IT201800007165A1

IT201800007165A1 - Pompa di calore aria-acqua con bypass acqua durante il ciclo di sbrinamento.

Info

Publication number: IT201800007165A1
Application number: IT102018000007165A
Authority: IT
Priority date: 2018-07-13
Filing date: 2018-07-13
Publication date: 2020-01-13
Also published as: PT3594032T; ES2877159T3; EP3594032A1; EP3594032B1

Description

DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE INDUSTRIALE DAL TITOLO: "Pompa di calore aria-acqua con bypass acqua durante il ciclo di sbrinamento"

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce in generale agli impianti a pompa di calore per veicoli.

Una poma di calore è un dispositivo che trasferisce energia termica da una sorgente termica a un cosiddetto “pozzo caldo”. Le pompe di calore trasferiscono l’energia termica nella direzione opposta rispetto al trasferimento termico spontaneo, assorbendo calore da uno spazio freddo e rilasciandolo a uno più caldo. Una pompa di calore utilizza una piccola quantità di lavoro esterno per poter effettuare il trasferimento di energia dalla sorgente termica al pozzo caldo. Quando una pompa di calore viene utilizzata per riscaldare, essa impiega lo stesso ciclo di refrigerazione utilizzato da un climatizzatore o da un frigorifero, ma nella direzione opposta – rilasciando calore nello spazio condizionato piuttosto che nell’ambiente circostante. In questo uso, le pompe di calore estraggono calore dall’aria esterna.

Durante il funzionamento di una pompa di calore, la temperatura dello scambiatore esterno che agisce come evaporatore scende al disotto di 0°C e l’acqua contenuta nell’aria (umidità) condensa e cristallizza sulla superficie dello scambiatore esterno. Sull’evaporatore la brina gioca il ruolo di isolante termico, riducendo di conseguenza il trasferimento termico. Il processo di rimozione di tale ghiaccio, chiamato ciclo di sbrinamento, provoca l’arresto della produzione di calore. Quando la pompa di calore è installata sul tetto di un autobus e il calore viene trasferito all’interno dell’autobus attraverso un circuito d’acqua, il ciclo di sbrinamento (generalmente circa 10 minuti su un’ora di lavoro) può provocare una sensazione di disagio per i passeggeri.

Uno scopo della presente invenzione è rendere disponibile una pompa di calore per veicoli in grado di ovviare almeno in parte agli inconvenienti suddetti.

Forma pertanto oggetto dell’invenzione una pompa di calore aria-acqua per un veicolo, comprendente un circuito fluido refrigerante per la circolazione di un fluido refrigerante e un circuito acqua per la circolazione di acqua per la climatizzazione all’interno del veicolo,

in cui il circuito fluido refrigerante comprende uno scambiatore di calore esterno per lo scambio termico fra il fluido refrigerante e aria dell’ambiente esterno, e uno scambiatore di calore interno per lo scambio termico fra il fluido refrigerante e l’acqua del circuito acqua,

un sensore di temperatura fluido refrigerante configurato per rilevare una temperatura del fluido refrigerante in uscita dallo scambiatore di calore esterno,

un’unità di controllo, configurata per commutare in maniera programmata la pompa di calore da una fase di riscaldamento di un ambiente interno del veicolo a una fase di sbrinamento dello scambiatore di calore esterno quando la temperatura rilevata del fluido refrigerante è al disotto di una soglia prestabilita, indicativa di una presenza di ghiaccio sullo scambiatore di calore esterno,

in cui il circuito acqua comprende una linea di bypass che interconnette un ingresso acqua e un’uscita acqua dello scambiatore di calore interno, e mezzi valvolari comandabili dall’unità di controllo per commutare il circuito acqua, quando la pompa di calore viene commutata dalla fase di riscaldamento alla fase di sbrinamento, da una configurazione normale in cui un percorso acqua dello scambiatore di calore interno è aperto e la linea di bypass è chiusa, a una configurazione di bypass in cui il percorso acqua dello scambiatore di calore interno è chiuso e la linea di bypass è aperta.

Con la presente invenzione è pertanto possibile disaccoppiare il circuito fluido refrigerante della pompa di calore dal circuito acqua, e usare l’energia termica immagazzinata dall’acqua per il riscaldamento del vano passeggeri. Non è più quindi necessario interrompere la circolazione dell’acqua all’interno del vano passeggeri, e si avrà solo una riduzione della potenza di riscaldamento.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del sistema secondo l’invenzione diverranno più chiari con la seguente descrizione dettagliata di una forma di realizzazione del trovato, fatta con riferimento ai disegni allegati, forniti a titolo puramente illustrativo e non limitativo, in cui:

- la figura 1 rappresenta uno schema di una pompa di calore per autobus secondo l’invenzione;

- la figura 2 rappresenta la pompa di calore di figura 1 in una fase di riscaldamento;

- la figura 3 rappresenta la pompa di calore di figura 1 in una fase di raffrescamento; e

- la figura 4 rappresenta la pompa di calore di figura 1 in una fase di sbrinamento.

Con riferimento alla figura 1, è rappresentato schematicamente un veicolo 1, ad esempio un autobus. In figura 1 è rappresentato anche un impianto a pompa di calore aria-acqua del veicolo. La pompa di calore comprende un circuito fluido refrigerante 10 per la circolazione di un fluido refrigerante e un circuito acqua 20 per la circolazione di acqua per la climatizzazione all’interno del veicolo. Il circuito fluido refrigerante 10 è generalmente disposto all’esterno del vano passeggeri del veicolo, e può essere alloggiato all’interno del tetto del veicolo, rappresentato dalla linea tratteggiata in grassetto 2 in figura 1. Il circuito acqua 20 è in parte alloggiato all’interno del tetto del veicolo, e in parte si estende nel vano passeggeri e nella cabina del conducente. All’interno del vano passeggeri, il circuito acqua 20 comprende una pluralità di utenze di climatizzazione 21. Ciascuna utenza di climatizzazione 21 comprende un ventilatore e uno scambiatore di calore acqua/aria (massa radiante) per lo scambio termico fra l’acqua del circuito acqua 20 e l’aria all’interno del veicolo.

Un’unità di controllo 30 della pompa di calore è prevista per governare il funzionamento della pompa di calore, dialogando con un’unità di controllo 40 del veicolo. Ad esempio, tramite l’unità di controllo 40 del veicolo possono essere forniti all’unità di controllo 30 della pompa di calore un segnale di comando relativo a una temperatura richiesta, un segnale di comando relativo a una richiesta di sbrinamento, un segnale di temperatura indicativo della temperatura interna del veicolo, e così via. A sua volta l’unità di controllo 30 della pompa di calore può fornire all’unità di controllo 40 del veicolo segnali di feedback utilizzabili per una diagnostica del sistema.

Il circuito fluido refrigerante 10 comprende uno scambiatore di calore esterno 101 per lo scambio termico fra il fluido refrigerante e aria dell’ambiente esterno, che è pertanto associato a un ventilatore 102. Il circuito fluido refrigerante 10 comprende inoltre uno scambiatore di calore interno 103 per lo scambio termico fra il fluido refrigerante e l’acqua del circuito acqua 20. Per la circolazione del fluido refrigerante nel circuito fluido refrigerante 10 è previsto un compressore 104, mentre sono previsti un primo, un secondo e un terzo orifizio rispettivamente 105, 106, 107 con funzione di valvola di espansione, rispettivamente associati alla fase di riscaldamento (figura 2), alla fase di raffrescamento (figura 3) e alla fase di sbrinamento (figura 4).

Un sensore di temperatura 108 è associato allo scambiatore di calore esterno 101 per rilevare la temperatura del fluido refrigerante in uscita da o in ingresso allo scambiatore di calore esterno 101.

Un sensore di pressione 109 è disposto a valle del compressore 104 per rilevare la pressione del fluido refrigerante in uscita dal compressore 104. A monte del compressore 104 è inoltre disposto un accumulatore 110.

Per commutare il circuito fluido refrigerante 10 fra le tre differenti fasi di funzionamento sono previsti mezzi valvolari, che nell’esempio illustrato sono costituiti da una serie di valvole a due vie. Ad esempio, una prima valvola a due vie 111 è disposta fra l’uscita del compressore 104 e lo scambiatore di calore interno 103, una seconda valvola a due vie 112 è disposta fra l’uscita del compressore 104 e lo scambiatore di calore esterno 101, una terza valvola a due vie 113 è disposta fra lo scambiatore di calore esterno 101 e un ingresso del compressore 104, una quarta valvola a due vie 114 è disposta fra lo scambiatore di calore interno 103 e l’ingresso del compressore 104, una quinta valvola a due vie 115 è disposta fra il terzo orifizio 107 e l’ingresso del compressore 104, una sesta valvola a due vie 116 è disposta in parallelo con il secondo orifizio 106, e una settima valvola a due vie 117 è disposta in parallelo con il primo orifizio 105.

L’impianto comprende inoltre un sensore di temperatura aria esterna 150 configurato per rilevare la temperatura dell’aria dell’ambiente esterno.

Per la circolazione dell’acqua fra lo scambiatore di calore interno 103 e le utenze 21, il circuito acqua 20 comprende una pompa 201. In corrispondenza di un ingresso 103a e di un’uscita 103b di un percorso acqua dello scambiatore di calore interno 103 sono disposte rispettivamente una valvola a due vie d’ingresso 202 e una valvola a due vie d’uscita 203. Un riscaldatore elettrico aggiuntivo 204 è previsto a valle dell’uscita acqua 103b dello scambiatore di calore interno 103.

Il circuito acqua 20 comprende inoltre una linea di bypass 205 che interconnette l’ingresso acqua 103a e l’uscita acqua 103b dello scambiatore di calore interno 103, ed è disposto in parallelo con il percorso dell’acqua all’interno dello scambiatore di calore interno 103. Sulla linea di bypass è disposta una valvola a due vie di bypass 206. Come verrà chiarito nel seguito, le valvole a due vie 202, 203 e 206 del circuito acqua 20 sono comandabili in maniera coordinata per commutare il circuito acqua 20 da una configurazione normale in cui il percorso acqua dello scambiatore di calore interno 103 è aperto e la linea di bypass 205 è chiusa, a una configurazione di bypass in cui il percorso acqua dello scambiatore di calore interno 103 è chiuso e la linea di bypass 205 è aperta. Naturalmente sono possibili configurazioni alternative dei mezzi valvolari del circuito acqua che potrebbero funzionare nel modo sopra indicato.

In figura 2 è rappresentata la pompa di calore di figura 1 nella fase di riscaldamento. Le frecce rappresentate in figura rappresentano il percorso del fluido refrigerante nel circuito fluido refrigerante 10 e il percorso dell’acqua nel circuito acqua. La parte a bassa pressione del circuito fluido refrigerante 10 è rappresentata con linee a tratto e punto; la parte ad alta pressione del circuito fluido refrigerante è rappresentata con linee continue.

Nella fase di riscaldamento illustrata in figura 2 sono chiuse la seconda valvola a due vie 112, la quarta valvola a due vie 114, la quinta valvola a due vie 115 e la settima valvola a due vie 117 del circuito refrigerante 10. In figura 2 e nelle figure seguenti, le valvole chiuse sono rappresentate in nero, mentre le valvole aperte sono rappresentate in bianco. A partire dal compressore 104, il fluido refrigerante passa alla prima valvola a due vie 111, allo scambiatore di calore interno 103 che agisce da condensatore, alla sesta valvola a due vie 116, al primo orifizio 105, allo scambiatore di calore esterno 101 che agisce da evaporatore, e alla terza valvola a due vie 113, tornando infine al compressore 104.

Nel circuito acqua 20 sono aperte la valvola a due vie d’ingresso 202 e la valvola a due vie d’uscita 203, mentre è chiusa la valvola a due vie di bypass 206 della linea di bypass 205.

Nello scambiatore di calore esterno 101 l’aria dell’ambiente esterno cede calore al fluido refrigerante. Nello scambiatore di calore interno 103 il fluido refrigerante cede calore all’acqua del circuito acqua 10. L’acqua riscaldata viene trasportata alle varie utenze 21, attraverso le quali cede calore all’aria del vano passeggeri del veicolo 1. Dalle utenze 21 l’acqua ritorna all’ingresso acqua 103b dello scambiatore di calore interno 103.

In figura 3 è rappresentata la pompa di calore di figura 1 nella fase di raffrescamento. Le frecce rappresentate in figura rappresentano il percorso del fluido refrigerante nel circuito fluido refrigerante 10 e il percorso dell’acqua nel circuito acqua. La parte a bassa pressione del circuito fluido refrigerante 10 è rappresentata con linee a tratto e punto; la parte ad alta pressione del circuito fluido refrigerante è rappresentata con linee continue.

Nella fase di raffrescamento illustrata in figura 2 sono chiuse la prima valvola a due vie 111, la terza valvola a due vie 113, la quinta valvola a due vie 115 e la sesta valvola a due vie 116 del circuito refrigerante 10. A partire dal compressore 104, il fluido refrigerante passa alla seconda valvola a due vie 112, allo scambiatore di calore esterno 101 che agisce da condensatore, alla sesta valvola a due vie 116, al secondo orifizio 106, allo scambiatore di calore interno 103 che agisce da evaporatore, e alla quarta valvola a due vie 114, tornando infine al compressore 104.

Nello scambiatore di calore esterno 101 il fluido refrigerante cede calore all’aria dell’ambiente esterno. Nello scambiatore di calore interno 103 il fluido refrigerante sottrae calore all’acqua del circuito acqua 10. L’acqua raffreddata viene trasportata alle varie utenze 21, attraverso le quali sottrae calore all’aria del vano passeggeri del veicolo 1. Dalle utenze 21 l’acqua ritorna all’ingresso acqua 103b dello scambiatore di calore interno 103.

Durante la produzione di caldo (fase di riscaldamento di figura 2), quando in base ai rilevamenti del sensore di temperatura 108 associato allo scambiatore di calore esterno 101 si determina che la temperatura del fluido refrigerante è al disotto di una soglia indicativa di una presenza di ghiaccio sullo scambiatore di calore esterno 101, l’unità di controllo 30 della pompa di calore avvia un ciclo di sbrinamento. Ad esempio, può essere previsto che dopo circa 50 minuti di funzionamento in fase di riscaldamento, servano 10 min di ciclo di sbrinamento. In tale ciclo il fluido refrigerante caldo viene inviato allo scambiatore di calore esterno per sgelarlo.

Nella figura 4 è rappresentata la pompa di calore di figura 1 in tale fase di sbrinamento. Le frecce rappresentate in figura rappresentano il percorso del fluido refrigerante nel circuito fluido refrigerante 10 e il percorso dell’acqua nel circuito acqua. La parte a bassa pressione del circuito fluido refrigerante 10 è rappresentata con linee a tratto e punto; la parte ad alta pressione del circuito fluido refrigerante è rappresentata con linee continue.

Nella fase di sbrinamento illustrata in figura 4 sono chiuse la prima valvola a due vie 111, la terza valvola a due vie 113, la quarta valvola a due vie 114, la sesta valvola a due vie 116 e la settima valvola a due vie 117 del circuito refrigerante 10. A partire dal compressore 104, il fluido refrigerante passa alla seconda valvola a due vie 112, allo scambiatore di calore esterno 101, al primo orifizio 105, al terzo orifizio 107, e alla quinta valvola a due vie 115, tornando infine al compressore 104.

Oltre a commutare la pompa di calore dalla fase di riscaldamento alla fase di sbrinamento, l’unità di controllo 30 della pompa di calore chiude la valvola a due vie d’ingresso 202 e la valvola a due vie d’uscita 203 dello scambiatore di calore interno 103, e apre la valvola a due vie di bypass 206 della linea di bypass 205, mentre la pompa 201 del circuito acqua rimane in funzione. Tale operazione permette la circolazione dell’acqua calda all’interno del vano passeggeri del veicolo e la sua alimentazione alle utenze 21. L’attivazione del bypass evita che l’energia termica immagazzinata dall’acqua nella precedente fase di riscaldamento venga dissipata nello scambiatore di calore interno 103. È quindi possibile utilizzare tale energia termica per permettere una parziale produzione di aria calda, anche con la pompa di calore in fase di sbrinamento.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Pompa di calore aria-acqua per un veicolo, comprendente un circuito fluido refrigerante (10) per la circolazione di un fluido refrigerante e un circuito acqua (20) per la circolazione di acqua per la climatizzazione all’interno del veicolo (1), in cui il circuito fluido refrigerante (10) comprende uno scambiatore di calore esterno (101) per lo scambio termico fra il fluido refrigerante e aria dell’ambiente esterno, e uno scambiatore di calore interno (103) per lo scambio termico fra il fluido refrigerante e l’acqua del circuito acqua (20), un sensore di temperatura fluido refrigerante (108) configurato per rilevare una temperatura del fluido refrigerante in uscita dallo scambiatore di calore esterno (101), un’unità di controllo (30, 40), configurata per commutare in maniera programmata la pompa di calore da una fase di riscaldamento di un ambiente interno del veicolo a una fase di sbrinamento dello scambiatore di calore esterno (101) quando la temperatura rilevata del fluido refrigerante è al disotto di una soglia prestabilita, indicativa di una presenza di ghiaccio sullo scambiatore di calore esterno (101), caratterizzata dal fatto che il circuito acqua (20) comprende una linea di bypass (205) che interconnette un ingresso acqua (103a) e un’uscita acqua (103b) dello scambiatore di calore interno (103), e mezzi valvolari (202, 203, 206) comandabili dall’unità di controllo (30, 40) per commutare il circuito acqua (20), quando la pompa di calore viene commutata dalla fase di riscaldamento alla fase di sbrinamento, da una configurazione normale in cui un percorso acqua dello scambiatore di calore interno (103) è aperto e la linea di bypass (205) è chiusa, a una configurazione di bypass in cui il percorso acqua dello scambiatore di calore interno (103) è chiuso e la linea di bypass (205) è aperta.
2. Pompa di calore secondo la rivendicazione 1, in cui il circuito acqua (20) comprende una pluralità di utenze di climatizzazione (21), ciascuna utenza di climatizzazione (21) comprendendo un ventilatore e uno scambiatore di calore acqua/aria per lo scambio termico fra l’acqua del circuito acqua e l’aria all’interno del veicolo.