ES2946857B2

ES2946857B2 - Método y sensor de detección de fugas de refrigerante

Info

Publication number: ES2946857B2
Application number: ES202330063A
Authority: ES
Inventors: Mengual Belén Llopis; Maciá José Gonzálvez; Peris Emilio Navarro
Original assignee: Universidad Politecnica de Valencia
Current assignee: Universidad Politecnica de Valencia
Priority date: 2023-01-30
Filing date: 2023-01-30
Publication date: 2023-10-25
Anticipated expiration: 2043-01-30
Also published as: WO2024161055A1; ES2946857A1

Description

Método y sensor de detección de fugas de refrigerante

SECTOR DE LA TÉCNICA

La presente invención se refiere a un método y un sensor preparados para la detección de fugas de refrigerante. Es aplicable en bombas de calor, aires acondicionados, etc.

ESTADO DE LA TÉCNICA

En el estado de la técnica se conocen diferentes modelos de bombas de calor. En algunos tipos se dispone una botella o depósito de fluido refrigerante, mientras que en otros el circuito tiene una cantidad predefinida, constante.

Existe una cantidad óptima de fluido que circula por el circuito según las condiciones de trabajo. Los equipos comerciales se diseñan con esa cantidad óptima para las condiciones nominales de uso. Cuando existe una desviación en cuanto a la cantidad de fluido, la bomba de calor pierde eficiencia y consume más energía de la idónea para suministrar la misma potencia frigorífica. En el caso de fugas, la desviación crece con el tiempo hasta alcanzar valores críticos que requieren la reparación.

En paralelo, los fluidos refrigerantes utilizados en la técnica por motivos de calentamiento global son frecuentemente inflamables. Por lo tanto, es necesario detectar prontamente las fugas para activar los protocolos oportunos de seguridad. Para ello se disponen sensores de alto precio y que requieren mucho mantenimiento, de forma que un retraso en éste puede producir errores en la detección. Por todo ello, es necesario desarrollar un método para la detección de fugas que sea rápido en reaccionar y fiable.

En KR101710941B1 se encuentra el estado de la técnica más próximo a la invención. Divulga un método para detectar la falta de refrigerante en una bomba de calor que consiste en determinar la cantidad actual de carga de refrigerante en función de la apertura de la válvula de expansión. El método compara la temperatura del aire aspirado al evaporador con una temperatura de ajuste preestablecida. La apertura de la válvula de expansión se reduce a medida que se incrementa la tasa de preajuste y el grado de recalentamiento del evaporador en el interior. Este método es eficaz cuando la pérdida es eeva a, pero no es capaz e e ecar peque as p r as e u o rergerane, por o que no cumple los objetivos deseados.

También es conocido lo divulgado en el artículo “Automated fault detection of residential air-conditioning systems using thermostat drive cycles" de Chintala R. et al (Energy and Buildings 236: 110691. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.110691.); donde se describe un algoritmo capaz de detectar la presencia de un fallo, pero no es especifico de la carga, sino que simplemente detecta hay algo en el equipo que no funciona bien.

Otros ejemplos de documentos del estado de la técnica se encuentran en US2016146488A1 y US2019316821A1, que se consideran más lejanos y no dirigidos al problema objeto de la presente invención.

El solicitante no conoce una solución a estos problemas tan eficaz como la reivindicada.

BREVE EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

La invención es un método y un sensor programado para detectar las fugas de refrigerante de un circuito, según las reivindicaciones. Resuelve, en sus diferentes realizaciones, los problemas del estado de la técnica.

La invención está orientada a equipos de bomba de calor o aire acondicionado de pequeño o mediano tamaño, especialmente, por la necesidad de exactitud, cuando el fluido refrigerante es inflamable.

Mediante un modelo de bomba de calor validado experimentalmente se ha analizado la dependencia de los principales parámetros de funcionamiento de bomba de calor. Por un lado, se considera la temperatura de descarga, temperatura a la entrada del compresor, temperatura a la entrada de la válvula de expansión. Por otro las presiones a la entrada y a la salida del compresor y la salida del condensador. Se aprecia que los resultados son bastante próximos (figura 1). Sin embargo, al medir el subenfriamiento, se aprecia que el resultado es altamente variable (figura 2) y no corresponde al modelado.

Basándonos en este resultado se ha seleccionado esta variable como parámetro critico se han realizado un estudio paramétrico para un amplio espectro de temperaturas del aire y a partir de este estudio se ha determinado una correlación entre el subenfriamiento y la temperatura de evaporación y condensación y la velocidad de giro del compresor.

En esta memoria, se considerará temperatura del foco frío a la temperatura del medio o fluido secundario (agua o aire son los más usuales) a la entrada del intercambiador de calor. De manera indirecta, el foco frío establece la temperatura de evaporación, que está asociada a la temperatura del fluido refrigerante en el circuito de refrigeración, por eso “temperatura de foco frío” y “temperatura de evaporación” se considerarán sinónimos. Del mismo modo, el foco caliente corresponde a la temperatura del medio o fluido secundario con el que el condensador intercambia calor, y de manera indirecta, establece la temperatura de condensación.

Así, el método de detección de fugas de refrigerante calcula la diferencia entre la masa de refrigerante (m) y la masa óptima (m¡d) a partir de la medición de las revoluciones del condensador (rpm), la temperatura del foco frío (Tint) y la temperatura del foco caliente (Text), mediante la expresión

donde Ki, Co, Ci, C2, C3, C4 y C5 con constantes que se hallan de manera experimental, a partir de realizar ensayos experimentales a distintas Text, Tint, rpm y usando varias cargas de refrigerante. A partir de estos ensayos, se calculan las constantes mediante regresión lineal múltiple. Son distintas según el sistema o equipo y por tanto tienen que determinarse para cada modelo de equipo.

Por su parte, el sensor de la invención aplica el método anterior, ya sea a partir de sensores de revoluciones y temperatura propios o tomando las lecturas de la centralita del equipo. De la misma forma, los cálculos se pueden hacer en una unidad de control del sensor o en la centralita del equipo.

Una de las principales ventajas que presenta este método frente a otras soluciones encontradas en la literatura es que únicamente depende de parámetros de funcionamiento como son las temperaturas del foco frío y caliente y la velocidad de giro del compresor. Dichos parámetros ya se monitorizan en los equipos de refrigeración y por tanto no requieren la introducción de ningún elemento adicional para el cálculo de parámetros. En consecuencia, cualquier equipo de refrigeración puede ser adaptado de forma sencilla.

Otras variantes se enuncian en las reivindicaciones independientes y se describen más adelante.

Para una mejor comprensión de la invención, se incluyen las siguientes figuras:

Fig. 1: Comparativa entre la temperatura obtenida en un ensayo y la temperatura simulada en función de varias temperaturas y presiones internas al equipo.

Fig. 2: Comparativa entre el subenfriamiento obtenido en un ensayo y el simulado en función de varias temperaturas y presiones internas al equipo.

MODOS DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN

A continuación, se pasa a describir de manera breve varios modos de realización de la invención, como ejemplo ilustrativo y no limitativo de ésta.

El método de la invención se explicará a continuación. Parte de una serie de variables que ya son vigiladas por los equipos de climatización (bombas de calor, aires acondicionados...). Las variables utilizadas son el número de revoluciones en el compresor (rpm), la temperatura del foco caliente (Text) y la temperatura del foco frío (Tint). Estas variables se pueden medir con sensores propios o del equipo.

En primer lugar, se estima la pérdida de fluido mediante la expresión:

Donde “m” es la masa de fluido refrigerante presente, “m¡d” la masa óptima, “SC" el subenfriamiento real y “SCid” el subenfriamiento objetivo. Ki es una constante.

Por otro lado, la diferencia entre el subenfriamiento real y el deseado se puede estimar a partir de las medidas ya citadas.

Combinando las dos expresiones, se obtiene:

n consecuenca, es pos e es mara a masa e u o re rgerane presene en e crcu o a partir de valores medidos habitualmente en el equipo, sin incremento de la complejidad del equipo.

Ejemplo: El sistema es una bomba de calor aire-agua con propano como refrigerante, con un intercambiador de placas soldadas como evaporador (se enfría agua) y un intercambiador de tubos y aletas como condensador (se calienta aire), que dispone además de un compresor de velocidad variable.

Se han realizado ensayos experimentales a dos condiciones de temperatura de entrada de aire distintas (Text=23°C y Text=35°C) y una condición de entrada de agua (T¡nt=23°C). Se utilizan, además, dos velocidades de compresor (3600 rpm y 4800 rpm) y se varía la carga de refrigerante de la nominal (mid=940g) entre 800g y 1030g (en total son 11 puntos experimentales). El refrigerante utilizado es R410A en una bomba de calor aire-aire.

Con los datos obtenidos, se aplica regresión lineal múltiple para obtener las constantes de la expresión (III), utilizando para las temperaturas en °C, para la velocidad del compresor, RPM, y para la carga de refrigerante, gramos (g). Las constantes que se obtienen están ya multiplicadas por K^q:

En la figura 3 se observa la comparativa entre la carga de refrigerante real del sistema y la que se predice con la correlación hallada, estando en todos los casos entre las bandas de error de ±10%:

En la leyenda de la figura, Tair corresponde a la temperatura de entrada de aire (Text en (III)), Two a la temperatura de salida del agua (aunque en la expresión (III) se usa la de entrada, que es Tint), y fc es la velocidad del compresor en rps (en la expresión (III) se usa en rpm). Este uso de Two es independiente de la temperatura del foco frío (Tint) usada en la expresión (III), habiéndose utilizado únicamente para identificar los ensayos.

n a sguene a a se encuenran os vaores e carga reaes e ca a es y e cacua o con la expresión (III):

En negrita se marcan los puntos con menos carga de refrigerante que la nominal (940 g), y que por tanto corresponderían al sistema con fugas de refrigerante. En todos los casos, con distintos porcentajes de error, se obtiene una carga de refrigerante con la expresión (III) también menor a 940g, indicando por tanto con este método que existen fugas.

Claims

1 - Método de detección de fugas de refrigerante, caracterizado por que la diferencia entre la masa de refrigerante (m) y la masa óptima (m¡d) se calcula partir de la medición de las revoluciones del condensador (rpm), la temperatura del foco frío (Tint) y la temperatura del foco caliente (Text), mediante la expresión

donde Ki, Co, Ci, C2, C3, C4 y C5 son constantes experimentales.

2- Sensor de detección de fugas de refrigerante, caracterizado por que aplica el método de la reivindicación 1.