ES2934228T3

ES2934228T3 - Caldera termodinámica con compresor térmico

Info

Publication number: ES2934228T3
Application number: ES16787389T
Authority: ES
Inventors: Jean-Marc Joffroy
Original assignee: Boostheat SA
Current assignee: Boostheat SA
Priority date: 2015-10-23
Filing date: 2016-10-20
Publication date: 2023-02-20
Anticipated expiration: 2036-10-20
Also published as: JP2018532941A; RU2018118659A3; CA3000787A1; JP7048490B2; EP3365613A1; PL3365613T3; WO2017068066A1; RU2731140C2; EP3365613B1; CA3000787C; US20190055932A1; CN108351121A; US10539124B2; PT3365613T; FR3042857A1; FR3042857B1; FI3365613T3; RU2018118659A; CN108351121B

Abstract

Una caldera termodinámica de intercambio (suministro o extracción) de calor con un circuito de calefacción (30), comprendiendo la caldera un termocompresor (1), actuando el termocompresor sobre un fluido compresible y comprendiendo al menos una etapa de compresión con alternancia bidireccional pistón (71) que separa una primera cámara (81) y una segunda cámara (82) y un primer quemador de combustible (11) formando una fuente de calor acoplada a la primera cámara, y utilizando el circuito de calefacción como fuente de frío acoplado a la segunda cámara , formando el compresor térmico la función de compresión de un bucle tipo bomba de calor reversible (31, 34), (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Caldera termodinámica con compresor térmico

Sector de la técnica

La presente invención se refiere a sistemas de calefacción que incluyen dispositivos conocidos como calderas. La invención se refiere en particular a las calderas termodinámicas que se benefician de un dispositivo denominado bomba de calor (abreviado "BC").

Estado de la técnica

Ya existen varias soluciones técnicas para implementar un dispositivo de bomba de calor en el contexto de una caldera.

En primer lugar, es conocido el uso de compresores eléctricos para comprimir y hacer circular un fluido de trabajo de transferencia de calor. Estos compresores también se conocen como "BC eléctricas". Sin embargo, la eficacia de estos sistemas disminuye drásticamente a medida que baja la temperatura externa, lo que en la mayoría de los casos conlleva tener un quemador de combustible convencional complementario.

También se conocen bombas de calor de motor de gas ("BC de motor de gas"). Este sistema implica el uso de un motor de combustión interna que es ruidoso y requiere un mantenimiento periódico.

También se conocen bombas de calor de gas de adsorción/desorción, tales como por ejemplo las que utilizan un par agua/amoníaco o agua/zeolita, por ejemplo, del documento US 5729988-Tchernev. Pero estos dispositivos son complejos y caros. También utilizan materiales potencialmente contaminantes o nocivos. El documento WO 2012/107480 A1 describe una caldera termodinámica que tiene un circuito de intercambio de calor que conecta de forma fluida las cámaras primera y segunda con un intercambiador de calor conectado a un disipador de calor. Otro circuito de intercambio de calor conecta de forma fluida las cámaras tercera y cuarta con otro intercambiador de calor conectado a una fuente de calor. Un paso de transferencia conecta de forma fluida la primera y la tercera cámara con un dispositivo antirreflujo. Se proporciona un conjunto de pistón único para dos etapas de compresión, y los dos pistones de este conjunto de pistón único están acoplados entre sí mediante una varilla, de modo que ambas etapas de compresión funcionan a la misma velocidad. Además, en general es preferible que este tipo de calderas sean adaptables a la potencia y que también estén diseñadas para suministrar agua caliente sanitaria (lo que se conoce como "ACS").

Además, la mayoría de los sistemas descritos anteriormente en general pueden funcionar a la inversa, en modo de enfriamiento.

Objeto de la invención

Teniendo en cuenta las desventajas mencionadas anteriormente, existe la necesidad de proponer soluciones mejoradas para los sistemas de calderas termodinámicas con efecto de bomba de calor.

Con esta finalidad se propone una caldera termodinámica para el intercambio de calor con al menos un circuito de calefacción, que comprende un compresor térmico, el compresor térmico que actúa sobre un fluido comprimible y que comprende una primera etapa de compresión con un pistón bidireccional alterno que separa una primera cámara y una segunda cámara y un primer quemador de combustible que forma una fuente de calor acoplada a la primera cámara, y que utiliza el circuito de calefacción como fuente de frío para acoplarse, en uso, a la segunda cámara, el compresor térmico que forma la función de compresión de un circuito tipo bomba de calor reversible, la primera y la segunda cámara que están conectadas de forma fluida entre sí a través de un regenerador con un movimiento fluido de vaivén.

Mediante estas disposiciones, la invención se beneficia de una transferencia de calor directa entre el quemador y el fluido de trabajo a comprimir, el compresor es sencillo y compacto, y el circuito tipo bomba de calor reversible puede usarse para proporcionar calor al circuito de calefacción en modo de calefacción (modo "invierno"), o en algunos casos para extraer calor del circuito de calefacción en modo frío (modo "verano"). Además, una caldera de este tipo requiere muy poco mantenimiento y las operaciones de mantenimiento pueden espaciarse sustancialmente.

Nota 1: En cuanto al vocabulario utilizado en el presente documento, cabe destacar que el circuito de calefacción puede interpretarse en sentido amplio como un circuito principalmente para intercambiar calor con una entidad de interés, la mayoría de las veces un local, con el objetivo de calentar o enfriar la entidad de interés.

Nota 2: En el circuito tipo bomba de calor mencionado anteriormente, se utiliza un fluido de transferencia de calor en dos fases comprimible, y la invención se beneficia de un fenómeno de evaporación en un intercambiador y de un fenómeno de condensación en otro intercambiador.

Según una configuración, conocida como calefacción, la caldera termodinámica suministra calor al circuito de calefacción (modo "calefacción" o "invierno"), y el circuito tipo bomba de calor reversible extrae calor de una unidad externa.

En estas condiciones, desde el punto de vista de la eficacia térmica, toda la energía gastada en el quemador se utiliza directamente para la compresión o se distribuye al circuito de calefacción. Además, la compresión y el circuito de fluido asociado inducen la extracción de calor "libre" hacia el exterior. En consecuencia, se obtiene un coeficiente de rendimiento muy satisfactorio en estas condiciones.

En diversas realizaciones de la invención, posiblemente también se puede recurrir a una y/u otra de las siguientes disposiciones.

Según un aspecto de la invención, la caldera termodinámica puede comprender un dispositivo complementario, dicho dispositivo que comprende un quemador auxiliar complementario, distinto del primer quemador, y un intercambiador complementario dispuesto en el circuito de calefacción. La invención asegura así, por un lado, el funcionamiento en condiciones de temperatura exterior muy fría, o si el circuito de BC no está disponible y, por otro lado, el paso de los picos de demanda, en particular de agua caliente sanitaria junto con las necesidades de calefacción.

Según un aspecto de la invención, el combustible es ventajosamente gas. Ventajosamente, se utiliza gas de fuentes fósiles o biogás.

Según un aspecto de la invención, el fluido de transferencia de calor comprimible es CO2; es un fluido disponible, no contaminante y seguro.

Según la invención, se proporciona una unidad de modulación y un motor (actuador electromagnético vinculado al movimiento del pistón) para regular (aumentar y/o disminuir) la velocidad de rotación del compresor de la primera etapa del compresor. Dicha modulación de potencia permite obtener un compromiso ideal entre comodidad y rendimiento estacional, y maximiza la tasa de utilización de la BC.

Según un aspecto, el circuito tipo bomba de calor comprende dos circuitos en cascada, es decir, un circuito de trabajo de gas comprimible (31,1,5,7,6) y un circuito de agua glicolada (34,4,6); que permiten confinar un circuito de trabajo de gas comprimible dentro de un conjunto de caldera sellado de fábrica, lo que libera al fontanero o instalador de tener que lidiar con la estanqueidad de este circuito; esto contrasta con el circuito de agua con glicol, que es más fácil de implementar y puede ser instalado por el fontanero.

Según la invención, el compresor comprende al menos dos etapas de compresión en serie, es decir, al menos una segunda etapa de compresión U2, además de la primera U1. En consecuencia, se puede utilizar un fluido de tipo CO2 (R744), con grandes circuitos de presión y temperaturas del fluido CO2 adaptadas según las temperaturas de los circuitos de agua a calentar. De este modo se obtiene una buena eficacia termodinámica global.

Según un aspecto, el compresor puede comprender 3 etapas. En consecuencia, la invención optimiza el espaciamiento de las subidas de presión y la adecuación de las temperaturas del fluido CO2 adaptadas según las temperaturas de los circuitos de agua a calentar y de la potencia térmica a suministrar.

Las tres etapas son ventajosamente independientes. Esto facilita el dimensionamiento y aumenta las capacidades de modulación de cada etapa.

La caldera termodinámica comprende un precalentador de aire a la entrada del primer quemador; el calor se recupera de los humos de combustión y se inyecta en el aire destinado al quemador; esto mejora el coeficiente de rendimiento global.

La caldera termodinámica comprende un intercambiador (5) principal que forma la interfase térmica esencial entre el circuito (31) de fluido comprimible y el circuito (30) de calefacción, y el compresor se enfría mediante el retorno del circuito de calefacción que pasa primero en al menos un intercambiador 5 principal, y, a continuación, en la sección fría del compresor térmico; esta es la mejor opción para un buen rendimiento y eficacia del sistema.

Además, después de enfriar el compresor, el retorno del circuito de calefacción va al intercambiador complementario. De esta manera se maximiza el calor suministrado al circuito de calefacción.

El intercambiador principal comprende un intercambiador de alta temperatura "AT" y un intercambiador de baja temperatura "BT"; por lo tanto, se puede suministrar calor a dos circuitos de calefacción diferentes, uno de temperatura media alta (acoplado al AT) y otro de temperatura media moderadamente alta (acoplado al BT). La caldera termodinámica comprende un circuito de agua caliente sanitaria; la caldera puede así cumplir todas las funciones de caldera doméstica.

El agua caliente sanitaria se calienta mediante el intercambiador (50) de alta temperatura que está dispuesto en el circuito de fluido comprimible directamente a la salida del compresor térmico; esto contribuye a la prioridad otorgada al agua caliente sanitaria.

Según una configuración, conocida como enfriamiento, la caldera termodinámica toma calor del circuito 30 de calefacción, y suministra este calor o bien al circuito de agua caliente sanitaria ACS o bien a la unidad 4 externa (modo verano); por lo tanto, la caldera puede proporcionar una función de enfriamiento y también agua caliente sanitaria sin energía.

Descripción de las figuras

Otros aspectos, objetivos y ventajas de la invención aparecerán con la lectura de la siguiente descripción de una realización de la invención, dada por medio de un ejemplo no limitativo. La invención también se comprenderá mejor con respecto a las figuras adjuntas en las que:

- la figura 1 representa esquemáticamente un sistema de calefacción que comprende una caldera que no encuentra dentro de la formulación de la reivindicación 1,

- la figura 2 representa un sistema similar al de la figura 1, la caldera que es un híbrido e incluye un quemador complementario,

- la figura 3 representa un sistema según la invención, similar a la figura 1, en el que se proporciona un intercambiador de precalentamiento de aire y el compresor de la caldera comprende dos etapas de compresión, - la figura 4 representa un sistema similar al de la figura 3, en el que también se asegura la disposición de agua caliente sanitaria,

- la figura 5 representa un sistema similar al de la figura 4, la caldera del compresor que comprende tres etapas de compresión,

- la figura 6 representa una etapa con mayor detalle, es decir, una unidad de compresión utilizada en el compresor térmico,

- la figura 7 representa el ciclo termodinámico en una etapa,

- la figura 8 representa las partes centrales de un compresor en la configuración de tres etapas,

- la figura 9 representa un diagrama muy general del uso de un compresor térmico según la invención en un circuito tipo bomba de calor reversible, utilizable en los modos de calefacción y de enfriamiento.

En las diversas figuras, las mismas referencias designan elementos idénticos o similares.

Descripción detallada de la invención

La figura 1 muestra una descripción general de un sistema de calefacción típicamente proporcionado para calentar locales industriales o viviendas individuales o colectivas. El sistema de calefacción comprende una caldera 10 que se describirá subsiguientemente.

El sistema comprende un circuito de calefacción marcado con 30. Como se indica al principio, el término "circuito de calefacción" no excluye que este circuito tome calor; sin embargo, en el primer ejemplo ilustrado, el circuito de calefacción comprende entidades receptoras de calor 3 en forma de radiadores/convectores 3 y/o suelo radiante, situadas en las habitaciones del local a calentar.

Puede haber varias entidades receptoras de calor, por ejemplo, una a baja temperatura (suelo radiante) y otra a mayor temperatura (convectores, agua caliente sanitaria). Un circulador M3 hace circular agua en el circuito 30 de calefacción.

También se puede considerar el caso en el que una entidad receptora de calor es una piscina o un invernadero. Además, el sistema de calefacción puede usarse en un contexto industrial con la entidad receptora de calor en forma de equipo de proceso industrial.

La caldera 10 comprende un compresor 1 térmico que constituye el componente de fuerza motriz de un circuito de bomba de calor. En el ejemplo ilustrado, solamente la unidad externa marcada con 4 está dispuesta fuera del local (edificio, vivienda, etc.). El resto de los componentes principales se disponen en el interior del local, o incluso en la carcasa de la caldera 10.

Cabe señalar que, en las figuras, las tuberías están representadas simbólicamente.

El dispositivo de bomba de calor comprende, por un lado, un circuito 34 de agua glicolada que circula en la unidad 4 externa, y un circuito 31 de fluido de trabajo que pasa por el compresor 1. En el ejemplo ilustrado, el fluido de trabajo es R744, también conocido como CO2, pero se puede elegir otro fluido con propiedades similares. Para distinguir otros fluidos, el fluido de trabajo en el circuito 31 se denominará subsiguientemente como el fluido "comprimible", también conocido como fluido refrigerante en la técnica. Esto se opone al fluido que circula hacia afuera en la unidad externa (circuito 34 que es mayoritariamente a base de agua (agua glicolada) y también se opone al fluido que circula en el circuito 30 de calefacción ya mencionado que también es mayoritariamente a base de agua, y por lo tanto, no comprimible.

Los diversos fluidos utilizados en los circuitos 31, 31, 34 son fluidos de transferencia de calor, comprimibles o no, transfieren calor principalmente desde la unidad 4 externa a las entidades 3 receptoras, pero también desde el quemador 11 del compresor a las entidades 3 receptoras.

El modo de enfriamiento, también posible, se describirá más adelante.

Cabe destacar que la unidad 4 externa puede ser una unidad aerotérmica o una unidad geotérmica.

Se observa que la captación de calor exterior por el efecto de bomba de calor utiliza dos circuitos de fluidos en serie que están interconectados por el intercambiador 6, también denominado intercambiador 6 de interfase, que es preferentemente un intercambiador de flujo cruzado. El circuito 34 de agua glicolada comprende un circulador M4, recupera calor de la unidad 4 externa y suministra este calor al intercambiador 6 de interfase. Cabe señalar que el conjunto 31 de circuito de fluido comprimible, es decir, el conjunto de CO2, está confinado dentro de la caldera 10 que se prepara en una planta de fabricación; solo el circuito 34 de agua glicolada debe aplicarse por un profesional en la instalación de destino.

Además, el dispositivo de bomba de calor comprende un dispositivo 7 de expansión, de por sí conocido, que hace el papel inverso al del compresor de presión, y un intercambiador 5 principal que acopla térmicamente el circuito de fluido comprimible a la salida del compresor con el circuito 30 de calefacción. El intercambiador 5 principal está preferiblemente configurado para ser un intercambiador de flujo cruzado. En lugar de un solo intercambiador 51 como se representa, el intercambiador principal puede estar constituido por varios intercambiadores, ya sea en paralelo o en serie, como se verá más adelante.

El circuito 31 de fluido comprimible contiene fluido en forma de dos fases que recupera calor del intercambiador 6 de interfase (el lado llamado "evaporador" donde el fluido en dos fases pasa del estado líquido al estado de vapor) y suministra este calor al intercambiador 5 principal (el lado llamado "condensador" donde el fluido en dos fases pasa del estado de vapor al estado líquido).

Cabe señalar que el retorno del circuito 30 de calefacción pasa primero por este intercambiador 5 principal y, a continuación, se dirige a la zona fría del compresor en la ubicación desde donde el fluido del circuito de calefacción enfría al compresor 1.

Cabe señalar que el circuito de salida de los gases quemados (señalado con 32) del quemador 11 pasa al interior de un intercambiador 21 acoplado al circuito de calefacción, en cuya ubicación los humos ceden su calor al fluido del circuito 30 de calefacción principal. Más adelante veremos que este intercambiador 21 también puede denominarse en determinados casos "intercambiador 21 complementario".

La cantidad de gas introducido y quemado por el quemador 11 es controlada por una unidad que controla (no está representada) la caldera.

El quemador 11 típicamente está dimensionado para suministrar hasta 6 kW. En la práctica, cuando el compresor está funcionando, la regulación ajusta la potencia entre 2 kW y 6 kW.

Más específicamente para el compresor 1, con referencia a la figura 6, se trata de un compresor térmico denominado compresor "regenerativo" con una zona de disposición de calor (zona caliente), una zona de enfriamiento (zona fría), y un recinto 8 contenido que se comunica con el exterior gracias a 2 válvulas de retención, es decir, una válvula 41 de entrada (admisión) y una válvula 42 de salida (reflujo).

En el ejemplo de la figura 1, solo hay una única etapa de compresión denominada U1.

En el recinto 8 contenido, el fluido comprimible ocupa un volumen prácticamente constante, y en su interior se configura un pistón 71 desplazador para desplazarse de forma alternativa, de arriba a abajo en el ejemplo ilustrado, con el fin de desplazar la mayor parte del volumen de fluido comprimible a la zona caliente o a la zona fría. El pistón está conectado a un sistema de transmisión de varilla y cigüeñal en un sistema de transmisión automática que se verá más adelante.

Como se representa en la figura 6, el compresor está estructurado alrededor de una dirección axial X, que preferentemente está dispuesta verticalmente, pero no se descarta otra disposición. El pistón 71, montado de manera móvil en el revestimiento 90 cilíndrico, se puede desplazar a lo largo de este eje. Dicho pistón separa la primera cámara 81 de la segunda cámara 82, estas dos cámaras que están incluidas en el recinto 8 de trabajo con la suma de sus volúmenes V1+V2 que es sustancialmente constante. El pistón 71 presenta una parte superior en forma de cúpula, por ejemplo, semiesférica.

El recinto 8 de trabajo está contenido estructuralmente en un conjunto formado por una carcasa 96 caliente y una culata 95 fría, con la interposición de un anillo 97 de aislamiento térmico.

La primera cámara 81, también conocida como "cámara caliente", está dispuesta encima del pistón y está acoplada térmicamente a una fuente 11 de calor (un quemador 11 de combustible) que suministra calor directamente al fluido gaseoso en la primera cámara 81. La primera cámara es axisimétrica con una parte cilíndrica de diámetro correspondiente al diámetro D1 del pistón y una parte hemisférica en la parte superior, que comprende una abertura 83 central para la entrada y salida del fluido comprimible. La fuente 11 de calor forma una tapa que rodea completamente la cámara 81 caliente, con un inyector 11a quemador.

La segunda cámara 82, también conocida como "cámara fría", está dispuesta debajo del pistón y está acoplada térmicamente a una fuente de frío (aquí el retorno del circuito 91 de calefacción) para transferir de este modo calor del fluido comprimible al circuito de calefacción. La segunda cámara es cilíndrica, de diámetro D1, y comprende varias aberturas 84 que giran alrededor del eje, bajo el pistón, para la entrada y salida del fluido comprimible.

Un intercambiador 19 de calor regenerativo, del tipo convencionalmente utilizado en máquinas termodinámicas del tipo de motor Stirling, está dispuesto alrededor de la pared del revestimiento 90 cilíndrico. Este intercambiador 19 (que sencillamente se llamará "regenerador" a continuación) comprende canales de fluido con secciones transversales estrechas y elementos para almacenar energía térmica y/o una densa red de alambres metálicos. Este regenerador 19 está dispuesto a media altura entre el extremo superior y el extremo inferior del recinto y presenta un lado caliente 19a hacia arriba y un lado frío 19b hacia abajo.

En el interior del regenerador se observa un importante gradiente de temperatura entre el lado caliente y el lado frío, el lado caliente que tiene una temperatura próxima a la temperatura de la tapa del quemador, es decir, 700 °C, el lado frío que tiene una temperatura próxima a la temperatura del circuito de calefacción, es decir, una temperatura de entre 30 °C y 70 °C dependiendo de la entidad o entidades presentes en el circuito de calefacción.

Un espacio 24 de funcionamiento anular dispuesto contra la superficie interior de la carcasa 96 caliente conecta la abertura 83 de la primera cámara con el lado caliente 19a del regenerador.

Los canales 25 en la culata 95 conectan las aberturas 84 de la segunda cámara al lado frío 19b del regenerador.

Por lo tanto, cuando el pistón se mueve hacia arriba, el gas comprimible se expulsa de la primera cámara 81 por el espacio 24 de funcionamiento, regenerador 19 y canales 25 en la dirección de la segunda cámara 82 fría. Por el contrario, cuando el pistón se mueve hacia abajo, el gas comprimible se disipa desde la segunda cámara 82 fría por los canales 25, el regenerador 19 y el espacio 24 de funcionamiento, en la dirección de la primera cámara 81.

Dicho de otro modo, las cámaras primera y segunda (81, 82) están conectadas de forma fluida entre sí a través del regenerador (19) con un movimiento de fluido de vaivén.

El funcionamiento del compresor está asegurado por el movimiento alterno del pistón 71 entre el punto muerto inferior PMB y el punto muerto superior PMH, así como por la acción de una válvula 41 de succión en la entrada, y una válvula 42 de prevención de reflujo en la salida. Las diferentes etapas A, B, C, D, descritas a continuación, se representan en las figuras 6 y 7.

Etapa A

El pistón, inicialmente en la parte superior, se mueve hacia abajo y el volumen de la primera cámara 81 aumenta mientras que el volumen de la segunda cámara 82 se reduce. Debido a esto, el fluido se empuja a través del regenerador 19 de abajo hacia arriba y se calienta en el proceso. La presión Pw aumenta simultáneamente.

Etapa B

Cuando la presión Pw sobrepasa un determinado valor, la válvula 42 de salida se abre y la presión Pw se estabiliza en la presión de descarga de fluido comprimido P2, y el fluido se expulsa hacia la salida (la válvula 41 de entrada, por supuesto, permanece cerrada durante este tiempo). Esto continúa hasta que el pistón alcanza el punto muerto inferior.

Etapa C

El pistón ahora se mueve de abajo hacia arriba y el volumen de la segunda cámara aumenta mientras que el volumen de la primera cámara disminuye. Debido a esto, el fluido se empuja a través del regenerador 19 de arriba hacia abajo y se enfría en el proceso. La presión Pw se reduce simultáneamente. La válvula 42 de salida se cierra cuando comienza el movimiento hacia arriba.

Etapa D

Cuando la presión Pw cae por debajo de un determinado valor, la válvula 41 de entrada se abre y la presión Pw se estabiliza en la presión de entrada de fluido P1, y el fluido se extrae a través de la entrada (la válvula 42 de salida, por supuesto, permanece cerrada durante este tiempo). Esto continúa hasta que el pistón llega al punto muerto superior. La válvula 41 de entrada se cerrará cuando el pistón comience su descenso.

Los movimientos de la varilla 18 se controlan mediante por un dispositivo 14 de transmisión automática que actúa en un extremo de la varilla. Este dispositivo de transmisión automática comprende un volante de inercia 142, una varilla 141 de conexión unida a dicho volante de inercia mediante una conexión pivotante, por ejemplo, un cojinete 143 de rodillos. La varilla de conexión está conectada a la varilla mediante otra conexión pivotante, por ejemplo, un cojinete 144 de rodillos.

La cámara 88 auxiliar está llena de fluido de trabajo gaseoso a una presión indicada como Pa. Cuando el dispositivo está en funcionamiento, la presión Pa en la cámara 88 auxiliar converge a una presión media sustancialmente igual a la mitad de la suma de las presiones mínima P1 y máxima P2. De hecho, a causa del espacio libre funcional reducido entre el anillo 118 y la varilla 18, en modo dinámico, esta fuga muy pequeña no afecta al funcionamiento y sigue siendo despreciable.

Cuando el volante de inercia gira una vuelta, el pistón barre un volumen correspondiente a la distancia entre el punto muerto y el punto muerto inferior, multiplicada por el diámetro D1.

El ciclo termodinámico, como se representa en la figura 7, proporciona trabajo positivo al dispositivo de transmisión automática.

Sin embargo, para el arranque inicial y para regular la velocidad de rotación, se acopla un motor 17 eléctrico al volante de inercia 142.

Este motor puede alojarse ventajosamente en la cámara 88 auxiliar o en el exterior con acoplamiento magnético a la pared.

El motor 17 se acciona mediante una unidad de regulación, no representada en las figuras; El control del motor permite acelerar o desacelerar la velocidad de giro del volante de inercia, los flujos térmicos intercambiados que son prácticamente proporcionales a la velocidad de giro del volante de inercia. Gracias al motor 17, la unidad de regulación puede ajustar la velocidad de rotación típicamente entre 100 rpm y 500 rpm, preferentemente dentro del intervalo [200 - 300 rpm].

También se observa que el motor 17 sirve para arrancar el dispositivo 14 de transmisión automática.

Cabe señalar que el pistón 71 no es un pistón receptor de potencia (a diferencia de un motor de combustión interna o un motor Stirling convencional) sino que es sencillamente un pistón desplazador; la potencia se suministra en forma de aumento de la presión del gas de trabajo.

Cabe señalar que V1 V2 Vcanal = Vtotal si se eliminan las variaciones de volumen de la varilla 18, siendo V1 el volumen de la primera cámara, V2 el volumen de la segunda cámara y Vcanal que es el volumen de los conductos 24, 25. Preferiblemente, las disposiciones se hacen para tener el volumen muerto más pequeño posible con los conductos de sección transversal estrecha, por ejemplo, se obtiene Vcanal < 10 % de V1+V2. Como se ilustra en la figura 2, la caldera puede ser ventajosamente híbrida, es decir, puede contener un quemador 20 auxiliar, distinto del primer quemador 11 y un intercambiador 21 complementario. Este quemador 20 auxiliar se utilizará principalmente en caso de funcionamiento con temperaturas exteriores muy frías, y para pasar los picos de demanda de la instalación de calefacción (esto junto con el agua caliente sanitaria cuando esté presente, véase a continuación).

El quemador 20 auxiliar del intercambiador complementario en general está dimensionado para tener una potencia calorífica de alrededor de 20 kW, típicamente para una vivienda individual, que es mucho mayor que la potencia térmica necesaria para la función de compresión del compresor como se ha visto anteriormente. Más específicamente, la unidad de regulación mide la temperatura exterior y diversas temperaturas de los fluidos en los circuitos (30, 31, 32, 34) implicados, para determinar la necesidad de hacer funcionar el quemador 20 complementario.

Como ya se ha comentado, el circuito 32 de salida de los gases quemados del primer quemador pasa al interior del intercambiador 21 complementario, en cuya ubicación cede su calor al fluido del circuito 30 de calefacción principal.

Cabe señalar que el fluido del circuito 30 de calefacción recibe su calor del intercambiador 5, 51 principal y de la parte fría del compresor (zona 91) y finalmente de los gases de combustión quemados en el intercambiador 21 complementario. Si el quemador 20 auxiliar está en funcionamiento, el calor también se proporciona directamente desde el quemador 20 auxiliar.

La figura 3 ilustra la caldera de la invención. Primero, se instalan en serie dos etapas de compresión, en otras palabras, dos unidades de compresión U1, U2, una U2 después de la otra U1, cada una con su propio quemador 11, 12.

La segunda etapa U2 es similar o análoga en todos los puntos a la primera etapa U1; comprende un quemador 12, en cuya ubicación se produce la combustión de gas mezclado con el aire de entrada, y un pistón desplazador 72 similar al de la primera etapa y cuyo movimiento y velocidad de rotación son independientes de la primera. La suma de las potencias de los dos quemadores 11, 12 puede dimensionarse alrededor de 10 kW. En la práctica, la salida de la válvula 42 de retención de la primera etapa se inyecta en la válvula 43 de retención de entrada de la segunda etapa. En una versión integrada donde se comparten las partes frías, se combinan las válvulas 42, 43. La salida de la segunda etapa U2, es decir, la válvula 44, forma la salida del compresor 1.

Por otro lado, se puede proporcionar un intercambiador de precalentamiento de admisión de aire, marcado con 9, por el cual la invención se beneficia del calor presente en los quemadores de salida de escape 11, 12 para precalentar el aire 35 frío que fluye hacia las llamas de los quemadores. Aquí el intercambiador 9 de precalentamiento es un intercambiador de aire/aire, de por sí conocido, utilizado con flujos cruzados en el ejemplo ilustrado.

El aire que llega al inyector 11a del quemador 11 está así a una temperatura de entre 100 °C y 300 °C.

La figura 4 ilustra, en primer lugar, un intercambiador 5 principal formado por dos intercambiadores en serie (u a característica que se detallará a continuación) y otra característica adicional, es decir, el suministro de agua caliente sanitaria (abreviado "ACS"). Se proporciona un depósito 16 de reserva de agua caliente sanitaria, de por sí conocido y, por lo tanto, no se describe en detalle aquí. El agua de este depósito de reserva se calienta mediante la circulación del fluido 36 cuando pasa por un intercambiador 15 de ACS.

En este intercambiador 15 de ACS circula un ramal 33 de derivación del circuito 30 de calefacción. Este ramal de derivación extrae calor de un intercambiador principal de alta temperatura (AT) marcado como 50 y lo transmite al agua caliente sanitaria en el intercambiador 15 de ACS.

El flujo de fluido que circula en el ramal 33 de derivación puede controlarse mediante una válvula de regulación 78 de por sí conocida. Este flujo se determina en proporción a las necesidades del sistema que regula el depósito de reserva de agua caliente sanitaria.

Aquí el intercambiador 5 principal comprende dos intercambiadores dispuestos en serie en el circuito 31 de CO2: El intercambiador 50 de "alta" temperatura en el que circula la derivación 33 configurada para calentar el agua caliente sanitaria, y el intercambiador 51 de "baja" temperatura que forma el acoplamiento principal del circuito 31 de CO2 con el circuito 30 de calefacción. Cabe señalar que también puede haber una combinación de dos intercambiadores (de alta y de baja) incluso sin circuito de agua caliente sanitaria, por ejemplo, si existen 2 circuitos receptores de calefacción, uno de baja temperatura y el otro de alta temperatura.

Típicamente, la temperatura media del fluido comprimible en el intercambiador 50 de alta temperatura será mucho mayor que 100 °C, mientras que la temperatura media del fluido comprimible en el intercambiador 51 de baja temperatura será sustancialmente inferior a la temperatura de salida del intercambiador de alta temperatura, la mayoría de las veces inferior a 150° o incluso preferentemente inferior a 100°.

La figura 5 ilustra una característica adicional, es decir, una configuración de tres etapas de compresión, en otras palabras, tres unidades de compresión U1, U2, U3.

La invención prevé tener un quemador 11 en la primera etapa y un quemador 12 en la segunda etapa y un tercer quemador 13 en la tercera etapa U3. Cada etapa es similar a la escrita sobre la materia de la figura 6. La suma de las potencias de los tres quemadores 11, 12, 13 puede dimensionarse alrededor de 13 kW o incluso 15 kW.

Ventajosamente, las etapas funcionan independientemente, la velocidad de rotación puede ser diferente de una etapa a otra; las etapas segunda y tercera, respectivamente, tienen pistones señalados con 72, 73.

Cabe señalar que el circuito de calefacción enfría las tres zonas frías de los compresores, por los canales 93, 92 y 91 sucesivos.

La salida de la primera etapa, es decir, la válvula 42, está conectada a la entrada de la segunda etapa, es decir, la válvula 43. La salida de la segunda etapa, es decir, la válvula 44, está conectada a la entrada de la tercera etapa, es decir, la válvula 45. La salida de la válvula 46 forma la salida general del compresor 1.

Las etapas de presión pueden ser típicamente de la siguiente manera, la presión de admisión de la primera etapa U1 es del orden de 30 bar, la presión de descarga de la primera etapa (segunda etapa de admisión) es del orden de 45 bar; la presión de descarga de la segunda etapa U2 (tercera etapa de admisión) es del orden de 60 a 65 bar; la salida de la tercera etapa U3 puede ser del orden de 90 bar.

Se puede prever que las tres zonas frías de las tres etapas U1 U2 U3 formen una sola pieza denominada culata fría como la que se muestra con las líneas 95' discontinuas (Fig. 5).

Otra característica opcional de la caldera se ilustra en la figura 5; un llamado intercambiador de descongelación marcado con 75 permite que el circuito 34 de agua glicolada se acople directamente al circuito 30 de calefacción, sin involucrar al circuito 31 de gas comprimible.

Un circuito 76 auxiliar puede activarse mediante una válvula 74 (manual o controlable) que activa este intercambiador de descongelación.

Como su nombre indica, este intercambiador 75 de descongelación se utiliza para descongelar la unidad 4 externa mediante la transferencia de calor del circuito de calefacción.

Cabe señalar que este intercambiador también se puede utilizar en determinados casos para el enfriamiento pasivo, según el mismo principio de transferencia de calor del circuito de calefacción al intercambiador externo. En general, se advierte que el combustible utilizado en el quemador puede ser gas natural, o biogás de origen vegetal o animal, o compuestos hidrocarbonados ligeros procedentes de residuos del procesamiento industrial del petróleo.

Como se ilustra en la figura 9, el compresor 1 térmico descrito anteriormente se puede utilizar dentro del contexto de los diagramas de las figuras 1 a 5, por supuesto en un modo de calefacción, pero también a la inversa en un modo de enfriamiento.

En este caso, en este modo de enfriamiento, el calor se extraerá del circuito 30 de calefacción (por ejemplo, en la calefacción por suelo radiante) y el calor extraído se dirigirá al circuito 15, 16 de agua caliente sanitaria o a la unidad 4 externa.

Este resultado se puede obtener invirtiendo el papel de los intercambiadores 5', 6' de evaporación y condensación en el circuito 31 de gas comprimible.

Por razones de claridad, la válvula 77 de cuatro vías que permite invertir las direcciones de circulación del fluido no se ha representado en las figuras 1 a 5, pero el principio se representa en la figura 9 donde la válvula 77 de cuatro vías presenta una posición normal conocida como modo de calefacción. y una posición especial (invertida) conocida como modo de enfriamiento.

Cuando la válvula 77 de cuatro vías está en la posición normal, el intercambiador marcado con 6' funciona en modo condensador y el intercambiador marcado con 5' funciona en modo evaporador.

Por el contrario, cuando la válvula 77 está en la posición invertida, el intercambiador 5' funciona en modo condensador y el intercambiador marcado con 6' funciona en modo evaporador.

En el sistema de caldera, por razones de claridad, determinados componentes no se han representado, aunque también pueden estar presentes. En particular, estos componentes son:

- depósitos de expansión en los circuitos 34, 30 de agua

- grifos de llenado y vaciado del circuito de calefacción

- grifos de llenado y vaciado del circuito de CO2

- diversos manómetros y sensores de temperatura necesarios para controlar el sistema con la unidad de regulación

Resumen de circuitos

30 circuito de calefacción

31 fluido de CO2 comprimible 32: humos de combustión

33 derivación para ACS

34 agua glicolada (intercambio con el exterior)

35 entrada de aire caliente

36 circuito ACS específico

76 derivación para la descongelación

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una caldera termodinámica de intercambio de calor con al menos un circuito (30) de calefacción, la caldera que comprende un compresor (1) térmico, el compresor térmico que actúa sobre un fluido comprimible y que comprende una primera etapa de compresión (U1) con pistón bidireccional alterno que separa una primera cámara (81) y una segunda cámara (82) y un primer quemador (11) de combustible que forma una fuente de calor acoplada a la primera cámara, y que utiliza el circuito de calefacción como fuente de frío para acoplarse, en uso, a la segunda cámara, el compresor térmico que hace la función de compresión de un circuito (31, 34) tipo bomba de calor reversible,

la primera y segunda cámaras (81, 82) que están conectadas de forma fluida entre sí a través de un regenerador (19) con un movimiento fluido de vaivén,

en el que se provee una unidad de modulación y un motor (17) para regular, es decir, aumentar y/o reducir la velocidad de rotación de la primera etapa del compresor,

en el que el compresor térmico comprende al menos dos etapas de compresión independientes, con dicha primera etapa de compresión (U1) y además una segunda etapa de compresión (U2) similar a la primera etapa de compresión (U1), la segunda etapa de compresión (U2) que están dispuesta en serie con la primera etapa de compresión (U1).

2. La caldera termodinámica según la reivindicación 1, en la que la caldera termodinámica está dispuesta para suministrar calor al circuito de calefacción y el circuito tipo bomba de calor reversible está dispuesto para extraer calor de una unidad (4) externa.

3. La caldera termodinámica según la reivindicación 2, que comprende además un dispositivo complementario (2), el dispositivo complementario que comprende un quemador (20) auxiliar, distinto del primer quemador, y un intercambiador (21) complementario dispuestos en el circuito (30) de calefacción.

4. La caldera termodinámica según una de las reivindicaciones 1 a 3, en la que el fluido comprimible es R744.

5. La caldera termodinámica según una de las reivindicaciones 1 a 4, en la que la segunda etapa de compresión (U2) comprende además al menos un motor previsto para regular, es decir, aumentar y/o reducir la velocidad de rotación de la segunda etapa de compresión del compresor.

6. La caldera termodinámica según una de las reivindicaciones 1 a 5, en la que el circuito tipo bomba de calor comprende dos circuitos en cascada, es decir, un circuito (31, 1, 5, 7, 6) de trabajo de gas comprimible y un circuito (34, 4, 6) de agua glicolada.

7. La caldera termodinámica según una de las reivindicaciones 1 a 6, en la que el compresor comprende además una tercera etapa de compresión (U3).

8. La caldera termodinámica según la reivindicación 7, en la que las tres etapas (U1, U2, U3) son independientes.

9. La caldera termodinámica según una de las reivindicaciones 1 a 8, que comprende un precalentador (9) de aire en la entrada de al menos el primer quemador.

10. La caldera termodinámica según una de las reivindicaciones 1 a 9, que comprende un intercambiador (5) principal que forma la interfase térmica esencial entre el circuito (31) de fluido comprimible y el circuito (30) de calefacción, y el compresor está dispuesto para enfriarse con el retorno del circuito de calefacción que pasa primero en al menos el intercambiador (5) principal, y, a continuación, en la sección fría del compresor térmico.

11. La caldera termodinámica según una de las reivindicaciones 3 a 10, siempre que dependan de la reivindicación 3, en la que el retorno del circuito de calefacción está dispuesto para pasar, después de enfriar el compresor, al intercambiador (21) complementario.

12. La caldera termodinámica según la reivindicación 10, en la que el intercambiador (5) principal comprende un intercambiador (50) de alta temperatura y un intercambiador (51) de baja temperatura.

13. La caldera termodinámica según una de las reivindicaciones 1 a 12, que comprende un circuito (15, 16) de agua caliente sanitaria.

14. La caldera termodinámica según la reivindicación 12 y la reivindicación 13, en la que el agua (33) caliente sanitaria se calienta mediante el intercambiador (50) de alta temperatura que está dispuesto en el circuito de fluido comprimible directamente en la salida del compresor (1) térmico.

15. La caldera termodinámica según la reivindicación 13, en la que la caldera termodinámica está dispuesta para tomar calor del circuito (30) de calefacción, y está dispuesta para suministrar este calor o bien al circuito de agua caliente sanitaria ACS o bien a la unidad (4) externa, a través de la cual proporciona una función de enfriamiento.