ES2318941B1 - Sistema combinado de refrigeracion y climatizacion. - Google Patents
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Abstract
Sistema combinado de refrigeración y
climatización, que mediante ciclos de refrigeración por expansión
directa de un refrigerante realiza a la vez las funciones de
sistema de frío industrial y de climatización de una instalación o
local.
Para ello comprende dos o más compresores (10,
20) que envían el refrigerante comprimido a un punto común, una
serie de válvulas de expansión (12, 22) y varios intercambiadores
(11, 13, 23) de calor, de los cuales dos realizan el intercambio
con el medio a enfriar con el sistema de frío industrial y con el
local o instalación a climatizar.
Mediante la actuación de dos series de válvulas
(50, 51) se logra cambiar fácilmente de modo de funcionamiento del
sistema de climatización entre calefacción y refrigeración.
Description
Sistema combinado de refrigeración y
climatización.
La presente invención se refiere a un sistema
combinado de refrigeración y climatización que permite mejorar la
eficiencia de la conversión energética en frío en instalaciones que
requieran, al menos temporalmente, de acondicionamiento de aire, ya
sea aportar frío o calor, y de refrigeración de cámaras,
expositores, o cualquier otro objeto o medio.
En particular, el sistema puede ser empleado en
una instalación frigorífica de un local dotado también de sistema
de climatización de confort como, por ejemplo, una unidad de
refrigeración de uno o más expositores de mercancías situados en un
comercio con sistema de aire acondicionado.
El sector de la técnica al que pertenece la
invención es el de refrigeración y acondicionamiento de aire.
Los locales donde se produce el almacenamiento o
la venta al público de productos perecederos, disponen siempre de
dos sistemas térmicos, independientes entre si, que funcionan de
forma independiente y aislada. Por un lado se disponen los sistemas
de frío industrial propios de los productos perecederos y por otro
los sistemas de climatización de confort del local propio.
Lo más frecuente es que la instalación de frío
industrial comprenda un sistema de refrigeración convencional de
compresión mecánica, y los sistemas de climatización de los locales
estén dotados de bombas de calor aire-aire.
Un ciclo básico de refrigeración por comprensión
mecánica y expansión directa consta de cuatro elementos o etapas:
compresor, condensador, válvula de expansión y evaporador.
En el evaporador, el refrigerante se evapora y
absorbe calor del espacio que está enfriando y de su contenido. A
continuación, el vapor de refrigerante pasa a un compresor que
incrementa su presión, lo que aumenta su temperatura. Este gas
sobrecalentado a alta presión se transforma posteriormente en
líquido en un condensador refrigerado por aire o agua.
Después del condensador, el líquido pasa por una
válvula de expansión, donde su presión y temperatura se reducen
hasta alcanzar las condiciones que existen en la entrada del
evaporador, cerrándose el ciclo.
La presente invención se refiere a un sistema de
refrigeración y climatización completo y único, que comprende dos
subsistemas independientes en la actualidad, que son los de frío
industrial y de climatización del local (este último pudiendo
calentar o enfriar según las necesidades de confort).
Aprovechando estos dos subsistemas, se obtienen
ahorros energéticos al llegar al funcionamiento de bomba de calor
del sistema principal con los elementos básicos de las
instalaciones de frío industrial y de climatización.
Este sistema ofrece un ahorro energético al
optimizar las fases de condensación de los compresores y sistemas
de compresión completos de las instalaciones de frío y
climatización. Este ahorro se produce en calefacción del local en
invierno, y en aprovechar el rendimiento de los equipos de mayor
capacidad en verano.
Además, el procedimiento permite mejorar la
seguridad y fiabilidad de los compresores y sistemas principales de
potencia del sistema principal, ya que por agrupamiento de los
mismos, se obtienen apoyos en un momento de fallo de alguno de
ellos. Principalmente los sistemas de climatización apoyarán a los
sistemas de frío industrial, dado que su funcionamiento es
prioritario para no echar a perder los productos refrigerados o
congelados.
La presente invención se refiere por lo tanto a
la unión de los sistemas de frío industrial y de acondicionamiento
del aire en uno solo. La energía residual de uno de ellos,
generalmente del sistema de frío industrial, es utilizada para
realizar la climatización del local por medio de la bomba de calor
que se forma.
El sistema propuesto se compone de un sistema de
refrigeración tradicional, que podría ser completado para mayor
ahorro energético con un subsistema adicional como inyección
electrónica controlada o bomba de líquido.
En un ciclo de refrigeración por compresión
mecánica siempre se absorbe calor de un foco frío, mobiliario,
cámaras del centro, durante todo el año, y se entrega a un foco
caliente durante la condensación.
Según la invención, este foco caliente
corresponderá al local durante la época en que deba ser calentado
(que denominamos invierno en esta memoria descriptiva,
independientemente de la estación del año en que se produzca y de
su duración) a través del sistema de climatización. Con la
invención, se aprovecha el calor generado de todos o parte de los
condensadores de la instalación de frío industrial, que antes era
degradado, en la climatización del local. Cuando sea necesario, se
acompañará esta fuente de calor por otras fuentes como pueden ser
resistencias eléctricas, agua caliente, vapor, energía solar u otra
fuente de energía.
Cuando se requiera disminuir la temperatura del
local, época que denominaremos verano, será necesario mantener el
sistema de frío industrial, y en paralelo activar el sistema de
climatización del local para enfriar. En esta época, se trabajará
desde el sistema de potencia principal en frío para los dos
subsistemas, como instalación tradicional pero aprovechando la
unión de los dos sistemas para buscar el mayor rendimiento, usando
un equipo de mayor capacidad.
En los sistemas de frío industrial, es frecuente
instalar dos subsistemas en paralelo, denominados de frío positivo
y de frío negativo, cada uno de ellos permitiendo enfriar hasta una
temperatura dada. El subsistema de frío negativo enfría hasta una
temperatura menor que el de frío positivo. Por ejemplo, entre -10ºC
y -35ºC.
De esta forma el subsistema de frío negativo se
puede utilizar para conservar productos congelados, mientras que el
subsistema de frío positivo puede usarse para los productos
refrigerados (mantequilla, pescados, carnes, etc.)
Ambos subsistemas pueden compartir elementos,
aunque generalmente se disponen independientes por motivo de
seguridad ante eventuales fugas.
En el resto de la memoria no se hará mención a
la existencia, o no, de una separación en dos subsistemas,
interpretándose que, en caso de producirse la división en los dos
subsistemas de frío positivo y de frío negativo, la combinación del
sistema de climatización y el de frío industrial puede realizarse
con cualquiera de los dos subsistemas, o incluso con los dos
(aumentando aún más el rendimiento energético).
De todas formas suele resultar más interesante
realizar la combinación con el subsistema de frío positivo.
Para ello el sistema de la invención comprende
dos compresores, o dos pluralidades de compresores en serie o
paralelo, que denominaremos primer y segundo compresor, cuya salida
de refrigerante comprimido se realiza a un punto común. El flujo de
refrigerante desde este punto común a la entrada de los compresores
variará según el modo de funcionamiento de forma que:
En el modo de funcionamiento de verano un primer
intercambiador de calor realizará funciones de condensado del
refrigerante a continuación del punto común, y verterá un
refrigerante condensado a dos ramales en paralelo, cada uno de
ellos comprendiendo una válvula de expansión, ya sea del tipo
electrónica, mecánica, de recalentamiento constante o de cualquier
otro tipo, y un intercambiador de calor en funciones de
evaporador.
En particular, en un primer ramal el
refrigerante atravesará una primera válvula de expansión y un
segundo intercambiador de calor, que eliminará calor del medio que
se desea enfriar mediante el sistema de frío industrial. En el otro
ramal se atravesará una segunda válvula de expansión y un tercer
intercambiador de calor que intercambiará calor con el local o
instalación que se desea climatizar, en este caso enfriándolo.
Tras el segundo y tercer intercambiador se
regresa a las entradas de aspiración de los compresores, las cuales
pueden estar conectadas para que un compresor apoye al otro en
caso de fallo.
En el modo de funcionamiento de invierno, el
refrigerante seguirá un primer ramal a partir del punto común
llegando al tercer intercambiador de calor, que en este caso
condensará el refrigerante y aportará el calor extraído al local o
instalación a climatizar, a cuya salida se dispondrá la primera
válvula de expansión y el segundo intercambiador, que sigue
funcionando como evaporador y eliminando calor del medio objeto del
frío industrial.
De forma opcional, y para lograr una mayor
variabilidad entre el calor aportado al local y el extraído
mediante el sistema de frío industrial, se puede crear un segundo
ramal que se inicia en el punto común y sigue por el primer
intercambiador de calor, que condensará el refrigerante. De ahí, y
a través de un tramo que puede comprender de manera opcional una
bomba de líquido o un depósito, el refrigerante entra en la
primera válvula de expansión. De esta forma se aumentan las
frigorías del sistema de frío industrial sin afectar al sistema de
climatización.
Si por el contrario se desea calefactar más en
el sistema de climatización, sin variar las frigorías aportadas
por el sistema de frío industrial, desde la salida del tercer
intercambiador se puede llevar el refrigerante a una tercera
válvula de expansión seguido de un cuarto intercambiador que
evapora el refrigerante eliminando calor de un elemento externo a
ambos sistemas de climatización y frío industrial. Finalmente, el
refrigerante regresará a un compresor, por ejemplo el segundo
compresor.
Para el cambio de un modo de funcionamiento a
otro, se han dispuesto, de forma ventajosa de dos series de
válvulas cuya apertura o cierre define el modo de funcionamiento
del sistema (verano o invierno). Estas válvulas pueden ser actuadas
manualmente, por servomotores controlados por un autómata, o por
cualquier otro medio.
La variante más evidente que se puede aplicar a
esta instalación básica es la existencia de varios compresores en
serie o en paralelo sustituyendo al primer o segundo compresor. De
la misma forma, se puede sustituir cualquier intercambiador de
calor o cualquier válvula de expansión por varios intercambiadores
o varias válvulas de expansión, en serie o en paralelo,
respectivamente.
Otra variante es utilizar el cuarto
intercambiador, que según el funcionamiento descrito sólo actúa en
invierno, como condensador en verano. Para ello se ha de puentear
la tercera válvula de expansión.
El sistema se autorregula por las temperaturas
detectadas en cada uno de los objetos, locales e instalaciones que
se desea enfriar o climatizar, como por ejemplo los expositores de
productos perecederos, las cámaras frigoríficas y las salas de
ventas.
Con el fin de asegurar la confortabilidad de la
instalación, se puede prever un sistema de apoyo por medio de
resistencias eléctricas, baterías de agua caliente, calderas u
otros medios, para el sistema de climatización en periodos de
invierno, donde, bien por temperaturas exteriores extremadamente
bajas o por fallo de sistema de compresión, sea necesario
calefactar aún más el edificio para realizar la ventas del
centro.
Se instalarán equipos de control de flujo de
refrigerante para realizar los cambios de potencia en una u otra
dirección, sea refrigeración o climatización. Estos equipos estarán
compuestos por:
- -
- válvulas mecánicas de control
- -
- válvulas electrónicas de control
- -
- autómatas de control de presión y temperatura
Además se instalarán todo tipo de equipamiento
requerido por una instalación frigorífica como válvulas de
seguridad contra sobrepresiones, manómetros, válvulas de purga,
depósitos de refrigerante, etc.
Para una mejor comprensión de la invención, a
continuación se pasa a describir de manera breve un modo de
realización de la invención, como ejemplo ilustrativo y no
limitativo de ésta. Para ello se hace referencia a los dibujos
adjuntos, en los cuales:
La Figura 1 muestra un esquema de funcionamiento
en verano, mientras que la Figura 2 presenta el funcionamiento en
invierno.
Finalmente, en la Figura 3 se presenta un
posible esquema general de conexión del sistema combinado.
El sistema combinado de refrigeración y
climatización consta de un sistema de climatización que puede
refrigerar o calentar el aire ambiente de un local, y un sistema de
frío industrial, que puede a su vez estar dividido en un subsistema
de frío positivo y un subsistema de frío negativo independientes o
con elementos comunes.
El sistema de climatización recupera parte de la
energía que a priori iba a desperdiciar el sistema de frío
industrial, funcionando en dos modos distintos.
Para ello se ha de separar el funcionamiento en
dos modos, uno que denominaremos de verano, en el que la
climatización ha de enfriar el ambiente, y otro que denominaremos
de invierno, en el que la climatización ha de calentar el
local.
El sistema de frío industrial comprenderá un
primer compresor (10), un primer intercambiador (11) de calor en
funciones de condensador, una primera válvula de expansión (12) y
un segundo intercambiador (13) de calor en funciones de evaporador.
Mientras que el sistema de climatización comprenderá un segundo
compresor (20), una segunda válvula de expansión (22) y dos
intercambiadores de calor, uno de ellos evaporando y el otro
condensando.
Cada uno de los equipos mencionados puede
corresponder en realidad a una pluralidad de equipos situados en
serie o paralelo. Así, por ejemplo, puede haber una pluralidad de
primeros compresores (10) dispuestos en paralelo o una pluralidad
de primeros intercambiadores (11).
Como se puede ver en la Figura 1, el modo de
funcionamiento de verano resulta el de menor complejidad, puesto
que realiza una puesta en común del refrigerante de ambos sistemas,
(en su caso entre uno o los dos subsistemas de frío positivo o
negativo, generalmente el primero y el sistema de climatización).
Además, se disponen ambos sistemas en paralelo, de forma que el
refrigerante atraviesa el primer intercambiador (11). Es
conveniente situar por lo menos dos intercambiadores en paralelo
para regular mejor la potencia y en caso necesario, poder
desconectar uno de los dos intercambiadores para efectuar el
mantenimiento, la reparación del otro, o incluso cuando uno de los
dos tenga suficiente capacidad, para realizar por sí mismo el
condensado de todo el refrigerante.
Tras dicho primer intercambiador (11), y tras un
depósito (40) y una bomba de líquido (41), opcionales ambos, se
separan las líneas de flujo en dos ramales, atravesando una primera
línea de flujo la primera válvula de expansión (12) y el segundo
intercambiador (13), que hace de evaporador en el sistema de frío
industrial, antes de regresar al primer compresor (10), mientras
que la segunda línea de flujo atraviesa la segunda válvula de
expansión (22) y un tercer intercambiador (23) (en funciones de
evaporador del sistema de climatización, y enfriando el local) y
vuelve al segundo compresor (20).
Para el cambio al funcionamiento de invierno se
realiza la apertura y cerrado de válvulas para que la disposición
esquemática pase a ser la correspondiente a la Figura 2.
En dicha Figura 2 se aprecian ambos compresores
(10, 20) dispuestos de forma semejante a la anterior, pero con una
importante variación en la disposición de los intercambiadores (11,
13, 23).
Tras el punto común, situado a la salida de
ambos compresores (10, 20) un primer ramal (1) lleva el
refrigerante comprimido al tercer intercambiador (23) o batería de
climatización, que en vez de realizar la función de evaporador,
realiza la función de condensación, aportando calor al local en vez
de enfriándolo. Este método de calefacción puede ser complementado
por otras fuentes de calor como resistencias eléctricas, agua
caliente, vapor, energía solar u otra fuente de energía.
Tras el tercer intercambiador (23), el fluido
atraviesa la primera válvula de expansión (12) y el segundo
intercambiador (13) que siguen realizando las mismas funciones que
en el modo de verano, para volver al primer compresor (10).
En resumen, sólo el tercer intercambiador (23)
cambia su funcionamiento entre condensador y evaporador. Para ello
se ha de tener en cuenta que tanto un condensador como un
evaporador son intercambiadores de calor, y pueden funcionar de una
forma u otra en función de la temperatura de los fluidos que se
intercambian calor, siendo posible que uno de los dos fluidos
condense mientras el otro evapora.
Es posible aportar una primera variación a este
esquema para desequilibrar en un sentido la capacidad de
enfriamiento y calentamiento de ambos sistemas en invierno.
Si se desea aumentar la potencia del sistema de
frío industrial, a partir del punto común, situado a la salida de
ambos compresores (10, 20), se realiza una división del flujo,
pudiendo ir el refrigerante por dos ramales (1, 2) diferentes en
vez de sólo por uno.
El segundo ramal (2) lleva parte del
refrigerante al primer intercambiador, (11) que sigue realizando la
condensación. Desde allí el refrigerante condensado llega a la
primera válvula de expansión (12), donde se reúne con el resto del
refrigerante. De esta forma se evapora en el sistema de frío
industrial algo de refrigerante que no se ha condensado en el
sistema de climatización, a semejanza del modo de verano. Para
ello, en el ejemplo representado en las figuras se ha de atravesar
el tramo inferior (3).
El flujo de refrigerante por este segundo ramal
(2) puede llevarse a un punto tal de forma que no se realice
ninguna condensación en el tercer intercambiador (23), cuando la
temperatura del local sea adecuada para la venta y no requiera
climatización (modo de entretiempo).
Si por el contrario se desea calefactar más en
el sistema de climatización, sin variar las frigorías aportadas
por el sistema de frío industrial, se aumenta el flujo de
refrigerante que pasa por el tercer intercambiador (23) y se
realiza una división del refrigerante, llegando parte del
refrigerante a la primera válvula de expansión (12) y al segundo
intercambiador (13), mientras que el resto del refrigerante llega a
través del tramo inferior (3) a una tercera válvula de expansión
(32) y un cuarto intercambiador (33) que evapora el refrigerante,
utilizando las frigorías en algo que no sea el sistema de frío
industrial (o desechándose).
Es igualmente posible aportar más calor al
climatizador mediante la fuente externa de calor.
Una variante que aprovecha mejor el cuarto
intercambiador es la siguiente: cambiar el funcionamiento del cuarto
intercambiador (33), haciendo que en el funcionamiento de verano
condense el refrigerante en paralelo con el primer intercambiador
(11). Para ello se habrá de realizar un pequeño cambio en las
conexiones de los elementos de la invención que se consideran
evidentes para un experto en la materia (situar un bypass de la
tercera válvula de expansión (32) que pueda ser activado o no y los
circuitos y válvulas necesarios para reorientar el flujo).
Se puede apreciar en la Figura 2 como el tramo
inferior (3) no presenta ningún sentido de flujo definido en el
funcionamiento de invierno, sino que el sentido de circulación del
refrigerante variará entre dos puntos anteriores a la tercera
válvula de expansión (32) y a la primera válvula de expansión (12)
según la diferencia de presión de refrigerante en ambos puntos.
En ese tramo inferior (3) se puede situar el
depósito (40) donde se almacena el refrigerante que pasa por el
sistema combinado de refrigeración y la bomba de líquido (41)
mencionada anteriormente, de forma opcional.
En la Figura 3 se ha mostrado un esquema de la
instalación según la invención, en donde se representan,
simplificados, todos los elementos de la invención, y dos series de
válvulas (50, 51), de preferencia automáticas, que permiten
seleccionar el modo de funcionamiento.
Cuando se cierra la primera serie de válvulas
(50) y se abre la segunda serie de válvulas (51) se produce el
funcionamiento de verano. Si se abre la primera serie de válvulas
(50) y se cierra la segunda serie de válvulas (51) se produce el
funcionamiento de invierno.
Este esquema se ha de completar con las medidas
de seguridad y mantenimiento habituales en los sistemas de
refrigeración, como son medidores de caudal, válvulas de purga,
válvulas de seguridad, manómetros, ... etc. Se considera que estas
medidas son conocidas por todo experto en la materia, además de ser
con frecuencia exigidas y fijadas por la normativa vigente, y no
requieren ser descritas.
Por ejemplo, se puede instalar una conexión
entre las entradas de aspiración de los compresores (10, 20) para
que uno apoye al otro en caso de un hipotético fallo de uno de los
dos sistemas.
Los medios de condensación del ciclo puede
comprender uno o más condensadores enfriados por aire, agua,
evaporativos o de otro tipo, en los exteriores de los locales con
ventilador de tipo axial o en los interiores de los locales con
ventilador de tipo centrífugo, o cualquier equipo compatible con la
fuente de energía precisa para la condensación, diseñados en buena
medida para los sistemas de frío positivo y climatización en uno de
ellos y sistema de frío negativo para otro de ellos. Estos equipos
son equipos estándar que se instalan normalmente en estas
instalaciones.
Además, y reiterando lo comentado anteriormente,
cada uno de los elementos del sistema puede ser sustituido por una
pluralidad de elementos del mismo tipo situados en serie o
paralelo.
Este procedimiento puede realizarse con
cualquier refrigerante conocido, por ejemplo los refrigerantes
R404a, R507 o R134a.
Claims (9)
1. Sistema combinado de refrigeración y
climatización, basado en un ciclo de refrigeración por expansión
directa de un refrigerante, caracterizado porque realiza las
funciones de sistema de frío industrial y de climatización de una
instalación o local, y porque comprende:
- -
- un primer y un segundo compresor (10, 20), cuya salida de refrigerante comprimido se realiza a un punto común;
- -
- un primer, segundo, y tercer intercambiador (11, 13, 23) de calor, siendo el segundo intercambiador (13) el que intercambia calor con el medio a enfriar mediante el sistema de frío industrial, y el tercer intercambiador (23) el que intercambia calor con la instalación o local;
- -
- un primer y una segunda válvula de expansión (12, 22);
- -
- una primera y una segunda serie de válvulas (50, 51);
y porque en un primer modo de funcionamiento,
denominado verano:
- -
- tras el punto común, el primer intercambiador (11) condensa el refrigerante, y vierte el refrigerante condensado a dos ramales en paralelo, cada uno de ellos comprendiendo una válvula de expansión (12, 22) y un intercambiador (13, 23) de calor en funciones de evaporador, antes de la entrada en los compresores (10, 20); y
en un segundo modo de funcionamiento, denominado
invierno:
- -
- tras el punto común el refrigerante toma un primer ramal (1) y atraviesa consecutivamente el tercer intercambiador (23) en funciones de condensador, la primera válvula de expansión (12) y el segundo intercambiador (13) antes de su reintroducción en el primer compresor (10);
y porque:
las dos series de válvulas (50, 51) permiten el
paso de un modo de funcionamiento al otro, de forma que cuando se
cierra la primera serie de válvulas (50) y se abre la segunda serie
de válvulas (51) se produce el funcionamiento de verano, y cuando
se abre la primera serie de válvulas (50) y se cierra la segunda
serie de válvulas (51) se produce el funcionamiento de
invierno.
2. Sistema, según la reivindicación 1,
caracterizado porque, en el modo de invierno, y tras el
punto común, parte del refrigerante toma un segundo ramal (2), en
el que el refrigerante atraviesa el primer intercambiador (11)
realizando funciones de condensador del refrigerante, antes de ser
introducido en la primera válvula de expansión (12).
3. Sistema, según la reivindicación 1,
caracterizado porque, en el modo de invierno, tras el tercer
intercambiador (23), realizando funciones de condensador del
refrigerante, parte del refrigerante atraviesa una tercera válvula
de expansión (32) y un cuarto intercambiador (33) de calor, antes
de la reintroducción del refrigerante en el segundo compresor
(20).
4. Sistema, según la reivindicación 3,
caracterizado porque, en el modo de verano, la tercera
válvula de expansión (32) es puenteado y el cuarto intercambiador
(33) funciona como condensador en paralelo con el primer
intercambiador (11).
5. Sistema, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque se completa con
una bomba de líquido (41) entre al menos un intercambiador (11, 23,
33) funcionando como condensador y una válvula de expansión (12,
22, 32).
6. Sistema, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque al menos uno de
los compresores (10, 20) corresponde a una pluralidad de
compresores situados en serie o paralelo.
7. Sistema, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque al menos uno de
los intercambiadores (11, 13, 23, 33) de calor corresponde a una
serie de intercambiadores dispuestos en serie o paralelo.
8. Sistema, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque comprende una
conexión entre las entradas de aspiración de los compresores (10,
20).
9. Sistema, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque en el modo de
invierno el sistema de climatización comprende otras fuentes de
calor.
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