[0001] La presente invenzione concerne un sistema per la produzione di energia termica.
[0002] Negli ultimi anni si sono registrati significativi miglioramenti nei sistemi di produzione di acqua calda per il riscaldamento degli ambienti o per la produzione di acqua sanitaria.
[0003] Sono ad esempio state introdotte le caldaie a condensazione, che sfruttano il calore di condensazione del vapor d'acqua contenuto nei fumi per incrementare in modo sostanziale il quantitativo di calore prodotto.
[0004] I combustibili utilizzati in questo tipo di caldaie sono sostanzialmente di tre tipi: metano o gas naturale, gasolio e gas di petrolio liquefatto detto GPL.
[0005] Questi combustibili comprendono nella loro molecola idrogeno e pertanto nei fumi di combustione è presente vapore d'acqua.
[0006] La condensazione di questi vapori cede il calore di condensazione all'acqua dell'impianto di riscaldamento, incrementando il rendimento del sistema.
[0007] Quanto sopra è valido per tutti i combustibili, in modo particolare per il metano, formula chimica CH4, la cui combustione determina la produzione di una molecola di anidride carbonica e due molecole d'acqua.
[0008] WO 2006/111 317 descrive un apparato di scambio termico ed in particolare una caldaia di condensazione, provvista di un carter esterno atto a delimitare una porzione di spazio per contenere il fluido da scaldare che é alimentato freddo per mezzo di un condotto di ritorno disposto in prossimità della base e fluisce all'esterno caldo per mezzo di un condotto di mandata disposto in prossimità della sommità di detto carter. Tale porzione è attraversata da tubi di convogliamento del fluido gassoso. L'apparato presenta inoltre un elemento a campana che è disposto in prossimità della sommità della suddetta porzione ed è aperto all'estremità inferiore e chiuso all'estremità superiore. L'elemento a campana essendo provvisto con un dispositivo termostatico atto a consentire al fluido in esso contenuto di fluire all'esterno quando viene raggiunta una predeterminata temperatura.
[0009] La Richiedente ha osservato che il fenomeno della condensazione è tanto più efficace quanto più bassa è la temperatura dell'acqua di ritorno dell'impianto di riscaldamento, che è il fluido utilizzato per il raffreddamento del condensatore della caldaia.
[0010] In questo modo si sfrutta il Potere Calorifico Superiore del combustibile anziché il Potere Calorifico Inferiore come avviene nelle caldaie tradizionali.
[0011] Gli impianti a risparmio energetico, richiedono temperature dell'acqua di riscaldamento le più basse possibili.
[0012] Generalmente l'impianto a risparmio energetico utilizza pannelli radianti, ventilconvettori o unità di trattamento aria, in cui, nel primo caso la temperatura dell'acqua di riscaldamento è di circa 35[deg.]C in mandata e 30[deg.]C in ritorno negli altri casi, di 45[deg.]C in mandata e 40[deg.]C in ritorno.
[0013] Tanto più bassa è la temperatura di ritorno, tanto più elevato è il quantitativo di vapore presente nei fumi che viene condensato, con conseguente maggior recupero di energia termica.
[0014] Nei casi sopra citati la temperatura di uscita dei fumi del condensatore è di circa 35-40[deg.]C per gli impianti a pannelli e 45-50[deg.]C negli altri due casi presi in considerazione.
[0015] La temperatura di saturazione dei fumi o temperatura di rugiada è di circa 54[deg.]C e il contenuto di umidità è circa 154 grammi/m<3>.
[0016] Il quantitativo di vapor d'acqua condensato è di circa 60 grammi/m<3>se la temperatura dei fumi in uscita dal condensatore è di 40[deg.]C e di circa 40 grammi/m<3> se la temperatura dei fumi è di 45-50[deg.]C.
[0017] Ne consegue che il recupero termico di una caldaia a condensazione è limitato dalla temperatura dell'acqua di ritorno dell'impianto e in molti casi, ad esempio negli impianti a termosifoni, la condensazione non è possibile o avviene solamente all'inizio e alla fine della stagione, periodi questi caratterizzati da basso fabbisogno termico e quindi da temperature dell'acqua di riscaldamento relativamente contenute.
[0018] La Richiedente ha quindi osservato che l'impiego di caldaie a condensazione spesso non implica il recupero del calore latente del vapor d'acqua contenuto nei fumi, ma in molti casi solamente del calore sensibile con brevi periodi in cui è possibile ottenere il recupero del calore latente.
[0019] La Richiedente ha trovato che preriscaldando la temperatura del fluido termico in ingresso alla caldaia e aumentando il recupero di calore di condensazione del vapore acqueo contenuto nei fumi per raggiungere un rendimento medio superiore al 100% riferito al PCI (Potere Calorifico Inferiore) è possibile ridurre il consumo di combustibile, a parità di calore prodotto dal sistema o aumentare, a parità di consumo di combustibile, il calore prodotto dal sistema.
[0020] In un suo primo aspetto l'invenzione riguarda un sistema per la produzione di energia termica comprendente:
- almeno una rete di riscaldamento
- almeno un dispositivo di riscaldamento allacciato alla detta rete mediante almeno un condotto di mandata del fluido termico alla detta rete ed almeno condotto di ritorno del fluido termico dalla detta rete; il dispositivo di riscaldamento comprendendo almeno una camera di combustione alimentata da un combustibile comprendente idrogeno;
- almeno un condotto di smaltimento dei fumi di combustione provenienti dal detto dispositivo di riscaldamento;
[0021] caratterizzata dal fatto di comprendere:
- almeno un condensatore in cui passano i fumi di combustione;
- almeno un gruppo di riscaldamento della temperatura del fluido
[0022] termico al condotto di ritorno per aumentare la temperatura del fluido termico in ingresso al dispositivo di riscaldamento.
[0023] Preferibilmente il dispositivo di riscaldamento è una caldaia..
[0024] Alternativamente, il dispositivo di riscaldamento è un cogenatore.
[0025] Secondo una aspetto vantaggioso, il fluido termico è acqua.
[0026] Preferibilmente il gruppo di riscaldamento comprende:
- un circuito chiuso percorso da un secondo fluido termico;
- almeno un compressore connesso al detto circuito chiuso e alimentato con energia elettrica per aumentare la pressione del secondo fluido termico, circolante nel detto circuito chiuso;
- almeno uno scambiatore di calore connesso al circuito chiuso a valle del compressore per cedere calore al condotto di ritorno;
- almeno un espansore per abbassare la pressione e conseguentemente la temperatura del secondo fluido termico, detto espansore essendo connesso al circuito chiuso a valle dello scambiatore di calore.
[0027] Vantaggiosamente l'espansore comprende una valvola di espansione. Secondo un aspetto preferenziale l'espansore è collegato con il condensatore.
[0028] Preferibilmente, il sistema comprende un dispositivo per alimentare energia elettrica almeno al compressore.
[0029] Vantaggiosamente il dispositivo per alimentare energia elettrica comprende un cogeneratore.
[0030] Secondo un aspetto preferenziale, il cogeneratore comprende:
- almeno un dispositivo motore;
- almeno un alternatore per trasformare l'energia meccanica prodotta dal dispositivo motore in energia elettrica;
- almeno un allacciamento alla rete di riscaldamento per cedere, il calore prodotto dal detto cogeneratore alla rete di riscaldamento 2.
[0031] Vantaggiosamente il detto dispositivo motore é un motore a scoppio.
[0032] Preferibilmente, il detto cogeneratore è collegato al detto condensatore (14) per far condensare il vapor d' acqua contenente nei fumi di combustione provenienti dal detto cogeneratore e recuperare calore.
[0033] Preferibilmente il sistema comprende un carter unico di contenimento di almeno detta caldaia e di detto gruppo di riscaldamento. Questo permette una riduzione dei costi di industrializzazione, un aumento di affidabilità complessiva e facilità di installazione.
[0034] Vantaggiosamente, la rete di riscaldamento comprende almeno un elemento radiante.
[0035] Preferibilmente, la rete di riscaldamento comprende almeno un ventilconvettore.
[0036] Preferibilmente la rete di riscaldamento comprende almeno un'unità di trattamento aria.
[0037] Preferibilmente la rete di riscaldamento comprende almeno un termosifone.
[0038] Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione appariranno maggiormente dalla descrizione dettagliata di alcune forme di esecuzione preferite, ma non esclusive, di un sistema per la produzione di energia termica secondo la presente invenzione.
[0039] Tale descrizione verrà esposta qui di seguito con riferimento agli uniti disegni, forniti a scopo solo indicativo e, pertanto non limitativo, nei quali:
<tb>la fig. 1<sep>è una vista schematica di una prima forma di realizzazione di un sistema per la produzione di energia termica secondo la presente invenzione;
<tb>la fig. 2<sep>è un grafico di una curva di saturazione del metano;
<tb>la fig. 3<sep>è una vista schematica di una seconda forma di realizzazione di un sistema per la produzione di energia termica secondo la presente invenzione.
[0040] Con riferimento alle fig. 1e 3, un sistema per la produzione di energia termica secondo la presente invenzione, viene identificata con il riferimento numerico 100.
[0041] Il sistema 100 comprende almeno una rete di riscaldamento 2, percorsa da un fluido termico, preferibilmente acqua, e dotata di pannelli radianti e/o venti convettori e/o unità di trattamento aria o termosifoni.
[0042] La rete di riscaldamento 2 é allacciata ad almeno un dispositivo di riscaldamento, preferibilmente una caldaia 5, mediante almeno un condotto di mandata 3 del fluido termico alla rete 2 ed almeno condotto di ritorno 4 del fluido termico dalla rete 2.
[0043] Alternativamente quale dispositivo di riscaldamento potrebbe essere previsto un cogeneratore.
[0044] La caldaia 5 é dotata di una camera di combustione alimentata da un combustibile comprendente idrogeno, in dettaglio i gas combustibili alimentati alla caldaia comprendono nella loro molecola idrogeno e pertanto i fumi che derivano dalla loro combustione contengono vapor d'acqua.
[0045] Preferibilmente il combustibile che alimenta la camera di combustione è metano formula chimica CH4, la cui combustione determina la produzione di una molecola di anidride carbonica e due molecole d'acqua.
[0046] Dalla caldaia fuoriesce almeno un condotto 7 di smaltimento dei fumi di combustione provenienti dalla camera di combustione.
[0047] Secondo un aspetto importante della presente invenzione il sistema 100 comprende:
- almeno un condensatore 14 in cui passano, attraverso il condotto 7, i fumi di combustione provenienti dalla camera di combustione; e
- un almeno un gruppo di riscaldamento della temperatura del fluido termico al condotto di ritorno 4 atto a cedere calore al detto fluido per aumentare la temperatura del fluido termico in ingresso alla caldaia 5.
[0048] Il fluido termico proveniente dalla rete attraverso il condotto di ritorno 4 viene quindi portato, dal gruppo di riscaldamento 9, ad un temperatura al massimo pari a 60[deg.], in funzione del tipo di rete di riscaldamento.
[0049] Nel caso del metano, come si evince da fig. 2, la temperatura di saturazione dei fumi o temperatura di rugiada è di circa 54[deg.]C. e il contenuto di umidità è circa 154 grammi/m<3>.
[0050] Aumentando la temperatura del fluido termico nel condotto di ritomo 4 dalla rete si riesce ad diminuire il consumo della caldaia 5, in quanto con il gruppo di riscaldamento 9 si ha la possibilità di recuperare, quasi, integralmente il calore di condensazione del vapore acqueo contenuto nei fumi di combustione della caldaia raggiungendo un coefficiente di prestazione assai prossimo al 111% limite teorico per il metano.
[0051] Il gruppo di riscaldamento presenta un circuito chiuso 10 percorso da un secondo fluido termico che attraversa almeno un compressore 11, almeno uno scambiatore di calore 12 per cedere calore al condotto di ritorno 4, almeno un espansore 13 per abbassare la pressione e conseguentemente la temperatura del secondo fluido termico circolante nel circuito chiuso 10 ed il condensatore 14 che è allacciato al circuito chiuso 10 ed al condotto di smaltimento fumi 7.
[0052] Il compressore 11 è alimentato con energia elettrica ed é l'elemento che somministra energia al gruppo di riscaldamento 9. Nel compressore 11, il secondo fluido termico, sotto forma di gas, aumenta la propria pressione.
[0053] A valle del detto compressore 11, è previsto almeno uno scambiatore di calore 12 che cede calore al condotto di ritorno 4, per aumentarne la temperatura, in questo scambiatore si assiste al cambiamento di fase del secondo fluido termico.che passa dallo stato gassoso allo stato liquido.
[0054] A valle del detto scambiatore 12, è previsto un espansore 13. Nell'espansore 13 la pressione del secondo fluido termico, che si trova allo stato liquido e conseguentemente la sua temperatura, viene abbassata drasticamente.
[0055] A valle dell'espansore 13 e a monte del detto compressore 11, è previsto il condensatore 14 che assorbe calore dal condotto 7 di smaltimento dei fumi, per far condensare il vapor d' acqua contenente nei fumi e recuperare il calore.
[0056] Il condensatore 14 essendo attraversato dal condotto 7, lavora come condensatore per i fumi di combustione provenienti dalla caldaia 5 e come evaporatore per il circuito chiuso 10.
[0057] Nel condensatore 14, il secondo fluido termico in condizione di bassa pressione e temperatura ricevendo calore dai fumi di combustione provenienti dalla caldaia si ritrasforma in gas, il secondo fluido termico è a questo punto nuovamente pronto a percorrere il ciclo passando dal compressore 11.
[0058] Il compressore 11 del gruppo di riscaldamento 9 è alimentato tramite energia elettrica e, a sua volta, ha un coefficiente di prestazione che varia da 5,5 a 4,5 ( cioè per ogni Kw. elettrico assorbito produce da 5,5 a 4,5 Kw. termici) in funzione della temperatura dell'acqua di ritorno dell'impianto di riscaldamento che raffredda il condensatore.
[0059] Secondo un aspetto vantaggioso delle presente invenzione il sistema può' essere racchiuso in un unico carter, non mostrato in figura, questo permette una riduzione dei costi di industrializzazione, un aumento di affidabilità complessiva e facilità di installazione.
[0060] La rete di riscaldamento 2 del sistema 100 può comprendere degli elementi radianti e/o dei pannelli e/o dei fan coil non direttamente mostrati.
[0061] Nel caso di elementi radianti, lo scambiatore 12 riscalda l'acqua di ritorno dell'impianto fino a una temperatura di 55-60[deg.]C. e tramite il gruppo di riscaldamento 9 ottengo la piena condensazione dei fumi durante tutta la stagione di riscaldamento.
[0062] In altre parole applicando quanto previsto dalla presente invenzione, contrariamente a quanto avviene nelle attuali caldaie a condensazione, si raggiungono coefficienti di prestazione prossimi al valore massimo teorico e la condensazione avviene sempre, durante tutto il periodo del riscaldamento e non solo quando la temperatura esterna è sufficiente alta da richiedere basse temperature dell'acqua dell'impianto di riscaldamento, fino a un ritorno dell'impianto di riscaldamento di 55/60[deg.]C.
[0063] Il sistema secondo la presente invenzione può' comprendere un cogeneratore 17, quale dispositivo per alimentare energia elettrica al compressore 11..
[0064] Il cogeneratore 17 comprende almeno un dispositivo motore 18, quale ad esempio un motore a combustione interna, ed almeno un alternatore 19 collegato meccanicamente al dispositivo motore 18 per trasformare l'energia meccanica prodotta dal motore in energia elettrica.
[0065] Vantaggiosamente, il dispositivo motore 18 è un motore a scoppio.
[0066] Il calore generato dal dispositivo motore 18, contenuto nei fumi di combustione, nell'olio di lubrificazione, e nell'acqua di raffreddamento e poi ceduto alla rete di riscaldamento 2.
[0067] Secondo un aspetto vantaggioso della presente invenzione, i fumi prodotti dal dispositivo motore 18 passano attraverso il condensatore 14, mediante un condotto non mostrato in figura, per cedere calore alla rete di riscaldamento 2.
[0068] A parità di calore generato è quindi possibili ridurre il dimensionamento della caldaia 5. In questo caso si ottengono i seguenti vantaggi, la caldaia 5 funziona con un coefficiente di prestazione prossimo al 111% riferito al potere calorifico inferiore, grazie al gruppo di riscaldamento 9 che produce energia termica utilizzabile per la condensazione dell'umidità contenuta nei fumi di combustione provenienti dalla camera di combustione.
[0069] Il gruppo di riscaldamento 9 cede, infatti, calore di condensazione al fluido termico, preferibilmente acqua, proveniente dal condotto di ritorno 4, mentre il cogeneratore 17 produce l'energia elettrica necessaria al funzionamento del gruppo di riscaldamento 9 oltre a produrre energia termica utilizzabile per la rete di riscaldamento 2.
[0070] Secondo un aspetto vantaggioso della presente invenzione, è anche possibile allacciare l'alternatore 19 del cogeneratore 17 anche ad una rete elettrica, non mostrata in figura, per cedere a tale rete l'energia elettrica prodotta dal cogeneratore 17 e non utilizzata dal compressore 11.
[0071] La temperatura di rugiada dei fumi prodotti dalla combustione di metano è di circa 54[deg.]C con un contenuto di 154 grammi di vapor d'acqua per m<3> di fumi.
[0072] Considerando una temperatura dei fumi di 40[deg.]C si ha un recupero di calore sensibile e un recupero di calore latente così calcolato:
Temperatura di fumi in uscita dal cogeneratore: 120[deg.]C.
Calore specifico dei fumi: 0,29 Kcal/m<3>
<Calore latente di condensazione 573,5 kcal/Kg.
[0073] Calore sensibile recuperato:
(120 - 40) x 0,29 - 23,2 Kcal/m<3>
[0074] Calore latente recuperato:
Contenuto d'acqua nei fumi a 40[deg.]C.
100 grammi/m<3>
<0,054 x 573,5 = 30,97 Kcal/m<3>
<Totale calore recuperato 23,2 + 30,97 = 54,17 kcal/m<3>
[0075] Le perdite di carico lato fumi imputabili alla condensazione saranno recuperate tramite un ventilatore, non mostrato in figura.
[0076] Nel caso della presente invenzione un'ulteriore condensazione sarà effettuata tramite l'espansione di gas frigorifero a 2[deg.]C. prodotto dal gruppo di riscaldamento 9 con una temperatura dei fumi di circa 7[deg.]C.
[0077] In questo caso il contenuto di acqua dei fumi sarà di 10 grammi/m<3>.
[0078] Calor sensibile recuperato, in aggiunta a quello precedentemente indicato:
( 40 - 7) x 0,29 = 9,57 kcal/m<3>
[0079] Calore latente recuperatocin aggiunta a quello precedentemente indicato:
0,09x590,5 - 53,14 Kcal/m<3>
[0080] Calore totale recuperato, in aggiunta a quello precedentemente indicato:
9,57 + 53,14-62,71 Kcal/m<3>
[0081] Al fine di rendere più comprensibile quanto sopra affermato è opportuno fare un esempio:
Si indicano, a titolo di esempio, i dati del costruttore di un cogeneratore avente una potenza di 25 Kw. elettrici.
Potenza elettrica 25 Kw.
Potenza termica 47 Kw.
Consumo di metano 8,4 m<3>/h.
Potenza combustibili in ingresso 79,5 Kw.
Rendimento elettrico 31,4%
Rendimento termico 59,1%
Rendimento totale 90,5%
Temperatura dei gas di scarico 120[deg.]C.
Volume dei fumi scarico 84 Nm<3>/h.
[0082] La macchina, inoltre disperde tramite un ventilatore, 6,5 kw. dovuti al raffreddamento dell'alternatore e al calore d'irraggiamento del motore a combustione interna.
[0083] Questo calore deve essere smaltito a bassa temperatura così che l'aria in ingresso, alia cofanatura insonorizzante della macchina, abbia una temperatura non superiore ai 40[deg.]C.
[0084] Questa energia termica può essere rimossa dal gruppo di riscaldamento 9.
[0085] Calore totale recuperato da condensazione con acqua di ritorno a 30[deg.]C.
54,17 Kcal/m<3> ( vedi riga 24 pag.11) pari a 54,17 x 84 Nm<3> = 4550,28 Kcal/h.
4550,28 / 860 = 5,29 Kw.
[0086] Calore recuperato da condensazione con pompa di calore:
62,71 Kcal/m<3> pari a 62,71 _ x 84 Nm<3> = 5267,64 Kcal/h.
5267,64/860 = 6,12 Kw.
[0087] Totale calore recuperato:
6,5 + 5,29 + 6,12 = 17,91 Kw.
[0088] La potenza termica espressa dal cogeneratore passa così da 47 Kw. a 47 + 17,91 =64,91.
[0089] Potenza totale espressa dal cogeneratore, elettrica + termica:
25 + 64,91 = 89,91
Potenza termica generata dalla combustione del metano 79,5 Kw.
Coefficiente di prestazione C.O.P.
88,91 /79,5 = 1,131
113,1 -90,5 = 22,59%
[0090] Il valore leggermente superiore al teorico è dovuto ad approssimazioni.
[0091] Questo valore percentuale rappresenta l'aumento del rendimento totale della macchina ottenuto tramite la condensazione a bassa temperatura possibile con l'utilizzo della pompa di calore.
[0092] In realtà considerando il C.O.P. del gruppo di riscaldamento pari 5,3, per produrre l'energia termica da condensazione ( escludendo quella prodotta dalla condensazione mediante l'acqua di ritorno dell'impianto di riscaldamento ) debbo spendere la seguente potenza elettrica, prodotta dal cogeneratore, 6,12 + 6,5 = 12,62, 12,62/5,3 = 2,38 Kw.
[0093] Potenza termica totale a disposizione dell'impianto.
64,6 + 2,38 = 66,98 Kw.
[0094] La potenze elettrica è ceduta all' acqua di riscaldamento sotto forma di calore.
[0001] The present invention relates to a system for the production of thermal energy.
[0002] In recent years there have been significant improvements in hot water production systems for space heating or domestic water production.
[0003] For example, condensing boilers have been introduced, which exploit the condensation heat of the water vapor contained in the fumes to substantially increase the quantity of heat produced.
[0004] The fuels used in this type of boiler are substantially of three types: methane or natural gas, gas oil and liquefied petroleum gas called LPG.
[0005] These fuels comprise hydrogen in their molecule and therefore water vapor is present in the combustion fumes.
[0006] The condensation of these vapors yields the condensation heat to the water of the heating system, increasing the efficiency of the system.
[0007] The above is valid for all fuels, in particular for methane, chemical formula CH4, whose combustion determines the production of a molecule of carbon dioxide and two water molecules.
[0008] WO 2006/111 317 describes a heat exchange apparatus and in particular a condensing boiler, provided with an external casing able to delimit a portion of space to contain the fluid to be heated which is fed cold by means of a duct of return disposed in proximity of the base and flows out hot by means of a delivery duct arranged near the top of said housing. This portion is crossed by tubes for conveying the gaseous fluid. The apparatus also has a bell-shaped element which is arranged near the top of the aforesaid portion and is open at the lower end and closed at the upper end. The bell element being provided with a thermostatic device able to allow the fluid contained therein to flow outwardly when a predetermined temperature is reached.
[0009] The Applicant has observed that the phenomenon of condensation is the more effective the lower the temperature of the water returning from the heating system, which is the fluid used for cooling the boiler condenser.
[0010] In this way the Higher Calorific Power of the fuel is exploited instead of the Lower Calorific Power as it occurs in traditional boilers.
[0011] Energy-saving systems require the lowest possible heating water temperatures.
[0012] Generally the energy-saving system uses radiant panels, fan coils or air handling units, in which, in the first case, the temperature of the heating water is about 35 [deg.] C in the delivery and 30 [deg. ] C in return in the other cases, of 45 [deg.] C in delivery and 40 [deg.] C in return.
[0013] The lower the return temperature, the greater the quantity of steam present in the fumes which is condensed, with a consequent greater recovery of thermal energy.
[0014] In the cases mentioned above, the condenser flue gas outlet temperature is around 35-40 [deg.] C for panel systems and 45-50 [deg.] C in the other two cases considered.
[0015] The saturation temperature of the fumes or dew temperature is about 54 [deg.] C and the moisture content is about 154 grams / m <3>.
[0016] The quantity of condensed steam is about 60 grams / m <3> if the temperature of the fumes leaving the condenser is 40 [deg.] C and about 40 grams / m <3> if the flue gas temperature is 45-50 [deg.] C.
[0017] It follows that the thermal recovery of a condensing boiler is limited by the temperature of the system return water and in many cases, for example in radiator systems, condensation is not possible or occurs only at the beginning and at the end of the season, these periods are characterized by low heat demand and therefore by relatively low heating water temperatures.
[0018] The Applicant has therefore observed that the use of condensing boilers often does not involve the recovery of the latent heat of the water vapor contained in the fumes, but in many cases only of sensible heat with short periods in which it is possible to obtain the recovery of latent heat.
[0019] The Applicant has found that by preheating the temperature of the thermal fluid entering the boiler and increasing the condensation heat recovery of the water vapor contained in the fumes to reach an average yield higher than 100% referred to the PCI (Lower Calorific Value) is It is possible to reduce fuel consumption, with the same heat produced by the system or increase, for the same fuel consumption, the heat produced by the system.
[0020] In a first aspect the invention relates to a system for the production of thermal energy comprising:
- at least one heating network
- at least one heating device connected to said network by means of at least one duct for delivering the thermal fluid to said network and at least a duct for returning the thermal fluid from said network; the heating device comprising at least one combustion chamber fed by a fuel comprising hydrogen;
- at least one conduit for disposal of the combustion fumes coming from the said heating device;
[0021] characterized in that it comprises:
- at least one condenser in which the combustion fumes pass;
- at least one fluid temperature heating unit
[0022] thermal to the return duct to increase the temperature of the thermal fluid entering the heating device.
[0023] Preferably the heating device is a boiler.
[0024] Alternatively, the heating device is a cogenator.
[0025] According to an advantageous aspect, the thermal fluid is water.
[0026] Preferably the heating unit comprises:
- a closed circuit covered by a second thermal fluid;
- at least one compressor connected to said closed circuit and supplied with electric energy to increase the pressure of the second thermal fluid, circulating in said closed circuit;
- at least one heat exchanger connected to the closed circuit downstream of the compressor to transfer heat to the return duct;
- at least one expander for lowering the pressure and consequently the temperature of the second thermal fluid, said expander being connected to the closed circuit downstream of the heat exchanger.
[0027] Advantageously, the expander comprises an expansion valve. According to a preferential aspect, the expander is connected to the condenser.
[0028] Preferably, the system comprises a device for supplying electrical energy at least to the compressor.
[0029] Advantageously, the device for supplying electrical energy comprises a cogenerator.
[0030] According to a preferential aspect, the cogenerator comprises:
- at least one motor device;
- at least one alternator to transform the mechanical energy produced by the motor device into electrical energy;
- at least one connection to the heating network to transfer the heat produced by the said cogenerator to the heating network 2.
[0031] Advantageously, the said motor device is an internal combustion engine.
[0032] Preferably, the said cogenerator is connected to the said condenser (14) to condense the water vapor contained in the combustion fumes coming from the said cogenerator and recover heat.
[0033] Preferably, the system comprises a single housing for containing at least said boiler and said heating unit. This allows a reduction in industrialization costs, an increase in overall reliability and ease of installation.
[0034] Advantageously, the heating network comprises at least one radiating element.
[0035] Preferably, the heating network comprises at least one fan coil.
[0036] Preferably the heating network comprises at least one air treatment unit.
[0037] Preferably the heating network comprises at least one radiator.
[0038] Further characteristics and advantages of the invention will appear more clearly from the detailed description of some preferred but not exclusive embodiments of a system for the production of thermal energy according to the present invention.
[0039] This description will be set forth below with reference to the appended drawings, provided for indicative purposes only and, therefore, not limiting, in which:
fig. 1 is a schematic view of a first embodiment of a system for producing thermal energy according to the present invention;
fig. 2 <sep> is a graph of a methane saturation curve;
fig. 3 is a schematic view of a second embodiment of a system for the production of thermal energy according to the present invention.
[0040] With reference to figs 1 and 3, a system for the production of thermal energy according to the present invention, is identified with the reference number 100.
[0041] The system 100 comprises at least one heating network 2, crossed by a thermal fluid, preferably water, and provided with radiant panels and / or twenty convectors and / or air treatment units or radiators.
[0042] The heating network 2 is connected to at least one heating device, preferably a boiler 5, by means of at least one delivery duct 3 for the thermal fluid to the network 2 and at least one return duct 4 for the thermal fluid from the network 2.
[0043] Alternatively, a cogenerator could be provided as a heating device.
[0044] The boiler 5 is equipped with a combustion chamber fed by a fuel comprising hydrogen, in detail the combustible gases fed to the boiler comprise hydrogen in their molecule and therefore the fumes deriving from their combustion contain water vapor.
[0045] Preferably the fuel that feeds the combustion chamber is methane chemical formula CH4, whose combustion determines the production of a molecule of carbon dioxide and two water molecules.
[0046] At least one conduit 7 for the combustion fumes coming from the combustion chamber emerges from the boiler.
[0047] According to an important aspect of the present invention the system 100 comprises:
- at least one condenser 14 in which the combustion fumes coming from the combustion chamber pass through the duct 7; is
- at least one group for heating the temperature of the thermal fluid to the return duct 4 adapted to transfer heat to said fluid to increase the temperature of the thermal fluid entering the boiler 5.
[0048] The thermal fluid coming from the network through the return duct 4 is then brought, by the heating group 9, to a temperature of at most 60 [deg.], Depending on the type of heating network.
[0049] In the case of methane, as shown in fig. 2, the saturation temperature of the fumes or dew temperature is about 54 [deg.] C. and the moisture content is about 154 grams / m <3>.
[0050] By increasing the temperature of the thermal fluid in the return conduit 4 from the mains it is possible to reduce the consumption of the boiler 5, since with the heating group 9 it is possible to recover, almost entirely, the condensation heat of the steam water contained in the combustion fumes of the boiler reaching a performance coefficient very close to 111% theoretical limit for methane.
[0051] The heating unit has a closed circuit 10 crossed by a second thermal fluid which passes through at least one compressor 11, at least one heat exchanger 12 to transfer heat to the return conduit 4, at least one expander 13 to lower the pressure and consequently the temperature of the second thermal fluid circulating in the closed circuit 10 and the condenser 14 which is connected to the closed circuit 10 and to the flue gas conduit 7.
[0052] The compressor 11 is supplied with electrical energy and is the element which supplies energy to the heating group 9. In the compressor 11, the second thermal fluid, in the form of gas, increases its pressure.
[0053] Downstream of said compressor 11, at least one heat exchanger 12 is provided which transfers heat to the return duct 4, to increase the temperature, in this exchanger there is a phase change of the second thermal fluid which passes from the state gaseous in the liquid state.
[0054] An expander 13 is provided downstream of said exchanger 12. In the expander 13 the pressure of the second thermal fluid, which is in the liquid state and consequently its temperature, is drastically lowered.
[0055] Downstream of the expander 13 and upstream of the said compressor 11, the condenser 14 is provided which absorbs heat from the fumes disposal duct 7, to condense the water vapor contained in the fumes and recover the heat.
[0056] The condenser 14 being traversed by the duct 7, works as a condenser for the combustion fumes coming from the boiler 5 and as an evaporator for the closed circuit 10.
[0057] In the condenser 14, the second thermal fluid in the condition of low pressure and temperature receiving heat from the combustion fumes coming from the boiler turns back into gas, the second thermal fluid is at this point again ready to travel the cycle passing by the compressor 11 .
[0058] The compressor 11 of the heating unit 9 is powered by electric energy and, in turn, has a performance coefficient ranging from 5.5 to 4.5 (i.e. for each electric Kw absorbed it produces from 5.5 at 4.5 Kw. of heat) depending on the temperature of the return water of the heating system which cools the condenser.
[0059] According to an advantageous aspect of the present invention the system can be enclosed in a single carter, not shown in the figure, this allows a reduction in industrialization costs, an increase in overall reliability and ease of installation.
[0060] The heating network 2 of the system 100 can comprise radiating elements and / or panels and / or fan coils not directly shown.
[0061] In the case of radiating elements, the exchanger 12 heats the return water of the system up to a temperature of 55-60 [deg.] C. and through the heating group 9 I get the full condensation of the fumes during the whole heating season.
[0062] In other words, applying what is provided by the present invention, contrary to what happens in current condensing boilers, performance coefficients are reached close to the maximum theoretical value and condensation always occurs, during the whole heating period and not only when the outdoor temperature is high enough to require low water temperatures of the heating system, up to a heating system return of 55/60 [deg.] C.
[0063] The system according to the present invention can comprise a cogenerator 17, as a device for supplying electric energy to the compressor 11 ..
[0064] The cogenerator 17 comprises at least one motor device 18, such as for example an internal combustion engine, and at least one alternator 19 mechanically connected to the engine device 18 to transform the mechanical energy produced by the engine into electrical energy.
[0065] Advantageously, the motor device 18 is an internal combustion engine.
[0066] The heat generated by the motor device 18, contained in the combustion fumes, in the lubricating oil, and in the cooling water and then transferred to the heating network 2.
[0067] According to an advantageous aspect of the present invention, the fumes produced by the motor device 18 pass through the condenser 14, by means of a conduit not shown in the figure, to transfer heat to the heating network 2.
[0068] Reducing the size of the boiler 5 is therefore possible for the same heat generated. In this case the following advantages are obtained, the boiler 5 operates with a performance coefficient close to 111% referred to the lower calorific value, thanks to the group of heating 9 which produces thermal energy which can be used for condensing the moisture contained in the combustion fumes coming from the combustion chamber.
[0069] The heating unit 9 in fact transfers condensation heat to the thermal fluid, preferably water, coming from the return duct 4, while the cogenerator 17 produces the electrical energy necessary for the operation of the heating unit 9 in addition to producing energy thermal usable for the heating network 2.
[0070] According to an advantageous aspect of the present invention, it is also possible to connect the alternator 19 of the cogenerator 17 also to an electric network, not shown in the figure, to transfer to this network the electricity produced by the cogenerator 17 and not used by the compressor 11.
[0071] The dew temperature of the fumes produced by the combustion of methane is about 54 [deg.] C with a content of 154 grams of water vapor per m <3> of fumes.
[0072] Considering a flue gas temperature of 40 [deg.] C there is a sensible heat recovery and a latent heat recovery thus calculated:
Flue gas outlet temperature from the cogenerator: 120 [deg.] C.
Specific fume heat: 0.29 Kcal / m <3>
<Latent condensation heat 573.5 kcal / Kg.
[0073] Sensible heat recovered:
(120 - 40) x 0.29 - 23.2 Kcal / m <3>
[0074] Latent heat recovered:
Water content in the fumes at 40 [deg.] C.
100 grams / m <3>
<0.054 x 573.5 = 30.97 Kcal / m <3>
<Total heat recovered 23.2 + 30.97 = 54.17 kcal / m <3>
[0075] The pressure losses on the fumes side due to condensation will be recovered by means of a fan, not shown in the figure.
[0076] In the case of the present invention a further condensation will be carried out through the expansion of refrigerant gas at 2 [deg.] C. produced by heating group 9 with a flue gas temperature of about 7 [deg.] C.
[0077] In this case the water content of the fumes will be 10 grams / m <3>.
[0078] Sensitive heat recovered, in addition to the one previously indicated:
(40 - 7) x 0.29 = 9.57 kcal / m <3>
[0079] Recovery latent heat added to that previously indicated:
0.09x590.5 - 53.14 Kcal / m <3>
[0080] Total heat recovered, in addition to that previously indicated:
9.57 + 53.14-62.71 Kcal / m <3>
[0081] In order to make the above stated more comprehensible, an example should be given:
The data of the manufacturer of a cogenerator having a power of 25 Kw are indicated by way of example. electric.
Electric power 25 Kw.
Thermal power 47 Kw.
Methane consumption 8.4 m <3> / h.
Input fuel power 79.5 Kw.
Electrical efficiency 31.4%
Thermal efficiency 59.1%
Total yield 90.5%
Exhaust gas temperature 120 [deg.] C.
Flue gas volume 84 Nm <3> / h.
[0082] The machine also disperses via a fan, 6.5 kw. due to the cooling of the alternator and the heat of radiation of the internal combustion engine.
[0083] This heat must be disposed of at a low temperature so that the incoming air, at the soundproofing casing of the machine, has a temperature not exceeding 40 [deg.] C.
[0084] This thermal energy can be removed from the heating unit 9.
[0085] Total heat recovered from condensation with return water at 30 [deg.] C.
54.17 Kcal / m <3> (see line 24 page 11) equal to 54.17 x 84 Nm <3> = 4550.28 Kcal / h.
4550.28 / 860 = 5.29 Kw.
[0086] Heat recovered from condensation with heat pump:
62.71 Kcal / m <3> equal to 62.71 _ x 84 Nm <3> = 5267.64 Kcal / h.
5267.64 / 860 = 6.12 Kw.
[0087] Total heat recovered:
6.5 + 5.29 + 6.12 = 17.91 Kw.
[0088] The thermal power expressed by the cogenerator thus passes from 47 Kw. at 47 + 17.91 = 64.91.
[0089] Total power expressed by the cogenerator, electric + thermal:
25 + 64.91 = 89.91
Thermal power generated by the combustion of methane 79.5 Kw.
CO.P. performance coefficient
88.91 / 79.5 = 1.131
113.1 -90.5 = 22.59%
[0090] The value slightly higher than the theoretical one is due to approximations.
[0091] This percentage value represents the increase in the total efficiency of the machine obtained through the low temperature condensation possible with the use of the heat pump.
[0092] Actually considering the CO. of the heating group of 5.3, to produce the thermal energy from condensation (excluding that produced by the condensation through the return water of the heating system) I have to spend the following electric power, produced by the cogenerator, 6.12 + 6.5 = 12.62, 12.62 / 5.3 = 2.38 Kw.
[0093] Total thermal power available to the plant.
64.6 + 2.38 = 66.98 Kw.
[0094] The electrical power is transferred to the heating water in the form of heat.