BRPI0601298B1 - Sistema de controle de vazão em circuitos de refrigeração, método de controle de um sistema de refrigeração e sistema de refrigeração - Google Patents
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Abstract
sistema de controle de vazão em circuitos de refrigeração, método de controle de um sistema de refrigeração e sistema de refrigeração descreve-se um sistema de controle de vazão em circuitos de refrigeração, a um método de controle de um sistema de refrigeração e a um sistema de refrigeração propriamente dito, que pode incluir, por exemplo desde um refrigerador doméstico, até um sistema de ar condicionado. particularmente, a presente invenção visa uma solução para a perda de eficiência na válvula de expansão (17), quando a carga do sistema varia, fazendo com que a válvula de expansão (17) opere abaixo de sua capacidade nominal, logo, em baixa eficiência. uma das formas de se concretizar os objetivos da presente invenção, é através de um sistema de controle de vazão em circuitos de refrigeração que compreende um compressor hermético fluidamente conectado a um circuito fechado (20). o circuito fechado (20) compreendendo um condensador (11), um evaporador (12), e um dispositivo de expansão de fluido (17), sendo que o circuito fechado (20) é preenchido com um fluido, o dispositivo de expansão de fluido (17) tendo uma capacidade nominal de expansão e sendo posicionado entre o evaporador (12) e o condensador (11), o compressor hermético (10) promovendo um fluxo do fluido dentro do circuito fechado (20), o circuito fechado (20) tendo uma capacidade nominal de vazão de circuito. adicionalmente, o sistema compreende uma válvula de controle de fluxo (15) que é posicionada entre uma sarda do condensador (11) e uma entrada do dispositivo de expansão de fluido (17), a válvula de controle de fluxo (15) sendo modulada para que o fluido que irá passar pelo dispositivo de expansão de fluido (17) esteja sempre substancialmente em capacidade nominal de expansão. é também descrito método de controle de um sistema de refrigeração.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para SISTEMA DE CONTROLE DE VAZÃO EM CIRCUITOS DE REFRIGERAÇÃO, MÉTODO DE CONTROLE DE UM SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO E SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO.
[001] A presente invenção refere-se a um sistema de controle de vazão em circuitos de refrigeração, a um método de controle de um sistema de refrigeração e a um sistema de refrigeração propriamente dito, que pode incluir, por exemplo, desde um refrigerador doméstico, até um sistema de ar condicionado. Particularmente, a presente invenção visa uma solução para a perda de eficiência no tubo capilar (ou na válvula de expansão em sistemas de refrigeração de porte maior), quando a carga do sistema varia, fazendo com que o tubo capilar opere abaixo de sua capacidade nominal, logo, em baixa eficiência. DESCRIÇÃO DO ESTADO DA TÉCNICA [002] Em linhas gerais, os objetivos básicos de um sistema de refrigeração são de manter uma baixa temperatura no interior de um (ou mais) compartimento(s), fazendo uso de dispositivos que transportam o calor do interior deste(s) ambiente(s) para o ambiente externo, valendo-se da medição da temperatura no interior deste(s) ambiente(s) para controlar os dispositivos responsáveis pelo transporte do calor, buscando manter a temperatura dentro de limites preestabelecidos para o tipo de sistema de refrigeração em questão.
[003] Dependendo da complexidade do sistema de refrigeração e do tipo de aplicação, os limites de temperatura a serem mantidos são mais restritos ou não. Isto ocorre pois, por ocasião de se projetar o sistema de refrigeração, procura-se otimizá-lo para ter o menor consumo de energia possível. A título de exemplo, pode-se otimizar o sistema de expansão para a temperatura onde será medido o consumo de energia, por exemplo, 25°C, porém, como no caso do sistema de expansão (tubo capilar) é fixa qualquer temperatura acima ou abaixo de
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25°C o sistema não irá operar bem. Ademais, quanto mais otimizado for o tubo capilar mais estreito será o campo de aplicação. Por exemplo, se o sistema foi otimizado ao máximo para 25°C a faixa em que o sistema irá trabalhar adequadamente será de 18 a 32°C, mas se o sistema deve trabalhar de 10 a 43°C a vazão do tubo capilar deverá ser aumentada e isto prejudica o consumo.
[004] Uma forma comum para transporte do calor do interior de um sistema de refrigeração para o ambiente externo é o uso de um compressor hermético ligado a um circuito fechado por onde circula um fluido refrigerante, sendo que esse compressor tem a função de promover o fluxo do gás refrigerante no interior desse sistema de refrigeração, sendo capaz de impor uma diferença de pressão entre os pontos onde ocorrem a evaporação e a condensação do gás refrigerante, permitindo que o processo de transporte de calor e criação da baixa temperatura ocorram. Para impor uma diferença de pressão no circuito de refrigeração é utilizado um dispositivo denominado tubo capilar ou válvula de expansão dependendo do tamanho do sistema (para sistemas domésticos é utilizado o tubo capilar e em sistemas grandes a válvula de expansão).
[005] No estado atual da técnica, o tubo capilar é dimensionado para uma capacidade fixa do compressor e para uma condição de melhor performance numa única temperatura ambiente. Com a variação da temperatura ambiente e a carga interna do sistema de refrigeração, esta performance degrada. Para compressores de capacidade variável este problema é ainda potencializado, visto que o tubo capilar é dimensionado para a máxima capacidade do compressor e quando o mesmo trabalha em baixa capacidade o tubo capilar tem uma vazão maior do que o compressor bombeia, fazendo com que a eficiência do sistema seja reduzida. Esta perda pode variar entre 5 e 15%, dependendo do sistema e da temperatura ambiente.
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3/10 [006] Para evitar esse problema, algumas soluções descrevem o uso de válvulas que controlam o fluxo do fluido dentro do circuito de refrigeração. Uma dessas soluções é revelada no documento de patente US 6.047.556, que descreve o uso de uma válvula de controle que é modulada rapidamente para controlar a vazão do fluido refrigerante no circuito de refrigeração. Além disso, esse sistema faz uso de válvula de expansão eletrônica que pode ser controlada por um microprocessador. Apesar de prever o uso de uma válvula de controle para modular a quantidade de fluido no circuito, não se prevê que a válvula será controlada de tal maneira, a otimizar o funcionamento de uma válvula de expansão (ou de um capilar) de modo que esse opere sempre em condições ótimas.
[007] Uma outra técnica anterior é descrita no documento de patente WO90/07683. Conforme os ensinamentos desse documento, uma válvula de controle é usada para modular a quantidade de fluido em um circuito de refrigeração, mas não se prevê que a válvula de controle será posicionada antes da entrada da válvula de expansão de modo a otimizar a operação da mesma.
[008] Ainda uma outra técnica anterior é encontrada no documento de patente US2004/0187504 que descreve o uso de uma válvula antes da entrada da válvula de expansão sendo que a modulação desse sistema é simplesmente feita em sincronia com o ligamento e desligamento do compressor sem prever que a válvula antes da entrada do capilar deverá ser modulada para controlar o fluxo do fluido durante a operação do sistema.
[009] Todavia, não se observa no estado da técnica um sistema e método de controle de vazão em circuitos de refrigeração configurados para otimizar o funcionamento de um tubo capilar (ou da válvula de expansão).
OBJETIVOS DA INVENÇÃO
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4/10 [001] Um objetivo da presente invenção é prover um sistema de controle de vazão em circuitos de refrigeração.
[002] Um objetivo da presente invenção é prover um método de controle de um sistema de refrigeração.
[003] Um objetivo da presente invenção é otimizar o funcionamento de um tubo capilar (ou da válvula de expansão).
[004] Um objetivo da presente invenção é prover a adição de uma válvula de controle de fluxo para que o mesmo funcione em todas as capacidades.
BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO [005] De modo a superar os problemas do estado da técnica, isto é, o uso da válvula de expansão (tubo capilar) ou genericamente designado como dispositivo de expansão muitas vezes em condições não ótimas, deve-se prever conforme a presente invenção, que o fluido circulante dentro da mesma, esteja sempre operando sobre condições ótimas, deve-se controlar o fluxo do fluido, para que esse só seja liberado para passar pela válvula de expansão) pelo dispositivo de expansão quando tiver alcançado o respectivo valor nominal de operação e assim alcançar um sistema que seja eficiente e que tenha alta flexibilidade, ou seja, possa operar sob qualquer condição de temperatura ambiente e carga térmica, bem como nas diferentes capacidades de refrigeração imposta pelos compressores de velocidade variável.
[006] Desta forma, em linhas gerais, a solução proposta é manter o tubo capilar originalmente projetado para a capacidade máxima do sistema (vazão máxima) isto é, em capacidade nominal de expansão, ou até mesmo superior e adicionar uma válvula (solenóide ou outra pulsante) entre a saída do condensador e a entrada do tubo capilar. Esta válvula pode ser controlada eletronicamente pelo compressor ou pelo próprio sistema, por exemplo, sendo comandada pela eletrônica do compressor no caso de compressores de capacidade variável
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5/10 (VCC’s) ou por uma outra eletrônica que pode ser o termostato do sistema de refrigeração ou o sistema de partida eletrônica de um compressor convencional de capacidade fixa.
[007] Este controle vai determinar a modulação da válvula conforme a capacidade do compressor, a carga no interior do sistema e a temperatura ambiente conforme a necessidade do momento. Com isso o controle do fluxo de refrigerante será feito através da válvula que irá atuar nas pressões de evaporação e condensação, mas a expansão do fluido refrigerante continuará a ser feita pelo tubo capilar. A vantagem deste tipo de configuração em relação a sistemas que utilizam apenas tubo capilar está na flexibilidade do sistema em trabalhar otimizado em todas as condições de temperatura ambiente e carga térmica e nas diferentes capacidades de refrigeração imposta pelos compressores de velocidade variável. Em relação a sistemas que utilizam apenas válvula de expansão, as principais vantagens estão na possibilidade de se continuar tirando proveito do trocador de calor tubo capilar - linha de sucção e também no fato da expansão do refrigerante ocorrer apenas no tubo capilar, evitando problemas de abaixamento da temperatura do corpo da válvula com consequente formação de gelo sobre a mesma. A formação de gelo ocorre quando for uma válvula de expansão a mesma é aplicada diretamente no evaporador, se ela ficar pelo lado de dentro do sistema de refrigeração a mesma vai levar calor para dentro do sistema uma vez que o lado de alta pressão é mais quente, porém se ela ficar pelo lado de fora o lado de baixa pressão é frio e vai gerar formação de gelo. Em ambos os casos isto é prejudicial à eficiência do sistema. Com a válvula de controle de fluxo a mesma é aplicada entre a saída do condensador e a entrada do tubo capilar não ocorrendo este fenômeno.
[008] Uma das formas de se alcançar esses objetivos é através de um sistema de controle de vazão em circuitos de refrigeração que com
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6/10 preende um compressor hermético fluidamente conectado a um circuito fechado. O circuito fechado compreendendo um condensador, um evaporador, e um dispositivo de expansão de fluido, sendo que o circuito fechado é preenchido com um fluido, o dispositivo de expansão de fluido tendo uma capacidade nominal de expansão e sendo posicionado entre o evaporador e o condensador, o compressor hermético promovendo um fluxo do fluido dentro do circuito fechado, o circuito fechado tendo uma capacidade nominal de vazão de circuito. Adicionalmente, o sistema compreende uma válvula de controle de fluxo que é posicionada entre uma saída do condensador e uma entrada do dispositivo de expansão de fluido, a válvula de controle de fluxo sendo modulada para que o fluido que irá passar pelo dispositivo de expansão de fluido esteja sempre substancialmente em capacidade nominal de expansão.
[009] Uma outra forma de se alcançar os objetivos da presente invenção, é alcançada através de um sistema de controle de vazão em circuitos de refrigeração que compreende um compressor hermético fluidamente conectado a um circuito fechado, o circuito fechado compreendendo um condensador, um evaporador, um trocador de calor, uma linha de sucção e um dispositivo de expansão de fluido; o condensador sendo conectado a partir da saída do compressor hermético em série com dispositivo de expansão, com o trocador de calor e o evaporador, a linha de sucção sendo conectada uma saída do evaporador que passa pelo trocador de calor para a entrada do compressor hermético, o dispositivo de expansão de fluido tendo uma capacidade nominal de expansão e sendo posicionado entre o evaporador e o condensador, o compressor hermético promovendo um fluxo de um fluido dentro do circuito fechado, o circuito fechado tendo uma capacidade nominal de vazão de circuito, o sistema adicionalmente compreendendo uma válvula de controle de fluxo posicionada entre a saída do condensador e antes de uma entrada do dispositivo de expansão de fluido, e pelo fato de que o dispo
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7/10 sitivo de expansão de fluido tem uma capacidade nominal de expansão maior ou igual à capacidade nominal de vazão do circuito fechado, a válvula de controle de fluxo sendo pulsada para que o fluido seja represado no condensador e liberado quando tiver alcançado uma quantidade substancialmente igual à capacidade nominal de expansão, em outras palavras, o fluído é represado (acumulado) no condensador sempre que a válvula fecha, o dispositivo de expansão deve ter uma vazão igual ou ligeiramente superior àquela necessária para a condição de funcionamento do sistema de refrigeração.
[0010] Ainda de acordo com os ensinamentos da presente invenção, é previsto um método de controle de um sistema de refrigeração, o sistema compreendendo um compressor hermético fluidamente conectado a um circuito fechado, o circuito fechado compreendendo um condensador, um evaporador e um dispositivo de expansão de fluido; o dispositivo de expansão de fluido tendo uma capacidade nominal de expansão e sendo posicionado entre o evaporador e o condensador o compressor hermético promovendo um fluxo de um fluido dentro do circuito fechado, o circuito fechado tendo uma capacidade nominal de vazão de circuito; uma válvula de controle de fluxo sendo posicionada entre a saída do condensador e antes de uma entrada do dispositivo de expansão de fluido, e o método compreendendo etapas de acumular o fluido no condensador junto à válvula de controle de fluxo; manter a válvula de controle de fluxo fechada, enquanto a quantidade do fluido estiver abaixo da capacidade nominal de expansão; e quando a quantidade do fluido estiver igual ou acima da capacidade nominal de expansão, pulsar a válvula de controle de fluxo para liberar o fluido, até que a quantidade tenha chegado a abaixo da capacidade nominal de expansão. DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS [0011] A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base em um exemplo de execução representado no dePetição 870190055738, de 17/06/2019, pág. 17/42
8/10 senho. A figura mostra:
[0012] Figura 1 - é um diagrama esquemático de um circuito fechado, ilustrando um compressor, um condensador, um evaporador, e um dispositivo de expansão de fluido, um trocador de calor, o circuito fechado sendo preenchido com um fluido;
DESCRIÇÃO DETALHADA DAS FIGURAS [0013] A figura 1 mostra um circuito fechado 20 compreendendo um condensador 11, um evaporador 12, um trocador de calor 18, uma linha de sucção 25 e um dispositivo de expansão de fluido 17, que pode ser um capilar ou uma válvula de expansão, conforme descrito anteriormente.
[0014] Na configuração ilustrada na figura, o condensador 11 é conectado a partir da saída do compressor hermético 10 em série com a válvula de expansão 17, com o trocador de calor 18 e com o evaporador 12, sendo que a linha de sucção 25 é conectada a uma saída do evaporador 12 e passando pelo trocador de calor 18 para a entrada do compressor hermético 10.
[0015] Em outra configuração (não mostrada), o uso do trocador de calor 18 é dispensado e a saída do evaporador 12 é ligada ao compressor 10, sem, contudo, alterar os conceitos de sistema e método objetos da presente invenção.
[0016] Em termos de funcionamento do sistema de controle de vazão em circuitos de refrigeração, o circuito fechado 20 é preenchido com um fluido refrigerante, sendo que o compressor hermético 10 promove um fluxo do fluido dentro do circuito fechado 20, o circuito fechado 20 tendo uma capacidade nominal de vazão de circuito.
[0017] De acordo com os ensinamentos da presente invenção, o dispositivo de expansão de fluido 17 - que possui uma capacidade nominal de expansão - é posicionado entre o evaporador 12 e o condensador 11 além de adicionalmente se prover o sistema com uma válvula de
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9/10 controle de fluxo 15 que é posicionada entre uma saída do condensador 11 e uma entrada do dispositivo de expansão de fluido 17.
[0018] No que refere-se às características do dispositivo de expansão de fluido 17, este deve ser projetado para que uma capacidade nominal de expansão maior ou igual à capacidade nominal de vazão do circuito fechado 20, dessa forma, pode-se modular a válvula de controle de fluxo 15, para que o fluido seja represado no condensador 11 e somente liberado quando tiver alcançado uma quantidade de vazão igual à capacidade nominal de expansão, ou seja, dessa forma, a válvula de expansão 17, irá operar sempre em condições ótimas resultando em máxima eficiência.
[0019] A válvula de controle de fluxo 15 pode ser, por exemplo, uma válvula pulsante, uma válvula solenoide, ou outro tipo de válvula que tenha uma resposta rápida para controlar o fluxo do fluido de maneira apropriada para que se possa sempre manter o circuito fechado operando adequadamente e ainda se possa a válvula de expansão de fluido 17 atuando sempre substancialmente em capacidade nominal de expansão de abertura e fechamento de modo proporcional à temperatura ambiente.
[0020] Em termos de comando da válvula de controle de fluxo 15, esta deve ser controlada para ser pulsada intermitentemente para paulatinamente liberar o fluido quando este tiver a quantidade substancialmente igual à capacidade nominal de expansão, sendo o tempo de represamento variável de acordo com uma demanda do sistema de refrigeração. [0021] O controle do sistema como um todo deve ser feito através de um controle eletrônico (não mostrado) presente no compressor ou no sistema. A modulação do fluxo poderá ser feita através do liga/desliga da válvula (abre e fecha) em curtos intervalos de tempo ou através da variação do fluxo entre um valor mínimo igual a zero (válvula totalmente fechada) e um valor máximo (válvula totalmente aberta) com
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10/10 infinitos steps intermediários. Em outras palavras, uma válvula de controle tem duas posições: aberta ou fechada, de modo que ela pode fica 100% aberta ou pulsada com variações do pulso entre aberta ou fechada de 0 a 100%. A título de exemplo, para alcançar a capacidade de 50% de capacidade de um compressor, poderia se manter a válvula 10 segundos aberta e 10 segundos fechada, variando-se esses tempos. [0022] Para operacionalizar o sistema de controle de vazão em circuitos de refrigeração objeto da presente invenção, são previstas as etapas de
- modular a válvula de fluxo 15 proporcionalmente conforme a capacidade do compressor/ sistema,
- manter a válvula de controle de fluxo 15 fechada, enquanto a quantidade do fluido estiver abaixo da capacidade nominal de expansão, e
- quando a quantidade do fluido estiver igual ou acima da capacidade nominal de expansão, pulsar a válvula de controle de fluxo 15 para liberar o fluido, até que a quantidade tenha chegado a um valor de capacidade nominal de expansão. Nessa etapa, o pulsar da válvula de controle de fluxo 15 é feito intermitentemente.
[0023] Os ensinamentos da presente invenção são aplicáveis em qualquer sistema de refrigeração, que pode incluir sistemas de refrigeração doméstica, refrigeração industrial, sistemas de ar condicionado, etc. [0024] Tendo sido descrito um exemplo de concretização preferido, deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possíveis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações apensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.
Claims (5)
- REIVINDICAÇÕES1. Sistema de controle de vazão em circuitos de refrigeração, o circuito de refrigeração compreendendo um compressor hermético (10) de capacidade variável fluidicamente conectado a um circuito fechado (20), o compressor hermético (10) de capacidade variável sendo configurado com um controle eletrônico, o circuito fechado (20) compreendendo um condensador (11), um evaporador (12), um trocador de calor (18), uma linha de sucção (25) e uma válvula de expansão de fluido (17), o sistema adicionalmente compreendendo uma válvula de controle de fluxo (15), a válvula de controle de fluxo (15) sendo posicionada entre uma saída do condensador (11) e uma entrada da válvula de expansão de fluido (17), o condensador (11) sendo conectado a partir da saída do compressor hermético (10) de capacidade variável em série com a válvula de expansão (17), com o trocador de calor (18) e com o evaporador (12), a linha de sucção (25) conectando uma saída do evaporador (12) que passa pelo trocador de calor (18) para a entrada do compressor hermético (10) de capacidade variável, a válvula de expansão de fluido (17) tendo uma capacidade nominal de expansão e sendo posicionada entre o evaporador (12) e o condensador (11), o compressor hermético (10) de capacidade variável promovendo um fluxo de um fluido dentro do circuito fechado (20), o circuito fechado (20) tendo uma capacidade nominal de vazão de circuito, o sistema de controle de vazão em circuitos de refrigeração sendo caracterizado pelo fato de que o controle eletrônico do compressor hermético (10) de capacidade variável é configurado para conPetição 870190055738, de 17/06/2019, pág. 21/42
- 2/3 trolar a válvula de controle de fluxo (15) para manter o fluido passando pela válvula de expansão de fluido (17) a uma mesma taxa que a capacidade nominal de expansão da válvula de expansão de fluido (17), pulsando a válvula de controle de fluxo (15) proporcionalmente à velocidade do compressor hermético (10) de capacidade variável, para que o fluido seja represado no condensador (11) e liberado quando tiver alcançado uma quantidade substancialmente igual à capacidade nominal de expansão, o dispositivo de expansão de fluido (17) sendo configurado para ter capacidade nominal de expansão maior ou igual à capacidade nominal de vazão do circuito fechado (20).2. Sistema de controle de vazão em circuitos de refrigeração, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a válvula de expansão de fluido (17) é um tubo capilar.
- 3. Sistema de controle de vazão em circuitos de refrigeração, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a válvula de controle de fluxo (15) é uma válvula solenoide.
- 4. Sistema de refrigeração caracterizado pelo fato de que compreende um circuito de refrigeração com sistema de controle de vazão conforme definido na reivindicação 1.
- 5. Método de controle de um sistema de refrigeração, o sistema compreendendo um compressor hermético (10) fluidicamente conectado a um circuito fechado (20), o circuito fechado (20) compreendendo um condensador (11), um evaporador (12) e uma válvula de expansão de fluido (17), a válvula de expansão de fluido (17) tendo uma capacidade nominal de expansão e sendo posicionada entre o evaporador (12) e o condensador (11), o sistema adicionalmente compreendendo uma válvula de controle de fluxo (15), a válvula de controle de fluxo (15) sendo posiciPetição 870190055738, de 17/06/2019, pág. 22/423/3 onada entre uma saída do condensador (11) e uma entrada da válvula de expansão de fluido (17), o compressor hermético (10) de capacidade variável promovendo um fluxo de um fluido dentro do circuito fechado (20), o circuito fechado (20) tendo uma capacidade nominal de vazão de circuito, o método sendo caracterizado pelo fato de que o dispositivo de expansão de fluido (17) é configurado para ter capacidade nominal de expansão maior ou igual à capacidade nominal de vazão do circuito fechado (20), em que o método de controle compreende as etapas de:- modular a válvula de fluxo (15) proporcionalmente conforme a capacidade do compressor (10) de capacidade variável,- manter a válvula de controle de fluxo (15) fechada enquanto a quantidade do fluido estiver abaixo da capacidade nominal de expansão, e- quando a quantidade do fluido estiver igual ou acima da capacidade nominal de expansão, pulsar a válvula de controle de fluxo (15) para liberar o fluido, até que a quantidade tenha chegado abaixo da capacidade nominal de expansão.
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