IT201800007379A1 - Sistema per modulare il recupero di calore in un refrigeratore di liquidi - Google Patents

Description

Descrizione dell’invenzione avente per titolo:

“SISTEMA PER MODULARE IL RECUPERO DI CALORE IN UN REFRIGERATORE DI LIQUIDI“

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un sistema modulante concepito per ottimizzare il recupero di calore in un refrigeratore di liquidi (chiller), intendendosi per recupero di calore la quota parte di potenza termica non smaltita dal fluido sorgente (aria o acqua), bensì usata per innalzare la temperatura di un fluido termovettore (tipicamente acqua) su uno scambiatore dedicato a questo preciso scopo.

Più in particolare, la presente invenzione si riferisce ad un sistema come sopra definito (qui di seguito indicato anche come “SISTEMA HR MODULANTE”) da applicarsi tanto ai refrigeratori condensati ad acqua quanto a quelli condensati ad aria, detto sistema modulante essendo atto a trasferire il calore di condensazione del fluido refrigerante, in maniera modulata e contemporaneamente, sia al fluido termovettore circolante in un apposito scambiatore di recupero calore sia all’acqua o aria del condensatore principale.

Il circuito dei refrigeratori di liquidi, noti nell’arte, prevede una valvola ON-OFF sulla linea di mandata del compressore allo scopo di deviare tutto il fluido refrigerante compresso (in forma gassosa) verso il condensatore principale (funzionamento normale) dove il gas refrigerante compresso viene condensato dall’aria o dall’acqua in base alla richiesta di acqua refrigerata, oppure verso un circuito di recupero calore (funzionamento in regime di recupero) dove il calore di condensazione del refrigerante compresso viene ceduto al fluido termovettore, generalmente acqua, in un opportuno scambiatore che quindi funziona come condensatore alternativo, non potendo graduare con continuità la potenza scambiata sul lato di recupero.

Nella configurazione usuale, nota nell’arte, la commutazione tra funzionamento normale e funzionamento in regime di recupero avviene in maniera rapida e può determinare un elevato stress del compressore visto che le commutazioni ON-OFF sulla mandata del compressore sono potenzialmente associate a variazioni brusche di pressione nella linea, con effetti sicuramente non positivi sull’affidabilità del compressore stesso.

Inoltre, poiché tali fluttuazioni improvvise di pressione nel circuito frigorifero influiscono sulla stabilità di funzionamento, l’efficienza complessiva del refrigeratore si riduce.

Pertanto nei refrigeratori noti nell’arte il recupero di calore non è graduato e la sua erogazione impatta negativamente sulle prestazioni energetiche della macchina e sull’affidabilità a lungo termine del compressore.

Scopo della presente invenzione è quello di superare, almeno in parte, gli svantaggi della tecnica nota fornendo un refrigeratore di liquidi in cui sia possibile recuperare calore in modo puntualmente aderente alla richiesta di produzione di acqua calda, minimizzando l’impatto sulla stabilità del circuito frigorifero e con riscontri positivi sull’efficienza energetica globale del sistema nonché sulla sua affidabilità nel lungo periodo.

La presente invenzione persegue il suddetto scopo ed altri attraverso un sistema di facile gestione ed economico.

Questi scopi sono raggiunti dal refrigeratore dotato di un sistema modulante di recupero calore in accordo all’invenzione e avente le caratteristiche elencate nella annessa rivendicazione indipendente 1.

Realizzazioni vantaggiose dell’invenzione appaiono dalle rivendicazioni dipendenti.

Un oggetto della presente invenzione riguarda un refrigeratore di liquidi, condensato ad acqua oppure ad aria, dotato di ciclo a compressione di vapore del refrigerante (circuito idraulico) in cui sono presenti, in parallelo tra loro, un condensatore e un recuperatore di calore (scambiatore), dove è inoltre presente, sulla linea di ritorno del refrigerante liquido, un sistema modulante di recupero calore in accordo alla presente invenzione, disposto a valle di entrambi detto condensatore e detto recuperatore di calore.

Detto sistema modulante di recupero calore è composto principalmente da una valvola modulante di controllo, disposta in corrispondenza del punto di confluenza della linea di uscita del refrigerante dallo scambiatore di calore con la linea di uscita del refrigerante dal condensatore: tale valvola modulante ha la funzione di regolare i flussi uscenti di fluido refrigerante in maniera tale da miscelarli in continuo, in qualsiasi proporzione, prima di alimentare il refrigerante all’organo di laminazione.

Pertanto nel refrigeratore di liquidi in accordo all’invenzione il ciclo a compressione di vapore del refrigerante può operare in contemporanea con il processo di smaltimento del calore sul condensatore principale, un effetto utile che si somma alla potenza scambiata sull’evaporatore.

Ulteriori caratteristiche dell’invenzione risulteranno più chiare dalla descrizione dettagliata che segue, riferita a forme di realizzazione puramente esemplificative, e quindi non limitative, illustrate nei disegni annessi in cui:

la figura 1 è una vista schematica del circuito idraulico di un refrigeratore di liquidi, condensato ad acqua, in cui è inserito il sistema modulante di recupero calore in accordo alla presente invenzione (riquadro tratteggiato);

la figura 2 è una vista schematica del circuito idraulico di un refrigeratore di liquidi, condensato ad aria, in cui è inserito il sistema modulante di recupero calore in accordo alla presente invenzione (riquadro tratteggiato).

Con riferimento alle figure, il circuito idraulico di un refrigeratore di liquidi è di norma composto da:

- un evaporatore 1 in cui il fluido refrigerante scambia calore, mediante sua evaporazione, con l’acqua o liquido da raffreddare/refrigerare riducendone la temperatura;

- un compressore 2, a valle di detto evaporatore 1, che aspira il fluido refrigerante e poi lo comprime;

- un condensatore principale 3, disposto a valle del compressore 2 (in mandata), che può essere condensato ad acqua (fig.1) oppure ad aria (fig.2), e all’interno del quale il fluido refrigerante inizia a condensare (funzionamento normale);

- uno scambiatore di calore 4, disposto in parallelo al condensatore principale 3, dove il calore di condensazione del fluido refrigerante compresso viene ceduto all’acqua (che funge da fluido termovettore o fluido di recupero del calore 21) per produrre acqua calda (funzionamento in regime di recupero);

- un ventilatore 20 nel caso di condensazione ad aria (fig.2);

- un organo di laminazione 10, e.g. una valvola di laminazione.

Con il termine “fluido refrigerante” qui si intendono identificare i gas frigorigeni, sintetici o naturali, che grazie al processo di espansione/compressione a cui vengono sottoposti assorbono calore da un liquido, generalmente acqua, che viene così raffreddato (refrigerato).

Come esempi di tali gas frigorigeni si possono citare R134a, R410A, R1234ze, R290, R32, R454B, R452B.

Con il termine “liquido refrigerato” qui si intende identificare il liquido, generalmente acqua, raffreddato da detti gas frigorigeni in un refrigeratore di liquidi.

I sopramenzionati apparecchi/componenti 1, 2, 3, 4, 10, 20, sono anche previsti nel circuito idraulico 200 di un refrigeratore in accordo all’invenzione che include un sistema di recupero calore, indicato complessivamente con il riferimento numerico 100.

Sia nel caso di refrigeratore con condensazione ad acqua (dove la “sorgente” è acqua, Figura 1) sia nel caso di refrigeratore con condensazione ad aria (dove la “sorgente” è aria, Figura 2), il circuito idraulico 200 del refrigeratore della presente invenzione non prevede, sulla linea di mandata del compressore 2, alcuna valvola deviatrice ON/OFF che è invece presente nei circuiti di refrigerazione di refrigeratori noti, in corrispondenza del punto 15 (nodo) da cui si stacca la linea di by-pass dello scambiatore/recuperatore di calore 4.

Nei refrigeratori noti, tale valvola ON/OFF ha lo scopo di deviare tutto il flusso di fluido refrigerante che esce dal compressore 2 verso lo scambiatore 4, se necessario (ad nel caso in cui il condensatore 3 non sia operativo, per qualsiasi ragione), al fine di recuperare il calore di condensazione del fluido refrigerante compresso.

Nel circuito di refrigerazione 200 che include il presente sistema di recupero calore 100 in accordo alla presente invenzione, tale valvola ON/OFF non è più prevista sulla mandata del compressore 2 in corrispondenza del nodo 15 di by-pass: in questo modo il fluido refrigerante può fluire contemporaneamente sia nel condensatore 3 che nel recuperatore di calore 4

Di fatto, la specificità del presente sistema di recupero calore 100 consiste principalmente nell’impiego di una valvola modulante, o di controllo, 5 per regolare/modulare i flussi di refrigerante uscenti dallo scambiatore 4 e dal condensatore 3, in corrispondenza del punto di confluenza 11 delle due linee di ritorno del refrigerante dallo scambiatore di recupero 4 e dal condensatore 3.

In pratica, il punto 11 rappresenta il punto in cui la linea di by-pass dello scambiatore/recuperatore 4 si innesta sulla linea principale di ritorno del refrigerante liquido proveniente dal condensatore principale 3 per alimentare l’evaporatore 1.

La valvola modulante 5, a differenza della valvola deviatrice convenzionale ON/OFF, ha un otturatore che non solo può trovarsi in posizione di completa apertura o completa chiusura, ma può assumere qualsiasi posizione intermedia grazie al suo attuatore magnetico che è comandato da un controllore (software) in funzione dei dati che i sensori inviano al controllore, e nella fattispecie i valori di alta pressione del circuito frigorifero e di temperatura del fluido termovettore 12 in ingresso al recuperatore di calore 4.

Pertanto, detta valvola modulante 5 è una valvola di controllo automatica a tre vie che permette di far funzionare contemporaneamente lo scambiatore di recupero 4 e dal condensatore 3.

E’ da notare che nel circuito 200 del refrigeratore di liquidi in accordo all’invenzione, il recuperatore di calore 4 non funziona come condensatore alternativo al condensatore 3 ma piuttosto come condensatore ausiliario del condensatore 3 dal momento che la valvola di controllo 5 può sempre miscelare, in qualsiasi proporzione, i due flussi di fluido refrigerante in uscita dallo scambiatore 4 e dal condensatore 3.

Quindi, nel circuito 200 di un refrigeratore di liquidi che include il presente sistema di recupero calore 100 non è più necessaria alcuna valvola deviatrice convenzionale di tipo ON/OFF disposta in corrispondenza sulla mandata a valle del compressore 2, in quanto la pressione nei due circuiti in ingresso al condensatore 3 e al recuperatore 4, risulta equalizzata, grazie al completo collegamento in parallelo di detti due circuiti di recupero calore e di raffreddamento.

A valle di detta valvola automatica di controllo 5 è poi previsto, sulla linea principale di ritorno 12 del fluido refrigerante, un ricevitore di liquido 6 in forma di serbatoio, che funge da volume di raccolta e riserva (hold-up) del refrigerante liquido per alimentare la valvola di espansione 10 e l’evaporatore 1 in tutti i regimi di funzionamento.

Il refrigerante liquido che esce dal serbatoio 6 attraversa un filtro deidratatore 7 e successivamente l’organo di laminazione 10 (i.e. valvola di espansione elettronica) che tramite una caduta di pressione avvia il processo di espansione vaporizzando una parte del liquido refrigerante.

Il sistema di recupero calore 100 della presente invenzione prevede inoltre due linee di by-pass rispetto alla linea principale di ritorno 12 del fluido refrigerante liquido su cui è posta la valvola di controllo 5: dette linee di by-pass 13 e 14 si staccano dalle rispettive linee di uscita di refrigerante liquido dallo scambiatore/recuperatore 4 e dal condensatore 3, a monte di detta valvola di controllo 5, così da fungere da linee di drenaggio.

Su ciascuna di dette linee di by-pass 13, 14 sono poste le rispettive valvole di drenaggio 8, 9, a solenoide, anch’esse comandate in modo automatico: tali valvole di drenaggio 8, 9 hanno lo scopo di far defluire nelle rispettive linee di drenaggio 13, 14 il refrigerante liquido in funzione di un suo sottoraffreddamento troppo basso o troppo alto, ed evitare così l’accumulo di detto refrigerante liquido in detto condensatore 3 e/o scambiatore 4.

Pertanto, tali valvole di drenaggio 8 e 9 permettono di bilanciare la quantità di refrigerante liquido che si accumula nei due condensatori 3 e 4, in relazione alla potenza sviluppata nel condensatore 3 e scambiatore di calore 4 per effetto del grado di apertura/chiusura della valvola 5 e delle temperature dei fluidi di servizio in detti condensatori 3 e 4 (aria/acqua per il condensatore 3 e fluido termovettore 21 per lo scambiatore di recupero 4), con effetti positivi sulla stabilità di funzionamento del circuito frigorifero e consentendo di limitare il volume del serbatoio 6 con impatto positivo sul costo del sistema.

Tale controllo del sotto-raffreddamento risulta particolarmente efficace nel presente circuito di refrigeratore liquido 200 in accordo alla presente invenzione per due ragioni: in primis, grazie all’equalizzazione della pressione nei due circuiti di condensazione resa possibile dal pieno collegamento in parallelo sulla mandata del compressore (no fluttuazioni di pressione per cambio di linea); in secondo luogo, per effetto dell’elevata portata degli organi di drenaggio 8 e 9, alimentati con liquido il cui battente è imposto dalla valvola di miscelazione 5.

In particolare, le linee di by-pass 13 e 14 sono dimensionate per un’area di passaggio di un ordine di grandezza inferiore rispetto alla linea principale di ritorno del liquido 12, in modo che le valvole a solenoide 8, 9 siano pilotate in ON-OFF dal controllore secondo la finalità sopra descritta.

Inoltre, nel passaggio dal funzionamento normale al funzionamento in recupero, gli organi di controllo della pressione di condensazione (ventilatori nella fig. 2 – non illustrati in figura; valvole o pompe a velocità variabile nella fig. 1 – non illustrati in figura), si predispongono in modo automatico al fine di ottenere preventivamente all’attivazione della valvola 5 una pressione correlata alla temperatura desiderata nel circuito di recupero.

Solo e soltanto quando la temperatura della sorgente (acqua nel sistema di fig. 1 e aria nel sistema di fig. 2) risulta incompatibile con il funzionamento parziale, e.g. è troppo fredda, allora il sistema di recupero calore 100 in accordo alla presente invenzione si predispone ad un funzionamento intermittente a tutto recupero o a nessun recupero, come accade nelle soluzioni convenzionali.

L’apertura progressiva della valvola 5, dal canto suo, evita poi che temperature particolarmente basse del fluido di recupero possano influire sulla stabilità di funzionamento del circuito nella fase immediatamente successiva alla transizione.

Allo scopo di ottenere un controllo di surriscaldamento sempre pronto ed efficace anche nei momenti immediatamente successivi all’attivazione del drenaggio, la valvola di laminazione 10 del circuito è di tipo elettronico e governata da un controllore PID.

Tale controllore PID calcola la differenza tra il valore impostato del surriscaldamento del vapore in uscita dall’evaporatore e il valore misurato della stessa variabile di processo e applica una correzione operando sulla valvola 5 di controllo in maniera tale da riportare il valore misurato a quello impostato.

In particolare, è proprio la gradualità imposta all’azione della valvola 5 che permette al controllore PID della valvola 10 di inseguire con efficacia il surriscaldamento voluto anche a fronte di azioni automatiche insistite sulle valvole di drenaggio 8 e 9, senza introdurre dannose pendolazioni della pressione di aspirazione accompagnate a rischi di ritorno di liquido al compressore.

In generale, ai fini del corretto funzionamento del sistema riveste un ruolo fondamentale il controllo automatico della valvola 5, concepito per sviluppare un’attuazione progressiva con tempi di apertura e chiusura compatibili con la risposta dinamica degli organi 10, 8, 9: in altre parole, il sistema automatico si intende efficace quando siano soddisfatte le seguenti condizioni: le misure di pressione del circuito frigorifero evolvono nel tempo senza brusche variazioni, le aperture automatiche delle valvole di drenaggio 8, 9 hanno un tempo di lavoro non superiore al 20%, e a fronte di un surriscaldamento stabile della valvola di laminazione 10 (con fluttuazioni del surriscaldamento del vapore inferiori a 1 grado centigrado).

La Richiedente ha trovato che un analogo tentativo di modulazione del recupero di calore basato sulla convenzionale valvola deviatrice in mandata si scontrerebbe con difficoltà derivanti dal posizionamento della valvola stessa: un’apertura parziale della valvola influirebbe sulle perdite di carico in mandata con penalizzazioni di natura energetica e renderebbe instabile l’equalizzazione delle pressioni nei due rami di condensazione, con pendolazioni del funzionamento sullo scambiatore di recupero e difficoltà nel drenaggio. Inoltre, il costo dei componenti sarebbe maggiore per via della taglia della valvola (poiché in mandata il fluido refrigerante è in fase aeriforme), del ricevitore di liquido e della carica di refrigerante. La valvola deviatrice in mandata comandata ad aperture parziali, infine, costituirebbe una fonte di rumore fastidioso.

In sintesi, il sistema “HR modulante” della presente invenzione si presenta come una combinazione di uno specifico e inusuale layout del circuito frigorifero e di un insieme di logiche di controllo che implementano il recupero di calore in modo originale.

Questo sistema, basato sulla modulazione della valvola di miscelazione 5 posta sul circuito del refrigerante in fase liquida consente migliorie consistenti nell’implementazione del recupero di calore eseguito in maniera convenzionale, quali:

- erogazione parziale e controllata della potenza scambiata sul circuito di recupero;

- riduzione del numero di commutazioni fra funzionamento normale e funzionamento in regime di recupero;

- incremento e decremento graduale della pressione di condensazione del circuito.

I vantaggi del presente sistema modulante di recupero calore possono essere così riassunti:

1. incremento dell’efficienza energetica media del sistema, dal momento che la stessa energia termica richiesta è sviluppata su un lasso di tempo maggiore a fronte di temperature medie di mandata più basse in grado quindi di contenere il salto di pressione medio richiesto al compressore;

2. un minore stress del compressore, visto che le commutazioni eseguite con deviazioni ON-OFF in mandata sono potenzialmente associate a variazioni brusche di pressione, con effetti sicuramente non positivi sull’affidabilità del compressore stesso.

Rispetto al primo dei due vantaggi enunciati, si può ulteriormente osservare come con il sistema di recupero calore “HR modulante” della presente invenzione sia completamente superato uno dei limiti principali del sistema convenzionale, ossia l’impossibilità di graduare con efficacia la potenza scambiata sul lato di recupero: infatti la richiesta di recupero è in genere assai diversa dal calore di condensazione sviluppato dal circuito frigorifero, il quale continua a essere governato in base alla richiesta di acqua refrigerata.

Infine, è importante osservare come il sistema “HR modulante” sia in grado di funzionare nei refrigeratori condensati ad aria senza limiti particolarmente stringenti in termini di temperatura dell’aria stessa. L’efficacia del sistema di drenaggio è tale infatti da consentire il funzionamento stabile del sistema con temperature dell’aria fino a 0°C in presenza di brezza tesa (velocità del vento fino a 20 km/h), e passando anche per regimi di funzionamento con ventilazione totalmente arrestata.

Altro vantaggio è rappresentato dal fatto che il costo della valvola 5 posta sulla tubazione di liquido è inferiore rispetto alla valvola ON-OFF dei refrigeratori convenzionali la quale è di dimensioni ben maggiori della valvola 5 in relazione alla considerevole differenza di densità del fluido nelle due fasi di vapore surriscaldato (come nel caso dei sistemi convenzionali) e di liquido (come nel caso del presente sistema).

La presente invenzione non è limitata alle particolari forme di realizzazione precedentemente descritte e illustrate nei disegni annessi, ma ad essa possono essere apportare numerose modifiche di dettaglio, alla portata del tecnico del ramo, senza per questo fuoriuscire dall’ambito dell’invenzione stessa, come definito nelle rivendicazioni annesse.

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1. Refrigeratore di liquidi, in particolare acqua, dotato di un circuito idraulico (200) in cui circola un fluido refrigerante e in cui sono disposti un evaporatore (1); un compressore (2), disposto a valle di detto evaporatore (1), che comprime il fluido refrigerante vaporizzato nell’evaporatore (1); un condensatore principale (3), disposto a valle di detto compressore (2), per condensare detto fluido refrigerante proveniente da detto compressore (2), mediante condensazione ad acqua oppure ad aria; uno scambiatore di calore (4), disposto a valle di detto compressore (2) e in parallelo a detto condensatore principale (3), detto scambiatore (4) essendo alimentato da un fluido termovettore o fluido di recupero del calore (21); un organo di laminazione (10) disposto sulla linea di ritorno (12) del fluido refrigerante liquido; e opzionalmente un ventilatore (20) nel caso di condensazione ad aria; detto refrigeratore essendo caratterizzato dal fatto di comprendere un sistema modulante di recupero calore (100) che include una valvola modulante (5) di controllo per regolare i flussi di fluido refrigerante uscenti da entrambi detto scambiatore di calore (4) e detto condensatore (3) in maniera tale da miscelarli in continuo, in qualsiasi proporzione, a monte di detto organo di laminazione (10), detta valvola automatica di controllo (5) essendo posta in corrispondenza del punto di confluenza (11) della linea di uscita di refrigerante dallo scambiatore di calore (4) con la linea di uscita di refrigerante dal condensatore (3).
2. 2. Refrigeratore di liquidi secondo la rivendicazione 1, in cui detto sistema di recupero calore (100) comprende inoltre, a valle di detta valvola automatica di controllo (5) ma a monte di detto organo di laminazione (10), un ricevitore di liquido (6).
3. 3. Refrigeratore di liquidi secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui sono inoltre previste due linee idrauliche di by-pass (13;14) a detta valvola modulante (5) di controllo, dette linee di by pass (13:14) essendo disposte in parallelo tra loro e prevedendo, ciascuna, un rispettivo organo di intercetto (8; 9) così da fungere da linee di drenaggio.
4. 4. Refrigeratore di liquidi secondo la rivendicazione 3, in cui detti organi di intercetto (8, 9) sono valvole di drenaggio automatiche.
5. 5. Refrigeratore di liquidi secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto organo di laminazione (10) è una valvola di laminazione elettronica, governata da un controllore PID.