Patente nacional por "Sistema de alta eficiencia para la producción de agua caliente"

Reivindicaciones:
+ ES-2954788_A11§.- Sistema de alta eficiencia para la producción de agua caliente, caracterizado por que comprende una bomba de calor formada por: - un condensador (5) provisto de una conducción de entrada de agua a calentar (1) , una conducción de salida de agua caliente (3) a suministrar a un punto final de consumo, una conducción de entrada de refrigerante (4) y una conducción de salida de salida de refrigerante (2) , - una termopila integrada por dos termopares en serie, un primer termopar (6) dispuesto en la conducción de entrada de agua a calentar (1) del condensador y un segundo termopar (7) dispuesto en la conducción de salida de refrigerante (2) del condensador (1) ; de forma que el primer termopar (6) mide la temperatura T 1 del agua a calentar que entra al condensador (5) y el segundo termopar (7) mide la temperatura del refrigerante T2 que sale del condensador (5) , siendo ATc = T 1 - T2 , - un convertidor (8) conectado a los termopares [ (6) , (7) ] de la termopila que convierte la diferencia de temperatura medida por los termopares [ (6) , (7) ] en una señal de voltaje, - un controlador que incluye un algoritmo, donde el controlador recibe la señal de voltaje del convertidor (8) , - una electroválvula de expansión (9) comandada por el controlador, - un evaporador (10) provisto de una conducción de entrada de efluente de calor residual (11) , una conducción de salida efluente de calor residual (12) , una conducción de entrada de refrigerante (13) y una conducción de salida de refrigerante (14) , - un depósito acumulador (15) de refrigerante dispuesto a la salida del evaporador (10) , y - un compresor (16) , donde la termopila genera una señal de voltaje proporcional a la diferencia de temperatura ATc, mientras que el convertidor (8) recibe dicha señal de voltaje y el algoritmo del controlador determina el grado de apertura de la electroválvula de expansión (9) , accionando el controlador la electroválvula de expansión (9) y definiendo-la cantidad de refrigerante presente en el depósito acumulador (15) , de manera que ATc se mantiene constante. 2§.- Sistema de alta eficiencia para la producción de agua caliente, según reivindicación 1§, caracterizado por que la diferencia de temperatura entre la temperatura T 1 del agua a calentar que entra al condensador (5) y la temperatura T2 del refrigerante que sale del condensador (5) es de entre 3°C y 7°C. 3§.- Sistema de alta eficiencia para la producción de agua caliente, según reivindicación 1§, caracterizado por que presenta un depósito de separación (17) con un sensor de nivel (21) , de forma que el depósito de separación (17) queda dispuesto entre la electroválvula de expansión (9) y el evaporador (10) , estando el depósito de separación (17) unido mediante una conducción de baipás (18) provista de una válvula de baipás (19) a la conducción de salida de refrigerante (14) del evaporador (10) . 4§.- Sistema de alta eficiencia para la producción de agua caliente, según reivindicación 1§, caracterizado por que presenta un intercambiador de calor (20) que se alimenta con el agua a calentar por un lado y por otro con el efluente de calor residual, de forma que una de las salidas del intercambiador de calor (20) está conectada a la conducción de entrada de efluente de calor residual (11) y la otra salida del intercambiador de calor (20) está conectada a la conducción de entrada agua a calentar del condensador (5) . 5§.- Sistema de alta eficiencia para la producción de agua caliente, según reivindicación 1§, caracterizado por que el refrigerante empleado en la bomba de calor es propano. 6§.- Sistema de alta eficiencia para la producción de agua caliente, según reivindicación 1§, caracterizado por que uno de los termopares de la termopila está formado por una aleación de 90% de níquel y 10% de cromo mientras que el otro termopar está formado por una aleación de 95% de silicio y 5% de aluminio. 7§.- Sistema de alta eficiencia para la producción de agua caliente, según reivindicación 1§, caracterizado por que uno de los termopares de la termopila está formado por una aleación de 55% de cobre y 45% de níquel mientras que el otro termopar es de cobre.

Los productos y servicios protegidos por este registro son:
F24D 17/02 - F24D 11/02

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+ ES-2954788_A1 Sistema de alta eficiencia para la producción de agua caliente SECTOR DE LA TÉCNICA La presente invención se enmarca en el campo de la producción de agua caliente y se refiere a un sistema de alta eficiencia para la producción de agua caliente a partir de efluentes de calor de baja temperatura. Para ello, el sistema de la invención se estructura a partir de una bomba de calor agua-agua con subenfriamiento optimizado del refrigerante, que utiliza el calor residual de efluentes de calor de baja temperatura (por ejemplo, aguas grises, aguas residuales, efluentes industriales...) para producir agua caliente a temperaturas de 50°C, 60°C o incluso superiores. La presente invención permite alcanzar una alta eficiencia de operación gracias a una innovadora estrategia de control de la bomba de calor que permite adaptarse al salto térmico de la demanda de agua caliente mediante el control de la diferencia de temperaturas en el condensador. Ventajosamente, el sistema de la invención es capaz de producir un gran volumen de agua caliente a partir del calor residual disponible con un mínimo consumo eléctrico, trabajando de forma preferente con un refrigerante natural, tal como el propano, con unas emisiones equivalentes de CO2 mínimas. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Son conocidos en el estado del arte sistemas y procedimientos de producción de agua caliente basados en intercambiadores de calor, bombas de calor, o una combinación de los mismos, en los que se aprovecha el calor residual de efluentes de calor, tal como aguas residuales, aguas grises, aguas procedentes de distintos procesos industriales, etc. Habitualmente, en las bombas de calor participan un condensador, una válvula de expansión, un evaporador y un compresor. Para que la bomba de calor trabaje a la máxima eficiencia, es necesario operar en unas condiciones que permitan estar lo más cerca posible del subenfriamiento óptimo del refrigerante. Teóricamente se puede demostrar que el subenfriamiento óptimo termodinámico para un condensador dado se encuentra, aproximadamente, en el subenfriamiento que verifica la condición de tener dos `pinch-points en el condensador, es decir, dos puntos donde la diferencia de temperatura entre los fluidos aliente y frío que circulan por el sistema es mínima. Esta condición resulta compleja de determinar experimentalmente, siendo necesario realizar medidas de presión y temperatura del refrigerante, estableciéndose un valor fijo para el subenfriamiento. El artículo "Closing the residential energy loop: Grey-water heat recover y system for domestic hot water production based on heat pumps", hace referencia a un sistema de recuperación del calor residual de las aguas grises para la producción de agua caliente para uso doméstico. El sistema divulgado en este artículo está compuesto por un intercambiador de calor de recuperación y una bomba de calor agua-agua que comprende un condensador, un evaporador, un compresor, una válvula de expansión y un depósito entre el evaporador y el compresor. Por otro lado, el documento EP1724531A1 hace referencia a un sistema para calentar agua caliente sanitaria usando el calor residual de aguas residuales, mediante un dispositivo de bomba de calor que comprende un evaporador y una bomba sumergida integrados en un depósito de almacenamiento de las aguas residuales, así como un condensador, un compresor, una válvula de expansión, una unidad de control y unos sensores de temperatura que pueden ser termopares. Sin embargo, en estos documentos no se detalla de forma explícita ningún modo específico de operación de la bomba de calor que permita optimizar su funcionamiento en estas condiciones específicas de operación para la producción de agua caliente. Conocidos los antecedentes anteriormente detallados, el solicitante de la presente invención ha desarrollado un nuevo sistema de alta eficiencia para la producción de agua caliente que permite operar en el rendimiento óptimo, independientemente del flujo de agua y la temperatura de demanda, en base a una configuración sencilla y eficaz que permite abaratar sistemas para la producción de agua a 60°C o superior. EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención proporciona un sistema para la producción de agua caliente a 60°C o más con una eficiencia óptima, en base a una configuración y estrategia de control que abarata los sistemas conocidos y permite operar en el punto óptimo de funcionamiento o muy cerca del mismo, sin necesidad de determinar experimentalmente los `pinch points del ondensador. El sistema que a continuación se describe es de aplicación a la producción de agua caliente a temperaturas que pueden situarse entre 50°C y 90°C, preferentemente en instalaciones donde en el emplazamiento, o a distancia razonable, exista algún efluente de calor residual a baja temperatura (alrededor de la temperatura ambiente) , como es el caso de una red de aguas grises en el sector residencial o de agua de proceso en entornos industriales. Así, el sistema que se preconiza ofrece la ventaja de controlar el subenfriamiento de forma simple y precisa mediante la medición directa de un parámetro, que es la diferencia de temperaturas entre la temperatura del refrigerante en el condensador, T2 en adelante, y la temperatura del flujo de agua a calentar que entra al condensador, T1 en adelante, en vez de usar medida de temperatura y presión en el refrigerante. Ventajosamente, el sistema de la invención se basa en elementos más económicos que los que integran los sistemas conocidos, tal como una termopila formada por una unión en serie de termopares, opción más económica que un sensor de presión y que proporciona directamente una diferencia de temperaturas. Adicionalmente, gracias al algoritmo de control eficiente previsto, el sistema propuesto puede trabajar en el punto óptimo de funcionamiento, independientemente del flujo de agua a calentar y de su salto de temperaturas programado. El uso de la termopila permite simplificar el procedimiento y realizar un tratamiento de la señal más simple y económico, a diferencia de los sistemas conocidos, donde el proceso de regulación y control de la bomba de calor no se basa en la medición de temperaturas en la entrada del condensador, siendo necesario por tanto determinar los `pinch points para lograr operar cerca del óptimo. Para ello, el sistema de la invención comprende una bomba de calor formada por los siguientes elementos esenciales: - un condensador provisto de una conducción de entrada de agua a calentar a una temperatura T1, una conducción de salida de agua caliente a suministrar a un punto final de consumo a una temperatura T3, una conducción de entrada de refrigerante y una conducción de salida de salida de refrigerante. El condensador de esta bomba de calor está dimensionado para trabajar en un amplio rango de subenfriamientos, referentemente entre 5°C y 60°C, manteniendo aproximadamente la temperatura de condensación constante. Por tanto, el condensador está dimensionado para el punto de trabajo que disponga del subenfriamiento más alto, que es el punto más crítico para la transmisión de calor; - una termopila integrada por dos termopares en serie, un primer termopar (6) dispuesto en la conducción de entrada de agua a calentar del condensador y un segundo termopar dispuesto en la conducción de salida de refrigerante del condensador; de forma que el primer termopar mide la temperatura T del agua a calentar que entra al condensador y el segundo termopar mide la temperatura del refrigerante T2 que sale del condensador, definiéndose esta diferencia de temperaturas en el condensador como ATc = Ti - T2, - un convertidor conectado a los termopares de la termopila que convierte la diferencia de temperatura ATc medida por los termopares en una señal de voltaje, - un controlador que incluye un algoritmo, donde el controlador recibe la señal de voltaje del convertidor, - una electroválvula de expansión comandada por el controlador, - un evaporador provisto de una conducción de entrada de efluente de calor residual, una conducción de salida efluente de calor residual, una conducción de entrada de refrigerante y una conducción de salida de refrigerante, - un depósito acumulador de refrigerante dispuesto a la salida del evaporador, y - un compresor. Así, la termopila genera una señal de voltaje proporcional a la diferencia de temperatura ATc. Esta señal de voltaje es recibida por el convertidor y el algoritmo del controlador determina el grado de apertura de la electroválvula de expansión, accionando el controlador la electroválvula de expansión y definiendo la cantidad de refrigerante presente en el depósito acumulador, es decir, la cantidad de carga de refrigerante en el sistema, de manera que ATc se mantiene constante. En estas condiciones, la bomba de calor del sistema trabaja cerca del COP máximo, donde COP son las siglas en inglés de `Coefficient of Performance, o coeficiente de rendimiento de la bomba de calor, el cual es la relación entre la potencia (kW) que se extrae de la bomba de calor como refrigeración o calor, y la potencia (kW) que se suministra al compresor. Para conseguir operar con el máximo rendimiento resulta indispensable el acumulador de refrigerante dispuesto a la salida del evaporador, ya que este componente del sistema de la nvención permite controlar la carga de refrigerante en el sistema, y por tanto, mantener el ATc constante. Es decir, la configuración descrita permite mantener un ATc constante variando el subenfriamiento, es decir, variando la cantidad de carga efectiva del refrigerante en la bomba de calor. Esto se consigue actuando sobre la electroválvula de expansión en función de la lectura efectuada por la termopila, abriendo o cerrando la misma según sea necesario introducir o extraer refrigerante del sistema, es decir, introducir o extraer refrigerante en el depósito acumulador, el cual actúa como un pulmón que permite disponer o acumular refrigerante cuando es necesario para mantener ATc constante. El valor concreto de ATc depende del tipo y tamaño de la bomba de calor empleada. De manera opcional, entre la electroválvula de expansión y el evaporador, el sistema presenta un depósito de separación con un sensor de nivel vinculado a una válvula de baipás de forma que el depósito de separación está unido mediante una conducción de baipás a la conducción de salida de refrigerante del evaporador. El sensor de nivel determina la apertura o cierre de la válvula de bypass, consiguiéndose de esta forma que el refrigerante entre al evaporador en forma líquida, no en forma de flujo bifásico, lo que conlleva una distribución homogénea del refrigerante y que por tanto el evaporador funcione en condiciones óptimas. Por otro lado, de forma también opcional, aunque recomendable, el sistema incluye un intercambiador de calor para precalentar el agua de red o efluente a calentar que se encuentra a una temperatura T0 hasta la temperatura T1 de entrada al condensador, aprovechando para ello el calor del efluente de calor residual (aguas grises, aguas de proceso, etc) presente en la instalación donde se disponga el sistema de la invención. Así, el intercambiador de calor se alimenta con el agua a calentar a una temperatura T0 por un lado, y por otro con el efluente de calor residual, de forma que una de las salidas del intercambiador de calor está conectada a la conducción de entrada de efluente de calor residual al evaporador; mientras que la otra salida del intercambiador de calor está conectada a la conducción de entrada agua a calentar del condensador. Ventajosamente, la configuración descrita para el sistema de alta eficiencia de la invención permite que la bomba de calor trabaje en el punto óptimo, es decir, termodinámicamente en los dos `pinch point, pero sin necesidad de determinarlos por los métodos convencionales, lo cual se consigue en base a un parámetro fácilmente medible como es ATc, controlando la diferencia de temperatura en la entrada del condensador. De manera preferente el refrigerante empleado en la bomba de calor es propano, lo que redunda en el carácter sostenible de la invención. Así pues, el sistema de alta eficiencia para la producción de agua caliente que se preconiza ofrece las siguientes ventajas: - Alta eficiencia de la bomba de calor, con un consumo eléctrico alrededor de un 20% inferior al de la mejor tecnología de bomba de calor conocida. - El Sistema es capaz de utilizar calor residual de baja temperatura (de 10 a 25 °C por ejemplo) para producir agua caliente a 60°C o incluso a mayor temperatura, con un COP mayor de 5. - Reducción de las emisiones globales de CO2 en la producción de agua caliente - Reducción del calor residual de los efluentes presentes, como pueden ser aguas grises en instalaciones residenciales o aguas de proceso en instalaciones industriales, el cual puede ser recuperado para precalentar el agua mediante un intercambiador de calor. - En aplicaciones domésticas como la producción de agua caliente en viviendas, reducción importante en la factura de gas para la caldera con un consumo mínimo de electricidad, gracias a la alta eficiencia del sistema, con ahorros del orden de 850? al año cuando se compara con una caldera de gas para vivienda con una demanda de 100l de agua a 60°C diaria. El período de retorno de la inversión para la sustitución de calderas de gas con el sistema descrito varía de 3 a 5 años. - En caso de emplearse propano como refrigerante, las emisiones directas de gases de efecto invernadero son despreciables en comparación con las altas emisiones de las bombas de calor actuales que utilizan refrigerantes sintéticos. El propano no está clasificado como un gas de efecto invernadero, con lo que su uso no estará sometido a las restricciones actuales ni futuras sobre la utilización de dichos fluidos. DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Para complementar la descripción que seguidamente se va a realizar y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento; de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompañan, como parte integrante de dicha descripción, dos figuras donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo iguiente: La figura 1 muestra un esquema de una primera realización preferente del sistema objeto de la presente invención. La figura 2 muestra un esquema de una segunda realización preferente del sistema objeto de la presente invención en el que se incluye un intercambiador de calor. La figura 3 muestra una representación gráfica del COP frente a ATc para distintos saltos térmicos del agua a calentar, ATa= T1-T3, donde la serie de datos A corresponde a ATa= 10°C-60°C, la serie de datos B corresponde a ATa= 30°C-60°C y la serie de datos C corresponde a ATa= 50°C-60°C. REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN En la figura 1 se ilustra un ejemplo de realización preferente en el que el sistema de alta eficiencia para la producción de agua caliente presenta una bomba de calor con los siguientes componentes: - un condensador (5) provisto de una conducción de entrada de agua a calentar (1) a una temperatura T1, una conducción de salida de agua caliente (3) a suministrar a un punto final de consumo a una temperatura T3, una conducción de entrada de refrigerante (4) y una conducción de salida de salida de refrigerante (2) , - una termopila integrada por dos termopares en serie, un primer termopar (6) dispuesto en la conducción de entrada de agua a calentar (1) del condensador y un segundo termopar (7) dispuesto en la conducción de salida de refrigerante (2) del condensador (1) ; de forma que el primer termopar (6) mide la temperatura T1 del agua a calentar que entra al condensador (5) y el segundo termopar (7) mide la temperatura del refrigerante T2 que sale del condensador (5) , siendo ATc = T1 - T2.- un convertidor (8) conectado a los termopares [ (6) , (7) ] de la termopila que convierte la diferencia de temperatura medida por los termopares [ (6) , (7) ] en una señal de voltaje, - un controlador que incluye un algoritmo, donde el controlador recibe la señal de voltaje del convertidor (8) , - una electroválvula de expansión (9) comandada por el controlador, - un evaporador (10) provisto de una conducción de entrada de efluente de calor residual (11) , una conducción de salida efluente de calor residual (12) , una conducción de entrada de refrigerante (13) y una conducción de salida de refrigerante (14) , - un depósito de separación (17) con un sensor de nivel (21) , de forma que el depósito de separación (17) queda dispuesto entre la electroválvula de expansión (9) y el evaporador (10) , estando el depósito de separación (17) unido mediante una conducción de baipás (18) provista de una válvula de baipás (19) a la conducción de salida de refrigerante (14) del evaporador (10) . - un depósito acumulador (15) de refrigerante dispuesto a la salida del evaporador (10.- un compresor (16) , Tal y como se ha detallado anteriormente, la termopila genera una señal de voltaje proporcional a la diferencia de temperatura ATc, mientras que el convertidor (8) recibe dicha señal de voltaje y el algoritmo del controlador determina el grado de apertura de la electroválvula de expansión (9) , accionando el controlador la electroválvula de expansión (9) y definiendo la cantidad de refrigerante presente en el depósito acumulador (15) , de manera que ATc se mantiene constante. Así, el acumulador (15) permite controlar la carga de refrigerante en el sistema, y por tanto, mantener el ATc constante, lo que permite operar la bomba de calor con el máximo rendimiento. Así, cuando el valor de ATc medido por la termopila crece por encima del valor de consigna introducido, el algoritmo determina la orden que debe dar el controlador a la electroválvula de expansión (9) , la cual operará en el sentido de cierre para que de esta forma salga refrigerante del acumulador (15) dispuesto a la salida del evaporador (10) , lo que hace que aumente el subenfriamiento, y por tanto, descienda ATc. Alternativamente, cuando ATc disminuye, la electroválvula de expansión (9) debe abrir para disminuir el subenfriamiento y que de esta forma ATc aumente. En la figura 3 se ilustran los resultados experimentales obtenidos para una bomba de calor de 50 kW. Tal y como se observa en la gráfica, independientemente del salto térmico del agua a calentar ATa= T1-T3, cuando la diferencia de temperatura ATc entre la temperatura T1 del agua a calentar que entra al condensador (5) y la temperatura T2 del refrigerante que sale del condensador (5) es de entre 3°C y 7°C, y más concretamente, entre 3°C y 5°C, la omba de calor opera en el COP óptimo o muy cerca del mismo, por lo que manteniendo constante ATc entre esos valores se logra la máxima eficiencia de la bomba de calor sin necesidad de determinar experimentalmente los `pinch point experimentales por los métodos convencionales. En relación a la composición de los termopares que integran la termopila, en un ejemplo de realización uno de los termopares (6) de la termopila está formado por una aleación de 90% de níquel y 10% de cromo mientras que el otro termopar (7) está formado por una aleación de 95% de silicio y 5% de aluminio. En una realización alternativa, uno de los termopares (6) de la termopila está formado por una aleación de 55% de cobre y 45% de níquel, mientras que el otro termopar (7) es de cobre, donde ambos termopares están unidos por la aleación de cobre-níquel. Las tolerancias en la medida de temperatura con las composiciones de los termopares indicados serían de ± 1 K, lo que, atendiendo a lo representado en la figura 3, es perfectamente asumible para conseguir que la instalación trabaje cerca del óptimo. Ventajosamente, la medición directa de una diferencia de temperaturas efectuada por la termopila hace que el error en la medida disminuya respecto a las mediciones individuales de temperatura con termopares. Finalmente, tal y como se resume esquemáticamente en la figura 2, en una realización de la invención el sistema presenta un intercambiador de calor (20) que se alimenta con el agua a calentar que se encuentra a una temperatura T0 por un lado, y por otro con el efluente de calor residual a una temperatura Tres, de forma que una de las salidas del intercambiador de calor (20) está conectada a la conducción de entrada de efluente de calor residual (11) y la otra salida del intercambiador de calor (20) está conectada a la conducción de entrada agua a calentar del condensador (5) , lo que permite aprovechar el calor del efluente de calor residual para precalentar la corriente de agua a calentar, optimizándose de esta forma el consumo energético del sistema.

Publicaciones:
ES2954788 (24/11/2023) - A1 Solicitud de patente con informe sobre el estado de la técnica
ES2954788 (19/04/2024) - B2 Patente de invención con examen
Eventos:
En fecha 02/10/2023 se realizó Registro Instancia de Solicitud
En fecha 04/10/2023 se realizó Admisión a Trámite
En fecha 04/10/2023 se realizó Aceptación Tramitación CAP
En fecha 04/10/2023 se realizó 1001P_Comunicación Admisión a Trámite
En fecha 06/10/2023 se realizó Superado examen de oficio
En fecha 13/11/2023 se realizó Realizado IET
En fecha 15/11/2023 se realizó 1109P_Comunicación Traslado del IET
En fecha 23/11/2023 se realizó PETEX_Petición de examen sustantivo
En fecha 24/11/2023 se realizó Publicación Solicitud
En fecha 24/11/2023 se realizó Publicación Folleto Solicitud con IET (A1)
En fecha 11/03/2024 se realizó Validación petición y/o pago de examen sustantivo conforme
En fecha 05/04/2024 se realizó No existen objeciones a la concesión de la solicitud
En fecha 05/04/2024 se realizó Finalización de Examen Sustantivo
En fecha 05/04/2024 se realizó 6121P_Comunicación finalización de examen sustantivo
En fecha 11/04/2024 se realizó Publicación finalización de examen sustantivo
En fecha 12/04/2024 se realizó Concesión con examen sustantivo
En fecha 12/04/2024 se realizó Entrega título
En fecha 12/04/2024 se realizó 6125P_Notificación de concesión con examen sustantivo
En fecha 19/04/2024 se realizó Publicación concesión Patente
En fecha 19/04/2024 se realizó Publicación Folleto Concesión
Pagos:
02/10/2023 - Pago Tasas IET