ES2297455T3 - Circuito con estrangulamiento de tubo capilar de dos pasos y colector. - Google Patents
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Abstract
Un circuito de refrigeración cerrado que comprende un compresor (1), condensador (2), evaporador (4), colector (9), y con estrangulamiento capilar (8) entre el condensador y el colector y con estrangulamiento capilar (10) entre colector y evaporador y contacto térmico 11 entre la línea de aspiración y el colector, y la línea de aspiración está aumentada de tal manera que el gas de aspiración atraviesa el colector desde el fondo del colector hacia la parte superior del colector, caracterizado porque el refrigerante en el colector fluye desde la parte superior hacia el fondo de dicho colector.
Description
Circuito con estrangulamiento de tubo capilar de
dos pasos y colector.
La invención se refiere a un circuito de
refrigeración como se describe en la primera parte de la
reivindicación 1. Dicho circuito es conocido por el documento
US-A-2871680. El propósito de dicho
circuito es controlar el flujo de refrigerante desde el colector al
evaporador, por la presión en el colector, y de tal manera que el
evaporador está inundado.
Circuitos de esta clase se conocen por diversas
solicitudes de patente, todas ellas con flujo directo en el
cambiador de calor. Como consecuencia del flujo directo, las
temperaturas de salida de los dos objetos tienden hacia una
temperatura común, y ello significa que el cambiador de calor no
puede enfriar el colector hasta una temperatura próxima a la
temperatura del evaporador, y que hace que el refrigerante hierva en
el tubo capilar cuando está estrangulado respecto al evaporador.
El líquido hirviente en un tubo capilar tiene
una gran influencia sobre el flujo másico. La Figura 3 es un
gráfico que ilustra el flujo másico calculado a través de un tubo
capilar, suponiendo que el refrigerante se encuentra en el punto de
ebullición cuando entra en el tubo capilar. El gráfico ilustra que
el flujo másico es una función creciente de la caída de presión,
para caída de temperatura menor que 5 Kelvin, pero es prácticamente
fijo para caída de temperatura mayor que 5 Kelvin. El gráfico está
calculado para R134a y con temperatura en el evaporador de -20ºC,
pero la tendencia es la misma para otras temperaturas del evaporador
y para otros fluidos refrigerantes tales como R404a, R600a, y R22.
De esta base se sigue que el refrigerante no puede controlarse
directamente por la caída de presión, cuando la caída de temperatura
es mayor que 5 Kelvin, pero existen varias vías para resolver el
problema, 3 de las cuales se presentan a continuación.
En el documento
US-A-250045, la caída de temperatura
entre el evaporador y el colector es menor que 5 Kelvin y por tanto
la caída de presión puede utilizarse sin problemas para controlar el
flujo, pero la pequeña diferencia de temperatura entre el gas de
aspiración y el colector da lugar a dos desventajas. En primer
lugar, el área del cambiador de calor tiene que ser grande, y en
segundo lugar, incluso una pequeña oscilación en la temperatura dará
como resultado una gran oscilación en el flujo másico, con el riesgo
de resonancia.
En el documento
US-A-2871680, la línea de aspiración
y el colector forman un cambiador de calor con flujo directo, desde
el fondo a la parte superior. El problema con el refrigerante
hirviente en el tubo capilar se resuelve por separación del
refrigerante en líquido y gas de vaporización súbita, después de lo
cual se estrangulan los dos componentes en tubos capilares
separados.
El refrigerante entra en el fondo del colector
como gas de vaporización súbita. El mismo asciende hacia la parte
superior, intercambiando calor con el gas de aspiración, y sale al
exterior por un tubo capilar en la parte superior del colector. El
gas de vaporización hierve sólo ligeramente durante el
estrangulamiento y el flujo másico será una función creciente de la
caída de presión a través del tubo capilar. Debido a la atracción
de la gravedad, una parte de líquido caerá al fondo del colector, y
en este caso la misma sale a través de un tubo capilar separado. El
líquido hierve fuertemente durante el estrangulamiento y el flujo
másico será constante como se ilustra en la Figura 3.
Esta solución presenta dos ventajas: el
evaporador se inunda y el área de intercambio de calor puede ser
pequeña. Hay dos factores que reducen las exigencias para el área:
la diferencia de temperatura a través del cambiador de calor es alta
y una gran cantidad de gas abandona el colector sin cargar el
cambiador de calor.
Este método presenta dos desventajas. En primer
lugar, se requiere un tubo capilar adicional, y en segundo lugar, el
control del flujo está limitado, debido a que el flujo del líquido
es constante.
En el documento DK174179, el
sub-enfriamiento del refrigerante inmediatamente
antes que el mismo entre en el tubo capilar resuelve el problema.
El sub-enfriamiento se lleva a cabo por medio de un
cambiador de calor separado, que transfiere el calor a la entrada
del evaporador. Con este método no existe problema alguno en lo que
respecta a la ebullición de refrigerante en el tubo capilar con
indiferencia de la magnitud de la caída de presión entre el
evaporador y el colector. Sin embargo, uno de los propósitos
principales de este circuito es asegurar la inundación del
evaporador, y ello establece un límite sobre la caída de presión, lo
cual puede demostrarse como sigue: el primer paso de
estrangulamiento, desde el condensador al colector, aporta calor al
colector, lo cual eleva la temperatura y por consiguiente la
presión. El gas de aspiración sustrae calor del colector -
reduciendo con ello la temperatura y la presión. La presión y la
temperatura en el colector se fuerzan hasta un equilibrio entre
calor añadido y calor disipado, y en el punto de ebullición, es
válida la relación R1:
donde
- CP
- es la capacidad calorífica del refrigerante. Índice para forma gaseosa o líquida.
- RT
- es el calor de vaporización
- Y
- es la tasa de refrigerante en forma líquida a la salida del evaporador.
Un propósito esencial del circuito es mantener
el evaporador inundado, lo cual implica que Y es positivo. Este
requerimiento se sustituye en R1 y conduce a R2:
La relación R2 establece un límite superior en
cuanto a la proporción de caída de la presión total que puede
tolerarse para el segundo estrangulamiento en comparación con el
primer estrangulamiento, dado que la caída de presión durante el
segundo estrangulamiento establece también la diferencia de
temperatura a través del cambiador de calor. Es esencial que esta
caída de presión sea lo mayor posible a fin de asegurar que el área
de intercambio de calor sea lo más pequeña posible.
La invención se diferencia de las soluciones
expuestas por incluir flujo en contracorriente en el cambiador de
calor. El gas de aspiración atraviesa el colector desde el fondo
hacia la parte superior, y causando subenfriamiento del refrigerante
en el fondo del colector, con lo cual se hace posible el paso del
refrigerante a través del tubo capilar sin ebullición.
La invención está constituida por un colector en
forma tubular y prolongado con un tubo capilar en ambos extremos. El
refrigerante se estrangula en dos pasos: primeramente desde el
condensador a la parte superior del colector y posteriormente desde
el fondo del colector hasta el evaporador. La línea de aspiración se
pone en contacto térmico con el colector de forma tubular, orientado
de tal modo que el gas de aspiración asciende desde el fondo hacia
la superficie, formando un cambiador de calor con flujo en
contracorriente. El líquido en el fondo del colector se
sub-enfriará hasta cerca de la temperatura del
evaporador y el gas de aspiración se sobrecalentará hasta cerca de
la temperatura del colector. Es válido un equilibrio entre calor
añadido y disipado, dado por la relación R3:
Un propósito principal del circuito consiste en
mantener el evaporador inundado, lo cual implica que Y es positivo.
Este requerimiento se sustituye en R3 y da lugar a R4:
La capacidad calorífica del líquido es siempre
mayor que la capacidad calorífica del gas. Esta relación se
sustituye en R4 dando lugar a R5:
La relación R5 es siempre cierta - y el
evaporador estará totalmente inundado sin restricción alguna en
cuanto a la temperatura en el colector, en contraste con DK174179,
que está restringido por R2. Por consiguiente, se sigue de ello que
la temperatura en el colector puede ajustarse a una temperatura más
alta y el área de calor se reducirá análogamente.
Dado que el líquido se
sub-enfría en el fondo del colector, el mismo puede
estrangularse directamente al evaporador sin enfriamiento adicional
alguno - si bien es importante cumplimentar el requerimiento de
líquido sub-enfriado. El requerimiento se cumple
cuando el evaporador se inunda - debido a que el evaporador está
"sangrando" con el refrigerante líquido. La relación R5 asegura
que el evaporador está inundado en el equilibrio - por lo que
conviene asegurar que el evaporador está inundado antes del
equilibrio. Si la entrada del evaporador está situada en el fondo
del evaporador, entonces la mayor parte del refrigerante se
acumulará en el evaporador durante el tiempo de parada y por
consiguiente el evaporador está inundado al principio de la
operación.
Los fabricantes de pequeños congeladores y
frigoríficos domésticos utilizan normalmente un tubo capilar con
contacto térmico a la línea de aspiración como dispositivo de
estrangulamiento, como se ilustra en la Figura 1. Esta construcción
da como resultado un gas de aspiración sobrecalentado, lo cual
proporciona dos ventajas: el COP (Coeficiente de Eficiencia) aumenta
(para la mayoría de los fluidos refrigerantes) y el gas de
aspiración caliente impide que el agua se condense en la tubería de
aspiración, lo que podría causar en caso contrario deterioro por
detrás de los congeladores y refrigeradores. Con la invención pueden
obtenerse las mismas ventajas poniendo el primer tubo capilar en
contacto térmico con la tubería de aspiración como se ilustra en la
Figura 2 en la marca (12).
La Figura 1 ilustra a grandes rasgos el circuito
utilizado normalmente para congeladores y refrigeradores pequeños.
El circuito esta compuesto de: compresor (1), condensador (2),
tubería de líquido (3), evaporador (4), tubería de aspiración (5),
tubo capilar (6), contacto térmico entre el tubo capilar y la
tubería de aspiración (7).
La Figura 2 ilustra a grandes rasgos la
invención, que difiere únicamente de la Figura 1 por el colector de
forma tubular - que divide el tubo capilar en dos partes.
La invención está constituida por: compresor
(1), condensador (2), tubería de líquido (3), evaporador (4),
tubería de aspiración (5), tubo capilar (8), colector (9), tubo
capilar (10), contacto térmico entre colector y tubería de
aspiración (11), contacto térmico entre tubo capilar y tubería de
aspiración (12).
La Figura 3 ilustra el gráfico del flujo másico
calculado de R134a en un tubo capilar. La salida del tubo capilar
está fijada a -20ºC y la temperatura de entrada varía desde -20ºC a
+25ºC. En la entrada, el refrigerante se encuentra en el punto de
ebullición.
La invención se compone de 4 partes, una tubería
de aspiración, un colector de forma tubular y dos piezas de tubos
capilares. Como ejemplo, las dimensiones adecuadas se calculan para
un congelador de 100 vatios con compresor Danfoss NLY9KK. La
temperatura en el colector se ha seleccionado a +10ºC.
Por la hoja de datos NLY9KK:
- \bullet
- Refrigerante: R600a
- \bullet
- Efecto de enfriamiento a 30ºC/-30ºC (condensador/evaporador) 100 W
- \bullet
- flujo másico: 1,37 kg/h = 0,34 g/s.
El calor se transfiere a la tubería de
aspiración en tres lugares:
- 1.
- Desde el tubo capilar:
- 2.
- Desde la condensación del gas en la parte superior del colector:
\vskip1.000000\baselineskip
- 3.
- Desde el sub-enfriamiento del líquido en el fondo del colector:
\vskip1.000000\baselineskip
Un cambiador de calor es capaz de transferir
esta cantidad de calor:
\vskip1.000000\baselineskip
donde
- U:
- coeficiente de transmisión de calor
- A:
- área de transmisión de calor
- LMTD:
- diferencia de temperatura media logarítmica.
Para un cambiador de calor tubular como
éste:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
donde
dT_{1} y dT_{2} son la
diferencia de temperatura a la entrada y la salida del cambiador de
calor. Para simplicidad, la diferencia de temperatura a la salida
del cambiador de calor se elige aquí
como:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
El cuello de botella de la transmisión de calor
es el área interior de la tubería de aspiración, y el mínimo de esta
área se calcula a partir de una transposición de R6 en R7;
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Por sustitución en R7, las áreas de contacto
térmico mínimas se calculan para los tres lugares de la tubería de
aspiración:
1. A lo largo del tubo capilar, véase Figura 2,
marca 12:
\vskip1.000000\baselineskip
La longitud del cambiador de calor de tubo
capilar no debe ser inferior a:
\vskip1.000000\baselineskip
\newpage
2. Condensación en la parte superior del
colector:
De ello se deduce que el contacto de la línea de
aspiración con la parte superior del colector no debe ser menor
que:
3. Para el sub-enfriamiento en
el fondo del colector
y por consiguiente el contacto de
la línea de aspiración con el fondo del colector no debe ser menor
que:
Los cálculos muestran que:
- 1.
- El contacto térmico entre el tubo capilar y la línea de aspiración no debe ser más corto que 31 cm.
- 2.
- El contacto entre el colector y la línea de aspiración debe extenderse no menos de (3 cm + 19 cm =) 22 cm.
Cuando se selecciona un colector de 50 cm de
longitud, el nivel de refrigerante puede variar en 28 cm - y cumplir
todavía con el requerimiento básico: que al menos 22 cm están
disponibles para transmisión de calor. Cuando se selecciona el
diámetro de colector de 22 mm, el volumen de refrigerante puede
variar en 75 ml, correspondientes a 45 g de refrigerante. La lista
de partes será como sigue (considérese la Figura 2):
- \bullet
- Línea de aspiración: 6 mm x 120 mm, tubo de cobre (5, 11, 12)
- \bullet
- Colector: 22 mm x 50 mm (9)
- \bullet
- Primer estrangulamiento: 0,7 mm x 90 cm, tubo capilar con no menos de 31 cm de contacto térmico con la línea de aspiración (12)
- \bullet
- Segundo estrangulamiento: 0,7 mm x 90 cm, tubo capilar (10).
La invención proporciona un regulador eficaz y
económico como alternativa al estrangulamiento tradicional de tubo
capilar para pequeños congeladores y refrigeradores domésticos. El
regulador hace que los congeladores y refrigeradores sean más
eficaces en su funcionamiento y más adecuados para temperaturas
variables. Es sencillo para los fabricantes adaptar la invención -
una ojeada a las Figuras 1 y 2 muestra que la única diferencia es un
pequeño colector colocado hacia la mitad del tubo capilar.
Claims (2)
1. Un circuito de refrigeración cerrado que
comprende un compresor (1), condensador (2), evaporador (4),
colector (9), y con estrangulamiento capilar (8) entre el
condensador y el colector y con estrangulamiento capilar (10) entre
colector y evaporador y contacto térmico 11 entre la línea de
aspiración y el colector, y la línea de aspiración está aumentada de
tal manera que el gas de aspiración atraviesa el colector desde el
fondo del colector hacia la parte superior del colector,
caracterizado porque el refrigerante en el colector fluye
desde la parte superior hacia el fondo de dicho colector.
2. Un circuito cerrado de refrigeración de
acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por contacto
térmico (12) entre la línea de aspiración y el tubo capilar (8) que
conecta el condensador y el colector.
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