ES2277377T3 - Control de presion de un conducto de vapor. - Google Patents
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Abstract
EN UN SISTEMA DE BOMBA DE CALOR DISEÑADO PARA UTILIZAR CON UN REFRIGERANTE A PRESION RELATIVAMENTE BAJA, SE HA PREVISTO, UTILIZANDO UN SISTEMA DE CONTROL DE LA PRESION DE VAPOR, UTILIZAR UN REFRIGERANTE A MAYOR PRESION SIN NECESIDAD DE SUSTITUIR EL SERPENTIN DEL INTERIOR Y EL EQUIPO DE LA LINEA. LA PRESION DEL VAPOR ES DETECTADA DURANTE LOS PERIODOS DE FUNCIONAMIENTO DE LA BOMBA DE CALOR, Y CUANDO LA PRESION ALCANZA UN NIVEL LIMITE MAXIMO PREDETERMINADO, SE REDUCE LA VELOCIDAD DEL VENTILADOR DEL EXTERIOR PARA HACER QUE SE REDUZCA LA PRESION DEL VAPOR. CUANDO LA PRESION DEL VAPOR SE REDUCE A UN NIVEL LIMITE MINIMO PREDETERMINADO SE REANUDA LA VELOCIDAD DEL VENTILADOR CON EL FIN DE PERMITIR QUE SE INCREMENTE NUEVAMENTE LA PRESION DEL VAPOR.
Description
Control de presión de un conducto de vapor.
Esta invención generalmente se refiere a
sistemas de bomba de calor y, más particularmente as un método y
aparato para controlar la presión dentro de la tubería de
interconexión y otros componentes de contención de refrigerante del
mismo de manera que se evite exceder la presión de diseño máxima
cuando se utilizan refrigerantes de alta presión.
El refrigerante que ha sido comúnmente utilizado
en acondicionadores de aire residenciales convencionales y
comerciales y las bombas de calor han sido R-22m un
refrigerante HCFC. Sin embargo, debido a la reciente preocupación
por los efectos medioambientales, los refrigerantes CFC y HCFC están
siendo retirados. Refrigerantes no clorados como sustitutos en los
sistemas residenciales y comerciales ligeros, que están siendo
desarrollados, tiende a ser de presión más elevada que el
R-22. Uno de los refrigerantes de sustitución más
prometedores es el HFC R-410A, que funciona con
presiones de hasta el 70% más elevadas que el
R-22.
El uso de refrigerantes de presión más elevada
tiene el máximo impacto en el lado de alta presión de un sistema.
Por consiguiente, para un acondicionador de aire, el diseño de la
unidad al exterior necesita ser sustancialmente modificado con el
fin de adaptarse a estas presiones más elevadas. Esto es, para
cumplir requisitos de agencias de seguridad y de organización, la
mayoría de los componentes que contienen refrigerante en el lado de
presión elevada del sistema deben ser diseñados para superar las
presiones sustancialmente más elevadas. Los componentes del lado de
baja presión, por otro lado, pueden ser utilizados con
modificaciones y/o precauciones menores. Los costos asociados con
los cambios tanto de las secciones de intemperie como interiores
para adaptarse al refrigerante R-410A no son
significativamente mayores que para reemplazar un acondicionador de
aire de R-22 por un nuevo acondicionador de aire
R-22 y es por tanto comercialmente factible. Esto no
es necesariamente así en el caso de la bomba de calor.
Para adaptar una bomba de calor de
R-410A que funciona en el modo de refrigeración, la
sección de intemperie debe ser rediseñada para adaptar el modo de
calentamiento de funcionamiento, en el que la sección de alta
presión está en el serpentín interior, los componentes que contienen
refrigerante de interior, así como otros componentes en la unidad
de intemperie, deben ser rediseñados.
Además de los serpentines exterior e interior
hay una parte del sistema conocida como "conjunto de línea".
Esta es la tubería de interconexión que conecta las secciones
interior y exterior de los acondicionadores de aire y las bombas de
calor. Típicamente, los acondicionadores de aire
R-22 y las bombas de calor han usado lo que se
denomina tubería de cobre de refrigeración RST (Tubería de Servicio
de Refrigerante) para los conjuntos de línea. Las dimensiones
físicas de la tubería RST no están reguladas ni reconocidas por
ninguna organización de seguridad o normativas nacionales sino que
simplemente es la tubería aceptada por el acondicionamiento de aire
general y la industria
refrigerante.
refrigerante.
El conjunto de línea está típicamente
considerado fabricado en obra y está generalmente regulado por
códigos de construcción locales. La mayoría de los códigos locales
y nacionales para de tuberías de refrigeración se refieren a la
norma ASME, ASME B31.5 "Refrigeration Piping". Para
acondicionadores de aire R-410A y bombas de calor
R-410A que funcionan en el modo de enfriamiento, la
tubería RST estándar reúne los requisitos establecidos en la ASME
B31.5. Sin embargo, con bombas de calor, la construcción
R-22 convencional de la línea de vapor del conjunto
de línea típicamente no reúne los requisitos de las normas ASME
B31.5. Esto es, la tubería de vapor RST estándar instalada en una
bomba de calor tendrá una presión de trabajo especificada por debajo
de la norma ASME B31.5 cuando se utiliza R-410A
como refrigerante.
Una proposición para adaptar el refrigerante
R-410A es cambiar los conjuntos de línea o al menos
la línea de vapor. Sin embargo, esto implica costes
desproporcionados. En primer lugar, los conjuntos de línea de los
sistemas existentes están a menudo situados en las paredes entre los
sistemas exterior e interior y no son de fácil acceso. En segundo
lugar, aparte de los costes de mano de obra, el coste de la tubería
de cobre es elevado debido a (a) las paredes más gruesas requieren
más cobre y (b) el bajo volumen de tuberías de cobre de pared más
gruesas hace que los costes crezcan de manera desproporcionada. Por
estas razones los cambios requeridos que se necesitan hacer en una
bomba de calor R-22 para adaptarla al uso del
R-410A son significativamente mayores que los
costos de reemplazar el R-22 por un nuevos sistema
R-22 y por tanto no es económicamente factible.
Es, por tanto, un objeto de la presente
invención proporcionar un método y aparato mejorados para adaptar
el uso de un refrigerante de mayor presión en un sistema diseñado
para la utilización de un refrigerante de menor presión.
Los documentos
JP-A-04 332 352 y
US-A-4866944 exponen sistemas que
comprenden sensores que controlan el funcionamiento de un
ventilador de unidad exterior.
De acuerdo con la invención, se proporciona un
sistema como el reivindicado en la reivindicación 1 y un método
como el reivindicado en la reivindicación 6.
Mediante el uso de la invención el conjunto de
línea y el serpentín interior utilizado para un refrigerante de
menor presión pueden conservarse para utilizarse en un sistema que
utiliza un refrigerante de mayor presión. Con el fin de evitar el
exceso de la presión de diseño máxima de las líneas durante el
funcionamiento de mayor presión, tal como cuando el sistema está
funcionando en el modo de bomba de calor, la presión se mantiene en
un nivel por debajo de un límite umbral de la presión de diseño
máxima.
La presión de vapor en la unidad exterior de la
bomba de calor es detectada, y el ventilador exterior es accionado
en respuesta de manera que se mantenga la presión en la línea de
vapor por debajo de un nivel umbral establecido.
Cuando la presión de vapor en la sección
exterior de la bomba de calor alcanza un nivel umbral
predeterminado, la velocidad del ventilador exterior se reduce,
haciendo, por tanto, que la presión del refrigerante del lado alto
del sistema se reduzca. Cuando la presión de vapor se reduce hasta
un valor umbral inferior predeterminado, entonces la velocidad del
ventilador inicial es preferiblemente reanudada para permitir que la
presión aumente dentro del sistema.
El ciclo del ventilador exterior se puede
realizar mediante el ciclo de activación y desactivación de un motor
ventilador de velocidad única en respuesta al cambio de presión, o
simplemente disminuyendo o aumentando la velocidad de un motor de
velocidad variable o de dos velocidades, en respuesta al cambio de
presión.
En los dibujos como se describirá a
continuación, se muestra una realización preferida; sin embargo, se
pueden realizar distintas modificaciones y construcciones
alternativas a la misma sin que se salgan del campo de la
invención.
La Figura 1 es una lustración esquemática de una
bomba de calor con una realización preferida de la presente
invención incorporada en la misma;
la Figura 2 es un circuito y diagrama eléctricos
de la parte de ciclo de ventilador de una realización preferida de
la invención; y
la Figura 3 es una ilustración gráfica de una
velocidad de ciclo de ventilador en función de la temperatura
ambiente.
Haciendo ahora referencia a la Figura 1, la
invención se muestra generalmente en 10 aplicada a un sistema de
bomba de calor convencional que tiene una unidad de exterior 11 y
una unidad interior 12 interconectadas mediante tuberías comúnmente
referidas como un conjunto de línea 13.
La unidad exterior 11 incluye un compresor 14 y
un serpentín intercambiador de calor 16 que funciona de marea
convencional en cooperación con la unidad interior 12 para producir
un ciclo de refrigeración completo mientras que funciona o bien en
el modo de calentamiento o bien en el modo de enfriamiento. Esto es,
el serpentín exterior 16 actúa como un serpentín condensador cuando
el sistema 3está funcionando en el modo de enfriamiento y como un
evaporador durante los periodos en los que el sistema está
funcionando en el modo de calentamiento. Una válvula de cuatro vías
17 está incluida en la sección exterior 11 para conmutar entre los
modos de calentamiento y enfriamiento de manera convencional.
También, un dispositivo de expansión 18 está dispuesto para utilizar
durante los modos de funcionamiento de bomba de calor, con una
línea de derivación 19 que actúa como derivación del dispositivo de
expansión 18 durante los periodos de modos de funcionamiento de
acondicionamiento de aire. Un acumulador 21 está dispuesto en la
salida del evaporador para evitar que el refrigerante líquido vuelva
al compresor 14. Un ventilador exterior 22 está dispuesto para
hacer circular en aire exterior sobre el serpentín exterior 16 de
manera convencional, excepto según se modifica por la presente
invención.
De acuerdo con una realización preferida de la
presente invención, un control de presión de vapor 23 está
conectado a la línea refrigerante 24 de manera que se realice un
ciclo en el ventilador exterior 22 en respuesta a la presión en la
línea de refrigeración 24 de la manera que se describe más
ampliamente a continuación. El control de presión de vapor 23 está
conectado eléctricamente al motor del ventilador 22 por medio de una
línea eléctrica 26.
Haciendo ahora referencia a la unidad interior
12, se incluye un serpentín intercambiador de calor 27 y un
ventilador interior 28 para circular el aire interior sobre el
mismo. Un dispositivo de expansión 29, con una parte de derivación,
está incluido para adaptar los modos de enfriamiento y los modos de
calentamiento de manera convencional.
Considerando ahora los cambios que se deben
hacer en tal sistema diseñado para utilizar con un refrigerante de
relativamente baja presión tal como R-22 cuando ese
refrigerante es reemplazado por un refrigerante de presión
relativamente alta tal como R-410A, es deseable
hacer cambios en diversos componentes tanto de la unidad exterior
11 como de la unidad interior 12. Por ejemplo, dado que las
presiones en la unidad interior pueden alcanzar 4,14 MPa, mientras
funciona en el modo de enfriamiento, toda la unidad exterior es
remplazada. En la unidad interior, sin embargo, sólo el dispositivo
de expansión ha de ser reemplazado, así el serpentín interior se
puede conservar.
Aunque los cambios anteriores se pueden realizar
de una manera factible, generalmente económica, hay otros cambios
que, aunque son deseables no son económicamente viables Esto es,
dado que durante los modos de funcionamiento de bomba de calor, el
lado de presión elevada normalmente funcionaría a presiones
relativamente elevadas que podrían exceder la presión máxima de
diseño de la tubería de interconexión, sería deseable tener tuberías
de pared más gruesa tanto en el lado de alta presión como en el
conjunto de línea y en el serpentín interior 27. sin embargo, sería
caro remplazar todo el serpentín interior 27, y remplazar el
conjunto de línea puede ser, o bien moderadamente caro, o si se
requieren cambios estructurales, prohibitivamente caro. La presente
invención, por tanto, se proporciona para adaptar la necesidad de
una manera factible y económica.
El principio de funcionamiento de la presente
invención es reducir la velocidad del motor del ventilador exterior
22 cuando la presión del refrigerante de la línea de vapor del
sistema de bomba de calor que funciona en el modo de calentamiento
alcanza la presión de diseño del conjunto de línea o de del
serpentín interior. Esto, a su vez, hace que la presión del
refrigerante en el lado alto del sistema sea reducida. Cuando la
reducción de la presión de refrigerante en la línea de vapor
alcanza una presión de corte predeterminada, la velocidad del motor
del ventilador original es reanudada. La presión a la que se reduce
la velocidad del motor del ventilador se ajusta mediante la presión
de diseño más baja para la combinación específica de la línea de
vapor y el serpentín interior. El corte de presión es activado por
el diferencial de conmutadores económicamente factibles.
Una reducción en la velocidad del motor del
ventilador se puede realizar de cualquiera de cierto número de
formas. Por ejemplo, se puede utilizar un motor de dos velocidades
durante los periodos en los que se ha alcanzado presión de corte.
Un motor típico que podría ser utilizado para este fin es un motor
de tipo inducción con una o múltiples velocidades que está
comercialmente disponible de fabricantes de motores como General
Electric, A.O. Smith o Emerson.
Otra alternativa es el uso de un motor de
velocidad variable para el ventilador exterior. Debido a los más
elevados costes de la adquisición de tal motor, no sería
económicamente factible usarlo sólo para este fin. Sin embargo, si
hubiera otras razones para tener un motor de velocidad variable para
accionar el ventilador exterior, tal como un posible ahorro en los
costes de funcionamiento durante largo tiempo, entonces un motor de
velocidad variable podría ser práctico para este uno. En tal caso,
el motor funcionaría a las mayores velocidades durante el
funcionamiento normal y funcionaría entonces en las menores
velocidades o detenido a veces cuando se haya alcanzado el límite
de corte de presión.
Para fines de simplicidad, una realización
preferida de la presente invención, será descrita en términos de
uso con un motor de una velocidad que funciona o bien en la
condición activado o bien desactivado. Esto es, será accionado
durante los periodos de funcionamiento normal y será desactivado
cuando la presión de corte se haya alcanzado detectada por el
control de presión de vapor. Un ejemplo de tal motor que podría ser
utilizado para estos fines es el General Electric Part Number
KCP39FGN809BS.
Haciendo ahora referencia a la Figura 2, se
muestra la parte de circuito eléctrico de una realización preferida
interconectada con el compresor 14 y el ventilador exterior 22. El
compresor 14 está conectado a una fuente de potencia de alto
voltaje por medio de un contactor 31 que es controlador para activar
o desactivar el compresor de acuerdo con las funciones de control
de funcionamiento normales. Conectado en paralelo con el compresor,
de manera que sea activado también a través del contactor, hay un
circuito de potencia de ventilador 32 que incluye un conmutador de
presión de vapor 33, el motor del ventilador 22 y un condensador de
compresor 34. El conmutador de presión de vapor 33 es un conmutador
de presión de polo único, de impulso único, normalmente cerrado,
que es activado mediante un diafragma de presión conectado en la
línea de vapor 24 dentro de la unidad exterior de bomba de calor.
De este modo, cuando la presión en la línea de vapor excede una
presión de corte del conmutador de presión, abre los contactos
eléctricos y el ventilador externo 22 se desconecta. Sin el flujo
de aire a través del serpentín exterior (el evaporador durante el
modo funcionamiento de calentamiento) la presión de succión
saturada del evaporador cae y también lo hace la presión y el
volumen específico del refrigerante que entra en el compresor. Esto
a su vez reduce la eficiencia volumétrica del compresor y la
presión de descarga del refrigerante. Esta disminución de presión
continuará hasta que se alcance el corte de presión del conmutador
de presión de vapor 33, en cuyo momento, el conmutador de presión de
vapor 33 se cerrará y la potencia volverá a ser suministrada al
ventilador exterior 22.
Haciendo ahora referencia a la siguiente Tabla
I, se muestran las dimensiones de la tubería de cobre RST para
varios sistemas de bomba de calor de diverso tamaño, junto con las
presiones de trabajo máximas ASME correspondientes. En este
sentido, se ha de entender que está presión de trabajo se establece
aplicando un margen de seguridad sustancial. Por ejemplo, un diseño
típico de serpentín interior R-22 con una presión de
rotura real de 14,5 MPa tiene una presión de trabajo límite de 2,9
MPa (es decir, con in factor de seguridad de 5). De este modo las
presiones de trabajo máximas ASME presentadas en la Tabla 1 también
están calculadas con un margen de seguridad similar.
Considerando ahora que un sistema de típico de
bomba de calor con una capacidad comprendida entre 2 y 5 ton,
tendrá una presión de funcionamiento máxima en su línea de vapor de
3,17-3,59 MPa, se reconocerá que la presión de
trabajo máxima ASME será excedida a menos que se aplique algún
medio, tal como la presente invención, para limitar la presión.
Haciendo ahora referencia a las dos últimas
columnas de la tabla I, las presiones de corte de entrada y de
salida del conmutador de presión están también dispuestas para cada
uno de los conmutadores de presión que son aplicados a los sistemas
de las capacidades presentadas. Por ejemplo, en un sistema de 2 ton,
en el que la presión de trabajo ASME es de 3,25 MPa, el conmutador
de presión de vapor 33 cortará (es decir, se abrirá para desactivar
el motor 22) a 2,76 MPa, y permanecerá abierto hasta que la presión
haya caído hasta 2,24 MPa en cuyo momento se cerrará y reanudará el
funcionamiento.
Cuando la temperatura ambiente se eleva hasta el
punto en el que la presión de corte es alcanzada, la presente
invención será operativa. Cuando la temperatura está por encima de
10ºC la velocidad del ciclo es relativamente corta, mientras que,
cuando la temperatura aumenta, la velocidad del ciclo aumentará.
Esto se ilustra en la Figura 3 en la que se han representados datos
de un ensayo real. Durante el funcionamiento, el ventilador es
desactivado en el punto más alto y activado en el punto más bajo de
cada curva. El ciclo del ventilador exterior tendrá mínimo impacto
en el rendimiento debido a las bajas cargas de construcción en
ambientes más elevados.
Claims (11)
1. Un sistema de bomba de calor que tiene:
una unidad exterior (11) con un compresor (14),
un ventilador (22), un serpentín intercambiador de calor (16);
una unidad interna (12) conectada al mismo
mediante tuberías de líquido y vapor (13);
un sistema de control (23) para limitar la
presión en dichas tuberías de vapor (13) durante los periodos de
funcionamiento de bomba de calor, comprendiendo dicho sistema medios
para detectar la presión (339; y medios (23) en respuesta a dichos
medios de detección de presión para reducir la velocidad del
ventilador exterior (22);
caracterizado porque:
dichos medios de detección de presión (33) están
operativamente conectados en la unidad exterior (11) para detectar
cuando la presión en las tuberías de vapor (13) excede un límite de
presión umbral máximo predeterminado para dichas tuberías de
vapor,
y porque dichos medios, en respuesta a dichos
medios de detección de presión (33), reducen la velocidad del
ventilador (22) y por lo tanto reducen la presión en las tuberías de
vapor (13) cuando se excede el citado límite.
2. El sistema de bomba de calor de acuerdo con
la reivindicación 1, en el que dichos medios para detectar la
presión son un conmutador de presión (33).
3. El sistema de bomba de calor de acuerdo con
la reivindicación 2, en el que dicho conmutador de presión (33) es
un conmutador normalmente cerrado en serie con un motor de
accionamiento de dicho ventilador exterior (12).
4. El sistema de bomba de calor de acuerdo con
la reivindicación 2, en el que dicho conmutador de presión (33)
está diseñado para abrirse en un primer nivel de presión
predeterminado y para cerrarse en un segundo nivel de presión
predeterminado por dejado de dicho primer nivel de presión
predeterminado.
5. El sistema de bomba de calor de acuerdo con
cualquier reivindicación precedente, en el que dichos medios de
reducción de velocidad son un conmutador que desactiva el ventilador
exterior (22).
6. El sistema de bomba de calor de acuerdo con
cualquier reivindicación precedente que además comprende una
válvula reversible (17) operable para dirigir de manera selectiva
flujo de refrigerante durante tanto el modo de funcionamiento de
enfriamiento como el modo de funcionamiento de calentamiento.
7. El sistema de bomba de calor de acuerdo con
cualquier reivindicación precedente, en el que dicha unidad
interior (12) incluye un ventilador (18) y un serpentín
intercambiador (27).
8. Un método para controlar la presión en las
tuberías (24) de una bomba de calor del tipo que tiene un compresor
(14), unidades exteriores e interiores que comprenden ventiladores
interiores y exteriores (22, 28), serpentines exteriores e
interiores (16, 27) estando dichas unidades interconectadas mediante
respectivas tuberías interconectadas de líquido y vapor (24), en el
que la presión en al menos una de dichas tuberías (24) es
susceptible de exceder un límite de presión de umbral máximo
predeterminado durante periodos de funcionamiento en el modo de
calentamiento, comprendiendo el método las etapas de:
detectar la presión en una tubería de vapor en
dicha unidad externa (11);
comparar dicha presión detectada con un límite
de presión umbral máximo predeterminado que está por debajo de una
presión de diseño máxima para las tuberías; y
cuando dicha presión detectada sea igual a dicha
presión umbral máxima, reducir la velocidad del ventilador exterior
(22) de manera que disminuya presión en dichas tuberías.
9. Un método de acuerdo con la reivindicación 8
y que incluye la etapa adicional de, cuando dicha presión detectada
ha sido reducida a una presión umbral mínima, incrementar la
velocidad del ventilador exterior (22) de manera que se eleve la
presión en las tuberías.
10. Un método de acuerdo con la reivindicación 8
en el que dicha etapa de reducir la velocidad del ventilador
exterior (22) se realiza desactivando la potencia eléctrica del
mismo.
11. Un método de acuerdo con la reivindicación
9, en el que dicha etapa de incrementar la velocidad del ventilador
exterior (22) se realiza restableciendo la potencia eléctrica al
mismo.
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