatura T_{D} de
aproximadamente 18ºC, comprimida en la segunda sección de compresión
2 para alcanzar una temperatura T_{C} de aproximadamente 30ºC, y
condensada en la zona de condensación 26. El agua de condensación
es bombeada por una bomba P_{1} hacia el aerorefrigerante A en
44, y vuelve de él a una temperatura de aproximadamente 25ºC, en 43
(ciclo portador de calor). En el ciclo portador de frío 27, 22, 29,
el agua es enfriada por vaporización, entre aproximadamente 12º y
7ºC, y es bombeada en el circuito utilizador U por una bomba
P_{2}.
Aunque la descripción haya sido realizada
privilegiando la valorización del efecto frigorífico, la
instalación también podría tener por función primera la producción
de calor, en cuyo caso la presión en el interior del recinto podría
ser superior a la presión atmosférica a fin de alcanzar temperaturas
de condensación superiores a 100ºC.
Por último se ha representado en la figura 14 una
estructura posible de cojinete de agua para el árbol 18 del motor
eléctrico 6. Este cojinete, referenciado en 59, comprende una
llegada de líquido a presión 60, el cual sufre por efecto dinámico
una expansión parcial en el intervalo 61 entre el mandrilado del
cojinete y la superficie del árbol 18, antes de sufrir una
expansión complementaria y una vaporización parcial a su salida de
este intervalo, en 62. El vapor y el líquido residual son entonces
dirigidos a una cámara de tranquilización 63 por un deflector
64.
Claims (28)
1. Instalación de bombeo de calor, en particular
con función frigorífica, del tipo con ciclo frigorígeno de
compresión-expansión, que comprende una zona de
vaporización antes de compresión y una zona de condensación después
de esta última, en la cual el fluido termodinámico utilizado en
dicho ciclo así como el fluido utilizado en los ciclos portador de
frío y portador de calor es el agua, efectuándose los intercambios
térmicos de vaporización y respectivamente de condensación entre
estos dos últimos ciclos y dicho ciclo frigorígeno directamente,
sin la medición de superficies de intercambio, y estando el frío
producido por esta instalación habitualmente a una temperatura
superior a 0ºC (frío "positivo") o a una temperatura negativa
(producción de hielo), caracterizada porque el ciclo
frigorígeno utiliza una compresión dinámica con dos secciones de
compresión separadas (1, 2) conectadas entre sí por lo menos por
una zona de intercambio térmico (25) con desobrecalentado y/o con
economizador, e incluidas en un recinto (13) de confinamiento del
vapor hermético y térmicamente aislada, y porque la ruedas (11, 12)
de estas dos secciones están montadas directamente sobre los
extremos opuestos del árbol (18) de un motor eléctrico estanco (6)
común de velocidad variable dispuesto en dicho recinto (13) entre
estas secciones (1, 2).
2. Instalación de bombeo de calor según la
reivindicación 1, caracterizada porque dicho motor eléctrico
de velocidad variable (6) es un motor síncrono de rotor con imanes
permanentes asociado a un variador de frecuencia.
3. Instalación de bombeo de calor según la
reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque los cojinetes de
árbol de dicho motor (6) son del tipo con rodamientos de bolas de
cerámica.
4. Instalación de bombeo de calor según la
reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque los cojinetes de
árbol (18) de dicho motor son del tipo fluido o liso, con agua (59)
con dispositivo anticavitación, o de aceite con dispositivo de
estanqueidad, o también del tipo magnético.
5. Instalación de bombeo de calor según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada
porque los cojinetes de árbol (18) de dicho motor (6) están
dispuestos por el lado de este último, estando las ruedas (11, 12)
del compresor de esta manera en voladizo sobre los extremos de
dicho árbol (18).
6. Instalación de bombeo de calor según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada
porque las dos secciones de compresión (1, 2) están dispuestas en
oposición a ambos lados del motor de arrastre eléctrico común (6),
con sus entradas respectivas (3, 4) dirigidas hacia los extremos
(16, 17) del recinto de confinamiento (13), estando unas zonas de
vaporización (22) y de desobrecalentamiento (25) dispuestas así
entre estos extremos del recinto (13) y, respectivamente, la entrada
(3) de la primera (1) y la entrada (4) de la segunda (2) secciones
de compresión.
7. Instalación de bombeo de calor según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada
porque las dos secciones de compresión (1, 2) están asociadas a una
tercera sección de compresión (7) dispuesta en el recinto de
confinamiento (13) o puesta en comunicación con ella y constituida
por un aumentador de presión, el cual está dispuesto corriente
arriba o corriente abajo del compresor, o también entre sus dos
secciones (1, 2).
8. Instalación de bombeo de calor según la
reivindicación 7, caracterizada porque dicho aumentador de
presión (7) es arrastrado por una turbina hidráulica que funciona
con agua tomada del circuito interno, a nivel de la vaporización
(22) o de la condensación (26).
9. Instalación de bombeo de calor según la
reivindicación 7, caracterizada porque dicho aumentador de
presión (7) es arrastrado por una turbina de expansión de
vapor.
10. Instalación de bombeo de calor según la
reivindicación 7, caracterizada porque dicho aumentador de
presión (7) es arrastrado por un motor eléctrico independiente
(8).
11. Instalación de bombeo de calor según
cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, caracterizada
porque dicho aumentador de presión (7) o las secciones de
compresión están constituidos por una o varias ruedas de compresión
que comprenden un rotor de placa giratoria (37) provista de aletas
planas radiales (38) y eventualmente asociado a unos álabes
estáticos (36) de puesta en prerrotación del fluido.
12. Instalación de bombeo de calor según
cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11, caracterizada
porque dicha zona de condensación (26) está situada en la
proximidad del extremo (17) de dicho recinto de confinamiento (13)
que está próximo a la entrada (4) de la segunda sección de
compresión (2).
13. Instalación de bombeo de calor según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada
porque dicha zona de condensación (26) está situada entre la zona
de desobrecalentamiento (25) y la entrada (4) de la segunda sección
de compresión (2).
14. Instalación de bombeo de calor según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada
porque está constituida por tres módulos distintos conectados uno
al siguiente por unos medios de fijación desmontables (19, 20), a
saber un módulo de evaporación instantáneo (21) que contiene una
zona de vaporización (22), un módulo de compresión (23) que
contiene las secciones de compresión, y un módulo de condensación
(24) que contiene una zona de desobrecalentamiento (25) y la zona
de condensación (26).
15. Instalación de bombeo de calor según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada
porque la zona de vaporización (22) está establecida en forma de un
evaporador instantáneo, siendo el agua helada (27) de retorno a la
instalación inyectada en forma de gotas en dicha zona (22) por una
batería de pulverización (28).
16. Instalación de bombeo de calor según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada
porque un separador líquido/vapor o desvesiculador (14, 15) está
dispuesto a la entrada de aspiración de cada sección de compresión
(1, 2).
17. Instalación de bombeo de calor según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizada
porque a la entrada de aspiración de cada sección de compresión (1,
2) está previsto un pabellón de convergente especial (30) sobre
cuya pared el agua puede fluir y cuyo borde de fuga desemboca en un
colector de agua circular (31) de separación inercial provisto de
una salida de evacuación de agua inferior (32).
18. Instalación de bombeo de calor según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada
porque los álabes de las ruedas (11, 12) de compresor están
rodeados, en su porción axial, por un zuncho (33) apropiado para
canalizar el agua aspirada hasta que deja la zona axial.
19. Instalación de bombeo de calor según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada
porque las aletas (34) de los álabes de rotor (11, 12) presentan un
ángulo agudo con respecto al plano de la placa posterior (35) de
este rotor o una ligera concavidad, lo que favorece el arrastre del
agua en el sentido de la rotación.
20. Instalación de bombeo de calor según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada
porque el vapor comprimido en una sección de compresión es dirigido
hacia la sección siguiente por unos conductos de circulación (5,
41) que pueden presentar en la salida de sección de compresión un
difusor radial liso o con aletas (39, 39a) y/o axial con aletas (40,
40a) con, en caso necesario, una inyección adicional de agua
corriente abajo de esta sección.
21. Instalación de bombeo de calor según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada
porque el desobrecalentamiento intermedio entre las secciones de
compresión está asociado a una "expansión instantánea" del
caudal de agua salido del condensador (26) y devuelto por una
tubería (58) a la zona de vaporización (22), lo que constituye un
economizador que asegura un enfriado parcial de este agua.
22. Instalación de bombeo de calor según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada
porque la condensación se efectúa por mezcla, produciéndose el
intercambio térmico entre la fase vapor salida del compresor (1, 2)
y unas gotas líquidas dispersadas por una batería (42) de
pulverización alimentada por un conducto (43) de retorno del agua
fría de un aerorefrigerador.
23. Instalación de bombeo de calor según la
reivindicación 22, caracterizada porque para asegurar un
tiempo de permanencia del líquido en la zona de condensación (26)
lo más largo posible, esta zona comprende una guarnición (45) tal
como unos anillos Raschig que aumenta las superficies de contacto y
crea un removido con el vapor que circula a contracorriente.
24. Instalación de bombeo de calor según la
reivindicación 22 ó 23, caracterizada porque comprende un
condensador de "reflujo".
25. Instalación de bombeo de calor según la
reivindicación 24, caracterizada porque dicho condensador de
"reflujo" está constituido por una columna (50) que comprende
sucesivamente, por una parte una zona a contracorriente (53) en la
cual una parte el vapor se condensa gracias a un intercambiador de
superficie (54) en el cual la aportación frigorífica está asegurada
por el retorno de agua del aerorefrigerador antes de su
pulverización en la batería (42) del condensador, y por otra parte
una zona a contracorriente (55) en el cual una parte del vapor se
condensa gracias a un intercambiador de superficie (56) estando la
aportación frigorífica aquí asegurada por un pequeño caudal de agua
helada (57) que proviene de la zona de vaporización (22).
26. Instalación de bombeo de calor según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada
porque, para su funcionamiento con carga parcial, la misma
comprende un circuito de reciclaje térmico de un cierto caudal de
líquido de la zona de condensación (26) hacia la zona de
vaporización (22).
27. Instalación de bombeo de calor según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada
porque esta regulada para producir un exceso de frío durante la
noche y almacenarlo en forma de agua helada o de hielo, siendo este
frío entonces recuperado durante la jornada.
28. Instalación de bombeo de calor según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada
porque el árbol (18) del motor eléctrico (6) está soportado por
unos cojinetes de agua (59) que comprenden una llegada de líquido a
presión (60), el cual puede así sufrir por efecto dinámico una
expansión parcial en un intervalo (61) entre un mandrilado del
cojinete y la superficie del árbol (18), antes de sufrir una
expansión complementaria y una vaporización parcial a su salida
(62) de este intervalo, siendo el vapor y el líquido reservado
entonces dirigidos hacia una cámara de tranquilización (63) por un
deflector (64).
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