IT201700015098A1 - Apparato e metodo di potabilizzazione di acqua - Google Patents

Apparato e metodo di potabilizzazione di acqua

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IT201700015098A1
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Smart Aquae S R L
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Description

"APPARATO E METODO DI POTABILIZZAZIONE DI ACQUA"
CAMPO DI APPLICAZIONE
Il presente trovato si riferisce ad un apparato e ad un metodo di potabilizzazione di acqua, in particolare ad un apparato e ad un metodo per depurare acqua salina, acqua reflua, od altro tipo di acqua inquinata, anche proveniente da scarichi fognari, o comunque non potabile, eliminando inquinanti, sporcizia, od altro, rendendola potabile.
Il presente trovato si riferisce, in particolare ma non limitatamente, ad un apparato di potabilizzazione di acqua nel quale siano previsti almeno un generatore di calore primario, inteso come sorgente o fonte di energia tradizionale, quale una pompa di calore, una caldaia o simili, quindi in grado di erogare un’energia fissa, ed almeno un generatore di calore secondario, inteso come sorgente o fonte di energia di tipo discontinuo, quale ad esempio sorgenti eoliche o solari, costituite, ad esempio, da pannelli fotovoltaici, collettori solari, gruppi elettrogeni o simili.
STATO DELLA TECNICA
Sono noti impianti e apparati per la depurazione e la desalinizzazione di acqua per ottenere acqua potabile, ad esempio sono noti apparati di depurazione che possono essere classificati nelle seguenti tipologie: - a scambio ionico, che tuttavia devono essere frequentemente puliti e non risultano efficienti nel caso di concentrazioni saline elevate,
- ad elettrodialisi, i quali tuttavia sono molto costosi in quanto richiedono un’elevata quantità di energia,
- ad osmosi inversa, che tuttavia presentano costi elevati dovuti sia al costo delle membrane, sia all’elevato costo di smaltimento come rifiuti speciali delle stesse oltre al costo dell’energia elettrica necessaria all’esercizio. Dal documento WO-A-201 3/107469, ad esempio, è noto un apparato di desalinizzazione con distillazione per depurare l’acqua salata eliminando i solidi disciolti in essa e rendendola potabile. Tale apparato comprende un’area “calda”, in cui avviene l’evaporazione dell’acqua contenuta in un involucro e la generazione di vapore acqueo, e un’area “fredda” in cui avviene la condensazione del vapore acqueo.
Tale apparato quindi, sostanzialmente, sfrutta un’umidificazione satura d’aria in un’area calda, condensa l’umidità contenuta nelTaria in un’area fredda e ricava un’acqua priva di sali o altri elementi che possono risultare incompatibili con i requisiti di idoneità per il consumo umano. Tale apparato, tuttavia, può risultare complesso e complicato, limitato nella produzione per i limiti delle temperature imposte al generatore di calore primario e dei flussi d’aria esercibili. Inoltre tale apparato si rivela di non facile gestione, appunto per la sua complessità.
Un ulteriore limite di tale apparato e degli apparati noti in genere, è l’impossibilità di operare in modo efficiente con più sorgenti o generatori di energia, sinergiche tra loro e per definizione discontinue, quali ad esempio fonti di energia solare, eolica o altre, che sono atte a erogare energie elettriche e/o termiche, in genere disponibili in un comprensorio di tipo civile, in abbinamento a fonti o sorgenti energetiche di tipo tradizionale, ad esempio pompe di calore, caldaie a gas o simili.
Gli apparati e impianti noti di potabilizzazione di acque, risultano quindi sostanzialmente incompatibili se si desidera utilizzare una sorgente di calore di natura tradizionale, quale una pompa di calore, una caldaia o simili, combinata ad una sorgente di calore di tipo discontinuo, quale ad esempio una sorgente di calore a energia solare, eolica o simili, ad esempio pannelli fotovoltaici, collettori solari o simili.
Altre limitazioni e svantaggi di soluzioni e tecnologie convenzionali saranno chiare ad una persona esperta del ramo a seguito della lettura della rimanente parte della presente descrizione con riferimento ai disegni ed alla descrizione delle forme di realizzazione che seguono, sebbene si intenda che la descrizione dello stato della tecnica correlato alla presente descrizione non debba essere considerata un’ammissione che quanto qui descritto sia già noto dallo stato della tecnica anteriore. Esiste pertanto la necessità di perfezionare un apparato ed un metodo di potabilizzazione di acqua che possano superare almeno uno degli inconvenienti della tecnica nota, ottenendo una maggiore efficienza di potabilizzazione rispetto alle soluzioni della tecnica nota e che possa essere utilizzato sia in ambito domestico che a livello industriale.
Uno scopo del presente trovato è pertanto realizzare un apparato di potabilizzazione di acqua che possa operare con almeno due sorgenti di energia, in modo sinergico e così da ottenere una generazione di calore efficiente ed una temperatura ottimale di riscaldamento dell’acqua da trattare per ottenere acqua potabilizzata.
Un ulteriore scopo del presente trovato è quello di realizzare un apparato di potabilizzazione di acqua che, vantaggiosamente, possa operare con uno o più generatori o sorgenti di energia, sinergiche tra loro e anche discontinue o variabili, quali ad esempio quelle solari, eoliche o altre, atte a erogare energie termiche e/o elettriche, in genere disponibili in un comprensorio di tipo civile, in abbinamento a generatori o fonti di energia tradizionale, quali pompe di calore, caldaie o simili.
Un ulteriore scopo del presente trovato è quello di realizzare un apparato di potabilizzazione di acqua che quindi sia in grado in maniera efficiente di combinare sorgenti o generatori di energia fissa, quale almeno un generatore di calore primario di tipo tradizionale, con almeno un generatore di calore secondario a energia discontinua o variabile, quali appunto una fonte di energia cosiddetta rinnovabile, in modo da assorbire e sfruttare in modo efficace sia il calore generato dalla sorgente tradizionale a energia fissa, sia quello generato dalla sorgente a energia variabile.
Un ulteriore scopo del presente trovato, inoltre, è quello di realizzare un apparato di potabilizzazione di acqua che consenta un sensibile aumento della temperatura delfaria umida ottenuta nell’area “calda”, con conseguente aumento di vapore contenuto nello stesso volume d’aria, maggiore energia termica assorbita, e quindi, in definitiva, maggiore e più efficiente produzione di acqua potabile.
Un ulteriore scopo del trovato è mettere a punto un efficace metodo di potabilizzazione di acqua.
Per ovviare agli inconvenienti della tecnica nota e per ottenere questi ed ulteriori scopi e vantaggi, la Richiedente ha studiato, sperimentato e realizzato il presente trovato.
ESPOSIZIONE DEL TROVATO
Il presente trovato è espresso e caratterizzato nelle rivendicazioni indipendenti. Le rivendicazioni dipendenti espongono altre caratteristiche del presente trovato o varianti dell’idea di soluzione principale.
In accordo con i suddetti scopi, un apparato di potabilizzazione di acqua secondo il trovato, comprende almeno una vasca di acqua da potabilizzare, riscaldata mediante un fluido che scorre in almeno un circuito di riscaldamento, ed almeno un’unità di condensazione, configurata per ricevere aria umida in uscita da tale vasca e per produrre acqua potabilizzata.
Secondo un aspetto caratteristico del trovato, Tapparato comprende almeno un dispositivo miscelatore associato al circuito di riscaldamento dell’acqua da potabilizzare, ad almeno un generatore di calore primario e ad almeno un generatore di calore secondario, comprendente un circuito dove fluisce il fluido di riscaldamento; tale dispositivo miscelatore è configurato per trasferire e regolare il calore messo a disposizione da tali generatori di calore primario e secondario, mantenendo la temperatura del fluido nel circuito del generatore di calore secondario ad un valore ottimale.
In questo modo, vantaggiosamente, è possibile ottenere un’ottimale temperatura del fluido di riscaldamento che fluisce nel circuito di riscaldamento dell’acqua da trattare e, allo stesso tempo, ottimizzare i consumi di energia dell’apparato.
Il dispositivo miscelatore può comprendere almeno un contenitore a cui sono associati condotti di mandata e ritorno del fluido da tali generatori di calore primario e secondario e da tale circuito di riscaldamento.
Tali condotti possono venire associati al contenitore da una parte superiore ad una parte inferiore dello stesso sulla base della temperatura del fluido in tali condotti: i condotti con il fluido a temperature maggiori sono posizionati nella parte superiore del contenitore e i condotti con il fluido a temperature minori sono posizionati nella parte bassa del contenitore.
Il generatore di calore secondario può essere associato ad almeno una fonte energetica rinnovabile, quale energia solare, motori a combustione interna, eolica o simile.
In forme di realizzazione, il generatore di calore primario può essere una pompa di calore.
La pompa di calore può comprendere un condotto di mandata del fluido al dispositivo miscelatore associato ad una zona intermedia di tale contenitore.
In forme di realizzazione, il generatore di calore primario può essere una caldaia a gas.
La caldaia a gas può comprendere un condotto di mandata del fluido al dispositivo miscelatore associato alla parte superiore del contenitore del dispositivo miscelatore.
Un ulteriore oggetto del trovato è un metodo di potabilizzazione di acqua contenuta in una vasca, che prevede di: riscaldare l’acqua da trattare in tale vasca mediante un fluido di riscaldamento che scorre in almeno un circuito di riscaldamento, associato ad almeno un generatore di calore primario e ad almeno un generatore di calore secondario, comprendente un circuito dove fluisce il fluido di riscaldamento; introdurre il fluido di riscaldamento in almeno un dispositivo miscelatore associato a tali generatori di calore primario e secondario e al circuito di riscaldamento, in modo da mantenerne la temperatura ad un valore ottimale in tale circuito del generatore di calore secondario; produrre aria umida in tale vasca e trasferirla verso un’unità di condensazione.
Secondo un ulteriore aspetto del trovato, la regolazione della portata di fluido di riscaldamento al circuito di riscaldamento viene effettuata regolando la portata di fluido al generatore di calore secondario.
Questi ed altri aspetti, caratteristiche e vantaggi della presente divulgazione saranno meglio compresi con riferimento alla seguente descrizione, alle tavole di disegno e alle annesse rivendicazioni. Le tavole di disegno, che sono integrate e facenti parte della presente descrizione, illustrano alcune forme di realizzazione del presente oggetto e, unitamente alla descrizione, si propongono di descrivere i principi della divulgazione. I vari aspetti e caratteristiche descritte nella presente descrizione possono essere applicati individualmente, dove possibile. Questi aspetti individuali, ad esempio aspetti e caratteristiche presenti nella descrizione oppure nelle rivendicazioni dipendenti allegate, possono essere oggetto di domande divisionali.
Si fa notare che qualsiasi aspetto o caratteristica che si trovi essere già nota durante la procedura di brevettazione si intende non essere rivendicata ed essere l’oggetto di un disclaimer.
ILLUSTRAZIONE DEI DISEGNI
Queste ed altre caratteristiche del presente trovato appariranno chiare dalla seguente descrizione di forme di realizzazione, fomite a titolo esemplificativo, non limitativo, con riferimento agli annessi disegni in cui: - la fig. 1 è un vista schematica di un apparato di potabilizzazione di acqua secondo una prima forma esecutiva del trovato;
- la fig. 2 è una vista schematica di un apparato di potabilizzazione di acqua secondo un’ulteriore forma esecutiva del trovato;
- la fig. 3 è una vista schematica ed in elevazione laterale di un dispositivo miscelatore provvisto di un contenitore;
- la fig. 4 è una vista assonometrica di un circuito di riscaldamento dell’acqua da trattare provvisto di un diffusore;
- la fig. 5 è una vista dal basso del diffusore di fig. 4;
- la fig. 6 è una vista in assonometria e dal basso del diffusore di fig. 5. Per facilitare la comprensione, numeri di riferimento identici sono stati utilizzati, ove possibile, per identificare elementi comuni identici nelle figure. Va inteso che elementi e caratteristiche di una forma di realizzazione possono essere convenientemente incorporati in altre forme di realizzazione senza ulteriori precisazioni.
DESCRIZIONE DI FORME DI REALIZZAZIONE
Si farà ora riferimento nel dettaglio alle varie forme di realizzazione del trovato, delle quali uno o più esempi sono illustrati nelle figure allegate. Ciascun esempio è fornito a titolo di illustrazione del trovato e non è inteso come una limitazione dello stesso. Ad esempio, le caratteristiche illustrate o descritte in quanto facenti parte di una forma di realizzazione potranno essere adottate su, o in associazione con, altre forme di realizzazione per produrre un’ulteriore forma di realizzazione. Resta inteso che il presente trovato sarà comprensivo di tali modifiche e varianti.
Prima di descrivere le forme di realizzazione, si chiarisce, inoltre, che la presente descrizione non è limitata nella sua applicazione ai dettagli costruttivi e di disposizione dei componenti come descritti nella seguente descrizione utilizzando le figure allegate. La presente descrizione può prevedere altre forme di realizzazione ed essere realizzata o messa in pratica in altri svariati modi. Inoltre, si chiarisce che la fraseologia e terminologia qui utilizzata è a fini descrittivi e non deve essere considerata come limitante.
Un apparato 10 o 11 di potabilizzazione di acqua secondo il trovato, si vedano fig. 1 o fig. 2, può essere utilizzato per trattare acqua salina, acqua reflua, od altro tipo di acqua inquinata, ad esempio anche proveniente da scarichi fognari, o comunque non potabile, eliminando inquinanti, sporcizia, od altro, rendendola potabile.
Come detto precedentemente, elementi comuni ad entrambe le varianti esecutive dell’apparato 10 o 11 sono indicati con gli stessi riferimenti numerici nelle figure 1 e 2.
Considerando ad esempio l’apparato 10 di potabilizzazione di acqua di fig. 1, tale apparato 10 prevede una vasca 12 di contenimento e/o accumulo dell’acqua A da potabilizzare, che può essere chiusa a tenuta stagna durante l’uso. La vasca 12 rappresenta sostanzialmente una sezione “calda” dell’apparato.
L’ acqua accumulata nella vasca 12 può contenere ad esempio sale, inquinanti, carica batterica o residui solidi, che la rendono non potabile e non adatta all’utilizzo da parte di un utente.
La vasca 12 comprende una parte inferiore 12a configurata per contenere l’acqua da potabilizzare per una determinata porzione verticale, e una parte superiore 12b, configurata per definire una camera di accumulo dell’ aria umida sufficientemente ampia.
La vasca 12 comprende almeno un condotto 13 di ingresso dell’acqua da potabilizzare, che può prelevare acqua direttamente dal mare, oppure può essere collegato ad un pozzetto 14 di prelievo, ad esempio mediante una pompa a immersione 15, per prelevare acqua da una falda.
Il condotto 13 di ingresso dell’acqua da potabilizzare può non necessitare di filtri durante il prelievo, in quanto eventuali residui solidi decantano sul fondo della vasca 12 e possono essere rimossi durante le operazioni di svuotamento programmate.
La vasca 12 può comprendere, inoltre, un condotto 17 di uscita dell’acqua verso una vasca di scarico, o di diluizione, ad esempio per diminuire la concentrazione dei sali dall’acqua prima di riversarla in mare o in una falda, ad esempio per eseguire le manutenzioni periodiche. Potranno essere previste valvole per aprire/chiudere rispettivamente il condotto 13 di ingresso e/o il condotto 17 di uscita dell’acqua dalla vasca 12.
La vasca 12 comprende, inoltre, mezzi di insufflazione di aria calda configurati per saturarsi d’umidità dall’acqua presente nella vasca 12.
La vasca 12 comprende un ingresso 21 di aria calda, che può essere associato ai mezzi di insufflazione, posizionato in corrispondenza della parte inferiore 12a della vasca 12.
L’ingresso 21 di aria calda può essere ad esempio un’apertura, o un condotto di passaggio per aria calda.
L’ingresso 21 di aria calda può essere posizionato, ad esempio, sotto un livello minimo dell’acqua A da potabilizzare presente, durante il normale funzionamento dell’apparato 10, nella vasca 12.
L’ingresso 21 di aria calda può essere ad esempio posizionato a circa metà dell’estensione verticale della parte inferiore 12a.
La vasca 12 comprende, inoltre, un condotto 19 di uscita dell’ aria umida, che può essere posizionato nella parte superiore 12b della vasca 12 per permettere la fuoriuscita dell’aria umida.
L’apparato 10 comprende, inoltre, un’unità di condensazione 16, posta in cooperazione fluida con la vasca 12, ad esempio mediante il citato condotto 19 di uscita dell’aria umida. L’unità di condensazione 16 rappresenta una sezione “fredda” dell’apparato.
L’unità di condensazione 16 comprende una sezione di scambio e recupero calore 18 e una sezione di condensazione 20, configurate per raffreddare e condensare progressivamente l’umidità dell’aria proveniente dalla vasca 12.
Secondo una soluzione realizzativa, la sezione di scambio e recupero calore 18 e la sezione di condensazione 20 possono essere scambiatori di calore del tipo aria-aria, nei quali l’aria umida proveniente dalla vasca 12 può fluire in condotti separati con l’aria ambiente prelevata dall’esterno dell’unità di condensazione 16.
L’aria umida proveniente dalla vasca 12 può essere quindi fatta transitare attraverso la sezione di scambio e recupero calore 18, raffreddandosi parzialmente e cedendo calore all’aria che scorre su un condotto attiguo di scambio di calore.
Successivamente, l’aria umida parzialmente raffreddata attraversa la sezione di condensazione 20 nella quale cede calore all’aria prelevata dall’ esterno, cedendo condensa. Il vapore acqueo condensato precipita verso il fondo della sezione di condensazione 20.
Nell’apparato può essere previsto, inoltre, un serbatoio 22 di raccolta condensa, che raccoglie l’acqua depurata B in uscita da almeno un condotto 23 posto a valle della sezione di condensazione 20.
Inoltre, in uscita all’unità di condensazione 16, è previsto un condotto 24 di uscita dell’aria riscaldata associato alla sezione di scambio e recupero calore 18.
II condotto 24 dell’aria riscaldata può essere collegato all’ingresso 21 di aria calda per permettere il fluire dell’aria riscaldata dall’unità di condensazione 16 alla vasca 12.
L’aria con ridotta umidità assoluta in uscita dalla sezione di condensazione 20 potrebbe essere fatta circolare forzatamente nuovamente nella sezione di scambio e recupero calore 18, nella quale viene nuovamente riscaldata prima di essere fatta uscire attraverso il suddetto condotto 24 dell’ aria riscaldata.
L’unità di condensazione 16 è configurata per utilizzare il calore del cambiamento di fase (vapore - acqua) per riscaldare l’aria verso il condotto 24 deH’aria riscaldata, prima di immetterla nella vasca 12 attraverso l’ingresso 21 di aria calda.
In accordo con forme di realizzazione, è previsto un gruppo di movimentazione aria 25 disposto lungo il condotto 24 deH’aria riscaldata, quale una ventola, oppure una pompa di aspirazione aria.
Tale gruppo di movimentazione aria 25 è configurato per movimentare, ad esempio aspirandola, l’aria riscaldata dalla sezione di scambio e recupero calore 18 ed immetterla con una voluta pressione nella vasca 12, attraverso l’ingresso 21.
Quando il gruppo di movimentazione aria 25 è fermo, le sostanze volatili per l’innalzamento della temperatura hanno modo di uscire dalla vasca 12, il che evita la loro diffusione nell’acqua di condensa.
L’aria riscaldata nella sezione di scambio e recupero calore 18 viene inviata nella vasca 12 sotto il livello del battente liquido dell’acqua A da potabilizzare, in modo da diffondersi in uno o più punti sotto al livello del battente liquido, portando con sé vapore acqueo che tende a saturare la parte superiore della vasca.
A valle del condotto 24 dell’aria riscaldata, può essere previsto un diffusore 32, disposto all’ interno della vasca 12 e associato all’ingresso 21 di aria calda.
Tal diffusore 32 è configurato per convogliare Taria in modo uniforme su tutta la superficie dell’acqua, in modo tale da prevenire nebulizzazioni e quindi trasporto d’acqua con i suoi contenuti nell’aria umida e quindi nell’unità di condensazione 16.
Il diffusore 32, schematicamente illustrato in fig. 1 e fig. 2 e descritto in seguito più in dettaglio, può essere interposto tra due dispositivi di scambio termico 28 e 29 di un circuito di riscaldamento 27 dell’acqua A. Il dispositivo di scambio termico 28 superiore può essere disposto in prossimità del livello del battente liquido dell’acqua A.
Il dispositivo di scambio termico 29 inferiore può essere disposto in prossimità del fondo della vasca 12.
Il circuito di riscaldamento 27 è provvisto di un condotto 26 di alimentazione o mandata del fluido di riscaldamento e di un condotto 30 di ritorno del fluido di riscaldamento.
I condotti 26 e 30 di alimentazione e ritorno del fluido di riscaldamento sono collegati ad un dispositivo miscelatore 31 comprendente almeno un contenitore 33.
II condotto 26 di alimentazione del fluido di riscaldamento è collegato preferibilmente in una zona superiore 34 del contenitore 33, dove il fluido di riscaldamento contenuto ha la temperatura più elevata.
II condotto 30 di ritorno del fluido di riscaldamento dal circuito di riscaldamento 27 giunge preferibilmente in una zona inferiore 35 del contenitore 33, dove il fluido è alla temperatura più bassa.
Il fluido di riscaldamento viene fatto circolare in detto contenitore 33 e quindi nel circuito di riscaldamento 27 mediante mezzi di ricircolo opportuni, quali una pompa 40 o simili.
In generale, i condotti che sono collegati al contenitore 33, siano essi di mandata, o di ritorno, del fluido di riscaldamento a, e da, tale contenitore 33, vengono preferibilmente disposti dall’alto verso il basso in funzione delle temperature alle quali si trova il fluido in tali condotti. Quindi, se un primo condotto è collegato al contenitore 33 ad una quota maggiore rispetto ad un secondo condotto, significa che la temperatura del fluido nel primo condotto è maggiore della temperatura del fluido nel secondo condotto.
Il dispositivo miscelatore 31 è in particolare un dispositivo passivo e configurato per trasferire, sostanzialmente in modo continuo, tutto il calore disponibile al fluido di riscaldamento che percorre il circuito di riscaldamento 27, essendo tale calore fornito in particolare da almeno due sorgenti o generatori energetici distinti: un generatore di calore primario, ad esempio un generatore tradizionale ad energia fissa, individuato nell’esempio di fig. 1 con una pompa di calore 45, ed un generatore di calore secondario 37, si veda anche fig. 2, ad esempio un generatore a energia variabile o discontinua, quindi pannelli fotovoltaici, collettori solari, fonti eoliche, gruppi elettrogeni o simili.
Il dispositivo miscelatore 31 e i generatori di calore primario e secondario 37 sono quindi parte del circuito di riscaldamento 27.
Il fluido che circola nel generatore di calore secondario 37 è inviato al contenitore 33 del dispositivo miscelatore 31 mediante un primo condotto 38 e toma al generatore di calore secondario 37 mediante un ulteriore condotto 39.
Tali condotti 38 e 39 definiscono pertanto un circuito del generatore di calore secondario 37 nel quale fluisce il fluido di riscaldamento.
Preferibilmente il condotto 38 di invio del fluido dal generatore di calore secondario 37 al contenitore 33 viene posto nella zona superiore 34 del contenitore 33.
II condotto 39 di ritorno del fluido al generatore di calore secondario 37 è collegato preferibilmente alla zona inferiore 35 del contenitore 33. Il fluido viene fatto circolare tra il generatore di calore secondario 37 e il contenitore 33 mediante opportuni mezzi di ricircolo, ad esempio una pompa 41 o simili.
Anche la pompa di calore 45 è provvista di un proprio circuito dove fluisce il fluido di riscaldamento, il quale, dopo miscelazione opportuna nel contenitore 33 del dispositivo miscelatore 31, verrà inviato al circuito di riscaldamento 27.
Il fluido riscaldato dalla pompa di calore 45 viene introdotto nel contenitore 33 attraverso un condotto 46.
Preferibilmente tale condotto 46 è posto in prossimità di una zona intermedia tra la zona superiore 34 e la zona inferiore 35 del contenitore 33, poiché, generalmente, le temperature di lavoro di una pompa di calore sono inferiori a quelle ottenibili mediante il generatore di calore secondario 37, ad esempio una schiera di pannelli fotovoltaici, provvisti di raffreddamento, o da collettori solari.
Il fluido viene poi ritornato alla pompa di calore 45 attraverso un ulteriore condotto 47 di ritorno.
Preferibilmente tale condotto 47 è posto in prossimità della zona inferiore 35 del contenitore 33.
Il fluido di riscaldamento viene fatto circolare tra la pompa di calore 45 e il contenitore 33 del dispositivo miscelatore 31 mediante opportuni mezzi di ricircolo, quali una pompa 48 o simili.
Al dispositivo miscelatore 31 quindi, sostanzialmente, sono collegati fluidicamente il generatore di calore secondario 37, il generatore di calore primario, quindi in questo esempio la pompa di calore 45, e il circuito di riscaldamento 27 dell’acqua A da trattare.
Tale dispositivo miscelatore 31 consente quindi di ottenere una temperatura ottimale del liquido di riscaldamento nel condotto 26 di ingresso al circuito di riscaldamento 27 e nello stesso tempo di aumentare la produttività della pompa di calore 45.
Il dispositivo miscelatore 31, ed in particolare il contenitore 33, è dimensionato sulla base della potenza del generatore di calore primario, in questo caso la pompa di calore 45.
Sulla base della potenza nominale della pompa di calore 45 viene dimensionata la portata della relativa pompa 48 di circolazione per ottenere un salto termico ottimale, consono alle caratteristiche dello scambiatore di condensazione del gas criogenico della pompa stessa. Ad esempio, per una pompa di calore capace di erogare una potenza pari a 3 kW termici nel suo range di funzionamento in temperatura, un salto termico di circa 5°C è ottimale per il suo funzionamento, si ottiene così un dimensionamento della pompa 48 di circolazione per circa 8 litri/minuto di portata di fluido di riscaldamento.
Il volume del contenitore 33 di miscelazione, schematizzato anche in fig. 3, dovrà essere tale da garantire i necessari tempi di pausa, previo riavvio del compressore del gas, della pompa di calore 45: questo richiede, di norma, un margine di alcuni minuti, il che significa un volume di circa 4 o 5 volte la portata al minuto della pompa di calore può essere sufficiente al suddetto scopo.
Nel caso di un contenitore 33 cilindrico, si può ipotizzare che il diametro D del contenitore sia almeno la metà dell’altezza H del contenitore, in modo da soddisfare il suddetto requisito volumetrico. In particolare il diametro D, dimensionato in funzione della portata del dispositivo principale (ad esempio in funzione della portata Pp di fluido della pompa di calore 45), può essere ricavato in funzione della seguente formula:
dove con N si intende il tempo di latenza della pompa di calore 45. La pompa 40 di circolazione del fluido di riscaldamento dell’acqua da trattare viene attivata quando la temperatura del fluido di riscaldamento nel condotto 26 di mandata raggiunge il valore desiderato, ad esempio circa 60°C, che è una temperatura ottimale per il regime della pompa di calore 45 dell’esempio sopra.
La pompa di calore 45, ovvero nel caso di esempio il generatore di calore primario, ha una portata fissata sulla condizione ottimale di lavoro della pompa di calore 45, mentre la portata di fluido nel circuito di riscaldamento 27, pompa 40, viene calcolata ed impostata ad un valore somma in funzione del livello energetico della pompa di calore 45 e della portata massima assegnata al generatore di calore secondario 37 in relazione alla potenza installata. Questo permette, vantaggiosamente, che le temperature a regime dei fluidi alle pompe 40, 41, 48, quindi nei condotti di ritorno, si mantengano intorno a livelli designati, ad esempio circa 55°C, dato il controllo dell’assorbimento di calore nella sezione calda dell’apparato, e quindi nella vasca 12.
Sostanzialmente, quindi, secondo l’esempio sopra riportato, si ha una temperatura di mandata del fluido di riscaldamento nel condotto 26 del circuito di riscaldamento 27 di circa 60°C e una temperatura di ritorno dal condotto 30 di circa 55°C.
La pompa 41 del generatore di calore secondario 37, supponiamo a titolo esemplificativo e non limitativo una schiera di pannelli solari, viene attivata quando la temperatura del fluido nel condotto 38 supera la temperatura del fluido nel condotto 26: come detto, siccome la temperatura del fluido nel condotto 38 può essere maggiore alla temperatura del condotto 46 della pompa di calore, il suo ingresso è sulla zona superiore 34 del contenitore 33, mentre l’ingresso del condotto 46 è in una zona intermedia più bassa del contenitore 33.
La portata di fluido della pompa 41 del generatore di calore secondario 37 è preferibilmente regolata in modo da ottenere sempre una temperatura del fluido nel condotto 38 maggiore della temperatura del fluido nel condotto 26, in tal modo si ottiene tutta la potenza disponibile del generatore di calore secondario 37, in particolare un apparato solare formato ad esempio da più pannelli solari, mentre la temperatura del fluido nel condotto 26 di mandata rimane sempre in un regime di temperatura che garantisce efficienza dell’apparato solare, qualora sia composto da pannelli fotovoltaici con circuito di raffreddamento.
A titolo esemplificativo e non limitativo, per una schiera di pannelli fotovoltaici di 10m , da un irraggiamento di 400 W/m (insolazione nella fascia tropicale con una velatura nuvolosa), si può ottenere una potenza termica di circa 2,4 kW che, con una portata di circa 3,5 l/min sviluppa un salto termico di circa 10°C. Questo permette di disporre, come detto sopra, di una temperatura del fluido di riscaldamento sul condotto 26 di circa 60°C e di una temperatura del fluido sul condotto 30 di ritorno di circa 55°C, che sono temperature ottimali sia per la pompa di calore, sia per mantenere i pannelli fotovoltaici ad una temperatura ottima di efficienza. Si noti che, il rendimento di un normale apparato fotovoltaico diminuisce notevolmente per temperature operative superiori a circa 70-80°C, raggiungibili e facilmente superabili anche in aree temperate, durante le ore di maggiore insolazione.
Sempre secondo l’esempio precedente, con un’insolazione standard, cioè di circa 1000 W/m<2>si otterrebbe una temperatura del fluido di riscaldamento nel condotto 26 di circa 63°C, con quindi una maggiore produttività di acqua trattata B e un migliore coefficiente di prestazione della pompa di calore 45, quindi minori consumi elettrici specifici.
Nel caso di fig. 2, viene utilizzata una caldaia a gas 36 come generatore di calore primario. Tale caldaia a gas 36 comprende relativi condotti 42 e 43 di mandata e di ritorno del fluido di riscaldamento, messo in circolo mediante idonei mezzi di ricircolo, ad esempio una pompa 44.
La portata di fluido nel circuito di riscaldamento 27 è in questo caso dimensionata in funzione della portata di fluido alla caldaia a gas 36. A regime la temperatura del fluido di ritorno alla caldaia 36, quindi nel condotto 43, può avere una temperatura adeguata per un regime di potenza medio e regime di fiamma intermedio della caldaia a gas 36.
Si può ad esempio ipotizzare che la caldaia a gas 36 moduli la fiamma al fine di ottenere la massima temperatura di esercizio, ad esempio 80°C, con una portata di fluido impostata dalla pompa 44 di circolazione. In questo caso, la temperatura del fluido nel condotto 43 di ritorno alla caldaia a gas 36 potrebbe essere di circa 50°C, quindi un regime di fiamma intermedio e, conseguentemente, una potenza di esercizio intermedia. Il condotto 38 di mandata del fluido dal generatore di calore secondario 37 è posizionato ad un’altezza intermedia del contenitore 33’ del dispositivo miscelatore 3Γ, dato che, normalmente, la temperatura operativa del generatore di calore primario, in questo caso la caldaia a gas 36, supera le temperature operative ottimali di lavoro del generatore di calore secondario 37, ad esempio un pannello fotovoltaico, un collettore solare o altro.
Grazie al dispositivo miscelatore 3Γ, è possibile ridurre la potenza di lavoro della caldaia a gas 36, se la potenza erogata da tale generatore di calore secondario 37 è sufficiente, facendo circolare il fluido mediante la pompa 41 di circolazione. Maggiore è la potenza erogata dal generatore di calore secondario 37, quindi, minore è il regime di fiamma con cui far funzionare la caldaia a gas 36. Con una potenza sufficiente del generatore di calore secondario 37, è possibile spegnere del tutto la caldaia a gas 36. Ciò permette naturalmente consistenti risparmi nel consumo di gas, senza discontinuità del regime di produzione dell’acqua trattata B in uscita dall’unità di condensazione 16.
La pompa 41 di circolazione del generatore di calore secondario 37 funziona preferibilmente secondo quanto descritto in precedenza in riferimento all’apparato 10 di fig. 1, e secondo gli stessi valori di temperatura.
Sia nel caso di utilizzo della pompa di calore 45 come generatore di calore primario, che nel caso di utilizzo della caldaia a gas 36, la regolazione della portata di fluido di riscaldamento al circuito di riscaldamento 27 viene comunque effettuata, preferibilmente, solo sulla portata di fluido del generatore di calore secondario 37 a energia variabile, in modo da modificare la temperatura del fluido del generatore di calore secondario 37, e da mantenere la temperatura del fluido nel condotto 26 del circuito di riscaldamento 27, ad un valore ottimale.
In sintesi, quindi, l’applicazione del dispositivo miscelatore 31 all’apparato 10 di potabilizzazione provvisto di una pompa di calore 45 come generatore di calore primario e di un generatore di calore secondario 37, consente di aumentare la produttività e quindi la quantità di acqua trattata a parità di consumo. Questo si ottiene, in particolare, grazie all’energia del cambio di fase liquido/vapore che consente di ottenere una maggior quantità d’acqua sotto forma di vapore, a parità di temperatura, data la maggior efficienza di lavoro della pompa di calore.
L’applicazione del dispositivo miscelatore 3Γ all’apparato 11 di potabilizzazione con caldaia a gas 36, come detto, consente un consistente risparmio del gas. La riduzione dei consumi, viene ottenuta in particolare grazie dall’apporto del generatore di calore secondario 37 che va ad aumentare la temperatura del fluido nel condotto 43 di ritorno della caldaia a gas 36, in tal modo la caldaia lavora ad un regime di potenza ridotta, fino anche a spegnersi del tutto.
Il circuito di riscaldamento 27, nella parte posta all’ interno della vasca 12, comprende una struttura 49 di supporto atta ad alloggiare i due dispositivi di scambio termico 28 e 29 ed il diffusore 32.
Il dispositivo di scambio termico 28 superiore comprende un primo elemento tubolare 50, ad esempio avvolto a spirale, e collegato da una parte al condotto 26 di ingresso del fluido di riscaldamento e, dall’altra parte, ad un condotto 51 , posto ad esempio in posizione centrale ed atto a trasferire il fluido di riscaldamento verso un secondo elemento tubolare 52, anch’esso avvolto ad esempio a spirale.
Il fluido di riscaldamento percorre il secondo elemento tubolare 52, ad esempio dall’intemo all’esterno, e quindi fluisce in un condotto 53 di collegamento con un primo elemento tubolare 54 del dispositivo di scambio termico 29 inferiore.
Il fluido di riscaldamento, passa dal primo elemento tubolare 54 ad un secondo elemento tubolare 55, mediante un condotto 56, lo percorre e fuoriesce dal condotto 30 di uscita.
Gli elementi tubolari 50, 52, 54 e 55 dei dispositivi di scambio termico 28 e 29, in particolare se realizzati a spirale e preferibilmente a passo regolare, si posizionano in maniera uniforme e senza interruzioni all’intemo della parte della vasca dove viene accumulata l’acqua A da trattare e dove si ha l’ingresso 21 dell’aria calda.
L’ingresso 21 di aria calda è in comunicazione fluida, mediante un’apertura 57 di imbocco, con il diffusore 32, si vedano anche figg. 5 e 6.
Il diffusore 32 comprende una lastra 58 provvista di una serie di fori 59, attraverso cui fluisce l’aria proveniente dall’ingresso 21 e quindi dall’apertura 57.
Tali fori 59 possono essere distribuiti uniformemente su tutta la superficie della lastra 58.
Tali fori 59 possono avere un diametro di, ad esempio, circa 2 mm. Le dimensioni dei fori 59 della lastra 58 del diffusore 32 e la loro disposizione, possono variare in funzione della consistenza dell’acqua A da trattare.
L’apertura 57 è posizionata preferibilmente in corrispondenza della periferia della lastra 58, in modo che l’aria calda, quando arriva da tale apertura 57, possa poi fluire uniformemente sotto alTintera lastra 58. La lastra 58 ha preferibilmente una forma corrispondente alla forma della sezione interna della vasca 12 dove viene collocata: supponendo che la vasca 12 abbia una forma interna cilindrica, tale lastra 58 avrà una forma circolare, in modo da occupare sostanzialmente tutta la sezione interna della vasca 12.
L’aria proveniente dall’apertura 57 di imbocco può quindi passare attraverso i fori 59 della lastra 58 e attraversare tale lastra 58, dal basso verso l’alto, in modo da essere introdotta nell’acqua A da trattare.
Il diffusore 32 può essere anche provvisto di una serie di canali 60 di convogliamento dell’ aria entrante dall’apertura 57 di imbocco.
Tali canali 60 hanno sostanzialmente la funzione di permettere un’ancora più uniforme distribuzione dell’aria attraverso la lastra 58 del diffusore 32, in particolare in zone lontane dall’apertura 57 di imbocco. Tali canali 60 sono disposti sostanzialmente a raggiera rispetto all’apertura 57 di imbocco, quindi convergono verso tale apertura 57, in modo che l’aria entrante dall’apertura 57 si distribuisca uniformemente in tali canali 60.
Tali canali 60 sono quindi, preferibilmente, equamente distribuiti sulla superficie della lastra 58. Come si vede ad esempio in fig. 5, i canali 60 potranno essere anche dotati di diverse lunghezze, nel caso di una lastra 58 di forma circolare.
Ciascuno dei canali 60 può ad esempio essere formato da una coppia di pareti 61 opportunamente distanziate l’una dall’altra. Tali pareti 61 sono preferibilmente parallele.
L’altezza di ciascuna delle pareti 61 che definiscono i canali 60 diminuisce progressivamente lungo la loro lunghezza procedendo dall’apertura 57 verso la periferia della lastra 58, quindi dall’ingresso all’uscita dell’aria attraverso tali canali 60.
La diminuzione progressiva dell’altezza delle pareti 61 permette una graduale uscita dell’ aria dai canali 60, grazie all’azione esercitata dalla pressione idrostatica dell’acqua A.
L’altezza iniziale delle pareti 61 può essere stabilita in conformità con l’altezza, non visibile in figura, dell’ apertura 57 di imbocco dell’aria nel diffusore 32.
L’aria che esce dal diffusore 32 risale lo strato d’acqua A da trattare sotto forma di piccole bolle, grazie, come detto, alla pressione idrostatica dell’acqua, saturandosi d’umidità alla temperatura della massa d’acqua da trattare.
La lastra 58 può essere anche posizionata con una certa pendenza, come illustrato nelle figure: tale pendenza può essere di circa 5-8° a salire dall’apertura 57 di imbocco delTaria. Tale pendenza può favorire ulteriormente la corsa dell’aria lungo la lastra 58 sotto la pressione idrostatica.
Come si può vedere, il diffusore 32 è posizionato tra il dispositivo di scambio termico 28 superiore e il dispositivo di scambio termico 29 inferiore.
Il posizionamento del diffusore 32 tra il dispositivo di scambio termico 28 superiore e il dispositivo di scambio termico 29 inferiore, consente di prevenire un moto convettivo ascendente, che si verificherebbe durante il riscaldamento per raggiungere la temperatura di lavoro, cioè la temperatura di trattamento dell’acqua A. Tale moto convettivo impedirebbe la decantazione degli elementi di peso specifico superiore a quelli dell’acqua; in questo modo, invece, tali elementi vengono depositati sul fondo della vasca 12.
L’assorbimento di calore, nel presente apparato 10 o 11, è ottenuto quindi dalla saturazione d’umidità di una massa d’aria che, forzatamente e mediante l’ingresso 21, viene inviata in una massa d’acqua A da trattare contenuta all’interno della vasca 12, che costituisce la parte “calda” dell’apparato. La massa d’aria, in particolare, viene inviata nella massa d’acqua A da trattare attraverso il diffusore 32.
Ciò che si ottiene dall’apparato 10 o 11, è in definitiva acqua B potabile che viene preferibilmente raccolta in un serbatoio 22 di raccolta, posto a valle dell’unità di condensazione 16 o 16’, quindi a valle dell’area “fredda”.
L’apparato 10 o 11 può comprendere inoltre un’unità di controllo e comando, non illustrata per esigenze di chiarezza di illustrazione, configurata per regolare il funzionamento dell’apparato 10 o 11 almeno per mantenere i livelli di temperature ottimali per effettuare la potabilizzazione dell’acqua, adattandosi alle condizioni energetiche disponibili, ad esempio sulla base delle energie disponibili dal generatore di calore primario 36 o 45 e dal generatore di calore secondario 37.
Tale unità di controllo sarà dunque associata a sensori di rilevamento del livello dei fluidi nell’apparato, di rilevamento della temperatura, della pressione e altri.
L’unità di controllo, inoltre, può essere associata anche alle pompe 40, 41, 44, 48 di circolazione per regolare la portata dei fluidi nei rispettivi condotti in funzione delle temperature e/o delle portate di lavoro ottimali degli apparati 10 o 11.
È chiaro che all’apparato e al metodo di potabilizzazione di acqua fin qui descritti possono essere apportate modifiche e/o aggiunte di parti, senza per questo uscire dall’ambito del presente trovato.
È anche chiaro che, sebbene il presente trovato sia stato descritto con riferimento ad alcuni esempi specifici, una persona esperta del ramo potrà senz’altro realizzare molte altre forme equivalenti di apparato e di metodo di potabilizzazione di acqua, aventi le caratteristiche espresse nelle rivendicazioni e quindi tutte rientranti nell’ambito di protezione da esse definito.
Nelle rivendicazioni che seguono, i riferimenti tra parentesi hanno il solo scopo di facilitare la lettura e non devono essere considerati come fattori limitativi per quanto attiene all’ ambito di protezione sotteso nelle specifiche rivendicazioni.

Claims (10)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Apparato di potabilizzazione di acqua, comprendente almeno una vasca (12) di acqua (A) da potabilizzare, riscaldata mediante un fluido che scorre in almeno un circuito di riscaldamento (27), ed almeno un’unità di condensazione (16, 16’), configurata per ricevere aria umida in uscita da detta vasca (12) e per produrre acqua potabilizzata (B), detto apparato essendo caratterizzato dal fatto che comprende almeno un dispositivo miscelatore (31, 3Γ) associato al circuito di riscaldamento (27) dell’acqua (A) da potabilizzare, ad almeno un generatore di calore primario (36, 45) e ad almeno un generatore di calore secondario (37), comprendente un circuito (38, 39) nel quale fluisce il fluido di riscaldamento, detto dispositivo miscelatore (31, 3Γ) essendo configurato per trasferire e massimizzare il calore messo a disposizione da detti generatori di calore primario (36, 45) e secondario (37), mantenendo la temperatura del fluido nel circuito (38, 39) del generatore di calore secondario (37) ad un valore ottimale.
  2. 2. Apparato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il dispositivo miscelatore comprende almeno un contenitore (33, 33’) a cui sono associati condotti (26, 30, 38, 39, 42, 43, 46, 47) di mandata e ritorno del fluido da detti generatori di calore primario (36, 45) e secondario (37) e da detto circuito di riscaldamento (27).
  3. 3. Apparato secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti condotti (26, 30, 38, 39, 42, 43, 46, 47) vengono associati al contenitore (33, 33’) da una parte superiore (34) ad una parte inferiore (35) dello stesso sulla base della temperatura del fluido in detti condotti (26, 30, 38, 39, 42, 43, 46, 47), i condotti con il fluido a temperature maggiori essendo posizionati nella parte superiore (34) del contenitore (33, 33’) e i condotti con il fluido a temperature minori essendo posizionati nella parte inferiore (35) del contenitore (33, 33’).
  4. 4. Apparato secondo una qualsivoglia delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detto generatore di calore secondario (37) è associato ad almeno una fonte energetica rinnovabile, quale energia solare, eolica, motori a combustione interna o similari.
  5. 5. Apparato secondo una qualsivoglia delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detto generatore di calore primario è una pompa di calore (45).
  6. 6. Apparato secondo le rivendicazioni 3 e 5, caratterizzato dal fatto che la pompa di calore (45) comprende un condotto (46) di mandata del fluido al dispositivo miscelatore (31) associato ad una zona intermedia di detto conten itore (33).
  7. 7. Apparato secondo una qualsivoglia delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detto generatore di calore primario è una caldaia a gas (36).
  8. 8. Apparato secondo le rivendicazioni 3 e 7, caratterizzato dal fatto che la caldaia a gas (36) comprende un condotto di mandata del fluido al dispositivo miscelatore (3Γ) associato alla parte superiore del contenitore (33’).
  9. 9. Metodo di potabilizzazione di acqua contenuta in una vasca (12), caratterizzato dal fatto che prevede di: riscaldare l’acqua da trattare in detta vasca (12) mediante un fluido di riscaldamento che scorre in almeno un circuito di riscaldamento (27) associato ad almeno un generatore di calore primario (36, 45) ed almeno un generatore di calore secondario (37), comprendente un circuito (38, 39) nel quale fluisce il fluido di riscaldamento; introdurre detto fluido di riscaldamento in almeno un dispositivo miscelatore (31 , 3 Γ) associato a detti generatori di calore primario (36, 45) e secondario (37) e al circuito di riscaldamento (27), in modo da mantenerne la temperatura ad un valore ottimale in detto circuito (38, 39) del generatore di calore secondario (37); produrre aria umida in detta vasca (12) e trasferirla verso un’unità di condensazione (16, 16’).
  10. 10. Metodo secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dai fatto che la regolazione della portata di fluido di riscaldamento al circuito di riscaldamento (27) viene effettuata regolando la portata di fluido al generatore di calore secondario (37).
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