IT201800002643U1 - - Google Patents

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Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

Annessa a domanda di BREVETTO PER MODELLO DI UTILITÀ dal titolo : Attached to application for PATENT FOR UTILITY MODEL entitled:

SISTEMA DI RECUPERO ENERGETICO DALL'INTERCOOLER DEL SECONDO STADIO DI UN MOTORE ENDOTERMICO ENERGY RECOVERY SYSTEM FROM THE INTERCOOLER OF THE SECOND STAGE OF AN ENDOTHERMIC ENGINE

Campo tecnico Technical field

La presente invenzione appartiene al settore dei sistemi cogenerativi che impiegano un motore endotermico sovralimentato , specialmente a gas, per la produzione di energia termica e meccanica, quest'ultima eventualmente destinata alla produzione di energia elettrica. Nel dettaglio l' invenzione riguarda il recupero termico del calore sottratto alla miscela di combustione all'interno del gruppo di interrefrigerazione, noto anche con il nome di intercooler, di un motore sovralimentato, dopo la compressione e prima dell'ingresso nella camera di combustione. The present invention belongs to the sector of cogeneration systems which use a supercharged internal combustion engine, especially gas, for the production of thermal and mechanical energy, the latter possibly destined for the production of electrical energy. In detail, the invention relates to the thermal recovery of the heat removed from the combustion mixture inside the intercooling unit, also known as the intercooler, of a supercharged engine, after compression and before entering the combustion chamber.

Stato della tecnica State of the art

Negli impianti cogenerativi che impiegano motori endotermici il calore prodotto dal motore è sfruttato per quanto riguarda l'acqua di raffreddamento del gruppo termico, l'olio lubrificante e l'energia dei gas combusti evacuati. Nel presente testo brevettuale si impiegherà il termine "acqua" per indicare genericamente il fluido vettore termico; si tratta dunque di acqua che, come noto nel settore, può contenere altre sostanze; ad esempio essa può essere stata addizionata di glicole etilenico o propilenico, oltre a poter essere stata sottoposta a condizionamento chimico. In cogeneration plants that use endothermic engines, the heat produced by the engine is exploited as regards the cooling water of the thermal unit, the lubricating oil and the energy of the evacuated combustion gases. In the present patent text the term "water" will be used to indicate generically the thermal carrier fluid; it is therefore water which, as known in the sector, may contain other substances; for example it may have been added with ethylene or propylene glycol, as well as being subjected to chemical conditioning.

Nel caso di motori sovralimentati con stadio di interrefrigerazione una ulteriore quantità di calore potenzialmente recuperabile è quella che viene sottratta all'aria comburente, miscelata o meno con il combustibile, dopo che questa è stata compressa. In the case of supercharged engines with intercooling stage, a further potentially recoverable amount of heat is that which is removed from the combustion air, whether or not mixed with the fuel, after it has been compressed.

Nel gruppo di interrefrigerazione di un motore sovralimentato il fluido vettore termico usato per raffreddare la miscela che alimenta il motore subisce un riscaldamento, a causa della sottrazione di calore dalla miscela compressa. La temperatura della miscela compressa deve essere diminuita in modo significativo e questo implica che il calore sottratto si trovi, almeno in parte, ad una temperatura talmente bassa da renderlo di difficile utilizzazione. In the intercooling unit of a supercharged engine, the thermal carrier fluid used to cool the mixture that feeds the engine undergoes heating, due to the subtraction of heat from the compressed mixture. The temperature of the compressed mixture must have decreased significantly and this implies that the subtracted heat is, at least in part, at a temperature so low as to make it difficult to use.

Ά titolo esemplificativo indichiamo che il salto di temperatura della miscela compressa che è mediamente richiesto nello stadio di interrefrigerazione di un motore a gas è generalmente di circa 185 gradi Celsius, poiché la temperatura della miscela compressa in ingresso è di circa 235 °C e la temperatura della miscela compressa in uscita dal gruppo di interrefrigerazione è di circa 50 °C. Ά by way of example we indicate that the temperature jump of the compressed mixture that is on average required in the intercooling stage of a gas engine is generally about 185 degrees Celsius, since the temperature of the compressed mixture at the inlet is about 235 ° C and the temperature of the compressed mixture leaving the intercooling unit is about 50 ° C.

Per recuperare almeno in parte il calore che il gruppo di interrefrigerazione sottrae alla miscela compressa sono state sviluppate delle soluzioni impiantistiche nelle quali il gruppo di interrefrigerazione comprende due stadi di raffreddamento; in questo modo il fluido vettore termico che raffredda la miscela nel primo stadio di raffreddamento ha una temperatura di uscita, generalmente intorno ai 100 °C, che ne permette lo sfruttamento diretto o insieme ad altri cascami termici, quali ad esempio quelli dei gas combusti evacuati dal motore. To recover at least in part the heat that the intercooling unit takes away from the compressed mixture, plant engineering solutions have been developed in which the intercooling unit includes two cooling stages; in this way the thermal carrier fluid that cools the mixture in the first cooling stage has an outlet temperature, generally around 100 ° C, which allows it to be used directly or together with other thermal waste, such as for example those of evacuated flue gases from the engine.

Il fluido vettore termico in uscita dal secondo stadio di interrefrigerazione è invece ad una temperatura più bassa, poiché è necessario garantire che la miscela di combustione esca dallo stadio di interrefrigerazione al di sotto di una determinata temperatura; per questo motivo il fluido vettore termico in uscita dal secondo stadio di interrefrigerazione non è sfruttato, ma il calore che esso contiene è dissipato in aria, per abbassarne la temperatura prima di reimmetterlo nello scambiatore di calore del secondo stadio di interrefrigerazione. The thermal carrier fluid leaving the second intercooling stage, on the other hand, is at a lower temperature, since it is necessary to ensure that the combustion mixture leaves the intercooling stage below a certain temperature; for this reason the thermal carrier fluid leaving the second intercooling stage is not exploited, but the heat it contains is dissipated in the air, to lower its temperature before reintroducing it into the heat exchanger of the second intercooling stage.

La dissipazione in aria, oltre ad essere uno spreco dal punto di vista energetico, è anche un'operazione rumorosa e che implica il consumo di energia. In addition to being a waste from an energy point of view, dissipation in the air is also a noisy operation that involves energy consumption.

In sintesi un gruppo cogenerativo con motore endotermico sovralimentato, è articolato sulla parte miscela di combustione, in due stadi: In summary, a cogeneration unit with a supercharged internal combustion engine is divided into the combustion mixture part, in two stages:

primo stadio intercooler. Trattasi di calore ad oggi recuperato, alla temperatura 90-100 °C. Questo calore è trasferito a un processo civile o industriale, con un proprio circuito recuperi comprendente, in serie il recupero calore dall'olio - recupero calore dalle camicie del motore; first stage intercooler. This is heat recovered to date, at a temperature of 90-100 ° C. This heat is transferred to a civil or industrial process, with its own recovery circuit including, in series, heat recovery from the oil - heat recovery from the engine jackets;

secondo stadio intercooler. Trattasi di calore ad oggi non recuperabile, per nessun processo, dal momento che la temperatura del fluido in uscita dall'intercooler è di 46-50 °C. Attualmente questo calore è dissipato, in continuo, in ambiente esterno con una batteria acqua - aria. Il raffreddamento dell'acqua nella batteria fa si che venga restituita all'aircooler, alla temperatura di 38 - 43 °C con un consumo di corrente per i ventilatori. second stage intercooler. This is currently non-recoverable heat, for any process, since the temperature of the fluid leaving the intercooler is 46-50 ° C. Currently this heat is continuously dissipated in the external environment with a water - air coil. The cooling of the water in the battery means that it is returned to the aircooler at a temperature of 38 - 43 ° C with a current consumption for the fans.

La domanda di brevetto giapponese JP 2017116185 (A) propone di porre una pompa di calore in parallelo al circuito dissipativo che raffredda il gruppo di interrefrigerazione: l'impianto cogenerativo descritto comprende un motore a combustione interna provvisto di un unico gruppo di interrefrigerazione, quest'ultimo viene raffreddato mediante uno scambiatore gas-acqua; l'acqua di raffreddamento esce da questo scambiatore ad una temperatura maggiore di 30 °C e questa temperatura viene ulteriormente abbassata sostituendo con una pompa di calore la dissipazione nell'ambiente, in particolare tramite una torre evaporativa. The Japanese patent application JP 2017116185 (A) proposes to place a heat pump in parallel to the dissipative circuit that cools the intercooling unit: the cogeneration plant described includes an internal combustion engine equipped with a single intercooling unit, this the latter is cooled by means of a gas-water exchanger; the cooling water leaves this exchanger at a temperature greater than 30 ° C and this temperature is further lowered by replacing the dissipation in the environment with a heat pump, in particular through an evaporative tower.

Il recupero di energia termica avviene attraverso uno scambiatore di isolamento che ha lo scopo di trasferire il calore alla pompa di calore soltanto quando ci sono le condizioni per utilizzare un fluido ad alta temperatura; quando invece detto fluido ad alta temperatura non dovesse essere richiesto il calore non viene trasferito allo scambiatore d'isolamento, e da lì alla pompa di calore, ma viene dissipato. Secondo gli insegnamenti della domanda JP 2017116185 (A) la pompa di calore lavora con una temperatura di sorgente fredda pari o superiore a 30 °C mentre la torre evaporativa ha la funzione di smaltire l'energia termica che la pompa di calore non riesce a sfruttare, in modo da garantire che la temperatura della miscela compressa in ingresso al motore non sia superiore a quella desiderata. Anche la domanda di brevetto internazionale WO 2016051246 (Al) descrive l'introduzione di una pompa di calore per innalzare oltre i 60 °C la temperatura dei fluidi di raffreddamento a bassa temperatura prodotti dai sistemi cogenerativi; in questo caso l'applicazione è specialmente pensata per usare il calore recuperato per il riscaldamento dei locali, preferibilmente in reti di teleriscaldamento. La pompa di calore è posta in serie alla rete di riscaldamento, sul ritorno e il calore della sorgente fredda della pompa di calore proviene da fonti diverse, ad esempio dal secondo stadio di interrefrigerazione e dal secondo scambiatore con i gas combusti evacuati. The recovery of thermal energy takes place through an insulation exchanger which has the purpose of transferring the heat to the heat pump only when there are the conditions to use a high temperature fluid; on the other hand, when said high temperature fluid is not required, the heat is not transferred to the insulation exchanger, and from there to the heat pump, but is dissipated. According to the teachings of the application JP 2017116185 (A) the heat pump works with a cold source temperature equal to or greater than 30 ° C while the evaporative tower has the function of disposing of the thermal energy that the heat pump is unable to exploit , so as to ensure that the temperature of the compressed mixture entering the engine is not higher than the desired one. The international patent application WO 2016051246 (A1) also describes the introduction of a heat pump to raise the temperature of the low temperature cooling fluids produced by cogeneration systems above 60 ° C; in this case the application is specially designed to use the recovered heat for heating the premises, preferably in district heating networks. The heat pump is placed in series with the heating network, on the return and the heat of the cold source of the heat pump comes from different sources, for example from the second intercooling stage and from the second exchanger with the evacuated flue gases.

Le soluzioni note risultano complicate e non sono applicabili facilmente a tutti i gruppi di cogenerazione con motore a gas già realizzati, in quanto integrano la pompa di calore nel gruppo di interrefrigerazione al solo scopo di sfruttare, almeno in parte, energia termica che sarebbe altrimenti dissipata nell'ambiente. The known solutions are complicated and are not easily applicable to all cogeneration units with gas engine already made, as they integrate the heat pump into the intercooling unit for the sole purpose of exploiting, at least in part, thermal energy that would otherwise be dissipated. in the environment.

Scopi e sommario dell'invenzione Aims and summary of the invention

Un primo scopo della presente innovazione è dunque quello di sfruttare una pompa di calore non soltanto per recuperare energia termica a bassa temperatura, ma anche per realizzare impianti con un sistema di raffreddamento dissipativo più piccolo e meno costoso di quanto sarebbe necessario in assenza di pompa di calore. A first purpose of the present innovation is therefore to exploit a heat pump not only to recover thermal energy at low temperatures, but also to create systems with a smaller and less expensive dissipative cooling system than would be necessary in the absence of a heat pump. heat.

Un ulteriore scopo è quello di sfruttare l'energia termica sottratta al secondo stadio di interrefrigerazione per alimentare dei circuiti utenza dedicati al teleriscaldamento, quest'ultimo opera tipicamente a temperature comprese fra 60 °C per il ritorno e 90 °C per la mandata. A further object is to exploit the thermal energy subtracted from the second intercooling stage to supply user circuits dedicated to district heating, the latter typically operating at temperatures between 60 ° C for the return and 90 ° C for the delivery.

Ancora uno scopo del presente trovato è quello di alimentare a temperature comprese fra 60 °C e 80 °C i sistemi di riscaldamento ambientale di edifici e complessi industriali . Another object of the present invention is to supply the environmental heating systems of buildings and industrial complexes at temperatures between 60 ° C and 80 ° C.

Non ultimo scopo della presente invenzione è quello di fornire acqua a bassa temperatura da dedicare a processi di cottura e ad altre applicazioni consimili. Not least object of the present invention is that of supplying water at a low temperature to be used for cooking processes and other similar applications.

Questi ed altri scopi che appariranno chiari all'esperto del settore sono ottenuti ponendo una pompa di calore direttamente sull'uscita dello scambiatore gas/acqua del secondo stadio di interrefrigerazione all'interno di un impianto cogenerativo con motore endotermico a gas. These and other purposes which will become clear to the skilled in the art are achieved by placing a heat pump directly on the outlet of the gas / water exchanger of the second intercooling stage inside a cogeneration plant with gas internal combustion engine.

Il sistema di recupero energetico oggetto della presente domanda di brevetto, si propone di nobilitare il calore dissipato dal secondo stadio intercooler, ad oggi non utilizzato per la bassissima temperatura, al fine di trasferirlo a un processo che può utilizzarlo a 80 - 82 °C; ad esempio: nel settore cartario per fare la pasta di carta; nello stampaggio gomma, per riscaldare gli stampi; nell'industria alimentare per la cottura di cibi; nel settore civile per la produzione di acqua calda per il riscaldamento; nel teleriscaldamento; nel teleraffreddamento per produrre acqua gelida. The energy recovery system object of this patent application aims to ennoble the heat dissipated by the second intercooler stage, not currently used due to the very low temperature, in order to transfer it to a process that can use it at 80 - 82 ° C; for example: in the paper sector to make paper pulp; in rubber molding, to heat the molds; in the food industry for cooking food; in the civil sector for the production of hot water for heating; in district heating; in district cooling to produce freezing water.

In sintesi il sistema di recupero energetico da intercooler secondo stadio di un motore endotermico comprende: In summary, the energy recovery system from the second stage intercooler of an internal combustion engine includes:

una pompa di calore (1) che: è alimentata da un lato dal circuito dell'intercooler secondo stadio (sorgente) alla temperatura di 46 - 50 °C, la stessa pompa di calore restituisce acqua allo stesso circuito, alla temperatura di 38-43 °C evitando l'uso dell'aircooler di raffreddamento, dall'altro lato la stessa pompa di calore trasferisce il calore ad un condensatore, alla temperatura di 80-82 °C ad esempio un teleriscaldamento con ingresso esempio a 60 °C; a heat pump (1) which: is fed on one side by the second stage intercooler circuit (source) at a temperature of 46 - 50 ° C, the same heat pump returns water to the same circuit, at a temperature of 38-43 ° C avoiding the use of the cooling aircooler, on the other hand the same heat pump transfers the heat to a condenser, at a temperature of 80-82 ° C for example a district heating with an inlet for example at 60 ° C;

uno skid contenente tutti gli organi di regolazione e comando del circuito sorgente e utenza, che sovraintende questo processo di trasferimento; a skid containing all the regulation and control elements of the source and user circuit, which supervises this transfer process;

piping e supporti lato utenza e lato sorgente con le necessarie opere elettrostrumentali e con i quadri di comando e potenza. piping and supports on the user side and source side with the necessary electro-instrumental works and with the control and power panels.

Preferibilmente nel circuito secondario del secondo stadio di interrefrigerazione la pompa di calore è posta a monte dello scambiatore dedicato al raffreddamento di emergenza del motore endotermico, che viene usato quando il gruppo cogenerativo opera senza carico termico. Preferably in the secondary circuit of the second intercooling stage the heat pump is placed upstream of the exchanger dedicated to the emergency cooling of the internal combustion engine, which is used when the cogeneration unit operates without thermal load.

In questo modo è possibile sottodimensionare la batteria di raffreddamento ad aria del sistema di raffreddamento dissipativo. In this way it is possible to undersize the air cooling coil of the dissipative cooling system.

La pompa di calore opera con variazioni di temperatura molto piccole sul lato sorgente, ad esempio tra 4 °C e 10 °C, preferibilmente tra 5 °C e 8 °C; 6 °C nella forma realizzativa mostrata nelle tavole allegate. The heat pump operates with very small temperature variations on the source side, for example between 4 ° C and 10 ° C, preferably between 5 ° C and 8 ° C; 6 ° C in the embodiment shown in the attached tables.

Breve descrizione dei disegni Brief description of the drawings

La Fig. 1 mostra uno schema di una forma realizzativa del gruppo cogenerativo nella quale si osserva uno scambiatore di calore gas/acqua (22) di un secondo stadio di interrefrigerazione di un motore endotermico (2) che comprende anche una pompa di calore (1) del tipo acqua/acqua a servizio di una utenza termica (5), quale ad esempio una rete di teleriscaldamento. Una pompa di ricircolo invia almeno parte dell'acqua verso la pompa di calore. Fig. 1 shows a diagram of an embodiment of the cogeneration unit in which a gas / water heat exchanger (22) of a second intercooling stage of an internal combustion engine (2) is observed which also includes a heat pump (1 ) of the water / water type serving a thermal user (5), such as a district heating network. A circulation pump sends at least part of the water to the heat pump.

Sono anche visibili i raffreddatori (3) e lo scambiatore di emergenza (4). The coolers (3) and the emergency exchanger (4) are also visible.

Nella forma realizzativa mostrata nella Figura 1, in condizione di emergenza, l'energia termica del fluido vettore termico C è smaltita dal secondo stadio di interrefrigerazione tramite lo scambiatore di emergenza (4). Dalla figura si osserva come la pompa di calore (1) è posta sull'uscita dello scambiatore di calore gas/acqua (22), prima dello scambiatore di emergenza (4) e dei raffreddatori (3). Inoltre sono visibili le valvole a due e a tre vie che permettono di adeguare il funzionamento del secondo stadio di interrefrigerazione alle condizioni di lavoro. In the embodiment shown in Figure 1, in an emergency condition, the thermal energy of the thermal carrier fluid C is disposed of by the second intercooling stage through the emergency exchanger (4). The figure shows how the heat pump (1) is placed on the outlet of the gas / water heat exchanger (22), before the emergency exchanger (4) and the coolers (3). In addition, the two and three-way valves are visible, which allow the operation of the second intercooling stage to be adapted to the working conditions.

La Fig. 2 mostra uno schema impiantistico di una forma realizzativa del gruppo cogenerativo che impiega un motore (2) a gas J620 F12 della GE Power®. Nello schema si osserva il circuito (21) del fluido vettore termico C di raffreddamento del motore (2) che viene riscaldato dapprima dall'olio di lubrificazione, poi dal liquido di raffreddamento ed infine dalla miscela di combustione. In condizioni di progetto i rispettivi dispositivi di scambio termico portano il fluido vettore termico C da 72 °C a 76,4 °C, poi a 82,4 °C ed infine a 95 °C recuperando circa 1650 kW di potenza, nell'ipotesi che i fluidi caldi primari fuoriescano dai rispettivi dispositivi di scambio termico alle temperature di 80 °C, 90 °C e 101,3 °C. Fig. 2 shows a plant diagram of an embodiment of the cogeneration unit that uses a GE Power® J620 F12 gas engine (2). The diagram shows the circuit (21) of the thermal vector fluid C for cooling the engine (2) which is heated first by the lubrication oil, then by the cooling liquid and finally by the combustion mixture. Under design conditions, the respective heat exchange devices bring the thermal carrier fluid C from 72 ° C to 76.4 ° C, then to 82.4 ° C and finally to 95 ° C, recovering approximately 1650 kW of power, in the hypothesis that the primary hot fluids escape from the respective heat exchange devices at temperatures of 80 ° C, 90 ° C and 101.3 ° C.

Sulla sinistra della figura è mostrato lo scambiatore di calore (22) gas/acqua del gruppo di interrefrigerazione che smaltisce una potenza di circa 300 kW riscaldando il fluido vettore termico A da 40 °C a 46,5 °C. In una vantaggiosa forma realizzativa la portata di progetto del fluido vettore termico A che attraversa lo scambiatore di calore (22) è paragonabile alla portata del medesimo fluido vettore termico A che alimenta la sorgente fredda della pompa di calore (1) con un salto termico da 46 °C a 40 °C, rilasciando circa 300 kW di potenza. La pompa di calore (1) fornisce calore all'utenza termica (5) riscaldando di circa 20 °C un fluido vettore termico B fino a circa 80 °C. On the left of the figure is shown the gas / water heat exchanger (22) of the intercooling unit which disposes of a power of about 300 kW by heating the thermal carrier fluid A from 40 ° C to 46.5 ° C. In an advantageous embodiment, the design flow rate of the thermal vector fluid A which passes through the heat exchanger (22) is comparable to the flow rate of the same thermal vector fluid A which supplies the cold source of the heat pump (1) with a temperature difference from 46 ° C to 40 ° C, releasing about 300 kW of power. The heat pump (1) supplies heat to the thermal user (5) by heating a thermal carrier fluid B by about 20 ° C up to about 80 ° C.

In basso a destra è visibile il circuito di ritorno dalla utenza termica (5) che recapita il fluido vettore termico C fino ad uno scambiatore di emergenza (4). In basso a sinistra sono rappresentai i raffreddatori (3) acqua/aria. At the bottom right you can see the return circuit from the thermal user (5) which delivers the thermal carrier fluid C to an emergency exchanger (4). Bottom left are the water / air coolers (3).

La Fig. 3 mostra un esempio di una diversa soluzione costruttiva . Fig. 3 shows an example of a different constructive solution.

La Fig. 4 mostra uno schema di una realizzazione del circuito del fluido vettore termico C, in alto, e del circuito del fluido vettore termico A, in basso, si tratta di una soluzione particolarmente adatta per un gruppo cogenerativo da 3,3 MW con un motore J 620 GS-F12. Fig. 4 shows a diagram of an embodiment of the circuit of the thermal carrier fluid C, at the top, and of the circuit of the thermal carrier fluid A, at the bottom, this is a particularly suitable solution for a 3.3 MW cogeneration unit with a J 620 GS-F12 engine.

La temperatura di ingresso della miscela combustibile al primo stadio di interrefrigerazione per avere un recupero di 771 kW è 236 °C; la portata della miscela combustibile è circa 5,5 kg/s; The inlet temperature of the fuel mixture in the first intercooling stage for a recovery of 771 kW is 236 ° C; the flow rate of the combustible mixture is about 5.5 kg / s;

La temperatura in ingresso allo scambiatore del secondo stadio di interrefrigerazione è circa 100 °C mentre la temperatura in uscita è al massimo 50 °C; la potenza da smaltire da parte del secondo stadio di interrefrigerazione è circa 305 kW poiché l'acqua con aggiunta di glicole al 37% realizza un salto di 6,5 °C con una portata di circa 12,5 dm<3>/s. Il secondo stadio dì interrefrigerazione è dimensionato per garantire comunque un ingresso dell'acqua allo scambiatore di calore intorno o al di sotto dei 40° C per garantire il raffreddamento della miscela combustibile. I dati riportati nella presente figura hanno una tolleranza pari a - 8% più un ulteriore 5% per i dispositivi di raffreddamento. The inlet temperature to the exchanger of the second intercooling stage is about 100 ° C while the outlet temperature is at most 50 ° C; the power to be disposed of by the second intercooling stage is about 305 kW since the water with the addition of 37% glycol achieves a jump of 6.5 ° C with a flow rate of about 12.5 dm <3> / s. The second intercooling stage is sized to ensure in any case an entry of water to the heat exchanger around or below 40 ° C to ensure cooling of the combustible mixture. The data shown in this figure has a tolerance of - 8% plus an additional 5% for cooling devices.

Lo schema evidenzia come il circuito del fluido vettore termico C possa recuperare anche il calore dei gas di scarico e/o il circuito del fluido vettore termico A possa recuperare il calore dell'olio del motore dopo che quest'ultimo è già stato raffreddato in un primo stadio dal fluido vettore termico C. The diagram shows how the circuit of the thermal carrier fluid C can also recover the heat of the exhaust gases and / or the circuit of the thermal carrier fluid A can recover the heat of the engine oil after the latter has already been cooled in a first stage from the thermal carrier fluid C.

Descrizione dettagliata di una forma di attuazione dell'invenzione Detailed description of an embodiment of the invention

In una forma realizzativa particolarmente semplice ed efficace il gruppo cogenerativo oggetto della presente domanda di brevetto comprende un motore (2) endotermico sovralimentato che viene raffreddato da un fluido vettore termico C che a sua volta cede calore ad una utenza termica (5), quest' ultima è tipicamente un sistema di teleriscaldamento, ma anche un qualunque impianto che necessita di energia termica . In a particularly simple and effective embodiment, the cogeneration unit object of the present patent application comprises a supercharged endothermic engine (2) which is cooled by a thermal vector fluid C which in turn transfers heat to a thermal user (5), this the latter is typically a district heating system, but also any system that requires thermal energy.

Nelle soluzioni più diffuse il motore è un motore a gas e la sovralimentazione viene effettuata comprimendo la miscela di combustibile ed aria comburente, tuttavia la presente invenzione può essere applicata anche nel caso in cui la compressione venga effettuata sulla sola aria comburente. Per raffreddare la miscela combustibile compressa che alimenta il motore, il sistema cogenerativo comprende un gruppo di interrefrigerazione il quale, nella forma realizzativa qui descritta, è costituito da un primo stadio di interrefrigerazione ad alta temperatura, che riscalda un fluido vettore termico C, posto in serie, ma non necessariamente immediatamente a valle, con un secondo stadio di interrefrigerazione a bassa temperatura che comprende uno scambiatore di calore gas/acqua (22) nel quale la miscela compressa cede calore ad un fluido vettore termico A. In the most common solutions the engine is a gas engine and the supercharging is carried out by compressing the mixture of fuel and combustion air, however the present invention can also be applied if the compression is carried out only on the combustion air. To cool the compressed fuel mixture that feeds the engine, the cogeneration system comprises an intercooling unit which, in the embodiment described here, consists of a first stage of high temperature intercooling, which heats a thermal carrier fluid C, placed in series, but not necessarily immediately downstream, with a second stage of low temperature intercooling which includes a gas / water heat exchanger (22) in which the compressed mixture transfers heat to a thermal carrier fluid A.

Il secondo stadio di interrefrigerazione comprende anche una pompa di calore (1) acqua/acqua, alimentata da almeno una parte del fluido vettore termico A in uscita dallo scambiatore gas/acqua (22); la pompa di calore (1) a sua volta riscalda un fluido vettore termico B che alimenta un'utenza termica, quest'ultima può essere lo stesso sistema di teleriscaldamento alimentato dal raffreddamento del motore oppure può essere un'utenza termica diversa. The second intercooling stage also comprises a water / water heat pump (1), fed by at least a part of the thermal carrier fluid A leaving the gas / water exchanger (22); the heat pump (1) in turn heats a thermal carrier fluid B which supplies a thermal user, the latter can be the same district heating system powered by the cooling of the motor or it can be a different thermal user.

Nella forma realizzativa qui descritta il secondo stadio di interrefrigerazione comprende anche dei raffreddatori (3) del tipo acqua/aria, che raffreddano il fluido vettore termico A in ingresso a detto scambiatore di calore gas/acqua (22), e uno scambiatore di emergenza (4) che abbassa la temperatura del fluido vettore termico C riscaldando il fluido vettore termico A in ingresso a detti raffreddatori (3) acqua/aria; lo scambiatore di emergenza (4) garantisce il funzionamento del motore per la produzione di energia elettrica anche quando l'utenza termica (5) non assorbe tutta l'energia termica prodotta dal motore (2). Quando il carico termico è inferiore alla potenza termica di progetto del gruppo cogenerativo è possibile intervenire sul recupero dei gas combusti fino ad azzerarlo, grazie a un condotto di by-pass che li immette direttamente al camino. Sebbene altre regolazioni siano note nel settore, quando la richiesta termica è nulla o molto ridotta e si vuole mantenere la sola produzione elettrica è necessario smaltire il calore in eccesso proveniente dal motore (2). In questa condizione, che si presenta specialmente se il gruppo cogenerativo è condotto con priorità elettrica, il fluido vettore termico C che raffredda il motore sottraendo il calore dall'olio del motore e/o dal liquido di raffreddamento e/o dal primo stadio di interrefrigerazione deve essere a sua volta raffreddato per evitare il danneggiamento del motore. In the embodiment described herein, the second intercooling stage also comprises coolers (3) of the water / air type, which cool the thermal carrier fluid A entering said gas / water heat exchanger (22), and an emergency exchanger ( 4) which lowers the temperature of the thermal vector fluid C by heating the thermal vector fluid A entering said water / air coolers (3); the emergency exchanger (4) guarantees the functioning of the motor for the production of electric energy even when the thermal user (5) does not absorb all the thermal energy produced by the motor (2). When the heat load is lower than the design heat output of the cogeneration unit, it is possible to intervene on the recovery of the burnt gases up to zero, thanks to a by-pass duct that introduces them directly to the chimney. Although other adjustments are known in the sector, when the thermal demand is zero or very low and only electric production is to be maintained, it is necessary to dispose of the excess heat coming from the motor (2). In this condition, which occurs especially if the cogeneration unit is conducted with electrical priority, the thermal carrier fluid C which cools the engine by subtracting the heat from the engine oil and / or from the coolant and / or from the first intercooling stage it must in turn be cooled to avoid damage to the motor.

Generalmente il raffreddatore o i raffreddatori (3) acqua/aria cedono calore direttamente all'ambiente. Generally the water / air cooler (s) (3) transfer heat directly to the environment.

In una forma realizzativa preferita la pompa di calore (1) è dimensionata per assorbire tutto il calore del secondo stadio di interrefrigerazione, così da permettere di utilizzare i raffreddatori acqua/aria (3) solo in emergenza, riducendone il numero necessario per il funzionamento con solo carico elettrico, ossia quando l'utenza termica è a zero. Preferibilmente l'utenza termica (5) è costituita da una rete di teleriscaldamento e, in una forma realizzativa preferita, il fluido vettore termico B aumenta la temperatura di ritorno dell'acqua del teleriscaldamento operando in parallelo al fluido vettore termico C e, eventualmente, ad ulteriori fonti di energia termica. In a preferred embodiment, the heat pump (1) is sized to absorb all the heat of the second intercooling stage, so as to allow the water / air coolers (3) to be used only in an emergency, reducing the number necessary for operation with electric load only, i.e. when the thermal user is at zero. Preferably the thermal user (5) is constituted by a district heating network and, in a preferred embodiment, the thermal carrier fluid B increases the return temperature of the district heating water by operating in parallel with the thermal carrier fluid C and, possibly, to additional sources of thermal energy.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI 1. Gruppo cogenerativo per alimentare almeno una utenza termica (5) ed una utenza meccanica, comprendente almeno un motore (2) endotermico sovralimentato raffreddato da un fluido vettore termico C che cede calore a detta utenza termica (5), comprendente altresì un gruppo di interrefrigerazione della miscela combustibile compressa che alimenta detto motore (2), detto gruppo di interrefrigerazione comprendendo almeno un primo stadio di interrefrigerazione ad alta temperatura, che riscalda detto fluido vettore termico C, e un secondo stadio di interrefrigerazione a bassa temperatura che comprende almeno uno scambiatore di calore gas/acqua (22) nel quale detta miscela combustibile compressa riscalda un fluido vettore termico A, caratterizzato dal fatto che detto secondo stadio di interrefrigerazione comprende anche una pompa di calore (1) acqua/acqua, alimentata da almeno una parte di detto fluido vettore termico A in uscita da detto scambiatore gas/acqua (22), detta pompa di calore (1) riscaldando un fluido vettore termico B che alimenta un'utenza termica. CLAIMS 1. Cogeneration unit for powering at least one thermal user (5) and one mechanical user, comprising at least one supercharged endothermic engine (2) cooled by a thermal carrier fluid C which transfers heat to said thermal user (5), also comprising a group of intercooling of the compressed fuel mixture which feeds said engine (2), said intercooling unit comprising at least a first high temperature intercooling stage, which heats said thermal carrier fluid C, and a second low temperature intercooling stage which comprises at least one exchanger gas / water heat pump (22) in which said compressed fuel mixture heats a thermal carrier fluid A, characterized in that said second intercooling stage also comprises a water / water heat pump (1), fed by at least a part of said thermal carrier fluid A leaving said gas / water exchanger (22), called heat pump (1) ri heating a thermal carrier fluid B which supplies a thermal user. 2. Gruppo cogenerativo come da rivendicazione 1 che precede caratterizzato dal fatto che detto secondo stadio di interrefrigerazione comprende almeno un raffreddatore (3) acqua/aria che raffredda il fluido vettore termico A in ingresso a detto scambiatore di calore gas/acqua (22). 2. Cogeneration unit as per claim 1 above, characterized in that said second intercooling stage comprises at least one water / air cooler (3) which cools the thermal carrier fluid A entering said gas / water heat exchanger (22). 3. Gruppo cogenerativo come da rivendicazione 2 che precede caratterizzato dal fatto di comprendere uno scambiatore di calore di emergenza (4) acqua/acqua che abbassa la temperatura del fluido vettore termico C riscaldando il fluido vettore termico A in ingresso a detto raffreddatore (3) acqua/aria. 3. Cogeneration unit as per claim 2 above, characterized in that it comprises an emergency water / water heat exchanger (4) which lowers the temperature of the thermal carrier fluid C by heating the thermal carrier fluid A entering said cooler (3) water / air. 4. Gruppo cogenerativo come da una qualsiasi delle rivendicazioni che precedono caratterizzato dal fatto che detto fluido vettore termico C raccoglie anche il calore dell'olio di lubrificazione di detto motore (2). 4. Cogeneration unit according to any one of the preceding claims, characterized in that said thermal carrier fluid C also collects the heat of the lubricating oil of said engine (2). 5. Gruppo cogenerativo come da una qualsiasi delle rivendicazioni che precedono caratterizzato dal fatto che detto fluido vettore termico C raccoglie anche il calore del liquido di raffreddamento di detto motore (2). 5. Cogeneration unit according to any one of the preceding claims, characterized in that said thermal vector fluid C also collects the heat of the cooling liquid of said engine (2). 6. Gruppo cogenerativo come da rivendicazione 2 che precede caratterizzato dal fatto che detto raffreddatore (3) acqua/aria cede calore all'ambiente. 6. Cogeneration unit as per claim 2 above, characterized in that said water / air cooler (3) transfers heat to the environment. 7. Gruppo cogenerativo come da una qualsiasi delle rivendicazioni che precedono caratterizzato dal fatto che il salto di temperatura di detto fluido vettore termico A nell'attraversamento di detta pompa di calore (1) è compreso fra 4 °C e 10 °C. 7. Cogeneration unit according to any one of the preceding claims, characterized in that the temperature jump of said thermal vector fluid A as it passes through said heat pump (1) is comprised between 4 ° C and 10 ° C. 8. Gruppo cogenerativo come da una qualsiasi delle rivendicazioni che precedono caratterizzato dal fatto che il salto di temperatura di detto fluido vettore termico A nell'attraversamento di detta pompa di calore (1) è compreso fra 6 °C e 8 °C. 8. Cogeneration unit according to any one of the preceding claims, characterized in that the temperature jump of said thermal vector fluid A as it passes through said heat pump (1) is comprised between 6 ° C and 8 ° C. 9. Gruppo cogenerativo come da una qualsiasi delle rivendicazioni che precedono caratterizzato dal fatto di comprendere almeno una pompa di ricircolo di detto fluido vettore termico A. 9. Cogeneration unit according to any one of the preceding claims, characterized in that it comprises at least one recirculation pump for said thermal carrier fluid A. 10. Gruppo cogenerativo come da rivendicazione 9 che precede caratterizzato dal fatto che detta pompa di ricircolo è posta immediatamente a monte di detta pompa di calore (1). 10. Cogeneration unit as per claim 9 above, characterized in that said recirculation pump is placed immediately upstream of said heat pump (1).
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