IT201600115727A1 - Metodi di impiego del calore in modo addizionale o sostitutivo alla compressione dei cicli frigoriferi e conseguente diminuzione dei consumi energetici dell'impianto. - Google Patents

Metodi di impiego del calore in modo addizionale o sostitutivo alla compressione dei cicli frigoriferi e conseguente diminuzione dei consumi energetici dell'impianto.

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Description

DESCRIZIONE
Descrizione annessa alla domanda di brevetto per invenzione industriale avente per titolo "Metodi di impiego del calore in modo addizionale o sostitutivo alla compressione dei cicli frigoriferi e conseguente diminuzione dei consumi energetici deH'impianto".
Campo tecnico deli'invenzione
L'invenzione riguarda l’utilizzo in cicli termodinamici inversi o frigoriferi di un sistema addizionale e/o sostitutivo alla compressione meccanica, il calore viene utilizzato come fonte di energia per ottenere la pressione necessaria in un fluido di lavoro, da sfruttare per la generazione di freddo tramite normale processo di espansione di un gas. 11 metodo ha come conseguenza una riduzione di lavoro del compressore esistente sia in termini di frequenza di utilizzo che in termini di lavoro richiesto, andando a generare un minor utilizzo del compressore.
Stato dell'arte e citazioni
Gli attuali cicli frigoriferi sono generalmente caratterizzati da tre fasi: 1} compressione del fluido di lavoro da gas a bassa pressione a gas ad alta pressione. 2) condensazione del gas [tutto o parte) con mantenimento dell’alta pressione. 3) laminazione ed espansione del liquido. 11 cambio di fase del fluido assorbe energia dall’ambiente di espansione sotto forma di calore, generando le calorie frigorigene desiderate.
Le diverse fasi del ciclo sono realizzate da 4 dispositivi meccanici. 11 compressore comprime il gas aumentandone la pressione. Di conseguenza si innalza anche la temperatura, ottenendo un vapore surriscaldato. Successivamente il vapore viene raffreddato in un condensatore che scambia energia termica [solitamente con l’ambiente esterno) al fine di raffreddare il vapore fino al punto di liquefazione ma mantenendo la pressione costante. Il liquido [frequentemente anche in forma di miscela liquido/vapore) viene poi fatto evaporare ed espandere attraverso una valvola di laminazione, che permette l’evaporazione e l’espansione del vapore. Questo processo è fortemente endotermico e assorbe energia termica dall’ambiente chiuso del sistema. All’uscita dell’evaporatore non c’è residuo di fluido in fase liquida e infine il ciclo riparte con una nuova compressione.
Il compressore è costituito da una parte idraulica che aspira il vapore dall’evaporatore e lo comprime distribuendolo, attraverso la mandata, al condensatore e da una parte meccanica che fornisce il lavoro meccanico necessario ad azionare la parte idraulica. Il compressore viene azionato da sistemi di controllo che tramite sensori di pressione e di temperatura, regolano il ciclo in maniera ottimale. Il compressore del ciclo richiede molta energia per compiere il suo compito. Circa il 60/65% dei consumi elettrici o energetici di un impianto frigorifero sono da imputare alla compressione del vapore. La tecnologia si è mossa in diverse direzione al fine di ottenere compressori dal funzionamento parzializzabile in grado di seguire l’effettiva richiesta di frigoria ma nonostante i progressi, la compressione resta ancora un grosso consumo di energia.
Esistono sono già sistemi che utilizzano il calore di scarto e la utilizzano in meccanismi di assorbimento o adsorbimento [DE000010002046A1). Questi sistemi non hanno né il compressore né il metodo di principio di compressione. Sul mercato questi sistemi non hanno avuto successo. Il mercato di massa per sistemi di climatizzazione, refrigerazione e condizionamento sono basati sul ciclo frigorifero a compressione. Ci sono anche sistemi che utilizzano il calore residuo e supportano il ciclo di compressione. Questi utilizzano il calore in un secondo ciclo in cui il refrigerante viene evaporato e reso disponibile alla compressione tramite un complicato meccanismo di valvole. Questo nftefodo richiede due cicli, controlli complicati e regolazioni di valvola frequenti.
Esistono anche circuiti frigoriferi noti con uso del calore nel circuito. Esempi sono casi in cui il refrigerante viene scaldato prima elettricamente della compressione (DE102007011024A1], riscaldato con il calore degli interni (DE102005005430A1], riscaldata con calore dai componenti elettronici del motore e di controllo (DE000019925744A1] o con calore residuo del motore del compressore (DE000019908043C2]. Questo viene utilizzato principalmente alle basse temperature esterne. Una riduzione del carico di compressione viene quindi difficilmente raggiunto. Una riduzione della pressione parziale è controproducente (DE000019925744A1]. Comune a tutti è il riscaldamento del refrigerante prima di entrare nel compressore. 11 compressore in questo caso ha approssimativamente lo stesso carico di lavoro, per cui il consumo di fonte primaria di un motore come unità del compressore, è difficilmente ridotta.
Descrizione delYìnvenzione
L'invenzione ha per oggetto la riduzione del lavoro dei normali sistemi di compressione dei fluido di lavoro di sistemi a ciclo termodinamico inverso che producono energia termica frigorigena. La riduzione avviene grazie all'utilizzo di calore senza compromettere in modo significativo la capacità di refrigerazione.
Lo scopo viene raggiunto connettendo almeno il compressore, le valvole di non ritorno, lo scambiatore di calore, il condensatore, la valvola di espansione, l’evaporatore, le unità di controllo, le linee frigorifere, le linee di segnale e collegando il tutto con i relativi tubi. Π compressore viene collegato allo scambiatore di calore, a sua volta collegato al condensatore, poi connesso alla valvola di espansione che regola l’ingresso del fluido nell’evaporatore, il quale poi ritorna al compressore. Il funzionamento del compressore può variabile e viene controllato da una centralina che monitora pressioni e temperature nei diversi punti e regola la portata di fluido all'evaporatore tramite accensione, intensità e periodo di utilizzo del compressore stesso.
Il calore fornito tramite lo scambiatore di calore fornisce una quantità addizionale di energia termica (che andrà smaltita dal condensatore] ma produrrà anche un aumento di pressione per dilatazione del vapore. Nel ciclo in continuo, ovvero nelle condizioni operative di impianto, l’espansione del vapore grazie alla somministrazione di calore può rimpiazzare in toto o in parte il lavoro del compressore, andando a fornire la pressione necessaria al ciclo.
E’ quindi possibile sia ottenere una maggiore potenza frigorigena oppure a parità di potenza, ridurre significativamente i consumi elettrici ed energetici della parte motrice dei sistemi di compressione.
La generazione frigorigena dipende dal salto di pressione che il liquido effettua durante il cambio di fase e l'espansione. Se tale salto viene colmato dalla dilatazione nello scambiatore di calore, al compressore rimarrà soltanto il compito di aspirare il vapore dall’evaporatore e consentire il ricircolo di vapore nella zona "vapore a bassa pressione". E' automatico che i consumi energetici di tale parte siano decisamente ridotti rispetto ad un sistema tradizionale, in quanto la maggior parte dello sforzo viene ottenuta per proprietà del vapore.
11 vantaggio del sistema non è tanto quello di aumentare il rendimento del ciclo ma piuttosto, è quello di sostituire una fonte di energia dispendiosa (energia elettrica o meccanica per l'azionamento della parte idraulica del compressore] con un tipo di sorgente magari meno efficiente ma molto meno onerosa. Il sistema si propone come ausiliario e di accoppiamento al tradizionale compressore in quanto non è in grado di garantire la movimentazione del fluido di lavoro all'interno del circuito. Può però diminuirne significativamente l'utilizzo e rendere vantaggioso l'impiego del calore. Attraverso l'integrazione dello scambiatore di calore e il suo utilizzo integrato dai sistemi di regolazione, il compressore non deve fornire l'intero carico di lavoro.
Si può inoltre introdurre un sistema di valvole di bypass con cui regolare o annun^reii^J^sso di fluido di lavoro allo scambiatore di calore. Questo potrebbe essere desiderato nel caso in cui il passaggio del vapore nello scambiatore non sia vantaggioso o non produca gli effetti desiderati a causa, per esempio, delle condizioni ambientali esterne. Contrariamente si potrebbero realizzare condizioni di sovrappressioni oltre i limiti del ciclo. In questo caso è preferibile parzializzare l'afflusso di fluido agli scambiatori per evitare di innescare eccessive pressioni e impedire la corretta espansione nell’evaporatore.
Figura 1: Schema d'impianto dell'innovazione. Sono presenti il compressore [1), una prima valvola (2) che ha lo scopo di bloccare la contropressione verso il compressore e che può essere usata come bypass, la sorgente calda [3) fonte di calore per il vapore, lo scambiatore di calore (4), la seconda valvola di bypass (5), il condensatore [6], la valvola di laminazione per l'espansione del liquido (7), l'evaporatore [8], e l'unità di controllo [9).
Figura 2: lo stesso schema d'impianto può essere applicato anche a sistemi con più di un evaporatore in serie o in parallelo come nella climatizzazione in sistemi multisplit, oppure nella refrigerazione in cold room anche a diverse temperature.
Figura 3: esempio di configurazione disgiunta in cui la sorgente calda non è direttamente a contatto con lo scambiatore di calore ma anzi può anche fungere da accumulo.
Figura 4: esempio di configurazione in cui la sorgente calda è rappresentata dal sole.
Figura 5: esempio alternativo al precedente in cui vi è anche un fluido secondario per il trasporto del calore dalla sorgente allo scambiatore.
La Figura 1 mostra lo schema generale e riassuntivo del sistema secondo le rivendicazioni 1 in quanto può essere utilizzato come modello di base in varie applicazioni, trasporti, residenziale, industriale, produttivo.
Il compressore 1 aspira il vapore del fluido refrigerante, lo comprime e lo convoglia attraverso la linea del refrigerante 10 allo scambiatore di calore 4. Lo scambiatore di calore trasferisce calore esistente da una fonte dì calore 3 al refrigerante, è necessaria quindi una differenza di temperatura sufficiente tra il refrigerante nel tubo del refrigerante dello scambiatore di calore 4 e la fonte di calore 3. Poiché il refrigerante è in un circuito chiuso (poiché limitato dalla valvola 2 a valle e dalla valvola 5 a monte) con un volume costante e non può espandersi, aumenta la sua pressione. Questo fenomeno fisico è descritto nella legge dei gas ideali: p · V = Rs<■>T
Il prodotto della pressione e volume è proporzionale alla sua temperatura. Riscaldando un gas che non può espandersi, la pressione aumenta. L'aumento della pressione è determinato in proporzione diretta dalla quantità introdotta di calore.
Attraverso l'inserimento dello scambiatore di calore 4, il compressore non dovrà più spendere l'intero lavoro di compressione 1 per portare il refrigerante alla pressione e / o temperatura di evaporazione in 7 &8. il compressore 1 lavorerà solo per aspirare il vapore refrigerante all'uscita dell’evaporatore 8, e assicurare una circolazione sufficiente di refrigerante nel circuito. Inoltre, la perdita di compressione nello scambiatore di calore 4 può essere inferiore al compressore 1 convenzionalmente alimentata, per cui il rendimento isoentropico degli aumenti di compressione complessivi e la compressione avviene con minori perdite.
Il vapore viene introdotto nel condensatore 6 con pressione variabile a seconda dei casi, Può essere uguale alla pressione di un normale ciclo con compressore o maggiore. Non può esseéè piinore poiché laddove il calore non fosse sufficiente a generare la pressione desiderata, il sistema di controllo compenserebbe facendo intervenire il compressore meccanico per il delta di pressione mancante.
Il refrigerante liquido viene introdotto attraverso la valvola di espansione 7 all'evaporatore 8, dove evapora. Il calore di vaporizzazione viene estratto dall'ambiente in forma di aria e / o liquidi. Le temperature delfaria e / o liquidi viene abbassata e ciò è percepito come un effetto di raffreddamento.
Più bassa è la temperatura del refrigerante quando entra nell'evaporatore 8, maggiore è la percentuale utilizzabile di refrigerante liquido, o minore della porzione flash gas non utilizzabile. Il flash gas nei refrigeranti è la porzione di vapore già presente quando entrano nella valvola di laminazione 7 e perciò non più disponibile all'evaporatore per la refrigerazione. Tanto più efficiente è il condizionatore, tanto minore è la porzione di flash gas.
Il compressore 1 può essere di molti tipi: possono avere parte idraulica e parte motrice separate ma connesse da un organo di trasmissione di moto oppure essere coassiali. Possono essere presenti anche più di un compressore per azionamenti parziali oppure avere diversi stadi di compressione con parti idrauliche per la bassa pressione e successive per l'alta pressione. Esistono anche compressori con tecnologia cosidetta ad inverter che possono parzializzare il loro funzionamento da un 20% del carico nominale al 100% per adattare il profilo di funzionamento alle necessità.
L'uso del compressore 1 è controllato dall'unità di controllo 9 su algoritmi di controllo e misura delle pressioni del circuito di raffreddamento e / o temperature. Per iniziare il processo, il compressore 1 innalza la pressione fino al valore richiesti per le pressioni di condizionamento desiderato e / o si raggiungono temperature di processo. Il ciclo parte e il fluido frigorigeno inizia a circolare nel circuito. Ad una nuova domanda di refrigerazione, l'unità di controllo 9 comanderà alia valvola di laminazione 7 di lasciare passare il liquido nell'evaporatore 8 e la pressione a monte di 7 inizierà a scendere. Se lo scambiatore 4 è in grado di generare da solo la pressione desiderata, i sensori all’ingresso del condensatore 6, della valvola 7 e dell’evaporatore 8 non richiederanno all’unità di controllo 9 un nuovo intervento del compressore 1. Le temperature del fluido risultano pressoché invariate, poiché nel processo continuo il vapore che entra nello scambiatore 4, transita per un tempo tale da innalzare la sua pressione e la sua temperatura ma transitare subito al condensatore 6 per la liquefazione e non c'è tempo per la generazione di sovrappressione. Lo scambiatore di calore 4 funziona sempre più da compressore. La valvola di laminazione 7 ha continue regolazioni con molteplici posizioni intermedie tra il tutto chiuso e il tutto aperto. Questo significa che negli impianti moderni c'è sempre un trafilaggio quasi costante di liquido refrigerante al fine di avere un minimo effetto refrigerante costante, a copertura delle perdite di isolamento della camera da raffreddare ove è posto l’evaporatore 8. Questo continuo passaggio normalizza le pressioni e consente un funzionamento ottimale dello scambiatore di calore 4 come facente funzione del compressore.
Lo scambiatore di calore 4 deve essere in grado di trasferire una quantità di calore sufficiente Può essere collegato o esposto direttamente alla fonte di calore 3 con una superficie di scambio. In alternativa può o essere collegato alla fonte di calore 3 attraverso sistemi di trasporto calore anche utilizzando un secondo fluido vettore. Lo scambiatore di calore 4 può essere progettato come uno scambiatore di calore a piastre, termico coassiale, linea portante o altro supporto adeguato per il trasferimento di calore. Tutti i disegni hanno in comune che il fluido di lavoro refrigerante vengano sottoposti ad un aumento di calore al fine di generare un aumento di pressione. La temperatura del fluido e la quantità di calore trasferito dalla fonte di calore 3 sono variabili e dipendono da caso a caso e dalle caratteristiche termodinamiche del fluido, dello scambiatore 4 e della sorgente di calore 3.
Le fonti di calore 3 possono essere molteplici come per esempio motori a combustione, generatori, riscaldamento, centrali elettriche, processi chimici, recupero termico o in modo più generale, qualsiasi sorgente che abbia riesca a trasferire calore al fluido di lavoro.
Le valvole di regolazione 2 e 5 sono necessarie per due motivi. La 2 ha una doppia funzione, ovvero di impedire il ritorno di pressione generato dallo scambiatore di calore 4 al compressore e di poter escludere il circuito dello scambiatore di calore 4, qualora le condizioni non siano favorevoli.
La valvola 5 segue a ruota le impostazioni della valvola 2, seguendo le istruzioni aperto o chiuso date dall'unità di controllo 9.
Se le condizioni della sorgente calda 3 non sono termodinamicamente favorevoli, l'unità di controllo 9 comanda la chiusura del bypass e lo scambiatore di calore 4 è escluso dal ciclo.

Claims (10)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Ciclo termodinamico frigorifero con utilizzo di un fluido di lavoro da comprimere in cui almeno i seguenti componenti: il compressore (1), lo scambiatore di calore (4), il condensatore (6), valvola di espansione (7), evaporatore (8), linee di refrigerante (10), sistemi di sensoristica (11) e siano collegati tra loro in un circuito frigorifero, in cui i tubi del fluido refrigerante (10) colleghino il compressore (1) con lo scambiatore di calore (4), lo scambiatore di calore (4) al condensatore (6), il condensatore (6) alla valvola di espansione (7) e all'evaporatore (8), in cui il compressore è utilizzato con potenza di compressione variabile e controllata collegando ad una unità di controllo (9), oppure a sensori di temperatura e / o pressione. Lo scambiatore di calore riceve energia termica da una qualsiasi fonte di calore e la trasferisce al fluido di lavoro in stato di vapore o gas, il quale innalza la sua pressione e la sua temperatura. L'effetto di pressione è utilizzato al fine di generare la necessaria condizione per la generazione del freddo ma sostituendo in parte o in toto il lavoro del compressore.
  2. 2. Ciclo termodinamico frigorifero secondo le caratteristiche della rivendicazione 1, in cui il compressore (1) con una capacità di lavoro variabile è collegato all'unità di controllo (9) per il controllo della capacità di compressione.
  3. 3. Ciclo termodinamico frigorifero secondo le caratteristiche della rivendicazione 1, in cui la sorgente di calore (3) è un motore a combustione interna
  4. 4. Ciclo termodinamico frigorifero secondo le caratteristiche della rivendicazione 1, in cui la sorgente di calore (3) è un sistema per il riscaldamento
  5. 5. Ciclo termodinamico frigorifero secondo le caratteristiche della rivendicazione 1, in cui la sorgente di calore (3) è il sole o un qualsiasi sistema per immagazzinare e utilizzare il calore solare.
  6. 6. Ciclo termodinamico frigorifero secondo le caratteristiche della rivendicazione 1, in cui rimpianto per generare calore è una centrale termoelettrica.
  7. 7. Ciclo termodinamico frigorifero secondo le caratteristiche della rivendicazione 1, in cui la sorgente di calore (3) è parte di un sistema chimico che genera calore.
  8. 8. Ciclo termodinamico frigorifero secondo le caratteristiche della rivendicazione 1 in cui sia presente un sistema di bypass o di parzializzazione della quantità di fluido frigorigeno che possa transitare attraverso lo scambiatore di calore (4) e gestito dall'unità di controllo (9) attraverso i dati registrati dai sensori dell'impianto.
  9. 9. Ciclo termodinamico frigorifero secondo le caratteristiche della rivendicazione 1 in cui l'effetto frigorigeno sia ottenuto da molteplici evaporatori operanti anche a regime diverso tra loro e gestito dall'unità di controllo (9)
  10. 10. Ciclo termodinamico frigorifero secondo le caratteristiche della rivendicazione 1 in cui la compressione possa essere effettuata da uno o più compressori, anche eventualmente a regime variabile o da compressori in serie o parallelo con funzionamento in linea, a gradini crescenti di pressione, ad effetto multiplo o scalare.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2011048594A2 (en) * 2009-10-21 2011-04-28 Dzsolar Ltd Temperature control system
GB2538092A (en) * 2015-05-07 2016-11-09 Turner David Heat exchanger assisted - refrigeration, cooling and heating

Patent Citations (2)

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